lab_5405_2 (МВТ) / МВТ_№ХХ_измерение тока

81

Додаток Г

Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи “Вивчення методів та засобів безконтактного вимірювання змінного струму”

Мета роботи:

1.Ознайомитись з методами та засобами вимірювання змінного струму.

2.Навчитись проводити повірку струмовимірювальних кліщів за допомогою повірочної установки ПВС-1.

1.Основні теоретичні відомості.

1.1 Огляд методів та засобів вимірювання змінного струму

Метод безпосередньої оцінки

Метод безпосередньої оцінки здійснюють за допомогою прямопоказуючих приладів - амперметрів і вольтметрів зі шкалами, градуйованому в одиницях вимірюваної величини. Амперметр включають послідовно з навантаженням (в розрив ланцюга), або безконтактно; вольтметр приєднують паралельно ділянці ланцюга, падіння напруги на якому потрібно виміряти. Включений в ланцюг прилад чинить на її режим певний вплив, для зменшення якого необхідно строго виконувати наступні умови:

. внутрішній опір амперметра RA повинно бути багато менше опору навантаження Rн;

. внутрішній опір вольтметра RV повинно бути багато більше опору навантаження Rн;

Невиконання цих умов призводить до систематичної методичної похибки, яка приблизно співпадає зі значеннями відношень RA/RНі та RН/RV. Умова RV>RН особливо важко виконати при вимірюванні напруги на дільницях (навантаженнях) з великим опором у так званих слабкострумових ланцюгах. Для цієї мети застосовують електронні вольтметри з вхідним опором до сотень мегаом.

З підвищенням частоти похибка вимірювань струму збільшується

82

Метод порівняння

Метод порівняння забезпечує більш високу точність вимірювання. Його здійснюють за допомогою приладів - компенсаторів, що відрізняються властивістю, що в момент виміру потужність від вимірюваної ланцюга не споживається, тобто вхідний опір практично нескінченний. Ця властивість дозволяє застосовувати компенсатори для вимірювання ЕРС.

Метод порівняння реалізується також в цифрових вольтметра дискретної дії і аналогових компенсаційних вольтметрах, завдяки чому похибка вимірювання становить десяті, соті і навіть тисячні частки відсотка.

Спеціалізованим приладом для прямого вимірювання сили електричного струму є амперметр, але існують і інші прилади. Амперметрами вимірюють силу як змінного так і постійного струму. Найпоширенішими з них є прилади у яких рухома частина приладу зі стрілкою відхиляється на кут пропорційний вимірюваній силі струму, але на сьогодні з розвитком цифрової техніки стали поширюватись також сучасні цифрові прилади. Відповідно за призначенням, діапазоном вимірювання та конструктивними особливостями виділяють декілька видів амперметрів. В перш

Магнітоелектричний та електромагнітний амперметри є найточнішими та найчутливішими, але магнітоелектричний амперметр можна застосовувати лише для вимірювання постійного струму, тоді як електромагнітний можна застосовувати для вимірювання, як змінного так і постійного струмів, для цього до них підключають двопівперіодні діодні випрямлячі. Також існують ще декілька видів амперметрів: електродинамічні, теплові, індукційні, детекторні, термоелектричні та фотоелектричні. З них детекторні та індукційні призначені для вимірювання лише змінного струму, а решта можуть використовуватись також для вимірювання постійного струму. Всі ці засоби вимірювання відносяться до електромеханічних вимірювальних приладів. Вони всі мають схожий загальний принцип дії, структурна схема цих приладів наведено на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 – Структурна схема електромеханічних приладів

1 – електровимірювальне коло;

2– вимірювальний механізм;

3– відліковий пристрій. [3]

83

Розглянемо принцип дії та конструктивні особливості основних видів електромеханічних амперметрів, які можна застосовувати для вимірювання змінного струму.

1.1.1 Електромагнітна вимірювальна система

Будова електромагнітного вимірювального механізму зображена на рис. 1.3. Складається із нерухомої плоскої котушки 1 і закріпленої на осі 3 рухомої пластинки 2 із магнітного матеріалу, 4 – осердя, 5 –шкала.

Рисунок 1.3 – Електромагнітний вимірювальний механізм з плоскою котушкою

Коли через котушку проходить струм І, створюється магнітне поле, яке втягує феромагнетну пластинку всередину котушки. Обертовий момент, що виникає, пропорційний квадрату струму:

де С, С1 - сталі коефіцієнти. Підбираючи форму феромагнітної пластинки, намагаються вирівняти квадратичну шкалу приладу.

Електромагнітні прилади використовують для вимірювання в колах постійного й змінного струмів як амперметри, вольтметри і фазометри. Вони є одними із найпоширеніших щитових приладів для вимірювання в колах змінних струмів (прості за конструкцією, добре переносять перевантаження). Недоліки їх такі: невисока точність, велике споживання потужності (до 10 Вт), обмежений частотний діапазон, чутливість до зовнішніх магнітних полів.

84

Щитові амперметри випускають класів 1.0; 1.5; 2.5 на струми прямого вмикання до 300 А і до 15 кА із зовнішніми трансформаторами струмів.

1.1.2 Електродинамічний вимірювальний механізм

Електродинамічний вимірювальний механізм складається із нерухомої 1 і рухомої 2 котушок, вісі 3 на якій закріплена пружина 4, стрілка 5, що вказує на шкалу 6 (рис. 1.4).

Рисунок 1.4– Електродинамічний вимірювальний механізм

Рухома котушка може повертатися довкола осі всередині двох секцій нерухомої котушки. За наявності в котушках струмів І1 та І2 виникають електромагнітні сили, які намагаються повернути котушку 2 співвісно з котушкою 1. В результаті виникає момент:

Електродинамічні прилади застосовують в колах постійного та змінного cтрумів для вимірювань струму, напруги й потужності. Вони мають високу точність (клас точності: 0.1; 0.2 і 0.5), покази їх не залежать від форми кривої струму чи напруги. Можливі різні варіанти з’єднань магнітів 1 та 2,

85

і в залежності від виду цього з’єднання, і визначається застосування механізму, як волтметра, амперметра чи ваттметра.

До недоліків належить низька чутливість, велике споживання потужності 5-15 Вт), вплив зовнішніх магнітних полів та обмежений діапазон частот.

Феродинамічні вимірювальні механізми за принципом дії входять в одну групу з електродинамічними, але відрізняються від них за конструкцією: нерухому котушку розміщують на магнітопроводі. Наявність магнітопроводу призводить до значного збільшення обертового моменту й зменшення впливу зовнішніх магнітних полів.

1.1.3 Індукційний вимірювальний механізм

Складаються з двох нерухомих магнетопроводів з тушками зі струмами і1 та і2, та рухомого алюмінієвого диска, закріпленого на осі (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 – Індукційний вимірювальний механізм

Магнітні потоки Ф1 і Ф2, створені синусоїдними струмами і1 та і2, зсунуті в просторі і пронизують диск. В диску створюється біжуче магнітне поле, наводяться вихрові струми і1׳ та і2׳ під впливом яких диск буде обертатись. Постійний магніт (N - S) служить для створення гальмівного моменту.

де φ - кут зсуву фаз між струмами і1 та і2 (чи потоками Ф1 і Ф2);

ω = 2πf.

Вимірювальні прилади на базі індукційних вимірювальних механізмів використовуються, головним чином, як однофазні і трифазні лічильники електричної енергії змінного струму. Лічильники мають класи точності 1.0;

86

2.0 і 2.5. Промисловість випускає однофазні лічильники на 5 і 10 А напругою 127 і 220 В; трифазні до 50 А напругою 127, 220 і 380 В. Для безпосереднього вмикання і до 2000 А і 35 кВ для вмикання через вимірювальні трансформатори.

1.2.4 Амперметр змінного струму на основі електромеханічних вимірювальних приладів

Як було вказано самі електромеханічні прилади не можуть вимірювати всі величини безпосередньо, без додаткових елементів, тобто щоб з електромеханічного приладу створити повноцінний засіб вимірювання необхідно певним чином підібрати елементи (шунти, трансформатори, випрямлячі і т.д.) і відповідним чином включити їх у вимірювальне коло.

Наприклад щоб збудувати амперметр змінного струму на основі приладу електрдинамічної системи необхідно підібрати відповідні схеми включення. Можливі декілька видів включення, в данному випадку, за допомогою трансформатора струму або шунта. Схеми включення представлені на рис. 1.6.

Рисунок 1.6 – Схеми включення електромеханічного амперметра

На рис 1.6 (а) – представлено схему включення амперметра через шунт, де 1 – це шунт, 2 – опір навантаження, а на рис. 1.6 (б) – включення амперметра через трансформатора струму, 1 – трансформатор струму, 2 – опір навантаження.

1.3 Сучасні методи вимірювання змінного струму.

На сьогоднішній день вимірювання струму амперметром напряму – досить нечасте явище. Як правило амперметри є складовими сучасних засобів вимірювань, які допомагають вирішити більш складні задачі вимірювання, тобто виміряти струм у колі на яке накладені певні умови (наприклад неможливість розірвати коло для підключення засобу вимірювання і т.д.). До таких сучасних способів вимірювання змінного струму належить наприклад: вимірювання змінного струму за допомогою вимірювального трансформатора струму (ВТС). Також в теперішній час аналогові амперметри, вольтметри, і т.д. поступаються цифровим засобам

87

вимірювання, через очевидний псисько переваг цифрових засобів вимірювання, а саме:

-компактність;

-точність;

-надійність;

-зручність у використанні;

-спрощення обробки вимірювальної інформації і т.д.

Трансформатори струму теж можуть використовуватись в цифрових засобах, чого не скажеш про електромеханічні прилади. Хоча, як би не розвивалась галузь цифрової техніки, вона ніколи повністю не витіснить аналогові засоби вимірювання, по причині того, що існують певні галузі та задачі, які під силу лише аналоговим засобам вимірювання [4].

1.3.1 Вимірювальний трансформатор струму

Клеми первинної обвитки трансформатора струму позначають ЛІ та Л2 (лінійні), а вторинні - В1 та В2 (вимірювальні). За правилами техніки безпеки одна із клем вторинної обвитки заземляється, що робиться для захисту на випадок пошкодження ізоляції й потрапляння високої напруги в коло низької напруги. Первинну обвитку w1 вмикають послідовно із тим приймачем, струм котрого ми хочемо вимірювати (рисунок 1.7, б). Опір первинної обвитки трансформатора струму набагато менший від опору споживача ZH, тому вмикання обвитки w1 трансформатора струму не вплине на значення струму і1.

ТС випускаються промисловістю на різні номінальні значення струмів первинної обвитки, починаючи з часток ампера і закінчуючи тисячами (від 0,1 до 40000 А) та вторинних (звичайно 5А, рідше 1; 2; 2,5А) струмів; класи точності (для лабораторних - від 0,01 до 0,2); номінальні вторинні навантаження ZH, тобто найбільші значення опорів вторинного кола, при яких похибки не перевищують допустимих для даного трансформатора значень (лабораторні трансформатори струму з І2ном = 5 А, мають ZH від 0,2 до 0,6 Ом при cosφ = 0,8 - 1,0 та f = 50 Гц). В первинній обвитці трансформаторів стуму, при проходженні струму І1, утворюється спад напруги Z1TC І1 = U1тс, котра є первинною напругою трансформатора струму. Величина U1тс становить від десятків до сотень мілівольт. Вторинна обвитка ТС замикається на амперметр і струмові котушки приладів (ватметрів, лічильників, реле тощо), розрахованих на номінальне значення струму вторинної обвитки трансформатора стрму, що дорівнює 5А і вмикаються послідовно. Оскільки опори струмових котушок приладів, увімкнених у вторинну обвитку трансформатора струму дуже малі, то трансформатор стрму фактично працює в режимі короткого замикання.

Номінальний струм вторинної обвитки трансформатора струму дорівнює 5А. ЕРС Е2 індукована у вторинній обвитці трансформатора струму, дорівнює падінню напруги в струмових котушках приладів, сполучених послідовно. Її значення становить не більше за 2-10 В. Такій

88

малій ЕРС відповідає малий магнетний потік осердя трансформатора, який утворюється результівною намагнечувальною силою обвиток w1I1+W2 I2=W1х хI0. РОЗДІЛИМО обидві частини цієї рівності на w2, одержимо рівняння струмів трансформатора струму.

Рисунок 1.7 – Будова (а), схема вмикання (б), та умовне графічне позначення (в) трансформатора струму

Величина КІ у (1.13) є дійсним коефіцієнтом трансформації, причому його значення не є сталим і залежить від навантаження трансформатора струму, частоти струму, тощо.

В паспорті трансформатора струму наводиться номінальний коефіцієнт трансформації, через відношення номінальних струмів його обвиток :

Співвідношення (1.14) покладено в основу практичного використання трансформаторів струму при проведенні вимірювань в колах змінного стрму.

Вимірявши I2 і знаючи за паспортними даними знаходять значення вимірювального струму: I1= КІ I2. Так само покази ватметра чи лічильника, які вімкнені за допомогою трансформатора струму, необхідно помножити на

89

К). Переважно в паспорті ГС струми записані у вигляді дробу, наприклад:

При достатній потужності кола первинного струму І1 розімкнення вторинного кола трансформатора струму викличе значне збільшення магнітного потоку Ф в осерді трансформатора, оскільки в цьому випадку відсутні розмагнечувальні ампервитки (W2 I2 = 0), а намагнечувальні W1 I1» и> W1 I0. Це може призвести до аварії. тому що збільшення Ф привело б до збільшення ЕРС Е2 ( ДО декількох сотень вольт), що небезпечно для обслуговуючого персоналу і може викликати електричний пробій ізоляції обвиток. Крім того, збільшення Ф супроводжується збільшенням втрат на перемагнічення і вихрові струми, підвищення температури магнітопроводу, а отже, і обвиток, що може бути причиною термічного руйнування їх ізоляції. Тому в трансформаторах струму передбачений у вторинній обвитці ключ (К), за допомогою якого спершу обвитку закорочують накоротко, а потім у вторинному колі проводять потрібну комутацію.

Сталь магнетопроводу трансформатора струму працює на початку кривої намагнечення своєї характеристики при В = 0,05 ÷ 0,15 Тл.

Збільшення опору вторинної обвитки (вмикання послідовно великої кількості приладів) призводить до підвищення Е2, а отже, і до збільшення Ф та намагнічувальних ампервитків W1 I0, якими ми нехтували при одержанні коефіцієнта трансформації КІ. Це приведе до збільшення похибки коефіцієнта трансформації КІ. (відхилення його від номінального паспортного значення). Тому трансформатора струму мають допустиме навантаження в омах, - це найбільший опір, на який можна замикати вторинну обвитку не викликаючи збільшення похибки вище від допустимого значення для відповідного класу точності трансформатора струму.[3]

1.4 Безконтактні перетворювачі струму

В основі реалізації безконтактних перетворювачів струму можуть бути відомі фізичні прояви струму (електромагнітні, теплові), однак в техніці перевагу отримали перетворювачі, які використовують зв’язок струму і його магнітного поля, оскільки ці перетворювачі найбільш прості по конструкції і мають найбільшу завадостійкість.

Існує багато типів перетворювачів, основаних на зв’язку струму і магнітного поля, таких як індукційні, магнітомодуляційні, гальваномагнітні, електромеханічні та інші [1].

В залежності від принципу дій перетворювача в якості узагальнених параметрів можуть виступати різні величини: магнітна індукція, потокозчеплення, обертальний момент вимірювального механізму і т.п. В практиці вимірювання струмів використовують інтегруючі пояси різної форми –

90

круглі, прямокутні, еліпсоподібні. Найбільше поширення отримали круглі (або кольцеві) пояси з магнітопроводящим сердечником або без нього і з різним розміщенням обмоток.

1.5 Вимірювання змінного струму за допомогою струмових кліщів

До вимірювальних трансформаторів струму відносяться переносні електровимірювальні кліщі з розсувним магнітопроводом і двошкальним випрямним приладом, що дозволяє при охопленні магнітопроводом провідника з змінним струмом частотою 50 Гц вимірювати цей струм у межах від 0 до 600 А (рис. 1.8, а). Тут первинною обмоткою є сам провідник із струмом, що збуджує в замкненому феромагнітному магнітопроводі перемінний магнітний потік. Цей потік наводить у вторинній обмотці ЕРС, що підводиться до електровимірювального приладу. Струм, виміряний приладом, прямо пропорційний струму в охопленому кліщами провіднику, його відраховують по одній зі шкал у залежності, від положення рукоятки багатопозиційного перемикача кліщів. Такими кліщами можна вимірювати також змінну напругу до 600 В частоти 50 Гц. Для цього затиски кліщів приєднують провідниками до тих точок електричного кола, між якими вимірюють напругу, а рукоятку підоймового перемикача встановлюють у положення 600 В, при якому вторинна обмотка трансформатора струму замикається накоротко.

Електровимірювальні кліщі іншого типу (рис. 1.8, б) з розсувним феромагнітним магнітопроводом і двошкальним феродинамічним приладом призначені для вимірювання активної потужності без розриву кола струму шляхом охоплення ними провідника зі струмом і приєднання приладу двома провідниками зі штепсельними вилками до напруги мережі. Кліщі призначені для вимірювання при двох номінальних напругах - 220 і 380 В частоти 50 Гц і струмові в межах від 0 до 500 А, що забезпечує при номінальному коефіцієнті потужності соs ф = 0,8 межі виміру активної потужності від 0 до 150 кВт. Переключення напруг здійснюють штепсельними вилками, а переключення меж виміру по струму виконують рукояткою багатомежового підоймового перемикача кліщів. Цими кліщами можна вимірювати активну потужність у трифазних колах, для чого необхідно магнітопроводом охопити один із лінійних проводів, а обмотку напруги підключити на відповідну лінійну або фазну напругу.

При симетричному режимі досить виміряти потужність однієї фази й результат вимірювання помножити на три. Якщо режим несиметричний, то необхідно почергово виміряти відповідні потужності відповідно до схем двох чи трьох приладів, і отримані результати алгебраїчно скласти.

Точність вимірювання при користуванні електровимірювальними кліщами струму й активної потужності не залежить від положення самих кліщів і розташування провідника у вікнімагнітопроводу.