Лекция №10. Трансформаторные измерительные преобразователи

На рис. 10.1, а показан дифференциальный трансформаторный преобразователь с подвижным сердечником. Как видно из сравнения рис. 10.1,а и 9.3, а, конструкции магнитной цепи индуктивного и взаимоиндуктивного преобразователей одинаковы, отличаются они только числом обмоток. При центральном расположении сердечника ЭДС вторичных обмоток равны между собой и суммарная выходная ЭДС Е₂ равна нулю, так как обмотки включены встречно. При сме­щении сердечника ЭДС Е₂ определяется по формуле

(10.1)

Полагая, что Z_{m 6} = Z_M + ∆Z_M, a Z_{M а} = Z_M — ∆Z_M, можно упро­стить это выражение:

(10.2)

На рис. 10.1, б показан преобразователь угла поворота. Напряже­ние питания подводится к обмотке 1. Обмотка 2 в этом преобразова­теле выполнена в виде рамки, имеющей возможность поворачиваться в кольцевом зазоре магнитной цепи 4. При крайних положениях рамки (α₁ и α ₂) индуктированная в ней ЭДС Е₂ имеет максимальное значение.

Рис. 10.1

По мере поворота рамки в горизонтальное положение ЭДС Е₂ линейно уменьшается до нуля (рис. 10.1, б). При переходе рамки через гори­зонтальное положение фаза ЭДС Е₂ изменяется на 180°. В тех случаях, когда хотят получить изменение ЭДС преобразователя от нуля до максимума при повороте рамки из одного крайнего положения α ₁ в другое α ₂, последовательно с рамкой включают дополнительную обмотку 3. Зависимость ЭДС Е₂, Е₃и (Е₂ + Е₃ ) от угла отклонения рамки приведена на рис.10.1, б. Преобразователи подобного типа можно применять для измерения больших угловых перемещений, и конструктивно для этих-целей можно использовать измерительные механизмы ферродинамических приборов. Поэтому и сами преобразо­ватели иногда называют ферродинамическими.

Преобразователь (рис. 10.2, а) с распределенными магнитными параметрами предназначен для измерения больших линейных пере­мещений и состоит из магнитопровода 4 с рабочей частью в виде двух параллельных полос, обмотки возбуждения 1 и подвижной обмотки 2. При перемещении обмотки 2 от положения 3 до положения 5 индукти­рованная в обмотке 2 ЭДС возрастает, причем зависимость прираще­ния ЭДС от перемещения обмотки 2 оказывается практически линейной, если магнитное сопротивление участка 3 — 5 магнитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора. Преобразо­ватели подобного типа относительно просто выполнить и с требуемой функциональной зависимостью, применив для этого профилированный магнитопровод (рис. 10.2, б). Неподвижные обмотки преобразо­вателя соединены так, чтобы их потоки в магнитопроводе были напра­влены встречно. Тогда в положении 0-0 ЭДС подвижной обмотки будет равна нулю. При смещении обмотки вправо или влево от нейт­рали в ней наводится ЭДС, фаза которой отличается на 180°.

Рис. 10.2

В трансформаторном преобразователе с подвижным сердечником необходимо обеспечить такой режим питания, чтобы МДС первичной обмотки, а следовательно, и ток I₁ первичной цепи не изменялись при перемещении сердечника. Для этого в одинарных преобразователях необходимо включить в первичную цепь высокоомный добавочный резистор, а в дифференциальных преобразователях — последова­тельно соединить первичные обмотки, сопротивления которых изме­няются с обратным знаком.

Индуктосины. Для точного измерения угла поворота применяются круговые индуктосины с печатными обмотками. Принцип действия кругового индуктосина иллюстрируется рис. 10.3. На торцевых по­верхностях, обращенных друг к другу и разделенных малым воздуш­ным зазором (0,1-0,2мм) (рис. 10.3, а), ротор и статор несут печатные обмотки, имеющие вид радиального растра. Обмотка статора, к кото­рой подводится напряжение питания высокой частоты (около 10 кГц), показана на рис. 10.3, б; обмотка ротора, в которой наводится ЭДС е_вых. — на рис. 10.3, в. На рис. 10.3, г изображено сечение обмо­ток и магнитное поле статора, напряженность которого Н_у меняется вдоль оси х. Максимальная ЭДС наводится в обмотке ротора, когда ее витки находятся под витками статора. При смещении обмотки на угол φ_N = π/p, где р — число полюсных шагов статорной обмотки, угол сдвига индуктированной ЭДС изменяется на 180°. Симметрия ЭДС, наводимых в обмотке ротора в положениях а и б, нарушается из-за того, что электромагнитную связь имеют не только радиально рас­положенные проводники обмоток, но и их лобовые части, расположен­ные по окружности. ЭДС, индуктируемая в лобовых частях обмоток, не зависит от углового перемещения обмоток и дает постоянное сме­щение. Для того чтобы это смещение исключить, применяется сек­ционная обмотка, отдельные секции которой смещены относительно друг друга на угол π/p и включены встречно, как показано на рис. 10.3, в. При таком включение, ЭДС радиальных участков обмотки складываются, а ЭДС дуговых участков вычитаются.

Рис. 10.3

Для однозначного определения направления поворота подвижного диска в пределах одного периода повторения кривой ЭДС вторичная обмотка выполняется многофазной, в простейшем случае — двухфаз­ной, как показано на рис. 10.3, в. Фазовые обмотки смещаются отно­сительно друг друга на угол (2n + 1) π/(2р). Тогда при смещении ро­тора относительно некоторого положения, в котором ЭДС обмотки 1 считаем условно положительной, ЭДС е₁ и е ₂ в обмотках 1 и 2 вдоль угла поворота диска будут меняться так, как показано на рис. 10.3, д. Значение е₁ определяет угол поворота, а угол сдвига е₂ относительно е₁ определяет направление угла поворота. Выходной величиной индукто­сина может служить как ЭДС, индуктируемая во вторичной обмотке, так и ее фаза. Однако в том и другом случае измеряемое угловое пе­ремещение не должно превышать полюсного деления, т. е. φ_N = ± π/p. Для того чтобы измерять большие углы поворота, индуктосин дополняется датчиком грубого отсчета угла, который также может быть выполнен с применением печатных обмоток.

Технологически представляется достаточно сложным выполнить печатную обмотку так, как показано на рис. 10.3, в, поскольку в ней шаг между проводниками неравномерный. Для того чтобы избежать этих технологических трудностей, обе обмотки ротора и статора выпол­няются с равномерным шагом, но с разным числом витков. Причем эта разность подбирается таким образом, чтобы на части ротора, занимаемой одной секцией обмотки первой фазы, набегало угловое смещение между обмотками ротора и статора, равное π/(2р). Тогда ЭДС следующей секции, которая принадлежит второй фазе, будет сдвинута относительно ЭДС первой секции на электрический угол π /2, ЭДС третьей секции, включаемая встречно с ЭДС первой, будет сдви­нута относительно первой секции на угол π и т. д. Таким образом, осуществляются те же сдвиги, что и в обмотках, показанных на рис. 10.3, в. Вследствие веерного разнесения векторов ЭДС, индукти­руемых в радиальных проводниках каждой секции, в пределах угла π /2 их суммарная ЭДС падает на 10%.

Полюсный шаг в существующих индуктосинах составляет 0,5— 1,5 мм, сопротивление обмоток небольшое (0,5—5 Ом), ток питания статорной обмотки 0,1—-0,5 А, выходная ЭДС 5—10 мВ.

Основными источниками погрешностей индуктосинов являются неточность выполнения обмоток по углу, неплоскостность токопроводящих слоев ротора и статора и радиальные эксцентриситеты обмоток, вызванные несовпадением геометрических осей вращения обмоток с реальной осью вращения. Суммарная погрешность измерения углов с помощью индуктосинов составляет 3—10".

Измерительные трансформаторы. Схема включения измерительных трансформаторов тока (ИТТ) и напряжения (ИТН) в цепь показана на рис. 10.4.

Измерительные трансформаторы позволяют расширить пределы измерения приборов, уменьшая в определенном соотношении ток и напряжение, и, кроме того, отделить и хорошо изолировать цепи измерительных приборов от силовой цепи, что дает возможность зазем­лить вторичные цепи и предохранить от опасности обслуживающий их персонал. Первичная цепь ИТН включается через предохранители, чтобы при неисправности трансформатора он не оказался причиной аварии. Предохранители, установленные во вторичной цепи, служат для защиты трансформатора от замыканий в нагрузке. Вторичный ток ИТТ равен 5 А, для специальных целей выпускаются трансформа­торы на 1 и 2 А, вторичное напряжение ИТН может быть 100, 100/√3 и 150 В.

Рис. 10.4

Точность измерительного трансформатора характеризуется двумя величинами: погрешностью коэффициента трансформации, определяю­щей отличие действительных вторичных токов и напряжений от номинальных, γ_I =(I_ном -I)/I_ном и γ_U = (U_ном — U )/ U _ном и угловой погрешностью φ_I или φ_U, определяющей фазовый сдвиг между векто­рами токов или напряжений в первичной и вторичной обмотках. Угловая погрешность должна учитываться при вклю­чении во вторичную цепь фазочувствительных приборов, например ваттметра, так как их показания, в частности ваттметра Р' = U₂I₂ cos [φ + (φ_I + φ_U)] зависят от алгебраической суммы (φ_I + φ_U). При включении фазочувствительных приборов важно так­же не изменить направление одного из векторов на 180° неправильным включением обмоток, поэтому концы пер­вичных и вторичных обмоток трансформаторов маркируются, как показано на рис. 10.4.

По точности ИТТ и ИТН подразделяются на несколько классов. Характеристики наиболее точных лабораторных измерительных трансформаторов (ГОСТ 23624—79 и ГОСТ 23625—79) приведены в каче­стве примера в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Тип трансформатора	Класс точности	Предел допускаемой погрешности	Нормальная область значений вторичной нагрузки, %
Трансформатор тока	0,01 0,05	тока, %	угла, …0	95-100 50-100
±[0,01+0,002(Iном/I - 1)] ±[0,05+0,002(Iном/I - 1)]	±[1+0,1(Iном/I - 1)] ±[3+0,3(Iном/I - 1)]
Трансформатор напряжения	0,05	напряжения, %	угла, …0	0-100
±0,05 Uном/U	±3 Uном/U

Причины погрешностей измерительных трансформаторов легко объяснимы из рассмотрения их эквивалентной схемы. Приведенная к первичной обмотке эквивалентная схема для диа­пазона частот, в котором еще можно пренебречь межвитковыми емко­стями, представлена на рис. 10.5. При рассмотрении погрешностей в данном случае не учитываются также ЭДС помех е_инд и шумовоенапряжение U_ш.

Для эквивалентной схемы (рис. 10.5) отношение токов

(10.3)

отношение напряжений

(10.4)

Рис.10.5

Для идеальных трансформаторов приведенный коэффициент трансформации должен равняться единице. Таким образом, вторые члены уравнений (10.3) и (10.4) харак­теризуют погрешность. Как вид­но из уравнений, значение по­грешности зависит от сопротив­ления, включенного во вторич­ную цепь, и для ИТТ будет минимально при Z’_H= 0, т. е. в режиме короткого замыкания, а для ИТН — при Zh = ∞, т. е. в режиме холостого хода. Значения погрешностей зависят также от Z_xx — сопротивления холо­стого хода трансформатора и будут тем меньше, чем больше Z_xx, т. е. чем меньше ток холостого хода трансформатора.

Если возможно скомпенсировать ток холостого хода, т. е. добиться I₀ = 0, например, с помощью операционного усилителя, то принци­пиально погрешности ИТТ можно свести к нулю; таким же методом можно понизить погрешность ИТН.

Требования к конструкциям ИТ определяются в первую очередь необходимостью обеспечения возможно большего сопротивления Z_x._x. Это сопротивление равно

(10.5)

и зависит от магнитной проницаемости материала сердечника. ИТН ра­ботает при относительно больших индукциях (В ≈ 0,8 ÷ 1,5 Тл) и желательно выбрать индукцию так, чтобы магнитная цепь работала: в режиме µ= µ_mах. ИТТ почти полностью размагничены, так как МДС первичной и вторичной обмоток направлены навстречу друг другу, индукция в сердечнике В ≈ 0,02 ÷ 0,15 Тл. В этой области магнитные проницаемости относительно невелики, и увеличе­ния Z_xx добиваются за счет увеличения площади сердечника S.

Аварийный режим, связанный с разрывом вторичной цепи ИТТ при включенной первичной, приводит к намагничиванию сердечника, изменению µ и соответственно изменению коэффициента трансформа­ции. Поэтому ИТТ необходимо специально размагничивать, посте­пенно увеличивая ток в его вторичной обмотке изменением сопротивления от Z'_n → ∞ до Z'_H → 0.

Как видно из выражения (10.5), сопротивление Z_xx при прочих рав­ных условиях зависит от магнитного потока через сердечник, который изменяется при изменении преобразуемого тока или напряжения. Поэтому погрешности ИТ зависят от отношений I/I_ном и U/U_ном.

Для того чтобы разделить погрешности трансформации и угловые погрешности, удобно представить соответствующие сопротивления в виде Z= Ze^iφ. В этой форме коэффициент трансформации ИТТ за­пишется в виде

Погрешности реального ИТТ относительно идеального ИТТ соответственно равны

Аналогично полученные погрешности ИТН составляют

Зависимости коэффициента трансформации ИТТ от значения на­грузки и относительного значения тока I/I_ном представлены на рис. 10.6. Как видно из рис. 10.6, токовая погрешность (аналогично и погрешность напряжения для ИТН) может быть уменьшена, если приписать ИТТ номинальный коэффициент трансформации, несколько больший отношения витков, т. е. n_Iном > n_Iид=ω₂/ω₁.

Рис. 10.6