СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ИНДУКТИВНОСТИ РЕАКТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING DYNAMIC INDUCTANCE OF REACTOR AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электротехники, в частности к разделу электрических измерений, и может быть использовано для определения динамической индуктивности мощных реакторов, содержащих магнитопровод из ферромагнитного материала.
Указанные реакторы находят широкое применение в мощных выпрямительных установках, электроприводах и устройствах плавного пуска асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением 3, 6, 10, 15 кВ. В этих установках через реактор протекают как постоянная, так и переменная составляющие тока.
Известен способ определения динамической индуктивности реактора (см. стандарт IEC (МЭК), публикация 289, 1988 г.), согласно которому измеряют действующие значения напряжения и тока основной гармоники при одновременном протекании по реактору постоянного и переменного токов. Динамическая индуктивность реактора определяется как отношение напряжения к произведению тока и угловой частоты гармоники.
Устройство для осуществления указанного способа содержит два источника, один из которых постоянного тока, другой переменного тока частоты гармоники, реактор, индуктивность которого определяется, фильтр, блокирующий протекание переменного тока через источник постоянного тока, и конденсатор, блокирующий протекание постоянного тока через источник переменного тока. Источник постоянного тока подсоединен к реактору через фильтр. Источник переменного тока подключен к реактору через конденсатор. Устройство содержит приборы: два амперметра, первый из которых, включенный последовательно с источником постоянного тока, измеряет величину постоянного тока, второй, включенный последовательно с источником переменного тока, измеряет действующий ток гармоники; вольтметр, включенный параллельно источнику переменного тока, который измеряет действующее напряжение гармоники; частотомер, подключенный параллельно источнику переменного тока для измерения частоты гармоники.
Действующий ток гармоники, измеряемый вторым амперметром, равен току реактора лишь при условии, что фильтр имеет весьма большое сопротивление для гармоники (теоретически бесконечно большое). На практике в качестве фильтра используется вспомогательный реактор, и выполнить его с индуктивным сопротивлением, значительно превосходящим сопротивление испытуемого реактора, как правило, не представляется возможным. Поэтому второй амперметр измеряет сумму токов от источника переменного тока, протекающих по цепям реакторов - основного (индуктивность которого определяется) и вспомогательного. Вольтметр измеряет действующее напряжение гармоники на реакторе лишь при условии, что емкостное сопротивление конденсатора весьма мало по сравнению с индуктивным сопротивлением основного реактора, что практически трудно осуществимо.
Таким образом, величины, измеряемые амперметром и вольтметром, предопределяют погрешность при определении динамической индуктивности реактора за счет недостоверности измеряемых величин тока и напряжения. Кроме того, частота переменного тока, который генерируется автономным источником, характеризуется нестабильностью. Одна из причин нестабильности - автоколебания в системе источника. Это обстоятельство определяет еще одну причину погрешности способа определения динамической индуктивности.
Так как измерения индуктивности производят в основном при подмагничивании реактора номинальным током, а у фильтра индуктивное сопротивление велико, то габариты, мощность и стоимость фильтра и первого источника получаются высокими. Реакторы на напряжение 6 и 10 кВ выпускаются промышленностью на ток 80-4000 А с индуктивностью от 0,1 до 100 мГн, отсюда видно, что требуется испытательное оборудование большой мощности.
В качестве генераторов в устройстве используются вращающиеся электрические машины, они не только требуют повышенных затрат на обслуживание, но и уступают по надежности полупроводниковым преобразователям.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому способу, принятому за прототип, является способ определения динамической индуктивности реактора (патент RU №2073250 C1 с приоритетом от 13.04.1993 г.). Способ заключается в определении динамической индуктивности реактора по измеряемым величинам, одна из которых - действующее напряжение основной гармоники, измеренное на выводах реактора, вторая - действующее значение производной мгновенного тока основной гармоники по времени. Динамическую индуктивность реактора рассчитывают как отношение первой величины ко второй.
Устройство для осуществления заявленного способа (патент RU №2073250 C1 с приоритетом от 13.04.1993 г.) содержит основной и вспомогательный реакторы, источник переменного тока, подключенный к основному реактору через конденсатор, источник постоянного тока, подключенный к основному реактору через амперметр с шунтом и вспомогательный реактор, измерительные приборы, в частности частотомер, подключенный параллельно источнику переменного тока, двухканальный анализатор гармоник, один вход которого соединен с выходом введенного токоизмерительного пояса, охватывающего вывод основного реактора, а второй вход соединен с выводами основного реактора.
В способе-прототипе через реактор пропускают ток одновременно от двух источников: от источника переменного тока через конденсатор и от источника постоянного тока через вспомогательный реактор, при этом ток источника постоянного тока контролируют по амперметру, а ток реактора измеряют с помощью токоизмерительного пояса, охватывающего вывод реактора.
Токоизмерительный пояс представляет собой воздушный трансформатор, измеряющий ток на выводе реактора, его недостаток - на нем наводятся помехи магнитными полями реактора. Особенно велики наводки при изготовлении реактора с большим немагнитным зазором и большим, как следствие, потоком рассеяния. В результате вышесказанного точность измерения производной тока оказывается недостаточно высокой. Измерительные кабели от анализатора гармоник до реактора и токоизмерительного пояса выполнены неэкранированными, это снижает их помехозащищенность и, следовательно, точность измерения напряжения и производной мгновенного тока основной гармоники.
Не учитывается падение напряжения на активном сопротивлении реактора, которое может быть существенным у малоиндуктивных реакторов или у реакторов, работающих в кратковременных режимах и обладающих, следовательно, повышенным активным сопротивлением.
Таким образом, к недостаткам способа-прототипа определения динамической индуктивности и устройства для его осуществления относятся низкая точность измерения переменных составляющих тока и напряжения реактора, а также низкая надежность, низкий к.п.д., высокая стоимость оборудования, так как в качестве источников применяются в данном случае вращающиеся электрические машины, которые уступают по всем указанным показателям статическим полупроводниковым преобразователям. Для определения динамической индуктивности ряда реакторов, выполненных на разные токи, необходим ряд вспомогательных реакторов, что еще больше повышает стоимость оборудования.
Технический результат предлагаемого способа определения динамической индуктивности реактора - высокая точность определения динамической индуктивности реактора.
Технический результат достигается тем, что в способе определения динамической индуктивности реактора, заключающемся в том, что индуктивность рассчитывают по измеряемым величинам, одна из величин - k мгновенных значений напряжения на реакторе, другая - k мгновенных значений тока реактора на участках нарастания и спада как отношение произведения длительности участка на среднее значение напряжения реактора, за вычетом падения напряжения на его активном сопротивлении, к приращению тока на участках нарастания и спада, затем определяют среднее арифметическое значение двух индуктивностей. Значения измеряемых k мгновенных величин определяют по одновременно снятым значениям напряжения на реакторе и тока реактора на участках нарастания и спада.
Сущность способа определения динамической индуктивности реактора заключается в том, что расчет динамической индуктивности производится по одновременно снятым осциллограммам и выполняется на участках нарастания и спада тока. При этом достигается высокая точность определения динамической индуктивности реактора.
Сначала вычисляют динамическую индуктивность на участке нарастания тока реактора.
Ток и напряжение реактора связаны уравнением:
где u - мгновенное значение напряжения реактора;
I - мгновенное значение тока реактора;
R - активное сопротивление реактора;
L - индуктивность реактора;
di /dt - производная тока по времени.
После интегрирования выражения (1) на участке нарастания тока с момента времени от t1 до t2 имеем:
1
2
где t и t - начальное и конечное значения времени;
1
2
1
2
i, i - мгновенные значения тока в моменты времени t и t.
2
2
Из (1) следует, что в момент времени t, когда производная тока равна нулю, напряжение u равно падению напряжения на активном сопротивлении реактора. В остальные моменты времени падение напряжения на активном сопротивлении описывается уравнением:
Осциллограммы цифрового запоминающего осциллографа представляются в табличном формате с достаточно большим числом дискрет отсчета. В результате интеграл в выражении (2) можно вычислить по формуле
где τ - дискрета времени отсчета;
k,
k
ui - табличные значения напряжения и тока k-го отсчета;
1
2
1
2
n, n - номера отсчетов в моменты времени t и t;
2
2
u - напряжение в момент времени t.
1
2
1
2
Правая часть выражения (4) не что иное, как произведение среднего значения напряжения реактора за вычетом падения напряжения на его активном сопротивлении в диапазоне от t до t на приращение времени от t до t.
где Ucp - среднее значение напряжения реактора;
I*R - среднее значение падения напряжения на активном сопротивлении реактора.
где Δt - приращение времени.
В правой части выражений (2), (4), (5) присутствует только приращение тока
В результате нет необходимости сохранять постоянную составляющую тока и вычисление индуктивности, исходя из выражений (1)…(7), сводится к формуле
2
2
2
2
3
Определение динамической индуктивности реактора только на участке нарастания тока может привести к снижению точности вычислений. Объясняется это тем, что в условиях наложенных помех затруднено определение максимума тока i. Например, при сдвиге момента времени t, соответствующего максимуму тока i, влево пропорционально уменьшаются величины Δt и Ucp-I*R, в результате ошибка вычисления индуктивности возрастает в квадрате. Для исключения этой ошибки необходимо аналогичным способом определить индуктивность и на спаде тока на участках времени от t до t.
ср.1
cp.2
Результирующая динамическая индуктивность реактора рассчитывается как среднее арифметическое индуктивностей, определенных на участках нарастания L  и спада тока L
Вычисление динамической индуктивности реактора по данным в табличном формате не представляет затруднений и выполняется с помощью широко распространенных программ обработки данных, например Excel.
Заявляемый способ определения динамической индуктивности реактора предлагается осуществить устройством.
Технический результат предлагаемого устройства для осуществления способа определения динамической индуктивности реактора заключается в повышении точности определения динамической индуктивности реактора, а также в значительном снижении мощности и стоимости испытательного оборудования.
Технический результат достигается тем, что в устройство для осуществления способа определения динамической индуктивности реактора, содержащее выпрямитель, к первому выходу которого через шунт с амперметром подключен первый вывод реактора, введены малоиндуктивный шунт, экранированные кабели, двухканальный цифровой запоминающий осциллограф, входы первого канала которого соединены с выходами экранированного кабеля, входы которого соединены с выходами малоиндуктивного шунта, включенного между вторым выходом выпрямителя и вторым выводом реактора, первый вывод которого соединен экранированным кабелем с входом второго канала цифрового запоминающего осциллографа, причем выпрямитель выполнен управляемым, по крайней мере, на тиристорах. Малоиндуктивный шунт выполнен, по крайней мере, высокоомным. Первый канал цифрового запоминающего осциллографа выполнен для измерения переменной составляющей сигнала.
Сущность предлагаемого устройства для осуществления способа определения динамической индуктивности реактора заключается в том, что за счет выполнения выпрямителя управляемым и введения в устройство малоиндуктивного шунта, двухканального цифрового запоминающего осциллографа, экранированных кабелей и их оригинальной схеме соединения достигнуты высокие технико-экономические показатели. Возросла надежность оборудования, существенно снизились стоимость и габариты испытательного оборудования, повысилась точность измерения электрических величин и определения динамической индуктивности реактора.
Заявляемое техническое решение - устройство для осуществления способа определения динамической индуктивности реактора поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема устройства.
Устройство для осуществления способа определения динамической индуктивности реактора содержит: управляемый выпрямитель 1, шунт 2, амперметр 3, подключенный к выходам шунта 2, малоиндуктивный шунт 4, испытуемый реактор 5, соединенный через шунты 2 и 4 с выходами управляемого выпрямителя 1, двухканальный цифровой запоминающий осциллограф 6, экранированные кабели 7, соединяющие входы двухканального цифрового запоминающего осциллографа с выходами малоиндуктивного шунта 4 и испытуемого реактора 5.
Устройство для осуществления способа определения динамической индуктивности реактора работает следующим образом.
Выпрямленное напряжение с выхода управляемого выпрямителя 1 поступает через шунт 2 с амперметром 3 и малоиндуктивный шунт 4 к испытуемому реактору 5. Путем регулирования угла включения тиристоров управляемого выпрямителя 1 устанавливают необходимую величину тока реактора 5, контролируя ее по амперметру 3. С выхода малоиндуктивного шунта 4 сигнал подается на один канал двухканального цифрового запоминающего осциллографа 6. На второй канал двухканального цифрового запоминающего осциллографа 6 подается напряжение с выводов испытуемого реактора 5. Обе измеряемые величины запоминаются, затем определяется среднее значение напряжения на интервале нарастания тока, потом на интервале спада тока. После этого определяется падение напряжения на активном сопротивлении реактора. Рассчитывают динамическую индуктивность реактора на интервале нарастания тока, потом на интервале спада тока как отношение произведения длительности участка на среднее значение напряжения реактора, за вычетом падения напряжения на его активном сопротивлении, к приращению тока. В результате находят динамическую индуктивность реактора как среднее арифметическое индуктивностей на участках нарастания и спада тока.
На фиг.2 приведены диаграммы напряжения и тока реактора.
Предлагаемый способ определения динамической индуктивности реактора и устройство для его осуществления целесообразно использовать в случае определения динамической индуктивности реакторов, обладающих повышенным активным сопротивлением обмотки (например, реакторы выполненные из высокотемпературного провода, реакторы работающие в кратковременных режимах: реакторы для пуска электродвигателей, для заряда конденсаторов).
Целесообразно использовать способ и устройство для его осуществления в условиях наложенных шумов токового сигнала, приводящих к искажению формы измеряемых сигналов, что наиболее часто встречается в реакторах с малыми пульсациями тока (реакторы с высокой индуктивностью при незначительной величине активного сопротивления), а также в реакторах с большим магнитным зазором и, соответственно, с большими полями рассеяния. Предлагаемый способ определения динамической индуктивности реактора обеспечивает высокую точность расчета индуктивности.
В случае определения динамической индуктивности реакторов, не обладающих значительным полем рассеяния или активным сопротивлением, имеющих значительные (легкоизмеримые) пульсации тока целесообразно использовать упрощенный вариант способа без учета падения напряжения на активном сопротивлении реактора. При этом часто достаточно расчета динамической индуктивности ректора только на участке нарастания или спада тока и может быть не востребовано использование высокоомного безиндуктивного шунта или режима измерения осциллографом только переменной составляющей сигнала. Точность измерения осциллографом и точность расчета динамической индуктивности реактора в этих случаях достаточна для большинства научных и инженерных применений.
Устройство для реализации способа определения динамической индуктивности реактора в сравнении с прототипом исключает из принципиальной схемы электрические вращающиеся машины, а применение управляемого выпрямителя позволяет значительно повысить надежность оборудования, что существенно снижает стоимость и габариты испытательного оборудования.
Предлагаемые способ определения динамической индуктивности реактора и устройство для его осуществления были испытаны на пяти образцах реакторов с номинальными параметрами: напряжение 6 и 10 кВ, ток - 80; 100; 320; 630 А, индуктивность - от 6 до 80 мГн.
Испытания подтвердили высокую точность определения динамической индуктивности реакторов. Высокая точность определения динамической индуктивности реакторов позволяет оптимизировать расход активных материалов при разработке реакторов, точнее контролировать их качество при производстве, определять с высокой точностью зависимость индуктивности от тока в диапазоне рабочих токов, что позволит повысить качество настройки преобразователей со сглаживающими реакторами.