Трансформатор напряжения предназначен для понижения высокого напряжения до стандартного значения 100 В и для отделения цепей измерения и релейной защиты от первичных цепей высокого напряжения. Схема включения однофазного трансформатора напряжения показана на рис. 1 [см. приложение 1]; первичная обмотка включена на напряжение сети U1, а ко вторичной обмотке (напряжение U2) присоединены параллельно катушке измерительных приборов и реле. Для безопасности обслуживания один выход вторичной обмотки заземлен.
«Номинальный коэффициент трансформации определяется следующим выражением:
где U1ном , U2ном – номинальные первичное и вторичное напряжение соответственно.
Рассеяние магнитного потока и потери в сердечнике приводят к погрешности измерения
Так же как и трансформаторах тока, вектор вторичного напряжения сдвинут относительно вектора первичного напряжения не точно на угол 180. Это определяет угловую погрешность.»[1]
В зависимости от номинальной погрешности различают классы точности 0,2; 0,5; 1; 3.
Погрешность зависит от конструкции магнитопровода, магнитной проницаемости стали и от cos j вторичной нагрузки. В конструкции трансформаторов напряжения предусматривается компенсация погрешности по напряжению путем некоторого уменьшения числа витков первичной обмотки, а также компенсация угловой погрешности за счет специальных компенсирующих обмоток.
Суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле, подключенных ко вторичной обмотке ТН, не должно превышать номинальную мощность ТН, т.к. в противном случае это приведет к увеличению погрешностей.
«В зависимости от назначения могут применятся ТН с различными схемами соединения обмоток. Для измерения трех междуфазных напряжений можно использовать два однофазных двухобмоточных трансформатора НОМ, НОС, НОЛ, соединенных по схеме открытого треугольника (рис. 2 [см. приложение 2], а), а также трехфазный двухобмоточный трансформатор НТМК, обмотки которого соединены в звезду (рис.2 [см. приложение 2],б). Для измерения напряжения относительно земли могут применяться 3 однофазных трансформатора, соединенных по схеме Y0/Y0, или трехфазный трехобмоточный трансформатор НТМИ (рис.2 [см. приложение 2], в). В последнем случае обмотка, соединенная в звезду, используется для присоединения измерительных приборов, а к обмотке, соединенной в разомкнутый треугольник, присоединяется реле защиты от замыканий на землю. Таким же образом в трехфазную группу соединяются однофазные трехобмоточные трансформаторы типа ЗНОМ и каскадные трансформаторы НКФ.»
Измерительные трансформаторы тока
Назначение измерительных преобразователей.
«Измерительный преобразователь тока (ИПТ) это – устройство предназначенное для преобразования первичного тока в такой выходной сигнал, информативные параметры которого функционально связаны с информативными параметрами первичного тока. Для создания ИПТ можно использовать различные физические явления. В настоящее время ИПТ обычно создаются на основе широко применяемого в электротехнике трансформаторного эффекта — в виде трансформатора.» [3]
Трансформатором тока (ТТ), являющимся наиболее широко применяемым ИПТ, называется такой трансформатор, в котором при нормальных условиях работы выходной сигнал является током, практически пропорциональным первичному току и при правильном включении сдвинутым относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.
Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь последовательно (в рассечку токопровода), а вторичная замыкается на некоторую нагрузку (измерительные приборы и реле), обеспечивая в ней ток, пропорциональный току в первичной обмотке.
В трансформаторах тока высокого напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной (земля) на полное рабочее напряжение. Один конец вторичной обмотки обычно заземляется. Поэтому она имеет потенциал, близкий к потенциалу земли.
Трансформаторы тока по назначению разделяются на трансформаторы тока для измерений и трансформаторы тока для защиты. В некоторых случаях эти функции совмещаются в одном ТТ.
Трансформаторы тока для измерений предназначаются для передачи информации измерительным приборам. Они устанавливаются в цепях высокого напряжения или в цепях с большим током, т. е. в цепях, в которых невозможно непосредственное включение измерительных приборов. Ко вторичной обмотке ТТ для измерений подключаются амперметры, токовые обмотки ваттметров, счетчиков и аналогичных приборов. Таким образом, трансформатор тока для измерений обеспечивает:
1) преобразование переменного тока любого значения в переменный, ток, приемлемый для непосредственного измерения с помощью стандартных измерительных приборов;
2) изолирование измерительных приборов, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения.
«Трансформаторы тока для защиты предназначаются для передачи измерительной информации в устройства защиты и управления. Соответственно этому трансформатор тока для защиты обеспечивает:
1) преобразование переменного тока любого значения в переменный ток, приемлемый для питания устройств релейной защиты;
2) изолирование реле, к которым имеет доступ обслуживающий персонал, от цепи высокого напряжения.»
Трансформаторы тока в установках высокого напряжения необходимы даже в тех случаях, когда уменьшения тока для измерительных приборов или реле не требуется.
Классификация ИПТ.
В зависимости от рода тока ИПТ разделяются на ИП переменного и ИП постоянного тока. В работе будут рассматриваться ИПТ переменного тока для установок и сетей с номинальной частотой тока 50 Гц.
По назначению ИПТ разделяются на ИПТ для измерений и ИПТ для защиты. Последние могут предназначаться для работы только в установившихся (статических) режимах либо в установившихся и переходных (динамических) режимах.
В зависимости от вида преобразования ИПТ делятся на преобразователи тока в ток, тока в напряжение (например, трансреакторы, магнитные трансформаторы тока), тока в неэлектрическую величину (например, в световой поток). При этом по способу представления выходной информации ИПТ подразделяются на аналоговые и дискретные.
Одновитковые ТТ (рис. 3 [см. приложение 3]) имеют две разновидности: без собственной первичной обмотки; с собственной первичной обмоткой. Одновитковые ТТ, не имеющие собственной первичной обмотки, выполняются встроенными, шинными или разъемными.
Встроенный трансформатор тока представляет собой магнитопровод с намотанной на него вторичной обмоткой. Он не имеет, собственной первичной обмотки. Ее роль выполняет токоведущий стержень проходного изолятора. Этот трансформатор тока не имеет изоляционных элементов между первичной и вторичной обмотками. Их роль выполняет изоляция проходного изолятора.
В шинном трансформаторе тока роль первичной обмотки выполняют одна или несколько шин распределительного устройства, пропускаемые при монтаже сквозь полость проходного изолятора. Последний изолирует такую первичную обмотку от вторичной.
«Многовитковые трансформаторы тока (рис. 3 [см. приложение 3]) изготовляются с катушечной первичной обмоткой надеваемой на магнитопровод; с петлевой первичной обмоткой , состоящей из нескольких витков; со звеньевой первичной обмоткой, выполненной таким образом, что внутренняя изоляция трансформатора тока конструктивно распределена между первичной и вторичной обмотками, а взаимное расположение обмоток напоминает звенья цепи.»
Приложение 1
Рис.1 Схема включения трансформатора напряжения :
1- первичная обмотка;
2- магнитопровод;
3- вторичная обмотка;
Приложение 2
Рис. 2. Схемы соединения обмоток трансформаторов напряжения.
Приложение 3
Рис. 3. Схема трансформатора тока;
______ собственная первичная обмотка ТТ;
----- токоведущий стержень проходного изолятора (шина)
Электроизмерительные клещи
В работу простейших токоизмерительных клещей переменного тока положен принцип одновиткового трансформатора тока.
Его первичная обмотка представляет не что иное, как провод или шину, в которой измеряется ток. Вторичная обмотка, имеющая больше количество витков, намотана на разъемный магнитопровод и находится в самих клещах. К вторичной обмотке подключен амперметр.
Измерив ток, который протекает во вторичной обмотке с учетом известного коэффициента трансформации измерительного трансформатора, можно получить величину тока, измеряемую в проводнике.
Заметим, что с помощью токоизмерительных клещей измерять ток (а по сути - нагрузку) в цепи совсем не сложно и очень удобно. Сам процесс измерения заключается в следующем.
С помощью рукоятки выставляется измеряемая величина. Клещи размыкаются, в них пропускается проводник, рукоятка отпускается и клещи замыкаются. Дальнейший порядок использования электроизмерительных клещей точно такой же, как и при обращении с обычным тестером.
Подсоединять клещи можно как к изолированному, так и неизолированному проводу. Самое главное – охватываться должна только одна шина. На индикаторе прибора отображается величина тока измеряемой цепи.
| Чтобы обеспечить работу в труднодоступных местах, современные токовые клещи обычно оснащаются кнопкой, фиксирующей показания. |
Таким образом, если охватить проводник и нажать кнопку, то после размыкания магнитокопровода на экране прибора сохранится зафиксированное измеренное показание прибора.
По токоведущей части, которая охвачена магнитопроводом, проходит переменный ток. В магнитопроводе создается переменный магнитный поток, в результате которого во вторичной обмотке возникает электромагнитная индукция – по ней (вторичной обмотке) начинает протекать ток, который измеряется амперметром.
Современные токоизмерительные клещи выполняются по схеме, в которой сочетается трансформатор тока и выпрямительный прибор. Она позволяет выводы вторичной обмотки присоединять к измерительному прибору через набор шунтов, а не напрямую.
4. Электронные измерительные приборы
Электронные измерительные приборы – приборы, основными функциональными узлами которых являются различные электронные измерительные преобразователи и другие специальные электронные устройства. В большинстве электронных приборов в качестве выходных устройств используются магнитоэлектрические механизмы, а в некоторых типах приборов - электронно-лучевые трубки (например, в осциллографах, анализаторах спектра и др.)
Аналоговые электронные измерительные приборы (АЭИП) широко применяются в научных исследованиях и промышленном производстве.
Аналоговые электронные измерительные приборы можно разделить на четыре основные группы. В первую— самую большую — можно включить приборы для измерения параметров и характеристик сигналов (например, вольтметры, осциллографы, частотомеры, анализаторы спектра и др.).
Вторая группа — приборы для измерения параметров и характеристик элементов электрических и электронных схем и для измерения характеристик активных и пассивных двухполюсников и четырехполюсников. Сюда входят измерители сопротивления, емкости, индуктивности, параметров электронных ламп, транзисторов, а также приборы для снятия частотных и переходных характеристик и др.
Третью группу образуют измерительные генераторы, являющиеся источником сигналов различного уровня, формы и частоты.
Элементы измерительных схем, такие, как аттенюаторы (ослабители сигнала), фазовращатели и другие, образуют четвертую группу.
В соответствии с ГОСТ 15094-69 все электронные приборы в зависимости от характера измерений и вида измеряемых величин разделяются на 20 подгрупп, которые обозначаются прописными буквами русского алфавита. Каждая подгруппа состоит из нескольких видов, обозначаемых арабскими цифрами по порядку. Приборы, образующие один вид, подразделяются на типы, имеющие порядковые номера. Номер типа отделяется от номера вида дефисом (черточкой). Ниже приведены примеры классификации.
Подгруппа В. Приборы для измерения напряжения; В2— вольтметры постоянного тока;
В3— вольтметры переменного тока; В4— вольтметры импульсного тока; В7 — вольтметры универсальные.
Подгруппа Г. Генераторы измерительные: ГЗ — генераторы гармонических колебаний низкочастотные; Г4 — генераторы гармонических колебаний высокочастотные; Г5 — генераторы импульсов.
Подгруппа Е. Приборы для измерения параметров компонентов цепей с сосредоточенными постоянными: ЕЗ — измерители индуктивности; Е6 — измерители сопротивлений; Е7 — измерители емкостей.
Подгруппа С. Приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра: С1 —универсальные осциллографы.
Подгруппа Ф. Приборы для измерения фазового сдвига: Ф2 — измерители фазового сдвига.
Подгруппа Ч. Приборы для измерения частоты: Ч3 — частотомеры электронно-счетные.
В обозначений комбинированного прибора, предназначенного для измерения нескольких физических величин, к основному обозначению подгруппы добавляется буква К. Модернизированные приборы сохраняют свое прежнее обозначение, но после номера типа добавляется прописная буква русского алфавита: А — первая модернизация, Б — вторая и т.д.
Примеры обозначений: В2-25 — вольтметр постоянного напряжения, тип (модель) 25;
ВК2-17 — вольтомметр;
ВЗ-38 — вольтметр переменного напряжения;
В7-21 — вольтметр универсальный, предназначенный для измерения постоянных и переменных напряжений.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление — велико. Поэтому в последние годы в основном используют электронные вольтметры.
Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1 ООО МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.
Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:
1)по назначению — вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные; фазочувствительные; селективные;
2)по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;
3)по характеру измеряемого значения напряжения — амплитудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного значения;
4)по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.
Кроме того, все электронные приборы можно разделить на дне большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.
Структурные схемы аналоговых вольтметров
Структурные схемы аналоговых вольтметров показаны на рис. 3.5. В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (рис. 3.5, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам. Изображенная на рис. 3.5, б структурная схема используется в вольтметрах переменного тока для измерения напряжений значительного уровня, а для измерения малых напряжений применяется схема, показанная на рис.3.5,в (она используется в милливольтметрах, поскольку обладает большой чувствительностью, т.к. дополнительно включается усилитель переменного тока).
Вольтметр состоит их входного устройства – высокоомного резистивного делителя напряжения, электронного преобразователя – усилителя постоянного тока, электромеханического преобразователя – магнитоэлектрического микроамперметра.
Делитель напряжения (цепочка резисторов) служит для расширения пределов измерения, но он снижает выходное сопротивления вольтметра и служит источником дополнительных погрешностей.
Усилитель постоянного тока (УПТ) предназначен для повышения чувствительности вольтметра, увеличивающим мощность сигнала до уровня, необходимого для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя.
Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к усилителям постоянного тока, применяемым в электронных вольтметрах, предъявляют жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля.
Линейность амплитудной характеристики обеспечивается правильным выбором режимов работы ламп, транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителе повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность амплитудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента усиления.
Дрейф нуля – наличие на выходе УПТ медленноменяющегося напряжения при UВХ=0. Причинами дрейфа нуля являются нестабильность источника питания, изменение параметров в электрической схеме с течением времени. Для уменьшения дрейфа нулевого уровня, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняют по мостовой балансной схеме.
Вольтметры, построенные по схеме, показанной на рис.3.5,б, характеризуются широким частотным диапазоном 20 Гц-1000 МГц, но недостаточно высокой чувствительностью. Вольтметры, построенные по схеме, показанной на рис.3.5,в, характеризуются узким частотным диапазоном 10 Гц-20 МГц, но более высокой чувствительностью. Поэтому широкое распространение находят универсальные аналоговые электронные вольтметры, предназначенные для измерений в цепях постоянного и переменного токов, схема которых представлена на рис.6.3.
При создании аналоговых вольтметров важную функцию несут преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы). Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное: амплитудные (пиковые), среднего квадратического и средневыпрямленного значений. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического значения измеряют напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.
Амплитудный детектор — устройство, напряжение на выходе которого, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого напряжения. Чтобы нагрузка детектора эффективно отфильтровывала постоянную составляющую и подавляла высокочастотные гармоники, необходимо выполнение неравенства 1/(ωСф)<<RH, где Сф — емкость фильтра; RH — сопротивление нагрузки детектора. Еще одно условие хорошей работы детектора: сопротивление резистора нагрузки RН должно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой проводимости. На рис. 3.6 показаны принципиальная и эквивалентная схемы и временные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом). Рассмотрим работу детектора (рис. 3.6, а) при подаче на его вход гармонического напряжения ux(t) = Umsinωt.
На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная полуволна, конденсатор С заряжается через диод D, сопротивление R0 которого в открытом состоянии мало. Постоянная времени заряда т3 = R0C невелика и заряд конденсатора до максимального значения Um происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод D закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивлении нагрузки RH, так как оно выбирается достаточно большим. Итак, постоянная разряда тр = RHC оказывается значительно больше периода Т = 2π/ω входного напряжения. В результате конденсатор остается заряженным до напряжения Uc = Um= UВЫХ. Эквивалентная схема амплитудного детектора и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 3.6, б, в.
Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки RH определяется разностью амплитуды входного напряжения Ux и напряжения на конденсаторе Uc, т.е. UR = Ux - Uc- Таким образом, выходное напряжение Ur будет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения, как показано на рис. 3.6, в.
Это подтверждают простые математические выкладки:
U= Umsinωt-UC≈ Umsinωt-Um
при sinωt = 1 напряжение Ur = 0; при sinωt = 0 — UR= —Um; при sinωt = -1 — UR= -2Um.
Для выделения постоянной составляющей сигнала U= = - UC на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий остальные гармоники.
Одним из достоинств аналоговых вольтметров с амплитудным детектором является независимость показаний прибора от формы сигнала.
Детектор среднего квадратического значения — преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значения напряжения. Эти преобразователи обычно выполняют на диодных цепочках (рис.6.10). Напряжение U создает на резисторах R4 и R5 соответственно напряжения смещения U1 и U2. Если выходное напряжение u ( t ) не превышает значения U1, то ток i = i 1 протекает через диод VD1, если U1<u ( t )<U2, то - через диоды VD1 и VD2, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается (рис.6.10, б). Ток, протекающий через прибор, i и = i 1 + i 2, если u ( t )>U2, то ток протекает через диоды VD1-VD3 и тогда i и = i 1 + i 2 + i 3 , крутизна зависимости увеличивается еще больше. Подбирая параметры цепи, можно увеличить протяженность квадратического участка преобразователя.
При конструировании приборов с такими преобразователями возникает ряд трудностей, в том числе и с обеспечением широкого частотного диапазона. Тем не менее они являются самыми востребованными, так как позволяют измерять напряжение любой сложной формы.
Детектор средневыпрямленного значения – устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения.
В преобразователях средневыпрямленного значения (рис. 6.9) показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению Uср.в измеряемого напряжения u(t), т.е.α= kUcp.B. Преобразователи выполняют на полупроводниковых диодах, работающих в цепях одно- и двухполупериодного выпрямления. Работа диодов осуществляется на линейном участке вольт-амперной характеристики.
Наиболее распространенные схемы — мостовые. Они работают следующим образом. Ток через микроамперметр протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения (в положительный полупериод по цепи VD2——R—VD3, а в отрицательный полупериод — по цепи VD4—R—VD1).
Аналоговый вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности из измерительной цепи.
Дата: 2019-02-25, просмотров: 426.
