Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Измерительный преобразователь переменного тока

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ПГУ ДП.468160.005 П3

Разраб.

Денисевич

Провер.

Янушкевич

Реценз.

Н. Контр.

Утверд.

Мальцев С.В.

Измерительный преобразователь переменного тока

Лит.

Листов

ПГУ гр. 08 -РТ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ПГУ ДП.468160.005 П3

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1 ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ СИСТЕМ 8

1.1 Преобразователь измерительный переменного тока Е854. 8

1.2 Преобразователь измерительный переменного тока ЭП8542 9

1.3 Преобразователь измерительный переменного тока Е842/1 10

2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ 12

3 ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ 13

4 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 14

5 РАСЧЁТ БЛОКОВ СХЕМЫ 17

5.1 Блок питания 17

5.1.1 Выбор и расчёт трансформатора 17

5.1.2 Расчёт выпрямителя 22

5.1.3 Выбор стабилизатора 24

5.2 Входная цепь 27

5.2.1 Выбор входного трансформатора тока 27

5.2.2 Выбор и описание усилителя напряжения 27

5.2.3 Расчёт фильтров нижних частот 34

5.3 Генератор опорного напряжения 35

5.4 Выбор микроконтроллера 36

5.5 Аналоговый выход 39

5.5.1 Выбор микросхемы ключа 39

5.5.2 Расчёт интегрирующей RC-цепи 40

5.5.3 Расчёт источника тока 41

6 КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ УСТРОЙСТВА 45

7 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 49

7.1 Экономическое обоснование 49

7.2 Составление сметы затрат 50

7.2.1 Материалы и комплектующие 51

7.2.2 Электроэнергия 52

7.2.3 Амортизация спецоборудования 53

7.2.4 Основная заработная плата 54

7.2.5 Дополнительная заработная плата 55

7.2.6 Отчисления в фонд социальной защиты населения. 56

7.3 Накладные расходы. 56

8 ОХРАНА ТРУДА 58

8.1 Введение 58

8.2 Требования безопасности при проведении работ 61

8.2.1 Анализ вредных производственных факторов 61

8.2.2 Требования к освещённости 62

8.2.3 Требования к параметрам микроклимата. 63

8.2.4 Требования к организации оборудования рабочих мест 64

8.2.5 Техническая безопасность 65

8.2.6 Электробезопасность 68

8.3 Пожарная безопасность 69

9. ЗАЩИТА НАСЕЛЕНИЯ И ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ 73

9.1 Чрезвычайные ситуации, характерные для проектируемого объекта 73

9.2 Меры по ликвидации ЧС 74

9.3 Защита населения и оказания первой помощи пострадавшим 79

9.4 Эвакуация населения 81

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 84

ВВЕДЕНИЕ

Электроэнергетика — это ведущая область энергетики, охватывающая производство электроэнергии на электростанциях и её доставку потребителям по линиям электропередачи, тем самым обеспечивая электрификацию потребителей.

В современном мире электроэнергетика стала важнейшей составляющей всех сфер человечества: промышленности, науки, сельского хозяйства и даже космоса. Такое распространение объясняется ее уникальными свойствами:

- возможность превращаться в другую энергию (тепловую, механическую и другие);

- способность легко передаваться на огромные расстояния в больших количествах.

Развитие электроэнергетики на современном этапе сопровождается увеличением значений рабочих напряжений и токов. Это требует переоснащения энергетики и промышленности измерительными устройствами с более совершенными принципами измерения.

В системе мероприятий по экономии и рациональному использованию энергоресурсов важное место занимают вопросы повышения точности и расширения диапазона измерения токов. Это связано, например, с установлением оптимальных режимов работы оборудования и ведения технологических процессов.

В настоящее время существует множество устройств, с приемлемой точностью, надёжностью и широким диапазоном измеряемых токов.

Целью дипломного проекта является разработка измерительного преобразователя переменного тока. Измерительный преобразователь предназначен для линейного преобразования входного сигнала в унифицированный электрический сигнал постоянного тока. Выходной сигнал прямо пропорционален среднеквадратичному значению входного сигнала. Измерительный преобразователь может применяться для контроля переменного тока в электрических системах и установках, для комплексной автоматизации объектов электроэнергетики различных отраслей промышленности.

Данная тема актуальна для электроэнергетики, так как с увеличением значений рабочих напряжений и токов требования к устройствам измерения и автоматизации возрастают. Возникает необходимость в улучшении метрологических параметров (увеличение чувствительности, точности и быстродействия, уменьшение влияния посторонних факторов), эксплуатационных характеристик (надёжность и срок службы, устойчивость к отрицательным внешним воздействиям, удобство в обслуживании и ремонте) и конструкторских требований (унифицированность и взаимозаменяемость, уменьшение габаритов и массы, улучшение технологичности и экономичность производства).

Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

провести обзор существующих аналогов;
разработать структурную схему
разработать функциональную схему;
провести расчёт основных узлов устройства;
разработать конструкцию устройства;
рассчитать затраты на производство макетного образца.

1 ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ СИСТЕМ

1.1 Преобразователь измерительный переменного тока Е854.

Аналоговый измерительный преобразователь переменного тока Е845 производиться предприятием ООО «Энерго-Союз». Внешний вид устройства представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Внешний вид аналогового измерительного преобразователя Е845.

Назначение: преобразователи Е854 изготавливаются в соответствии с ГОСТ 24855-81, ТУ РБ 300521831.004-2002. Предназначены для преобразования переменного тока в унифицированный выходной сигнал постоянного тока.

Область применения: могут применяться для контроля токов электрических систем и установок, для комплексной автоматизации объектов электроэнергетики различных отраслей промышленности.

Питание осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц.

Предназначены для включения непосредственно или через измерительные трансформаторы тока.

Диапазон рабочих температур от минус 30 до плюс 60 °C и относительной влажности до 95%.

Технические характеристики:

Диапазон измерения входного сигнала, А 0 – 5;
Диапазон изменения выходного аналогово сигнала, мА 0 – 5;
Диапазон изменения сопротивления нагрузки, кОм 0 – 3;
Пределы допускаемой основной погрешности ± 0.5 %;
Время установления выходного аналогового сигнала при скачкообразном изменении входного сигнала от начального до любого значения внутри диапазона измерения, с, не более 0.5;
Габаритные размеры, мм 125х110х80;
Масса, кг не более 0.8 [1].

1.2 Преобразователь измерительный переменного тока ЭП8542

Преобразователь измерительный переменного тока ЭП8542 производиться предприятием ООО «МНПП «Электроприбор». Внешний вид устройства представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Внешний вид преобразовательного измерителя переменного тока ЭП8542.

Измерительные преобразователи ЭП8542 предназначены для линейного преобразования переменного тока в унифицированный выходной сигнал постоянного тока. Частота входного сигнала от 45 Гц до 65 Гц.

Преобразование производится по среднему значению входного сигнала. Информацию несет среднее значение выходного сигнала.

В ИП обеспечивается гальваническое разделение входных и выходных цепей.

Диапазон рабочих температур от - 30 до +50 °C, и относительная влажность воздуха при температуре + 35 °C до 95%.

Технические характеристики:

Диапазон измерения входного сигнала, А 0 – 5;
Диапазон изменения выходного сигнала, мА 0 – 5;
Диапазон изменения сопротивления нагрузки, кОм 1.2 ± 0.1;
Пределы допускаемой основной погрешности ± 1%;
Потребляемая мощность – не более Вт;

от измеряемой цепи 1;

Время установления выходного сигнала, с 0.5;
Габаритные размеры, мм 110х120х70;

Масса (фактическая), кг 0.35.

[2]

1.3 Преобразователь измерительный переменного тока Е842/1

Преобразователь измерительный переменного тока Е842/1 производиться предприятием ОАО «Витебский завод электроизмерительных приборов». Внешний вид устройства представлен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Внешний вид преобразовательного измерителя переменного тока Е842/1.

Преобразователи измерительные (в дальнейшем — ИП) предназначены для линейного преобразования переменного тока в унифицированный выходной сигнал постоянного тока. ИП могут применяться для нужд народного хозяйства, включая атомные станции (АС).

Информацию несет среднее значение выходного сигнала.

ИП предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от – 40 до + 60 °С и относительной влажности (95±3) % при температуре 35 °С.

Диапазон частот входных сигналов от 45 до 65 Гц.

Технические характеристики:

Диапазон измерения входного сигнала, А 0 – 5;
Диапазон изменения выходного сигнала, мА 0 – 5;

Диапазон изменения сопротивления нагрузки, кОм 0 – 2.5;

Пределы допускаемой основной погрешности ± 1%;
Потребляемая мощность – не более Вт;

от измеряемой цепи 1;

Время установления выходного сигнала, с 0.5;
Габаритные размеры, мм 80х80х90;

Масса (фактическая), кг 0,495 [3].

Исходя из представленных данных можно сделать вывод, что проектируемое устройство должно обладать всеми основными качествами существующих аналогичных измерительных преобразователей переменного тока, но, при этом, необходимо снизить стоимость устройства, качественно улучшить масса габаритные и метрологические параметры системы.

2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Для каждого разрабатываемого устройства, на ранней стадии разработки, должны быть выработаны технические требования. Технические требования представляют собой перечень параметров, которым должно соответствовать устройство. [4] Для измерительного преобразователя (ИП) требования определены согласно ГОСТ 22261-94. Разрабатываемый в данном дипломном проекте цифровой ИП переменного тока должен соответствовать следующим параметрам:

диапазон преобразования входного сигнала, А – 0 – 5;
диапазон изменения выходного сигнала, мА – 0 – 5;
диапазон изменения сопротивления нагрузки, кОм – 0 – 3,0;
класс точности ИП 0,5.

Пределы допускаемой основной приведенной погрешности ИП (в дальнейшем – основная погрешность) должны быть равны ±0,5% от нормирующего значения;

ИП должны быть тепло-, холодоустойчивыми при воздействии температуры окружающего воздуха от минус 30 ºС до плюс 55 ºС.

Пределы допускаемой дополнительной погрешности ИП (в дальнейшем – дополнительная погрешность), вызванной изменением температуры окружающего воздуха от нормальной до любой температуры в пределах рабочих условий применения на каждые 10ºС, не должны превышать ± 0,25%;

питание ИП должно осуществляться от сети переменного тока частотой (50 ± 0,5) Гц и напряжением (220 ± 22) В.

Дополнительная погрешность ИП, вызванная изменением напряжения питания от 220 В на ±10%, не должна превышать ± 0,25%.

диапазон изменения частоты входного сигнала должен быть от 45 до 55 Гц;
мощность, потребляемая ИП, должна быть не более
от цепи входного сигнала – 0,5 ВА;
от цепи питания – 4,0 ВА;

Исходя из технических требований, предъявляемых к устройству, разрабатывается структурная схема устройства.

3 ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Рисунок3.1 – Структурная схема измерительного преобразователя переменного тока (1 – трансформатор, 2 – усилитель высокого уровня, 3 – усилитель среднего уровня, 4 – усилитель низкого уровня, 5 – блок преобразования, 6 – интегратор, 7 – источник тока)

Принцип действия схемы заключается в следующем. Входной сигнал поступает через трансформатор (1), на шунтирующий резистор, на котором выделяется полезный сигнал пропорциональный входному. Этот сигнал, поступает на входы усилителей (2, 3, 4), каждый из которых имеет свой коэффициент усиления. Усиленные сигналы поступают на входы блока преобразования (5), который выполнен на микроконтроллере. Микроконтроллер производит аналого-цифровое преобразование и вырабатывает широтно-импульсный сигнал (ШИМ), скважность которого пропорциональна величине входного сигнала. ШИМ. Широтно-Импульсная Модуляция – это способ кодирования аналогового сигнала путём изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. ШИМ поступает на вход интегратора (6), где происходит выявление постоянной составляющей. Постоянное напряжение с выхода интегратора поступает на вход источника тока (7), где происходит преобразование его в унифицированный токовый сигнал.

4 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Вых

0 – 5 мА

Источник тока

Интегратор

Аналоговый выход

Ключ

ШИМ

Микроконтроллер

± 15 В

Стабилизатор

19.4 В

+ 5 В

Усилитель 3

Усилитель 2

Усилитель 1

Блок питания

Выпрямитель

1.25 В

2.5 В

0 – 5 мА

Трансформатор

тока

Опорный генератор

Трансформатор

0 – 5 А

50 Гц

220 В

Вх

Рисунок 4.1 – Функциональная схема устройства

Схема измерительного преобразователя переменного тока включает в себя блок питания, источник опорного напряжения, усилители, микропроцессор со встроенным АЦП, интегратор и источник тока управляемый напряжением.

Блок питания подключается к сети переменного тока с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Со второй и третьей обмоток понижающего трансформатора снимается напряжение, которое подаётся на выпрямители переменного тока. После выпрямителя и сглаживания пульсаций напряжения электролитическими конденсаторами фильтров получаются постоянные напряжения, минимальные значения которых составляют + 19.4 В, необходимые для корректной работы стабилизаторов DA4 и DA5. Из полученного напряжения получаем стабилизированное напряжение + 15 В и -15 В, необходимое для питания аналогового выхода. Напряжение, необходимое для питания АЦП и входной цепи, получается подачей +15 В через гасящий резистор на стабилизатор DA3, дающий на выходе + 5 В.

Сигнал с входного трансформатора тока необходимо подать на входы микроконтроллера. Сигнал выделяется на шунтирующем резисторе R1 и поступает на усилители DA2:1, DA2:2, DA2:3, имеющие разные коэффициенты усиления. Усилители находятся в одном корпусе и собраны по не инвертирующей схеме включения операционных усилителей. Чтобы обеспечить защиту микросхемы от скачков напряжения, при резком изменении входного сигнала, используются защитные диоды VD7.

Для предотвращения наложения спектров сигнал, подаваемый на вход АЦП, должен быть пропущен через фильтры нижних частот, состоящие из элементов R17, C13; R18, C14 и R19, C15, для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации.

Для правильной работы микроконтроллера необходимо опорное напряжение номиналом+ 2.5 В. Опорное напряжение создаётся при помощи стабилитрона DA1 и гасящего резистора R12. Это напряжение подаётся на резистивный делитель, где преобразуется в + 1.25 В. Для согласования источника опорного сигнала и микроконтроллера используется повторитель, выполненный на ОУ.

АЦП, входящий в состав микроконтроллера, измеряет мгновенные значения напряжений, и преобразует их в среднеквадратичные, по соответствующей программе. Затем, программными методами, проводится их цифровая обработка и организовывается обмен данными через соответствующий вывод. Выходной сигнал микроконтроллера представляет собой сигнал с широтно-импульсной модуляцией (далее ШИМ).

Блок аналогового выхода преобразует цифровую информацию от микроконтроллера (ШИМ) в токовый выходной сигнал от 0 до 5 мА, пропорциональный входному.

Для обеспечения корректной работы ключа, выполненного на микросхеме DA6, используется транзистор VT1, обеспечивающий необходимый уровень управляющего сигнала. С выхода ключа опорное напряжение подаётся на фильтр низкой частоты (ФНЧ), на котором происходит выделение постоянной составляющей в цифровом сигнале. Она поступает на повторитель, используемый как буферный усилитель, для исключения влияния низкоомной нагрузки - источник тока, на источник с высоким выходным сопротивлением, которым является НЧ фильтр.

Постоянное напряжение подаётся на преобразователь, выполненный на ОУ. Преобразователь так же выполняется на микросхеме, что накладывает ограничение на значение выходного тока, который не может быть большим, что приведёт к перегреву схемы. Для усиления выходного значения тока используется транзистор VT2.Усиленный постоянный ток подаётся на нагрузку.

5 РАСЧЁТ БЛОКОВ СХЕМЫ

5.1 Блок питания

Блок питания (БП) предназначен для питания всех узлов измерительного преобразователя. Необходимо обеспечить двухполярное питание ± 15 В для аналогового выхода и однополярное питание + 5 В для АЦП и входной цепи.

Для достижения поставленной цели используем понижающий сетевой трансформатор с выпрямителями, включенными по мостовой схеме. Также для стабилизации напряжения используем интегральные стабилизаторы в стандартном включении.

5.1.1 Выбор и расчёт трансформатора

В качестве понижающего трансформатора для блока питания выбран тороидальный трансформатор. Преимущества этого типа трансформаторов в том, что замкнутая магнитная цепь тороидального сердечника уменьшает уровень помех и взаимную связь между трансформаторами. А это значительно упрощает экранирование. Индукция тороидального магнитопровода в 1.2-2 раза больше, чем у магнитопроводов с зазором. Это позволяет уменьшить размеры трансформаторов. В таком трансформаторе витки распределяются по всему тороиду, а не наслаиваются друг на друга, как в броневом трансформаторе. Поэтому в первом случае длина витка меньше, чем во втором, следовательно, меди расходуется меньше, КПД трансформатора повышается за счёт отсутствия ослабления магнитного поля в зазорах магнитопровода.

Особенно большими преимуществами обладают ленточные тороидальные магпитопроводы. Во-первых, они меньше по размеру. Во-вторых, процессы их изготовления можно механизировать. В-третьих, нет отходов производства (при изготовлении пластин для броневых трансформаторов отходы составляют 25—60% их веса).

При конструировании трансформаторов с тороидальным сердечником приходится учитывать емкость между обмотками, остаточную индукцию магнитопровода, нагревание магнитопровода в мощных трансформаторах, и сжатие обмоток обоймами для крепления.

Остаточная индукция в тороидальном трансформаторе имеет большее значение, чем в броневом, поскольку в тороидальном трансформаторе нет размагничивающего влияния концов магнитопровода. В момент включения направления остаточного потока и потоков установившегося и переходного режима могут совпасть, в результате чего увеличивается ток включения. Однако это не имеет существенного значения в маломощных трансформаторах.

При существующем способе крепления тороидального трансформатора возникают механические усилия, деформирующие обмотку. Это не имеет значения, если трансформатор хорошо пропитан и мало весит.

Для расчета трансформатора необходимы следующие исходные данные:

эффективное напряжение питающей сети Uc = 220 В;
частота питающей сети f = 50 Гц;
эффективное значение напряжения на вторичных обмотках U₂= 22 В;
число фаз выпрямителя, если трансформатор нагружен выпрямителем, то для однополупериодного выпрямителя m = 1, для двухполупериодного m=2;
эффективное значение токов вторичных обмоток I₂ = 100 мА;

Расчёт трансформатора производиться по следующей схеме.

Полезная мощность, отдаваемая трансформатором, определяется, по формуле:

(5.1)

Эффективное значение ЭДС первичной обмотки трансформатора:

(5.2)

где— падение напряжения на обмотках в процентах от номинального значения.зависит от мощности P (таблица5.1).

Таблица 5.1 – Зависимость падения напряжения от мощности

P (Ва)	ΔU (%)
3 – 50	5
51 – 100	3
101 – 250	2.5
251 -500	2

Эффективное значение ЭДС вторичной обмотки:

(5.3)

где i =2, 3,…, n

Если одна из обмоток трансформатора работает на выпрямитель, то эффективное значение тока для двухполупериодного выпрямителя с емкостной нагрузкой равно:

(5.4)

Полная мощность трансформатора:

(5.5)

Сечение сердечника при частоте сети 50 Гц рассчитывается по формуле:

(5.6)

где – полная мощность трансформатора;

c – коэффициент использования обмоток (2 – 2,5);

K – отношение веса стали к весу меди. Величина К выбирается из следующих соображений, чтобы трансформатор стоил дешевле, надо брать K = 4,5 – 5,5, а чтобы он весил меньше – K = 2 – 3;

B – величина индукции в сердечнике. Величину индукции В в сердечнике из стали толщиной 0,35 мм следует выбрать 16200 Гс.

j – плотность тока;

– КПД трансформатора.

Внутренний диаметр магнитопровода рассчитывается по формуле:

(5.7)

где d – внутренний диаметр сердечника;

– коэффициент заполнения окна медью (берется в пределах 0,2 - 0,25).

Наружный диаметр магнитопровода определяется формулой:

(5.8)

где h – высота сердечника (2.1 см);

– коэффициент заполнения стали (0,35);

Число витков на один вольт для частоты 50 Гц

(5.9)

Число витков первичной обмотки

(5.10)

Число витков вторичной обмотки

(5.11)

Значение числа витков обмоток округляется до целого числа. Диаметр провода обмотки [2]:

(5.12)

В таблице 5.2 приведены результаты расчётов параметров трансформатора [5].

Таблица 5.2 –Результаты расчёта трансформатора

	Первичная обмотка	Вторичная обмотка
Диаметр магнитопровода	3,449	1,818
Число витков	5375	594
Диаметр провода	0,063	0,168

5.1.2 Расчёт выпрямителя

Для выпрямления пульсаций входного напряжения используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме.

При расчёте необходимо выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке и потребляемый ею максимальный ток.

Переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора определяется по формуле:

(5.13)

где – постоянное максимальное напряжение на нагрузке;

B – коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по таблице 5.3.

Таблица 5.3 –Определение коэффициентов от токов нагрузки

Коэффициент	Токи нагрузки, А
Коэффициент	0.1	0.2	0.4	0.6	0.8	1
B	0.8	1.0	1.9	1.4	1.5	1.7
C	2.4	2.2	2.0	1.9	1.8	1.8

Измерительный преобразователь переменного тока 📙 Курсовая → 🆔 85418