автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Синтез измерительных преобразователей переменного тока для силовых преобразовательных устройств

На правах рукописи

ТБ ОД

'3 той гт

БЕЛОВ Аристарх Георгиевич

СИНТЕЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ СИЛОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2000

1 I

.. Работа выполнена на кафедре «Электрооборудование и автомата транспорта» Дальневосточного государственного технического университета.

Научный руководитель: заслуженный энергетик РФ, доктор технических наук, профессор Кувшинов Г.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Веревкин В.Ф.

кандидат технических наук, доцент Силин.Н.В.

Ведущая организация: Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Защита состоится « 2000 г. в часов на заседай*

специализированного совета К 064.01.08 Дальневосточного государственно! технического университета по адресу: 690600,Владивосток,ул. Пушкинская, 1(

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 0 » 2000 г.

У ч еный ■ секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Ю. М. Горбенко

<МЦ.5Ц-оИ. о + яак.о*-ОЦЦ.г-0\5. г>

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В промышленности и электроэнергетике широко используются большие переменные и постоянные токи. При этом в абсолютном большинстве применяются большие переменные токи (БПТ), измерение которых обеспечивает контроль и управление в установках и технологических комплексах. Источниками питания потребителей БПТ являются, как правило, силовые преобразовательные устройства, ток в цепях которых в большинстве случаев принимает сложную форму, отличную от гармонической. Измерение БПТ — специфичная область измерений, имеющая свои особенности и выдвигающая дополнительные условия к измерителям БПТ (ИБПТ), состоящим из первичного измерительного преобразователя (ПИП) и вторичного измерительного преобразователя (ВИЛ). Анализ состояния парка промышленных ИБПТ показал, что при многообразии номенклатуры ИБПТ техника измерений БПТ отстает от запросов практики. Это отставание обусловлено неразборностью стационарных и недостаточной точностью разборных ПИП, отсутствием серийно выпускаемых ИБПТ промышленного применения для верхнего диапазона БПТ, невозможностью с необходимой точностью измерять БПТ в переходных режимах и БПТ сложной формы, большими и растущими с ростом измеряемых БПТ массогабаритными показателями ПИП, отсутствием (в случае необходимости интегрирования выходного сигнала ПИП) удовлетворяющего определенным условиям ВИП. Недостатки существующих ИБПТ делают актуальными технические разработки и исследования, направленные на совершенствование ИБПТ.

Цель работы - разработка ИБПТ, в максимальной степени отвечающего условиям и особенностям измерения БПТ и лишенного выявленных недостатков существующих ИБПТ.

Цель достигается

использованием ПИП нетрадиционной компоновки, обмотка которого с немагнитным сердечником крепится непосредственно на токопроводе без охвата его, чем исключается необходимость разборности токопровода или обмотки ПИП, уменьшаются массогабаритные показатели ПИП и влияние помех, устраняются нелинейные искажения сигнала;

применением в качестве интегрирующего ВИП специальных фильтров, выполняющих приближенно операцию интегрирования, но лишенных при этом таких недостатков интегратора, как влияние начального момента измерения (фазы измеряемого тока) на результат измерения и накопление погрешности интегрирования при наличии постоянной составляющей сигналов помех на его входе.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач и проведением следующих исследований:

оценка метрологических возможностей предлагаемого ПИП и степени его превосходства по массогабаритным показателям над трансформаторами тока (ТТ);

аналитическое обеспечение расчета катушек ПИП;

оптимизация формы и размеров катушек ПИП при двух вариантах критериев их оптимальности;

обоснование целесообразности замены интегрирующего ВИП фильтрами с дробно-рациональными передаточными функциями (ПФ) и синтез ПФ фильтров первого и второго порядков;

анализ возможностей цифровой реализации синтезированного фильтра. Определение системной функции (СФ) цифрового фильтра, наилучшим образом эквивалентирующего аналоговый фильтр-прототип;

исследование способности аналоговых и цифровых фильтров воспроизводить сигналы различной формы;

экспериментальное исследование метрологических характеристик предлагаемого ИБПТ с аналоговой и цифровой реализациями ВИП.

Методы исследования базируются на математическом анализе, теории электротехники, управления и цифровой обработки сигналов. Методика исследования сочетает теоретический анализ, моделирование на персональном компьютере (ПК) и натурный эксперимент.

Определение формы и параметров катушек ПИП, синтез аналогового и цифрового фильтров выполнялись методами дифференциального, интегрального, операционного (непрерывного и дискретного) исчислений и гармонического анализа. При оптимизации формы катушек ПИП применялось вариационное исчисление. Определение формы и размеров катушек ПИП и моделирование ИБПТ с аналоговым и цифровым фильтрами осуществлялись с использованием численных методов математического анализа и математического моделирования. При проведении эксперимента и обработке его - результатов использовались методы метрологии и математической обработки результатов.

Достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждена экспериментальными исследованиями и опытом эксплуатации разработанных ИБПТ.

Научная новизна Решены задачи оптимизации формы и размеров катушек ПИП, монтируемых непосредственно на токопроводе без охвата его, чем достигается максимальный коэффициент преобразования измеряемого тока в напряжение ПИП, минимизируется расход обмоточного провода и габариты катушек ПИП, снижается влияние помех.

Впервые предложено применять в качестве интегрирующего ВИП специальные фильтры, приближенно выполняющие операцию интегрирования, но исключающие при этом недостатки интегратора.

Синтезирована ПФ интегрирующего фильтра.второго порядка и показана эффективность ИБПТ с этим фильтром.

При цифровом эквивалентировашш синтезированного фильтра выявлено превосходство цифрового фильтра, первая и вторая г-формы отображения интегралов в котором получены по условию инвариантного воспроизведения первой гармоники измеряемого тока.

Практическая ценность технической разработки - создание ИБПТ, по ряду основных характеристик превосходящего существующие. Он конструктивно прост, надежен, технологичен, имеет низкую стоимость, просто монтируется. У него нет ограничений, усложнений или снижения показателей при расширении диапазона измерения в область сверхбольших токов. Он меньше подвержен влиянию помех. Широкая частотная полоса дает возможность с необходимой точностью измерять токи сложной формы, а повышение порядка фильтра ВИП позволяет наращивать точность измерения и, при необходимости, компенсировать влияние помех. Сопряжение ПИП с ЭВМ (цифровая реализация ВИП) еще более упрощает ИБПТ и расширяет его возможности.

Достоинства предлагаемого ИБПТ позволяют увеличивать число точек (цепей) контроля тока, чем увеличивают информационные ресурсы и функциональные возможности использующих такие ИБПТ систем.

Реализация результатов работы. Владивостокское предприятие «Эра» выпускает разработанное совместно с ДВГТУ устройство для испытания аппаратов токовой защиты «Исток-1», в котором используется предложенный ИБПТ с аналоговым фильтром на операционных усилителях. На Зейской ГЭС ведутся работы по установке ИБПТ с предлагаемыми ПИП и ВИП для измерения токов статора и ротора генераторов этой ГЭС. Полученные результаты использованы в 5 дипломных работах выпускников кафедр АУТС и ЭОАТ ДВГТУ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности. Энергетика и технология»(Владивосток, 1994), Дальневосточно-ной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Вос-тока»(Владивосток, 1995), XXXV научно-технической конференции ДВГТУ (Владивосток, 1995), региональной научно-технической конференции по МРНТП «Дальний Восток России»(Хабаровск, 1995), XXXVI научно-технической конференции ДВГТУ (Владивосток, 1996), Международной электронной конференции «Перспективные технологии автоматизации»(Вологда, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи, 2 изобретения, 6 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 137 наименований. Работа изложена на 131 странице, содержит 70 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и способы ее достижения, перечислены решаемые задачи и проводимые исследования, обеспечивающие достижение поставленной цели.

В первой главе в результате аналитического обзора существующих методов и средств измерения БПТ выявлено, что для измерения БПТ в промышленных установках используются ИБПТ с индукционными и магнитогальва-ническими ПИП, причем при измерении БПТ в электротехнических системах низкого напряжения индукционные ПИП (ТТ различных типов) имеют преимущество. Однако все разновидности ТТ обладают недостатками, вытекающими из принципа охвата ПИП токопровода, главные из которых - растущие с ростом измеряемого БПТ массогабаритные показатели ПИП и высокий уровень сигналов помех. К тому же ТТ (исключая воздушные ТТ, работающие в режиме холостого хода) имеют чрезмерную погрешность измерения в переходных режимах. Особенно велика погрешность измерения апериодической составляющей тока, достигающая десятков процентов. Поэтому предложено применять ПИП в виде трансреакторов (ТР) — катушек с разомкнутым сердечником, монтируемых непосредственно на токопроводе без охвата его и работающих в режиме холостого хода. При этом соотношение масс обмоток ТТ и ТР - Стг и Отр

б-гт - Рт? г-гт 12 тг 1ртр лч

вТР Атт гТР ¡пр ¡^ , (1)

имеющих равновеликие площади сердечников, длины витков обмоток и ЭДС в них, составляет десятки - сотни единиц {р - магнитная проницаемость сердечника, г - среднегеометрическое расстояние между сечениями токопровода с измеряемым током и поверхности, ограниченной витком обмотки, - ток обмотки, Iо - ток намагничивания). Наличие же у ТТ сердечника делает преимущество ТР неоспоримо значительным и растущим с ростом измеряемого тока.

Малые массогабаритные показатели ТР расширяют область применения ИБПТ, позволяя измерять токи отдельных элементов электротехнических систем.

Максимальная приближенность ТР к токопроводу уменьшает влияние помех, которое также может быть минимизировано экранированием катушки ТР или применением ТР с двумя катушками, установленными симметрично на обеих сторонах токопровода и соединенными последовательно. Двухкатушеч-ная схема к тому же минимизирует вариативность взаимной индуктивности токопровода и ТР, обусловленную возможными изменениями зазора между токопроводом и катушкой.

Показано, что ТР весьма точно воспроизводит производную тока, в том числе имеющего апериодическую составляющую и несинусоидального, хотя выходной величиной ТР становится напряжение, пропорциональное производной измеряемого тока, и для получения сигнала, пропорционального току, необходимо интегрировать сигнал ПИП.

Во второй главе решаются задачи расчета и оптимизации формы и параметров катушек ТР для измерения БПТ в плоской шине. Фомулировка задачи определения формы и параметров катушки ТР: получить катушку с минимальными длиной обмоточного провода Ь и числом витков IV, сниженным влиянием помех, малочувствительную к колебаниям ее размеров и технологичную, при максимально возможной близости катушки к токопроводу, при заданном коэффициенте к преобразования измеряемого тока I в выходное напряжение катушки ТР при допустимых искажениях сигнала в известной полосе частот / , при заданных или длине I, или высоте И, или периметре катушки Р.

Для расчета катушек ТР, ввиду ошибочности приводимых в литературе формул, выводится формула перпендикулярной к плоскости сечения катушки составляющей вектора индукции В магнитного поля шины прямоугольного сечения

где хн:- координаты точки в магнитном поле (рис. 1).

Сложность (2) ставит вопрос об исследовании возможности использования вместо нее формул индукции для бесконечно тонкой пленки - В72 или даже бесконечно тонкого провода - В23. Из расчетов и графиков Вц, В22 и В2з следует, что шина не может быть заменена бесконечно тонким проводом, а пленкой - может, т.к. значения Вг1 и Вг: при а 2 ^ г < °° разнятся только четвертой-пятой значащими цифрами.

Далее решаются задачи оптимизации катушек ТР. В первом варианте постановки задачи для катушек прямоугольного сечения определяются соотношения их размеров, при заданных условиях и ограничениях минимизирующие Ь. Если среднее значение индукции В в поперечном сечении катушки представить в виде

1 7 7 ' 7

,'+\х+а/2- . , \:-Ь' +\х+а2\

! ' ! 1 1

+2\х+а/2\аг^

то выражение Ь в относительных размерах

¿'-4= *У ■ , (4)

{

где А=хк/1,11/р; к=и2>1; И*=кЪ; ?* = 1Ь;}ц=И0Ь.

Для анализа влияния , И* и С* на Ь* были рассчитаны и построены зависимости //от Л*для различных £*н 1!^. Из графиков следует, во-первых, что Ь* тем меньше, чем меньше Ид и больше . Во-вторых, для каждой пары выбранных значений и зависимость Ь* от И* имеет минимум при

некотором, оптимальном значении /ьр1. В-третьих, существенное отличие И* от (уменьшение на 20% или увеличение на 25%) незначительно сказывается на Ь*.

Однако при рассмотренном методе определения параметров катушки (С фиксирована) получаются катушки, удлиненные в перпендикулярном к шине направлении (А*>С). Причем уменьшение Увлечет существенное увеличение Л*, снижая их компактность и технологичность, увеличивая влияние помех. Поэтому далее ставится и решается задача оптимизации катушки ТР в иной постановке: определяется форма витка катушки у(х), при фиксированном периметре витка Р обеспечивающая максимальную взаимную индуктивность М витка и токопровода, т.е. решается изопериметрическая задача вариационного исчисления. При этом допускается наличие прямолинейного участка в прилегающей к токопроводу части витка, т.е. решается вариационная задача со свободным концом. При ее решении применена аппроксимация

^В(х)с1х ~ Рх^А1-А2ехр\-ах; . (5)

Аппроксимация (5) делает возможным решение вариационной задачи, обеспечивая при этом необходимую точность ее решения: максимальная относительная погрешность аппроксимации у(х) не превосходит 1,3% .

Решение вариационной задачи дает уравнение оптимального витка

! 2 2(5 \ехр-алх) 2

, . 1\1+0~ I ' 1+0 -2ехр-адх\ Мйх,=4г —^—агссо.ч-1--агссоя—г-—-1

I 20 1 2"\ 2

и ¡7-0 \exfi-cux) 1-<2

(6)

где дх = х - Ио~, О = 2ти(2х ~аР), т.е. форма витка зависит от его периметра Р. На рис.2 приведены рассчитанные по (6) оптимальные контуры витков при нескольких значениях Р* ~РЬ. Ввиду мало вероятности изготовления катушек таких сложных и переменных конфигураций далее были рассмотрены и сравнивались свойства катушек иных, широко или ограниченно применяемых

или неприменяемых в настоящее время, но технологичных форм, близких по конфигурации к оптимальной. В качестве таковых были выбраны круглые, прямоугольные, треугольные, в виде полукруга и усеченного круга катушки, оптимальные в своем классе. Для пяти выбранных и оптимальной катушек

были рассчитаны и построены зависимости М Р=/(Р*). Оценивались катушки и по критерию расхода обмоточного провода Ь, количеству витков IV. Были также рассчитаны и построены графики отклонений (относительно оптимальной катушки) размеров (высоты И* и длины £*) катушек в функции Р*, позволяющие судить об их компактности. Из графиков следует, что худшими характеристиками обладают треугольные катушки, а лучшими - в форме усеченного круга. У последних максимальное снижение М (увеличение Ь) не. превосходит 2% при также незначительном отклонении габаритных размеров относительно катушки оптимальной кофигурации. При возникновении на практике трудностей с внедрением катушек такой формы целесообразно применять при Р*< 4 круглые катушки, а при Р*> 4 - полукруглые. Тогда максимальное (при Р*= 4) увеличение Ь составит 10%. В случае затруднений с изготовлением и полукруглых катушек остается использовать прямоугольные. При этом, если позволительно увеличивать высоту ПИП, интервал применения круглых катушек расширяется до Р*= 6. Тогда максимальное (при 6) увеличение Ь и Жсоставит 15%.

Сравнение же свойств прямоугольных катушек, получаемых в результате минимизации Ь при фиксировании I, и катушек, получаемых оптимизацией формы витка при фиксированном Р, показывает, что отношения размеров получаемых вторым способом катушек мало меняются и близки к 1, т.е. они более технологичны. Зато при одинаковых I у полученных первым способом катушек Ь и ¡V меньше. Следовательно, предпочтительность выбора формы

_1_I-1-и-и-1—1-р.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 АХ

Рис. 1

Рис.2

прямоугольных катушек определяется условиями их изготовления и предъявляемыми к ПИП требованиями.

Третья глава посвящена синтезу интегрирующих фильтров для ИБПТ, призванных заменить интеграторы, не в полной мере отвечающие условиям измерения БПТ.

Первый недостаток интегратора обусловлен тем, что, выполняя операцию взятия определенного интеграла, он включает в выходной сигнал величину, равную значению первообразной от подынтегральной функции в начальный момент измерения. Поэтому произвольное, не с нулевого значения измеряемого тока /, начало измерения приводит к появлению на выходе интегратора постоянной составляющей, зависящей от фазы / (момента включения). Так, если 1(1) =ят(со{ + ао), где ао - фазовый сдвиг, то интегрирование Г(1) дает на выходе интегратора сигнал &т(а>( + ао) - .чтао

Второй недостаток заключается в том, что поступающие с катушки ТР на вход интегратора сигналы помех, имеющие постоянную составляющую, вызывают на выходе интегратора растущий (вплоть до выхода в насыщение) сигнал.

Поэтому предлагается использовать в ИБПТ вместо интеграторов выполняющие операцию интегрирования фильтры с ПФ вида

в которой порядок полинома знаменателя на единицу больше порядка полинома числителя. Предлагаемые фильтры должны приближенно, но с допустимой методической погрешностью, интегрировать выходной сигнал ТР, выполняя операцию взятия неопределенного интеграла, подавляя или ограничивая сигналы постоянных помех и, при необходимости, подавляя и высокочастотные помехи.

Критерием выбора порядка фильтра и его параметров принята точность воспроизведения токов в таких неблагоприятных для измерения случаях, как установившиеся несинусоидальные (характерные для силовых преобразовательных устройств) токи, содержащие гармонические составляющие

1/0 = зт(со,1 = $1п(}ш1 (р¿), I = 1,2,3, ... , (8)

и токи переходного режима

¡перО) = ^(ы^+ср,) - ¡ту, ехр(-Ы) . (9)

Синтезируется требуемый фильтр методом иерархии порядков - сопоставительным исследованием свойств фильтров при последовательном повышении порядка фильтра (7).

Исследование свойств фильтров первого и второго порядков показало их способность ограничивать выходной сигнал, обусловленный постоянной помехой, на уровне, не превышающем 2А. а (Л - величина помехи, а - модули полюсов фильтров), что лучше, чем у интегратора.

Аналитическое исследование и моделирование фильтров показало наличие на их выходах не постоянной, как у интегратора, а экспоненциально спадающей до нуля составляющей сигнала, обусловленной моментом включения фильтра (фазой тока), что также лучше, чем у интегратора.

Рассмотрение же точности ИБПТ с фильтром первого порядка (обозначим Ф1) с ПФ ~ 1/(я+а) показало, что максимальные погрешности измерения им тока (8) при / = 1 и <р! = 0 и <р\ = тс/2 - соответственно, 2 а (а = а''а]) и 6ст ~ ~а - и максимальная погрешность измерения переходной составляющей тока (9) - 8ет ~ а Ь — неприемлемо велики ввиду ограничений на уменьшение а, обусловленных ростом сигнала постоянной помехи и возможностями практической реализации фильтра.

Для увеличения точности фильтра при фиксированном а повышен порядок фильтра. Представление ПФ фильтров второго порядка в виде

з+2аа1-к]

позволяет вести синтез фильтра с минимально возможными ошибками восстановления тока. Полюсы фильтров (10) ,2 ~ -са 1-е2 , где 0 < с < 1, а - малый параметр, лежат на дуге окружности радиуса а, чем обеспечивается равенство условий сравнения фильтров с разными полюсами и близость их свойств к свойствам интегратора. Введение во второе слагаемое полинома числителя (10) также варьируемого коэффициента к (0 <, к < 1) дает возможность анализировать помехоподавляющие свойства фильтров. Результатом синтеза фильтра должно явиться определение оптимального сочетания значений а, с, к.

Показано, что условия минимизации постоянной помехи (установившееся значение реакции фильтра на помеху у„=2сЛ (1-к)/а ) - к-> 1 или с-»0 - противоречат более приоритетным условиям минимизации ошибки полезного сигнала: к —»0, с —>1.

Анализ способности фильтров воспроизводить гармонический сигнал выявил невозможность одновременной минимизации установившейся и переходной составляющих ошибки воспроизведения тока - уст(0 и пер(1). Поэтому сначала находятся как более приоритетные условия минимизации д5 уст(0-Показано, что амплитудное значение уСт(0 минимизируется, если к = ¿а/2с, I е I < 0,1. Доказано, что экстремальное значение „ер(1), которое на величину порядка У а превосходит амплитудное значение 55уст(1), минимально при с = 1. При к = 0 минимизируется д5устр). Поэтому принимаются с = 1 и к = 0. Тогда &пер(0 = а ехр(-1), что при нижеопределенном оптимальном диапазоне изменения а - 0,03 < а< 0,05 - составляет 1,1-1,8 %. В этом случае = а2 ' (I+ а2) и составляет 0,09-0,25 %.

12 4

Следовательно, фильтр с кратными действительными полюсами (обозначим Ф2) с ПФ

1Гф(з)=-*±Щ (11)

(з+а?

лучше всего отрабатывает гармонический сигнал и сигналы сложной формы, представляющие собой набор гармонических составляющих.

Проверка работы фильтров (10) в переходном режиме (9) также подтвердила оптимальность значений с = 1 и к = 0. При этом экстремальные значения ошибок воспроизведения косинусоидальной составляющей (9) в установившемся и переходном режимах равны <$"£?« = 5Т?ст и дспер = а2ехр(-2), что составляет всего 0,01- 0,03 %.

Показано, что и апериодическая составляющая (9) наиболее точно отрабатывается Ф2. Так, при аЪ = 0,045 - 0,15 д?1ах= 1,6 - 5,5 % - в 2-8 раз меньше, чем в линейном ТТ.

Также было выявлено свойство Ф2 быстро уменьшать погрешность воспроизведения гармоники с ростом ее номера /: амплитудная ошибка А~г =

(а / г)2, а фазовая ¡р^ = 2 агс^ (а/)) - агс^ (2аЛ~).

Достаточная точность измерения Ф2 синусоидальных токов позволила, остановившись на втором порядке фильтров, провести исследования способности ИБПТ измерять несинусоидальные токи. Анализ выявил восемь типов характерных для силовых полупроводниковых преобразователей форм несинусоидальных токов, из которых для дальнейших исследований были выбраны прерывистый ток, возникающий, например, при регулировании напряжения изменением угла отпирания тиристоров, и импульсный ток в виде разнополярных трапецеидальных импульсов (длительность фронта принята равной 5°), имеющий место, например, в трехфазных мостовых неуправляемых и управляемых выпрямителях. Критериями отбора были плотность заполнения начального участка спектра измеряемого тока и величины амплитуд гармоник, типичность и сложность графика тока.

Моделирование на ПК ИБПТ при измерении им синусоидальных и несинусоидальных токов с тремя типами фильтров - Ф1, Ф2 и полностью подавляющим постоянную помеху фильтром ФЗ (с = к = 1) - показало, что ФЗ обладает худшими характеристиками. Зависимости номеров периодов Ып от а, при которых относительные погрешности измерения действующих и средних значений токов 51 и по мере затухания переходных процессов в фильтрах входят в границы погрешности ±0,2%, указывают на оптимальный диапазон изменения а : 0,03 < а < 0,05 (рис.3). Приводимые ниже оценки свойств фильтров даются в указанном диапазоне значений а. Максимальные мгновенные значения ошибок измерения ИБПТ с Ф2 5(0 при .всех формах тока в 20 -30 раз меньше ошибок Ф1. Более чем на порядок меньше и среднеквадратич-

ные ошибки измерения синусоидального тока, составляющие 0,1-0,4 %. Характер изменения и численные значения 81 (а) при измерениии фильтрами Ф1-ФЗ токов трех рассматриваемых форм близки. На рис.4 - графики ошибок для случая импульсного тока. При синусоидальном токе у Ф1 и Ф2 37 = ¿1. При измерении же прерывистых токов ~л\ Ф1 интенсивно растут с ростом а и при а-150° достигают б % (а =0,05), а у Ф2 ~А1 растут несущественно и составляют около 0,22 %. В случае импульсного тока ~А1 Ф2 на порядок меньше значений ¿Я Ф1 и лежат в диапазоне 0,06-0,2 %. При измерении прерывистых токов с Ф2 относительные ошибки коэффициентов формы тока (а = 120°) лежат в интервале 0,04-0,2 %, а с Ф1 - 2-4 %.

В случае несимметричного тока с ростом его постоянной составляющей растут ошибки измерения - асимметрия прерывистого тока более 6° вызывает 51 > 0,2%. Вычисление среднего значения тока как среднего по модулю дает хотя и меньшие, но также растущие с ростом асимметрии погрешности. Так, в предельном случае асимметрии прерывистого тока - однополярный ток при однополупериодном выпрямлении - ошибка вычисления среднего значения тока как среднего по модулю достигает 10,2 %. Но, т.к. Ф2 восстанавливает форму токов и с постоянной составляющей, то в случае однополупериодного тока с достаточной точностью вычисляются действующие и средние значения тока с учетом смещения графика измеренного тока относительно нулевого уровня.

Совокупность характеристик и оценок, полученных моделированием ИБПТ, подтвердила пригодность и предпочтительность Ф2 к использованию в ИБПТ для измерения токов в цепях силовых преобразовательных устройств.

-1-—I-1-1-1——>

О 01 .02 .03 04 .05 .06 .07 ^

Рис. 3

Рис. 4

В четвертой главе рассмотрены возможности цифровой реализации синтезированного фильтра Ф2 с целью получения наиболее точно воспроизводящего измеряемый ток его цифрового эквивалента.

Компьютеризация делает естественной программную реализацию фильтра, создавая при этом высокоэффективный аналого-цифровой ИБПТ. Однако переход к цифровой фильтрации неоднозначен и дает цифровые фильтры (ЦФ) с различными СФ и с различными свойствами. Так, преобразования, повышающие порядок ЦФ относительно аналогового фильтра-прототипа, дали неустойчивые ЦФ. Более точными оказались преобразования, эквивалентирующие не ПФ (11) в целом, а отображающие операторы j"1 и s'\ соответственно, в первую и вторую z-формы того или иного преобразования. Последняя группа преобразований была дополнена преобразованием по типу билинейного, в котором вторая ¿-форма

z--2zsmQrQcosQiyS,nQl-Ql\+l

Ч íz-11

i J

где Т - период дискретизации, Í2¡ =a>¡T, получена по условию инвариантного воспроизведения гармонического сигнала. Обозначим ЦФ, получаемый в результате этого преобразования, какЦФИ. Всего исследовалось 15 вариантов реализации ЦФ.

Для упрощения задачи исследования, с целью выявления отличий и одновременно общности свойств полученных ЦФ, были рассчитаны и построены их ЛАЧХ и ФЧХ. Частотные характеристики и предварительные оценки метрологических свойств разделили ЦФ на четыре группы с примерно одинаковыми свойствами. Для исследования способностей ЦФ восстанавливать I из каждой группы было выбрано по одному фильтру и в дополнение к ним -ЦФИ, обладающий несколько отличающейся ЛАЧХ.

Выбранные ЦФ сначала исследовались в режиме измерения непрерывного синусоидального тока. У ЦФ, полученных преобразованиями по типу билинейного с уточненными вторыми г-формами, включая ЦФИ, в переходном и установившемся процессах в два раза меньше значения ошибок S(nT) при монотонном (у других - колебательном) характере их изменения. В переходном процессе заданные S(nT) и N„ обеспечиваются в ЦФИ примерно постоянным, в отличие от других ЦФ, интервалом значений а (совпадает с оптимальным интервалом значений а фильтра Ф2) и более широким диапазоном значений Т (в сторону увеличения Т). Зависимости 81 (а) и Л1(а) ЦФИ (установившийся режим, ЗМСГМО"3 с) практически совпадают с аналогичными зависимостями Ф2, в то время как у других ЦФ они отличаются и существенно зависят от а иГ.

Снятые в переходном процессе режима прерывистых токов графики S(nT) указывают на вдвое меньшие, чем у других, ошибки группы ЦФ, к

• »

которым относится и ЦФИ, а графики 1(пТ) и Y,/n Т) (сигналы на выходах ЦФ), снятые в установившемся режиме при <7=0,05 и Г=10*3с, показывают способность ЦФИ также лучше остальных воспроизводить форму импульсного тока. Ввиду более предпочтительных метрологических свойств ЦФИ далее исследовались только его возможности.

Если при измерении синусоидального тока характеристики ЦФИ близки к аналогичным характеристикам Ф2, то в режиме прерывистых токов зависимости 51 (а), снятые при а=0,05 и 5-Ю"6 < Т < Ю^с, превосходят соответствующие значения Ф2, имея при этом колебательный характер и нарастая с ростом а. Лишь при />200 кГц и а < 125° значения 51 ЦФИ близки к соответствующим значениям Ф2.

Графики SI (а), построенные в режиме прерывистых токов при а=160°, и аналогичные графики для режима импульсного тока указывают на периодическое скачкообразное изменение свойств ЦФИ, характер которого определяется значениями а и Т.

Достижение в ИБПТ с ЦФ 61 < 0,5 % возможно лишь при />200 кГц, что не всегда осуществимо в работающих в реальном времени промышленных установках.

Выявлено и более значительное влияние асимметрии прерывистого тока в ЦФ. При Т^ Ю'^с (200 дискрет на полупериод тока) искажение формы 1(пТ) всего на одну дискрету увеличивает 51 на 0,18 %. Следовательно, воспроизводя синусоидальный ток на уровне аналогового прототипа, в режимах прерывистого и импульсного токов при /< 200 кГц ЦФ обладают худшими метрологическими характеристиками.

Пятая глава отражает результаты сопоставительного экспериментального исследования ИБПТ, позволившего сравнить метрологические характеристики ТТ и ИБПТ с аналоговой (на операционных усилителях) и цифровой (программа в ПК) реализациями интегрирующего фильтра.

Экспериментальный комплекс включает источник БПТ, ПИП трех типов (измерительный шунт, ТТ и ТР), экспериментальную плату с аналоговым фильтром (АФ) и вспомогательными элементами, аналого-цифровой интерфейс и ПК. Шунт является эталонным ПИП, параллельно с которым снимались сигналы ТТ и ТР. Цепь «ТР - АФ - интерфейс - ПК» создавала канал исследования аналогового ИБПТ, а цепь «ТР - интерфейс - подпрограмма ЦФ в ПК» - аналого-цифрового ИБПТ.

Сравнительный анализ экспериментально полученных графиков 1(пТ) и 5(пТ) привел к следующим выводам.

Мгновенные значения непрерывного тока и прерывистых токов на гладких участках в установившемся режиме воспроизводятся рассматриваемым ИБПТ хуже, чем ТТ: максимальные значения ошибок ИБПТ в пять раз больше

«

ошибок ТТ. Объясняется это существенной фазовой погрешностью ИБПТ вносимой фильтром. Так, при а =0,04 ^¡(ол)= - 4,6°. Кроме того, велика степень влияния на (со) отклонений коэффициентов в (11) от расчетных. Такое отклонение присутствует вследствие отклонений номиналов резисторов и кондесаторов в АФ от требуемых. Увеличение, к примеру, модуля нуля (11) на 0,1% увеличивает <рз(со) до -7,4°.

В цифровой реализации фильтра, кроме методической и погрешностей дискретизации в АЦП, сказывается периодическое изменение его свойств и приближенность определенного на основе экспериментальных данных периода дискретизации АЦП Т.

Для уменьшения погрешности квантования сигнала по уровню в АЦП предложен вариант самонастраивающегося АЦП, поддерживающего в требуемых пределах относительную цену его младшего разряда.

В то же время на участках скачкообразного изменения Г(0 (режим прерывистых токов) наблюдается рост ошибок ТТ с ростом а и они могут на этих участках превышать ошибки ИБПТ, что позволяет рассчитывать на лучшее воспроизведение ИБПТ токов сложной формы. К тому же у ИБПТ в сравнении с ТТ в несколько раз ниже уровень сигналов помех, который у ТТ в 2-3 раза превосходит собственную погрешность измерения.

Рассчитанные по экспериментальным данным для режима непрерывного и прерывистых токов величины 31 и А1 (табл.) не превосходят значений, полученных моделированием ИБПТ на ПК.

Таблица

о, ТТ ТРсАФ ТРсЦФ

град 31,% А1, % 31,% л1,% 31,% Л1,%

0 0,096 0,089 -0,083 0,072 -0,169 0,124

80 0,075 0,084 0,06 1Д7 0,508 1,55

110 0,082 0,106 0,042 4,05 -0,026 1,35

Таким образом, эксперимент в целом подтвердил оценки, полученные аналитически и моделированием.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложение использовать в ИБПТ ПИП в виде катушек с неферромагнитными сердечниками , монтируемых непосредственно на токопроводе без охвата его, дает конструктивно простой, технологичный, дешевый, компактный, широкополосный, с линейными и стабильными характеристиками ИБПТ, превосходство которого над существующими по метрологическим характерис-

тикам и массогабаритным показателям растет с ростом измеряемого БПТ и позволяет увеличивать число точек контроля тока.

2. С использованием вариационного исчисления решены задачи оптимизации формы и параметров катушек ПИП, чем достигается максимальный коэффициент преобразования измеряемого тока в напряжение ПИП, минимизируются расход обмоточного провода и габариты катушек ПИП, снижается влияние помех.

3. Показано, что применение в качестве интегрирующего ВИП специальных полиномиальных фильтров с дробно-рациональными ПФ, приближенно, но с необходимой точностью выполняющих операцию взятия неопределенного интеграла, исключает влияние фазы измеряемого тока на результат измерения и ограничивает постоянные составляющие сигналов помех. Синтезирована ПФ такого фильтра второго порядка. Проведены исследования ИБПТ с этим фильтром, доказавшие его эффективность.

4. Исследованы варианты, свойства и возможности цифрового эквивален-тирования синтезированного фильтра, что позволило получить ЦФ с минимальными искажениями измеряемого тока.

5. Проведено экспериментальное сопоставительное исследование ИБПТ с аналоговой и цифровой реализациями интегрирующего фильтра, показавшее совпадение или близость экспериментальных результатов и сделанных на их основе оценок к оценкам, полученным аналитически или в результате моделирования, и также позволившее выявить и оценить искажения, вносимые практической реализацией интегрирующего фильтра.

6. Полученные в диссертации теоретические и практические результаты используются при разработке реальных образцов ИБПТ, в НИР кафедры ЭОАТ ДВГТУ и в учебном процессе на кафедрах ЭОАТ и АУТС ДВГТУ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Белов А.Г., Кувшинов Т.Е. Определение оптимальной формы витка катушки трансреактора // Изв. вузов. Электромеханика, 1997, № 3. - С.36-38.

2. Белов А.Г., Кувшинов Г.Е. Измерение больших токов в плоских шинах // Электроэнергетика и энергосберегающие технологии: Межвуз. сб. науч. тр. -Владивосток: ДВГТУ, 1998. - С.82-87.

3. Белов А.Г. Определение оптимальных размеров катушек измерительных преобразователей больших токов // Электроэнергетика и энергосберегающие технологии: Межвуз. сб. науч. тр. - Владивосток: ДВГТУ, 1998. - С.87-90.

4. Пат. 2139500 Яи МКИ6 в 01 О 21/00. Устройство для измерения переменной величины / Г.Е. Кувшинов, А.Г. Белов (Россия). - № 95114286; Заявлено 21.08.95; Опубл. 10.10.99; Бюл. №28. - С.335-336.

5. Пат. 2121753 RU МКИ6 Н 03 М 1/50. Аналого-цифровой преобразователь / А.Г. Белов (Россия). - № 95119499; Заявлено 14.11.95; Опубл. 10.11.98; Бюл. № 31. — С.178.

6. Повышение безопасности и надежности электроэнергетических систем путем совершенствования устройств для проверки токовой защиты / А.Г. Белов, Г.Е. Кувшинов, БА. Морозов, Г.В. Немчинова // Экология и безопасность жизнедеятельности. Энергетика и технология: Материалы междунар. конф. -Владивосток: ДВГТУ, 1994. -С.12-13.

7. Белов А.Г., Горзей И.А., Кувшинов Г.Е. Измерение больших переменных токов в судовых электроэнергетических измерительных системах // Проблемы транспорта Дальнего Востока: Тез. докл. Дальневост. науч.-практич. конф. - Владивосток: ДВГМА, 1995. - С.55-56.

8. Белов А.Г., Кувшинов Г.Е. Измерение токов при испытании аппаратов в режимах короткого замыкания // Тез. докл. регион, науч.-техн. конф. по МРНТП «Дальний Восток России». - Хабаровск: ХГТУ, 1995. - С. 10.

9. Кувшинов Г.Е., Белов А.Г. Синтез восстанавливающих переменный сигнал квазиинтегрирующих фильтров // Тез. докл. XXXV науч.-техн. конф. ДВГТУ. - Владивосток: ДВГТУ, 1995. -С.39.

10. Белов А.Г., Кувшинов Г.Е. Синтез цифровых фильтров для измерительных преобразователей переменного тока // Тез. докл. XXXVI науч.-техн. конф. ДВГТУ. - Владивосток: ДВГТУ, 1996. - С.14-15.

Н.Белов А.Г., Кувшинов Г.Е. Совершенствование измерительных преобразователей тока // Тез. докл. Междунар. электронной конф. «Перспективные технологии автоматизации». - Вологда: ВГТУ, 1999. - С.42.

Введение

Глава 1. Анализ характеристик ИБТ промышленного применения

1.1. ИБТ резистивные и косвенного действия

1.2. Индукционные ИБТ

1.3. Выводы по главе

Глава 2. Определение формы и параметров катушек ТР для измерения тока в плоской шине

2.1. Требования к катушкам ТР

2.2. Магнитное поле тока прямолинейной плоской шины

2.3. Оптимизация размеров витка катушки ТР, минимизирующая длину обмоточного провода

2.4. Оптимизация формы и размеров катушки ТР при фиксированном периметре витка

2.4.1. Определение оптимальной формы витка

2.4.2. Влияние погрешности аппроксимации распределения магнитного поля на размеры витка катушки

2.4.3. Сравнительный анализ свойств катушек различной формы

2.5. Выводы по главе

Глава 3. Синтез интегрирующих фильтров для ИБТ

3.1. Обоснование замены интегратора фильтрами

3.2. Анализ свойств фильтра первого пррядка

3.3. Исследование фильтров второго порядка

3.3.1. Фильтры, минимизирующие ошибку измерения гармонического сигнала

3.3.2. Реакция фильтров на помеху

3.3.3. Анализ способности фильтров воспроизводить гармонический сигнал

3.3.4. Работа фильтров в переходных режимах

3.4. Сопоставительное исследование ИБТ с фильтрами первого и второго порядков

3.4.1. Анализ свойств ИБТ при измерении синусоидальных токов

3.4.2. Несинусоидальные токи в цепях с полупроводниковыми преобразователями

3.4.3. Анализ свойств ИБТ при прерывистых измеряемых токах

3.4.4. Измерение токов трапецеидальной формы

3.5. Выводы по главе

Глава 4. Цифровая реализация фильтра ИБТ

4.1. Анализ методов перехода к цифровой фильтрации

4.2. Сравнение z - форм преобразований по типу билинейного

4.3. Частотные характеристики и погрешности воспроизведения измеряемого тока цифровыми фильтрами с различными СФ

4.4. Выводы по главе

Глава 5. Экспериментальное исследование ИБТ

5.1. Экспериментальный комплекс

5.2. Аналоговая реализация интегрирующего фильтра

5.3. ИБТ с цифровой фильтрацией

5.4. Результаты эксперимента

5.5. Выводы по главе 5 117 Заключение 119 Список использованной литературы

Практически вся промышленность является областью использования больших переменных и постоянных токов: от 50 А до 50-70 кА в стационарных и до 600-700 кА в переходных (ударных) режимах, причём более 50 % энергоресурсов приходится на долю крупных потребителей энергии. К установкам и технологическим процессам (ТП), работающим при больших токах (БТ), далеко отстоящих от нижней границы указанного диапазона, относятся: электротермическое оборудование, электрофизокохимическая размерная обработка, электросварка, электролизная технология получения металлов и других веществ, ТП нанесения защитных и декоративных покрытий гальваническими методами, железнодорожный, шахтный и городской электрический транспорт, мощный электропривод в горнодобывающей, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности, стационарные и автономные электростанции /1,2/. Расширяется и сфера применения информационных систем, работающих с БТ: измерительно-вычислительных, испытательных и исследовательских. Причём измерительно-вычислительные системы могут как включаться в состав аварийных регистраторов, систем автоматического управления и контроля, испытательных стендов, АСУ ТП и промышленными установками и в другое оборудование, так и действовать автономно как комплексы автоматического измерения, контроля, диагностики и распознавания /3,4/.

Измерение токов в таких объектах и системах необходимо для выполнения следующих функций: оперативный контроль режимов работы объектов в целом или их компонентов, управление элементами, установками, ТП или потоками энергии (например, распределение нагрузок между параллельно работающими источниками питания), учёт потребления энергии, выделения аварийных режимов и защита оборудования при перегрузках, решение задач диагностики, снятие экспериментальных данных и т.д.

При этом в абсолютном большинстве измеряются переменные БТ: количество находящихся в эксплуатации на предприятиях измерителей переменных БТ - 4 млн. единиц (не считая 20 млн. преобразователей, используемых совместно с приборами учёта энергии), а измерителей постоянных БТ - 350 тысяч 151. Причины этого - работа части оборудования только на переменном токе, необходимость параллельного контроля в цепях переменного и постоянного тока и, наконец, предпочтительность применения измерителей переменного тока в преобразовательных установках /61.

Источники питания в вышеперечисленных потребителях БТ, как правило - силовые преобразовательные устройства: неуправляемые и управляемые выпрямители, автономные инверторы, преобразователи числа фаз и частоты, преобразователи постоянного тока одного напряжения в ток другого напряжения, импульсные преобразователи III. Ток в цепях этих устройств имеет сложную форму, отличную от гармонической. Она, прежде всего, определяется типом преобразовательного устройства, законами коммутации вентилей, параметрами нагрузочной цепи и режимами нагрузки, влиянием искажений в промышленных сетях.

Следует подчеркнуть, что измерение БТ - самостоятельная, специфичная область измерений и, наряду с общими при измерениях в любом диапазоне требованиями (воспроизведение (в масштабе) измеряемого тока с необходимой точностью, нечувствительность к электромагнитным и электростатическим процессам во внешних контурах и объёмах, стабильность работы в определённых физических условиях), имеет свои особенности и выдвигает дополнительные условия к измерительным устройствам БТ. Эти особенности и условия следующие.

1. Измерители БТ (ИБТ) являют собой сочетание первичного измерительного преобразователя (ИП) того или иного типа, преобразующего значения БТ до удобных значений, и вторичного преобразователя, переводящего одну физическую величину в другую, усиливающего, показывающего, регистрирующего, интегрирующего и т.п.

2. Необходима гальваническая развязка токовода и цепи ИП.

3. Из-за невозможности или нежелательности разъединения стоководов БТ рабочие ИП или устанавливаются стационарно, что делает невозможным или трудоёмким их поверку или замену, или они должны быть разборными.

4. Отличие формы БТ от синусоидальной вызывает появление дополнительных погрешностей измерения /8/.

5. Зачастую требуется повышенная точность измерения. Так, если для контроля режимов приемлема погрешность измерения 1,5-4 %, при испытаниях аппаратуры - 0,5-1,5 %, то в исследовательских системах 0,2-0,3 % и менее /5/. При учёте большого количества энергии погрешность должна быть менее 0,1 %, а изменение коэффициента использования тока при электролизе всего на ОД % считается основанием для изменения технологического режима /5/.

6. Особенности ряда установок ( малогабаритных, переносных) ограничивают массогабаритные показатели ИБТ, а они растут с ростом тока.

7. В трёхфазных цепях значительно влияние на первичный ИП токов соседних фаз.

Анализ же состояния парка действующих и вновь создаваемых в России /9-14/ и за рубежом /15-18/ промышленных ИБТ свидетельствует об отставании техники измерений БТ от запросов практики.

Это отставание обусловлено следующими недостатками рабочих ИБТ.

1. Неразборностью стационарных и недостаточной точностью разборных первичных ИП.

2. Отсутствием серийно выпускаемых ИБТ промышленного применения для верхнего диапазона БТ (более 10 кА).

3. Невозможностью с необходимой точностью измерять БТ сложной формы (инструментальные погрешности, нелинейность характеристик, ограниченность полосы пропускания, подверженность влиянию сторонних факторов). А абсолютное большинство ИБТ (более 80 %) - трансформаторы тока - в состоянии измерять с приемлемой точностью только синусоидальные установившиеся токи в номинальных режимах (номинальных нагрузке, значении и частоте измеряемых БТ).

4. Большими и растущими с ростом измеряемого БТ массогабаритными показателями, сложностью конструкции и высокой стоимостью. Для ряда устройств массогабаритные показатели и компактность (плотность монтажа элементов) являются определяющими. Это, прежде всего, мобильные (передвижные или переносные) агрегаты и бортовые установки, например, сварочные аппараты, контрольно-испытательные комплексы, источники питания и т.д.

5. В случае необходимости интегрирования выходного сигнала первичного ИП - отсутствием удовлетворяющего определённым условиям вторичного ИП.

6. Многообразием номенклатуры ИБТ - не менее 150 типов ИП переменных БТ.

Цель диссертации - разработка такого ИБТ, который, в максимальной степени отвечая условиям и особенностям измерения БТ, был бы лишён выявленных недостатков существующих ИБТ.

Цель достигается: использованием первичного ИП нетрадиционной компоновки, обмотка которого с немагнитным сердечником крепится непосредственно на тоководе без охвата его, чем исключается необходимость разборности токовода или обмотки ИП, уменьшаются массогабаритные показатели ИП, устраняются нелинейные искажения сигнала; применением в качестве вторичного интегрирующего ИП специальных фильтров, выполняющих функцию интегратора, но лишённых при этом таких его недостатков, как влияние начального момента измерения (фазы измеряемого тока) на результат измерения и накопление погрешности интегрирования при наличии постоянной составляющей сигналов помех на его входе. 8

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач и проведением следующих исследований: оценка метрологических возможностей предлагаемого первичного ИП и степени его превосходства по массогабаритным показателям над трансформаторами тока; аналитическое обеспечение расчёта катушек первичного ИП; оптимизация форм и размеров катушек первичного ИП в двух вариантах формулирования критериев их оптимальности; обоснование целесообразности замены вторичного интегрирующего ИП полиномиальными фильтрами и синтез передаточных функций фильтров первого и второго порядков; анализ возможностей цифровой реализации синтезированного фильтра. Определение системной функции цифрового фильтра, наилучшим образом эквивалентирующего фильтр - прототип; исследование способностей аналоговых и цифровых фильтров воспроизводить сигналы различной формы; экспериментальное исследование метрологических характеристик предлагаемого ИБТ с аналоговой и цифровой реализациями вторичного ИП.

Решению сформулированных задач и проведению исследований, необходимых для достижения поставленной цели, посвящена данная работа.

5.5. Выводы по главе 5

1. Для обеспечения необходимой точности ИБТ при аналоговой фильтрации следует применять прецизионные ОУ и подбирать номиналы навесных элементов так, чтобы строго выдерживалось соотношение коэффициентов в аналоговом фильтре.

2. С целью высокоточного аналого-цифрового преобразования меняющихся в широких пределах напряжений целесообразно создание самонастраивающихся АЦП, корректирующих вес двоичного кода преобразуемой величины.

3. ТР предлагаемой конфигурации, обладая максимально приближённой к тоководу и меньшей площадью сечения своей катушки, чем обмотка ТТ, имеет в несколько раз меньший, чем у ТТ, уровень сигналов помех.

4. Рассматриваемый ИБТ имеет большие, чем у ТТ, ошибки измерения мгновенных значений установившегося тока, обусловленные

118 1 фазовым сдвигом сигнала в фильтре. В то же время он имеет примерно равные с ТТ показатели при измерении действующих значений тока и лучше воспроизводит резкопеременный ток.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научно обоснованный и экспериментально подтверждённый результат технической разработки направлен на решение важной практической задачи -создание ИБТ, по ряду основных характеристик превосходящих существующие. Итогом проведённых теоретических и экспериментальных исследований, моделирования предлагаемого ИБТ явились следующие результаты.

1. Предложено использовать первичные ИП в виде катушек, монтируемых непосредственно на тоководе без охвата его. Этим обеспечивается превосходство таких ИП над существующими по метрологическим характеристикам и массогабаритным показателям (масса обмотки в десятки - сотни раз меньше в сравнении с ТТ), растущее с ростом измеряемого БТ.

2. Решены задачи оптимизации формы и размеров катушек ИП, чем достигается максимальный коэффициент преобразования измеряемого тока в напряжение ИП, минимизируются расход обмоточного провода и габариты катушки ИП, снижается влияние помех.

3. Предложено применять в качестве вторичного интегрирующего ИП специальные полиномиальные фильтры, которые приближёно выполняют операцию интегрирования, но исключают при этом недостатки интегратора. Синтезирована передаточная функция такого фильтра второго порядка. Исследования ИБТ с этим фильтром доказали его эффективность.

4. Исследованы варианты, свойства и возможности цифрового экивалентирования синтезированного фильтра, что позволило получить цифровой фильтр с минимальными искажениями измеряемого тока.

5. Проведено моделирование и экспериментальное исследование рассматриваемого ИБТ с аналоговой и цифровой реализациями интегрирующего фильтра, подтвердившее полученные аналитические оценки и результаты.

120

Предлагаемый ИБТ конструктивно прост, надёжен, технологичен, имеет низкую стоимость, просто монтируется. У него нет ограничений, усложнений или снижения показателей при расширении диапазона измерения в область сверхбольших токов, отсутствуют сверхнапряжения при обрыве выходной цепи первичного ИП. Он обладает линейными и стабильными характеристиками, широкой частотной полосой, что даёт возможность с необходимой точностью измерять токи сложной формы. Более того, данный ИБТ позволяет наращивать точность измерения и, при необходимости, компенсировать влияние сигналов помех.

Сочетание первичного ИП с ЭВМ расширяет возможности таких ИБТ.

Достоинства предлагаемого ИБТ позволяют увеличивать число точек (цепей) контроля тока, чем увеличивают информационные ресурсы и возможности соединённых с ИБТ систем.

1. Электротехнологические промышленные установки /И.П. Евтюхова, Л.С. Кацевич, Н.М. Некрасова и др.-М.: Энергоиздат, 1982.-400с.

2. Электротехнический справочник. В 3 т. Т.З: В 2 кн. Кн.2. Использование электрической энергии /Под общ. ред В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского, В.А. Лабунцова и др.-М.: Энергоиздат, 1988.-616 с.

3. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование.-М.: Энергоиздат, 1985.-439 с.

4. Приборно-модульные универсальные автоматизированные системы: Справочник /В.А. Кузнецов, В.Н. Строителев, Е.Ю. Тимофеев и др.-М.: Радио и связь, 1993.-304 с.

5. Семенко Н.Г., Гамазов Ю.А. Измерительные преобразователи больших электрических токов.-М.: Атомиздат, 1984.-131 с.

6. Разин Г.И., Щёлкин А.П. Бесконтактное измерение электрических токов.-М.: Атомиздат, 1974.-160 с.

7. Электротехнический справочник. В Зт. Т.2. Электротехнические устройства /Под общ. ред. В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского, Л.А. Жукова и др.-М.: Энергоиздат, 1984.-640 с.

8. Быстродействующие преобразователи параметров режима электрических сетей /В.Г. Киракосов, Я.Н. Лучинский, А.Н. Новаковский и др.-М.: Энергоатомиздат, 1986.-143 с.

9. Портной Г.Я., Болотин O.A., Даниленко А.П. Разработка эффективных датчиков больших токов //Приборы и системы управления, 1992, №4.-С.31-32.

10. Портной Г.Я., Постных O.A. Разработка новых конструкций и техническое использование магниточувствительных датчиков Холла //Приборы и системы управления, 1992, №6.-С.22-24.11 .Датчики измерения тока: Рекламный проспект //Радио, 1995, №5.-С.49.

11. Описание изделий НИИЭМ, г. Истра //Приборы и системы управления, 1995, №3.-С.16-17.

12. Клещи и датчики для измерения тока: Описание изделий НИИЭМ, г. Истра //Радио, 1995, Ш2.-С.15.

13. Датчики больших токов на российском рынке: Описание изделий НИИЭМ, г. Истра //Радио, 1996, №5.-С. 15.

14. Модули швейцарской фирмы LEM: Рекламный проспект //Радио, 1994, №11.-С.49.

15. Schwarz Н., Hudasch М. Optical current transformers-successful first field test.-ABB Review, 1994, №3.-P. 12-18.

16. Модули LEM для измерения токов: Рекламный проспект //Радио, 1995, Ж7.-С.51.

17. Модули LEM для измерения токов: Рекламный проспект //Радио, 1997, №1.-С.79.

18. Основы электроизмерительной техники /М.И. Левин, В.Т. Прытков, P.M. Демидова и др.-М.: Энергия, 1972.-544с.

19. Андреев Ю.А., Абрамзон Г.В. Преобразователи тока для измерений без разрывов цепи.-Л.: Энергия, 1979.-144с.

20. Абрамзон Г.В., Обоишев Ю.П. Индукционные измерительные преобразователи переменных магнитных полей.- Д.: Энергоатомиздат, 1984.-120с.

21. Казанский В.Е. Измерительные преобразователи тока в релейной защите.-М.: Энергоатомиздат, 1988.-240с.

22. Болотин И.Б. Эйдель Л.З. Измерения при испытании аппаратов в режимах короткого замыкания.-Л.: Энергоатомиздат, 1988.-200с.

23. Трансформаторы тока /В.В. Афанасьев, Н.М. Адоньев, Л.В. Жалалис и др.-Л.: Энергия, 1980.-230с.с

24. Викулин И.М., Викулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы.-М.: Радио и связь, 1983.-115с.

25. Датчик измерения тока на основе магниточувствительной ГИС /О.А. Болотин, Г.Я. Портной, О.А. Постных, В.И. Тихонов //Приборы и системы управления, 1992, №2.-С.27-28.

26. Магаршак Б.Г. Судовые электроизмерительные приборы.-Л.: Судостроение, 1976.-350с.

27. Справочник по электроизмерительным приборам /Под ред. К.К. Илюнина.-Л.: Энергоатомиздат, 1983.-784с.

28. Черников Г.Б. Трансформаторы тока в схемах вентильных преобразователей.-М.: Энергия, 1977.-135с.

29. Михайлов В.В., Проус В.Р. Анализ работы преобразователей тока с магнитодиэлектрическими магнитопроводами //Электричество, 1981, №3.-С.60-62.

30. Шилоносов М.А., Ларин В.М. Электролаборатория промышленного предприятия и ремонт приборов.-М.: Машиностроение, 1989.-400с.

31. Белов А.Г., Горзей И.А., Кувшинов Г.Е. Измерение больших переменных токов в судовых электроэнергетических измерительных системах //Проблемы транспорта Дальнего Востока: Тез. докл. Дальневост. науч.-практ. конф.-Владивосток: ДВГМА, 1995.-С.55-56.

32. Белов А.Г., Кувшинов Г.Е. Измерение больших токов в плоских шинах //Электроэнергетика и энергосберегающие технологии: Межвуз. сб. науч. тр.-Владивосток: ДВГТУ, 1998.-С.82-87.

33. Калантаров ПЛ., Цейтлин Л.А. Расчёт индуктивностей: Справочная книга.-Л.: Энергоатомиздат, 1986.-488с.

34. Немцов М.В. Справочник по расчёту параметров катушек индуктивности.-М.: Энергоатомиздат, 1989.-192с.

35. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров.-М.: Наука, 1964.772с.

36. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.-М.: Наука, 1986.-544с.

37. Саркисян Л.А. Аналитические методы расчёта стационарных магнитных полей: Справочное пособие.-М.: Энергоатомиздат, 1993.-288с.

38. Яковлев Н.И. Бесконтактные электроизмерительные приборы для диагностирования электронной аппаратуры.-Л.: Энергоатомиздат, 1990.-256с.

39. Нетушил A.B., Поливанов K.M. Основы электротехники. Ч.З.-М.: Энергия, 1965.-198с.

40. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды.-М.: Наука, 1981.-798С.

41. Белов А.Г. Определение оптимальных размеров катушек измерительных преобразователей больших токов //Электроэнергетика и энергосберегающие технологии: Межвуз. сб. науч. тр.-Владивосток: ДВГТУ, 1998. -С.87-90.

42. Справочник судового электротехника. В 2т. Т.2. Судовое электрооборудование / Под ред. Г.И. Китаенко- Л.: Судостроение, 1975.-776с.

43. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ.-М.: Наука, 1989.-240с.

44. Белов А.Г., Кувшинов Г.Е. Определение оптимальной формы витка катушки трансреактора // Изв. вузов. Электромеханика, 1997, №3.-С.36-38.

45. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление.-М.: Наука, 1965.-424с.

46. Краснов М.Л., Макаренко Г.И., Киселёв А.И. Вариационное исчисление.-М.: Наука, 1973.-192с.

47. Цлаф Л.Я. Вариационное исчисление и интегральные уравнения: Справочное руководство.-М.: Наука, 1970.-134с.

48. Матвеев Н.М. Методы интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений.-М.: Высш. шк., 1963.-546с.

49. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений.-М.: Наука, 1971.-1108с.

50. Гельфанд И.М., Фомин С.В. Вариационное исчисление.-М.: Физматиздат, 1961.-228с.

51. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям.-М.: Наука, 1971.-576с.

52. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя.-М.: Фин. и статист., 1993.350с.

53. Дьяконов В.П. Система MathCAD: Справочник.-М.: Радио и связь, 1993.-128с.

54. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 6.0 PRO.-M.: СК Пресс, 1997.-336с.

55. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. В Зт. Т.2.-М.: Наука, 1966.-800с.

56. Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы.-М.: Ин. лит., 1963.-458с.

57. Капустян В.И. Активные RC цепи высокого порядка.-М.: Радио и связь, 1989.-318с.

58. Хемминг Р.В. Численные методы.-М.: Наука, 1972.-400с.

59. Заявка 95114286/28 RU МКИ6 G 01 D 1/00. Устройство щщ измерения переменной величины /Т.Е. Кувшинов, А.Г. Белов (Россия); Заявлено 21.08.95; Положит, решение 18.03.99.-9с.

60. Кувшинов Г.Е., Белов А.Г. Синтез восстанавливающих переменный сигнал квазиинтегрирующих фильтров //Тез. докл. XXXV науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электроавтоматика и электроэнергетика».- Владивосток: ДВГТУ, 1995.-С.39.

61. Белов А.Г., Кувшинов Г.Е. Измерение токов при испытании аппаратов в режимах короткого замыкания //Тез. докл. регион, научн.-техн. конф. по МРНТП «Дальний Восток России».- Хабаровск: ХГТУ, 1995.-С.10.

62. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике.-М.: Наука, 1974.-832с.

63. Гутников B.C. Применение операционных усилителей в измерительной технике.-JI.: Энергия, 1975.-120с.

64. Люстерник JI.A., Червоненкис O.A., Янпольский А.Р. Математический анализ. Вычисление элементарных функций.-М.: Физматиздат, 1963.-248с.

65. Иванов В.А., Чемоданов Б.К., Медведев B.C. Математические основы теории автоматического регулирования.-М.: Высш. шк., 1971.-808с.

66. Хьюлсман Л.П. Активные фильтры.-М.: Мир, 1972.-516с.

67. Дёч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразования.-М.: Наука, 1971.-288с.

68. Бермант А.Ф. Краткий курс математического анализа.-М.: Наука, 1964.-664с.

69. Диткин В.А., Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению.-М.: Высш. шк., 1965.-466с.

70. Пул Л. Работа на персональном компьютере.-М.: Мир, 1986.-382с.

71. Гринчишин Я.Т., Ефимов В.И., Ломакович А.Н. Алгоритмы и программы на бейсике.-М.: Просвещение, 1988.-160с.

72. Программирование микроЭВМ на языке бейсик: Справочник /Под ред. И.М. Витенберга.-М.: Радио и связь, 1991.-240с.

73. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами /Под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера.-М.: Энергоатомиздат, 1982.-416с.

74. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная техника.-М.: Высш. шк., 1983.-445с.

75. Полупроводниковые выпрямители /Е.И. Беркович, В.Н. Ковалёв, Ф.И. Ковалёв и др.-М.: Энергия, 1978.-448с.

76. Справочник по автоматизированному электроприводу /Под ред. В.А. Елисеева и A.B. Шинянского.-М.: Энергоатомиздат, 1983.-616с.

77. Горбачёв Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника.-М.: Энергоатомиздат, 1988.-478с.

78. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы /В.В. Солодовников, В.Г. Коньков, В.А. Суханов и др.-М.: Высш. шк., 1991.-256с.

79. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах.-М.: Радио и связь, 1984.-160с.

80. Микропроцессорные системы и микроЭВМ в измерительной технике /А.Г. Филиппов, A.M. Аужбикович, В.М. Немчинов и др.-М.: Энергоатомиздат, 1995.-368с.

81. Белов А.Г., Кувшинов Г.Е. Синтез цифровых фильтров для измерительных преобразователей переменного тока //Тез. докл. XXXVI научн.— техн. конф. «Радиоэлектроника, электроавтоматика и электроэнергетика».-Владивосток: ДВГТУ, 1996.-С.14-15.

82. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC /Под ред. У. Томпкинса, Д. Уэбстера.-М.: Мир, 1992.-592с.

83. Белов А.Г., Кувшинов Г.Е. Совершенствование измерительных преобразователей тока //Тез. докл. Междунар. электронной конф. «Перспективные технологии автоматизации».- Вологда: ВГТУ, 1999.-С. 42.

84. Цифровые фильтры в электросвязи и радиотехнике /Под ред. JI.M. Гольденберга.-М: Радио и связь, 1982.-224с.

85. Каппелини В., Константинидис А.Д., Эмилини П. Цифровые фильтры и их применение.-М.: Энергоатомиздат, 1983.-360с.

86. Применение цифровой обработки сигналов /Под ред. Э.Оппенгейма.-М.: Мир, 1980.-552с.

87. Бесекерский В. А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ.-М.: Наука, 1987.-344с.

88. Алгоритмы перехода от сигнальных графов к различным формам реализации передаточных функций цифровых фильтров /П.А. Арутюнов, К.С. Афанасьев, A.M. Бойчук, И.М. Красивский //Автоматика и телемеханика.-1996.-№5.-С.96-103.

89. Гольденберг JI.M., Левчук М.Н., Поляк М.Н. Цифровые фильтры.-М.: Связь, 1974.-160с.

90. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов.-М.: Радио и связь, 1990.-256с.

91. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов.-Л.: Энергоатомиздат, 1990.-192с.

92. Цыпкин ЯЗ. Теория линейных импульсных систем.-М.: Физматиз, 1963.-968с.

93. Пелед А., Лиу Б. Цифровая обработка сигналов: Теория, проектирование, реализация.- Киев: Вшца шк., 1979.-264с.

94. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчёт активных фильтров.-М.: Радио и связь, 1984.-384с.

95. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов.-М.: Мир, 1978.-848с.

96. Кузин JI.T. Расчёт и проектирование дискретных систем управления.-М.: Машиз, 1962.-684с.

97. Введение в цифровую фильтрацию /Под ред. Р. Богнера и А. Константинидиса.-М.: Мир, 1976.-216с.

98. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры.-М.: Мир, 1982.-592с.

99. Антонью А. Цифровые фильтры: анализ и проектирование.-М.: Радио и связь, 1983.-320с.

100. Рекурсивные фильтры на микропроцессорах /А.Г. Остапенко, А.Б. Сушков, В.В. Бутенко и др.-М.: Радио и связь, 1988.-128с.

101. Карташкин A.C. Линейные цифровые фильтры.-М.: Радио и связь, 1995.-136с.

102. Смит Д.М. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей.-М.: Машиностроение, 1980.-272с.

103. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ.-М.: Энергия, 1978.-248С.

104. Пейтон А.Д., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях.-М.: БИНОМ, 1994.-352с.

105. Универсальная контрольно-измерительная аппаратура //Каталог и описание продукции по средствам для измерения и автоматизации фирмы «L card».-M.: Центр АЦП, 1997.-106с.

106. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах.-Л.: Энергия, 1988.-304с.

107. Булычёв А.Л., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы: Справочник.-Минск.: Беларусь, 1993.-382с.

108. Ту Ю. Цифровые и импульсные системы автоматического управления.-М.: Машиностроение, 1964.-704с.

109. Фёдоров С.М., Литвинов А.П. Автоматические системы с цифровыми управляющими маншнами.-М.: Энергия, 1965.-224с.

110. Цыпкин Я.З., Попков Ю.С. Теория нелинейных импульсных систем.-М.: Наука, 1973.-414с.

111. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы.-М.: Наука, 1976.-576с.

112. Белов А.Г. Определение эффекта квантования сигналов по уровню в цифровых приводах//Изв. вузов. Электромеханика, 1982, №3.-С.264-267.

113. Диагностические измерительные системы. Виртуальные приборы на базе ЮМ PC. Многоканальный мониторинг //Описание продукции Центрас

114. АЦП.-М.: Центр АЦП, 1997.-106с.

115. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем.-М.: Изд-во стандартов,1989.-320с.

116. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение.-М.: Энергоатомиздат,1990.-320с.

117. А.с. 1783610 СССР, МКИ5 Н 03 М 1/18. Устройство аналого-цифрового преобразования с автоматическим выбором предела измерения /B.C. Яновский, Н.И. Барнатович (СССР). № 4907340/24; Заявлено 20.12.90; Опубл. 23.12.92; Бюл.№ 47.-С. 165.

118. А.с. 1802413 СССР, МКИ5 Н 03 М 1/48. Следящий аналого-цифровой преобразователь /В.Р. Радченко (СССР). № 4850500/24; Заявлено 23.04.90; Опубл. 15.03.93; Бюл. № 10. - С. 178.

119. А.с.2001518 СССР, МКИ5 Н 03 М 1/38. Аналого-цифровой преобразователь с автоматической настройкой на диапазон входного сигнала /В.И.Чекин, О.Г.Светников, Е.И.Скворцова (СССР). № 4929965/24; Заявлено 22.04.91; Опубл. 15.10.93; Бюл.№ 37.-С.217.

120. Пат. 5019817 US, МКИ5 Н 03 М l/50.Analogue-to-digital converter/ A.Ryder (США).- №910528; Заявлено 14.08.90// Изобретения стран мира.- 1993.-№ 5.- С.55.

121. Пат. 5027116 US, МКИ5 Н 03 М 1/10. Self-calibrating analog to digital converter /M.Armstrong and P.R.Gray (США).-№ 910625; Заявлено 24.02.87// Изобретения стран мира.- 1993.- № 4.- С.51.131

122. Пат. 5053771 US, МКИ5 H 03 M 1/14. Analog dual range analog to digital converter/B.C.McDermott (Англия).-№ 911001; Заявлено 16.07.90// Изобретения стран мира.- 1993.-№ 9.-С.55.

123. Пат. 5070332 US, МКИ5 H 03 M 1/14. Two-step subranging analog to digital converter/R.S. Kaller and D.M. Thomas (США).-№ 911203;3аявлено 18.03.91// Изобретения стран мира.- 1993.-№ 13.- С. 49.

124. Пат. 2038694 RU, МКИ6 H 03 M 1/60. Аналого-цифровой преобразователь /Л.М. Лукьянов (Россия).-№ 5038075/24; Заявлено 17.04.92; Опубл. 27.06.95; Бюл. № 18.- С. 202.е

125. Пат. 21211753 RU, МКИ6 H 03 M 1/50. Аналого-цифровой преобразователь /А.Г. Белов (Россия).-№95119499; Заявлено 14.11.95; Опубл. 10.11.98; Бюл. №31.- С. 178.

126. Моррил Г. Бейсик для ПК ШМ.-М.: Фин. и статист., 1993.-207с.

127. Корчак А. Бейсик версии для MS-DOS: Справочник.-M.: Междунар. центр науч. и техн. инф., 1996.-463с.

128. Дьяконов В.П. Справочник по. MathCAD PLUS 7.0 PRO.-M.: CK Пресс, 1998.-352c.