Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В РЕЖИМАХ ХОЛОСТОГО ХОДА И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

Ярославкина Екатерина Евгеньевна

Самара - 2010

Работа выполнена на кафедре "Информационно-измерительная техника" Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет".

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Мелентьев Владимир Сергеевич.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Орлов Сергей Павлович;

Кандидат технических наук Занозин Илья Юрьевич.

Ведущая организация: ОАО "Научно-исследовательский институт физических измерений" (г. Пенза).

Защита состоится 27 декабря 2010 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУВПО "Самарский государственный технический университет" по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18, 1 корпус, ауд. № 4 (Учебный центр СамГТУ "Электрощит").

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18.

Автореферат разослан "___" ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.03 Н.Г. Губанов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Силовой трансформатор (ТР) является в энергосистеме одним из важнейших элементов, определяющих надежность электроснабжения. Каждый ТР должен подвергаться приемо-сдаточным испытаниям, которые проводит служба технического контроля завода с целью определения возможности приемки и поставки трансформатора потребителю.

Одним из основных видов приемо-сдаточных испытаний является измерение потерь и напряжения короткого замыкания (КЗ), потерь и тока холостого хода (ХХ).

Большой объем и трудоемкость этих видов испытаний, а также, предусмотренная ГОСТ, автоматическая регистрация результатов требуют создания автоматизированных систем измерения электрических параметров трансформаторов.

В процессе производства могут быть допущены нарушения и отступления от технологии изготовления обмоток трансформаторов, которые, не приводя к полной потере работоспособности, ухудшают эксплуатационные качества ТР.

Обмотки ТР, как правило, состоят из параллельно соединенных ветвей: частей обмоток; групп катушек; транспонированных, подраздельных и простых проводов. Существенно неравномерное распределение тока по этим ветвям может привести не только к заметному увеличению потерь и снижению КПД, но и выходу трансформатора из строя. Поэтому при испытаниях необходимо определять распределение тока в обмотках ТР.

На сегодняшний день актуальной является задач исследования распределения тока в обмотках по данным, полученным в режимах ХХ и КЗ с целью поиска причин неравномерного распределения тока и способов уменьшения неравномерности его распределения, последующего анализа конструкторских и производственных ошибок.

При проведении испытаний в режимах ХХ и КЗ требуется производить измерения среднеквадратических и средневыпрямленных значений сигналов и активной мощности. Данные параметры принято называть интегральными характеристиками периодических сигналов (ИХПС).

В создании теоретических основ построения и практической реализации: средств измерения ИХПС большой вклад внесли отечественные ученые Волгин В.Л., Кизилов В.У., Куликовский К.Л., Мартяшин А.И., Мелентьев В.С., Попов В.С., Таранов С. Г., Туз Ю.М., Шахов Э.К., Шляндин В.М. и др. Теоретическим основам исследования распределения тока по ветвям посвящены монографии Лейтеса Л.В., Шафира Ю.Н. и Дачева А.

При испытании ТР в режимах ХХ и КЗ информационные сигналы имеют существенно искаженную форму, а коэффициенты мощности имеют малые значения. При экспериментальных исследованиях гармонического состава тока ХХ трехфазного ТР были обнаружены высшие гармоники, включая 40-ую. Причем, коэффициенты 3-й и 5-й гармоник превышали 30 %.

Поэтому особенности испытаний ТР в данных режимах предъявляют повышенные требования к точности, быстродействию и широкополосности измерительных средств.

Реализация цифровых методов определения ИХПС с аналого-цифровым преобразованием мгновенных значений сигналов позволяет производить измерения в цепях с различным гармоническим составом.

Использование в цифровых методах и средствах измерения квантования по уровню неизбежно приводит к погрешности квантования. Известные методы позволяют лишь в первом приближении оценить погрешность квантования по уровню для одного отсчета, однако они не дают возможности определить влияние данной погрешности на погрешность результата измерения.

При определении ИХПС с помощью этих методов изначально считается, что отсчеты сигналов равномерно распределены по периоду, т.е. период точно поделен на n интервалов дискретизации. В реальных ситуациях это условие не выполняется, что неизбежно приводит к погрешности, которую в некоторых работах называют погрешностью некратности.

Очевидно, что данный вид погрешности обусловлен, в первую очередь, колебаниями частоты входного сигнала, а также неточным делением периода на n. Поэтому необходимо производить оценку влияния колебаний частоты входного сигнала на погрешность определения ИХПС.

Таким образом, актуальной является задача разработки и исследования информационно-измерительной системы (ИИС) с улучшенными метрологическими характеристиками, позволяющей повысить производительность стендовых испытаний силовых трансформаторов в режимах холостого хода и короткого замыкания, а также производить анализ неравномерности распределения тока в обмотках ТР и локализацию дефектов.

Работа выполнялась в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований №09-08-00459 "Методология построения информационно-измерительных систем контроля параметров и испытаний энергообъектов и электротехнического оборудования"; госбюджетных фундаментальных НИР "Создание единой методологии метрологического анализа систем измерения и контроля параметров технических объектов" (регистрационный номер 1.15.08) и "Создание методологических основ синтеза и анализа аппроксимационных методов и систем измерения и контроля параметров квазидетерменированных сигналов (регистрационный номер 1.3.09); хоздоговорный НИР № 243/05 "Разработка и изготовление информационно-измерительной системы электрических параметров силовых трансформаторов (при приемо-сдаточных испытаниях)" (дополнительное соглашение № 5).

Целью работы является исследование высокоточных методов измерения интегральных характеристик периодических сигналов и создание на их основе информационно-измерительной системы, позволяющей повысить производительность стендовых испытаний силовых трансформаторов в режимах холостого хода и короткого замыкания, увеличить точность измерения основных электрических параметров, произвести анализ неравномерности распределения тока в обмотках для локализации дефектов при производстве трансформатора, а также метрологический анализ системы.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- проведение анализа методов электромагнитных испытаний силовых трансформаторов и характеристик объекта исследования;

- разработка модели распределения тока в обмотках трансформаторов;

- разработка методики расчета токов в обмотках трехфазных трансформаторов;

- обоснование методики оценки погрешностей ИИС для электромагнитных испытаний силовых ТР аналого-дискретного типа;

- разработка методики анализа влияния погрешности квантования на погрешность результата измерения основных интегральных характеристик периодических сигналов;

- обоснование методики анализа влияния колебаний частоты входного сигнала на погрешность результата измерения основных интегральных характеристик периодических сигналов;

- разработка и внедрение ИИС стендовых испытаний силовых ТР в режимах ХХ и КЗ;

- проведение анализа погрешностей ИИС стендовых испытаний ТР в режимах ХХ и КЗ.

Основные методы научных исследований. В работе использованы положения теории измерений, численного анализа, теории электрических цепей и сигналов, методов цифровой обработки сигналов, методов аналитического и имитационного моделирования.

Научная новизна проведенных в диссертационной работе исследований заключается в следующем:

1. Впервые разработана векторная модель распределения тока в обмотках трехфазных трансформаторов, отличающаяся от известных тем, что она позволяет, используя принцип наложения, производить исследование влияния на распределение токов различных факторов: формы и размеров различных контуров и их частей, ошибок при производстве трансформаторов.

2. Разработана методика расчета составляющих тока в обмотках трехфазных трансформаторов, позволяющая оценить потери от циркулирующих токов для нахождения причины неравномерности распределения тока в обмотках.

3. Предложена методика оценки влияния погрешности квантования на погрешность результата измерения основных интегральных характеристик периодических сигналов, отличающаяся тем, что она может быть использована для сигналов сложной формы и обеспечивает возможность разработки оптимальных, с точки зрения точности и аппаратурных затрат, структур средств измерения.

4. Разработана методика анализа влияния колебаний частоты входного сигнала на погрешность результата измерения основных интегральных характеристик периодических сигналов, которая, в отличие от известных, позволяет оценить максимальное значение результирующей погрешности для заданного диапазона изменения частоты сигналов сложной формы.

5. Предложена методика оценки погрешностей ИИС для электромагнитных испытаний силовых трансформаторов аналого-дискретного типа, отличающаяся от известных тем, что анализ погрешности производится на основе обобщенных коэффициентов расширения каналов напряжения и тока, что обеспечивает возможность оптимального выбора блоков системы с точки зрения точности и аппаратурных затрат.

Практическая ценность:

1. Разработана обобщенная модель распределения тока в обмотках трехфазных трансформаторов, что позволяет выявлять конструктивные и технические ошибки при производстве трансформаторов.

2. Получены аналитические выражения для расчета погрешности измерения основных ИХПС из-за колебаний частоты входного сигнала, что обеспечивает возможность оптимального выбора числа точек дискретизации за период и разрядности аналого-цифровых преобразователей.

3. Получены аналитические выражения и графики для расчета погрешностей ИИС для электромагнитных испытаний силовых трансформаторов аналого-дискретного типа, что позволяет оптимально выбирать блоки системы с точки зрения точности и аппаратурных затрат.

4. Разработана ИИС, обеспечивающая высокую точность измерения и повышение производительности испытаний силовых трансформаторов в режимах холостого хода и короткого замыкания.

5. Получены аналитические выражения для инженерного расчета метрологических характеристик разработанной системы.

Внедрение результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли применение при разработке и внедрении ИИС стендовых испытаний силовых трансформаторов в режимах ХХ и КЗ на ООО "Тольяттинский трансформатор" (г. Тольятти). Разработанные методики оценки погрешностей внедрены в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 200106 - "Информационно-измерительная техника и технологии".

Апробация работы. Разделы и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6 Всероссийских конференциях, в том числе на VI, VII и VIII Всероссийских межвузовских научно-практических конференциях "Компьютерные технологии в науке, практике и образовании" (Самара, 2007 г., 2008 г., 2009 г.), V и VI Всероссийских научных конференциях "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 2008 г., 2009 г.), I Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы информационной безопасности при противодействии криминалу и терроризму. Теория и практика использования аппаратно-программных средств" (Самара, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 115 наименований, общим объемом 161 страница печатного текста и 2 приложений на 7 страницах.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Модель распределения тока в обмотках трехфазных трансформаторов.

2. Методика расчета токов в обмотках трехфазных трансформаторов для локализации дефектов при производстве трансформатора.

3. ИИС стендовых испытаний силовых трансформаторов в режимах холостого хода и короткого замыкания и результаты ее метрологического анализа. информационная измерительная испытание трансформатор

4. Методика анализа влияния погрешностей квантования на погрешность результата измерения основных интегральных характеристик периодических сигналов.

5. Методика анализа влияния колебаний частоты входного сигнала на погрешность результата измерения основных интегральных характеристик периодических сигналов.

6. Методика оценки погрешностей ИИС электрических параметров аналого-дискретного типа и результаты метрологического анализа системы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируются цели и задачи исследования, характеризуется научная новизна полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются испытания ТР в режимах холостого хода и короткого замыкания. Анализируются гармонический состав сигналов и значения коэффициента мощности. Формулируются требования к техническим характеристикам ИИС.

Установлено, что при проведении испытаний в режимах холостого хода и короткого замыкания требуется производить измерения среднеквадратических (СКЗ) и средневыпрямленных значений сигналов, активной мощности (АМ), коэффициента мощности и частоты. Также требуется определять моменты достижения напряжением (режим ХХ) и током (режим КЗ) номинальных значений.

Режим ХХ имеет существенное значение, поскольку он позволяет выявить серьезные дефекты, допущенные при изготовлении или вследствие конструктивных недостатков ТР. Кроме того, путем непосредственных измерений и соответствующих расчетов по результатам измерений в данном режиме можно определить ряд характеристик ТР.

Ток XX зависит от мощности ТР, конструкции магнитопровода, качества электротехнической стали и исполнения.

Установлено, что данные режима КЗ необходимы в следующих случаях:

1) определение превышения температур масла и обмоток ТР при испытании на нагрев;

2) расчет или испытание ТР на стойкость при КЗ;

3) определение коэффициента полезного действия (КПД) ТР;

4) расчет и определение возможности параллельной работы данного ТР с другими трансформаторами.

5) расчет изменения вторичного напряжения ТР при нагрузке.

Напряжение КЗ является весьма существенным показателем, который позволяет определить падение напряжения в ТР и решить вопрос о возможности параллельной работы с другими трансформаторами.

Проведенный анализ характеристик объекта исследования показал, что информационные сигналы сильно искажены, коэффициенты нечетных гармоник могут достигать 30-40 %.

Установлено, что расчетные коэффициенты мощности составляют при режиме ХХ cosj₀= (0,234-0,190), а при режиме КЗ cosj_к = (0,0185-0,0147).

Доказано, что малые значения коэффициента мощности требуют использования специальных малокосинусных средств измерения активной мощности.

Проведенный анализ объекта исследования показал, что создание автоматизированной ИИС позволит повысить производительность электромагнитных испытаний силовых трансформаторов, увеличить точность измерения основных электрических параметров.

Установлено, что разрабатываемая ИИС должна обеспечивать высокую точность измерения с погрешностью не более 0,2 % при измерении действующих и средневыпрямленных значений тока (напряжения) и не более 0,5 % при измерении активной мощности.

Во второй главе исследуются вопросы, связанные с распределением тока в обмотках трансформаторов. Анализируются модели намагничивающих, сквозных, циркулирующих и результирующих токов в обмотках ТР. Предлагается методика расчета токов в обмотках силовых трансформаторов, позволяющая локализовать дефекты, обуславливающие неравномерность распределения токов, и способы уменьшения неравномерности.

Установлено, что неравномерное распределение тока по параллельно соединенным ветвям (частям обмоток, группам катушек, катушкам, транспонированным, подраздельным и простым проводам) обмоток мощных трансформаторов может привести не только к увеличению потерь и снижению КПД, но и к аварии. Поэтому при испытаниях трансформаторов необходимо обращать внимание на распределение тока.

Согласно методу циркулирующих токов (ЦТ), основанному на принципе наложения, систему токов рассматривают как сумму двух систем - основного тока, равномерно распределяющегося по ветвям, и так называемых ЦТ, замыкающихся в контурах, образованных параллельными ветвями:

I_n=I_cn+I_цn,

где I_{n -} результирующий ток; I_cn - сквозной ток; I_цn - циркулирующий ток.

Для любого комплекта, состоящего из S_q ветвей, непосредственно присоединенных к одному из полюсов любой пары q=1,2,..., f, выполняются условия:

; .

Сумма циркулирующих токов равна нулю, а числа витков ветвей в общем случае неодинаковы. Поэтому сумма магнитодвижущих сил (МДС) ЦТ не равна нулю и в первичных обмотках возникнут компенсационные токи, МДС которых будут уравновешивать МДС ЦТ. Из-за указанного неравенства чисел витков, ЦТ будут иметь место не только в режиме нагрузки или при коротких замыканиях, но и при холостом ходе (разомкнутых выводах многополюсника). Поэтому систему ЦТ в свою очередь можно разложить на две: ЦТ холостого хода и ЦТ короткого замыкания, так что в пределах каждой системы сумма токов равна нулю. Соответственно и компенсационные токи первичных обмоток также можно разделить на две компоненты, МДС которых уравновешивают МДС соответствующих систем ЦТ.

Установлено, что ЦТ холостого хода возникают при параллельном соединении ветвей с разными числами витков, а ЦТ короткого замыкания - при несовершенстве транспозиции ветвей или их несимметричном расположении.

Предложенная методика расчета ЦТ состоит из трех этапов.

1. Определение ЭДС (напряжения в разомкнутых контурах) при отсутствии циркулирующих токов, т.е. при равномерном распределении тока. Эта ЭДС соответствует "напряжению холостого хода" по методу ХХ.

2. Определение собственных и взаимных сопротивлений контуров ЦТ при отсутствии каких-либо источников. Сопротивления Z_k соответствуют "входным сопротивлениям" или "сопротивлениям КЗ" по методу ХХ и КЗ.

3. Определение циркулирующих токов I_ц по закону Ома.

В случае одного контура

.

В случае нескольких (S_q) параллельно соединенных ветвей:

;

,

где U_n - напряжение (ЭДС) ветви номер n при условно разомкнутых для циркулирующих токов всех остальных ветвях; Z_n - сопротивление ветви номер n.

Для наглядного представления о наложении намагничивающих, основных, циркулирующих и компенсационных токов была разработана модель распределения тока в обмотках трехфазного трансформатора (рисунок 1).

Фазовые сдвиги между основными токами и ЦТ, а также между компонентами ЦТ используются для анализа результатов распределения тока, а также при расчете потерь.

Доказано, что идеально равномерное распределение тока возможно лишь теоретически. Близость реального распределения к теоретически равномерному зависит от того, насколько адекватна расчетная модель, на основе которой принято или оценено данное решение. Поэтому на практике приходится считаться с той или иной степенью неравномерности распределения тока по параллельным ветвям.

Рисунок 1 - Модель распределения тока в обмотках трехфазного трансформатора

В качестве показателя распределения тока используется следующий коэффициент добавочных потерь в обмотке от неравномерного распределения тока:

,

где P_доб - добавочные потери от неравномерного распределения тока; P_осн - основные потери в обмотке;

.

Коэффициент k_ц зависит от соотношений индуктивных Х_k и активных R_k сопротивлений КЗ пар ветвей.

Установлено, что при Х_k " R_k относительно сильно проявляются суммарные добавочные потери (потери от ЦТ), что объясняется сдвигом фаз основных и циркулирующих токов почти на . Ветви этого типа обычно тесно связаны между собой, что способствует усреднению по ветвям температуры и механических напряжений при КЗ.

Показано, что при Х_k " R_k и Х_k ? R_k сильнее проявляются местные добавочные потери, т.е. при значительной и неприемлемой перегрузке током отдельных ветвей суммарные потери от ЦТ будут еще незаметны на фоне других составляющих потерь КЗ трансформатора, а опытное определение распределения тока в этом случае возможно лишь путем непосредственного измерения токов отдельных ветвей. Это объясняется значительной ролью продольной составляющей ЦТ, особенно при Х_k " R_k, когда ЦТ перегруженных ветвей совпадают по фазе с основными токами.

Установлено, что в нормальных случаях значения коэффициентов добавочных потерь должны быть равны 1,05-1,15.

Разработанная модель распределения тока в обмотках трехфазных трансформаторов позволяет, используя принцип наложения, производить исследование влияние на распределение токов различных факторов: радиальной и осевой составляющих магнитного поля, формы и размеров различных контуров и их частей, ошибок при производстве трансформаторов.

Доказано, что метод ЦТ удобен для диагностики и локализации дефектов обмоток ТР в производственных условиях.

В третьей главе проведен анализ способов построения ИИС стендовых испытаний силовых ТР в режимах ХХ и КЗ, путем использования существующих преобразователей, исследованы методы измерения активной мощности, разработаны и исследованы аналого-дискретные (композиционные) методы и системы измерения ИХПС. Проанализированы погрешности ИИС аналого-дискретного типа. Предложена методика определения числа точек дискретизации, необходимого для обеспечения требуемой точности измерения интегральных характеристик сигналов любого спектра.

Установлено, что при проведении испытаний в режимах холостого хода и короткого замыкания на станциях, оборудованных электромеханическими измерительными приборами, оператор непрерывно следит за показаниями приборов и при установлении стрелки на заданную отметку шкалы останавливает процесс увеличения напряжения на выходе генератора. После этого производится последовательное снятие показаний амперметров или вольтметров, а также ваттметров для всех трех фаз. Затем снимаются показания частотомера и вольтметра средневыпрямленного значения, что необходимо для определения отклонения условий проведения испытаний от номинальных.

Из-за инерционности приборов, субъективной погрешности оператора, практически невозможно установить в цепи заданное номинальное значение сигнала. Кроме того, после окончания испытаний производится большая по объему обработка результатов измерений с целью приведения результатов к номинальным условиям, составление протокола испытаний, проверка соответствия параметров ТР требованиям стандарта и техническим условиям.

Один из методов построения автоматизированных ИИС предусматривает использование аналоговых измерительных преобразователей (ИП) различного типа. Однако такие ИП предназначены для измерения лишь одной, вполне определенной, величины и поэтому обладают низкой универсальностью. Кроме того, при включении таких ИП в состав цифровых систем, производящих вторичную обработку информации, необходимы соответствующие устройства сопряжения.

Анализ технических характеристик высокоточных аналоговых ИП показывает, что время установления их выходного сигнала составляет не менее 0,5с.

Другой метод построения ИИС предусматривает использование цифровых приборов (ЦИП) для измерения электрических параметров ТР. В настоящее время разработаны различные типы ЦИП переменного тока. Однако использование цифровых мультиметров в ИИС ограничено неспособностью ряда таких приборов одновременно измерять несколько разнородных величин. Кроме того, использование ЦИП, часть из которых разрабатывается впервые (малокосинусные цифровые ваттметры), приводит к значительному увеличению стоимости системы.

Доказано, что аналого-дискретное представление и обработка информационных сигналов обеспечивает рациональное распределение функций преобразования между аналоговой и дискретной частями измерительных средств. В этом случае сигнал представляется в виде двух частей: аналоговой, пропорциональной разности текущего значения сигнала и некоторой опорной величины, и дискретной, пропорциональной опорной величине. Дальнейшая обработка аналоговой и дискретной частей производится параллельно.

Показано, что при реализации ИИС аналого-дискретного типа для формирования аналоговой части сигнала наиболее целесообразно использовать кусочно-ступенчатую аппроксимацию с равномерным квантованием по времени, которая упрощает обработку дискретной части сигнала.

Предложены алгоритмы с равномерной дискретизацией сигналов напряжения и тока во времени, упрощающие реализацию аналого-дискретных методов измерения основных ИХПС:

;

;

,

где - момент переключения опорных сигналов напряжения и тока .

Рассмотрена ИИС аналого-дискретного типа, используемая в ООО "Тольяттинский Трансформатор" и обеспечивающая определение всего комплекса ИХПС без изменения структуры системы.

Структурная схема ИИС аналого-дискретного типа представлена на рисунке 2.

ИИС содержит: первичные преобразователи напряжения ППН 1 - ППН 3; первичные преобразователи тока ППТ 1 - ППТ 3; аналоговые коммутаторы АК 1-АК 4; аналого-цифровые преобразователи АЦП 1 и АЦП 2; цифроаналоговые преобразователи ЦАП 1 и ЦАП 2; вычитающие устройства ВУ 1 и ВУ 2; аналоговые множительные устройства МУ 1 и МУ 2; множительные цифроаналоговые преобразователи ЦАП 3 и ЦАП 4; аналоговые ключи КЛ 1 и КЛ 2; интеграторы ИНТ 1 и ИНТ 2; персональный компьютер ПК; интерфейсный блок ИБ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обмен данными и управление отдельными блоками системы осуществляются по общим шинам данных ШД и управления ШУ.

Проведен анализ погрешности ИИС в статическом режиме, получены и проанализированы выражения для определения погрешности измерения ИХПС:

;

,

где , - приведенные к выходу погрешности вычитающих устройств, множительных цифроаналоговых преобразователей и интеграторов; - приведенная погрешность аналогового множительного устройства; d, l - коэффициенты расширения по каналам напряжения и тока, принятые одинаковыми для всех участков аппроксимации.

Доказано, что погрешность аналоговых множительных устройств ослабляется в d² и dl раз соответственно при измерении среднеквадратического значения сигнала и активной мощности.

Анализ погрешности ИИС в статическом режиме показал, что при использовании аналоговых множительных устройств класса точности 1 % и соответствующих других блоков ИИС при d=l>14 можно получить статическую приведенную погрешность определения среднеквадратических значений сигналов и активной мощности менее 0,05 %.

Предложена методика определения числа точек дискретизации, которое необходимо для получения заданной величины коэффициента расширения. Для того чтобы величина коэффициента расширения на любом участке преобразования не была бы меньше заданного значения d, для синусоидального сигнала необходимо выполнение условия:

.

В общем случае при наличии в сигнале высших гармоник предельное значение коэффициента расширения равно:

,

где - значение разностного сигнала.

Предельное значение разностного сигнала равно

,

где U_mq - амплитудное значение q-той гармоники сигнала; s - порядок наивысшей гармоники в сигнале.

На рисунке 3 представлены графики зависимости коэффициента расширения от числа точек дискретизации при различных значениях коэффициента 3-й гармоники h₃.

Рисунок 3 - Графики зависимости коэффициента расширения от числа точек дискретизации при наличии в сигнале 1-й и 3-й гармоник

Показано, что основными недостатками ИИС аналого-дискретного типа являются невозможность одновременного измерения СКЗ сигналов и активной мощности, большие аппаратурные затраты и высокая сложность настройки и калибровки блоков системы.

В четвертой главе исследован метод измерения ИХПС по мгновенным значениям сигналов, равномерно распределенным по периоду. Проанализирована погрешность метода, обусловленная приближенным выполнением операции интегрирования. Проведено исследование влияния погрешности квантования на погрешность результата измерения основных ИХПС. Проведена оценка погрешности определения интегральных характеристик сигналов из-за нестабильности частоты входного сигнала при постоянном числе отсчетов. Разработана структурная схема ИИС стендовых испытаний силовых трансформаторов и проведен анализ ее работы в режимах холостого хода и короткого замыкания.

В широко распространенном методе определения ИХПС по мгновенным значениям сигналов, равномерно распределенным по периоду, точное интегрирование непрерывной функции заменяется численным интегрированием.

Показано, что при измерении СКЗ сигналов предельное значение методической погрешности, обусловленной приближенным выполнением операции интегрирования, равно

,

где U_СКЗ - расчетное значение СКЗ напряжения;

D' - комплексные коэффициенты ряда Фурье;

k - номер гармоники; n - число отсчетов за период.

Первая сумма связана с наличием постоянной составляющей и, при ее отсутствии , первая составляющая погрешности также отсутствует.

Вторая составляющая погрешности связана с основной кривой и высшими гармоническими составляющими исследуемого сигнала. Доказано, что если кривая исследуемого сигнала не содержит гармонических составляющих, порядок которых выше s, то:

, .

, ,

,

т. е. при числе измерений за период n>2s погрешность, обусловленная приближенным интегрированием, отсутствует.

Если предположить, что амплитуды отдельных гармонических составляющих сигнала убывают по закону:

; (с>1), то

.

При измерении активной мощности любые гармоники напряжения или тока, в общем случае, могут оказывать влияние на погрешность. При этом предельная приведенная погрешность определения АМ равн:

,

Размещено на http://www.allbest.ru/

где S - полная мощность; U_m, I_m - амплитудные значения напряжения и тока.

Доказано, что если номер высшей гармонической составляющей напряжения равен номеру высшей гармонической составляющей тока s, то определение активной мощности производится без методической погрешности, если n>2s.

Если оба сигнала несинусоидальны, то любая гармоническая составляющая напряжения или тока может, в общем случае, вносить вклад в погрешность. При этом если номер анализируемой гармонической составляющей одного из сигналов v, то наинизшая гармоническая составляющая другого сигнала, сочетание с которой дает погрешность, имеет номер n-v (при условии, что v<n).

Предложена методика оптимального выбора числа точек дискретизации в зависимости от спектра сигналов и заданной точности измерения.

Предложено оценивать влияние квантования на погрешность результата измерения ИХПС как погрешность вычисления функции, аргументы которой заданы приближенно, с помощью дифференциала функции, считая, что предельные абсолютные погрешности аргументов соответствуют погрешностям квантования мгновенных значений. При этом предельное значение абсолютной погрешности вычисления функции равно:

.

Если считать, что абсолютные погрешности измерения мгновенных значений сигнала равны интервалу квантования:

x₁=x₂=…=x_m=q,

то предельное значение абсолютной погрешности вычисления функции приводится к виду:

.

Предельное значение абсолютной погрешности определения СКЗ напряжения в соответствии с рассматриваемым методом определяется выражением

,

где U(t_i) - мгновенное значение сигнала в момент времени t_i;

;

m - разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП), осуществляющего преобразование мгновенных значений сигналов в код.

Доказано, что если число точек за период n2s и отсчеты равномерно распределены по периоду, то числитель данного выражения соответствует расчетному средневыпрямленному значению сигнала:

, а

знаменатель - расчетному СКЗ сигнала:

.

Если использовать коэффициенты гармоник:

,

то предельное значение относительной погрешности определения СКЗ сигнала принимает вид:

.

Доказано, что погрешность уменьшается в 2 раза при увеличении разрядности АЦП на единицу. Кроме того, при использовании коэффициента формы k_ф (отношение действующего значения напряжения к среднему) данное выражение можно привести к виду:

.

Установлено, что если сигнал чисто гармонический, то при k_ф =1,11 и числе разрядов АЦП m=12 относительная погрешность .

Рисунок 4 - Относительная погрешность определения СКЗ сигнала, содержащего 1-ю и 3-ю гармоники

В случае сложного периодического сигнала погрешность будет зависеть от его спектра.

На рисунке 4 приведен график зависимости относительной погрешности определения СКЗ сигнала, содержащего первую и третью гармонику, от коэффициента 3-й гармоники при m=12.

Если считать, что абсолютные погрешности измерения мгновенных значений напряжения и тока равны интервалу квантования:

; ,

то предельное значение абсолютной погрешности вычисления АМ приводится к виду:

.

Если по аналогии с СКЗ сигнала считать, что число точек отсчета за период и отсчеты равномерно распределены по периоду, то числитель правой дроби в выражении соответствует расчетному средневыпрямленному значению тока:

,

а знаменатель - расчетному среднеквадратическому значению тока:

.

При использовании коэффициентов гармонических составляющих предельное значение приведенной погрешности определения АМ примет вид:

.

При использовании коэффициента формы сигналов напряжения k_фU и тока k_фI данное выражение будет равно:

.

Если сигнал чисто гармонический, то при k_фU= k_фI=1,11 и числе разрядов АЦП m=12 приведенная погрешность . В случае сложного периодического сигнала погрешность будет зависеть от его спектра.

Показано, что возникает значительная погрешность измерения ИХПС из-за нестабильности частоты входного сигнала при постоянном числе отсчетов даже в электрических сетях общего назначения. Предложена методика определения погрешности в зависимости от числа точек дискретизации, спектра сигналов и допустимых колебаний частоты входного сигнала.

Если произошло измерение одного лишнего мгновенного значения сигнала основного периода, то предельные значения данного вида погрешностей равны:

;

.

Для оценки погрешностей были использованы коэффициенты гармоник, полученные экспериментальным путем при испытании трансформатора ТРДЦН-160000/220 в ООО "Тольяттинский Трансформатор". График зависимости относительной погрешности измерения СКЗ напряжения от числа отсчетов n представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - График зависимости погрешности определения U_СКЗ от числа точек дискретизации

Установлено, что при увеличении числа точек дискретизации и допустимых колебаниях частоты входного сигнала возможен случай, когда по два мгновенных значения сигналов не войдут в выражения для определения СКЗ сигнала и АМ. Данный случай приводит к дальнейшему увеличению погрешности определения ИХПС.

На основе исследованного метода измерения ИХПС по мгновенным значениям сигналов, равномерно распределенным по периоду, была разработана ИИС стендовых испытаний силовых трансформаторов и проведен анализ ее работы в режимах холостого хода и короткого замыкания.

ИИС содержит универсальный измерительный преобразователь (УИП) и центральный компьютер с периферийными устройствами.

Компьютер с помощью специального программного обеспечения обеспечивает управление универсальным измерительным преобразователем, прием данных, вывод результатов на монитор и принтер, составление и сохранение протоколов испытаний. УИП регистрирует входные сигналы, преобразует их в цифровой код, обрабатывает и передает в компьютер.

Технические характеристики ИИС соответствуют всем требования, предъявляемым к системам подобного типа.

ИИС обеспечивает измерение среднеквадратических и средневыпрямленных значений сигналов с основной относительной погрешностью менее 0,2 % и измерение активной мощности с основной приведенной погрешностью менее 0,5 %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ методов электромагнитных испытаний силовых трансформаторов и характеристик сигналов в измерительных цепях в режимах ХХ и КЗ позволил сформулировать основные требования к ИИС.

2. Проведенное исследование распределения тока в обмотках трансформаторов показало, что неравномерное распределение тока по параллельно соединенным ветвям обмоток может привести не только к увеличению потерь и снижению КПД, но и к авариям. Разработанная, на основе анализа моделей намагничивающих, сквозных, циркулирующих и результирующих токов, обобщенная векторная модель распределения тока в обмотках позволяет выявить факторы, не учтенных конструктором отклонений реального трансформатора от расчетного.

3. Методика расчета токов в обмотках трехфазных трансформаторов обеспечивает поиск причин возникновения неравномерного распределения токов для локализации производственных дефектов.

4. Методика оценки погрешности ИИС для электромагнитных испытаний силовых трансформаторов аналого-дискретного типа. Проведенный анализ показал, что при соответствующем выборе числа точек дискретизации можно получить приведенную статическую погрешность измерения основных интегральных характеристик искаженных периодических сигналов менее 0,05 % при использовании аналоговых множительных устройств среднего и низкого класса точности. Получены выражения для определения числа точек дискретизации, необходимого для достижения заданной величины коэффициента расширения каналов системы для периодических сигналов любого спектра.

5. Методика оценки точности результата измерения основных ИХПС из-за погрешности квантования. Оценка производится по погрешности вычисления интегральной характеристики как функции, аргументы которой заданы приближенно с погрешностями, соответствующими погрешностям квантования отдельных мгновенных значений сигнала. Разработанная методика позволяет определять необходимую разрядность аналого-цифровых преобразователей в зависимости от требований по точности и спектра сигналов.

6. Проведенный анализ показал, что возникает значительная погрешность из-за нестабильности частоты входного сигнала, которая зависит от числа точек дискретизации и спектра сигналов. Предложенная методика позволяет определять необходимое число точек дискретизации в зависимости от требований по точности измерения для сигналов любого спектра.

7. Разработана и внедрена ИИС стендовых испытаний силовых трансформаторов в режимах холостого хода и короткого замыкания, исследована ее работа.

8. Проведенный метрологический анализ ИИС показал, что система обеспечивает измерение среднеквадратических и средневыпрямленных значений сигналов с основной относительной погрешностью менее 0,2 % и измерение активной мощности с основной приведенной погрешностью менее 0,5 %.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях из перечня ВАК:

1. Мелентьев, В.С. Информационно-измерительная система для электромагнитных испытаний силовых трансформаторов / В.С. Мелентьев, Е.Е. Ярославкина // Известия вузов. Электромеханика. - 2008. - №6. - С. 18-21.

2. Мелентьев, В.С. Оценка влияния погрешности квантования на погрешность определения характеристик периодических сигналов / В.С. Мелентьев, Е.Е. Ярославкина (Макарова Е.Е.) // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Техн. науки, 2007. - № 2 (20). - С. 67-70.

3. Мелентьев, В.С. Оценка погрешности аппроксимационного метода измерения интегральных характеристик по отдельным мгновенным значениям сигналов / В.С. Мелентьев, Е.Е. Ярославкина, А.Н. Болотнова // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физико-матем. науки. - Самара, СамГТУ, 2010. - № 1 (20). - С. 226-230.

Публикации в других изданиях:

4. Ярославкина, Е.Е. Анализ погрешности из-за нестабильности частоты входного сигнала / Е.Е. Ярославкина / Информационно-измерительные и управляющие системы: Сб. науч. статей. - Самара: СамГТУ, 2009. -С. 132-140.

5. Ярославкина, Е.Е. Распределение тока в обмотках трансформатора / Е.Е. Ярославкина / Информационно-измерительные и управляющие системы: Сб. науч. статей. - Самара: СамГТУ, 2009. - №2(3). - С. 149-152.

6. Мелентьев, В.С. Оценка погрешности квантования при измерении среднеквадратического значения периодических сигналов сложной формы / В.С. Мелентьев, Е.Е. Ярославкина (Макарова Е.Е.) / Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: Тр. 6 Всерос. межвузов. науч. -практ. конф. - Самара, 2007. - С. 6-9.

7. Мелентьев, В.С. Оценка влияния погрешности квантования на погрешность определения активной мощности / В.С. Мелентьев, Е.Е. Ярославкина (Макарова Е.Е.) / Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: Тр. 6 Всерос. межвузов. науч. -практ. конф. - Самара, 2007. - С. 9-12.

8. Мелентьев, В.С. Методы оценки соответствия модели реальному объекту в системах обеспечения безопасности / В.С. Мелентьев, Е.Е. Ярославкина (Е.Е. Макарова), А.Н. Болотнова / Актуальные проблемы информационной безопасности при противодействии криминалу и терроризму. Теория и практика использования аппаратно-программных средств: Мат. 1 Всеросс. науч.-техн. конф. - Самара, 2008. - С. 121-125.

9. Мелентьев, В.С. Оценка влияния погрешности квантования на погрешность определения интегральных характеристик периодических сигналов сложной формы / В.С. Мелентьев, Е.Е. Ярославкина, Е.Е. Бромберг / Математическое моделирование и краевые задачи: Тр 5 Всерос. науч. конф. - Самара, 2008. - С. 104-107.

10. Ярославкина, Е.Е. Метод исследования распределения токов в обмотках трансформатора / Е.Е. Ярославкина / Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: Тр. 7 Всерос. межвузов. науч.-практ. конф. - Самара, 2008. - С. 138-140.

11. Ярославкина, Е.Е. Исследование циркулирующих токов в обмотках трансформатора / Е.Е. Ярославкина / Математическое моделирование и краевые задачи: Тр. VI Всерос. науч. конф. - Самара: СамГТУ, 2009. - Ч.4. - С. 150-153.

12. Ярославкина, Е.Е. Компьютерное моделирование циркулирующих токов в обмотках трансформатора / Е.Е. Ярославкина / Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: Тр. 8 Всерос. межвузов. науч.-практ. конф. - Самара, 2009. - С. 159-162.

13. Мелентьев, В.С. Интеллектуальные средства измерений: Исследование методов и средств измерения интегральных характеристик периодических сигналов: лаб. практикум / В.С. Мелентьев, Е.Е. Ярославкина, А.Н. Камышникова. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. - 83 с.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве заключается в следующем: в [1] исследована методика оценки погрешности ИИС аналого-дискретного типа с использованием коэффициента расширения канала системы; в [2], [6], [7] и [9] исследована методика оценки погрешности квантования при измерении ИХПС сложной формы; в [8] и [13] исследованы методы оценки погрешности результата измерения интегральных характеристик из-за несоответствия модели виду реального сигнала.

Размещено на Allbest.ru

...