Учебная работа. Проектирование измерительного преобразователя тока в напряжение на основе трансформатора тока и операционного усилителя

Учебная работа. Проектирование измерительного преобразователя тока в напряжение на основе трансформатора тока и операционного усилителя

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему «Проектирование измерительного преобразователя тока в напряжение на базе трансформатора тока и операционного усилителя»

Начальные данные

Спроектировать измерительный преобразователь тока в напряжение на базе трансформатора тока и операционного усилителя(ОУ).

Создать и обрисовать схему, изучить погрешность, вносимую трансформатором тока.

Объяснительную записку оформить в согласовании с действующими эталонами.

Начальные данные для расчёта трансформатора тока:

— превичный ток 0 — 5А,

— вторичнй ток 2 мА,

— напряжение на входе ОУ 0 — 10 В,

— сопротивление перегрузки не наименее 2 кОм,

— погрешность не наиболее 0,2%

— чатсота 50 ± 10% Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ),

— сталь 80 НХС

Введение

Крайние годы характеризуются широким внедрением в энергетику и остальные отрасли хозяйства полупроводниковой техники, которая всё почаще реагирует на секундные значения токов и напряжений, что выдвигает новейшие требования к трансформаторам и иным устройствам автоматики. Возрастание требований к точности измерений тока и напряжения в энергетике соединено также с ростом единичной мощности энергоблоков, с повышением уровня передаваемой мощности и с увеличением трудности задач решаемых автоматикой. В особенности животрепещуща задачка оптимизации промежных трансформаторов, устройств ввода тока и напряжения в современные измерительные преобразователи (ИП), где эти трансформаторы по погрешностям и габаритным размерам являются определяющими.

Измерительным преобразователем (ИП), согласно ГОСТу, именуется средство измерения, созданное для выработки сигнала измерительной инфы в форме, комфортной для передачи, предстоящего преобразования, обработки и (либо) хранения, но не поддающейся конкретному восприятию наблюдателем.

Выходным сигналом в аналоговых ИП быть может неизменный ток либо напряжение, частота и ряд остальных информативных характеристик. В цифровых преобразователях выходным сигналом является код. Все применяемые на данный момент в энергетике измерительные преобразователи мощности имеют токовый выходной сигнал ±5 мА.

На выбор структуры ИПАМ и схемных решений значительно влияет частота сигналов контролируемой цепи. Для энергетических преобразователей номинальная частотa входных сигналов 50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ), а наибольшее отклонена от этого значения ±5 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ). Входные сигналы ИПАМ не содержат неизменной составляющей и являются выходными сигналами высоковольтных измерительных трансформаторов тока (ВТТ) и напряжения (ВТН), имеющих обычные номинальные значения выходных сигналов 100В для ВТН и 1 либо 5 А для ВТТ.

К ВТТ и ВТН подключается существенное количество измерительных преобразователей и устройств защиты и автоматики, в силу чего же схемы всех подключаемых устройств должны обеспечивать гальваническую развязку выходных и входных цепей, также входных цепей меж собой.

1. Устройства ввода тока

Устройства ввода тока. Внедрение ПТТ в качестве УВТ в течение почти всех лет было оправдано малой мощностью, потребляемой от ВТТ, потому что первичная обмотка ПТТ представляет собой один виток, продетый в окно сердечника. При переходе к микроэлектронной элементной базе резко уменьшился вторичный ток, а означает, возросло число витков вторичной обмотки. При всем этом габаритные размеры ПТТ уменьшились не достаточно, так как сечение вторичной обмотки нереально неограниченно уменьшать, возросла индуктивность рассеяния которую тяжело буквально оценить. Не считая того, возникла неувязка ввода вторичною тока ВТТ в ИПАМ через разъем к ПТТ, расположенному па печатной плате. Обычное решение, изображенное на рис. 1.1, а, не имеет преимуществ по сопоставлению с представленным на рис. 1.1, б, потому что согласно расчетам минимум погрешности при всем этом же сердечнике ПТТ имеет пространство при и , т.е. в схеме рис. 2.1.1, б.

Рис. 1.1 Схемы УВТ

В итоге определенное время в СССР (Союз Советских Социалистических Республик, также Советский Союз — ток, и при тех же габаритах, что и ПТТ, его погрешность существенно меньше. Размещение шунта на задней стене ИПАМ приводит к наиболее резвому установлению термического режима снутри корпуса, потому что главный источник тепла находится вне ИП. Шунт изготовляется из манганина и быть может выполнен весьма размеренным. Ряд заводов имеет большенный опыт производства размеренных шунтов для измерительных устройств, различных мостов и потенциометров. Но решение по рис. 1.1, в. не совершенно. Его внедрение наращивает потребление от ВТТ. Так, в Ф5139 при номинальном токе и сопротивлении шунта 0,1 Ом оно составляет 2,5 Вт на фазу. Усложнился при таком решении переход к другому номинальному значению первичного тока. При переходе к одноамперным ВТТ должен употребляться шунт с сопротивлением 0,5 Ом, чтоб не изменять характеристики ПТН.

С увеличением надежности и понижением цены интегральных ОУ возникла возможность решения заморочек построения УВТ и увеличения их свойства. На рис. 1.2 представлена схема УВТ, в какой осуществляется электрическая тока является конечное значение тока намагничивания, определяемое значением .

Рис. 1.2 Схема УВТ c электрической компенсацией погрешностей ПТТ.

Если уменьшить при постоянных параметрах ПTT, уменьшится погрешность. Наибольшее ток подбирать так, что буквально равно в хоть какой момент , то и погрешность ПТТ отсутствует. Эта мысль реализована в схеме рис. 1.2

Если первичные ампер-витки не буквально равны вторичным , сердечник ПТТ начинает перемагничиваться и на обмотке возникает напряжение, которое усиливается ОУ. Это приводит к такому изменению тока , что напряжение на обмотке миниатюризируется. При значимом усилении и широкой полосе пропускай ОУ напряжение на обмотке весьма не достаточно и довольно буквально производится условие

(1.1)

напряжение преобразователь фильтр трансформатор

Главные достоинства схемы рис. 1.2 явны. Высочайшая точность обеспечивается даже при сердечниках ПТТ из низкокачественных ферромагнитных материалов, что дозволяет применять дешевенькие и технологичные ферритовые сердечники горшкообразной конструкции. Со стороны выхода УВТ (рис. 1.2) сохраняет характеристики источника тока как и схема рис. 1.2, б, в отличие от схемы рис. 1.2 в. Крайнее свойство дозволяет включать на выходе УВТ нелинейные сопротивления без увеличений погрешности. к примеру, при коммутации выходного тока ключами их сопротивление не влияет на точность преобразования. В схеме рис. 2.2 вновь возникает неувязка соединения ВТТ с ПТТ. Все почаще один измерительный элемент употребляется для выполнения нескольких разных функций. сразу преобразуются активная и реактивная мощность, ток, измеряется его направление и т.д. В схеме рис. 1.2.в, к выходу ПТН, а в схеме рис. 1.2 к выходу ОУ можно подключить параллельно входы нескольких независящих ИП, взаимно воздействие которых весьма не достаточно из-за низкого выходного сопротивления ОУ и ПТН.

УВТ с электрической компенсацией пока не использовались в промышленных российских ИПАМ, но решения уже заложены в новейших разработках.

2. Фильтр низких частот

Активные фильтры находят обширное применение в измерительной аппаратуре. При построении активных фильтров вероятны два подхода. Во-1-х, можно применять традиционную теорию LC-фильтров, но заместо настоящих катушек индуктивности использовать так именуемые схемные индуктивности. Во-2-х, южно сходу проектировать фильтры без индуктивности. 2-ой подход обеспечивает получение наиболее малогабаритных устройств, потому он применяется еще почаще.

Активные фильтры состоят из ОУ, работающих в линейном режиме, и пассивных частей. Передаточные функции таковых цепей представляют собой отношение 2-ух операторных полиномов. Апроксимация черт активных фильтров сводится к выбору таковых коэффициентов этих полиномов, которые обеспечивают лучшее в том либо ином смысле приближение к хотимым амплитудно-частотной (АЧХ) либо фазо-частотной (ФЧХ) чертам фильтра.

Более обширно используются последующие типы активных фильтров, отличающиеся друг от друга подходом к нахождению лучшей аппроксимации: фильтры Баттерворта, Чебышева, инверсный Чебышева, эллиптический, Бесселя.

Безупречный фильтр нижних частот (ФНЧ) пропускает с схожим коэффициентом (равным, к примеру, единице) колебания, частота которых лежит в спектре от нуля до некой частоты среза . Вне этого частотного спектра безупречный фильтр имеет коэффициент передачи, равный нулю. Но безупречный фильтр на физическом уровне нереализуем.

3. Унифицирующее устройство выходного сигнала ИПАМ

Выходные сигналы всех ИП, должны удовлетворять требованиям ГОСТа, т.е. должны быть унифицированы. Для ИП, выходным информативным параметром которых служит среднее ток ±5мА при перегрузке 0-2 кОм и ток ±1мА при перегрузке 0-10 кОм. Но от ИП, применяемых в энергетике, и частности для ИПАМ, нередко требуется большая нагрузочная способность. Преобразователи с выходом по напряжению должны допускать уменьшение сопротивления перегрузки до 1-0,5 кОм, преобразователи с токовым выходом 5 мА должны допускать повышение сопротивления перегрузки до 2,5-3 кОм.

Для унификации выходных сигналов ИПАМ используются выходные унифицирующие усилители (УУ), которые строятся на ОУ. В ранешних выпусках ИПАМ, к примеру Е728, первых выпусках Е748, унифицирующие усилители строились на дискретных элементах. В истинное время УУ всех выпускаемых ИПАМ (Е748, Е 829, Ф 5139, ИПАМ-301) строятся на базе интегральных ОУ.

Выходной сигнал ИПАМ с выходом по напряжению унифицируется при помощи инвертирующего усилителя либо неинвертирующего усилителя. Применение первого лучше, так на нем проще выполнить суммирование выходных сигналов множителей ИПАМ, но инвертирующий усилитель нагружает множители. Неинвертирующий усилитель целенаправлено применять, если МУ ИПАМ имеют высочайшее выходное сопротивление, но в этом случае затруднено суммирование их выходных сигналов. Коэффициент усиления УУ выбирают из условия обеспечения выходного напряжения равным нормирующему значению сигнала ГОСТ при номинальных входных сигналах ИПАМ. Если нагрузочная способность ОУ (5 мА) оказывается недостаточной, используют умножающие каскады на базе эмиттерных повторителей.

Почти всегда в ИПАМ требуется получение унифицированного токового сигнала в большей степени с выходным током 5 мА.

Для получения унифицированного токового сигнала употребляются преобразователи напряжение-ток (ПНТ). Простым ПНТ может служить инвертирующий усилитель на ОУ, если считать, что цепь оборотной связи ОУ является выходной цепью ПНТ, а резистор — нагрузочным резистором. Вправду, ток в цепи обрати связи ОУ не зависит от сопротивления цепи оборотной связи и определяется лишь входным током, равным . Эта схема дозволяет просто суммировать входные сигналы, ток перегрузки в этом случае

, | (3.1)

но имеет маленький коэффициент усиления по току, равный 1. Для роста крайнего используют схему рис. 3.16. тут перегрузка включена меж выходом ОУ, и средней точкой делителя, образованного резисторами , . ток перегрузки для данной для нас схемы определяется выражением

(3.2)

При соответствующем выборе дела выходной ток может намного превосходить входной ток

4. Расчёт устройства ввода тока, выполненного на промежуточном трансформаторе тока

Рассчитываем сечение первичной обмотки .

Сечение провода определяется наибольшим работающим значением продолжительно протекающего в обмотке тока и допустимой плотностью тока:

=;

т. к. , а ,

то ;

Таблица 1 — характеристики тороидального сердечника

Габаритные размеры магнитопровода

Справочные данные

D1

D2

d

a

Sct

Q0

Q0*Sct

lст

G

dт

мм

мм

мм

мм

см2

см2

см4

см

г

мм

ОЛ20/25-5

20

25

5

2,5

0,1

3,14

0,314

7,05

5,7

5,0

ОЛ20/28-5

20

28

5

4

0,16

3,14

0,504

7,55

10,75

5,0

ОЛ22/30-5

22

30

5

4

0,16

3,8

0,534

8,16

11,62

5,0

количество витков первичной обмотки: W1= 1

Первичный виток проходит снаружи вторичной обмотки в технологическом отверстии тороидального сердечника, а остальное пространство в окне сердечника целенаправлено на сто процентов заполнить вторичной обмоткой. Откуда сечение провода вторичной обмотки определяется из условия наполнения окна сердечника обмоткой:

(2)

где km=0.2%.

Количество витков вторичной обмотки определяется по формуле:

(3)

Длина меди определяется по формуле:

; (4)

габаритные размеры магнитопровода и находим из таблицы характеристик тороидальных сердечников (Таблица 1);

— коэффициент укладки, находим из соответствия сечения провода из меди и коэффициента укладки по таблице характеристик обмоточных проводов обычного сечения (приложение 3).

Амплитуду номинальной индукции находим из выражения

, (5)

где ;

.

Определяем наибольшее

. (6)

Для получения значения погрешности в процентах, рассчитанное значение нужно помножить на . Таковым образом конечная формула для значения фазовой погрешности воспримет вид:

, (7)

При всем этом обязано производиться условие, что расчетная погрешность обязана быть меньше допустимой (данной), но наибольшей из рассчитанных по принятым типоразмерам сердечника.

Т.е. . (8)

Функцию для стали 80НХС находим по формуле:

, (9)

Разглядим несколько вариантов расчетов типоразмеров сердечника:

— сердечник ОЛ20/25-5:

Определяем длину меди по формуле (4):

Амплитуду номинальной индукции находим по формуле (5):

Функцию для стали 80НХС найдем из формулы(9):

,

,

%

— сердечник ОЛ20/28-5:

Амплитуду номинальной индукции находим по формуле:

Функцию для стали 80НХС найдем из формулы(9):

,

,

%

— сердечник ОЛ22/30-5:

Амплитуду номинальной индукции находим по формуле:

Функцию для стали 80НХС найдем из формулы(9):

,

,

%

Выполним проверку условия(9):

,

,

Таковым образом, из выше перечисленных данных и данного условия (9) можно прийти к выводу что поставленным требованиям удовлетворяют все 3 рассмотренных типоразмера сердечника: ОЛ1/25-5, ОЛ20/2-5 и ОЛ22/30-5; но исходя из экономических суждений мы избираем типоразмер ОЛ20/25-5.

Заключение

В данной курсовой работе мы спроектировали измерительный преобразователь тока в напряжение на базе трансформатора тока и операционного усилителя.

Разработали структурную и принципную схеме измерительного преобразователя тока в напряжение наиболее тщательно ознакомились с принципом деяния рассматриваемого устройства. Произвели расчёт измерительного трансформатора тока.

В теоретической части рассмотрены элементы, которые входят в состав преобразователя тока в напряжение.

В итоге расчёта промежного трансформатора тока мы сделали вывод мы сделали вывод, что нам нужен тороидальный сердечник ОЛ 20/25-5, т. к. он удовлетворяет всем нужным требований (вносимая погрешность не наиболее 0,2%).

Применяемые источники инфы

1. Кизилов В.У. Проектирование измерительных трансформаторов тока и напряжения, трансформаторов и дросселей переменного тока устройств автоматики энергосистем. Харьков, ХПИ, 2000.

2. Кизилов В.У., Максимов В.М., Смилянский И.И. Измерительные преобразователи активной мощности энергообъектов. Высшая школа, 1983.

3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — М.: Энергия, 1988.

]]>