АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТОКОВ В СОСЕДНИХ ШИНАХ НА ТОЧНОСТЬ БЕСКОНТАКТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье описаны устройство, принцип работы и требования к бесконтактным ферромагнитным преобразователям, предназначенным для измерения и контроля постоянных токов в высоковольтных электроустановках. В результате исследований установлено, что предложенная конструкция обладает более широким диапазоном управления, более высокой точностью и чувствительностью по сравнению с традиционными преобразователями, а также отличается технологической простотой, меньшим расходом материалов, компактностью и легкостью. Проанализированы погрешности измерений магнитомодуляционных преобразователей, вызванные воздействием токов в соседних шинах, и показана зависимость погрешности от количества точек измерения и делений на магнитной ленте. Установлено, что при числе точек более 12 погрешность может существенно изменяться в зависимости от плотности деления, что подтверждает необходимость оптимального выбора конструктивных параметров. Разработанные новые магнитомодуляционные бесконтактные преобразователи демонстрируют высокую эффективность при бесконтактном контроле токов в промышленности и металлургии.

ABSTRACT

This article discusses the structure, operating principle, and requirements for contactless ferromagnetic converters designed to measure and control direct currents in high-voltage electrical installations. Research results have shown that the proposed design, compared to traditional converters, offers a wide control range, high accuracy and sensitivity, as well as technological simplicity, low material consumption, compactness, and lightweight construction. Measurement errors in magneto-modulation converters caused by the influence of currents in adjacent busbars are analyzed, and the dependence of the error on the number of measurement points and divisions in the magnetic yoke is demonstrated. It has been determined that when the number of points exceeds 12, the error can change significantly depending on the division density, which confirms the necessity of optimal selection of design parameters. The newly developed magneto-modulation contactless converters demonstrate high efficiency in contactless current monitoring in industrial and metallurgical fields.

Ключевые слова: бесконтактный, преобразователь, погрешность, системы контроля и управления, модуляция.

Keywords: contactless, converter, error, control and monitoring systems, modulation.

Введение. В настоящее время возрастают требования к сбору и анализу информации в режиме реального времени в автоматизированных системах управления технологическими процессами. В области электроэнергетики, в том числе на промышленных и гидротехнических объектах, безопасная работа мощного электрооборудования зависит от точных и надежных измерительных систем. На таких объектах широко применяются электроприводы, работающие с большими постоянными токами, и существует необходимость контроля токов бесконтактным и энергосберегающим способом без разрыва цепи. На этой основе разработаны бесконтактные ферромагнитные преобразователи, позволяющие безопасно и с достаточной точностью измерять большие постоянные токи дистанционно.

Существующие магнитомодуляционные ферромагнитные преобразователи имеют такие недостатки, как узкий рабочий диапазон, низкая чувствительность, восприимчивость к электромагнитным помехам, большие размеры и масса, а также негативное влияние токов соседних шин. Поэтому при создании бесконтактных ферромагнитных преобразователей нового поколения актуальным является повышение точности измерений, снижение влияния внешних электромагнитных воздействий и совершенствование конструктивных решений. В данном исследовании были разработаны и изучены новые конструкции ферромагнитных преобразователей, обладающие малыми размерами, легкостью, широким диапазоном измерений, высокой точностью и чувствительностью, а также низким энергопотреблением и расходом материалов [1-4].

Материалы и методы. Конструкция разработанного энергосберегающего широкодиапазонного бесконтактного магнитно-модулирующего ферромагнитного преобразователя для измерения больших постоянных токов в системах контроля и управления показана на рис. 1. Он не только обеспечивает бесконтактное измерение токов, но и анализирует погрешности, возникающие из-за влияния токов соседних шин.

Рисунок 1. Бесконтактный магнитомодуляционный преобразователь, работающий в широком диапазоне для измерения больших постоянных токов систем мониторинга и управления

Разработан на основе большого преобразователя постоянного тока [2]. Разъемная замкнутая магнитная цепь 1, свободно охватывающая шину 2 постоянного тока, состоит из двух половин 2 и 3. Каждая половина состоит из ферромагнитных элементов трапециевидной формы, через отверстия которых проведены секции 4 и 5 модулирующих обмоток, а между отверстиями размещена измерительная обмотка 6. Измерительные обмотки соединены последовательно и подключены к измерительному устройству, а модулирующие обмотки - к источнику переменного тока.

Последовательное соединение модулирующих обмоток 4 и 5 с питанием переменным током, а также расположение измерительных обмоток 6 между отверстиями обеспечивают продольную модуляцию магнитной цепи, создавая ЭДС, зависящую от постоянного тока. Разработанный бесконтактный ферромагнитный преобразователь(КФП) способен контролировать управляемый ток даже при отсутствии тока в частях 2 и 3 модулирующей обмотки. Верхний предел управляемого тока повышается путем удлинения пути магнитного потока и введения продольных и поперечных воздушных зазоров. В результате смещения второй и третьей половин магнитной цепи изменяется размер зазоров между трапециями, что позволяет регулировать магнитное сопротивление и предел тока. Это дает возможность использовать КФП в многопредельном режиме.

Результаты и обсуждение. При контроле трансформатора напряжения (ТН) с разъемной магнитной цепью КФП охватывает шину 8. Под воздействием модуляционных амперных выключателей в каждом полупериоде напряжения питания магнитная цепь входит в состояние насыщения, и проводимость цепи резко снижается для продольного поля, создаваемого управляемым током. Когда ток модуляции проходит через нулевое значение, проводимость магнитной цепи возвращается к исходному значению. В результате, благодаря стабильности модуляционных амперных выключателей в измерительной обмотке, возникает электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная управляемому току.

.                               (1)

где:  - основное значение ЭДС на выходе;  - напряженность магнитного поля, соответствующая измеряемому значению постоянного тока.

Для изучения погрешностей, возникающих из-за влияния соседних токоведущих шин, прежде всего необходимо знать закон распределения тангенциальной составляющей напряженности поля по контуру КФП. В общем случае цепь КФП может располагаться между двумя соседними шинами с токами  и .

Примем, что направление этих токов относительно нас одинаково. В таком случае, в точке L цепи КФП, где отсутствует сердечник, напряженности магнитного поля от соседних шин будут равны:

                                                                                       (2);

                                                                                       (3)

Для касательных составляющих напряжений можно записать:

                                                                               (4);

                                                                               (5)

Выражая ,  и ,  через центральный угол, при отсутствии магнитной цепи в цепи преобразователя, получаем закон распределения тангенциальной составляющей напряженности поля вдоль цепи преобразователя с токами следующего вида от соседних шин.

                                      (6)

где: ,  ;  .

6) графики функции при значениях   и 1 показаны с одинаковым направлением токов  и , а также с противоположным направлением токов.

При наличии магнитного контура в цепи КФП касательная составляющая напряженности магнитного поля от соседних шин с токами равна:

                                                  (7)

если:

                                                                               (8)

где  - коэффициент сходимости;  - конструктивный параметр

Если в каждой точке цепи тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля (6) имеет значения, отличные от значений соседних токонесущих шин, и оптимальная статическая характеристика (1) обладает нелинейностью, то даже при полном интегрировании КФП это приведет к ошибке.

Погрешность, возникающая вследствие влияния соседних шин с токами  и , может быть определена с достаточной для анализа точностью по следующему выражению:

                                                                                      (9)

где  - средняя ЭДС КФП, индуцированная в измерительной обмотке под действием касательной составляющей напряженности магнитного поля от соседних шин с токами  и ;

 - максимальная средняя ЭДС КФП, индуцированная в измерительной обмотке касательной составляющей напряженности магнитного поля от соседних шин с токами  и , которая становится равной при значении .

Подставляя значение правой части (7) вместо  (1), учитывая (10) и принимая во внимание, что каждая часть измерительной обмотки сосредоточена в одной точке, запишем выражение для приведенной погрешности, вызванной влиянием соседних токоведущих шин, в следующем виде:

.     (11)

Обозначения следующих функций принимаются здесь:

                                                                    (12);

                                                                     (13)

где m - число секций измерительной обмотки.

Положительный знак в уравнении (11) соответствует противоположным направлениям токов  и , а отрицательный знак соответствует их одинаковому направлению.

Выражение (11) было рассчитано на компьютере для токов соседних шин в противоположных и совпадающих направлениях при значениях m = 6; 12; 18;   и  

Максимальная погрешность (), возникающая из-за токов и соседних шин в противоположных направлениях, не превышает 0,04% при m = 6,  и . С увеличением четного числа симметрично расположенных точек измерения погрешность уменьшается.

Заключение. Разработан широкодиапазонный магнитомодулирующий ферромагнитный преобразователь, предназначенный для бесконтактного обнаружения больших постоянных токов. Устройство компактное, легкое и обладает высокой функциональной эффективностью, что позволяет стабильно регистрировать широкий диапазон постоянных и переменных токов в промышленных и энергетических системах. Несмотря на то, что электромагнитное влияние токов в соседних шинах на точность измерений заметно, небольшие изменения в делениях не влияют на результат, когда количество точек измерения в магнитной цепи превышает 12. Это демонстрирует высокий иммунитет устройства к внешним магнитным воздействиям. Основным преимуществом является использование продольной модуляции на пути рабочего магнитного потока, которая позволяет обнаруживать малейшие магнитные изменения и повышает чувствительность КФП. В результате можно работать с высокой точностью даже при низких уровнях сигнала. Научно-технический подход, высокая чувствительность, широкий диапазон и устойчивость предложенного преобразователя к внешним электромагнитным воздействиям делают его перспективным устройством для современных систем контроля и управления.

Список литературы:

1. Liu Z. et al. A comprehensive study on the modulation ratio for modular multilevel converters //IEEE Transactions on Industry Applications. – 2022. – Т. 58. – №. 3. – С. 3205-3216.
2. Плахтиев А. М. Основные характеристики магнитомодуляционных бесконтактных измерительных преобразователей токов //Рецензенты: Курманова Лилия Рашидовна. – 2022. – С. 5.
3. Плахтиев А. М. Глава 4 безразрывные гальваномагнитные измерительные преобразователи систем контроля и управления //Курманова Лилия Рашидовна, доктор экономических наук, Уфимский университет науки и технологий. – 2024. – С. 98.
4. Абруков В. С., Китаев А. И., Фоминых С. О. ББК 32.873 К 689. – 2024.
5. Кульчицкий А. А. Бесконтактные системы измерения, контроля и обеспечения безопасности.