Автоматизированный расчет параметров плоских шунтов переменного тока

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Электротехника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 & quot- 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:
2 т р1
& amp-
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 № 13−08−90 748 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.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой