 |
Измерительные трансформаторы тока.
|
|
|
|
Измерительные трансформаторы тока используются при измерениях токов в цепях переменного тока. Они осуществляют преобразования больших по величине токов в относительно малые токи, проходящие через измерительный прибор. Измерительный трансформатор состоит из двух изолированных друг от друга обмоток, размещённых на магнитопроводе из электротехнической стали или пермаллоя. Первичная обмотка с числом витков w1 включается в цепь измеряемого тока: её выводы маркируются буквами Л1, Л2. Если первичный ток I1 превышает значение 500 А, первичная обмотка может состоять всего из одного витка в виде прямой шины или кабеля, проходящего через окно сердечника. Вторичная обмотка с числом витков w2 наматывается из провода небольшого сечения. Сечение должно быть рассчитано на стандартное значение вторичного тока, равное 5 А. Изредка встречаются трансформаторы тока с номинальным вторичным током 1; 2 или 2,5 А. Выводы вторичной обмотки трансформатора тока маркируются буквами U1,U2. При измерении в высоковольтных цепях вторичная обмотка и металлический корпус трансформатора подлежат заземлению – рис. 3.4. Ко вторичной обмотке последовательно подключают амперметры и токовые обмотки ваттметров, счётчиков и других приборов.
Ток I1 в первичной обмотке создаёт переменный магнитный поток Ф. Этот поток, пронизывая обе обмотки, индицирует в них ЭДС.
Е = 4,44 w f Ф макс
приведенной ко входу, и входной величины х:
Δx = Y/Kн – Х
где Кн - номинальный коэффициент преобразования.
Абсолютной погрешностью преобразователя по выходу Δу называют разность между значениями входной величины, приведенной к выходу, и выходной величины:
Δy= ХКн – Y
|
|
|
Относительная погрешность измерительного преобразователя равна отношению абсолютной погрешности к значению входной или выходной величины, выраженному в процентах:
Δх Δу
δх ═ ——100; δy ═ —— 100.
X Y
Приведенная погрешность преобразователя представляет отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению входной ХN идя выходной УN величины:
Δх Δу
γх ═ ——100; γy ═ —— 100.
XN YN
За нормирующее значение принимают полный диапазон возможных изменений входного (для ХN) или выходного (для YN) сигнала.
По источнику возникновения погрешности делятся на методические и инструментальные. Методические погрешности вызываются несовершенством метода преобразования, например, не учетом нелинейности элементов. Инструментальная погрешность возникает из-за несовершенства изготовления и наладки преобразования. По условиям возникновения различают основную и дополнительную погрешность. Основная погрешность проявляется в нормальных условиях эксплуатации. В нормальных условиях значения влияющих величин находятся в пределах, оговоренных стандартами или техническими условиями. Дополнительная погрешность возникает при отклонении условий эксплуатации от нормальных (но в пределах рабочих условий эксплуатации).
По характеру изменения погрешности преобразования могут быть систематические и случайные. Систематическая погрешность – это составляющая погрешности, остающаяся неизменной или меняющаяся закономерно. Случайная погрешность меняется случайным образом.
По зависимости от входного сигнала погрешности могут быть аддитивные и мультипликативные. Аддитивная погрешность не зависит от величины входного сигнала; она вызывается смещением нулевого уровня преобразователя. Мультипликативная погрешность пропорциональна величине входного сигнала; она вызывается нестабильностью функции преобразования. Суммарная абсолютная ΔΣ и относительная δΣ погрешности определяются суммой соответствующих аддитивных и
|
|
|
Векторная диаграмма трансформатора тока приведена на рис. 3.5.
I0W1
-I2w2 I1w1
δ Рис. 3.5. Векторная
диаграмма трансфор-
матора тока.
IQw1
0 Ф0
I2R Iµw1
U2
I2x
E2
I2w2 I2x2
Трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением Z=R+jX. I2 w 2 представляет собой магнитодвижущую силу (МДС) вторичной обмотки. Вектор напряжения U2 на вторичной обмотке получают геометрическим суммированием падений напряжений на обмотке I2R и I2х на активной и реактивной составляющих сопротивления нагрузки. Векторная сумма напряжения U2 и вектора падения напряжения на обмотке I2z2 равна ЭДС Е2, наводимой во вторичной обмотке потоком Ф0 в магнитопроводе. Поток Ф0 образуется в результате совместного действия МДС I1w1 и размагничивающей МДС I2w2. Результирующая МДС I0w1 называется полной МДС трансформатора. Она создается намагничивающим током І0 и состоит из реактивной составляющей Iu w1, создающей поток Ф0 и активной Iaω1, опережающей поток на π/2 и определяемой потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике.
При номинальном режиме значение I0w1 составляет примерно 1% от I1w1 (или I2w2). Поэтому размыкание вторичной цепи трансформатора тока приведёт к I0w1 = I1w1, т.е. к резкому увеличению МДС, к большому росту U2 и перегреву трансформатора из-за возросших потерь вплоть до термического разрушения.
Трансформаторы тока характеризуются номинальной нагрузкой или номинальной мощностью
Sном =I2н2 Z н .
Не разрешается превышать Z н во избежании уменьшения размагничивающего действия вторичного тока I2w2 . В установках с большими токами короткого замыкания важно обеспечить электродинамическую и термическую стойкость трансформаторов тока.
Из-за массивности диска, он следует не за мгновенным значением вращающего момента, а за его средним значением за период тока:
1 T 1 T
M ═ — ∫ Mt dt ═ ——СФ1m I12m ∫ sin(ωt – γ1)sin ωt = СФ1I12cos γ1
T 0 T 0
Если индуктивное сопротивление диска равно нулю, то α1=0, a γ1=π/2. В этом случае вращающий момент от взаимодействия потока Ф1 и тока I12 тоже будет равен нулю. Аналогично момент от взаимодействия потока Ф2 и вихревого тока I22 тоже будет равен нулю.
|
|
|
Определим значение вращающего момента от взаимодействия потока Ф1 и вихревого тока I22, а также потока Ф2 и тока I12 . Для случая α1=α2=0 получим:
M1= C1Ф1І22cosγ12 = C1Ф1I22cos(π/2+ψ) ═ — C1Ф1I22 sinψ;
M2= C2Ф2І12cosγ21 = C2Ф2 I12cos(π/2—ψ) ═ C2Ф2I12 sinψ.
Различие знаков моментов следует понимать так, что один сердечник втягивает диск, а второй выталкивает. В сумме моменты М1 и М2 образуют вращательный момент, направленный от опережающего по фазе потока Ф1 к отстающему Ф2 .
Мвр = М2+ (-М1)=(C1Ф1I22 + C2Ф2I12) sinψ.
В свою очередь вихревые токи связаны с порождающими их потоками:
І12 = С3 fФ1; І22 = С4 fФ2.
Поэтому:
Мвр = (С2С3fФ1Ф2+С1С4 fФ1Ф2) sinψ = СfФ1Ф2 sinψ
Из последнего выражения следует, что для создания вращающего момента необходимо иметь не менее двух потоков (или двух составляющих одного потока), сдвинутых по фазе и смещенных в пространстве. Максимальное значение момента будет при ψ=π/2. Величина момента зависит от частоты.
Основная область применения индукционных измерительных механизмов – счетчики активной и реактивной энергии. Классы точности серийных индукционных счетчиков активной энергии могут быть 0.5; 1.0; 2.0; 2.5; а реактивной - 1.5; 2.0 и 3.0.
Измерительные цепи.
В электрических измерительных приборах и установках входной информационный сигнал может испытывать ряд преобразований с целью приведения его к виду, при котором возможно его измерение с заданной точностью. Совокупность элементов цепи преобразования называется измерительной цепью. Элемент измерительной цепи, в котором осуществляется одно из ряда последовательных преобразований, называется преобразовательным элементом. Один или несколько
Он указывается на щитке трансформатора наряду со значением номинальной мощности и первичного напряжения. Зная показания
U1
A X
Рис. 3.6. Схема включения
W1 трансформатора
напряжения.
Ф1
W2
a U2 x
|
|
|
I2
V
вольтметра U2 и коэффициент трансформации, можно определить первичное напряжение:
U1 = U2 KUном
При напряжениях, отличных от номинальных, коэффициент трансформации несколько отличается от номинального. Погрешность коэффициента трансформации, называемая погрешностью по напряжению, определяется по формуле:
γu = (1 – KU/ KUн) 100.
Угловая погрешность трансформатора напряжения δU представляет собой фазовый угол между вектором напряжения U1 и вектором напряжения U2 , повернутым на 180О С.
При выборе трансформатора нужно обеспечить выполнение условия S=I2 U2 ≤ Sн.
На рисунке 3.7. приведена векторная диаграмма измерительного трансформатора напряжения. Для наглядности она построена с учетом допущения w1=w2. I1x1
U1 I0
I1R1 I1 Рис. 3.7. Векторная
- E2 -U2 -I2 диаграмма трансформатора
δ напряжения.
I0
0 Ф0
U2
I2R2 I2Z2
I2 E2
I2x2 25
На рис. 5.24 показана схема термоэлектрического амперметра и вольтметра. Для расширения пределов измерения термоэлектрических амперметров на высоких частотах используют специальные высокочастотные экранированные трансформаторы тока с сердечником из пермаллоя или феррита. Расширение пределов измерения вольтметров производится с помощью добавочных резисторов.
При измерении токов и напряжений для увеличения малой термо ЭДС используют в составе прибора усилитель постоянного тока. Таким образом снижают порог измерения тока до 100 мкА, а напряжения - до 75 мВ.
Термоэлектрические контактные преобразователи из-за большой емкостной утечки на высоких частотах не применяются. Термоэлектрический амперметр всегда следует включать в такую точку измеряемой цепи, потенциал которой относительно земли близок к нулю. Это уменьшит погрешности измерения, вызванные токами утечки.
Достоинством термоэлектрических приборов является возможность работать в широком диапазоне частот и независимо от формы кривой тока.
Недостатками можно считать большую инерционность, большое потребление мощности, неравномерную шкалу, зависимость от температуры окружающей среды и плохую устойчивость к перегрузкам.
Серийные термоэлектрические приборы имеют классы точности 1,0 и 1,5. Они могут работать в диапазоне частот до 100 МГц.
5.8. Индукционные механизмы..
Индукционный измерительный механизм представляет собой комбинацию неподвижных катушек, объединенных магнитной цепью и создающих вращающееся или бегущее магнитное поле, которое вызывает движение подвижной части. Работа таких механизмов в очень сильной степени зависит от частоты, поэтому они, как правило, применяются на переменном токе одной (промышленной) частоты. Точность индукционных механизмов невысокая.
|
|
|
По числу создаваемых магнитных потоков механизмы могут быть однопоточные и многопоточные. Однопоточные механизмы из-за малости создаваемого ими вращающего момента в настоящее время не применяются. На рис. 5.25 условно представлена схема двухпоточного индукционного механизма. Два переменных тока I1 и I2 с фазовым углом между ними ψ, протекая по обмоткам двух катушек создают магнитные потоки Ф1 и Ф2. Потоки, пронизывая алюминиевый диск, проходящий через зазоры в сердечниках катушек, индуктирует в нем ЭДС Е1 и Е2, отстающие по фазе на угол π/2 от породившего их потока - рис. 5.26. Эти ЭДС создают в диске вихревые токи I12, I22, показанные на рис. 5.26 в виде окружностей. Отставание вихревых токов от ЭДС на угол α1 , α2 объясняется индуктивностью диска. Углы α1 , α2 незначительны.
Он состоит из двух одинаковых замкнутых сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью и хорошей частотностью – например, пермаллоя. Первичные обмотки w1 состоят обычно из одного витка (или просто пронизывающего сердечника кабеля), выполненного в обоих сердечниках в одном и том же направлении, так, что магнитные потоки Ф_ постоянного тока в сердечниках направлены всегда одинаково. Вторичные обмотки w2 намотаны на сердечниках в противоположных направлениях, соединены последовательно и через амперметр переменного тока подключены к вспомогательному генератору переменного напряжения. В каждый момент времени потоки Ф~ переменного тока в сердечниках направлены в противоположные стороны.
Iх
Ф– _ Ф–
w1 w1
Ф Ф
w2 w2 I2
U2
Рис. 3.9. Измерительный трансформатор постоянного тока.
Кривая намагничивания сердечников показана на рис. 3.10. Постоянный поток Ф_, создаваемый измеряемым током Ix, соответствует значению МДС Ixw1. В отсутствии тока во вторичной обмотке этот поток соответствует точке А на кривой намагничивания.
Ф
Фнас А Рис. 3.10. Кривая намагничи-
вания сердечников трансфор-
∙ В маторов постоянного тока.
Iw
0 Iхw1
В каждый момент времени МДС Ixw1 в одном сердечнике суммируется с МДС I2w2 , а в другом – вычитается из нее. В связи с тем, что исходная точка А находится на участке насыщения кривой намагничивания, увеличение МДС не сказывается на увеличении общего потока по сравнению с исходным значением Фнас и ЭДС, наводимая во вторичной обмотке этого сердечника равна нулю:
е ═ — w2dФ/dt ═ 0.
ного резистора конденсатором С уменьшает частотную погрешность, проявляющуюся на повышенных частотах, причиной которой является емкость выпрямительных диодов.
Рис. 5.21. Схема включения выпрямитель-
ного вольтметра.
R1g
C
R2g
Без частотной компенсации вольтметры могут измерять переменное напряжение частотой до 1-2 кГц, а с компенсацией – до 40 кГц. Выпрямительные вольтметры выпускаются на напряжение до 600 В при классах точности не лучше 1,0.
Включение выпрямительного амперметра через шунт показано на рис. 5.22. Шунт, как обычно, изготавливается из манганина, имеющего малый ТКС. Такие амперметры серийно изготавливаются на токи до 30 А классов точности от 1,0 до2,5.
Рис. 5.22. Схема включения
выпрямительного амперметра.
I Rш
|
|
|
