автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему: Разработка магнитотранзисторных датчиков тока для систем защиты и измерений
Автореферат диссертации по теме "Разработка магнитотранзисторных датчиков тока для систем защиты и измерений"
На правах рукописи
ЛЕБЕДЕВ Владимир Дмитриевич
РАЗРАБОТКА МАГНИТОТРАНЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ТОКА ДЛЯ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ И ИЗМЕРЕНИЙ
Специальность: 05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление шт.
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена на кафедре: "Теоретические осноьы электротехники электрические измерения" Ивановского государственного энергетическо университета.
доктор технических наук, профессор В. К. Слышалов
кандидат технических наук, доцент В. Н. Гречухин
доктор технических наук, профессор Е.А. Аржанников
кандидат технических наук К. С. Дмитриев
Защита диссертации состоится "18" декабря 1997 г. в 11 час. на заседании диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 063.10.01 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу: город Иваново, ул. Рабфаковская, 34, корпус Б, ауд. № 237.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим отсылать по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, Ученый Совет ИГЭУ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ.
Автореферат разослан "_"_1997г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Для обеспечения экономичной, надежной и качественной работы электроэнергетических систем и электротехнических установок большое значение имеют так называемые вторичные системы электроэнергетики - измерения, контроля, управления, регулирования, релейной защиты (РЗ). Будучи сравнительно недорогими, они сохраняют основное дорогостоящее оборудование первичных систем, и позволяют решать задачи эффективного использования энергетических ресурсов и электротехнических устройств.
Главной предпосылкой высокой эффективности функционирования вторичных систем является совершенная работа первичных измерительных преобразователей тока (ИПТ), применяемых в электроэнергетике, которые призваны обеспечивать эти системы информацией о режимах работы электроэнергетических систем, их отдельного оборудования.
Все возрастающие требования х функционированию вторичных систем, а также бурное развитие электроники и вычислительной техники привело к созданию нового класса систем управления, включая релейную защиту и противоаварийную автоматику, на базе микропроцессоров. Это в свою очередь также накладывает ряд определенных требований на измерительные преобразователи тока.
Недостаток существующих трансформаторов тока, как источников информации для микропроцессорных устройств релейной защиты и проти-воаварийной автоматики, заключается в насыщении магнитопровода апериодической составляющей тока короткого замыкания и, вследствие этого, в отсутствии передачи информации о первичном токе на вход устройств РЗ и противоаварийной автоматики в первые периоды аварийного режима, когда эта информация наиболее нужна.
Важной проблемой является измерение несинусоидальных токов, включая постоянные и выпрямленные токи таких потребителей как: металлургическое производство, электросварка, тяговые подстанции с электротранспортом и так далее. Для измерения постоянных и выпрямленных токов применяются шунты, как правило, обладающие достаточной степенью точности, однако область их применения ограничена из-за отсутствия гальванической развязки. Датчики тока, имеющие гальваническую развязку, на основе магнитомодуляционных трансформаторов тока или на основе оптических эффектов обладают высокой сложностью конструкций и, как следствие, высокой стоимостью.
Кроме того существует проблема измерения токов в комплектных гокоиронодпх мощных гснсраюроп на июктричсекнх станциях.
В аспекте решения указанных проблем были сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Целью работы является разработка и исследование первичных преобразователей тока, удовлетворяющих современным требованиям устройств релейной защиты и автоматики, на базе магнитотранзисторов.
В соответствии с этим основные задачи диссертационной работы заключались в следующем:
1. Сравнительный анализ известных принципов измерения тока и исполнений первичных преобразователей с целью определения перспективных направлений в области создания преобразователей тока.
2. Анализ гальваномагнитных преобразователей, их характеристик и определение наиболее перспеетивных в аспекте использования их в датчиках тока.
3. Теоретическое и экспериментальное исследование свойств магнитотранзисторов как чувствительных элементов измерительных преобразователей тока.
4. Создание математической модели, включая полевой расчет р-п-переходов магнитотранзистора, с целью проведения схемотехнического анализа датчиков тока, а также совершенствования конструкции самого магнитотранзистора.
5. Разработка и исследование структурных схем измерительных преобразователей. Выбор оптимальной структурной схемы. Анализ методических погрешностей измерительных преобразователей тока, включая расчет магнитных полей отдельных токопроводов и системы шин стандартной ячейки КРУ, с целью определения оптимальной конструкции ИПТ.
6. Разработка, исследование и анализ принципиальных схем измерительных преобразователей тока. Создание экспериментальных образцов ИПТ. Проведение их испытаний как в лабораторных условиях, так и на действующих электроэнергетических объектах. Оптимизация конструкции на основе результатов экспериментальных исследований.
Решение указанных цели и задач диссертационной работы осуществлялось в ходе реализации научно-исследовательских работ, выполняемых на кафедре ТОЭ и ЭИ ИГЭУ по заказу Минтопэнерго России, по темам: "Исследование и разработка магнитотранзисторных преобразователей постоянного, переменного тока в напряжение (датчики тока) класса 0.4 - 10 кВ на номинальные токи 1 - 10 кА для микропроцессорных устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики станций, подстанций" и "Исследование магнитных полей токопроводов и магнитотранзисторов в качестве измерительного элемента преобразователя ток-напряжение (датчика тока)", кроме того по гранту, представленному Министерством общего и профессионального образования на тему: "Исследование и разра-
ботка магнитотранзисторного преобразователя тока в напряжение (цифровой код) для опто-электронных трансформаторов тока класса 110 -1150 кВ".
1. Разработаны новые первичные преобразователи тока на базе маг-ннтотранзисторов для электронных и микропроцессорных систем релейной защиты и автоматики, позволяющие улучшить работу не только вторичных систем, но и первичных - электроэнергетических систем и электротехнических установок.
2. Разработана математическая модель мапштотранзистора, позволяющая проводить анализ принципиальных схем датчиков тока на его основе.
3. Поставлены и решены задачи минимизации погрешностей магни-тотранзисторных преобразователей тока.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании приборов альтернативных существующим трансформаторам тока, которые позволяют:
• измерять как переменный так и постоянный ток, в результате чего не происходит насыщения апериодической составляющей в переходных режимах.
• передавать информацию о токе на входные блоки современных электронных и микропроцессорных защит без дополнительных преобразователей ток-напряжение.
Реализация результатов работы. Экспериментальные датчики тока были использованы в системах диагностики электродвигателей эскалаторов С.-Петербургского метрополитена. Кроме того, изготовленные экспериментальные образцы датчиков тока были испытаны на комплектных тоководах турбогенераторов Костромской ГРЭС, а также на подстанции постоянного тока С.-Петербургского трамвайно-троллейбусного управления. Разработанная методика испытаний магнитотранзисторов с помощью компьютерного осциллографа была использована и внедрена на ЗАО "Протон-оптоэлектроника".
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Принципы разработки и образцы первичных преобразователей тока на базе магнитотранзисторов для измерения постоянных и переменных токов.
2. Принципиальные схемы предлагаемых датчиков тока на основе магнитотранзисторов и результаты экспериментальных исследований.
3. Математическая модель магнитотранзистора, предназначенная для проведения схемотехнического анализа датчиков тока.
4. Методы определения погрешностей магнитотранзисторных датчиков тока и способы их минимизации.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:
- Всероссийской научной конференции "Токи короткого замыкания в энергосистемах" (Москва, ВВЦ, октябрь 1995 г.);
- Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, май, 1994 г.);
- научно-техническом совете секции релейной защиты АО ВНИИЭ (Москва, сентябрь 1997 г.);
- научных семинарах и заседаниях кафедры ТОЭ и ЭИ Ивановского государственного энергетического университета (Иваново, 1994, 1995, 1996,1997 гг.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований и двух приложений. Работа содержит 126 страниц машинописного текста, 90 иллюстраций. Общий объем работы составляет 191 страницу.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности проблемы исследования, разработки и создания датчиков тока на базе магнитотранзисторов, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показана научная новизна и практическая значимость, а также представлены основные положения выносимые на защиту.
В первой главе проведен сравнительный анализ известных принципов измерения тока и исполнений первичных измерительных преобразователей тока, а также лежащих в их основе физических явлений. В основу анализа измерительных преобразователей тока и дальнейших исследований легли работы, авторами которых являются: Г.В. Абрамзон, Н.М. Адоньев, Ю.Н. Алимов, Ю.А. Андреев, Афанасьев, В.М. Барзилович, И.Б. Болотин,
A.C. Дордий, В.Е. Казанский, В.М. Кибель, A.M. Плахтиев, Н.Г. Слухаев,
B.В. Стогний, В.А. Сушко, Г.П. Фоменко, JI.3. Эйдель и др.
Анализ показал, что наиболее целесообразным является создание датчиков тока на основе гальваномагнитных эффектов. Кроме того, проведенный в диссертации сравнительный анализ гальваномагнитных приборов, их характеристик показал, что предпочтение следует отдать магнитот-ранзисторам, так как они характеризуются лучшими параметрами (линейность, чувствительность, схемотехническая совместимость с други-
ми радиоэлектронными элементами и др.) и наиболее подходят для создания измерительных преобразователей тока. В основу сравнительного анализа и исследований гальваномагнитных приборов, их характеристик легли работы, авторами которых являются: Г.П. Балтес, И.М. Викулин, Л. Ф. Ви-кулина, Г. Л. Егиазарян, Д. М. Козлов, И.М. Митников, Т В. Персиянов, P.C. Попович, Г.И. Рекалова, В. И. Стафеев, O.K. Хомерики, Г. Шпобнер и др.
Определены основные направления исследовании и дано их обоснование.
Вторая глава посвящена разработке математической модели магнн-тотранзистора (рис. 1) для обеспечения моделирования схемных решений датчиков тока на магнитотранзисторах, а также с целью понимания и объяснения его принципа действия.
Рис. 1. Внутренняя структура магнитотранзнстора
Исходными уравнениями математической модели являются: • Уравнения для плотностей электронного и дырочного токов в объеме транзистора при магнитном поле В имеют составляющие, обусловленные дрейфом носителей в электрическом поле и диффузией с учетом действия силы Лоренца (действия магнитного поля на движущиеся носители заряда) ^ = х В. Уравнение для плотностей токов запишем в форме:
где с\ - заряд носителя, 1)„, Ор - коэффициенты диффузии электронов и дырок, - обозначают холловские подвижности электронов и дырок, вычисляемые из соотношений:
где ц „, ц р - подвижности электронов и дырок соответственно, /*„, гр - холл
факторы (коэффициенты рассеяния).
• Уравнения для концентрации электронов и дырок описываются уравнениями:
- (с1п/Ш) = -Оп + Уп + (1/д) с1Ып, (3)
- (ф/Л) = -Ор + Ур + (1/9) с1Ыр , (4)
где Сп = Оп(х, у, г, I) - скорость генерации электронов в единице объема, К К (х> У> 2, I) - скорость рекомбинации электронов в единице объема. • Уравнение Пуассона для электрического поля записано с учетом того, что плотность объемных зарядов необходимо вычислять по формуле:
где 8„ - электрическая постоянная, е - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, Nа- концентрации ионизированных до-норной и акцепторной примесей, соответственно. Это уравнение дополняет соотношение для напряженности электрического поля:
Для получения расчетных выражений математической модели маг-нитотранзистора были сформулированы граничные условия, приняты и обоснованы допущения, произведен численный расчет электрического поля в р-п -переходах магнитотранзистора. Для проведения численного расчета произведено аналитическое интегрирование уравнения (6), в результате получены расчетные выражения для р- и п-областей, соответственно
сЫ [еМгМЧ-^И-1)-*-- «и,о ехр[- (ф*
где знаком * - обозначены приведенные величины к тепловому потенциалу ФI' Рро " пп,о
концентрации носителей в полупроводниках равные Ыа и
Л^ соответственно, ф ^ - диффузионная разность напряжений р-п-перехода, V*- внешнее напряжение, приложенное к переходу.
Напряжение непосредственно на границе перехода определяется как
По уравнениям (8)-(10) рассчитаны характеристики, описывающие состояние переходов база-эмитгер и база-коллектор.
Согласно гипотезе разделения областей магнитотранзистора на области с большой напряженностью электрического поля, находящиеся на р-п-переходах, и нейтральную базовую область, а также, исходя из уравнений (3) и (4), при создании математической модели использовались уравнения для токов через р-п-переходы для р- и п-носителей, соответственно
, ЯРпАхпРр^Х* -*)/ ь\ипф, Л
где Хп, Хр - протяженности п- и р-областей.
В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование механизмов магниточувствительностн магнитотранзистора. Результирующая магниточувствительность представляет собой сочетание различных эффектов. Эффекты, противоположно влияющие на результирующую магниточувствительность магнитотранзистора, объединены в отдельные группы. Анализ эффектов магниточувствительности показал, что преобладающим является модуляция коллекторных токов за счет отклонения неосновных носителей в базовой области под действием силы Лоренца.
На основании уравнений (11) и (12) и проведенных исследований магниточувствительности составлена система уравнений
«11 «12 «13 «21 «22 «23 «31 «32 «33
где а.ц - а33 - коэффициенты, определяемые режимом работы магнитотранзнстора (напряжениями на электродах и магнитным полем).
Вольт-амперные характеристики в схеме с ОЭ и тесла-амперные характеристики, полученные расчетным путем, используя разработанную математическую модель, представлены на рис. 2 и 3.
0 1 2 3 4 5 Рнс. 2. Расчетные вольт-амперные характеристики магнитотранзнстора