Лекція 7. Вимірювальні перетворювачі електричних величин

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 6

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

ПЛАН

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

7.1. Загальні відомості

7.2. Пасивні масштабні перетворювачі (у вигляді шунтів і додаткових резисторів)

7.3. Подільники напруги

7.4. Вимірювальні трансформатори

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

7.1. Загальні відомості

Завдання, які стоять перед вимірювальними перетворювачами електричних величин, надзвичайно різноманітні. Оскільки вхідною величиною вимірювального механізму є струм (напруга), то для вимірювань інших електричних величин необхідне їх функціональне перетворення у величину, яка безпосередньо діє на механізм. Завдання універсальності, підвищення чутливості, а в окремих випадках і точності привели до розробки таких перетворювачів, як випрямлячі, модулятори (перетворювачі постійного струму в змінний). Слід зазначити, що як в модуляторах так і у випрямних перетворювачах поряд з перетворенням частотного спектра може відбуватися і перетворення роду величин.

Надзвичайно широкий діапазон можливих значень вимірювальних величин (наприклад, сили струму – від 10^-16 до сотень тисяч ампер, напруги – від 10^-9 до десятків мільйонів вольт) зумовив необхідність масштабних вимірювальних перетворювачів, тобто таких що змінюють лише масштаб величин.

Отже, перетворювачі електричних величин можна поділити на масштабні перетворювачі і перетворювачі роду та частотного спектра вимірювальної величини.

7.2. Пасивні масштабні перетворювачі (у вигляді шунтів і додаткових резисторів)

Масштабні перетворювачі призначені для зміни значення вимірювальної величини в задану кількість раз. Розрізняють два види масштабних перетворювачів:

1. Пасивні, що працюють за рахунок енергії об'єкта дослідження. До них відносяться шунти, додаткові резистори, вимірювальні трансформатори струму і напруги.
2. Активні, що підвищують рівні і працюють за рахунок додаткового джерела енергії. До них відносяться електронні вимірювальні підсилювачі.

3. Пасивні масштабні перетворювачі (у вигляді шунтів і додаткових резисторів)

Шунти. Для того, щоб у вимірювальний механізм приладу надійшов струм І_вм, менший у n раз вимірюваного струму І необхідно використовувати шунти опору, що під’єднуються паралельно колу вимірювального механізму.

Рис. 7.1. Використання шунтів опору, що під’єднуються паралельно колу вимірювального механізму

Значення шунта R, визначається із співвідношення:

R=R_вм/(n-1) (7.1)

де R_вм – опір вимірювального механізму;

n=І/I_вм – коефіцієнт шунтування.

Струм I_вм, що протікає через вимірювальний механізм можна знайти із співвідношення:

І_вм=ІR/(R+R_вм). (7.2)

Рис. 7.2. Схема послідовного включення додаткових резисторів з ВМ

Шунти виготовляються із манганіну. На невеликі струми (до 30 А), шунти розміщуються у корпусі приладу (внутрішні шунти ); на великі струми (до 7500 А), використовуються зовнішні шунти. Шунти за точністю поділяються на наступні класи: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

Додаткові резистори служать для розширення границь вимі­рювання вимірювальних механізмів за напругою і вмикаються послідовно з вимірювальними механізмами (рис. 7.2).

Якщо напруга постійного струму необхідна для повного відхилення рухомої частини вимірювального механізму рівна U_вм, а вимірювальна напруга – U=nU_вм, то:

R=R_вм(n-1). (7.3)

Додаткові резистори виготовляють із ізольованого манганінового дроту, що намотаний на пластини, або каркаси із ізоляційного матеріалу. Вони використо­вуються для перетворення напруг до 30 кВ, постійного і змінного струмів з частотами від 10 Гц до 20 Гц і мають наступні класи точності: 0,01; 0,02; 0,5; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.

7.3. Подільники напруги

Резистивні подільники. Схему найпростішого (одногранич­ного) резистивного подільника напруги подано на рис. 7.3. Коефіцієнт ділення, визначений при умові, що подільник навантажений на нескінченно великий опір, дорівнює:

(7.4)

Резистивні подільники напруги застосовують для розширення меж вимірювань електровимірювальних приладів з високим вхідним опором (електронних і цифрових вольтметрів, компенсаторів постійного струму). Вони бувають, звичайно, багатограничними і виконуються за схемою із сталим вхідним або вихідним опором (рис.7.4). Основні технічні характеристики резистивних подільників напруги постійного струму нормуються [11], клас точності таких подільників може досягати 0,0001; максимальна робоча напруга – 1000 В; максимальний коефіцієнт ділення – 1000; частотний діапазон не перевищує 10 кГц; застосовують в основному на постійному струмі. Для зменшення частотних похибок при їх використанні на змінному струмі застосовують частотну компенсацію.

Рис. 7.3. Схема однограничного резистивного подільника

Рис. 7.4. Схеми багатограничних резистивних подільників напруги

Рис. 7.5. Схема ємнісного подільника напруги

Ємнісні подільники. Схема найпростішого ємнісного подільника подана на рис.7.5.

Коефіцієнт ділення такого подільника:

(7.5)

де R₁, R₂ – опори ізоляції відповідних конденсаторів.

У загальному випадку n залежить від частоти. Проте на досить високих частотах (1/wС₁R₁<<1 і 1/wС₂R₂<<1) і дуже низьких (w®0, тобто 1/wС₁R₁>>1 і 1/wС₂R₂>>1) коефіцієнт ділення (відповідно n=(С₁+С₂)/С₁ і n=(R₁+R₂)/R₂ від частоти не залежить. Для ємнісних подільників, призначених для роботи в широкому діапазоні частот, конденсатори шунтують опорами так, щоб виконувалась умова:

R¢₁/R¢₂=С₂/С₁, (7.6)

де R¢₁ та R¢₂ – сумарні еквівалентні опори, що шунтують відповідно С₁ і С₂.

Застосовують ємнісні подільники, головним чином, для розширен-ня меж

вимірювань електростатичних вольтметрів на змінному струмі.

Рис. 7.6. Принципіальна та еквівалентна схеми заміщення індуктивного подільника

Індуктивні подільники. Конструктивно індуктивний подільник напруги нагадує автотрансформатор. На тороїдному феромагнітному осерді намотана обмотка з числом витків w_1, до якої підведена вхідна напруга U₁. Вихідна напруга U₂ знімається з частини обмотки, число витків якої дорівнює w₂. Обмотка намотується джгутом із скручених ізольованих проводів, число яких дорівнює числу необхідних секцій так, щоб вона була рівномірно розподілена по периферії тороїда. Кінець однієї секції з’єднують з проводом наступної і т.д. Від місць з’єднань роблять виводи до затискачів вихідного кола.

На рис.7.6, наведено принципіальну і еквівалентну схеми заміщення (без урахування міжвиткових паразитних ємностей) найпростішого індуктивного подільника напруги з номінальним коефіцієнтом ділення:

(7.7)

У схему введено позначення:

– намагнічуючий струм, (7.8)

де – основний потік намагнічення;

– комплексний магнітний опір осердя;

Е₁ і Е₂ – ЕРС, наведені у відповідних обмотках основним потоком;

(7.9)

(7.10)

де p i q – числа витків відповідно у вхідній і вихідній обмотках;

R_i – активний опір i-го витка;

L_Si – індуктивність розсіювання і-го витка.

Приймемо:

(7.11)

Де

(7.12)

Враховуючи, що:

і (7.13, 7.14)

дістанемо: (7.15) (7.16)

Дійсний коефіцієнт ділення індуктивного подільника напруги в режимі холостого ходу буде:

(7.17)

оскільки:

і т.д., (7.18)

то:

(7.19)

Отже, похибки такого подільника в режимі холостого ходу не залежать від активних опорів і індуктивностей розсіювання обмоток, а визначаються лише відмінностями їх значень.

Спад напруги на активних опорах і індуктивностях розсіювання обмоток малий порівняно з ЕРС, що наводиться в них, тому вплив невеликих відмінностей у їх значеннях на похибку коефіцієнта ділення буде незначним. За інших рівних умов похибка подільника залежить від комплексного магнітного опору осердя і тим менша, чим менший магнітний опір, тобто чим вища магнітна проникність осердя.

Застосовують ці подільники на частотах звукового діапазону, вони є перспективними перетворювачами напруги для різних електрич­них вимірювальних кіл і пристроїв. Похибки таких подільників при серійному виробництві можна звести до 0,001% і менше. В найкращих зразках точність коефіцієнта ділення оцінюється похибкою порядку 10^-5% при фазовій похибці, що не перевищує 10^-6 рад.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

6.1.

6.2.

6.3.

7.4. Вимірювальні трансформатори

Вимірювальні трансформатори струму перетворюють змінний струм від 0,8 до 40 000А в струм з граничним значенням 1; 2; 2,5; 5А. Тому в трансформаторах струму первинний струм, зазвичай, більший вторинного. Первинна обмотка трансформатора струму містить малу кількість витків і її виводи АВ (рис.7.7) підключають у розрив провідника з вимірювальним струмом.

Число витків вторинної обмотки більший ніж первинної. До її виводів СД послідовно підключають амперметри , вольтметри та інші прилади.

Вторинні кола вимірювальних трансформаторів напруги розраховані на напругу 100В. Виводи ЕF первинної обмотки високої напруги вмикають в досліджуване коло паралельно. У вторинне коло LN з меншим числом витків (w₁>w₂) паралельно підключають вольтметри, ватметри та ін. (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Схема вимірювального трансформатора

За показами приладів, що включені у вторинні обмотки, можна визначити значення вимірювальних величин. Для цього їх покази множаться на дійсні коефіцієнти трансформації:

К_і=І₁/І₂; (7.20)

К_u=U₁/U₂. (7.21)

Але дійсні коефіцієнти трансформації невідомі, так як вони залежать від режиму роботи трансформатора (від значень струмів, напруг, опорів навантаження вторинного кола та ін.). Тому замість дійсних коефіцієнтів трансформації використовують номінальні коефіцієнти трансформації:

К_{u ном}=U_{1 ном}/U_{2 ном}=w₁/w₂; (7.22)

K_{i ном}=І_{1 ном}/I_{2 ном}=w₂/w₁. (7.23)

Відносні похибки d_і, d_u через нерівності дійсного і номінального коефіцієнта трансформації визначаються наступними виразами:

d_і=(К_{і ном}-К_і)100/К_і; (7.24)

d_u=(К_{u ном}-К_u)100/К_u. (7.25)

Вимірювальні трансформатори мають також фазову похибку, зв’язану з тим, що в реальному трансформаторі кут між повернутим на 180° вектором вторинної напруги (струму) і відповідним вектором первинної напруги (струму) нерівний 0. За точністю трансформатори струму поділяються на наступні класи: 0,01; 0,02; 0,05; 0.1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0. У залежності від області використання вимірювальні трансформатори струму виготовляються стаціонарними і переносними. Переносний трансформатор струму И-54 класу точності 0,2 має номінальні первинні струми 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 50,0 А, вторинний струм 5 А, номінальне навантаження 0,4 Ом.

Універсальний трансформатор струму типу УТТ-5М, має первинні номінальні струми 15 і 50 А, вторинний 5А. Стаціонарні трансформатори напруги мають класи точності: 0,2; 0,5; 1,0, а лабораторні 0,05; 0,1; 0,2 [12].

Запитання

1. Як поділяються перетворювачі електричних величин?

2. Для чого призначені масштабні перетворювачі?

3. Як поділяються масштабні перетворювачі?

4. Для чого використовуються шунти?

5. Як визначається значення опору шунта?

6. Що визначає коефіцієнт шунтування?

7. Як поділяються за точністю стандартні шунти?

8. Для чого служать додаткові резистори в вимірювальних приладах?

9. Як визначається опір додаткового резистора для вимірюваль-ного приладу?

10. Як поділяються за точністю стандартні додатко-ві резистори для приладів?

11. Для чого застосовуються подільники напруги?

12. Із яких елементів виготовляються подільники напруги для змінного струму?

13. Як визначається напруга на виході активного подільника?

14. Як визначається коефіцієнт передачі ємнісного подільника?

15. На які значення струму розраховані вторинні кола вимі-рювальних трансформаторів струму?

16. На які значення напруги розраховані вторинні кола вимі-рювальних трансформаторів напруги?