Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Диссертационная работа:

Агрест Роман Иосифович. Проектирование первичных измерительных преобразователей электроэнергетических параметров переменного тока : ил РГБ ОД 61:85-5/2644

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (ПИП) ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 18

1.1. Статические ПИП (СЛИП) 18

1.1.1. Методы построения 18

1.1.2. Пути повышения технических характеристик 31

1.2. Электромеханические компенсационные ПИП (ЭКПИП) 42

1.2.1. Методы построения 42

1.2.2. Классификация 45

1.3. Показатели качества 50

1.3.1. Метрологическая стабильность 50

1.3.2. Показатель энергетической добротности 54

1.3.3. Обобщенный критерий качества 60

В ы в о д ы 70

2РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ЭКПИП 72

2.1. Уравнения преобразования в обобщенных координатах 72

2.2. Статические погрешности ЭКПИП 80

2.3. Динамические характеристики 90

Выводы 99

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭКПИП 100

3.1. Принципы построения измерительных механизмов (ИМ) ЭКПИП 100

3.2. Выбор сочетаний систем ИМ 109

3.3. Влияние специфических погрешностей ИМ на точность ЭКПИП 114

3.3.1. Ферродинамические ИМ 114

3.3.2. Электромагнитные ИМ 135

3.3.3. Магнитоэлектрические ИМ 149

3.4. Разработка рекомендаций по рациональному построению ИМ 150

3.5. Анализ предельных возможностей ЭКПИП 160

В ы в о д ы 165

4. ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ И ПРИМЕНЕНИЯ ПИП 167

4.1. Оптимизация рядов ПИП 167

4.2. Применение СЛИП 181

4.3. Конструктивные особенности ЭКПИП мощности, тока, напряжения 182

4.4. Односистемный ЭКПИП мощности 190

Выводы 195

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 195

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 199

ПРИЛОЖЕНИЕ I. Технические характеристики ПИП 211

2. Проспект Е848 219

3.. Расчеты экономической эффективности. 221

4. Акт о промышленной эксплуатации ЭКПИП Е86 239

5. Блок-схема и программа расчета оптимального ряда ПИП 241

6. Акт о внедрении результатов диссертационной работы 245 

Введение к работе:

В решениях ХХУЇ съезда КПСС указано, что в одиннадцатой пятилетке предусматриваются опережающие темпы развития производства быстродействующих управляющих и вычислительных комплексов, периферийного оборудования и программных средств к ним, электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования и особо отмечается необходимость решения задач по повышению качества, надежности, экономичности приборов при одновременном снижении их материалоемкости и энергопотребления, улучшения системы оценки технико-экономического уровня разрабатываемых и выпускаемых изделий [80].

Важнейшими задачами приборостроителей являются изучение конкретных условий эксплуатации и определение перспективных требований к точности и надежности измерительных устройств. Совместно с энергетиками следует осуществить мероприятия по улучшению метрологических и эксплуатационных характеристик приборов и средств автоматизации для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУШ) энергоблоков и электростанций [98] .

Основными элементами систем комплексной автоматизации технологических процессов являются первичные измерительные преобразователи (ПИП), преобразующие различного рода контролируемые параметры в стандартный [48] выходной сигнал. Для ПИП электроэнергетических параметров, осуществляющих получение и первичную обработку информации о состоянии подлежащих контролю и управлению генераторов электроэнергии, линий электропередачи, режимов работы электродвигателей и других энергоемких объектов, носителями измерительной информации, т.е. преобразуемыми электрическими величинами, являются 16 параметров [45] : Наибольший интерес представляют характеристики ПИП мощности, а также ПИП действующего значения переменного тока и напряжения, так как в основном эти преобразователи определяют экономическую эффективность от применения комплексной автоматизации, используемых в энергетике, и дают наибольший эффект от внедрения.

В настоящее время известно большое количество ПИП электрических величин, выпускаемых как в нашей стране, так и за рубежом.

Только в США их выпуском занимается более 500 фирм, причем количество модификаций выпускаемых ПИП превышает 200 [54 ] .

Большое применение находят ПИП в отечественных системах комплексной автоматизации процессов контроля и управления энергообъектами в таких отраслях народного хозяйства, как энергетика, судостроение, черная и цветная металлургия, химическая, нефте- и газодобывающая промышленность, промышленность строительных материалов, станкостроение и ряде других.

Широко использовались ПИП при автоматизации таких крупных энергоблоков, как блок 800 Мвт Славянской ГРЭС, блок 500 Мвт Наза-ровской ГРЭС, при автоматизации ТЭЦ-21 Мосэнерго, Змиевской ГРЭС и др.

Комплексная автоматизация управления энергоагрегатами электростанций и электрических производств в различных отраслях промышленности позволяет: - повысить К.П.Д. энергоблоков;

- увеличить количество вырабатываемой на электростанциях электроэнергии за счет сокращения времени аварийных простоев, пуска-останова агрегатов;

- уменьшить потери в сетях;

- оптимизировать технологические процессы в различных отраслях промышленности, что дает значительный экономический эффект в народном хозяйстве.

В связи с постоянным укрупнением мощностей электрических станций и отдельных энергетических блоков экономичность электроагрегатов возрастет.

Обеспечение согласования ПИП с устройствами систем автоматизации энергообъектов, исключение противоречивых требований потребителей в значительной мере затруднялось в связи с отсутствием нормативного документа ранга ГОСТ на ПИП электрических величин.

Оптимизация номенклатуры технических требований, установление единой системы показателей качества ПИП является важнейшим условием их дальнейшего развития.

Повышение точности преобразования электроэнергетических параметров обеспечит более точное определение расчетных эксплуатационных показателей, поддержание экономичного режима и повышение надежности работы энергообъектов.

И если для ПИП, используемых в устройствах режимной автоматики, можно допустить [30 J погрешность 1,0 - 1,5%, то в случае применения ПИП для ввода информации в управляющие вычислительные машины, чем выше метрологические характеристики преобразователей, тем, соответственно, оптимальнее управление энергетическими объектами.

Повышение точности ПИП электрических величин до 0,2 0,1% обеспечит решение важнейших задач по расчету технико-экономических показателей энергообъектов. Отечественные ПИП имеют, как правило, погрешность преобразования 0,5 1,0 (Приложение I).

Проведенный анализ потребностей различных отраслей промышленности в ПИП показал, что одним из важнейших требований, характеризующих измерительные сети в отраслях-потребителях, является обеспечение измерений при больших искажениях формы кривой переменного тока (до 20%). Эти данные находятся в соответствии с результатами исследований, проведенными в различных энергосистемах.

Так, исследования, проведенные в Красноярской энергосистеме, показали [35] , что даже в месте наименьшего искажения кривой, на питающей электростанции, высшие гармоники тока составляют (в % к основной гармонике): 3-я до 15%, 5-я до 30%, 7-я до 8%, 9-я до 5%.

Результаты исследований [92] , проведенных в Белорусском политехническом институте, показали, что при определенных .условиях несинусоидальность формы кривой напряжений и токов в электрических сетях может достигнуть 15-20%.

Искажения формы кривой переменного тока по сравнению с синусо-идальной имеются в настоящее время практически во всех электрических цепях [53] .

Работа измерительных устройств в цепях с искаженной формой кривой связана в ряде случаев с появлением дополнительных погрешностей, снижение которых осуществляется, как правило, с большими трудностями, а в отдельных случаях не представляется возможным.

Исследованию вопросов измерений при искаженной форме кривых были посвящены работы А.В.Фремке [ill] , B.C.Скрябинского [103, 104, 106] , Л.В.Бычкова [34, 35J , С.М.Пигина [89] , Л.И.Волгина [38-40] , М.А.Огорелина [81] , Л.М.Богорад [32] , О.С.Швегжды [116]и ряда других авторов, позволившие добиться значительного прогресса в этом направлении.

Введение относительного показателя точности Кточн= " , где )f - основная приведенная погрешность ПИП, %

Кн.и.- коэффициент высших гармоник формы кривой входного сигнала, при котором погрешность не превышает предела для данного ПИП,% позволяет сравнить (рис. 0.1.) требуемые и достигнутые отечественными ПИП метрологические характеристики.

Как видно из таблицы (Приложение I), отечественные ПИП имеют значительные габаритные размеры и материалоемкость, а себестоимость их изготовления достаточно высока.

В связи со все возрастающей потребностью народного хозяйства в ПИП, удовлетворить которую можно только за счет высокоэффективного крупносерийного производства, очень остро встала проблема конструктивной унификации ПИП, обеспечивающей минимизацию схемных решений и используемой элементной базы.

Основными элементами при построении преобразователей являются измерительные механизмы, статические полупроводниковые и магнитные элементы, датчики, использующие эффект Холла, термопреобразователи и т.д.

Измерительные механизмы применяются в преобразователях фирмы Haxtman Biaun№T),&oetz E€ectio A.Q (Австрия), ряда Итальянских фирм и др.

Большую роль в разработке и организации промышленного производства отечественных ПИП сыграли коллективы организаций ВНИИ электроизмерительных приборов (г.Ленинград), завода электроизмерительных приборов (г.Витебск), ПО "Точэлектроприбор" (г.Киев) и др. Значительный вклад в развитие и освоение ПИП внесен кафедрами Ленинградского, Харьковского, Куйбышевского, Ульяновского политехнических институтов, Московского энергетического института и др. организациями.

Работы перечисленных организаций относятся к области статических преобразователей.

Построение ПИП на базе статических полупроводниковых и магнитных элементов позволяет обеспечить их надежную работу в условиях воздействия механических нагрузок и изменения в широком диапазоне климатических условий.

В то же время использование известных статических ПИП в сетях переменного тока с большими нелинейными искажениями связано в большинстве случаев с появлением значительных дополнительных погрешностей, схема и конструкция статических преобразователей при измерении различных параметров имеют, как правило, низкую конструктивную унификацию.

Проводимые в СССР работы по повышению точности статических ПИП электрических величин переменного тока связаны с усложнением схемных решений.

Большое распространение за рубежом получили преобразователи на базе электромеханических измерительных механизмов, позволяющие измерять действующие значения электрических величин переменного тока,

В литературе [52, 84-87, 102, 122, 124-125J , рассматриваются электромеханические ПИП. Однако в большинстве работ дается описание различных схем и конструкций, и в лучшем случае, приводятся результаты их экспериментальных исследований, но практически отсутствуют методы теоретического анализа и инженерных расчетов этих устройств, их классификация и т.д.

Отдельные теоретические разработки, освещенные в работах Д.А.Браславского, Н.Я.Вовченко, М.М.Фетисова, А.П.Юркевича и др. [37, 109, 119 J , относятся к измерениям неэлектрических величин.

В литературе не уделено достаточного внимания анализу погрешностей электромеханических ПИП, путей повышения их точности. Отсутствует анализ и рекомендации по рациональному сочетанию различных измерительных систем в зависимости от назначения ИП.

Для построения электромеханических ПИП электрических величин используются измерительные механизмы различных систем. Исследованию измерительных механизмов посвящены работы В.О.Арутюнова, А.В.Фрем-ке, Н.Н.Пономарева, Е.Г.Шрамкова, Т.В.Рождественской, С.М.Пигина, И.С.Векслера, Г.Д.Лонинова, В.Н.Мильштейна, В.С.Скрябинского и др. [14-16,72,76,91,96,106,110 ].

Однако в них не рассматриваются специфические вопросы работы измерительных механизмов различных систем при малых углах поворота подвижной части, что имеет место в электромеханических ПИП и существенным образом может влиять на конструктивные параметры отдельных механизмов и их соотношения. 

Целью настоящей работы является совершенствование ПИП электроэнергетических параметров переменного тока по улучшению их технических характеристик, снижению материалоемкости и повышению экономичности.

Эта цель обуславливает постановку и решение следующих задач: I). Определение наиболее раниональных известных методов построения ПИП для конкретных требований отраслей-потребителей. Эта задача решается путем:

- анализа методов построения ПИП;

- разработки рекомендаиий по созданию нормативного документа - „Общих технических условий на преобразователи измерительные";

- разработки обобщенного критерия качества и определения преимущественных областей применения статических и электромеханических ПИП.

2). Совершенствование способов построения ПИП. Эта задача решается путем:

- разработки и анализа обобщенной функциональной модели электромеханических компенсационных ПИП;

- анализа работы измерительных механизмов при малых углах поворота подвижной части, разработки рекомендаиий по их раииональ-ному построению;

- разработки новых образцов ПИП, рассмотрения вопросов их применения.

Поскольку менее изученными являются ПИП электромеханические, то в работе много внимания уделено вопросам их построения.

Тема работы непосредственно связана с требованиями ряда отраслей народного хозяйства по комплексной автоматизаиии технологических процессов контроля и управлениям энергообъектами и продиктована необходимостью выполнения работ в соответствии с Постановлением ГКНТ СМ СССР № 415 от 18.11.76 г. по решению научно-технической проблемы 0.18.01 „Создать и освоить в производстве общепромышленные приборы и средства автоматизации для оснащения сдаваемых автоматизируемых систем управления технологическими процессами, обладающие повышенной точностью, надежностью и долговечностью, освоенные на принципах государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП)", задание 01.13, планом НИР и ОКР ВЗЭП,г.Витебск (Гос.per.№№76086300, 77062606, 81086257 ) планом важнейших работ Минприбора (Приказ № 426 от 17.12.76г.,задание 504060), приказом Минприбора № 248 от 20.08.75 г.„О дальнейшем развитии работ по созданию агрегатного комплекса средств электроизмерительной техники", поз. 1.7., а также Программой № 132 -1.07.77 комплексной стандартизапии средств измерений электрических и магнитных величин (Тема 07.04.1.34, поз. I.3.I), утвержденной Постановлением Госстандарта СССР от 22.12.77 № 54.

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Получены рекомендации по повышению технических характеристик статических ПИП.

2. Разработана классификация электромеханических компенсационных ПИП, показаны резервы их совершенствования.

3. Предложен обобщенный критерий качества ПИП.

4. Разработана и исследована обобщенная модель электромеханических компенсационных ПИП. Определены рациональные сочетания систем измерительных механизмов.

5. Определены статические и динамические характеристики электромеханических компенсационных ПИП,показаны их предельные возможности.

6. Проведен анализ принципов построения измерительных механизмов при малых углах поворота подвижной части и специфических погрешностей различных систем измерительных механизмов.

7. Получены выражения для удельного электрического противодействующего момента и угла поворота подвижной части, разработаны рекомендации по расчету конструктивных параметров механизмов ПИП. 8. Показана возможность построения современных ПИП на простейшей элементной базе - механизмах щитовых показывающих приборов. Новые практические результаты, полученные при выполнении работы:

1. Разработаны рекомендэпии по проектированию измерительных механизмов ПИП, позволяющие обеспечить высокие метрологические характеристики.

2. Определены преимущественные области применения различных ПИП, проведена оптимизация состава ряда моделей ПИП.

3. Разработан ГОСТ 24855-81 "Преобразователи измерительные тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления аналоговые. Общие технические условия", утвержденный Постановлением Госстандарта СССР от 23.06.81 г. № 3070.

4. Предложены: измерительный преобразователь активной мощности в напряжение постоянного тока; аналого-дискретный квадратор, предназначенный для использования в качестве блока функционального преобразования статического ПИП мощности, измерительный преобразователь активной мощности трехфазных цепей, статическое устройство для измерения электрической мощности, электромагнитный ваттметр, электромеханический ПИП мощности, использующий только электромагнитный принцип действия.

Предложения защищены авторскими свидетельствами [l7,I8,I9,20,2IJ.

На основании теоретических и экспериментальных исследований и рекомендаций, полученных в работе, разработаны ПИП тока Е82, напряжения Е84, мощности Е86, Е848, проведена модернизация ПИП активной мощности для тяжелых условий эксплуатации E70I9. Технические характеристики разработанных ПИП соответствуют современному мировому уровню.

Внедрение рекомендаций, полученных в работе, обеспечивает экономический эффект в народном хозяйстве, превышающий 2 млн.руб. (см. приложение 2).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Классификация электромеханических компенсационных ПИП.

2. Обобщенный критерий качества ПИП.

3. Оптимизация состава ряда моделей ПИП.

4. Результаты исследования математической модели электромеханических компенсационных ПИП.

5. Анализ специфики работы измерительных механизмов в ПИП, рекомендации по их построению.

6. Анализ предельных возможностей электромеханических компенсационных ПИП и путей их совершенствования.

7. Разработанные конструкции ПИП электроэнергетических параметров переменного тока, отличающиеся от известных устройств аналогичного назначения более высокими технико-экономическими характеристиками.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в тринадцати статьях [2, 3 , 5, 6й, 7й, 8, 9, 10, 56й, 71й, 73Й,Ю7Й, 117 ], в описаниях изобретений по семи авторским свидетельствам СССР [17 - 22s, 24sJ , представлены в научно-техническом отчете [94 J , свидетельстве на промышленный образец [4], ГОСТ 24855-81 [49].

Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на 5 конференциях и семинарах. Кроме того, работа получила апробацию на Витебском заводе электроизмерительных приборов голени 60 - летия Великого Октября при выполнении научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ и освоении серийного производства первичных в соавторстве измерительных преобразователей электроэнергетических параметров.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня литературы 126 наименований, 6 приложений и содержит 147 машинописных страниц основного текста, иллюстрирована 40 рисунками и 28 таблицами.

В первой главе рассмотрены методы построения ПИП электроэнергетических параметров, проведен их сравнительный анализ, показаны перспективы дальнейшего улучшения технических характеристик статических ПИП, систематизирован материал и разработана классификация электромеханических компенсационных ПИП, рассмотрена задача опенки технического уровня ПИП, предложен обобщенный критерий их качества, определены преимущественные области применения статических и электромеханических компенсационных ПИП.

Вторая глава посвящена исследованию математических моделей и структурных схем электромеханических компенсационных ПИП. Выполнен анализ статических и динамических характеристик. Установлено, что удельный устанавливающий момент в измерительных механизмах ПИП значительно выше, чем у показывающих приборов, а угол поворота подвижной части мал, что определяет необходимость исследования специфики работы измерительных механизмов в этих условиях.

Третья глава посвящена вопросам проектирования электромеханических компенсационных ПИП. Рассмотрены принципы построения измерительных механизмов при малых углах поворота подвижной части. Определены рациональные сочетания измерительных механизмов в ПИП. Получены выражения, связывающие метрологические характеристики электромеханических компенсационных ПИП с конструктивныгли параметрами, выполнен анализ их предельных возможностей. Предложена конструкция одноэлементного электромагнитного механизма для измерения мощности.

В четвертой главе приведены конструкции разработанных ПИП и их технические характеристики, рассмотрены вопросы их применения для решения конкретных задач отраслей-потребителей.

Такім образом, на основе накопленного опыта в изготовлении и эксплуатации первичных измерительных преобразователей электроэнергетических параметров, измерительных механизмов различных систем, достижений науки и техники в области приборостроения, ученых, работающих в области совершенствования отечественного приборостроения, а также научных и экспериментальных исследований автора, в диссертационной работе решена задача, касающаяся конструктивных методов повышения качества первичных измерительных преобразователей, направленных на снижение погрешностей преобразования в сетях со значительными нелинейными искажениями, уменьшение материалоемкости, повышение эксплуатационной надежности и экономичности изделий. 

Подобные работы
Першенков Петр Петрович
Разработка и исследование измерительных преобразователей параметров переменных сигналов и цифровых средств измерения на их основе
Кутлуяров Георгий Халифович
Разработка и исследование методов построения преобразователей сопротивления резистивного датчика для малопроводных средств измерения параметров технологических процессов в нефтяной промышленности
Перфильев Константин Степанович
Обоснование выбора параметров тягового преобразователя перспективных тепловозов с электрической передачей переменного тока
Скиданов Владимир Михайлович
Синтез параметров управления полупроводниковыми преобразователями на основе анализа энергетических показателей систем привода постоянного тока электромобилей
Старостин Алексей Геннадьевич
Методы проектирования электромагнитных механизмов постоянного тока с заданными динамическими параметрами
Дугушкин Сергей Николаевич
Мосты переменного тока для измерения параметров тр#хэлементных двухполюсников
Баран Александр Николаевич
Технологическое действие электирического тока и оптимизация его параметров при обработке соломы в щелочных средах
Панкратов Владимир Вячеславович
Методы синтеза автоматического управления электроприводами переменного тока, малочувствительных к изменениям параметров
Чудный Владимир Сергеевич
Оптимизация параметров воздушных линий постоянного тока сверх- и ультравысокого напряжения с учетом требований надежности и экологии
Ткаченко Павел Викторович
Обоснование параметров конденсаторного торможения электропривода переменного тока применительно к механизмам передвижения грузоподъемных кранов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net