АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ БОЛЬШИХ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены анализ методов измерений в цепях больших постоянных токов с помощью первичного магнитомодуляционного преобразователя и принцип его работы.

ABSTRACT

The article discusses the analysis of measurement methods in circuits of large direct currents using a primary magnetic modulation converter and the principle of its operation.

Ключевые слова: Первичный преобразователь, шунт, модуляция, сопротивление, шина, модулирующая обмотка напряжённости магнитного поля, аппроксимация, магнитная индукция.

Keywords: Primary converter, shunt, modulation, resistance, bus, modulating winding of magnetic field strength, approximation, magnetic induction.

Актуальность. Передача электрической энергии на большие расстояния целесообразно осуществить на постоянном токе, а также все большие требования использования больших постоянных токов в различных отраслях народного хозяйства, в частности, в химической промышленности, металлургии и ряде других областей с возрастающими требованиями к точности измерения больших постоянных токов.

Как известно для измерения больших постоянных токов применяются шунты, которые обладают рядом недостатков: наличие разрыва электрической цепи, увеличение масса-габаритных размеров с увеличением измеряемого тока, наличие потери при прохождении через них больших постоянных токов. Для устранения указанных недостатков необходимо применить другие методы, а именно первичные магнито-модуляционные преобразователи.

Существующие в настоящее время средства измерений постоянных токов можно разделить на две основные группы: средства измерений, основанные на определении падения напряжения на резисторе, который включен последовательно в цепь измеряемого тока и основанные на использовании магнитного поля, создаваемого измеряемым током.

Первая группа базируется на методах мер сопротивления (шунтовые), а вторая использует физические эффекты, возникающие в электромагнитном поле измеряемого тока. К числу последнего можно отнести такие методы измерений, как гальваномагнитный, метод ядерного-магнитного резонанса (ЯМР), магнитооптические, индукционные и электрометрические.

Все вышеперечисленные методы измерения в той или иной степени, в зависимости от конструкции и метрологических данных, применяются в народном хозяйстве. Они находят широкое применение в информационно-измерительной технике, в системах автоматического регулирования и управления, в преобразовательной технике и.т.д. [1].

Часто для измерения больших постоянных токов используется с помощью мер сопротивления, основанных на измерении падения напряжения в сопротивлении при прохождении через него измеряемого тока. В качестве мер электрического сопротивления для измерения постоянных токов в производственных условиях используются шунты.

Шунт (рис.1) состоит из двух массивных медных наконечников 1, между которыми впаяны резистивные элементы 2, из манганина, выполненные в виде пластин или прудков. Падение напряжения на шунте снимается с потенциальных зажимов 3. Номинальное падение напряжения на калиброванных шунтах должно быть 60 или 75 мВ.

Основными характеристиками меры сопротивления являются входной ток и выходное напряжения, сопротивление самой меры [2].

По точности шунты разделяются на классы: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; и 0,5.

Рисунок 1. Шунт

Несмотря на такой класс точности измерения, рассматриваемый метод имеет ряд недостатков:

• для измерения необходимо разорвать электрическую цепь подключения шунта.
• наличие электрического контакта, что приводит к нагреванию и окислению при разнородных металлах.
• наличие гальванической связи, что не позволяет применить этот метод для измерения постоянных токов в цепях высокого напряжения.
• в течение эксплуатации, из-за потери в шунте, выделяется значительное тепло, которое приводит к появлению дополнительных погрешностей.

Достоинством этого метода измерения является независимость погрешности от внешних магнитных полей [3].

Один из других методов измерения больших постоянных токов является магнитомодуляционный. Этот метод на практике часто применяется для бесконтактного измерения, в котором преобразование входной величины осуществляется в результате воздействия со стороны дополнительного источника энергии на магнитные свойства применяемого магнитопровода. Преобразователи, выполненные на их основе, называются магнитомодуляционными. На (рис. 2) показаны конструкции дифференциального магнитомодуляционного преобразователя.

Рисунок 2. Конструкции дифференциального магнитомодуляционного преобразователя

Дифференциальный магнитомодуляционный преобразователь состоит:

Из двух параллельно расположенных тороидальных ферромагнитных колец (1), на этих кольцах расположены модулирующие равномерно намотанные обмотки (2), измерительная обмотка (3) охватывает оба тороидальных ферримагнитных колец на которых намотаны модулирующие обмотки, подключенные к источнику U~ переменного напряжения.

Принцип работы данного дифференциального магнитомодуляционного преобразователя состоит в следующем:

Если модулирующим обмоткам (2) подавать U~ переменное напряжение, то по этим обмоткам течет переменный i_~ ток, который создает в объёме магнитопроводов (1) переменную напряженность магнитного поля Н_~ равное по величине и противоположное по направлению. При наличии в шине (4) измеряемого постоянного тока I_- создаёт в объёме магнитопроводов 1 постоянный напряженность магнитного поля Н_-  в объёме одного из магнитопроводов действует сумма напряженностей (Н_-+ Н_~), а в объёме другого разность (Н_--Н_~). Если тороидальные сердечники одинаковы, тогда можем написать

В₁ = В(Н_-+ Н_~)                                                              (1)

В₂ = В(Н_-- Н_~)                                                                         (2)

Где В₁ и В₂ плотность магнитных потоков в тороидальных сердечниках.

Наводимый э.д.с в измерительной обмотке определяется следующим выражением

+В₂)                                           (3)

где  - количество витков измерительной обмотки,

S- поперечное сечение тороидальных сердечников [4].

С целью определения выражения статической характеристики преобразователя (рис.1), необходимо определить аналитическое выражение кривого намагничевания тороидального ферромагнитного материала.

Для аппроксимации характеристик нелинейных элементов чаще применяются два метода: аппроксимация степенным полиномом и предложенная академиком А. И. Бергком кусочно-линейная аппроксимация.

В электрорадиотехнических усторойствах, измерительной технике, а также в других областях науки и техники, с целью снижения остаточной магнитной индукции рекомендуется применять магнитомягкие материалы выполненные из электротехнической стали марки Э-330.

Для аппроксимации кривого намагничевания электротехнической стали марки Э-330 , из которого изготовлен тороидальный сердечник дифференциального преобразователя, воспользуемся кусочно-линейной аппроксимацией.

Предлагается аппроксимировать кривое намагничивание суммой гиперболического тангенса и прямой с угловыми коэффициентами:

                                   (4)

где  К_1, К₂, К₃ – коэффициенты аппроксимации.

Погрешность аппроксимации составляет не более 2%, что допустимо при проведении аналитических расчетов [5].

С целью определения выражения статической характеристики преобразователя (рис.1), разобъем условно его на две половины: на верхнюю и нижнюю. В момент времени, когда через обмоток возбуждения проходит переменный ток i_~ он создаёт Н_~- переменную напряженность магнитного поля направление, показанное стрелкой в верхней части преобразователя, который совпадает с направлением напряженности магнитного поля Н_-, созданный измеряемым током. B нижней половине элемента наоборот, направление H_~ противоположно направлению Н_-. Поэтому можно написать:

H₁=H_-+H_~;                                                  (5)

H₂=H_--H_~ .                                                  (6)

В следующий полупериод направление напряженности поля H_~ меняется.

Подставляя (5) и (6) в (4), получим:

В₁=К₁thK₂(H_-+H_~)+K₃(H_-+H_~) ;                           (7)

В₂=К₁thK₂(H_--H_~)+K₃(H_--H_~) .                                       (8)

H_~=H_m~sinωt.                                             (9)

при этом

                                               (10)

где  H_m~,  - амплитудные значения напряженности поля и тока возбуждения;

 - число витков обмотки возбуждения дифференциального преобразователя;

 - средняя длина линии напряженности поля возбуждение дифференциального преобразователя.

Подставляя значения магнитных индукций (7) и (8) в (3) и используя (9), найдем

 (11)

Амплитудная и действующая величины полученного выражения определяются следующим образом:

        (12)

               (13)

где   - коэффициенты аппроксимации, определяемые по (6) и (8):

                                            (14)

                              (15)

Таким образом, данный метод измерения больших постоянных токов относится к нетрадиционным методам измерения параметров электрических цепей постоянного тока.

Список литературы:

1. Миловзаров В. П. Электромагнитые устройства автоматики-М.: Высшая школа 1974-414с.
2. С.А. Спектор. Измерение больших постоянных токов.-Л.:Энергия,1978.-136 с.
3. Ўзбекистон Республикаси Aдлия вазирлиги ҳузуридаги Интеллектуал мулк агентлиги РАСМИЙ АХБОРОТНОМА 10(246) сони Н бўлими / ЭЛЕКТР H 01 (13) В / (21) IAP 2021 0341 / (22) 30.06.2021 / (51) G01R 19/00., // (71)(72) Савридинов Нукридин, Эшбоев Азамат Туракулович, Нажимидинов Зинабудин Шамшидинович, Юлдашев Юсуф Тошпулатович, Коракулов Аслиддин Нуриддинович, UZ (54)., // Бирламчи контактсиз магнит-модуляцияловчи доимий ток ўзгартиргичи.
4. Савридинов Н. Аппроксимация кривого намагничивания ферромагнитных материалов / Н. Савридинов, А.Т. Эшбоев, З.Ш. Нажимидинов, А.Н. Коракулов // Қарши муҳандислик иқтисодиёт институти Инновацион технологиялар илмий техник журнал - 2021.-№ 3.- 60-62 бет.