СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕСКОНТАКТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В работе обоснована необходимость использования бесконтактного преобразования и измерения больших постоянных токов с помощью магнитно-модуляционных бесконтактных преобразователей повышенной чувствительности для промышленности, металлургии, сельского и водного хозяйства в целом, а также представлены результаты разработки их конструкций. Показано, что разработанный преобразователь, в отличие от известных, обладает повышенной точностью и чувствительностью, технологически совершенной конструкцией, малым весом и габаритами при низкой материалоемкости и стоимости. Статически рассматриваются характеристики информационных бесконтактных магнитно-модуляционных преобразователей. Показано, что величина возбуждения соответствует определенному максимальному значению измеряемой величины. При этом максимумы измеряемой величины, увеличивающиеся по значению с ростом величины возбуждения, смещаются в сторону увеличения измеряемой величины. Расхождение между экспериментально и теоретически полученными статическими характеристиками преобразователя не превышает 6 процентов. Разработанный преобразователь может широко применяться в электрических системах мелиорации и ирригации, водоснабжения, промышленности, железнодорожного транспорта, в науке и технике, а также для проверки электросчетчиков на месте их установки для бесконтактного контроля постоянных и переменных токов.

ABSTRACT

The paper substantiates the need to use non-contact conversion and measurement of large direct currents using magnetic modulation contactless transducers of increased sensitivity for industry, metallurgy and agriculture and water management in general, and the results of their design development are presented. It is shown that the developed converter, in contrast to the known ones, has increased accuracy and sensitivity, a technologically advanced design and low weight and dimensions with low material consumption and cost. Characteristics of information non-contact magnetic modulation converters statically are considered. It is shown that the value of the excitation value corresponds to a certain maximum value of the measured value. In this case, the maxima of the measured value, increasing in value with an increase in the excitation value, are shifted towards the increase in the measured value. The discrepancy between the experimentally and theoretically obtained static characteristics of the converter does not exceed 6 percent. The developed converter can be widely used in electrical systems in land reclamation and irrigation, in water supply, industry, railway transport, science, technology, and for checking electric meters at their installation site for contactless control of direct and alternating currents.

Ключевые слова: бесконтактное измерение, магнитомодуляционный преобразователь, стационарных измерительных преобразователей, неразрушающего контроля, магнитомодуляция.

Keywords: non-contact measurement, magnetomodulation transducer, stationary measuring transducers, non-destructive testing, magnetomodulation.

Введение. В электроэнергетике широко применяются мощные электропотребители, использующие крупные электроустановки, в системах контроля и управления которых используются большие постоянные токи (БПТ), требующие, в свою очередь, контроля [1–4; 7–11].

Выявлено, что нестабильность систем управления током, наличие дополнительных сопротивлений из-за окисления контактов приводят к снижению эффективности электроустановок, простоям, а значительные падения напряжения на шунтах вызывают необоснованные потери мощности.

В результате анализа проведенных исследований была выявлена острая потребность на многих промышленных предприятиях и в фермерских хозяйствах в зоне орошаемого земледелия Республики Узбекистан в неразрушающем бесконтактном контроле БПТ со значением от 100 А до 30 кА с использованием как переносных, так и стационарных измерительных преобразователей (ИП) с погрешностью 1–3 %, в ряде случаев с использованием многодиапазонных устройств, а также с гибкой, интегрирующей схемой ИП неразрушающего контроля БПТ [4], [1; 5–9; 11–13].

Методология. В результате анализа мест, преобразователей и устройств для неразрушающего бесконтактного контроля высоких токов были определены основные требования к разъемным интегрирующим цепям (РИЦ) [8; 9; 11–13]. К ним относятся: высокая точность, надежность, чувствительность; малые вес, габариты и материалоемкость; низкая стоимость; технологичность конструкции; отсутствие погрешностей от воздействия внешних магнитных полей, обратного проводника с током, смещения токонесущего проводника из центра интегрирующей цепи, ферромагнитных масс; отсутствие потребления энергии из измеряемой цепи; способность работать в агрессивной среде; взрывобезопасность; а также отсутствие гальванической связи между контролируемым постоянным током и измерительной цепью. В некоторых случаях требуется возможность фиксированной регулировки чувствительности РИЦ в широком контролируемом диапазоне, а также изготовление РИЦ в виде портативных или стационарных устройств.

Одним из разработанных бесконтактных магнитомодуляционных преобразователей является информационный бесконтактный магнитомодуляционный преобразователь (БМП) больших постоянных токов, частично представленный на рисунке 1 с указанием основных размеров.

Рисунок 1. Часть информационного бесконтактного магнитомодуляционного преобразователя больших постоянных токов

Эта конструкция была разработана на основе ИП [13] и представляет собой БПТ с поперечно и продольно распределенными магнитными параметрами. Она отличается повышенной чувствительностью и расширенным диапазоном преобразуемых токов. Бесконтактный магнитомодуляционный преобразователь содержит разъемную замкнутую магнитную цепь 1, состоящую из двух идентичных половин 2 и 3, каждая из которых, в свою очередь, состоит из отдельных ферромагнитных элементов, выполненных в виде трапеций с одинаковыми зазорами между ними. Каждый ферромагнитный элемент имеет два сквозных отверстия, через каждое из которых намотана модуляционная обмотка, состоящая из секций 4 и 6. Секции 4 и 6 соединены последовательно и согласно. Между сквозными отверстиями поверх модуляционной обмотки намотана измерительная обмотка 5. Все измерительные обмотки соединены последовательно и замкнуты на измерительное устройство. Модуляционные обмотки также соединены последовательно и подключены к стабильному источнику переменного тока (не показан на рисунке 1). Для свободного охвата шины 7 с контролируемым током замкнутая магнитная цепь 1 выполнена разъемной. Последовательное соединение модуляционных обмоток 4 и 6 между собой при наличии в них переменного тока и расположение измерительных обмоток 5 в промежутках между сквозными отверстиями в ферромагнитных элементах позволило осуществить продольную модуляцию магнитного сопротивления магнитной цепи на пути рабочего потока Ф, создаваемого контролируемым постоянным током, и индуцировать БМП в измерительных обмотках 5, зависящую от преобразуемого постоянного тока. Разработанная РИЦ также может контролировать переменный ток. В этом случае в секциях 4 и 6 модуляционной обмотки не должно быть переменного тока.

Результат. Расширение верхнего предела регулируемого постоянного тока в разработанной конструкции РИЦ осуществляется путем увеличения длины рабочего магнитного потока по стали элементов магнитной цепи и включения в его путь поперечных и продольных воздушных зазоров, т.е. реализации разделенной магнитной цепи с поперечно и продольно распределенными магнитными параметрами.

Для контроля БПТ разъемная магнитная цепь РИЦ охватывает шину 7. Благодаря модуляционным ампер-виткам разъемная магнитная цепь насыщается в течение каждого полупериода питающего напряжения. При этом проницаемость магнитной цепи для продольного поля, создаваемого контролируемым током, резко снижается. В момент, когда модуляционный ток проходит через ноль, магнитная проницаемость сердечника возрастает до исходного значения. Таким образом, при постоянстве модуляционных ампер-витков в измерительной обмотке индуцируется РИЦ двойной частоты, зависящая от контролируемого тока.

Заключениe. Разработаны информационные бесконтактные преобразователи для современных систем контроля и управления в водоснабжении, мелиорации, ирригации, а также в солнечной и лазерной технике, возобновляемых источниках энергии, промышленности, агропромышленной сфере. Они характеризуются расширенным управляемым диапазоном преобразуемых постоянных токов при малых габаритах и весе, повышенной точностью и чувствительностью, простотой и технологичностью конструкции с низкой материалоемкостью и стоимостью. Преобразователи обеспечивают возможность бесконтактного управления постоянными и переменными токами с погрешностью 1,5 %, а также контроля электроэнергии и поверки электросчетчиков на месте их установки. Рассмотрены статические характеристики информационных бесконтактных магнитомодуляционных преобразователей. Показано, что значение возбуждения соответствует определенному максимальному значению измеряемой величины. При этом максимумы измеряемой величины, возрастающие по значению с увеличением возбуждения, смещаются в сторону увеличения измеряемой величины. Расхождение между экспериментально и теоретически полученными статическими характеристиками преобразователя не превышает 6 процентов

Список литературы:

1. Baratov R.J., Pirmatov N.B., Panoev A.T., Chulliyev Y.E., Ruziyev S.A., Mustafoqulov A. Achievement of electric energy savings through controlling frequency convertor in the operation process of asynchronous motors in textile enterprises // VII International Scientific Conference Integration, Partnership & Innovation in Construction Science & Education, 11–14^th of November, 2020. – IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (MSE).
2. Bardahl Nils. Einrichtung zur Erfassung des Belastungsstromes in Hochstromanlagen, Patent Germany No. 3148654, Cl. 21e36 / 01 – 2016. 
3. Bolotin O., Portnoy G., Razumovskiy K. Modern sensors for measuring current and voltage // ISUP. – 2016. – No. 1 (61) . – Pp. 18–25.
4. Bolotin O., Portnoy G., Razumovsky K. Primary sensors for energy enterprises // Energy security and energy saving. – 2012. – No. 5. – Pp. 28–32.
5. Brodovsky V.N., Korzhanov B.M. Current transformer. AC 3592239, MPK21e3601, Byul. no 4, 05.01.2017.
6. Djalilov A., Juraeva N., Nazarov O. Intellectual system for water flow and water level control in water management // 1 st International conference on Energetics Civil and Agrucultural Engineering. IOP Conf. series: Earth and Environmental Science – 2020. – Tashkent, Uzbekistan. – Vol. 614. – P. 012044. 
7. Eadie E.M., Complete specification improvements in multi-range hook-on electrical indication instrument, UK Patent No. 3966443, NCI G1U. – 2015. 
8. Hitachi Ltd., Chiyoda-ku Tokyo 100 (JP) Magnetoelectrical transducer. Japan patent No 3257766, ICI G01D 5 / 16 from 18.08. – No 33. – 2017. 
9. Knoedgen H., Kronmueller F. Highly accurate current measurement // European patent office MKI G01R, 13.02.2019, EP2821799A1. – 2019. 
10. Plakhtiev A.M. Effective informational contactless converters for modern monitoring and control systems in the agro-industrial complex // International Scientific and Practical Conference "Agrarian science - to agriculture" Collection of scientific articles, Barnaul. – 2017. – P. 37-39.
11. Tokyo Shibaura Transducers. UK patent No 3036984, ICI G01R 19 / 22, NCI GIU from 02.07., No 4968 – 2017. 
12. Uljaev E., Ubaydullaev U.M., Narzullaev Sh.N. Optimization of the sizes of the cylindrical measuring transducer // Chemical Technology, Control and Management. – 2020. – № 5-6. – Pp. 29-33. DOI: https://doi.org/10.34920/2020.5-6.
13. Плахтиев А.М., Мелибоев Я.А. Безразрывные сильноточные преобразователи систем контроля и управления // Journal of Irrigation and melioration. – № 4(34). – 2023.