 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения
Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения служат в основном для преобразования больших переменных токов или напряжений в относительно малые их значения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерений (например, 5 А; 1 А; 150 В и т.д.).
Применением измерительных трансформаторов достигается гальваническое разделение вторичной (измерительной) цепи от первичной высокого напряжения, а, следовательно, безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы при этом включаются в заземленную цепь низкого напряжения (рис. 1). Кроме того, в зависимости от соотношения витков первичной и вторичной обмоток можно уменьшать или увеличивать значения токов и напряжений, следовательно, использовать трансформатор в качестве согласующих звеньев и частей измерительного устройства в целом.
Таким образом, основное назначение измерительных трансформаторов тока и напряжения:
а) для расширения пределов измерения приборов по току и напряжению;
б) для гальванического разделения частей измерительной цепи;
в) для согласования отдельных частей измерительных устройств.
Схемы включения измерительных трансформаторов для расширения верх них пределов измерения вольтметра, амперметра и ваттметра приведены на рис. 4, 5 и 6.
Трансформаторы состоят из двух изолированных обмоток, помещенных на магнитопровод из магнитомягкого материала: первичной с числом витков w1 и вторичной с числом витков w2 (рис. 4 и 5). Выводы первичной обмотки трансформатора подключают к цепи, в которой производится измерение; к зажимам вторичной обмотки присоединяют нагрузку ZНАГ, которой может быть измерительный прибор или часть его.
При измерениях в высоковольтных цепях трансформаторы обеспечивают безопасность обслуживания приборов, присоединенных к вторичным обмоткам. Это достигается электрической изоляцией (гальваническим разделением) первичной и вторичной обмоток трансформаторов и заземлением металлического корпуса и вторичной обмотки. При отсутствии заземления и повреждении изоляции между обмотками вторичная обмотка и подключенные к ней приборы окажутся под высоким потенциалом, что недопустимо.
Входной (первичной) величиной трансформатора тока является ток I 1, протекающий в первичной цепи. Выходной (вторичной) величиной является ток I 2, протекающий в нагрузке (рис. 4).
В трансформаторе напряжения входной (первичной) величиной является напряжение U 1, подведенное к его первичным зажимам, а выходной (вторичной) - напряжение U 2 на выходных зажимах (нагрузке), рис. 5.
Основными техническими характеристиками трансформатора тока являются номинальные значения первичного и вторичного токов I1НОМ и I2НОМ, номинальная частота и номинальное сопротивление нагрузки Z1НАГ. Первичная обмотка выполняется из провода разного сечения в зависимости от номинального первичного тока. При I1НОМ >> 500 А она может состоять из одного витка в виде прямой медной шины (или стержня), проходящей через окно магнитопровода. Вторичная обмотка у всех стандартных трансформаторов тока выполняется проводами небольшого сечения. В соответствии с ГОСТ вторичный номинальный ток трансформаторов тока I2НОМ может быть 1, 2, 5 А при значениях I1НОМ в пределах от 0,1 до 60000 А. Аналогично основными характеристиками трансформатора напряжения являются номинальные значения первичного и вторичного напряжений U1НОМ, U2НОМ частоты и вторичной мощности P2НОМ. Вторичное номинальное напряжение U2НОМ стандартных трансформаторов составляет 100/√3, 100 и 150 В при первичном номинальном напряжении U1НОМ от 220 В до 35 кВ.
Условия работы и схемы включения трансформаторов тока и напряжения отличаются друг от друга. Первичная обмотка трансформатора тока включается в измерительную цепь последовательно, ее зажимы обозначаются буквами Л1 – Л2 (линия). Во вторичную обмотку, зажимы которой обозначаются буквами И1 – И2 (измерение), включают амперметры, токовые обмотки ваттметров, счетчиков и других приборов. Нормальным режимом работы трансформаторов тока является режим, близкий к короткому замыканию. Первичная обмотка трансформатора напряжения включается в измерительную цепь параллельно, а ее зажимы обозначаются А - Х (начало - конец). К зажимам вторичной обмотки трансформатора напряжения, обозначаемой соответственно буквами а - х, подключают вольтметры, параллельные цепи ваттметров и других приборов, то есть режим работы его близок к холостому ходу.
По показанию приборов, включенных во вторичные обмотки измерительных трансформаторов, можно определить значения измеряемых величин. Для этого их показания надо умножить на действительные коэффициенты трансформации трансформатора тока Ki и трансформатора напряжения Ku, соответственно равные
Действительные значения коэффициентов трансформации зависят от режима работы трансформатора т.е. от значений токов и напряжений, характера и значения нагрузки вторичной цепи и частоты тока, а также от конструкции трансформатора и качества материала магнитопровода и обычно не известны. Поэтому показания приборов умножают на номинальные значения коэффициентов трансформации трансформатора тока KIНОМ трансформатора напряжения KUНОМ. Номинальные значения коэффициентов трансформации являются постоянными для данного трансформатора и всегда указываются на щитке трансформатора в виде дроби, числитель которой есть номинальное значение первичной, а знаменатель - вторичной величины.
Относительная погрешность из-за неравенства действительного и номинального значений коэффициентов трансформации составляет:
для трансформаторов тока
Погрешность γI называется токовой погрешностью, а γU - погрешностью напряжения. Кроме того, в реальном трансформаторе первичная величина (ток, напряжение) отличается от своего идеального значения не только по модулю, но и по фазе, т.е. имеется еще так называемая угловая погрешность.
В идеальном трансформаторе вектор вторичного тока I 2 сдвинут по фазе относительно вектора первичного тока I 1 на 180°. Такой же фазовый сдвиг должен быть между векторами вторичного U 2 и первичного U 1 напряжений в трансформаторе напряжения. В реальном трансформаторе угол между повернутым на 180° вектором вторичной величины и соответствующим вектором первичной величины не равен нулю, а составляет угол δ, который называется угловой погрешностью трансформатора. Погрешность считается положительной, если повернутый на 180° вектор вторичной величины опережает вектор первичной величины.
Угловая погрешность измерительных трансформаторов сказывается на показаниях приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазового сдвига между токами в цепях этих приборов, таких как, например, ваттметры и счетчики. Поэтому удобно ввести понятие комплексной погрешности измерительного трансформатора. Под комплексной погрешностью трансформатора тока будем понимать отношение
Схемы рис. 4 и 5 не дают точного представления о действительной конструкции трансформаторов, так как магнитопроводы в реальных трансформаторах бывают не только стержневые, но и тороидальные (кольцевые), и броневые. Обмотки в трансформаторах, как правило, размещают на одном стержне. Поэтому, хотя эти схемы не отражают некоторых существенных особенностей конструкций трансформаторов, они удобны для анализа и вывода
Переменное напряжение U 1 (рис. 7), приложенное к зажимам первичной обмотки w1, вызывает в ней ток I1. Вследствие индуктивной связи между обмотками во вторичной обмотке w2 наводится ЭДС E 2. Если вторичная обмотка замкнута на сопротивление ZНАГ, то в ней появляется ток I2, на зажимах вторичной обмотки - напряжение U2.
Магнитной поле в трансформаторе при анализе часто представляют в виде трех потоков: общего потока Ф в магнитопроводе, сцепленного с обеими обмотками и создаваемого МДС I1w1 и I2w2; потоков рассеяния Ф s1 и Ф s2, которые в большей своей части проходят по воздуху и сцеплены соответственно с витками первичной и вторичной обмоток. Предполагается, что потоки рассеяния малы по сравнению с потоком Ф, пропорциональны токам I 1 и I 2 совпадают с ним пофазе. При этих допущениях трансформатор можно представить эквивалентной схемой, изображенной на рис. 8. Здесь RK1, RK2 - активныесопротивления обмоток катушек; xK1, xK2 - индуктивные сопротивленияобмоток, обусловленные потоками рассеяния.
Несмотря на то, что сделанные допущения недостаточно точно отражают процессы, протекающие в трансформаторе, рассмотренная упрощенная схема позволяет выявить основные свойства трансформаторов и вывести соотношения при их расчете.
Достаточно полный анализ основных соотношений измерительных трансформаторов рассмотрен, например, в [1].
3. Порядок проведения работы
3.1. Ознакомиться с приборами, используемыми в работе. Выписать их технические характеристики, а именно: тип прибора, класс точности, пределы измерения или регулировок, заводские номера и т.д.
3.2. Определить внутреннее сопротивление и приведенную погрешность микроамперметра, используемого в работе. В качестве исследуемого миллиамперметра использовать микроамперметр магнитоэлектрической системы с током полного отклонения не менее 100 мкА. Схема включения приборов приведена на рис. 9, где G - блок питания постоянного тока с напряжением до 5 В; R1 - магазин сопротивлений; Р1 - милливольтамперметр постоянного тока класса точности 0,2 или 0,5; Р2 - цифровой вольтметр типа Ф283; РЗ - микроамперметр, исследуемый в работе.
Примечание: перед включением источника G магазин сопротивлений R1 должен находиться в положении максимального сопротивления.
3.3. Изменяя сопротивление на магазине сопротивлений R1, установить на приборе Р3 ток полного отклонения ( I3 ). Записать в табл. 1 показания приборов Р1 (I1) и Р2 ( U2 ) и значение тока I3
| Таблица 1 | ||||||
| Измерение | Показания | |||||
| I3, мкА | I1, мкА | U2, В | RИ, Ом | RШ, Ом | γ, % | |
| Без шунта | ||||||
| С шунтом 1 | ||||||
| С шунтом 2 | ||||||
| С шунтом 3 |
3.4. Рассчитать значение внутреннего сопротивления прибора Р3 по данным табл. 1.
Рассчитанное значение Ru записать в табл. 1.
3.5. Определить приведенную погрешность прибора Р3 по формуле
Значения погрешности записать в табл. 1.
3.6. Расширить предел измерения по току с помощью шунта.
3.7. По формуле (2) рассчитать сопротивления шунта RШ’, RШ’’, RШ’’’ для трех токов, выбираемых из табл. 2 в зависимости от варианта.
| Таблица 2 | |||
| Варианты | |||
| I3’, мкА | |||
| I3’’, мкА | |||
| I3’’’, мкА |
3.8. Для расширения предела измерения прибора Р3 по току собрать схему, представленную на рис. 10. При этом использовать те же приборы, что и в схеме рис. 9, а в качестве шунтов RШ - магазин сопротивлений МРС-58.
3.9. На магазине сопротивлений МРС-58 поочередно установить значения RШ’, RШ’’, RШ’’’. Для каждого из этих значений добиться отклонения указателя прибора Р3 на конечную отметку шкалы, что должно соответствовать токам I3’,I3’’,I3’’’, и определить показания прибора Р1 – I1’, I1’’,I1’’’.
3.10. Значения RI, I1, I3 занести в табл. 1 и рассчитать по формуле (6) погрешности γШ прибора Р3 с шунтами.
3.11. Расширить предел измерения по напряжению с помощью добавочных сопротивлений.
3.12. Определить по данным табл. 1 напряжение UНОМ, соответствующее току полного отклонения I прибора Р3.
3.13. Рассчитать значение добавочного сопротивления Р2 по формуле (3) или (4), выбрав три значения измеряемого напряжения по табл. 3 в зависимости от варианта.
| Таблица 3 | ||||
| Варианты | ||||
| U3’, мВ | ||||
| U3’’, мВ | ||||
| U3’’’, мВ |
3.14. Собрать схему, представленную на рис. 11. В качестве Р2 использовать цифровой вольтметр постоянного тока типа Ф283, а в качестве добавочного сопротивления RД - магазин сопротивлений МРС-58.
3.15. Установить поочередно на магазине сопротивлений значения RД’, RД’’, RД’’’, соответствующие заданным напряжениям U3’, U3’’, U3’’’, каждого значения RД изменением сопротивления реостата R1 добиться полного отклонения стрелки прибора Р3. Снять показания вольтметра Р2 (U2), прибора РЗ (I3) и занести их в табл. 4.
3.16. Рассчитать погрешность прибора Р3 с добавочным сопротивлениями по формуле
Значения рассчитанных погрешностей для трех значений записать в табл. 4.
| Таблица 4 | ||||||
| Значение измеряемых напряжений | Расчетное значение RД, Ом | Показания приборов | Абсолютная погрешность Δ, В | Относительная погрешность γ, % | ||
| U3, В | I3, А | U2, В | ||||
| U3’ | ||||||
| U3’’ | ||||||
| U3’’’ |
3.17. Собрать схему рис. 12 для расширения верхнего измерения ваттметра с помощью измерительных трансформаторов напряжения и тока.
3.18. По данным трансформатора тока ТА, трансформатора напряжения ТV и показаниям ваттметра определить мощность, потребляемую нагрузкой, погрешностями трансформаторов пренебречь. Например, для измерения большой мощности ваттметр подключен к нагрузке через измерительные трансформаторы тока с коэффициентом трансформации KI = 200/5 и напряжения с KU = 600/100 (эти данные указаны на щитках трансформаторов). Ваттметр показал 400 Вт. Требуется определить потребляемую нагрузкой мощность.
Решение
1. За счет трансформаторов тока и напряжения мощность в измерительной цепи уменьшена в коэффициент трансформации раз: KP = KI • KU по мощности,
т.е. при KI = 200/5 = 40; KU = 600/100 = 6 коэффициент KP = 40.6 = 240 раз.
2. Учитывая, что KP = P1 / P2, где P1 - мощность первичной цепи (то есть потребляемая нагрузкой мощность); P2 - мощность, измеряемая ваттметром, имеем: P1 = KP • P2 = 240 • 400 = 96000 Вт = 96 кВт.
6. Сделать выводы по работе с обоснованием полученных результатов.
Контрольные вопросы
1. Что такое шунт? Назначение, устройство, схемы включения шунтов.
2. Как расширяется верхний предел измерения амперметров?
3.С какими измерительными механизмами можно использовать шунты для расширения предела измерения и почему?
4. Какие бывают шунты и какого класса точности?
5. Как подключить шунт к измерительному механизму прибора (ИМП)?
6. Какими параметрами характеризуется шунт?
7. Как обозначаются шунты?
8. Что такое многодиапазонный шунт и как он подключается к ИМП?
9. Как рассчитать сопротивление шунта?
10. Что такое добавочное сопротивление? Назначение, устройство, схемы включения?
11. Как расширяется верхний предел измерения вольтметра с помощью добавочного сопротивления?
12. Какими параметрами характеризуется добавочное сопротивление и как его рассчитать?
13. Как маркируются и обозначаются добавочные сопротивления?
14. Какие бывают добавочные сопротивления, и на какие классы точности они делятся?
15. Что такое измерительный трансформатор тока и напряжения и для чего они предназначены?
16. Как с помощью трансформаторов расширить верхние пределы измерения амперметра, вольтметра и ваттметра?
Библиографический список к работе
1. Электрические измерения /В. Н. Малиновский, Р. М. Демидова-Панферова и др.; Под ред. В. Н. Малиновского. - М.: Энергоиздат, 1985.
2. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин / Под ред. Е. С. Полищука. - Киев: Вища школа, 1984. - 359 с.
3. ГОСТ 8042-78. Преобразователи электрических величин. Шунты измерительные. Технические условия. – М: Изд-во стандартов, 1981.
4. ГОСТ 8623-78. Сопротивления добавочные для электроизмерительных приборов. – М: Изд-во стандартов, 1978.
Поиск по сайту: