Экспериментальные исследования макета измерительной ячейки устройства «ТАНГЕНС-4М»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ УКРАИНЫ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра ПЭЭА

Пояснительная записка

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

на теме: «Экспериментальные исследования макета измерительной ячейки

устройства «ТАНГЕНС-4М».

Выполнил:                                                                                                                 Проверил:

Ст.гр. РЭАЗм-11                                                                                                  Свитенко В.М

Кирьяк М.В

2012

Содержание

Введение………………………………………………………………………3

1 Цель проведенного эксперимента…………………….……….……….....5

2 Конструкция измерительной ячейки…………………………………….12

3 Планирование эксперимента……………………………………………...6

3.1 Проведение эксперимента, и выбор

необходимой аппаратуры……………………………………………..……..6

3.2 Моделирование эксперимента в среде SolidWork Simulation………………….……….………………………………………….6

4 Результаты физического и компьютерного эксперимента……………...16

Выводы………………………………………………………………………..21

Перечень ссылок……………………………………………………………..22

Приложение А………………………………………………………………..22

Приложение Б………………………………………………………….…….22

Приложение В………………………………………………………….…….22

ВВЕДЕНИЕ

Тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторного масла (ТУДП) - один из основных параметров качества жидких диэлектриков, в нашем случаи, трансформаторного масла, наряду с пробивным напряжением трансформаторного масла. Это фазовая характеристика,  количественно характеризующая его КПД.

Установка "ТАНГЕНС - 4М" предназначена для определения ТУДП трансформаторного масла по ГОСТ 6581-75 на частосте сети 50 Гц.

Тангенс угла диэлектрических потерь согласно ГОСТ 6581-75 измеряется при температуре 20˚С и 90˚С. Измерения проводятся в специальной ячейке, в которой происходит индукционный нагрев трансформаторного масла. [1]

Для повышения точности измерения ТУДП трансформаторного масла, был предложен новый режим нагрева масла, реализуемый в устройстве  "ТАНГЕНС-4М", описанный в разделе результаты эксперимента.

1 ЦЕЛЬ ЭКСПЕРИМЕНТА

Проверка созданного программно-реализуемого режима работы индукционного нагревателя трансформаторного масла в макете измерительной ячейки устройства «ТАНГЕНС-4М».

Данный режим нагрева был получен опытным путём на основе существующих знаний об измеряемой величине. Особенно зависит от тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла от температуры.

При создании режима было учтено отрицательное влияние перегрева масла на количественное значение ТУДП трансформаторного масла, а также попытка реализовать медленное изменение градиента температуры масла на участке от 80˚С до 90˚С, для повышения точности измерений. Также конструкция ячейки была спроектирована таким образом, чтобы температура масла оставалась на протяжении 1 мин. максимально постоянной в период проведения измерения.

2 КОНСТРУКЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКИ

Конструкция ячейки должна соответствовать ГОСТ 6581-75.(приложение А)

Существующие варианты конструкции измерительной ячейки приведены на рисунках 2.1 и 2.2

I — зажимы для соединения с измерительной схемой: 2 — измерительный электрод; 3 и 5 проводники; 4 охранный электрод: 6 — высоковольтный електрод.

Рисунок 2.1—Измерительная ячейка двухзажимного типа.
 

1 — зажимы для соединения с измерительной схемой; 2— отверстие для термометра; 3 — прокладка из твердого электроизоляционного материала: 4 — измерительный электрод; 3 — высоковольтный електрод.

Рисунок 2.2—Измерительная ячейка трехзажимного типа.

В устройстве «ТАНГЕНС-4М» применяется ячейка трехзажимного типа, ее фронтальный разрез представлен на рисунке 2.3.

1 — Плата термодатчика; 2 — Термодатчик; 3 — Внешний и внутренний электроды; 4 — Держатель термодатчика; 5 — масло;

Рисунок. 2.3 — Фронтальный разрез измерительной ячейки.

Измерительные ячейки могут иметь разную конструкцию: плоские или цилиндрические, двух- или трехзажимные. На рис.2.2 показана трехзажимная ячейка с плоскими электродами. Ячейка имеет три электрода: внешний высоковольтный, внутренний измерительный и промежуточный охранный. Внешний электрод одновременно служит оболочкой сосуда, в который заливается испытуемая жидкость. Для сравнения на рис. 2.1. показана ячейка двухзажимного типа. Такие ячейки применяют при проведении приемосдаточных испытаний, входном и периодическом контроле. В остальных случаях используют ячейки трехзажимного типа.

Обязательными размерами в конструкции ячейки являются зазоры между измерительными и высоковольтными электродами, и между измерительным и охранным электродами. Эти зазоры должны быть (2 ± 01) мм. Электроды ячейки должны иметь контактные зажимы, обеспечивающие надежное соединение с элементами схемы. Соединение с измерительным прибором выполняют экранированным кабелем. При этом охранный электрод ячейки трехзажимного типа должен быть присоединен к заземлению и к экрану кабеля, соединяющего внутренний (измерительный) электрод с измерительным прибором. [2]

Для изготовления электродов используются металлы, устойчивые против коррозии, вызываемой испытуемой жидкостью или промывочным составом, и не оказывающие каталитического воздействия (окисления) на испытуемые жидкости.[3]

Материалы, из которых выполнены детали макета измерительной ячейки (сборочной единицы) устройства «ТАНГЕНС-4М», описаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1— Перечень основных свойств материалов, из которых вы

полнены детали макета измерительной ячейки .

     ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ВЫБОР НЕОБХОДИМОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ЕГО ПРОВЕДЕНИЯ

3.1 Выбор необходимого оборудования и проведение реального эксперимента.

Порядок работы при измерении tgδ масла определяется инструкцией к мосту, с помощью которого производится измерение.

Измерение tgδ масла, как правило, производят для двух значений температуры 20°С и 70°С или 20°С и 90°С. Соответствующие указания имеются в стандарте (технических условиях) на конкретный сорт масла.

Для подогрева измерительной ячейки рекомендуется использовать зеркальную лампу 500 Вт с регулятором напряжения, вмонтированным в стенд измерительной установки. Температуру контролируют термометром, опущенным в измерительную ячейку или с помощью специально подобранного датчика (терморезистор, например, типа ММТ-14), опущенного в масло испытательной ячейки и включенного в схему неуравновешенного моста. Показывающий прибор этого моста градуируется по температуре.

Заполненную ячейку помещают в испытательный стенд и присоединяют к электрической схеме. Первое измерение производят при температуре, равной температуре помещения. Нагревание ячейки производят со скоростью не менее 2°С/мин до заданной температуры. В течение 20 мин производят выдержку ячейки, при этом колебания температуры должны быть не более ±20 С. После этого определяют tgδ испытываемого масла.

Измерительную ячейку держат под напряжением только в процессе определения tgδ . Отсчет значения tgδ проводят не позже, чем через 3 мин после включения напряжения.

Исследования тепловых режимов ячейки измерительной, которая используется в приборе «Тангенс-4М» проходили в лаборотории предприя «ХЭП» в отделе разработки.

Примененная аппаратура - датчик температуры 701-101BAA-B00 (даташит в приложении Б). Включены по 4-х проводной измерительной схеме. Измерительная система на база микроконтроллеров C8051F060, ATxmega 128A1, АЦП ADS1241 (24-х разрядное), часы реального времени DS3232. В ячейки было расположенно 2 датчика: один-на стенке внутреннего электрода, а второй на стенке внешнего электрода.

Нагрев происходил по определенному алгоритму, который был определен заранее, в приборе «Тангенс-4М» он реализован при помощи микроконтролера.

Начальная тепмература окружающей среды и ячейки измерительной составляют 18˚С.  Процесс нагрева выполняется пошагово. Первым шагом мы нагреваем ячейку на протяжении 90сек. Индукционным нагревом мощностью 240 Вт. ( мощность тепловой нагрузки на всех этапах эксперимента остается постоянной, равной 240 Вт.). Затем происходит охлаждение на протяжении 60сек. Таким образом произведенно 27 шагов последовательного нагрева и охлаждения ячейки измерительной, только разного временного интервала. В конце алгоритма измерения реализованно поэтапное охлаждение ячейки и именно на этом этапе происходит измерение тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла, когда его температура стабильна и составляет 90˚С.

Результаты эксперимента представленны в таблице 3.1, где «+» обозначает нагрев, а «-», соответственно, процесс охлаждения. В последнем столбце представленны результаты моделировани данного эксперимента в пакете SW Simulation. (при тех же начальных установках). Раннее было сказанно, что использовалась два датчика. Поэтому Твнутр.- это температура внутреннего датчика и Твнеш.-температура внешнего датчика, установленного на внутренней стенке внешнего электрода.

Алгоритм гибкий и не зависит от начальных условий, т.е от температуры окружающей среды и температуры ячейки измерительной. Он работает таким образом: До тех пор пока температура внешнего датчика не достигнет 70˚С греем, затем охлаждаем 60сек. т.е печь отключаем и т.д. Результаты эксперимента позволили определить эти граничные температуры ( в таблице они подчеркнуты ), которые необходимы для прошивки микроконтролера и функционирования всего устройства вцелом.

3.2 Моделирование эксперимента в среде SolidWorks Simulation.

Для моделирование эксперимента использовали программу SolidWorks

SolidWorks — программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства. Обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Работает в среде Microsoft Windows. Разработан компанией SolidWorks Corporation, являющейся независимым подразделением компании Dassault Systemes (Франция). Решаемые задачи:

      3D проектирование изделий (деталей и сборок) любой степени сложности с учетом специфики изготовления;

      создание конструкторской документации;

      промышленный дизайн;

      реверсивный инжиниринг;

      проектирование коммуникаций (электрожгуты, трубопроводы.);

      инженерный анализ;

      экспресс-анализ технологичности на этапе проектирования.

Программа имеет модульную систему построения. Основной модуль – это сама среда моделирования SolidWorks с набором основных инструментов и дополнительные, подключаемые модули для решения разного рода инженерных задач.

              Моделирование выполнили в среде SolidWorks в приложении SolidWorks Simulation(до 2000г SolidWorks Simulation существовал как отдельная программа Cosmos).

SolidWorks Simulation - дополнительный модуль инженерного анализа. Включает:

      расчёт на прочность конструкций в упругой зоне;

      постановка и решение контактных задач, расчёт сборок;

      определение собственных форм и частот колебаний;

      расчёт конструкции на устойчивость;

      усталостные расчёты;

      имитация падения;

      тепловые расчёты.