3.2.4.2. Компенсаторы переменного тока

В таких компенсаторах для полного уравновешивания двух напряжений на переменном токе необходимо выполнить четыре условия:

1) равенство напряжений по модулю,

2) противоположность их фаз,

3) равенство частот,

4) одинаковая форма кривых U_х и U_к.

Два первых условия обеспечивает конструкция компенсаторов.

Третье условие выполняется при питании объекта измерения и компенсатора от одного источника.

Четвертое условие осуществить практически невозможно, так как U_к всегда синусоидально, а U_х может быть любой формы, и полной компенсации достичь не удается (уравновешивается первая гармоника).

В качестве индикатора равновесия на промышленной частоте применяют вибрационный (резонансный) гальванометр.

На более высоких частотах - электронные нуль-индикаторы, на звуковых - телефоны, усилители с выпрямительными приборами на выходе.

По способу компенсации неизвестного напряжения компенсаторы переменного тока делятся на два вида:

1) полярно-координатные - с отсчетом измеряемого напряжения в полярных координатах (регулируется модуль U_к и отдельно его фаза);

2) прямоугольно-координатные - с отсчетом измеряемого напряжения в виде геометрической суммы двух взаимно-перпендикулярных составляющих.

Рис. Упрощенная принципиальная схема прямоугольно-координатного компенсатора

Прямоугольно-координатный компенсатор (рисунок) содержит

- два одинаковых реохорда - ab и cd, средние точки которых соединены электрически;

- воздушный трансформатор ТV с взаимной индуктивностью обмоток М;

- регулировочные реостаты R_рег и R_f для установки рабочих токов реохордов ab и сd;

- амперметр А электродинамической системы класса 0,05 или 0,1;

- высокочувствительный нуль-индикатор НИ, например, осциллографического типа.

По амперметру А реостатом R_рег устанавливают рабочий ток I₁ реохорда аb.

Под действием тока I₁, протекающего по первичной обмотке трансформатора, на вторичной обмотке наводится ЭДС, равная

Е₂ = j ωMI₁.

Ток I₂ в цепи реохорда сd

I₂ = Е₂/(R_cd + R_f + j ωL₂),

где R_cd - сопротивление реохорда cd; L₂ - индуктивность вторичной обмотки трансформатора.

Ввиду незначительности реактивного сопротивления вторичной обмотки трансформатора ωL₂ << (R_cd + R_f) фаза тока I₂ практически совпадает с фазой ЭДС Е₂.

Следовательно,

I₂ = j ωMI₁/(R_cd + R_f). (1)

Множитель j в (1) означает, что ток I₂ опережает ток I₁ на 90°. Равенство по модулю токов | I₁| и | I₂| устанавливается резистором R_f:

I₂ = I₁e^j90.

Реохорды аb и сd равны по сопротивлению и длине, токи реохордов равны по величине и сдвинуты на 90°, а так как средние точки реохордов соединены электрически, то разность потенциалов между ними равна нулю.

Таким образом, образуется прямоугольно-координатная система напряжений U_y и U_х с одинаковыми масштабами по осям.

Попеременно перемещая движки реохордов, добиваются нулевого показания нуль-индикатора, что соответствует полной компенсации активной и реактивной составляющих измеряемого напряжения.

Значение активной составляющей компенсирующего напряжения определяется по положению движка на шкале реохорда аb, а реактивной составляющей - по шкале реохорда сd.

Тогда измеряемое напряжение U_x и начальная фаза φ_х находятся как

U_x=U²_к.а+U²_к.р,φ_x=arctgU_к.р/U_к.а.

Знак начальной фазы φ_х определяется в зависимости от квадранта, в котором находится вектор компенсирующего напряжения U_к в прямоугольной системе координат.

Так как значение тока I₂ зависит от частоты, то для его коррекции используется резистор R_f.

Недостатки: компенсаторы переменного тока уступают по точности компенсаторам постоянного тока.

Автоматические компенсаторы постоянного тока. Процесс уравновешивания в таких компенсаторах производится автоматически.

Существуют компенсаторы с полным и неполным уравновешиванием.

Промышленностью выпускаются автоматические компенсаторы, различающиеся габаритными размерами, видами записи, погрешностью, различным временем прохождения указателем всей шкалы.

Применяются для измерения электрических и неэлектрических величин, которые могут быть предварительно преобразованы в напряжение или ЭДС постоянного тока.

Применение автоматических компенсаторов постоянного тока существенно сокращает время измерений, но снижает их точность.