Komputerowa optymalizacja obwodu elektromagnetycznego przekładników prądowych

Transkrypt

1 JAŁMUŻNY Wiesław 1 ADAMCZEWSKA Danuta 1 BOROWSKA - BANAŚ Iwonna 1 Komputerowa optymalizacja obwodu elektromagnetycznego przekładników prądowych WSTĘP Przekładniki prądowe są wykorzystywane zarówno do rozliczania energii elektrycznej, jak i współpracy z zabezpieczeniami. Bardzo często priorytetem w toku projektowania przekładników jest nie tylko spełnienie kryterium wymaganej dokładności, ale również ograniczenie wymiarów zewnętrznych. Dobór obwodu magnetycznego i uzwojenia wtórnego przekładników prądowych odnosi się często do oceny parametrów kilku rdzeni umieszczanych w jednej konstrukcji. Przekładniki z odpowiednio dobranymi obwodami elektromagnetycznymi powinny spełniać, ustalone wymaganiami norm właściwości metrologiczne oraz umożliwiać ich umieszczenie w narzuconej z góry obudowie. Wymagania optymalizacyjne obwodów elektromagnetycznych odnoszące się do opracowywanych konstrukcji przekładników prądowych muszą zatem podlegać wielokrotnej weryfikacji. Takie działania są bardzo czasochłonne. Istotne przyspieszenie prac projektowych można uzyskać poprzez wykorzystanie komputerowego wspomagania procesu projektowania przekładników prądowych, umożliwiającego automatyczny tryb obliczania toroidalnych obwodów magnetycznych przekładników prądowych do pomiarów i zabezpieczeń. 1 KOMPUTEROWY PROGRAM OPTYMALIZACYJNY Tryb automatyczny procesu projektowania obwodów magnetycznych przekładników prądowych polega na samoczynnym, cyklicznym powtarzaniu przez program sekwencji obliczeń, których celem jest optymalizacja wymiarów rdzeni, zapewniających spełnienie wymagań w zakresie klasy dokładności i wartości współczynnika FS (Factor of Security) lub ALF (Accuracy Limit Factor). W fazie wstępnej (preprocessing) trybu automatycznego projektant powinien wyszczególnić, obok danych znamionowych, graniczne nieprzekraczalne wymiary średnicy zewnętrznej, wewnętrznej i wysokości rdzenia toroidalnego (określone np. rozmiarem obudowy) oraz ich wartości początkowe. Program realizuje obliczenia automatycznie, zachowując w całym toku obliczeń narzucone przez projektanta wymiary. Faza obliczeniowa (processing) polega na doborze minimalnej wartości średnicy zewnętrznej, która zapewni spełnienie zadanych wymagań wynikających z klasy dokładności i współczynników FS lub ALF. Może się zdarzyć, że dane znamionowe i narzucone gabaryty nie pozwalają zoptymalizować konstrukcji przekładnika. W tym przypadku projektant otrzymuje komunikat, że przy narzuconych wymiarach granicznych dla przyjętego materiału magnetycznego, wykonanie konstrukcji rdzenia jest niemożliwe. Dalsze czynności obliczeniowe będą mogły być prowadzone pod warunkiem zmiany wysokości rdzenia, zmniejszenia początkowej wartości średnicy wewnętrznej lub zwiększenia dopuszczalnych wymiarów granicznych uzwojonego rdzenia przekładnika. 2 OPIS PROGRAMU Wybór trybu automatycznego dla określonego rodzaju projektowanego przekładnika (do pomiarów i/lub do zabezpieczeń) jest dokonywany z poziomu menu wejściowego, po jego zaakceptowaniu przyciskiem OK (rys.1). 1 Zakład Przekładników i Kompatybilności Elektromagnetycznej, Instytut Elektroenergetyki, Politechnika Łódzka, ul Stefanowskiego 18/22, Łódź, wieslaw.jalmuzny@p.lodz.pl,, danuta.adamczewska@p.lodz.pl, tel , iwonna.borowska-banas@p.lodz.pl, tel

2 Rys. 1. Ekran startowy programu opcja projektowania przekładników prądowych do pomiarów w trybie automatycznym Następnym ekranem dialogowym programu jest okno przedstawione na rys.2. Rys. 2. Ekran wprowadzania danych znamionowych Po wczytaniu danych znamionowych i wyborze rodzaju materiału rdzenia oraz akceptacji przyciskiem DALEJ, program realizuje obliczenie przy uwzględnieniu narzuconych granicznych wymiarach średnic D wu i D zu i wysokości rdzenia b u optymalnej, technicznie możliwej do zrealizowania konstrukcji przekładnika. Obliczenia przebiegają w kolejnych etapach: obliczenia wstępne dla średniej drogi strumienia w rdzeniu l Fes i średniej długości zwoju uzwojenia wtórnego, obliczenia konstrukcyjne przy założeniu określonego kroku iteracji k i, w toku obliczeń konstrukcyjnych sprawdzane są następujące warunki: Dwu Dwmin, Dzu Dzmax oraz bu bmax obliczenia zasadnicze (obliczenie błędów transformacji, wartości liczby przetężeniowej N10, która ma wpływ na współczynnik bezpieczeństwa przyrządu FS lub współczynnik graniczny dokładności ALF). Tok obliczeń zestawiono w postaci algorytmów przedstawionych na rys.3 i 4. Jeżeli techniczna realizacja konstrukcji jest możliwa, pojawiają się ekrany z danymi znamionowymi (rys.5), otrzymanymi z obliczeń wymiarami rdzenia (zminimalizowana średnica zewnętrzna) (rys.6) i wartościami błędów prądowych i kątowych (z poprawką zwojową obliczoną dla optymalnego przesunięcia charakterystyki błędu prądowego dla 100% i 25% mocy znamionowej i 100% prądu znamionowego) oraz wartością liczby przetężeniowej N10 ( rys.7). 4782

3 Rys.3. Schemat blokowy automatycznego projektowania przekładników prądowych do pomiarów Rys.4. Schemat blokowy automatycznego projektowania przekładników prądowych do zabezpieczeń 4783

4 Rys.5. Ekran danych i wyników obliczeń uzwojeń Rys.6. Ekran wyników obliczeń konstrukcyjnych Rys.7. Ekran wyników obliczeń błędów transformacji W przypadku pojawienia się na ekranie komunikatów informujących o braku możliwości zrealizowania konstrukcji, należy zgodnie z podanymi w nich wskazówkami dokonać zmiany danych znamionowych w odniesieniu do wysokości i średnic rdzenia. WNIOSKI Przedstawiony w niniejszym artykule autorski program komputerowy stanowi cenne narzędzie w rękach specjalisty projektującego obwody elektromagnetyczne przekładników prądowych. Realizowany w trybie automatycznym dobór wymiarów rdzenia toroidalnego do istniejącej obudowy przekładnika prądowego umożliwia znaczne skrócenie czasu obliczeń projektowych i zwiększenie ich skuteczności. Ma to szczególne znaczenie w przypadku, gdy jest konieczne: umieszczenie większej niż 1 liczby rdzeni do pomiarów i zabezpieczeń we wspólnej obudowie, podjęcie szybkiej decyzji co do możliwości spełnienia określonych wymagań stawianych przez zamawiającego przekładniki, opracowanie konstrukcji o rzadko spotykanych (nietypowych) danych znamionowych. Praktyczna weryfikacja poprawności założeń procesu optymalizacji została przeprowadzona w toku obliczeń projektowych wykonanych dla licznych konstrukcji przekładników sieciowych, laboratoryjnych i wzorcowych. 4784

5 Streszczenie W artykule przedstawiono algorytm programu komputerowego pozwalającego na optymalizację obwodu elektromagnetycznego przekładników prądowych. Przekładniki prądowe są ważnymi elementami systemów elektroenergetycznych wykorzystywanymi często do rozliczania energii elektrycznej. Dzięki opisanemu programowi konstruktorzy są w stanie, w bardzo krótkim czasie, zaprojektować przekładnik o optymalnych gabarytach spełniający narzucone warunki dokładności transformacji i współczynniki bezpieczeństwa FS i ALF. Artykuł zilustrowano algorytmami procesów optymalizacji obwodów elektromagnetycznych i widokami głównych ekranów dialogowych pre- i postprocesora. Computer optimization of the magnetic circuit of current transformers Abstract In the paper an algorithm that allows to optimize the magnetic circuit and winds of current transformers is presented. Current transformers are important components of power systems used mainly for accounting electricity. Due to the described program designers are able to very quickly design a current transformer with optimal dimensions with specified transformation accuracy and safety factors FS and ALF. Article illustrates algorithms to optimize the electromagnetic circuits and views of the main screens of preand post-processor dialogs. BIBLIOGRAFIA 1. Koszmider A., Adamczewska D., Borowska-Banaś I., Jałmużny W.: Aplikacja autorskich programów komputerowych do projektowania przekładników kombinowanych. Authors specific software dedicated to design combined instrument transformers. W: II Konferencja Grantowa Metody Numeryczne w Obliczeniach Urządzeń Elektrycznych. Warszawa 2002, s Adamczewska D., Borowska-Banaś I., Jałmużny W.: Aplikacyjne programy komputerowe do projektowania przekładników 3. Koszmider A., Olak J., Piotrowski Z.: W.: Przekładniki prądowe, WNT, Adamczewska D., Borowska-Banaś I., Jałmużny W.: Program obliczania rdzeni i uzwojeń przekładników prądowych. W: Materiały XVII Krajowego Sympozjum Przekładnikowego. 2002, s PN-EN :2009E, Przekładniki Wymagania ogólne 6. PN-EN :2013E, Przekładniki Wymagania szczegółowe dotyczące przekładników prądowych 4785