СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В МАГНИТОПРОВОДЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ Российский патент 2007 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к области электромеханики, а именно к применению средств обработки информации в электромеханике, и может быть использовано для определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме.

Известен способ определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора [Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2-х т. Том 1. Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Издательство МЭИ, 2004. - 652 с.: ил., с.45-46], основанный на проведении опыта холостого хода. При этом измеряют потери холостого хода, которые принимаются равными магнитным потерям в магнитопроводе трансформатора. Этот способ не может быть использован для определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме.

Известен способ определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора с одной ненагруженной обмоткой [Функциональный контроль и диагностика электротехнических и электромеханических систем и устройств по цифровым отсчетам мгновенных значений тока и напряжения /B.C.Аврамчук, Н.Л.Бацева, Е.И.Гольдштейн, И.Н.Исаченко, Д.В.Ли, А.О.Сулайманов, И.В.Цапко // Под ред. Е.И.Гольдштейна. Томск: Печатная мануфактура, 2003. - 240 с.]. При известной частоте питающей сети и коэффициентах трансформации трансформатора в рабочем режиме регистрируют массив мгновенных значений напряжения на его ненагруженной обмотке и массивы мгновенных значений токов в обеих нагруженных обмотках. Далее приводят эти токи и напряжение к первичной цепи. Затем определяют массив мгновенных значений тока намагничивания, как разность мгновенных значений входного тока и приведенного выходного тока. Формируют массив мгновенных значений активной мощности на сопротивлении поперечного звена схемы замещения, учитывая который определяют соответственно среднюю за период активную мощность. Определенная таким образом активная мощность равна мощности магнитных потерь в магнитопроводе.

Недостатком этого способа является необходимость наличия третьей ненагруженной обмотки. На практике это условие выполняется редко, так как если трансформатор имеет третью обмотку, то она, как правило, подключена к нагрузке.

Не известен способ определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме без дополнительной ненагруженной обмотки.

Задачей изобретения является разработка способа определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме без дополнительной ненагруженной обмотки.

Это достигается тем, что в способе определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме при известной частоте питающей сети и коэффициентах трансформации трансформатора регистрируют массивы мгновенных значений напряжений и токов обмоток трансформатора. Затем приводят эти напряжения и токи к первичной цепи и определяют массив мгновенных среднеарифметических значений приведенных напряжений на обмотках трансформатора. Далее определяют массив мгновенных значений тока намагничивания, как разность мгновенных значений входного тока и приведенного выходного тока и одновременно с определением вышеупомянутой разности производят численное интегрирование массива мгновенных среднеарифметических значений приведенных напряжений. Затем определяют площадь характеристики зависимости интеграла среднеарифметического значения приведенных напряжений от тока намагничивания для одних и тех же моментов времени и определяют потери в магнитопроводе трансформатора как отношение этой площади к периоду питающей сети.

При нормальных режимах работы трансформатора приведенные напряжения на его обмотках мало отличаются друг от друга, и можно считать, что среднеарифметическое значение этих напряжений примерно равно электродвижущей силе (ЭДС) намагничивания, которая в свою очередь пропорциональна производной индукции магнитного поля в магнитопроводе по времени. Поэтому интеграл среднеарифметического значения приведенных напряжений пропорционален магнитной индукции. Ток намагничивания трансформатора пропорционален напряженности магнитного поля в магнитопроводе. Поэтому зависимость мгновенных значений интеграла среднеарифметического значения приведенных напряжений от мгновенных значений тока намагничивания для одних и тех же моментов времени представляет собой характеристику намагничивания трансформатора с некоторыми масштабирующими коэффициентами по осям индукции и напряженности. Эта характеристика представляет собой петлю гистерезиса и учитывает все конструктивные особенности трансформатора, и режим его функционирования в данный момент времени. Известно, что магнитные потери в ферромагнитном материале равны площади петли гистерезиса. Для того чтобы определить мощность магнитных потерь в магнитопроводе трансформатора, необходимо площадь характеристики полученной зависимости отнести к периоду питающей сети.

Таким образом, предложенный способ позволяет определять магнитные потери в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме. Так как среднеарифметическое значение приведенных напряжений на обмотках трансформатора не точно равно ЭДС намагничивания, но очень близко к ней, то способ имеет некоторую погрешность и является приближенным. Для оценки его погрешности сравним данные, полученные по среднеарифметическому значению приведенных напряжений с данными, полученными по напряжению на ненагруженной измерительной обмотке трансформатора, которое пропорционально ЭДС намагничивания.

На фиг.1 представлена аппаратная схема устройства, реализующая рассматриваемый способ.

На фиг.2 представлена схема измерений однофазного трансформатора в рабочем режиме.

На фиг.3 представлена характеристика зависимости интеграла среднеарифметического значения приведенных напряжений от тока намагничивания трансформатора.

В табл.1 приведены результаты эксперимента и промежуточных вычислений.

Способ может быть осуществлен с помощью схемы (фиг.1), содержащей блок приведения 1 (БПр), блок вычисления разности 2 (БВР), блок усреднения 3 (БУс), блок интегрирования 4 (БИнт), блок определения потерь 5 (БОП).

Вход блока приведения 1 (БПр) соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) (на фиг.1 не показан), подключенным через коммутатор к датчикам токов и напряжений схемы измерений (фиг.2). Соответствующие выходы блока приведения 1 (БПр) соединены с входом блока вычисления разности 2 (БВР) и с входом блока усреднения 3 (БУс), выход которого соединен с входом блока интегрирования 4 (БИнт). Выходы блока вычисления разности 2 (БВР) и блока интегрирования 4 (БИнт) соединены с соответствующими входами блока определения потерь 5 (БОП). Выход блока определения потерь 5 (БОП) соединен с сегментным индикатором, не показанным на фиг.1.

Блок приведения 1 (БПр), блок вычисления разности 2 (БВР), блок усреднения 3 (БУс), блок интегрирования 4 (БИнт) и блок определения потерь 5 (БОП) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53.

В качестве примера рассмотрим случай, когда на первичную обмотку W₁=380 однофазного трансформатора ПОБС-5М подают входное напряжение u_ВХ(t) с частотой f=50 Гц, а вторичную обмотку W₂=62 подключают к нагрузке Z_H (см. фиг.2). При этом по первичной обмотке трансформатора протекает ток i₁(t), по вторичной - ток i₂(t). Напряжение на вторичной обмотке равно u_H(t).

Входные и выходные токи и напряжения i₁(t), i₂(t), u_BX(t) и u_H(t) через коммутатор поступают на АЦП, где их оцифровывают с дискретностью по времени Δt=0,000625 с, что соответствует числу отсчетов на периоде N=32. Полученные массивы мгновенных значений |i₁(t_j)|, |i₂(t_j)|, |u_BX(t_j)| и |u_H(t_j)| представлены в таблице 1. Здесь

t_j=t_j-1+Δt.

Далее массивы мгновенных значений входного тока |i₁(t_j)|, выходного тока |i₂(t_j)|, входного напряжения |u_BX(t_j)| и выходного напряжения |u_H(t_j)| поступают на вход блока приведения 1 (БПр) (фиг.1). В блоке приведения 1 (БПр) вторичный ток и выходное напряжение приводят к первичной цепи

Затем одновременно массивы мгновенных значений входного тока |i₁(t_j)| и приведенного выходного тока (таблица 1) поступают на вход блока вычисления разности 2 (БВР), и массивы мгновенных значений входного и приведенного выходного напряжений |u_BX(t_j)| и поступают на вход блока усреднения 3 (БУс).

В блоке вычисления разности 2 (БВР) вычисляют массив мгновенных значений тока намагничивания трансформатора, приведенный в таблице 1

В блоке усреднения 3 (БУс) определяют массив мгновенных среднеарифметических значений приведенных напряжений на обмотках трансформатора |u_BX(t_j)| и

Массив мгновенных среднеарифметических значений приведенных напряжений |u_cp(t_j)| с выхода блока усреднения 3 (БУс) поступает на вход блока интегрирования 4 (БИнт).

В блоке интегрирования 4 (БИнт) определяют массив мгновенных значений интеграла среднеарифметического значения приведенных напряжений численным интегрированием массива |u_cp(t_j)|. В данном примере использован следующий алгоритм численного интегрирования. Сначала находят промежуточный массив |m(t_j)| значений интеграла в точках 1...N, постоянная составляющая которого не равна нулю. Для этого принимают, что |m(t₁)|=0. Значения |m(t_j)| в остальных точках рассчитывают по формуле:

Этот массив имеет некоторую постоянную составляющую. Поэтому далее находят массив значений интеграла , приведенный в таблице 1, в точках 1...N, вычитая из массива |m(t_j)| его постоянную составляющую М:

где - среднее за период значение массива |m(t_j)|.

Далее одновременно массив |i₀(t_j)| с блока вычисления разности 2 (БВР) и массив с блока интегрирования 4 (БИнт) поступают на вход блока определения потерь 5 (БОП).

В блоке определения потерь 5 (БОП) рассчитывают площадь характеристики зависимости (фиг.3), получаемую на одном периоде питающей сети.

Для определения этой площади можно использовать формулу для площади многоугольника, заданного координатами вершин. Тогда

Получен результат F_ПГ=0,028 BA·c.

Эта площадь соответствует потерям энергии в магнитопроводе трансформатора за время, равное одному периоду питающей сети. Для того чтобы определить мощность магнитных потерь в магнитопроводе, ее необходимо разделить на период питающей сети:

Определенная таким образом мощность магнитных потерь в магнитопроводе трансформатора составляет Р₀=1,42 Вт.

Мощность магнитных потерь в магнитопроводе этого же трансформатора в этом же режиме, рассчитанная с использованием измерительной ненагруженной обмотки, составляет P_{0, изм.обм}=1,45 Вт. Погрешность составляет δ=2,5%.

Таким образом, предложенный способ позволил определить магнитные потери в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме.

Табл.1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В МАГНИТОПРОВОДЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕВремя t, сВходной ток |i₁(t_j)|, АВыходной ток |i₂(t_j)|, АВходное напряжение |u_BX(t_j)|, ВВыходное напряжение |u_H(t_j)|, ВПриведенный выходной ток Приведенное выходное напряжениеСреднеарифметическое значение приведенных напряжений |u_CP(t_j)|, ВТок намагничивания |i₀(t_j)|, AИнтеграл среднеарифметического значения приведенных напряжений 1234567891001,03666,1905121,81618,4671,0100113,184117,5000,02660,08510,0006251,03306,1531119,58018,1511,0039111,248115,4140,02910,15780,001250,98185,8212110,35916,7870,9498102,887106,6230,03200,22720,0018750,83644,909889,10113,6160,801183,45686,2780,03540,28750,00250,63353,658462,9169,6380,596959,06960,9930,03660,33350,0031250,43152,413338,2475,8610,393835,92137,0840,03770,36420,003750,25051,304516,2942,5390,212815,56115,9280,03760,38070,0043750,06490,1755-7,174-1,0230,0286-6,271-6,7230,03630,38360,005-0,1307-0,9919-30,669-4,598-0,1618-28,180-29,4240,03110,37230,005625-0,3172-2,0751-51,296-7,730-0,3386-47,380-49,3380,02140,34770,00625-0,4973-3,1108-71,291-10,737-0,5076-65,805-68,5480,01030,31090,006875-0,6756-4,1402-90,680-13,680-0,6755-83,843-87,261-0,00010,26220,0075-0,8310-5,0378-106,987-16,181-0,8220-99,172-103,079-0,00900,20270,008125-0,9562-5,7499-119,062-18,025-0,9381-110,475-114,768-0,01800,13460,00875-1,0083-6,0370-121,753-18,467-0,9850-113,184-117,468-0,02330,06210,009375-1,0248-6,1229-122,005-18,517-0,9990-113,494-117,750-0,0258-0,01150,01-1,0385-6,1906-122,018-18,517-1,0100-113,494-117,756-0,0284-0,0850

Табл.1 (продолжение)
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОТЕРЬ В МАГНИТОПРОВОДЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ123456789100,010625-1,0348-6,1567-119,820-18,189-1,0045-111,481-115,650-0,0303-0,15800,01125-0,9845-5,8267-110,359-16,787-0,9507-102,888-106,623-0,0339-0,22740,011875-0,8374-4,9172-89,176-13,629-0,8023-83,533-86,355-0,0351-0,28780,0125-0,6353-3,6639-62,992-9,663-0,5978-59,224-61,108-0,0375-0,33380,013125-0,4296-2,4042-38,007-5,861-0,3923-35,922-36,965-0,0374-0,36450,01375-0,2459-1,2871-15,839-2,476-0,2100-15,174-15,507-0,0359-0,38090,014375-0,0603-0,15727,6801,086-0,02576,6587,169-0,0347-0,38350,0150,13260,995530,7824,5980,162428,18029,481-0,0299-0,37200,0156250,31632,065051,2207,7050,336947,22449,222-0,0206-0,34740,016250,49553,107171,37910,7620,507065,95968,669-0,0115-0,31060,0168750,67564,137490,79313,6920,675083,92087,3570,0005-0,26180,01750,82825,0259106,84816,1300,820098,862102,8550,0082-0,20240,0181250,95165,7344118,64517,9740,9356110,164114,4050,0160-0,13450,018751,00566,0296121,37418,4160,9838112,874117,1240,0218-0,06220,0193751,02206,1192121,77818,4670,9984113,184117,4810,02360,01120,021,03576,1887121,85318,4671,0097113,184117,5190,02600,0846

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата в рабочем режиме при известной частоте питающей сети и коэффициентах трансформации трансформатора регистрируют массивы мгновенных значений напряжений и токов обмоток трансформатора. Затем приводят эти напряжения и токи к первичной цепи и определяют массив мгновенных среднеарифметических значений приведенных напряжений на обмотках трансформатора. 3 ил., 1 табл.

Способ определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме при известной частоте питающей сети и коэффициентах трансформации трансформатора в рабочем режиме, отличающийся тем, что регистрируют массивы мгновенных значений напряжений и токов обмоток трансформатора, приводят эти напряжения и токи к первичной цепи, определяют массив мгновенных среднеарифметических значений приведенных напряжений на обмотках трансформатора, определяют массив мгновенных значений тока намагничивания как разность мгновенных значений входного тока и приведенного выходного тока, одновременно с определением вышеупомянутой разности производят численное интегрирование массива мгновенных среднеарифметических значений приведенных напряжений, затем определяют площадь характеристики зависимости интеграла среднеарифметического значения приведенных напряжений от тока намагничивания для одних и тех же моментов времени и определяют потери в магнитопроводе трансформатора как отношение этой площади к периоду питающей сети.