Что такое ток промышленной частоты

Наиболее экономичным было бы использование тока промышленной частоты, однако его внедрение встретило много трудностей. Поначалу пытались использовать коллекторные электродвигатели переменного тока, мотор-генераторы (однофазный синхронный электродвигатель плюс генератор постоянного тока, от которого работали тяговые электродвигатели постоянного тока), вращающиеся преобразователи частоты (дающие ток для тяговых асинхронных электродвигателей). Коллекторные электродвигатели плохо работали на токе промышленной частоты, а вращающиеся преобразователи были слишком тяжёлыми.

Система однофазного тока промышленной частоты (25 кВ 50 Гц) начала широко применяться только после создания во Франции в 1950-х годах электровозов со статическими ртутными выпрямителями (игнитронах; позже они заменялись на более современные кремниевые выпрямители — из экологических и экономических соображений); затем эта система распространилась и во многих других странах (в том числе в СССР).

При выпрямлении однофазного тока получается не постоянный ток, а пульсирующий, поэтому используются специальные двигатели пульсирующего тока, а в схеме имеются сглаживающие реакторы (дроссель), снижающий пульсации тока, и резисторы постоянного ослабления возбуждения, включенные параллельно обмоткам возбуждения двигателей и пропускающие переменную составляющую пульсирующего тока, которая лишь вызывает ненужный нагрев обмотки.

Для привода вспомогательных машин используют либо двигатели пульсирующего тока, питающиеся от отдельной обмотки трансформатора через выпрямитель, либо промышленные асинхронные электродвигатели, питающиеся от расщепителя фаз (такая схема была распространена на французских и американских электровозах, а с них была перенесена на советские) или конденсаторов (применена, в частности, на российских электровозах ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К).

Недостатками системы являются значительные электромагнитные помехи для линий связи, а также неравномерная нагрузка фаз внешней энергосистемы. Для повышения равномерности нагрузки фаз в контактной сети чередуются участки с разными фазами; между ними устраивают нейтральные вставки — короткие, длиной несколько сотен метров, участки контактной сети, которые подвижной состав проходит с выключенными двигателями, по инерции. Они сделаны для того, чтобы пантограф не перемыкал находящийся под высоким линейным (межфазным) напряжением промежуток между секциями в момент перехода с провода на провод. При остановке на нейтральной вставке на неё возможна подача напряжения от передней по ходу секции контактной сети.

Железные дороги России и стран бывшего Советского Союза, электрифицированные по системе переменного тока используют напряжение ~25 кВ (то есть ~25000 В) частотой 50 Гц.

Рис.10.2.Принципиальные схемы питания для различных систем электрической тяги: а- постоянного тока; б- переменного однофазного тока: 1-энергосистема;2-линия электропередачи;3-тяговая подстанция;4-контактная сеть;5-рельсы;6-элетроподвижной состав.

Система тяги переменного тока промышленной частоты

Стремление повысить энергетические характеристики, увеличить коэффициент полезного действия, уменьшить потери напряжения в тяговых сетях, снизить сечения проводов контактной сети и расстояния между подстанциями, привели к появлению системы тяги переменного тока промышленной частоты, упрощенная схема которой приведена на рис. 1. При этом энергия к ЭПС передается высоким напряжением – 25 кВ, что существенно увеличивает нагрузочную способность такой системы. Однако ТЭД ЭПС может быть использован лишь на напряжение 1500…2000 В. Поэтому на ЭПС переменного тока 25 кВ устанавливаются понижающие трансформаторы с регулируемым напряжением. Кроме того, для решения проблем коммутации ТЭД прибегают к преобразованию переменного тока в постоянный, точнее пульсирующий, имеющий значительную постоянную составляющую. С этой целью на ЭПС устанавливают выпрямитель. Ранее, начиная с опытного образца сороковых годов и вплоть до начала семидесятых, эти выпрямители строились на ртутных преобразователях, а позже на полупроводниковых диодах. В настоящее время на ЭПС устанавливают управляемые выпрямители – статические электрические аппараты, обладающие обратимостью действия – в режиме тяги, работающие как выпрямитель, а при рекуперации как аппарат, преобразовывающий энергию постоянного тока, вырабатываемую ТЭД в генераторном режиме, в энергию переменного тока.

Рис. 1. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кв. На рисунке А, В, С – фазы питающей ЛЭП; ВН – обмотка высокого напряжения; Р – обмотка для питания нетяговых (районных) потребителей; Т – тяговая обмотка трансформатора; НВ – нейтральная вставка контактной сети; К – контактная сеть; ЭПС – электроподвижной состав; Iкс – ток в контактной сети; Iэ – ток электровоза; Ip –ток в рельсах; Iз – ток, стекающий в землю с рельсов; I рф- ток рельсового фидера (отсоса), возвращающийся на тяговую подстанцию, образуя замкнутый контур

В связи с развитием полупроводниковой преобразовательной техники в последние годы за рубежом появились электровозы переменного тока 25 кВ с преобразователями энергии переменного тока 25 кВ промышленной частоты в энергию переменного тока регулируемой частоты с напряжением, необходимым для непосредственного питания тяговых двигателей. При этом становится возможным использование самого надежного на сегодняшний день двигателя – асинхронного.

Способы регулирования скорости движения ЭПС переменного тока. Поскольку на электровозах переменного тока используются коллекторные двигатели пульсирующего тока, то и способы регулирования скорости их вращения аналогична способам регулирования на электровозах постоянного тока. Изменение скорости вращения тяговых двигателей осуществляется:

путем подачи на зажимы двигателей различного по величине напряжения;
путем уменьшения потока возбуждения тяговых двигателей (ослабление поля путем шунтирования обмотки возбуждения).

Возможность получать регулируемое напряжение путем изменения кэффициента трансформации трансформатора, позволяет отказаться от комбинированных схем соединения тяговых двигателей, как это имеет место на электровозах постоянного тока. Кроме того, на электровозах переменного тока типа ВЛ-80Р, ВЛ-85, ВЛ-65 имеется возможность регулирования среднего за период питающего напряжения путем задержки момента открытия тиристоров преобразователей. Однако последний способ регулирования напряжения приводит к значительному искажению формы кривых тока и напряжения, что вызывает необходимость принятия специальных мер по снижению отрицательных последствий.
Регулирование скорости движения ЭПС с асинхронными двигателями.На сегодняшний день ЭПС с асинхронными двигателями могут использоваться в системах тяги переменного и постоянного тока. Питание тяговых асинхронных двигателей в обоих случаях осуществляется от преобразователей числа фаз и частоты электрического тока. Известно [], что скорость вращения асинхронных двигателей определяется выражением
,
где — частота питающего тока, Гц; — число пар полюсов двигателя.
Для целей регулирования могут использоваться две возможности – изменение частоты или числа пар полюсов. Однако во втором случае регулирование является ступенчатым, а двигатель становится более сложным. Поэтому при наличии преобразователя предпочтение отдается первому способу регулирования.
Достоинства и недостатки системы тяги промышленной частоты.Система тяги переменного тока промышленной частоты имеет преимущества по сравнению с системой тяги постоянного тока, определяемые высоким уровнем напряжения в тяговой сети, что даже при увеличенных примерно в 2… 2.5 раза расстояниях между подстанциями приводит:
1. к сокращению использования меди на сооружение контактной сети примерно в 2 – 3 раза;
2. к уменьшению потерь напряжения и энергии в устройствах тягового электроснабжения.
Основным недостатком этой системы является: значительное влияние переменного магнитного поля проводов контактной сети на прилегающие к железной дороге устройства. Это объясняется тем, что электромагнитное поле тока контактной сети практически не компенсируется электромагнитным полем обратного тока рельсов во – первых, в силу того что между этими элементами большое расстояние (порядка 6.5 м) и, во вторых, ток в рельсах во много раз меньше тока контактной сети вследствие его стекания с рельсов в землю (см. рис. 1). Другими серьезными недостатком системы тяги переменного тока 25 кВ промышленной частоты являются низкий коэффициент мощности, определяемый большим реактивным электропотреблением, искажение форм кривых тока и напряжения, несимметричное потребление энергии от отдельных фаз питающей системы.
Для снижения отрицательных последствий, вызванных этими недостатками, приходится принимать ряд дополнительных мер:

Защита смежных линий от электромагнитного влияния осуществляется путем замены воздушных линий связи кабельными.
Компенсация реактивной энергии индуктивного характера осуществляется батареями конденсаторов (устройствами компенсациями реактивной мощности).
Для уменьшения степени несимметрии применяются устройства симметрирования токов по фазам.
Для снижения отрицательного воздействия высших гармоник применяются фильтры, корректирующие формы кривых токов и напряжения.

Система тяги переменного тока 50 кВ.

Одной из разновидностей системы тяги переменного тока является система тяги промышленной частоты 50 Гц с напряжением в контактной сети 50 кВ. В этом случае принципиальная схема системы тяги такая же, как и в случае системы тяги 50 Гц 25 кВ. Однако отличительным признаком такой системы является специальный электроподвижной состав, имеющий номинальное напряжение 50 кВ. Поскольку при прочих равных условиях энергия к ЭПС передается вдвое большим напряжением, то потери электроэнергии и напряжения в такой системе заметно ниже, чем в системе электрической тяги 50 Гц 25 кВ. Такие системы эксплуатируются на рудовозных направлениях в США и ЮАР.

Система тяги переменного тока с коаксиальным кабелем.

Система электроснабжения на переменном токе характеризуется проявлением значительной индуктивности воздушных линий, в том числе и тяговой сети. Это приводит к заметным потерям напряжения от подстанций до электроподвижного состава. Уровень напряжения снижается и в ряде случаев не обеспечивает соблюдение требований нормативных документов, регламентирующих уровень напряжения на токоприемниках электроподвижного состава дорог переменного тока не менее 21 кВ (в исключительных случаях — 19 кВ). Этому показателю уделяется большое внимание, поскольку уровень напряжения определяет пропускную способность электрических железных дорог. Однако если вместо воздушной линию выполнить кабельной, то потери напряжения могут быть снижены. Система с использованием в качестве усиления коаксиальный кабель приведена на рис. 2. Меньшие потери напряжения при такой системе обусловлены тем, что кабель обладает значительно большей зарядной емкостью, компенсирующей индуктивную мощность. Если кабель с центральной проводящей жилой и проводящей оболочкой, изолированной от центральной жилы (так называемый коаксиальный кабель), подвесить на опорах контактной сети, то можно передавать, при прочих равных условиях, энергию с меньшими потерями напряжения и мощности. Но в этом случае встает вопрос отбора мощности из кабеля к ЭПС. Для его решения через определенные расстояния через специальные муфты мощность отбирается из кабеля и отпайками передается в контактную сеть. При этом контактная сеть может быть выполнена без привлечения дефицитной меди, а из бронзы, поскольку в этом случае она не является централизованным поставщиком энергии, а передает мощность лишь ограниченному числу ЭПС.

Рис. 2. Система электроснабжения переменного тока с коаксиальным кабелем

Недостатком этой системы является сложность сооружения достаточно частых устройств отбора мощности (муфт).
Рассмотренная система характеризуется малым электромагнитным влиянием на смежные электрические линии, которые могут иметь место вдоль железной дороги, вследствие уравновешенности магнитных полей “прямого” и “обратного” токов.

Система тяги переменного тока с использованием экранирующих проводов.

Значительно проще реализовать систему электрической тяги с тяговой сетью малого индуктивного сопротивления при помощи так называемых экранирующих проводов.

Рис. 3 а). Система тягового электроснабжения с усиливающим и экранирующим проводом

Рис. 3 б). Схема размещения проводов системы тягового электроснабжения с усиливающим и экранирующим проводом

Идея такой системы заключается в том, что стараются ток, возвращающийся от ЭПС к подстанции, пропускать не по рельсам, а по специальному (экранирующему) проводу, который в этом случае соединяется с рельсами через строго определенные расстояния. При этом экранирующий провод располагают как можно ближе к контактной подвеске. Это способствует уменьшению индуктивного сопротивления, поскольку магнитное поле контактной подвески максимально компенсируется магнитным полем экранирующего провода, ток в котором протекает в противоположном направлении. Схема системы тяги с экранирующим усиливающим (УЭП) проводом приведена на рис. 3. Вторым преимуществом этой системы является также как и в случае системы с коаксиальным кабелем малое электромагнитное влияние на смежные электрические линии.
Разработанная в РГУПСс (РИИЖТс) совместно с Северо-Кавказской железной дорогой в 1975 году эта система в дальнейшем была усовершенствована сотрудниками ВНИИЖТа, МИИТа, Трансэлектропроекта. В 1990 году было оборудовано 560 км на Северо-Кавказской и на Горьковской железных дорогах. Опыт эксплуатации подтверждает достоинства системы. Особенно велика эффективность системы ЭУП для высокоскоростных магистралей. С начала 90-х годов такая система стала использоваться за рубежом (Германия, Испания). Особенно интенсивно она внедряется в Германии на линиях Ганновер-Вюрцбург и Мангейм-Штутгарт с высокоскоростными экспрессами IСЕ.
Система (УЭП) для железных дорог России выгодна не только применительно к скоростным пассажирским магистралям (Санкт-Петербург-Москва и др.), но и как энергосберегающая — на железных дорогах с грузовым движением.

Электромагнитное поле промышленной частоты

Любой предмет, работающий от электрического тока, образует вокруг себя электрическое поле. Представляя собой совокупность электрического и магнитного полей, ЭМП действуют и на окружающую среду и на человека одновременно. Согласно законам физики, ЭМП в виде волны от генерирующего это поле источника, распространяется со скоростью, близкой к скорости света.

Самым простейшим источником электромагнитного поля может служить обычный проводник, через который проходит переменный ток любой частоты. Это значит, что те бытовые приборы, которые использует человек в домашних условиях, будут источником ЭМП.

Из бытовых электроприборов к мощным источникам относятся СВЧ-печи, аэрогрили, холодильники с системой «без инея», кухонные вытяжки, электроплиты, телевизоры.

Статья: Электромагнитное поле промышленной частоты

Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов

Оборудование может быть одного типа, но иметь разные модели и режим работы, а от этого зависит создаваемое им электромагнитное поле. Поскольку мощность прибора и магнитное поле тесно связаны, то совершенно очевидно, что чем больше мощность, тем сильнее магнитное поле при его работе. Чем дальше находится работающий прибор, тем меньше магнитное поле.

Человек – существо социальное, а это значит, что помимо дома он бывает в общественных местах, на улице, на работе, где тоже подвергается воздействию ЭМП промышленной частоты от разных источников.

В производственной сфере и в быту чаще всего используется электрический ток, частота которого $50$ Гц. Электрический ток с этой частотой получил название тока промышленной частоты.

Его источниками на производстве являются ЛЭП – высоковольтные линии передач, измерительные приборы, трансформаторы, мониторы, устройства автоматики, нагревательные приборы с высоким напряжением и др. Промышленной частоте $50$ Гц соответствует длина волны, равная $6$ тыс. км, поэтому человек воздействию фактора подвергается в ближней зоне.

«Электромагнитное поле промышленной частоты» ��
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов

Во многих населенных пунктах расположены радиотехнические передающие центры (РТПЦ), являясь источниками ЭМП, они излучают в окружающую среду ультракороткие волны ОВЧ- и УВЧ- диапазонов. Анализ санитарно-защитных зон и зон ограничения застройки показал, что в районе размещения РТПЦ «старой застройки», уровни облучения человека наибольшие.

Линии электропередач относятся к самым сильным факторам, оказывающим влияние на биологические объекты. Провода работающей ЛЭП в прилегающем пространстве создают электрические и магнитные поля промышленной частоты, которые распространяются от линии на десятки метров. В названии ЛЭП стоит цифра, например, ЛЭП $220$ кВ. Цифра обозначает класс напряжения, от которого зависит дальность распространения электрического поля. Зона повышенного уровня электрического поля увеличивается с ростом напряжения – чем оно выше, тем больше эта зона.

Кроме класса напряжения дальность распространения магнитного поля зависит ещё от нагрузки электролинии, изменяющейся в течение суток и года, что тоже приводит к изменению размеров зоны повышенного уровня магнитного поля.

Область распространения ЭМволн делят на три зоны:

Ближняя зона, с радиусом меньше $1/6$ длины волны;
Промежуточная зона (более $1/6$ длины волны);
Дальняя зона (более $1/6$ длины волны от источника).

Существуют установленные нормы безопасности для человека, который находится в электрическом поле промышленной частоты $50$ Гц – СанПиН 2.2.4.1191-03.

Замечание 2

Таким образом, электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, при помощи которой происходит взаимодействие между заряженными частицами. Совокупность магнитного и электрического поля есть переменное электромагнитное поле. Если на токоведущих частях есть напряжение, то возникает электрическое поле. Если по этим частям проходит ток, то возникает магнитное поле. Распространяется ЭМП в виде электромагнитных волн и обладает энергией.

Воздействие электромагнитных полей на человека

Частота колебаний, напряженность и интенсивность электромагнитного поля оказывают биологическое влияние на организм человека. Результатом действия ЭМП является функциональное расстройство центральной нервной системы, что проявляется в повышенной утомляемости, головных болях.

Электромагнитная энергия внешнего поля при воздействии ЭМП на организм, преобразуется в тепловую энергию, происходит повышение температуры тела и возможное повреждение тканей и органов. Сильное воздействие на глаза оказывают поля сверхвысоких частот, приводящие к возникновению катаракты. Неодинаково воздействуют на организм поля разных диапазонов. К счастью, возникающие изменения в организме под воздействием ЭМП, обратимы, если исключить вовремя воздействие излучения. Систематическое же облучение приводит к стойким нервно-психическим заболеваниям, изменению давления, замедлению пульса. Могут возникнуть трофические явления – выпадение волос, ломкость ногтей.

Специалисты предполагают, что электромагнитные поля воздействуют на различные отделы нервной системы, что приводит к нарушению регуляции физиологических функций организма. Возбудимость центральной нервной системы происходит за счет рефлекторного действия поля, а тормозной эффект связан с прямым воздействием поля на структуры мозга. Особенно чувствительной к воздействию поля является кора головного мозга.

Наибольшая биологическая активность характерна для диапазона сверхвысокочастотного и мягкого рентгеновского излучения. К менее активным относятся длинные и средние волны – это диапазоны ультравысокой и высокой частоты.

В общем же электромагнитные поля промышленной частоты вызывают:

Изменение состояния центральной нервной системы, а также сердечнососудистой и эндокринной систем;
Приводят к нарушению половой функции;
У беременных женщин происходит нарушение в развитии эмбриона;
Наблюдается вялость, быстрая утомляемость, сонливость;
Меняется частота сердечных сокращений, возникают боли в сердце, аритмия.

Замечание 3

Изменения, происходящие в организме человека, фиксируются при медицинских обследованиях работников. Не исключено также, что источником злокачественных новообразований могут быть электромагнитные поля промышленной частоты.

Защита человека от электромагнитных полей

Для максимальной безопасности человека от электромагнитных полей используются как индивидуальные, так и коллективные средства защиты.

К коллективным средствам относятся:

Стационарные экраны, размещаемые над рабочим местом персонала. Это могут быть заземленные металлические конструкции – щитки, козырьки, навесы и др.;
Переносные средства защиты, т.е. съемные экраны;
Необходимая защита расстоянием и временем;
Наличие экранов, отражателей, ограждений, препятствующих поступлению электромагнитной энергии на рабочее место;
Минимальная мощность применяемых источников ЭМП;
Рациональный режим работы оборудования;
К зонам с повышенным уровнем ЭМП должны применяться средства обозначений.

Обязательно также наличие средств индивидуальной защиты.

К ним относятся индивидуальные экранирующие комплекты:

Специальная одежда;
Шлемы с лицевым экраном;
Перчатки для защиты рук;
Бахилы или ботинки для ног из электропроводящего материала.

Элементы экранирующего комплекта необходимо соединить по принципу «клетки Фарадея» – это замкнутая оболочка вокруг тела человека, которая будет препятствовать проникновению ЭМП.

Важно также выполнять такие рекомендации:

Не стоять рядом с длинным проводом под напряжением;
Не использовать одновременно большое количество включенных приборов;
Электрооборудование и приборы без необходимости не должны быть включены в сеть.

Замечание 4

Защита человека и его здоровья от электромагнитного поля ЛЭП имеет основной принцип, который заключается в соблюдении границ санитарно-защитных зон. В этой зоне категорически запрещается строительство жилых зданий и сооружений, детских площадок, остановок для транспорта.

Здоровье работников от воздействия ЭМП в помещениях осуществляется:

Обязательным соблюдением безопасных расстояний от электросетей;
Электрооборудование и приборы не должны находиться в углах помещений с железобетонными конструкциями;
Электрооборудование и приборы должны быть заземлены;
Опасное оборудование должно быть на расстоянии не менее $1,5$ м от места длительного пребывания работника;
Желательное использование оборудования с автоматическим управлением.

МЕТОД РАСЧЕТА ИСТОЧНИКА ТОКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ, ВЫПОЛНЕННОГО С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЛЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИСТОЧНИК ТОКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ / ИСКАЖЕНИЯ ФОРМЫ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА / МЕТОД РАЗРАБОТКИ ИСТОЧНИКА ТОКА / POWER-LINE FREQUENCY CURRENT SOURCE / DISTORTION SINUSOIDAL CURRENT SHAPE / THE METHOD OF DEVELOPING CURRENT SOURCE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Риттер Андрей Владимирович, Чебышов Сергей Борисович

Приведены основные этапы разработки источника тока на трансформаторе напряжения с управлением от контроллера дискретными по уровню сигналами. С целью уменьшения искажений формы тока в качестве ключей применяются реле, а вместо двух силовых трансформаторов (тока и напряжения), устанавливаемых по классической схеме источника тока, разработана конструкция с одним трансформатором напряжения ТС-180-2 (165 А). Показано, что управление током вторичной обмотки трансформатора достигается при его включении в сеть через цифроаналоговый преобразователь, выполненный на реле и резисторах.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CALCULATION METHOD OF POWER-LINE FREQUENCY CURRENT SOURCE REALIZED WITH APPLICATION OF ELECTROMECHANICAL RELAY SWITCHES

The main stages in the development of the current source on the voltage transformer with the control from the controller by the discrete level signals have been presented. To reduce the current shape distortions, as the switches the relay switches are used, and instead of two power transformers (of current and voltage), installed according to the classical current source circuit the construction with one voltage transformer TC-180-2 (165 A) has been developed. It has been shown that the control of the transformer secondary winding is achieved at switching into the network through the digital-analog transformer realized on the relay switches and resistors.

Текст научной работы на тему «МЕТОД РАСЧЕТА ИСТОЧНИКА ТОКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ, ВЫПОЛНЕННОГО С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЛЕ»

Метод расчета источника тока промышленной частоты, выполненного с применением электромеханических реле

1 12 А.В. Риттер , С.Б. Чебышов ‘

1 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» 2ОАО «Атомэнергомаш»(г. Москва)

Ключевые слова: источник тока промышленной частоты, искажения формы синусоидального тока, метод разработки источника тока.

При калибровке и поверке средств измерения тока, например измерительного преобразователя тока, устройств защиты по току, а также при исследовании ферритовых изделий применяются источники переменного тока промышленной частоты (ИТ). Основные требования, предъявляемые к ИТ, следующие: генерация достаточно больших токов (от сотен ампер до единиц килоампер); отсутствие существенных нелинейных искажений; наличие интерфейса для автоматизированного управления ИТ в составе программно-технического комплекса.

В современных ИТ используются ключи на симисторах, что приводит к появлению дополнительных нелинейных искажений, которые максимальны при наименьшем токе и минимальны при номинальном значении тока ИТ. Выпускаемые ИТ имеют значительную массу (около 30 кг на 2 кА), которая определяется в основном массой применяемых трансформаторов. Уменьшение нелинейных искажений и массогабаритных параметров — основные требования к новой конструкции ИТ.

Разработка источника тока. Основная принципиальная схема проверки коэффициента трансформации трансформатора тока первичным током от нагрузочного устройства приведена на рис.1,а. Трансформатор напряжения 1 включен в сеть через переменный резистор, его вторичная обмотка замкнута на измерительный трансформатор тока 4. С целью автоматизации работы с ИТ необходимо избегать применения переменного резистора. На рис.1,б показана схема двухтрансформаторного ИТ. Число вторичных обмоток трансформатора 1 равно числу первичных обмоток трансформатора тока 3. Обмотки трансформатора тока являются нагрузками для обмоток трансформатора напряжения и коммутируются однозначным способом симисторными ключами модуля 2. Если каждому ключу поставить в соответствие один бит и пронумеровать эти биты так, чтобы значение тока во вторичной обмотке трансформатора 3, возникающее при последовательной установке одного из бит в порядке возрастания его номера, увеличивалось при переходе от одного бита к следующему, то из пронумерованных бит получим одно или несколько (в зависимости от количества ключей и разрядности машины) машинных слов. Это слово есть параллельный код, при

помощи которого задается ток источника тока. Этот код будем называть «команда, управляющая источником тока». Ближайшие токи во вторичной обмотке трансформатора 3, возникающие при последовательной установке бит от младшего к старшему, должны относиться друг другу как 1 к 2 (все токи соотносятся по степеням двойки). В этом случае ток ИТ пропорционален абсолютному значению команды (в первом приближении), т. е. сумме произведений бита на его вес.

Уменьшение массогабаритного параметра ИТ достигается применением одного трансформатора напряжения вместо двух. Рассмотрим способы управления током ИТ одно-трансформаторной конструкции.

Управлять амплитудой напряжения на вторичной обмотке трансформатора напряжения, что необходимо для установки тока ИТ, можно одним из следующих способов:

— применение управляемого источника переменного напряжения, питающего первичную

— применение трансформатора 1 с необходимым числом выводов в его вторичной обмотке.

Поскольку составить управляющий бинарный код, когда вес бита равен значению тока задаваемого соответствующей обмоткой, а значение команды равно получаемому току из обмоток трансформатора напряжения, включенного в сеть напрямую, можно только соединяя обмотки последовательно, то любое значение тока в силу разрыва цепи при составлении новой конфигурации обмоток потребует коммутации нагрузки. При этом может возникать значительный пусковой ток с нежелательным переходным процессом. Поэтому необходимо исследование переходных процессов, возникающих при коммутации обмоток трансформатора. Здесь имеется один существенный недостаток: сечение провода для вторичной обмотки должно соответствовать номинальному току ИТ и, следовательно, на такой же ток должны быть рассчитаны электромеханические или полупроводниковые ключи. Поэтому на практике применяют схему из двух трансформаторов. В этом случае обмотки второго трансформатора — трансформатора тока соединяются с соответствующими по весам обмотками трансформатора напряжения через ключи, управляемые бинарным кодом тока. Данное решение требует применения двух трансформаторов, которые содержат от 8 до 16 обмоток. Конструкция характеризуется увеличенными тепловыми потерями, массогабаритными параметрами по сравнению с однотрансформаторной конструкцией.

При применении одного трансформатора напряжения и изменении первичного напряжения (220 В) посредством управляемого источника напряжения с цифроаналогово-го преобразователя (ЦАП) достигается уменьшение массогабаритных параметров по сравнению с двухтрансформаторной конструкцией. Новая конструкция ИТ характеризуется меньшим тепловыделением, если считать, что основная часть электрических потерь приходится на трансформаторы. Однако нелинейные искажения тока ИТ, связанные с применением симисторов, будут существенны.

Рис.1. Основная схема проверки коэффициента трансформации [1] (а) и структурная схема двухтрансформаторного источника тока (б): 1 — трансформатор напряжения; 2 — модуль с ключами на симисторах; 3 — трансформатор тока; 4, 5 — измерительные трансформаторы тока;

6 — контроллер управления источником тока

обмотку трансформатора напряжения 1;

В предлагаемой конструкции уменьшение дополнительных искажений, связанных с применением ключей на симисторах, достигнуто за счет замены симисторов на реле. В однотрансформаторной конструкции ИТ с ЦАП соотношение числа витков на вольт зависит от устанавливаемого тока. Поэтому необходимо проведение моделирования схемы по экспериментально-расчетной модели трансформатора для проверки предлагаемого схемотехнического решения источника тока.

Электрическая схема источника тока приведена на рис.2. Электрическая схема состоит из ключей реле (модуль А1), измерительного трансформатора тока, трансформатора напряжения, реле и резисторов (модуль А2). Модули А1 и А2 образуют ЦАП. Управление ИТ осуществляется микроконтроллером, который выдает команды по алгоритму, учитывающему нелинейную зависимость устанавливаемого тока от абсолютного значения команды.

Моделирование схемотехнических задач в разрабатываемом источнике тока. Рассмотрим схему источника тока на двух трансформаторах — тока и напряжения (см. рис.1,б) с коммутацией обмоток трансформатора напряжения 1 посредством симисто-

Рис.2. Принципиальная электрическая схема источника тока

ров 2 на трансформатор тока 3. Управление током осуществляется контроллером 6 по данным измерительного трансформатора тока 5. Здесь трансформатор напряжения применяется для понижения сетевого напряжения до уровня, необходимого, чтобы подводить его к первичным обмоткам трансформатора тока и во вторичной замкнутой обмотке трансформатора тока формировать заданный в соответствии с коэффициентом трансформации ток. Вторичная обмотка трансформатора напряжения и первичная обмотка трансформатора тока содержат, например, по 10 обмоток. Напряжение падения на открытом симисторе составляет около 2 В, что увеличивает коэффициент нелинейных искажений тока ИТ при малых (сравнимых со значением 2 В) мгновенных значениях напряжений в коммутируемых обмотках. Такие напряжения характерны для обмоток, соответствующих младшим значащим битам команды. Таким образом, искажения синусоиды уменьшаются с приближением устанавливаемого тока к номинальному току диапазона, где каждый диапазон реализуется дополнительной вторичной обмоткой трансформатора тока.

Отказ от полупроводниковых ключей, в первую очередь от симисторов и тиристоров, в пользу реле решает проблему искажений, связанную с остаточным падением напряжения на симисторах.

В работе [2] показано, что увеличение числа витков первичной обмотки в два раза уменьшает пусковой ток до величины, не превышающей номинальное значение тока холостого хода, т. е. уменьшение питающего напряжения до половины номинального существенно уменьшает переходные процессы. В момент коммутации трансформатора в сеть в первичной обмотке возникает максимальный ток, равный удвоенному значению установившегося значения тока. Максимальный ток приводит к насыщению сердечника и возникновению существенного переходного процесса. Поэтому в момент коммутации значение тока первичной обмотки для некоторых трансформаторов практически ограничивается только омическим сопротивлением первичной обмотки. С целью проведения моделирования и уменьшения пусковых токов выполнен расчет модели трансформатора по данным проведенных экспериментов. Моделирование выполнялось в среде МайаЬ.

При разработке конструкции ИТ решались следующие задачи: получение и оптимизация значений амплитуд переходных токов и напряжений обмоток трансформатора; уменьшение переходных искажений до приемлемых значений; проверка отсутствия существенных искажений формы синусоиды. Проверялись следующие предположения: во-первых, коммутация нагруженного трансформатора в сеть через резистор с сопротивлением, равным эквивалентному сопротивлению нагруженного трансформатора, значительно уменьшит пусковой ток; во-вторых, применение трансформатора при пониженном числе вольт на виток не приведет к значительному увеличению нелинейных искажений, вносимых трансформатором; в-третьих, необходимо получить значения переходных токов во вторичной и первичной обмотках и при необходимости оптимизировать эти значения.

На рис. 3 приведены осциллограммы токов ИТ со следующими амплитудными значениями: 1,8 А (рис.3,а), ток получен при питании ИТ через ЛАТР; 114 А (рис.3,б); 456 А (рис.3,в).

Модельное исследование трансформатора позволило разработать способ уменьшения пускового тока приблизительно в два раза. Для этого необходимо перед включением трансформатора в сеть подать на него напряжение через резистор с сопротивлением, эквивалентным нагрузке, потребляющей электрическую мощность, приблизительно равной номинальной мощности трансформатора. Затем закоротить резистор. Данное требование выполняется в разработанном ИТ за счет применения ЦАП.

Экспериментальные данные подтвердили отсутствие существенных искажений формы синусоиды тока предлагаемого ИТ при понижении отношения ЭДС обмотки к числу ее

витков. Токи на рис.3,г,ж — это первичные токи, возникающие при коммутации трансформатора в сеть. Смоделированные токи (см. рис.3,д,е) и экспериментально полученные (см. рис.3,з,и) — пусковые токи, возникающие при коммутации в сеть трансформатора до этого уже подключенного через Я6 для токов на рис.3,д,з и через Я8 для токов на рис.3,е, и.

Рис.3. Осциллограммы установившихся токов ИТ (а-в) и пусковых токов, потребляемых ИТ: модель (г-е), эксперимент (ж-и)

Таким образом, коммутация трансформатора в сеть на фоне тока, возникающего при его питании через резистор, эквивалентный сопротивлению первичной обмотки трансформатора, работающего на номинальной мощности, уменьшает амплитудное значение пускового тока приблизительно в 2 раза. Пусковые токи возникают при коммутации трансформатора в сеть, работа ИТ не предполагает прямого включения трансформатора в сеть, а коммутация даже через все резисторы не приводит к возникновению заметных переходных процессов во вторичной или первичной обмотках.

Методика расчета источника тока. Приведем основные этапы расчета источника тока промышленной частоты, выполненного в соответствии с электрической принципиальной схемой (см. рис.1).

1. Расчет трансформатора напряжения. Необходимым условием для реализации источника тока является применение трансформатора с номинальным значением мощности, достаточным для развития номинального тока ИТ во вторичной обмотке трансформатора Т1.

2. Задание исходных данных и параметров. В первую очередь это значения номинального тока ИТ, длины и сечения кабелей, при помощи которых выполняется соединение ИТ с объектом исследования.

3. Расчет сечений и сопротивлений проводов.

4. Расчет сопротивления вторичной цепи, мощности трансформатора Т1.

5. Выбор трансформатора, соответствующего требованиям, и пересчет необходимых параметров.

6. Определение основных параметров выбранного трансформатора, необходимых для расчетов.

7. Точный расчет числа витков и сопротивления вторичной цепи трансформатора напряжения.

9. Расчет параметров источника тока.

10. Обеспечение теплового режима источника тока.

Основные алгоритмы для контроллера, управляющего источником тока: алгоритм обеспечения теплового режима ИТ и алгоритм установки тока ИК.

Рассмотрим алгоритм обеспечения теплового режима ИТ. Уравнение температуры вторичной обмотки трансформатора напряжения в зависимости от времени имеет вид

Т2 = Т + (1/(ЬЯобм!2 — Р- )Л , (1)

где ТЬТ2 — начальная и текущая температура вторичной обмотки трансформатора напряжения; с — теплоемкость материала вторичной обмотки, равная 540 Дж/(кгК); т — масса вторичной обмотки трансформатора, т = £обм£обмРд = 0,159кг ; Р- — тепловая

мощность охлаждения трансформатора напряжения; Ь — признак удержания тока ИТ; 12 — текущее значение тока ИТ; Лобм — сопротивление вторичной обмотки трансформатора напряжения; ¿обм — длина одного витка обмотки.

Программа контроллера, управляющая ИТ, задав требование Т2 < Т1 + 50, выполняет интегрирование в соответствии с (1). При нарушении требования устанавливается Ь = 0, т.е. обнуляется байт, управляющий ИТ, и не меняется до тех пор, пока выполняется Т >Т + 25, после чего Ь = 1 . При воздушном охлаждении трансформатора напряжения и при номинальном токе ИТ скважность удержания тока не будет превышать (£тр • Р-1)/Ртр = 0,64• 36,7/180 = 0,13, где

£ — скважность использования трансформатора напряжения.

При вычислительной мощности контроллера, не достаточной для расчета (1), используется метод обеспечения теплового режима источника тока, основанный на ограничении продолжительности непрерывной работы. В этом случае скважность трансформатора устанавливается равной 0,13 при выполнении условий: принудительное охлаждение трансформатора; применение закона установки тока ИТ, отличного от цикличного (управляющий байт формируется счетчиком). Если закон установки токов цикличен, то скважность при принудительном охлаждении равна 3Р_1^тр / Ртр = 0,39.

Рассмотрим алгоритм установки тока ИТ. С целью минимизации бросков токов в цепях ИТ биты управляющего байта устанавливаются от младшего к старшему. При этом в ходе выполнения установки управляющего байта, если очередной бит должен устанавливаться, то предыдущий должен быть уже установлен, а на следующем шаге сброшен, т.е. на каждом шаге установки управляющего байта устанавливается очередной бит. Затем, если установленный бит в управляющем байте равен 1, а предыдущий бит равен 0, все биты до первого ранее установленного, равного 1 , в управляющим байте сбрасываются от старшего к младшему. Время между изменениями значения управляющего байта равно приблизительно удвоенному значению времени дребезга контактов реле.

На рис.4 приведена расчетная и экспериментальная зависимость тока, а также график отклонения экспериментального тока ИТ от рассчитанного. Погрешность установки тока по интерполяционной функции составляет 13 %, поэтому с целью установки тока с точностью не хуже 2,5 А в памяти контроллера формируется таблица, содержащая 165 записей, т.е. по адресу, равному значению тока, в памяти контроллера записано значение управляющего байта, соответствующее этому току. Заполняется таблица на этапе калибровки ИТ, выполняемой по данным, получаемым с измерительного трансформатора тока ИТ. При выполнении работ в качестве точного значения тока ИТ используются данные измерительного трансформатора тока ИТ.

у = 4- 1СГ5 х-3-0,0182- х2+3,051 х -4,3482

0 2 0 40 60 80 100 120 14

Значение управляющего байта

Рис.4. Расчетная и экспериментальная зависимость тока ИТ: 1 — токовые клещи, рассчитанный ток и полиноминальная аппроксимация экспериментальной зависимости тока от значения управляющего байта; 2 — отклонение экспериментального от рассчитанного тока по отношению к их среднему значению

Применение источника тока. ИТ ориентирован на разработку, тестирование, испытание бесконтактных и контактных датчиков, устройств контроля, защиты по току. ИТ, управляемый контроллером, предназначен как для самостоятельного применения, так и в составе экспериментального испытательного/исследовательского программно-технического комплекса с управлением посредством компьютера, когда, например, по последовательному интерфейсу контроллеру отправляется значение тока, которое необходимо установить. При реализации контроллера применяется микроконтроллер Р1С16Т628 со встроенным модулем ИЛЕ!. При выполнении работ в качестве точного значения тока ИТ используются данные измерительного трансформатора тока ИТ.

Надежность ИТ зависит в первую очередь от среднего значения количества срабатываний реле, соответствующего наработке на отказ одного из ключей. Для выбранных реле механическая наработка на отказ составляет 10 млн переключений [3]. При средней частоте переключения одного реле, равной 0,1 Гц, время наработки на отказ ИТ не превышает 28 тыс. ч непрерывной работы. Применение при управлении ИТ приведенных рекомендаций позволяет предотвращать его перегрев, обеспечивая температурный режим работы элементов устройства и сохраняя его надежность.

С целью обеспечения номинального тока ИТ /ном при использовании разных соединительных кабелей введен параметр Кр = Ы2/8Якаб, где Кр — коэффициент пропорциональности между приращениями тока ИТ и сопротивлением нагрузки; Ы2, ЪЯ2 — приращение тока ИТ и сопротивления ^каб1.

Задание требования Кр « -0,1 приводит к увеличению потребляемой мощности ИТ на порядок по сравнению с необходимой для развития номинального тока ИТ мощностью трансформатора напряжения, Кр « -(0,2-0,5) дает средний запас по мощности. Значение Кр рассчитывается исходя из допустимого уменьшения 1ном, равного Ы2 = й12/1ном = -0,1 и возникающего при увеличении длины соединительного кабеля с /каб1 до /каб2 (0,6 и 3 м): Кр = Ы2/ЪЯкаб = -0,1/1,1 = -0,09. Тогда при расчете схемы источника тока значение /ном устанавливается в 1,1 — Ы2 = 1,2 раза больше необходимого номинального значения тока ИТ. Рекомендуемый диапазон значений для параметра Ы2 составляет от -0,3 до -0,05.

Метод оценки мощности трансформатора напряжения основан на том, что ток, возникающий в замкнутой вторичной обмотке, не зависит от числа витков в замкнутом контуре. Учитывая требование по Кр, длину, сечение, материал соединительных кабелей, а также сопротивление вторичной обмотки трансформатора в зависимости от числа витков, получено уравнение четвертой степени от мощности трансформатора, которое для рассмотренной апробации метода расчета ИТ имеет один вещественный

неотрицательный корень, а именно Р

Приведем параметры выбранного трансформатора (ТС-180-2), по которым осуществляется пересчет сечений проводов, числа витков вторичной обмотки, параметров ИТ: число витков первичной обмотки w1 = 680; сопротивление первичной обмотки r1 = 5,8 Ом; коэффициент полезного действия ц = 0,95; ширина обмотки = 82 мм, длина одного витка вторичной обмотки Ьобм = 0,224 м.

ЦАП представляет собой параллельно включенные цепочки, состоящие из нормально разомкнутого контакта реле и резистора. Сопротивления резисторов относятся как 1 : 2. Минимальное сопротивление ЦАП рассчитывается из соображения равенства его значения эквивалентному сопротивлению трансформатора при номинальном токе ИТ /ном. Формула для расчета тока ИТ в зависимости от управляющего байта имеет вид

2 ЦАП ((^1)2(ЯЦАП + #1) + R2) ,

где -=У -; b7, R7 — значение 7-го бита и сопротивления резистора соответственно;

*КцАП — эквивалентное сопротивление ЦАП, зависящее от управляющего байта, Ом.

Значение тока ИТ при 1каб\ равно In = I2(R06) = 172,77 A (экспериментально получено 176 A); номинальный ток ИТ составляет 165 А; минимальный ток, устанавливаемый источником тока, -2,94 А (экспериментально получено 2,63 A); максимальное приращение тока 2,5 А, минимальное приращение тока 0,51 А. Максимальная потребляемая электрическая мощность P1(R2Jn) = 279,29 Вт, тогда ^тр = P^Pi = 0,64. Ток I2, соответствующий ^тр = 1, равен I2 = (P^R)0,5 = 138,7 A. Отклонение In от !ном = 198 A связано с выбором R0 « 75 Ом вместо 54,2 Ом.

Основным преимуществом предлагаемой конструкции ИТ является выработка тока без искажений, характерных для аналогичных устройств с применением, например, си-мисторов, недостатком — меньшее значение времени наработки на отказ, что связано с применением реле. Отметим, что в случае применения полупроводниковых ключей уменьшается число силовых трансформаторов с двух до одного, что уменьшает массу устройства приблизительно в 1,5 — 2 раза.

Однотрансформаторная конструкция источника тока апробирована с номинальным током 165 А на трансформаторе ТС-180-2. Разработанный метод расчета позволяет учитывать следующие параметры: сопротивление нагрузки, диапазон токов, минимальное приращение тока. Выдаваемый источником ток имеет синусоидальную форму без искажений типа «разрыв», обладает по сравнению с аналогичными устройствами преимуществами по обеспечению возможности интеграции ИТ в автоматизированные системы лабораторных исследований, калибровки и поверки. Источник тока имеет улучшенные массогабаритные параметры, достигнутые за счет уменьшения числа силовых трансформаторов.

1. Техническое обслуживание измерительных трансформаторов / Под ред. Б.А. Алексеева. — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001. — 96 с.

2. Котенев С., Евсеев А. Переходные процессы при включении трансформатора в сеть с синусоидальным напряжением // Силовая электроника. — 2005. — № 4. — С. 34-37.

3. Relay Catalog. 801H // SONG CHUAN. — 2011 — Р. 47-49.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Статья поступила после доработки 25 апреля 2013 г.

Риттер Андрей Владимирович — аспирант НИЯУ «МИФИ». Область научных интересов: приборостроение, встраиваемые системы, технологии автоматизации разработки и проектирования. E-mail: dotfonritav@mail.ru

Чебышов Сергей Борисович — доктор технических наук, начальник управления приборостроения ОАО «Атомэнергомаш» (г. Москва); профессор кафедры прикладной ядерной физики НИЯУ «МИФИ». Область научных интересов: автоматизация в атомной энергетике, информационно-измерительные системы радиационного контроля, физика детектирования ионизирующих излучений, дозиметрия, радиометрия, спектрометрия.

Что такое ток промышленной частоты