CC BY
5
УДК 691.3.011.3.001.24
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-250-251
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ
Ю.М. Горбенко, В.В. Кирюха
Рассмотрена задача по измерению активной мощности в несимметричной трехфазной цепи на основе дифференцирующего индукционного преобразователя тока. Предложены схемы измерителя. Проанализирован один из вариантов.
Ключевые слова: трехфазная цепь, активная мощность, трансформатор тока, дифференцирующий индукционный преобразователь тока.
Измерение активной мощности при наличии больших токов требует использование масштабных преобразователей. Традиционно для этих целей используются трансформаторы тока (ТТ) [1,2]. Но для решения такой задачи могут применяться и другие преобразователи, например, дифференцирующие индукционные преобразователи тока (ДИПТ) [1,3]. Замену ТТ на ДИПТ можно объяснить следующими недостатками ТТ: большой массой, большим значением напряжения во вторичной обмотке в случае обрыва в ее цепи, насыщением и остаточной намагниченностью магнитного сердечника, приводящих к большим погрешностям измерения.
ДИПТ, как и ТТ, являются измерительными преобразователями трансформаторного типа, но выходным сигналом ДИПТ, работающего в режиме, близком к холостому ходу, является не ток вторичной обмотки, а снимаемое с нее напряжение, пропорциональное производной измеряемого тока.
Так как ток катушки ДИПТ в сотни и более раз меньше тока вторичной обмотки ТТ, то масса ДИПТ, которая определяется произведением расчетной ЭДС на расчетный ток катушки, в сравнении с массой ТТ, является ничтожной, даже для ДИПТ, имеющих ферромагнитный сердечник. В случае его замены каркасом из полимерного изоляционного материала обеспечиваются дополнительные преимущества ДИПТ над ТТ: характеристики ДИПТ становятся линейными, а погрешность измерения снижается.
Рассмотрим возможности использования ДИПТ для измерения активной мощности в несимметричной трехфазной цепи.
Один из вариантов измерения активной мощности в несимметричной трехфазной цепи представлен на рис.1. Схема состоит из двух ДИПТ (ДИПТ1, ДИПТ2), включенных на линейные токи линий В и А (1В, 1А), двух трансформаторов напряжения (ТН1, ТН2), первичные обмотки которых включены на фазные напряжения иА0,ив0, искусственно созданной симметричной звезды (нулевая точка). Вторичные обмотки трансформаторов напряжения включены последовательно с обмотками ДИПТ, а их суммарные напряжения подаются на вход однофазных выпрямителей (В1, В2). Выходное напряжение измерителя определяется разностью выходных напряжений выпрямителей.
Проанализируем работу измерителя активной мощности, для нагрузки соединенной в треугольник.
Определим напряжение и1 на входе выпрямителя В1
и1 = иА0+ив = иА0+]ХмЧв , 250
где UA0 - напряжение пропорциональное соответствующему фазному напряжению искусственно созданной звезды, B; UB - напряжение ДИПТ1, B; Хм = шМ - сопротивление взаимной индуктивности катушки ДИПТ1 с токопроводом, Ом; ш - круговая частота, рад/с; М - взаимная индуктивность катушки ДИПТ1 с токопроводом, Гн.
На векторной диаграмме (рис. 2) показано суммирование векторов UA0 и jXM •Ig по правилу треугольника, в котором один из углов обозначен
Определим действующее значение напряжения и± по теореме косинусов Ui = ^Uao2 + Ub2 ~2 • UA0 •Us • cos ^ .
(120° - Флв)
Рис. 2. Векторная диаграмма определения напряжения U1
Напряжение UB много меньше напряжения UA0. Учитывая это, имеем
U1 = ^UA02 -2^UAo^UB^cos р! . Разложим полученное выражение в ряд Маклорена, ограничившись первыми двумя членами
Ui = Vao ~Ub • cos = UA0 cos p^
Рассматривая произведение XM •Ig • cos px как проекцию вектора jXM •Ig на вектор UA0, представим эту проекцию как сумму проекций векторов (JXM •¡вс) и (—jXM •iAB) от фазных токов iBC, iAB. В результате имеем
иг = иА0 -хм • [¡ВС • cos(180o - ФВС) +1АВ • cos(120o - флв)] =
-з
= иЛ
ао +Хм • \^вс Фвс+^Ъв С03 Фав-^^ав ^ Фав\ , где фАВ, фвс - сдвиг фаз АВ и ВС, град.
Определим напряжение 02 на входе выпрямителя В2
и2 = иво + иА = иво+]ХмЧА , где 0ВО - напряжение пропорциональное соответствующему фазному напряжению искусственно созданной звезды, В; 0А - напряжение ДИПТ2, В; Хм = шМ - сопротивление взаимной индуктивности катушки ДИПТ2 с токопроводом, Ом; ш - круговая частота, рад/с; М - взаимная индуктивность катушки ДИПТ2 с токопроводом, Гн.
На векторной диаграмме (рис. 3) показано суммирование векторов 0ВО и }ХМ •1А по правилу треугольника, в котором один из углов обозначен р2.
Определим действующее значение напряжения и± по теореме косинусов
и2 = VиВп2 + иА2
'во - 2 • ив0 •Ua • cos р2 .
Напряжение UA много меньше напряжения UB0. Учитывая это, имеем
= ^UB02 -2^UB0 •Ua^COS р2 . Разложим полученное выражение в ряд Маклорена, ограничившись первыми двумя членами
Щ = Ubo - Ua • cos р2 =UB0 cos $2.
Рассматривая произведение cos р2 как проекцию вектора jXM •¡а на вектор UB0, пред-
ставим эту проекцию как сумму проекций векторов (JXM •iAB) и (—jXM •¡Са) от фазных токов ¡Ав, ¡сл. В результате имеем
U2 = Ubo ~Хм • Uab • cos(60° + фАВ) +1СА • cos фСА] = = UB0+XM• \-yhb cos Фав--^^ав sin Фав — ¡са cos Фса\ ,
где фАВ, Фса - сдвиг фаз AB и CA, град.
Напряжение на выходе первого ивъ1х1 и второго ивътх2 выпрямителей
ивъх! =Ри •U1=pu •[иА0 + ХМ (lBC cos Фвс+^Iab cos Фав~Ц^ав sin Ф^в)],
ивък! = Pu^2=Pu\Vbo +XM(-^IAB cos Флв-^^ав sin Фав -¡ca c0s Фсл)^ где Py - коэффициент выпрямления.
Напряжение на выходе измерителя
ивътх = Ри •ХмОав cos Фав +!вс cos Фвс +!са cos Фса) пропорционально активной мощности несимметричной трехфазной цепи.
Рис. 3. Векторная диаграмма определения напряжения и2
Два других варианта реализации данного подхода измерения активной мощности в несимметричной трехфазной цепи могут быть реализованы следующим образом.
Первый вариант.
Напряжение и1 = 0АО + ]'ХМ •¡С, т.е. трансформатор напряжения включен на напряжение 0АО, а ДИПТ на ток /С.
Напряжение 02 = 0СО +}ХМ •1А, т.е. трансформатор напряжения включен на напряжение 0СО, а ДИПТ на ток ¡А.
Выходное напряжение определяется разностью выпрямленных напряжений и и2 {и1—и2).
Второй вариант.
Напряжение 0± = 0ВО +]'ХМ •1С, т.е. трансформатор напряжения включен на напряжение 0ВО, а ДИПТ на ток 1С.
Напряжение 02 = 0СО +]'ХМ •1В, т.е. трансформатор напряжения включен на напряжение исо, а ДИПТ на ток ¡в.
Выходное напряжение определяется разностью выпрямленных напряжений и± и и2 {и1—и2).
Список литературы
1. Кувшинов, Г.Е. Современные направления развития измерительных преобразователей тока для релейной защиты и автоматики / Г.Е. Кувшинов, Д.Б. Соловьев; Российская таможенная академия, Владивостокский филиал. Владивосток: РИО Владивостокского филиала Российской таможенной академии, 2012. 316 с.
2. Казанский В.Е. Измерительные преобразователи тока в релейной защите. М.: Энергоатомиз-дат, 1988. 240 с.
3. Горбенко Ю.М., Кирюха В.В. Измерительный преобразователь активного тока на основе дифференциального измерительного преобразователя // Материалы Нац. науч.-техн. конф. с международным участием «Актуальные проблемы развития судоходства и транспорта»: 16 - 17 ноября 2022/ Владивосток: Изд-во Дальрыбвтуза, 2022. С. 30 - 33.
Горбенко Юрий Михайлович, канд. техн. наук, доцент, gorbenko.um@mail.ru, Россия, Владивосток, Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,
Кирюха Владимир Витальевич, доцент, vkiryuha@list.ru, Россия, Владивосток, Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет
ACTIVE POWER MEASUREMENT METHOD ASYMMETRIC THREE -PHASE CHAIN
Yu.M. Gorbenko, V.V. Kiryukha
The task of measuring active power in an asymmetric three -phase circuit based on a differentiating inductance converter is considered. The meter diagrams are offered. One of the options is analyzed.
Key words: three-phase circuit, active power, transformer of it-ka, differentiating an induction transducer of current.
Gorbenko Yuri Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, gorbenko.um@mail.ru, Russia, Vladivostok, Far Eastern State Technical Fisheries University,
Kiryukha Vladimir Vitalievich, docent, vkiryuha@list.ru, Russia, Vladivostok, Far Eastern State Technical Fisheries University
УДК 621.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-253-254
СОЗДАНИЕ ФАЗОВОГО ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА НА РОССИЙСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ
Я.С. Малмыгин, А.Е. Гусева, С.О. Гриднев
В статье рассмотрена возможность создания отечественного лазерного дальномера из радиодеталей. В основу методики разработки и проектирования заложена простота расчетов и компьютерное моделирование отдельных узлов схем. Для данного дальномера необходим отражатель, так как в его конструкции не используются лавинные фотодиоды. Он будет применятся в геодезии и маркшейдерии как дополнительный прибор высокой точности для слежения за деформациями бортов карьера.
Ключевые слова: лазерный дальномер, генератор сигналов, лазерный излучатель, лазерный приемник, усилитель, транзистор.
Лазерные дальномеры предоставляют возможность дистанционного измерения расстояния до объекта. Они делятся на несколько типов по принципу измерения дальности: импульсные, фазовые и триангуляционные [1].
В этой статье будет рассмотрены основные узлы фазового дальномера. Отличие разрабатываемого дальномера от аналогов является полное отсутствие зарубежных радиодеталей.
Излучение лазера, отражается от объекта и принимается фотоприемником. После чего фаза излученного сигнала сравнивается с фазой принятого сигнала. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером (рис. 1) [2].
На рисунке 2 представлена структурная схема фазового лазерного дальномера. В нее входят такие узлы как генераторы сигнала, усилители, лазерный излучатель, фотодиод, смесители, фильтры и микроконтроллер, который выполняет цифровую обработку сигналов [3].
Генераторы собраны на микросхеме КА155ЛА3. Прямоугольные импульсы проходят LC фильтр для получения гармонического сигнала. После, сигнал с генератора подается на усилитель для модуляции лазерного излучения и излучается в пространство с помощью лазерного диода.
Также сигналы с генераторов подаются на первый смеситель для прямого преобразования. После, получившийся сигнал проходит ФНЧ и усилитель, и подается на вход микроконтроллеру для запуска таймера.
Для приема сигнала используется фотодиод ФД263-01. После чего принятый сигнал усиливается и отправляется в смеситель, где происходит прямое преобразование. После преобразования сигнал фильтруется, усиливается и подается на вход микроконтроллера через усилитель, который останавливает таймер.
Фильтр после генераторов необходим для получения узкополосного сигнала. Это позволяет сильно уменьшить влияние шумов на результат измерения расстояния.
Схема передающей и приемной части была смоделирована в программе LTspice XVII [4].
На схеме, передающей части (рис. 3), сигнал с генератора, роль которого играет источник напряжения У2, проходит полосовой фильтр, состоящий из конденсаторов С3 и С4 и индуктивности L1. После прохождения фильтра сигнал приобретает синусоидальную форму (рис. 4). Затем сигнал попадает на усилительный каскад, собранный на транзисторе УТ1 и резисторах И2 и Я3, при этом ток на лазерном диоде изменяется по гармоническому закону (рис. 5).
