Автоматизированный расчет параметров плоских шунтов переменного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317.71.001.2

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЛОСКИХ ШУНТОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Е.В. Бедарева, П.Ф. Баранов, А.А. Левицкий*

Томский политехнический университет * Сибирский федеральный университет, г. Красноярск E-mail: bedareva@tpu.ru

Показана возможность автоматизированного расчета параметров плоских бифилярных шунтов переменного тока. Выведены выражения, позволяющие рассчитать геометрические и электрические параметры плоских шунтов переменного тока, а также получены их частотные характеристики. Разработано программное обеспечение, позволяющее проводить расчеты данных параметров шунтов в автоматизированном режиме.

Ключевые слова:

Плоские шунты, геометрические и электрические параметры, динамические характеристики, коэффициент преобразования.

Введение

В процессе нанесения многофункциональных покрытий методом микродугового оксидирования [1] или при контактной сварке [2] применяются источники импульсов сложной формы. Характеристики импульсов, формируемых такими источниками, влияют на количество дефектов, структуру сварного шва или его толщину, шероховатость упрочняющего покрытия. Поэтому важно с достаточной для практики точностью измерять параметры этих импульсов для целенаправленного управления технологическим процессом и, следовательно, качеством конечного продукта [3]. Считается, что для этих целей наиболее подходят резистивные преобразователи тока из-за своей малой стоимости, линейности, высоких метрологических характеристик и сравнительной простоты изготовления [4-7]. При прецизионных измерениях используются плоские шунты бифилярной конструкции, которые обеспечивают возможность подгонки номинала сопротивления, а также имеют относительно небольшие габаритные размеры при больших рабочих токах по сравнению с с шунтами коаксиальной конструкции.

Для изготовления шунтов с заданными метрологическими характеристиками необходимо произвести расчеты по определению требуемых геометрических и электрических параметров, а также динамических характеристик с учетом поставленной измерительной задачи.

В статье приводится методика расчета электрических и геометрических параметров, динамических характеристик плоских бифилярных шунтов переменного тока и предложено программное обеспечение, позволяющее автоматизировать данные расчеты.

Бедарева Елена Вячеславовна, ассистент кафедры компьютерных измерительных систем и метрологии Института кибернетики ТПУ. E-mail: bedareva@tpu.ru Область научных интересов: программное обеспечение измерительных систем, математическое моделирование измерительных систем. Баранов Павел Федорович, аспирант кафедры компьютерных измерительных систем и метрологии Института кибернетики ТПУ. E-mail: bedareva@tpu.ru Область научных интересов: методы и средства измерений электрических величин, графические программные технологии, аналитическое приборостроение, интеллектуальные системы. Левицкий Алексей Александрович, канд. физ.-мат. наук, доцент, заведующий кафедрой приборостроения и наноэлектроники Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета, г. Красноярск. E-mail: bedareva@tpu.ru Область научных интересов: приборостроение, радиоэлектронные средства, микроэлектроники, наноэлектроника, микросистемная техника.

Методика расчета параметров плоских бифилярных шунтов

Расчет геометрических и электрических параметров осуществляется для плоского би-филярного шунта, представленного на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция плоского бифилярного шунта: I - направление прохождения тока; 1 - би-филярная резистивная лента; 2 - диэлектрик между лентами бифиляра; 3, 4 - медные токовые выводы; l - длина бифилярной конструкции; w - ширина пластины

Так как параметры шунтов зависят от выделяемой мощности, которая, в свою очередь, определяется формой пропускаемого через него тока, то выделим два режима работы:

1) непериодический, когда используется однократный импульс тока;

2) периодический - импульсный или гармонический токи.

В первом случае определяется максимальная мощность непериодического тока: P =U I

1max max max '

где P - максимальная мощность постоянного тока, Вт; U - напряжение на шунте при максимальном токе, В; - максимальный ток, А.

7 " max 7

Во втором случае определяется средняя мощность рассеивания:

р _ UmaxImaxtH P2max r^ '

где P - максимальная мощность переменного тока, Вт; t - время действия импульса;

T - период следования импульсов.

Тогда энергия, выделяющаяся в шунте, вычисляется по формуле:

W = Pt,

где P = P1max или P = P2max в зависимости от формы входного тока, Вт; W - энергия, выделяющаяся в шунте, Дж; t - время воздействия тока.

Геометрические размеры шунта определяются объемом резистивного элемента, в котором рассеивается тепло, и площадью его поверхности при заданном значении допустимой температуры перегрева. Таким образом, объем токовой пластины шунта определяется из выражения:

W

V = ■

суд

где V - объем токовой пластины шунта, м3; С - удельная теплоемкость манганина, Дж/кгК; у- плотность манганина, кг/м3; Q - температура перегрева, °С.

Минимальная площадь резистивного элемента определяется из выражения

^ = V,

а

где 5 - площадь резистивного элемента; й - толщина пластины.

Минимальное значение ширины пластины резистивной части шунта:

= Р5

V йЯ '

где - минимальное значение ширины резистивной ленты; р - удельное сопротивление материала; Я - сопротивление шунта.

Длина бифилярной конструкции плоского шунта определяется по формуле

5

I = -

■

Авторами в работе [4] индуктивность плоского бифилярного шунта определяется по следующей формуле:

Ь = -

¡и01й (1 + —) а

где /л0 - магнитная постоянная; — - толщина диэлектрика между лентами бифиляра.

Для плоского бифилярного шунта ширина ^ значительно превышает толщину й пластины, тогда полное сопротивление определяется в соответствии с выражением:

2т р1

&

1 (2тй) 2 ]тй тй 60 3

^ (1) Следовательно, амплитудная и фазовая характеристики плоского шунта определяются следующими выражениями:

К (а) = . 1 +

р(а) = arctg

И2й4агУ 30р2

]ий2 а

+

2„Х

цй а

~33р

ц2а4а2 30р2

1 -

(2)

(3)

Формула (1) и выражения (2, 3) позволяют сделать вывод о том, что на динамические характеристики плоского шунта влияют физические параметры используемого материала и толщина резистивной пластины.

Программное обеспечение для расчета параметров шунта

Описанная выше методика расчетов параметров плоского бифилярного шунта была автоматизирована с использованием графической среды LabVIEW 2009 [8]. С этой целью было разработано программное обеспечение в виде экспресс-калькулятора (рис. 2), позволяющее проводить инженерные вычисления параметров шунтов для определения оптимальных параметров конструкции шунта и выбора используемого материала (манганин, константан).

Программное обеспечение позволяет производить расчеты параметров плоского шунта при однократном и периодическом режимах.

J

Рис. 2. Лицевая панель экспресс-калькулятора в непериодическом режиме работы

Работа экспресс-калькулятора начинается с выбора материала пластины и режима работы шунта. В зависимости от выбранного режима измерений на лицевой панели программы задаются электрические параметры измеряемого сигнала:

• максимальная и минимальная амплитуда измеряемого импульса тока, А;

• длительность импульса, с;

• длительность фронта импульса, мкс;

• минимальное входное напряжение осциллографа, мВ;

• длительность воздействия, мкс;

• длительность импульса, мкс.

Для расчета геометрических параметров и индуктивности шунтов необходимо задать температуру окружающей среды и толщину диэлектрической прослойки между пластинами в соответствующих окнах. Таким образом, на лицевой панели выводятся следующие результаты расчета:

• электрические параметры шунта;

• геометрические параметры шунта;

• динамические характеристики шунта.

К электрическим параметрам шунта относятся:

• сопротивление, мОм;

• напряжение на шунте при максимальном токе, мВ;

• максимальная мощность, Вт;

• энергия, выделяющаяся на шунте, Дж;

• индуктивность шунта, нГн.

Геометрическими параметрами шунта являются:

• объем шунта, см3;

• толщина пластины, мм;

• длина бифиляра, мм;

• площадь пластины, мм2;

• ширина пластины, мм.

К динамическим характеристикам относятся:

• амплитудная характеристика;

• фазовая характеристика.

После установки необходимых значений параметров для расчета нажимается кнопка «Рассчитать», а результаты расчетов выводятся в соответствующие окна индикаторов. Нажатие кнопки «Стоп» приводит к сохранению полученных результатов в память компьютера и закрыванию программы.

Пример расчета параметров плоского бифилярного шунта

Рассмотрим использование калькулятора при расчете параметров плоского шунта для двух режимов работ: однократного и периодического.

В качестве примера работы и проверки разработанной программы рассчитаем параметры шунта для измерения однократного электрического сигнала со следующими данными:

• измерение импульсного тока максимальной амплитуды 1тах = 20 кА;

• минимальный измеряемый ток /тш = 100 А;

• длительность импульса ^ = 0,12 с;

• длительность фронта импульса = 6,23 мкс;

• температура перегрева при естественном охлаждении Т1 = 40 °С;

• минимальное напряжение итп = 15 мВ;

• толщина пластины й = 1,5 мм.

Данные, полученные для однократного импульса плоского шунтов, представлены на рис. 2.

В режиме периодического сигнала для расчетов необходимо ввести следующие данные:

• измерение импульсного тока максимальной амплитуды 1тах = 20 кА;

• минимальный измеряемый ток /тш = 100 А;

• длительность воздействия ¿возд = 120 мкс;

• длительность импульса = 1 мкс;

• период следования Т = 5 с;

• температура перегрева при естественном охлаждении Т1 = 40 °С;

• минимальное напряжение итт = 15 мВ;

• толщина пластины й = 1,5 мм.

Результаты расчета выводятся на лицевую панель экспресс -калькулятора в закладке «Периодическое воздействие», рис. 3.

Рис. 3. Лицевая панель экспресс-калькулятора в периодическом режиме работы

Заключение

Представленная методика и разработанное на ее основе программное обеспечение позволяют автоматизировать процесс расчета геометрических и электрических параметров шунтов и сократить время на их проектирование/разработку. Использование такого подхода дает возможность уменьшить расход материалов на изготовление шунта с требуемыми параметрами за счет выбора оптимальной конструкции.

Программный продукт может быть полезным для предприятий, занимающихся

разработкой и изготовлением первичных преобразователей.

Работа проведена в соответствии с грантом РФФИ №13-08-90748 мол_рф_нр по теме «Исследование метрологических характеристикрезистивных преобразователей переменного тока».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Muravyov S.V., Borikov V.N., Natalinova N.M. A Computer System: Measurement of Welding Surge Current // Measurement and Control. - 2009. - V. 42. - № 2. - P. 44-47.

2. Бориков В.Н., Сарычев С.В., Мамаев А.И. Промышленный источник питания для микродугового оксидирования в водных растворах электролита «Boy-2» // Приборы. - 2007. - № 3. -C.11-15.

3. Бориков В.Н. Автоматизированный расчет электрических и конструктивных параметров коаксиальных шунтов в графической среде программирования LabVIEW // Приборы. -2010. - № 3. - C. 42-46.

4. Векслер М.С., Теплинский A.M. Шунты переменного тока. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. -120 с.

5. Данилов А.А. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. -2004.- № 1. - С. 26-35.

6. Нефедьев Д.И. Метод поверки (калибровки) резистивных преобразователей больших постоянных токов // Датчики и системы. - 2006. - № 5. - С. 47-51.

7. Kawamura T., Haginomori E., Goda Y., Nakamoto T. Recent Developments on High Current Measurement Using Current Shunt // Transactions on electrical and electronic engineering. -2007. - № 2. - P. 516-522.

8. Трэвис Дж. LabVIEW для всех. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 538 с.

Поступила 20.09.2013 г.