Экспериментальная оценка частотных характеристик измерительного канала на основе шунта и трансформатора для контроля несинусоидальных токов асинхронного электропривода с тиристорным управлением

Введение . Тиристоры широко применяться в асинхронном электроприводе в качестве коммутирующих элементов в устройствах плавного пуска [1]. При исследовании переходных процессов в электроприводах, основанных на тиристорном управлении формируемым на обмотках статора напряжением, важную роль играет достоверность измерения сигналов. Форма тока в таких режимах существенно отличается от синусоидальной и содержит широкий спектр высших гармоник. Возникает научно-техническая проблема: определить, в какой степени используемые измерительные каналы способны передавать реальную форму тока без искажений [2].

Одним из способов измерения тока является использование шунта, включенного последовательно с нагрузкой [3]. Согласно закону Ома, снимаемое с шунта напряжение пропорционально протекающему току. Для гальванической изоляции шунта и регистрирующих приборов может применять индуктивная (трансформатор) или оптическая (изолирующий усилитель) связь. Трансформаторы существенно дешевле, чем прецизионные изолирующие усилители и зачастую имеются в большом количестве в лабораториях. В качестве объекта исследования выбран трансформатор ТВК-70Л2 (выходной трансформатор кадровой развёртки, который использовался в ламповых телевизорах). Трансформаторы ТВК предназначены для согласования выходных каскадов с низкоомными цепями, что определило его выбор в качестве узла гальванической развязки между шунтом и платой аналого-цифрового преобразования PCL1711L, установленной в ПЭВМ. В качестве сердечника в этом трансформаторе использованы штампованные пластины из электротехнической стали с зазором; имеется две обмотки, одна из них содержит 3000 витков провода марки ПЭВ-1 диаметром 0,12 мм, а вторая – 146 витков провода той же марки диаметром 0,47 мм. Нагрузкой трансформатора является резистивный делитель для нормализации сигнала. Как показали эксперименты, использование шунта из высокоомного провода от лабораторного реостата и ТВК-70Л2 позволяет снимать осциллограммы тока в переходных процессах пуска [2].

Целью работы является экспериментальное определение амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик трансформатора ТВК-70Л2 для оценки его пригодности при измерениях в цепях с тиристорными регуляторами.

Основная часть. Для корректного измерения токов при исследовании переходных процессов в асинхронном электроприводе необходимо, чтобы измерительный канал сохранял приемлемую точность в диапазоне частот, охватывающем значимые гармоники спектра [4]. В асинхронном двигателе ток ротора имеет частоту / г = f S где s — скольжение. При пуске s = 1, а частота токов в роторе равна 50 Гц. Но по мере разгона скольжение падает до номинального (2-5%), частота токов ротора снижается до 1-2,5 Гц. Эти низкочастотные составляющие модулируют ток статора и присутствуют в спектре. Таким образом, при переходных процессах могут возникать составляющие с частотами ниже 50 Гц (биения, субгармоники). В связи с этим нижней границей частоты F min выбрана величина 20 Гц.

При тиристорном управлении (симисторы или встречно-параллельно включённые тиристоры) частота коммутации составляет 100 Гц. При фазовом управлении генерируются нечётные гармоники и появляются высшие гармоники, особенно 3-й, 5-й и 7-й порядков [5]. Высшие гармоники быстро убывают и практически исчезают к 19-й гармонике (950 Гц). Практически вся энергия сигнала сосредоточена в диапазоне до 500 Гц. Гармоники выше 500-600 Гц имеют ничтожную амплитуду и практически не влияют на форму тока. Таким образом, верхняя граница задаваемой частоты F max была ограничена величиной около 1000 Гц.

В цепи измерения тока при помощи шунта трансформатор служит для гальванической изоляции и нормализации сигнала, однако он вносит погрешность как в величину измеряемого тока, так и его форму, зависящую от конструкции и применяемых материалов [6]. Погрешности, вносимые трансформатором, зависят от индуктивности первичной обмотки L 1 , обладающей индуктивным сопротивлением X L =2 π fL 1 . На низких частотах это сопротивление мало, а для передачи энергии сигнала нужно, чтобы X L было значительно больше сопротивления источника сигнала и нагрузки, иначе ток пойдёт не в нагрузку, а «закоротит» источник через малое сопротивление индуктивности. Если L 1 недостаточно велика, то на низких частотах (20-50 Гц) наступает спад частотной характеристики. Выходное напряжение падает. На величину L 1 влияет материал сердечника (магнитная проницаемость μ), а наличие зазора в сердечнике снижает индуктивность.

На верхнюю граничную частоту трансформатора Fmax влияют несколько факторов. Потери в сердечнике (вихревые токи) на низких частотах малы, но с ростом частоты эти токи резко возрастают, нагревают сердечник и, что самое важное, шунтируют (закорачивают) обмотки. Для уменьшения вихревых токов сердечники трансформаторов набирают из тонких изолированных пластин, однако на частотах выше нескольких сотен герц потери могут быть значительными. Индуктивность рассеяния (Ls) образует с ёмкостью нагрузки и монтажными проводами фильтр низких частот. На высоких частотах её сопротивление (XLs=2nfLs) становится значительным, и напряжение на нагрузке падает. Это ещё одна причина возможного спада АЧХ на высоких частотах. Межвитковая и межобмоточная ёмкость (C) также оказывает влияние на АЧХ, так как витки обмоток находятся близко друг к другу и образуют паразитные ёмкости, подключенные параллельно нагрузке. На высоких частотах сопротивление ёмкости (XC =1/(2пfC)) падает, и она начинает шунтировать выход, «закорачивая» высокие частоты, что также приводит к спаду АЧХ. Кроме того, ёмкость и индуктивность рассеяния могут образовывать паразитный резонансный контур.

В качестве источника синусоидального сигнала использовался аналоговый лабораторный генератор Л31, а для контроля частоты и анализа данных - программное обеспечение «PowerGraph» [7]. Исследование проводилось путем подачи на вход трансформатора синусоидального сигнала фиксированной амплитуды и измерения параметров выходного сигнала на заданных частотах. Величина частоты оценивалась при помощи спектрального анализа в PowerGraph, а величина амплитуды входного сигнала выбрана из условия работы трансформатора в линейной области (отсутствие насыщения магнитопровода).

Частота дискретизации АЦП принята согласно теореме Котельникова не ниже 2 F max на уровне 10 КГц. Обработка данных для построения АЧХ заключалась в расчете коэффициента передачи K=20^lg ( U вых /U _вх) и анализе вносимых погрешностей .

Частота, Гц

Рисунок 1 - Амплитудно - частотная характеристика трансформатора ТВК-70Л2

Для определения разности фаз между входным и выходным сигналами использовался метод, основанный на измерении временного сдвига между характерными точками осциллограмм. На осциллограммах выбирались точки пересечения сигналами нулевого уровня при переходе от отрицательного значения к положительному (фронт нарастания), что обеспечивает минимальную погрешность, так как крутизна сигнала в этих точках максимальна. Далее вычислялся временной интервал A t между соответствующими опорными точками входного U _вх и выходного U _вых сигналов. Период сигнала Т измерялся непосредственно по осциллограмме. Фазовый сдвиг в градусах рассчитывался по формуле Л ф =360 A t/T .

Рисунок 1 – Фазо - частотная характеристика трансформатора ТВК-70Л2

Заключение . Экспериментально установлено, что в диапазоне частот от 20 до 1000 Гц коэффициент передачи трансформатора имеет отклонения относительно значения на частоте 50 Гц, принятого за опорное. На частоте 20 Гц наблюдается снижение коэффициента передачи на 0,16 дБ, что соответствует ослаблению сигнала по напряжению на 1,8 %. Максимальное изменение коэффициента передачи в диапазоне 50-1000 Гц зафиксировано на частоте 200 Гц и составляет 0,053 дБ, что эквивалентно увеличению сигнала на 0,68 %.

Таким образом, максимальное изменение коэффициента передачи в рассматриваемом диапазоне 20-1000 Гц достигает 0,16 дБ и наблюдается на частоте 20 Гц. Полученное значение существенно меньше стандартного критерия границы рабочего диапазона, составляющего –3 дБ. Это позволяет заключить, что в диапазоне частот, значимом для анализа токовых процессов при управлении асинхронным электроприводом через тиристорный софтстартер, исследуемый трансформатор вносит незначительные частотные искажения и может быть использован в составе измерительного канала для проведения экспериментальных исследований.

Анализ ФЧХ показывает, что фазовый сдвиг в пределах 20-50 Гц резко уменьшается с величины 23 до 3,7 градусов, что характерно для трансформаторов, работающих в режиме передачи сигнала ниже частоты собственного резонанса. С ростом частоты фазовый сдвиг монотонно убывает, стремясь к нулю на частотах выше 300 Гц. Полученные значения фазового сдвига в значимых пределах частоты 50-1000 Гц незначительны для задач измерения тока при исследованиях процессов плавного пуска асинхронного электропривода с тиристорными устройствами.