Лекция 11. Измерительные преобразователи параметров электрических цепей

Масштабные электроизмерительные преобразователи

Масштабными преобразователями называют преобразователи измеряемой величины в заданное число раз. К масштабными преобразователям относятся: измерительные шунты, делители напряжения, трансформаторы тока и напряжения, усилители. Преобразователи на основе эффектов Холла, Виганда, магниторезистивные преобразователи, так же могут быть отнесены к масштабирующим, с учетом того, что измеряемая величина (ток, напряжения) в них преобразуется сначала в магнитное поле, а затем обратно в электрический сигнал.

Измерительные шунты.

Представляют собой сопротивление известной величины, по падению напряжения на котором можно судить о величине протекающего через него тока. Соответственно, амперметр с сопротивлением меньшим сопротивления шунта включенные параллельно ему покажет в раз меньшее значение тока. Шунты наиболее часто применяются в цепях постоянного тока, относительно небольшой мощности. Существуют шунты для измерения токов до 7500 А. Недостатком шунта является выделяемое в нем большое количество тепла при протекании через него значительного тока.

Сопротивление шунта для понижения тока в n раз определяется миз выражения

,

где R_и – сопротивление измерительного механизма.

Изготавливают шунты как правило из манганина, до 30 А шунты помещаются непосредственно в корпусе прибора, свыше 30 А – в виде отдельного устройства. Наружные шунты имеют две пары зажимов токовые и потенциальные. Первые используются для подключения к измеряемой цепи, вторые – к измерительному преобразователю. В качестве измерительных преобразователей часто используют магнитоэлектрические приборы. Шунты изготавливаются с классами точности 0,02-0,5.

Измерительные делители напряжения

Д.н. используются для понижения измеряемого напряжения в m число раз. Как правило, д.н. используются в цепях постоянного тока и представляют собой последовательно соединенных резистора, параллельно одному из которых включается измерительный прибор (вольтметр). Изготавливаются делители напряжения из манганиновой проволоки. Делители напряжения позволяют измерять напряжения постоянного тока до 30 кВ, а так же переменного тока с частотами от 10 Гц до 20 кГц с классом точности 0,01-1,0.

Измерительные трансформатор тока и напряжения

Используются для понижения токов и напряжений переменного тока в ограниченном диапазоне частот. Как правило ток понижается до 5 А, а напряжение до 100 В. Использование трансформаторов обеспечивает унификацию измерительных приборов, повышение безопасности обслуживающего персонала за счет использования в измерительных цепях низких напряжений, гальваническая изоляция измеряемой и измерительной цепи. Обмотки как правило размещаются на ферромагнитных сердечниках и состоят из 2х обмоток взаимодействующих только за счет магнитного поля. Наличие ферромагнитного сердечника является одним из недостатков трансформаторных преобразователей, т.к. ферромагнитные материалы обладают нелинейностью характеристик, способностью работать в ограниченном диапазоне частот измеряемых величин.

В трансформаторах тока первичный ток как правило больше вторичного, а значит и число витков во вторичной обмотке не велико, часто первичная обмотка может состоять всего из одного или нескольких витков проводника с измеряемым током либо из прямой проводящей шины или стержня, пропускаемого через окно в сердечнике. Трансформатор тока является повышающим трансформатором, т.е. напряжение во вторичной обмотке больше, чем напряжение в первичной, поэтому не допускается работа трансформатора без нагрузки, т.е. при отсутствии сопротивления во вторичной цепи. Нормальный режим трансформатора тока близок к режиму короткого замыкания, т.е. сопротивление нагрузки должно быть очень малым. При обслуживании вторичного прибора, вторичная обмотка трансформатора тока замыкается накоротко, работа с разомкнутой вторичной обмоткой является аварийным случаем, т.к. при этом на её вывода возникает высокое напряжение, что создает угрозу жизни обслуживающего персонала и может привезти к пробою изоляции. Первичная обмотка трансформатора тока включается в измеряемую цепь последовательно.

В трансформаторе напряжения обе обмотки выполняются из провода не большого сечения, количество витков в обеих обмотках достаточно велико. Измерительные трансформаторы напряжения обычно бывают повышающими, т.е. число витков в первичной обмотке больше, чем во вторичной, а ток и сечение провода во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Нормальный режим трансформатора напряжения близок к режиму холостого хода, т.е. сопротивление нагрузки должно быть достаточно большим. Вторичное напряжение измерительных трансформаторов тока обычно равно 100 В или В. Первичная обмотка трансформатора напряжения включается в измерительную цепь параллельно.

Для трансформаторов тока действительный коэффициент трансформации равен

, следовательно .

Аналогично, для трансформатора напряжения

, следовательно .

Однако, фактически действительные значения K_I и K_U не являются постоянными величинами и зависят от значений амплитуды и частоты измеряемой величины, величины нагрузки вторичной цепи, а так же от конструктивных параметров. По этому при измерениях их результаты умножаются не на действительные, а на номинальные значения коэффициентов, приводимы в документации на трансформатор (обозначаются они K_Iн и K_Uн). На самом трансформаторе обычно номинальный коэффициент трансформации указывается в виде дроби, числитель и знаменатель которой равны номинальному значению измеряемой величины и соответствующему ей значению вторичного сигнала.

При измерении в режиме отличном от номинального, при расчете измеряемой величины по значениям вторичной с использованием K_Iн и K_Uн возникает погрешность, равная для трансформатора тока

,

где , .

для трансформатора напряжений

,

где , .

Погрешности иназываются, соответственно, погрешностями тока и напряжения и их зависят от величины и характера нагрузки трансформатора. Существует так же, т.н. угловая погрешность, обусловленная неточностью передачи фазы первичного сигала во вторичную цепь. В идеале сдвиг между токами (напряжениями) в первичной и вторичной цепи должен быть равнее 180⁰, однако реальных условиях он может отличаться от этой величины, что и приводит к погрешности угла.

Переносные трансформаторы ока изготавливают с классом точности 0,01…0,2 на частоты 25…10 кГц (трансформатор может быть рассчитан как только на номинальную частоту, так и на весь диапазон), номинальный вторичный ток – 5 А (реже 1 и 2 А).

Стационарные трансформаторы тока изготавливают первичные токи 1А…40 кА, вторичный тока – 5 А, 2,5 А (реже 1 и 2 А), классы точности – 0,2…10

.

Трансформатор тока как правило рассчитан на использование с нагрузкой строго определенной величины, указываемой в паспортных данных прибора, а так же на определенное значение рабочего напряжения.

Иногда для компенсации погрешность используются дополнительные устройства компенсации, при этом такой трансформатор называется компенсированным. Компенсированные трансформаторы имеют более сложную конструкцию, габариты и стоимость.

1,4 – погрешность тока и угла обычного, 2,3 – компенсированного трансформатора тока.

Погрешность напряжения (а) и угловая погрешность трансформаторов напряжения зависят от вида нагрузки и её мощности.

Измерительные трансформаторы напряжения изготавливаются на напряжения 127 В…35 кВ с вторичным напряжением 100 В или В (реже 150 В). Для трехфазных сетей существуют трехфазные измерительные трансформаторы напряжения. Лабораторные трансформаторы напряжений могу иметь несколько пределов измерений. Конструктивно измерительные трансформаторы напряжений незначительно отличаются от обычных трансформаторов напряжений.

Измерительные трансформаторы постоянного тока и напряжения

Применяются для измерений больших токов (свыше 10 кА) и в тех случаях, когда использование шунтов невозможно или нецелесообразно. Конструкция трансформатора постоянного тока отличаете от трансформатора переменного тока.

Трансформатор включает в себя два магнитопровода, первичные обмотки включают в себя оба магнитопровода и включаются последовательно. Вторичные обмотки могут включаться как последовательно, так и параллельно и, через выпрямитель подключаются к измерительному прибору. Во вторичную обмотку включается также дополнительный источник постоянного тока. Принцип действия основан на зависимости магнитного сопротивления магнитопроводов напряжению питания при изменении первичного тока (принцип действия похож на принцип действия магнитного усилителя, рассматриваемого в курсе «электрические и электронные аппараты»). На аналогичном принципе строятся измерительные трансформаторы постоянного напряжения.