Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
19
Державний університет "Львівська політехніка"
На правах рукопису
Трембач
Ростислав Богданович
УДК 621.317.3
ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ВИМІРЮВАННЯ
ФАКТОРІВ ІНТЕГРАЛЬНОЇ НАПРУГИ
ПІДВИЩЕНОЇ ЧАСТОТИ
05.11.05 - Прилади та методи вимірювання
електричних та магнітних величин
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового
ступеня кандидата технічних наук
Львів –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті
ім. Івана Пулюя Міністерства освіти України
Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент
Карпінський Микола Петрович.
Тернопільська академія народного
господарства, завідувач кафедри
"Спеціалізовані комп’ютерні системи"
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Чабан Василь Йосипович,
Державний університет
"Львівська політехніка", кафедра
"Теоретичної та загальної електротехніки"
кандидат технічних наук, доцент
Серпілін Клавдій Леонідович,
Національний технічний університет
“Київський політехнічний інститут”,
кафедра інформаційно- вимірювальної
техніки.
Провідна установа: Інститут електродинаміки НАН України, відділ
електричних та магнітних вимірювань, м. Київ.
Захист відбудеться "23" червня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35. 052. 08 у Державному університеті "Львівська політехніка" (79000, м. Львів- 13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету "Львівська політехніка" (79000, м. Львів- 13, вул. Професорська, 1)
Автореферат розісланий "11"травня 2000р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, д.т.н. ____________________ Луцик Я.Т.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Проблема зниження витрат ресурсів та енергії, підвищення рівня автоматизації технологічних процесів і регульованості параметрів приймачів електроенергії зберігає свою актуальність, незважаючи на значний внесок спеціалістів в її розв'язання на протязі останнього десятиріччя. Вона тісно пов’язана з проблемами технічного переозброєння і структурної перебудови всієї економіки. Важливість її вирішення підтверджується статусом державної політики та координується державними органами в усіх високорозвинутих країнах Враховуючи необхідність якнайшвидшого ефективного розв’язання цієї проблеми в нашій державі, згідно з розробленою "Програмою енергозбереження для України", один з пріорітетних напрямків у проведенні політики енергозбереження в загальнонаціональному масштабі полягає у застосуванні систем обліку, регулювання, контролю, засобів силової електроніки, високоефективних систем освітлення, використання нетрадиційних джерел енергії. Першочергове значення для успішного виконання цих робіт має вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти. Суттєво впливають на зміни факторів інтегральної напруги силові та освітлювальні приймачі електроенергії. Ступінь такого впливу є неоднозначним для їх різних величин і характеристик. За даними нормативних та інших науково-технічних документів взаємозв'язок між факторами інтегральної напруги та величинами приймачів електроенергії описується степеневим рядом з похибкою 1...2 %.
Слід зазначити, що раніше запропоновані вимірювальні перетворювачі факторів інтегральної напруги використовували винятково в колах промислової частоти 50 Гц. Крім цього, при перетворенні цими засобами факторів інтегральної напруги виникають технічні труднощі в досягненні потрібної функціональної залежності між струмом вимірювального трансформатора струму та напругою живлення.
Недостатньо уваги приділено функціональним вимірювальним перетворювачам факторів інтегральної напруги в діапазоні частот, що використовуються для перспективного живлення приймачів електроенергії струмами підвищеної частоти: одиниці і вище кілогерц. Внаслідок цього виникає потреба у підвищенні точності та розробці засобів вимірювання факторів інтегральної напруги при таких частотах.
Розв'язанню цієї актуальної задачі і присвячена дана дисертаційна робота.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконані автором згідно науково-дослідними роботами Тернопільського державного технічного університету ім. І.Пулюя
(Д8 - 91 р.н. 0193U039353 та Д17 - 92, р.н. 0193U039362), а також дослідно- конструкторських роботіт ВАТ “Ватра” м.Тернопіль (ДКР 120-02 від 07.1998 р. (акт впровадження від 30.08.1999 р.), ДКР 120-02А від 08.1998р. (акт впровадження від 30.08.1999 р.)) та ВАТ “Текстерно” м.Тернопіль (132- 08/05 від 04. 1998 р. (акт впровадження від 18.10.1999 р.))
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення засобів вимірювань факторів інтегральної напруги підвищеної частоти підвищеної точності.
Поставлена мета досягається розв’язанням таких науково-технічних задач:
Достовірність результатів роботи підтверджується основними положеннями теорії електронних схем, теорії похибок, теорії імовірності, чисельними методами результатами комп’ютерної симуляції та практикою промислового впровадження.
Наукова новизна одержаних результатів.
підвищеної точності та оптимізувати режими живлення приймачів електроенергії на підвищених частотах.
Практичне значення одержаних результатів. На основі теоретичних досліджень сформульовані вимоги до структури і метрологічних характеристик та розроблені засоби вимірювань факторів інтегральної напруги підвищеної частоти, які дозволили в 3…5 разів підвищити точність вимірювань факторів інтегральної напруги підвищеної частоти. Апробована модель вимірювань оптимальних параметрів напруги на підвищених частотах, що забезпечило підвищення ефективності роботи приймачів електроенергії.
Реалізація результатів роботи. Розроблені методики і засоби вимірювань та результати досліджень використані при створенні та впровадженні на ВАТ “Ватра” (м.Тернопіль) в серійне виробництво світильників з люмінесцентними лампами та електронними пускорегулювальними апаратами. Модель вимірювань оптимальних параметрів напруги живлення приймачів електроенергії та засоби вимірювань факторів інтегральної напруги підвищеної частоти впроваджені на ВАТ “Текстерно” (м.Тернопіль).
Особистий внесок здобувача. Основний зміст роботи, основна частина теоретичних та експериментальних досліджень, висновки і рекомендації виконані автором самостійно, а саме розробка наукових результатів, які виносяться на захист:
У дослідженнях, виконаних у співавторстві, внесок автора був визначальним. Прізвища співавторів, які приймали участь з окремих питань, наведені в списку використаних джерел.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на другій науково- технічній конференції ТПІ “Прогресивні технології та обладнання в машино- і приладобудуванні”(Тернопіль, 1993 р), Міжнародній науково- технічній конференції “Світлотехніка’95”(Тернопіль, 1995 р.), Х Національній конференції з міжнародною участю “Освітлення’96” (Варна, Болгарія, 1996р.).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 наукових праць, з них 6 статей у фахових виданнях.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, заключних висновків, списку використаних джерел (117 найменувань), 4 додатків та містить 131 сторінки машинописного тексту, 17 сторінок з рисунками, 9 сторінок з додатками.
ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
У вступі зазначена актуальність дисертаційної роботи, визначено мету та задачі досліджень, показані наукова новизна і практичні результати, отримані в роботі, викладені основні положення, які виносяться на захист, наведені відомості про апробацію та публікацію основних результатів досліджень, описані структура і короткий зміст роботи.
Перший розділ носить оглядово–аналітичний характер і присвячений аналізу вимірювальних параметрів напруги підвищеної частоти. А саме, аналітично розглянуті традиційні методи вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти, які описуються виразом
, (1)
де і - номінальні середня квадратична напруга живлення приймачів електроенергії та її частота;
u(t), T i f - миттєва напруга живлення приймачів електроенергії та її період і частота в поточний момент часу t;
m i q – показники степеня в залежності, яка характеризує взаємозв’язок між факторами інтегральної напруги підвищеної частоти та величинами приймачів електроенергії.
Висвітлені методи врахування впливу факторів інтегральної напруги підвищеної частоти, а також перспективи їх використання, переваги і недоліки. Основна увага звертається на проблеми підвищення точності вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти, зокрема запропонований спосіб корекції переважаючої похибки, викликаної визначальним впливаючим чинником –змінами напруги мережі. Доведено, що початковими даними для цього потрібно використовувати значення n факторів інтегральної напруги підвищеної частоти в дорегулювальний період, причому кількість вимірюваних факторів n залежить від необхідної остаточної похибки непрямих вимірювань характеристик приймачів електроенергії, що підлягають оптимізації, і факторів інтегральної напруги підвищеної частоти в післярегулювальний період.
Розроблений спосіб вимірювання оптимальних параметрів напруги підвищеної частоти, який має в своїй основі запропоновану математичну модель, пов’язує між собою вихідні параметри оптимізації електричного режиму роботи приймачів електроенергії, електричні сигнали керування напруги мережі та вимірювані фактори інтегральної напруги підвищеної частоти згідно з одержаними складовими алгебраїчної системи:
;
;
;… , (2)
де , , ,… - біномінальні коефіцієнти;
, ,…- символи Похгаммера;
- гамма-функції.
Використання експериментально отриманих даних для побудови моделі вимагає проведення серії електричних вимірювань. У зв’язку з цим виникає необхідність якомого повнішої автоматизації і створення засобів електричних вимірювань факторів інтегральної напруги підвищеної частоти з підвищеною точністю зокрема, так і процедури побудови моделі загалом.У другому розділі розглянуто засади побудови засобів вимірювань факторів інтегральноїнапруги підвищеної частоти з покращеними метрологічними характеристиками.
Теоретична частина досліджень виконана на базі моделей низки складових вузлів електронних інтегрувальних засобів і комп’ютерної електроніки. Доведено, що розширивши функціональні можливості електронних інтегрувальних вимірювальних засобів шляхом введення відповідних пристроїв в послідовне і паралельне кола (рис.1), можна виміряти фактори інтегральної напруги підвищеної частоти з підвищеною точністю. Правомірність такого підходу підтверджується отриманим виразом для приросту показів інтегрувального вимірювального приладу факторів інтегральної напруги підвищеної частоти
, (3)
де С, С, С - коефіцієнти;
Um і - амплітуда і кутова частота напруги, прикладеної до вхідних клем вимірювального приладу;
j=- уявна одиниця;
n –номер гармоніки;
- функція
Бесселя з уявним аргументом.
U(t)
Рис.1. Схема засобу вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти на основі електронного лічильника: TV1, TV2 - трансформатори напруги; TA - вимірювальний трансформатор струму; 1- блок амплітудно-імпульсної модуляції та індикації електронного лічильника енергії; 2- функціональний блок; 3- блок шунтів електронного лічильник енергії.
Однак, при застосуванні вимірювальних приладів, побудованих на основі електронних інтегрувальних вимірювальних засобах, особливо для значення показника степеня –…5 і більше, виникають технічні труднощі в досягненні потрібної функціональної залежності. Це викликано ускладненням схеми функціонального пристрою. Встановлено, що в цьому випадку покращені метрологічні характеристики, насамперед точність і швидкодію та розширені функціональні можливості, забезпечують прилади для вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти, які побудовані на основі засобів комп’ютерної електроніки, насамперед інтегральних мікросхем великого і надвеликого ступенів інтеграції. Запропоновано схему сумісних вимірювань електричних та світлотехнічних величин на основі комп’ютеризованої гоніофотометричної системи.
Рис. 2. Функціональна схема приладу для вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти на основі електронного лічильника електроенергії: 1 - блок амплітудно-імпульсної модуляції; 2 - блок реверсування; 3 - блок інтегрування; 4 - блок індикації; 5 - функціональний блок; 6 - блок шунтів; 7 - блок широтно- імпульсної модуляції; 8 - блок стабілізації, TV1, TV2 - трансформатори напруги; TA - вимірювальний трансформатор струму.
Третій розділ містить результати розробки та аналізу похибок приладів для вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти.Зокрема, висвітлені особливості технічної реалізації принципів побудови апаратної та програмної частин приладів для вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти, що грунтуються на електронних інтегрувальних засобах (рис. 2.) і пріоритетних компонентах комп’ютерної електроніки (рис.3.).
Детально розглянуто особливості реалізації електронного вимірювального засобу вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти.
Однією з переваг даного вимірювального приладу є те, що він дозволяє вимірювати фактори інтегральної напруги як в колах промислової частоти 50 Гц, так і в колах підвищеної частоти. Для реалізації способу вимірювань оптимальних параметрів напруги підвищеної частоти розроблена комп’ютеризована вимірювальна система (рис. 4). В ній передбачено також вироблення та подача сигналів керування на засоби живлення приймачів електроенергії з метою забезпечення оптимального режиму їх роботи.
Рис.3. Функціональна схема електронного приладу для вимірювання факторів інтегральної напруги на основі мікропроцесора: АЦП- аналого –цифровий перетворювач; ОЗП- оперативно- запам’ятовувальний пристрій; ППЗП- програмований постійний запам’ятовувальний пристрій.
Досліджено систематичну і випадкову похибки, яким піддаються розроблені прилади для вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти. Виявлено, що в електронних інтегрувальних вимірювальних засобах поряд зі складовими основної кругової частоти та складовими з частотою ( = 2, 3,…), котра кратна до основної, виникають складові похибки з частотами, що дорівнюють сумам і різницям частот гармонік. Вияснено, що виникнення останніх пояснюється наявністю у правій частині відповідних виразів добутків синусоїдних функцій.
Рис.4. Функціональна схема компютеризованої вимірювальної системи:ВБ - вхідний блок; ЦПВП ПЕ –цифровий прилад для вимірювання параметрів приймачів електроенергії; ПБК –проміжний блок керування та синхронізації; ПК –персональний комп’ютер; ДЖ –джерело живлення; ЗЖПЕ ПЧ –засіб живлення приймачів електроенергії струмами підвищеної частоти; ЕК –електричний ключ; КАС –комутатор аналогових сигналів; БСПД –блок синхронізації передачі даних інтерфейсу “канал загального користувача”; БК –блок керування; БАД –блок адресації даних; R –регістр; БЧІК –блок число - імпульсного керування.
Знову виникнуті частоти визначаються співвідношенням
, (4)
де - ціле число.
Виникають комбінаційні коливання, порядок яких дорівнює
. (5)
Отже, поряд з гармоніками основної частоти та частот, які кратні до основної, ненульові значення відповідних інтегралів забезпечують також добутки однойменних високочастотних і комбінаційних гармонік. Встановлено, що з точки зору зменшення похибки наявність комбінаційних коливань проявляється з позитивної сторони. Саме завдяки їм отримуються додаткові прирости показів засобів вимірювань факторів інтегральної напруги підвищеної частоти. Досліджені дані свідчать про те, що для електронних інтегрувальних засобів вимірювання згаданих факторів, відношення приросту систематичної складової відносної похибки до зміни частоти на 10% включно до 1 кГц не перевищує 0,03%. Відносна додаткова похибка запропонованих приладів для вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти становить 0,01% / С.
У четвертому розділі описано апробацію розроблених способів і засобів вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти та подано результати їх впровадження.
Запропоновані моделі, методики і засоби вимірювань впроваджені при виготовленні пристроїв, що забезпечують пусковий і робочий режими роботи розрядних освітлювальних приймачів електроенергії, та в освітлювальних установках з люмінесцентними лампами при їх живленні струмами підвищеної частоти. Це дозволило підвищити ефективність та енергоощадність штучного освітлення, збільшити термін служби і світлову віддачу вказаних електричних приймачів енергії.
Відповідно до запропонованої методики вихідними для вибору засобів вимірюваня факторів інтегральної напруги підвищеної частоти служать вирази для функції критерія оптимізації та обмежувальних умов. Згідно із загальноприйнятою методикою техніко-економічної оцінки електроспоживчих об’єктів, в тому числі штучних освітлювальних установок, за критерій оптимізації прийнято мінімум зведених витрат. Обмежувальні умови передбачають забезпечення освітленості на робочих поверхнях не нижче, ніж нормоване значення, та показників якості напруги в регламентованих межах. Зведені витрати та обмежувальні умови корельовані з факторами інтегральної напруги через потужність і термін служби ламп та створену ними освітленість. Грунтуючись на математичному описі взаємозв’язку між характеристиками та електричними і фотометричними величинами джерел світла і показниками якості їх напруги живлення, одержано залежність між факторами інтегральної напруги підвищеної частоти і похибкою їх вимірювання та критерієм оптимізації. У результаті обчислювальних експериментів встановлено, що завдяки отриманій залежності відносна похибка визначення зведених витрат істотно, не менше ніж в 5 разів, зменшується. Використання отриманої залежності з подальшою комп’ютерною симуляцією похибок визначення критерія оптимізації, викликаних зрізанням ряду Тейлора з врахуванням вимоги досягнення потрібної точності, дозволило достеменно вибрати необхідні засоби вимірювань факторів інтегральної напруги підвищеної частоти для дослідження електроосвітлювальної мережі.
Обробка результатів вимірювань факторів інтегральної напруги живлення люмінесцентних ламп за критерієм серій свідчить, що за інтервал часу, протягом якого і наступних за ним з цією довжиною однорідних інтервалів часу послідовність, утворена значеннями виміряних факторів інтегральної напруги, є стаціонарним випадковим процесом, можна прийняти одну робочу добу. На основі вимірювальної інформації про фактори інтегральної напруги з врахуванням чисельних даних з останньої згаданої залежності обчислені значення сигналів керування напруги живлення освітлювальних засобів. Після змін параметрів напруги живлення згідно з отриманими значеннями сигналів керування забезпечений оптимальний електричний режим роботи люмінесцентних ламп. В роботі наведені дані, які стосуються післярегулювального періоду, а також рекомендації щодо періодичності вимірювання факторів інтегральної напруги.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ
Основні положення за темою дисертації опубіковані у працях:
АНОТАЦІЯ
Трембач Р.Б. Підвищення точності вимірювання факторів інтегральної напруги підвищеної частоти . - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.05 - прилади та методи вимірювання електричних і магнітних величин. - Державний університет "Львівська політехніка". Львів, 2000 р.
Дисертацію присвячено питанням створення засобів вимірювань факторів інтегральної напруги підвищеної частоти підвищеної точності. В дисертації визначино перспективні шляхи підвищення точності вимірювань та рівня автоматизації непрямих вимірювань характеристик приймачів електроенергії. Запропоновано і реалізовано спосіб вимірювань та розроблено засоби вимірювань факторів інтегральної напруги підвищеної точності, а також методи оптимізації режимів живлення приймачів електроенергії на підвищених частотах . Модель вимірювань оптимальних параметрів напруги живлення приймачів електроенергії та засоби вимірювань факторів інтегральної напруги підвищеної частоти впроваджені при груповому живленні освітлювальних пристроїв з люмінесцентними лампами.
Ключові слова: вимірювання, похибка, фактор інтегральної напруги, високочастотне живлення, оптимізація.
АННОТАЦИЯ
Трембач Р.Б. Повышение точности измерения факторов интегрального напряжения повышенной частоты . - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.05 - приборы и методы измерения электрических и магнитных величин. - Государственный университет "Львовская политехника" Львов, 2000 г.
Диссертация посвящена вопросам создания средств измерения факторов интегрального напряжения повышенной частоты повышеной точности. В диссертации определены перспективные пути повышения точности измерений и уровня автоматизации косвенных измерений характеристик приемников электроэнергии. Предложено и реализовано способ измерений разработаны средства измерения факторов интегрального напряжения повышеной точности, а также методы оптимизации режимов питания приемников электроэнергии на повышенных частотах. Модель измерений оптимальных параметров напряжения питания приемников электроэнергии и способы измерений факторов интегрального напряжения повышенной частоты внедрены при групповом питании осветительных устройств с люминесцентными лампами.
Ключевые слова: измерение, погрешность, фактор интегрального напряжения, высокочастотное питание, оптимизация.
АBSTRACT
Тrembach R.B. Increasing of the Measurement Accuracy of the Higher Frequency Integrated Voltage Factors . - Manuscript.
Thesis for a candidate’s degree by speciality 05.11.05 - devices and techniques of the measuring electric and magnetic quantities. - State University "Lvivska Polytechnica", Lviv, 2000.
The thesis deals with the problems of creating means of measurements of the higher frequency integrated voltage factors. Analyses and investigation of the measurement errors of the pover supply integrated voltage as well as parameters of the electric current receivers under higher frequencies for determination of the proper way of measurement accuracy increasing were carried out.
The mathematic model of measurements of the optimum parameters of the electric current receivers power supply voltage on higher frequencies was constructed. The means for increasing of the measurement accuracy of the higher frequency integrated voltage factors for optimisation of the energy receivers supply conditions were developed.
The computer-aidet honiophotometric system for measuring electric and light parameters of light sources and light instrumentation is suggested.
Researches of metalhalogen lamps are performed, and the analysis of which allows to sertify fairness of some conclusions about overvoltage impulse amplitude and it's duration. The dependence of lamp mathematical model rate from its power for arc discharge, metalhalogen and natrium lamps of new types are constructed and aproximated.
The measurement methods of the higher frequency integrated voltage factors have been improved and the level of automation of the indirect measurements of the electric current receivers performances was increased.The developed mathematic model of the optimum voltage parameters measurements gives the possibility to determine with the higher accuracy the criteria of the technical and economic data changes as well as to increase the level of regulation of the electric current receivers power supply voltage under higher frequencies.
The dependence between the higher frequency integrated voltage factors, the error of their measurement and optimisation criterion for the electric current receivers was obtained and it caused their operating efficiency.The way of measurements was suggested and carried out and it gave the passibility to develop the means of the integrated voltage measuring factors with higher accuracy and to optimise the power supply conditions of the electric current receivers under higher frequences.
On the basis of theoretical researches the requirements as to the structure and the metrology characteristics were presented and the means for the higher frequency integrated voltage factor measurements were developed.It gave the possibility to increase in 2…5 times the accuracy of the higher frequency integrated voltage factors measurement.The measuring model of the optimum voltage parameters under higher frequences was tested and it provided the increase of the electric current receivers effectiveness.
The computer-aidet honiophotometric system for measuring electric and harameters of light sources instrumentation is suggested.
It’s necessary to use different approximation of volt-amper characteristic of light sources for computer simulation of electrical circuit. It’s shown that it’s convenient to use mathematical models with main concentration of electrons or currency of flash lamps as definition parameter. The building of the models of flash lamps with parameters given above is analyzed. This approach helps to determine the sphere of those models application.
The main results of the research were applied in the industry when phosphor valves lamps and electronic controller devices were designed and introduced into commercial production. The measuring model of the optimum power supply voltage parameters of the electric receivers, the means of measurement of the higher frequency integrated voltage factors were applied in the mass power supply of the phosphor valves lamps.
Key words: measurement, error, integrated voltage factor, high-frequency power supply, optimization.