Магниторезистивные датчики нового поколения для контроля тока в силовых цепях

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретические и нормативные основы бесконтактного контроля тока в электроэнергетических системах

1.1. Физико-технологические принципы функционирования магниторезистивных сенсоров нового поколения

1.2. Номенклатура отечественных и зарубежных разработок в области микроэлектронных датчиков тока

1.3. Анализ требований ПУЭ и ГОСТ Р к средствам измерений в системах электроснабжения

Глава 2. Проектирование и расчет систем мониторинга силовых цепей на базе магниторезистивных преобразователей

2.1. Техническая характеристика объекта исследования и расчет параметров силовых токовых цепей

2.2. Сравнительный анализ точностных характеристик магниторезистивных датчиков и индукционных трансформаторов тока

2.3. Выбор схемного решения и оценка влияния конфигурации шинопровода на погрешность измерений

Заключение

Список использованной литературы

КУРСОВАЯ РАБОТА

Магниторезистивные датчики нового поколения для контроля тока в силовых цепях

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью повышения точности, надежности и эффективности систем мониторинга параметров электроэнергетических систем в условиях модернизации Единой энергетической системы России. Традиционные индукционные трансформаторы тока, применяемые в системах электроснабжения промышленных предприятий и энергообъектов, характеризуются рядом существенных недостатков, включая значительные массогабаритные показатели, ограниченный динамический диапазон измерений и необходимость гальванической связи с силовыми цепями. Магниторезистивные датчики нового поколения представляют перспективное техническое решение, обеспечивающее бесконтактный контроль тока с высокой точностью и быстродействием, что критически важно для функционирования современных систем релейной защиты и автоматики.

Степень разработанности проблемы в отечественной технической литературе характеризуется наличием фундаментальных исследований физико-технологических принципов магниторезистивного эффекта и отдельных разработок в области микроэлектронных сенсоров. Вместе с тем, вопросы практического применения магниторезистивных преобразователей в системах электроснабжения промышленных объектов требуют комплексного технико-экономического анализа с учетом требований ПУЭ и ГОСТ Р к средствам измерений.

Целью курсовой работы является разработка технического решения по внедрению магниторезистивных датчиков нового поколения в системы контроля тока силовых цепей промышленного электроснабжения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• исследовать физико-технологические принципы функционирования магниторезистивных сенсоров и их классификацию;
• провести анализ отечественных и зарубежных разработок в области микроэлектронных датчиков тока;
• выполнить сравнительный анализ точностных характеристик магниторезистивных датчиков и индукционных трансформаторов тока;
• разработать схемное решение системы мониторинга силовых цепей на базе магниторезистивных преобразователей;
• оценить влияние конфигурации шинопровода на погрешность измерений.

Объектом исследования являются системы контроля тока в силовых цепях промышленных электроустановок.

Предметом исследования выступают технические характеристики и методы применения магниторезистивных датчиков нового поколения.

Методологическая база исследования включает теоретические основы электромагнитных процессов, методы расчета электрических цепей, метрологические принципы построения измерительных систем, нормативно-техническую базу ПУЭ 7-е издание, ГОСТ Р 52776-2007, ГОСТ Р 8.585-2001.

Научная новизна работы заключается в разработке методики выбора параметров магниторезистивных датчиков с учетом конфигурации токопроводящих элементов силовых цепей.

Теоретическая значимость состоит в систематизации технических решений по применению магниторезистивных сенсоров в электроэнергетике. Практическая значимость заключается в получении расчетных данных для проектирования систем мониторинга токовых параметров промышленных электроустановок.

Структура работы включает введение, две главы основной части, заключение и список использованной литературы.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И НОРМАТИВНЫЕ ОСНОВЫ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ТОКА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

1.1. Физико-технологические принципы функционирования магниторезистивных сенсоров нового поколения

Магниторезистивный эффект представляет собой физическое явление изменения электрического сопротивления проводящего или полупроводникового материала под воздействием внешнего магнитного поля. Открытие гигантского магниторезистивного эффекта в 1988 году стало важным этапом развития электронной сенсорной техники и получило признание мирового научного сообщества. В современной технической практике различают несколько типов магниторезистивных эффектов, включая анизотропный магниторезистивный эффект, гигантский магниторезистивный эффект и туннельный магниторезистивный эффект, каждый из которых характеризуется специфическими физическими механизмами и областями применения [1, c. 45].

Анизотропный магниторезистивный эффект основан на зависимости электрического сопротивления ферромагнетика от угла между направлением тока и вектором намагниченности материала. Физическая природа эффекта связана со спин-орбитальным взаимодействием электронов проводимости с магнитными моментами атомов кристаллической решетки. Типичные материалы для изготовления анизотропных магниторезистивных сенсоров включают тонкопленочные структуры на основе пермаллоя с относительным изменением сопротивления до четырех процентов при воздействии магнитного поля напряженностью несколько килоампер на метр. Конструктивно анизотропные магниторезистивные элементы выполняются в виде тонкопленочных резистивных мостовых схем на кремниевой подложке с интегрированной обработкой сигнала [3, c. 112].

Гигантский магниторезистивный эффект проявляется в многослойных магнитных структурах, состоящих из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев толщиной несколько нанометров. Эффект обусловлен спин-зависимым рассеянием электронов проводимости на границах раздела слоев и позволяет достигать изменения сопротивления до ста процентов в сравнительно слабых магнитных полях. Многослойные структуры типа ферромагнетик-немагнетик-ферромагнетик демонстрируют максимальный магниторезистивный эффект при антипараллельной ориентации векторов намагниченности ферромагнитных слоев. Технологический процесс изготовления гигантских магниторезистивных структур включает вакуумное напыление тонких пленок с контролем толщины на уровне атомных слоев [5, c. 78].

Туннельный магниторезистивный эффект реализуется в структурах магнитный туннельный переход, состоящих из двух ферромагнитных электродов, разделенных тонким диэлектрическим барьером толщиной один-два нанометра. Электроны проводимости преодолевают диэлектрический барьер посредством квантово-механическ

…