Цифровое устройство измерения количества электричества для исследования электрохимических процессов

осциллограммы напряжения промышленного трансформатора тока и напряжения с сигнальной обмотки трансформаторного датчика тока, намотанной на сердечнике в области 1 — 1. На рис. 5 — осциллограммы напряжения промышленного трансформатора тока и сигнала с обмотки, расположенной поверх короткозамкнутого кольца.

Как видно из представленных осциллограмм на рис. 4, 5, значения напряжений в области 2 — 2 отличаются незначительно. При этом временные формы этих осциллограмм и их фаза незначительно отличается от временных форм напряжения промышленного трансформатора тока.

Выводы:

1. Временные формы ЭДС сигнальных обмоток трансформаторного датчика тока с короткозамкнутым кольцом и трансформатора тока практически совпадают, что позволяет говорить о возможности применения рассматриваемого устройства как датчика тока в широком диапазоне измеряемых токов.

2. При расположении сигнальной обмотки датчика тока непосредственно на сердечнике (область 1 — 1) сдвиг фаз между первичным током и напряжением сигнальной обмотки датчика практически совпадают (отличие в пределах 1°).

3. При расположении сигнальной обмотки в области 2 — 2 (сигнальная обмотка намотана непосредственно на короткозамкнутое кольцо) сдвиг по фазе между током шины и ЭДС сигнальной обмотки несколько возрастает по сравнению с расположением сигнальной обмотки в области 1 — 1.

4. Хорошее схождение расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о приемлемости принятых допущений.

Библиографический список

1. Расчет электрических и магнитных полей методом конечных элементов с применением комплекса программ Е1си : учеб. пособие / А. П. Попов [и др.]. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 84 с.

2. БЬСиТ. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.5 : Руководство пользователя. — СПб. : Производственный кооператив ТОР. [Электронный ресурс]. — иИЬ: http:/www.toг.ru/e1cut/demo/Manua1.pdf (дата обращения: 15.11.2011).

3. Электротехнический справочник. В 4 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ. ред. проф. МЭИ В. Г. Герасимова и др. — 9-е изд., стер. — М. : МЭИ, 2003. — 440 с.

ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника». КЛИМЕНКО Ксения Александровна, аспирантка кафедры «Теоретическая и общая электротехника». Адрес для переписки: k1imenko22@ramb1er.ru

Статья поступила в редакцию 12.12.2011 г.

© А. П. Попов, К. А. Клименко

УДК 621.317 А. п. ПОПОВ

В. Ю. СЫСОЛЯТИН

Омский государственный технический университет

ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Рассматривается цифровое измерительное устройство, предназначенное для контроля текущего значения количества электричества, вырабатываемого химическим источником тока, с одновременной регистрацией текущего напряжения на зажимах химического источника тока и автоматическим отключением нагрузки при достижении заданного уровня напряжения, до которого должен разрядиться химический источник тока. В статье рассматривается функциональная и принципиальная электрические схемы устройства, а также алгоритм функционирования программы.

Ключевые слова: количество электричества, цифровое устройство.

Электрохимические процессы широко применяются в промышленности при производстве газов и металлов, лежат в основе гальванотехнических технологий (гальваностегии, гальванопластики, анодирования и др.).

Для обеспечения электрохимических технологий применяют различные источники постоянного тока. При этом диапазон величин тока лежит в пределах от единиц миллиампер до нескольких десятков тысяч

ампер. В связи с этим применяются различного типа выпрямители и стабилизаторы. При этом важное значение, в соответствии с законом Фарадея, имеют средства контроля и измерения количества электричества.

Контроль текущего значения количества электричества (О) осуществляется с использованием датчиков тока. В указанном диапазоне токов применение в электрохимических технологиях, невозможно

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

за%- Ь.юо%

ва%-

40%-

20%- 1 1 1  - -

і і 5 7 8 11 13 15 17 п

]' 1004

4Wir

30<Ч>-

2L^i>"

LC*4T ш

1 .

1 3 7 В 11 13 15 17 л

Рис. 1. Спектры входных токов выпрямителей: а — однофазного, б — трехфазного

б

а

использовать один тип датчика, от метрологических характеристик, которого зависит качество контроля Q.

В данной работе рассматривается микропроцессорное цифровое устройство контроля Q с использованием резистивного датчика тока. С помощью резистивного датчика можно осуществлять измерение тока в диапазоне до нескольких сотен ампер.

В условиях непостоянства тока во времени, обусловленного пульсациями выходного тока выпрямителей или других источников тока, необходимо непрерывно вычислять текущее значение Q(t) путем интегрирования текущего значения тока

t

Q = J i

0

Для цифрового контроля Q(t) правую часть (1) необходимо заменить суммой

Q = Х 1<Dt,

1

где At. — достаточно малый интервал времени между двумя измерениями мгновенного значения тока, на котором значение тока можно считать неизменным; i. — значение силы тока на этом интервале времени At.; n — количество отсчетов тока за некоторый промежуток времени.

В соответствии с (2) возникает задача в определении частоты дискретизации отсчетов текущих значений тока, которые непрерывно изменяются.

Если имеется возможность оценить спектр аналогового сигнала тока, то, в соответствии с теоремой Котельникова [1], аналоговый сигнал может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой строго большей удвоенной максимальной частоты спектра:

f >2F ,

дискр max '

где fgucKp — частота дискретизации;

F — максимальная частота в спектре кривой тока.

max

То есть время между двумя отсчетами должно быть выбрано из условия

где Ттах — период функции наивысшей гармоники в спектре.

Как отмечено выше, для электрохимических технологий используются различные источники пита-

Рис. 2. Структурная схема цифрового устройства контроля количества электричества при разряде ХИТ до заданного уровня напряжения

ния, к числу которых относятся двухполупериодные или многофазные выпрямители, а также тиристорные преобразователи.

В литературе приводятся данные по спектрам источников питания. Так, например, в [2] приведены результаты исследования спектров токов однофазных и трехфазных выпрямителей, которые показаны на рис. 1.

Как видно из рис. 1, существенное влияние на форму напряжения будут оказывать гармоники вплоть до 17. В соответствии с Г0СТ15109-97 по нормам и качеству электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [3] семнадцатая гармоника должна составлять 1,8 % от первой.

Исходя из теоремы Котельникова, частота дискретизации при использовании однофазного выпрямителя при частоте сети 50 Гц должна быть больше 1700 Гц. Для тиристорных регулируемых преобразователей частоты высших гармоник значительно выше.

В данной работе рассматривается цифровое устройство контроля количества электричества при разряде химического источника тока (например, аккумулятора) с автоматическим отключением его от

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема цифрового устройства контроля количества электричества при разряде ХИТ до определенного уровня напряжения

нагрузки при достижении на зажимах этого источника определенной величины напряжения. На практике это необходимо для ограничения разряда в соответствии с техническими требованиями для данного химического источника тока (ХИТ).

На рис. 2 изображена структурная схема данного устройства. В цепь ХИТ 3 включена нагрузка с сопротивлением Я . Подключение и отключение ХИТ

ґ нагр

к нагрузке осуществляется с помощью специального устройства 8, принцип действия которого рассмотрен

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

Рис. 4. Блок-схема основной программы

Рис. 5. Блок-схема подпрограммы ввода значения заданного напряжения

ниже. Последовательно с нагрузкой включен резистивный датчик тока Яд, сигнал с которого подается на аналогоцифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера 1. Питание микроконтроллера осуществляется с помощью блока питания 2.

Для контроля уровня напряжения ХИТ на второй вход АЦП микроконтроллера через делитель напряжения Я1Ж2 подается сигнал пропорциональный значению этого напряжения.

С помощью кнопочной клавиатуры 5 имеется возможность ввода программным способом численного значения уровня напряжения ираз, до которого требуется разрядить ХИТ . При разряде ХИТ до необходимого уровня напряжения микроконтроллер вырабатывает управляющий сигнал на контакторное устройство 8 для отключения ХИТ от нагрузки. Информация о текущем значении напряжения, напряжение, до которого необходимо разрядить ХИТ, а также количество электричества, которое поступило в нагрузку от ХИТ, выводится на жидкокристал-

лический индикатор 7. Для ввода программы в микроконтроллер служит разъем 6.

На рис. 3 изображена принципиальная электрическая схема, рассматриваемого микропроцессорного устройства (в данном устройстве используется микроконтроллер Atmega 16 фирмы Atme1).

Питание микроконтроллера осуществляется от стабилизированного источника постоянного напряжения 2.

Для подключения к цепи нагрузки ХИТ используется специальное устройство 8, в состав которого входит тиристорная оптопара ББ1, магнитный пускатель К1 и кнопка пуска ББ2. При срабатовании пускателя К1 происходит подключение ХИТ к нагрузке и его выходное напряжение поступает на один из входов АЦП. Выходной сигнал АЦП сравнивается с заданным ранее значением напряжения, до которого необходимо разрядить ХИТ. Если напряжение ХИТ больше, чем значение введенного напряжения ираз, то с вывода микроконтроллера РБ0 поступает

Рис. 6 Блок-схема подпрограммы прерывания АЦП

единичный уровень напряжения на вход оптопары, тем самым замыкая ключ К магнитного пускателя.

Реле магнитного пускателя удерживает ключ К в замкнутом положении до того момента, пока когда напряжение ХИТ не станет равным введенному значению и . После достижения напряжения ХИТ

уровня ираз на входе оптопары появляется нулевой уровень напряжения с выхода микроконтроллера, и контакты реле размыкаются , тем самым отключая ХИТ от цепи.

Ниже рассмотрена управляющая программа для данного устройства.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

194

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА-

ЭНЕРГЕТИКА

ОМСКИИ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012

таймер 0

клавиатура

опрос ь обработчик переполнения таймера 0 Ввод напряжения

клавиатуры ик

АЦП

обработчик результатов преобразования АЦП

Режим измерений

Сумма токов за период, коли чес-ТВ0ЕЫ60Р0К

Вычисление

текущего

напряжения

сравнение с ик

вывод (2 вывод и >1 Г

Отключение ХИЭ

процессор дисплея V'

Ре?№ім ввода ик

дисплеи

Рис. 7. Схема взаимодействия подпрограмм

Программу условно можно разделить на три части:

— основной модуль программы, в котором выполняется расчет количества электричества, выводимого на экран (рис. 4);

— обработчик прерываний 8-битного таймера_0, в котором происходит опрос кнопочного блока (рис. 5);

— обработчик прерываний АЦП, в котором помимо оцифровывания сигналов тока и напряжения происходит основное управление режимами работы устройства посредством непрерывного сравнения измеренного значения напряжения U на зажимах

* г раз

ХИТ с заданным напряжением Upa3 (рис. 6).

Для функционирования периферийных устройств микроконтроллера в программе осуществляется инициализация регистров используемых устройств.

Программа разработана для нескольких режимов работы устройства:

— model — режим опроса клавиатуры для ввода значения напряжения Upa3;

— mode3 — режим измерений значений тока и напряжения, вычисления количества электричества;

— mode4 — режим ожидания задания напряжения.

Подпрограмма обработки прерывания по переполнению таймера_0 используется в данной программе для непрерывного опроса клавиатуры в режиме работы model каждые 5 переполнений тай-мера_0, что соответствует 0,3 с.

Запуск АЦП происходит сразу после подачи питания на микроконтроллер. Изначально канал мультиплексора настроен на измерение сигнала напряжения (вход РА1). При подключении к ХИТ нагрузки, происходит смена режима работы устройства с model на mode3. Далее в подпрограмме обработки прерываний АЦП происходит накапливание суммы мгновенных значений тока и сравнение измеренного значения напряжения Upa3 с заданным значением Upa3 при непрерывной смене каналов мультиплексора РА1РА0 или РА0РА1.

В основном цикле программы через каждую секунду происходит вычисление и накопление количества электричества, поступившего в нагрузку ХИТ.

Вычисления выполняются с высокой скоростью в реальном времени, без задержек на обработку полученной информации.

Схема взаимодействия подпрограмм представлена на рис. 7.

Таким образом, рассматриваемое устройство выполняет следующие функции:

— задание напряжения в цифровой форме, до которого должен разрядиться ХИТ;

— измерение количества электричества, поступившего от ХИТ в нагрузку;

— отключение ХИТ от нагрузки при достижении заданного уровня напряжения на его клеммах.

Заключение.

Данное устройство может быть использовано:

— для исследования ХИТ;

— для научных исследований при разработке новых ХИТ;

— для контроля количества электричества, отдаваемого ХИТ в нагрузку в рабочем режиме при эксплуатации транспортного средства с питанием от аккумуляторных батарей с одновременным контролем напряжения на зажимах батареи;

— для контроля емкости ХИТ.

Библиографический список

1. Харкевич, А. А. Спектры и анализ / А. А. Харкевич. — 4-е изд. - М. : УРСС ; ЛКИ, 2007. - С. 89.

2. Климов, В. П. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания / В. П. Климов, А. Д. Москалёв // Практическая силовая электроника. — 2002. — № 5. — С. 15—18.

3. ГОСТ 15109-97. Нормы, качество электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. —

М. : Издательство стандартов, 1986. — 6 с.

4. ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85). Схемы алгоритмов программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения. — М. : Издательство стандартов, 1991. — 3 с.

ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника». СЫСОЛЯТИН Виктор Юрьевич, преподаватель Учебного военного центра при ОмГТУ, аспирант кафедры «Теоретическая и общая электротехника». Адрес для переписки: 979161@mail.ru

Статья поступила в редакцию 24.10.2011 г.

© А. П. Попов, В. Ю. Сысолятин

Книжная полка

Ковалёв, Ю. З. Электрооборудование промышленности. Полупроводниковые силовые преобразователи электроэнергии : учеб. пособие для вузов по специальности 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» направления подгот. 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / Ю. З. Ковалёв, Е. М. Кузнецов ; ОмГТУ. Нижневарт. фил. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. - 163 c. - ISBN 978-5-8149-1162-9А.

Рассмотрены принципы построения, расчет и проектирование, характеристики и параметры полупроводниковых преобразователей электроэнергии для промышленных установок. Освещены вопросы математического моделирования вентильных преобразователей с использованием программы Electronics Workbench. Приведены варианты домашних заданий, даны рекомендации для их выполнения. Включены задания к курсовой работе и методические указания к ее написанию.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА