Измерительные трансформаторы напряжения.

Измерительные трансформаторы напряжения переменного тока, называемые также трансформаторами напряжения, применяются для преобразования больших напряжений в относительно меньшие, измеряемые с помощью вольтметров или используемые для питания параллельных цепей ваттметров, фазометров и счетчиков энергии (рис. 3.2.3).

Использование добавочных сопротивлений для расширения пределов измерения в сетях переменного тока повлекло бы за собой дополнительные погрешности вследствие непропорционального изменения значений сопротивления и обмоток прибора при изменениях силы тока и частоты. Кроме того внутреннее сопротивление приборов, предназначенных для измерений в сетях переменного тока, значительно превышает внутреннее сопротивление магнитоиндукционных приборов. Это привело бы к значительному увеличению величины добавочных сопротивлений и габаритов.

Измеряемое напряжение U₁ подводится к первичной обмотке трансформатора. Трансформатор является понижающим. Поэтому вторичное напряжение U₂ в k_U раз меньше напряжения U₁. Так как коэффициент трансформации является величиной известной, то по напряжению U₂ можно судить о напряжении U₁. Сила тока во вторичной цепи

I₂ = U₂ / Z₂, где Z₂ – полное сопротивление вторичной цепи.

Для повышения точности трансформаторов напряжения следует увеличивать значение Z₂. Выполнение этого требования обеспечивается включением во вторичную цепь трансформаторов напряжения вольтметров и параллельных цепей фазометров, ваттметров, счетчиков энергии и т.п.

Первичная обмотка трансформатора напряжения (рис. 3.2.3) включается в линию параллельно, а к зажимам вторичной обмотки подключаются вольтметры, частотомеры и параллельные обмотки других приборов. Трансформатор напряжения работает в режиме, близком к режиму холостого хода, и короткое замыкание его вторичной цепи является для трансформатора аварийным.

Рис. 3.2.4. Схема включения измерительных приборов с помощью трансформаторов тока и напряжения

По показаниям приборов, включенных во вторичную обмотку, можно определить значения измеряемой величины. Для этого необходимо показание прибора умножить на коэффициент k_U. Коэффициент k_U называется действительным коэффициентом трансформации напряжения. Действительный коэффициент трансформации не остается постоянным, он зависит от режима работы трансформатора, т.е. от значений токов и напряжений, характера и величины нагрузки вторичной цепи, частоты тока, а также от конструктивных данных трансформатора и качества материала сердечника. Обычно показание прибора умножается не на действительный, а на номинальный коэффициент трансформации (k_Uн), который указывается на щитке трансформатора.

Определение измеряемых величин по номинальному коэффициенту трансформации приводит к погрешностям. Относительная погрешность (в %) вследствие неравенства действительного и номинального коэффициентов трансформации может быть определена:

, где k_U = U₁ / U₂ и k_U_н = U_1н / U_2н.

Эта погрешность называется погрешностью напряжения. Числовые значения наибольших допустимых погрешностей определяют класс точности трансформатора.

Кроме того, трансформаторы характеризуются и угловой погрешностью, которая определяется как угол сдвига между вектором первичной величины и повернутым на 180º вектором вторичной. Если повернутый вектор опережает первичный, погрешность считается положительным. Угловая погрешность сказывается на результатах измерений только фазочувствительными приборами, такими как, например, ваттметры и счетчики. Так как погрешности трансформаторов зависят от их нагрузки, определяемой включенными приборами, в паспорте указывают значение допустимой нагрузки.

Для уменьшения обоих видов погрешности обмотки измерительных трансформаторов выполняют с малой плотностью тока, что уменьшает их активное сопротивление. Снижение индуктивного сопротивления обмоток добиваются путем уменьшения их потоков рассеяния, для чего выполняют магнитопровод возможно большей магнитной проницаемости. Это достигают применением специальных сортов стали и слабым насыщением материала магнитной цепи. Трансформаторы напряжения выпускают четырех классов точности: 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; номинальные первичные напряжения – от 380 В до 500 кВ; вторичные – 100, 1003 и 127 В (для установки на судах).

Схема включения приборов в контролируемую цепь с помощью измерительных трансформаторов приведена на рис. 3.2.4, где указана и маркировка выводов первичных и вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения, а также фазочувствительных приборов.

Типовая задача.

В сеть переменного тока через трансформатор тока 100/2,5 А и трансформатор напряжения 600/150 В включены амперметр, вольтметр и ваттметр, которые показали соответственно 100, 120 и 88 делений. Пределы измерения приборов следующие: амперметр – 3 А, вольтметр – 150 В, ваттметр – по току 2,5 А, по напряжению 150 В. Все приборы класса точности 0,5 имеют максимальное число делений 150. Определить полную потребляемую сетью мощность, ее полное сопротивление и коэффициент мощности; наибольшую абсолютную и относительную погрешность измерения полного сопротивления, учитывая класс точности приборов.

Решение. Определяем цену деления каждого прибора как отношение предела измерения к максимальному числу делений. Для амперметра цена деления 0,02 А/дел, для вольтметра – 1 В/дел, для ваттметра – 2,5 Вт/дел.

Тогда показания приборов: I  0,02  100 = 2A; U  1  120 = 120 B; P = 2,5  88 = 220 Вт.

Коэффициенты трансформации К_I = I_1ном / I_2ном = 100 / 2,5 = 40; К_U = U_1ном / U_2ном = 600 / 150 = 4.

Тогда ток, напряжение и активная мощность сети: