СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕБЕР-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MEASURING WEBER-AMPERE CHARACTERISTICS OF ELECTROTECHNICAL ARTICLE AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения вебер-амперной характеристики электротехнического изделия.
0
0
x
0
Известен способ подстановки [Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. - М.: Энергия, 1969. - С. 272-273.], заключающийся в том, что в цепь источника синусоидального напряжения включают поочередно или обмотку, нанесенную на испытуемый образец, или известные переменные индуктивность L и безреактивное сопротивление r. Также, последовательно с источником синусоидального напряжения включают амперметр и переменные индуктивность L и конденсатор С. Сначала при известном значении выходного напряжения U источника синусоидального напряжения включают в цепь источника синусоидального напряжения обмотку испытуемого образца и с помощью переменных индуктивности L и конденсатора С, цепь настраивают в резонанс, что фиксируют по максимальной величине тока I в намагничивающей цепи. Затем в цепь вместо обмотки испытуемого образца включают известные переменные индуктивность L и безреактивное сопротивление r и с их помощью цепь снова настраивают в резонанс. Причем изменяя безреактивное сопротивление r, добиваются той же величины тока I в цепи (при этом величины L и С не изменяют). В момент резонанса индуктивность обмотки L, нанесенной на испытуемый образец, равна известной переменной индуктивности L. Зная ее, рассчитывают поток Ф магнитного поля в испытуемом образце по формуле:
где I - ток, измеренный амперметром, w - число витков обмотки испытуемого образца.
Задают другие значения выходного напряжения источника синусоидального напряжения U, измеряют значения тока I в намагничивающей цепи, вычисляют магнитный поток Ф и получают требуемое количество точек вебер-амперной характеристики.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что приемлемая точность обеспечивается только при синусоидальном изменении намагничивающего тока, в области малых магнитных полей, а при насыщении испытуемого образца, когда ток становится несинусоидальным, расчет по формуле (1) дает большую погрешность.
Известно мостовое устройство для испытания электротехнических изделий [Сергеев В.Г., Шихин А.Я. Магнитоизмерительные приборы и установки. - М.: Энергоатомиздат, 1982, 152 с.], состоящее из источника питания ИП, усилителя У, интеграторосумматора И, регистрирующего устройства РУ, испытуемого образца ИО, шунта тока Ш. Источник питания формирует напряжение U, с шунта тока Ш напряжение, пропорциональное току, подается на вход усилителя У. Выход усилителя У подключен к первому входу регистрирующего устройства. На второй вход регистрирующего устройства подается сигнал с выхода интегросумматора И, на первый вход которого поступает сигнал с выхода источника питания, а на второй - с выхода усилителя У.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в основе его работы лежит операция интегрирования, а также необходимо обеспечить компенсацию температурной погрешности, возникающую в результате нагрева обмотки электротехнического изделия.
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков является принятый за прототип способ для измерения вебер-амперных характеристик электротехнического изделия [Испытание магнитных материалов и систем / Е.В. Комаров, А.Д. Покровский, В.Г. Сергеев, А.Я. Шихин. - М: Энергоатомиздат, 1984. - С. 243-244.], заключающийся в том, что обмотку электротехнического изделия подключают к источнику синусоидального напряжения и измеряют значения напряжения на обмотке и тока в ней, а координаты вебер-амперной характеристики вычисляют, как интеграл от разности напряжения приложенного к катушке электротехнического устройства и падения напряжения на ее активном сопротивлении:
где k - коэффициент, определяемый количеством витков обмотки, длиной средней линии и площадью поперечного сечения магнитопровода электротехнического изделия, I - ток, протекающий через намагничивающую обмотку, R - активная составляющая сопротивления цепи обмотки, U - напряжение на выходе источника синусоидального напряжения.
Активную составляющую сопротивления R обмотки, включающую активную часть сопротивления обмотки, сопротивление измерительного шунта тока предварительно определяют и потом используют как константу при вычислении магнитного потока, однако в процессе измерения, вследствие протекания по обмотке тока, происходит ее нагрев и увеличение активной составляющей сопротивления R. Из-за чего выражение (2), по которому вычисляется магнитный поток, реализуется не корректно, что вносит значительную накапливающуюся в процессе интегрирования погрешность в результат измерения.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится то, что в его основе лежит операция интегрирования, кроме того, активное сопротивление катушки изменяется из-за нагрева.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков является принятое за прототип устройство магнитного контроля электротехнических изделий [Устройство магнитного контроля для подсистемы управления производством электротехнических изделий // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №6 URL: http://www.science-education.ru/113-11665], состоящее из следующих блоков: усилителя мощности УМ, шунта тока Ш, двух измерительных усилителей У1-У2, которые усиливают напряжения, пропорциональные напряжению с выхода усилителя мощности и току, протекающему в обмотке образца соответственно; блок сбора данных БСД, предназначенный для аналого-цифрового преобразования напряжений У1-У2 и цифроаналогового преобразования напряжения управления работой УМ, причем БСД состоит из цифроаналогового преобразователя ЦАП, аналого-цифрового преобразователя АЦП, коммутатора К, персонального компьютера ПК. Вход УМ соединен с выходом ЦАП, УМ своим выходом подключен к У1 и электротехническому изделию, которое подключено к шунту тока, выход шунта тока соединен с входом У2, выходы У1 и У2 подключены к входам У3 и У4 соответственно, выходы У3 и У4 подключены к К, выход которого соединен с входом АЦП, выход АЦП подключен к ПК.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, является то, что в известном устройстве необходимо обеспечить компенсацию температурной погрешности, возникающую в результате нагрева обмотки электротехнического изделия, которая накапливается в результате проведения интегрирования.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения вебер-амперной характеристики электротехнического изделия за счет исключения из расчетов активной составляющей сопротивления, а следовательно, возникающей температурной погрешности.
Задача изобретения в части способа достигается за счет того, что обмотку электротехнического изделия подключают к источнику синусоидального напряжения, измеряют значения напряжения на обмотке и тока в ней и вычисляют координаты вебер-амперной характеристики, также измеряют нечетные гармоники тока и вычисляют вебер- амперную характеристику по формуле в виде степенного полинома нечетной степени:
где  - амплитуда (2m+1)-й гармоники тока;
ω - угловая частота;
ψ - значение магнитного потокосцепления через электротехническое изделие;
(2m+1)
k - коэффициенты аппроксимирующего ВАХ выражения.
Задача изобретения в части устройства достигается за счет того, что устройство содержит усилитель мощности, вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, а выход усилителя мощности подключен к соединенным последовательно обмотке электротехнического изделия и шунту тока, выход усилителя мощности соединен с входом первого измерительного усилителя, а выход шунта тока соединен с входом второго измерительного усилителя, выход первого измерительного усилителя соединен с первым входом коммутатора, который подключен выходом к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу персонального компьютера, выход персонального компьютера соединен с входом цифроаналогового преобразователя, причем дополнительно введен многоканальный избирательный фильтр гармоник тока, подключенный входом к выходу второго измерительного усилителя, а выходом ко второму входу коммутатора.
На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего способ измерения вебер-амперной характеристики электротехнического изделия.
Устройство содержит цифроаналоговый преобразователь 1, усилитель мощности 2, обмотку электротехнического изделия 3, шунт тока 4, первый и второй измерительные усилители 5, 6, многоканальный избирательный фильтр гармоник тока 7, коммутатор 8, аналого-цифровой преобразователь 9, персональный компьютер 10.
Рассмотрим электротехническое изделие с неизвестной вебер-амперной характеристикой, но известным законом изменения, приложенного к обмотке электротехнического изделия 2 напряжения:
а
где U - амплитуда синусоидального напряжения.
Проанализируем гармонический состав тока в цепи с нелинейной индуктивностью, роль которой выполняет обмотка электротехнического изделия 2. Для упрощения анализа будем считать, что вебер-амперная характеристика однозначна, а необратимые потери в катушке пренебрежимо малы. Ввиду симметрии кривой i(Ф), кривая тока i(t) симметрична относительно оси абсцисс и содержит только нечетные гармоники, следовательно, при разложении в ряд Фурье будут только слагаемые,  содержащие синус:
(2m+1)
где I - амплитуда (2m+1)-ой гармоники тока;
i(t) - мгновенное значение тока;
ω - угловая частота.
Уравнение цепи обмотки электротехнического изделия, обладающей активным сопротивлением R, имеет вид:
где R - активное сопротивление обмотки электротехнического изделия;
- магнитное потокосцепление.
Активное сопротивление цепи обмотки можно определить по формуле
1
где I - основная (первая) гармоника тока.
Поэтому уравнение цепи с учетом известных законов изменения тока и напряжения примет вид:
(2m+1)
Выбрав значения аргументов из интервала]0;π/2[,составляется система из (n+1) линейных уравнений и решается относительно коэффициентов k.
Таким образом, из расчета по выражению (3) устранена активная составляющая сопротивления цепи обмотки R электротехнического изделия, а значит отсутствует температурная погрешность, вносимая изменением этого сопротивления, учтен несинусоидальный характер формы тока и исключена операция интегрирования, приводившая к накапливанию погрешности. Все это доказывает, что в заявляемом способе измерения вебер-амперных характеристик электротехнического изделия обеспечивается повышение точности измерения.
Рассмотрим реализацию способа измерения вебер-амперной характеристики электротехнического изделия на примере работы устройства измерения вебер-амперной характеристики электротехнического изделия.
(2m+1)
(2m+1)
С выхода цифроаналогового преобразователя 1 к обмотке электротехнического изделия 3 через усилитель мощности 2 прикладывается синусоидальное напряжение, частота и амплитуда которого задаются с помощью персонального компьютера 10. Сигнал о напряжении на выходе усилителя мощности 2 и с выхода первого измерительного усилителя 5 подается на первый вход коммутатора 8, а о гармониках тока, протекающего в обмотке электротехнического изделия 3, с выхода многоканального избирательного фильтра гармоник тока 7 на второй вход коммутатора 8, между шунтом тока 4 и многоканальным избирательным фильтром гармоник тока 7 включен второй измерительный усилитель 6, обеспечивающий усиление напряжения с выхода шунта тока 4 до требуемого для работы многоканального избирательного фильтра гармоник тока 7 уровня, коммутатор 8 поочередно подключает эти сигналы к входу аналого-цифрового преобразователя 9, с выхода которого цифровые сигналы поступают на персональный компьютер 10. После чего в персональном компьютере 10 происходит вычисление коэффициентов k путем решения системы (n+1) линейных уравнений, составленной из выражений (3) со значениями аргументов, взятых из интервала]0;π/2[. Определив значения коэффициентов k, получим вебер-амперную характеристику электротехнического изделия в виде:
где  - амплитуда (2m+1)-й гармоники тока, ω - угловая частота, ψ - значение магнитного потокосцепления через электротехническое изделие,  - количество слагаемых в аппроксимирующем выражении, i - сила тока через электротехническое изделие.