2.2.2. Добавочные сопротивления

Добавочные сопротивления являются измерительными преобразователями напряжения в ток (ПНТ). Добавочные сопротивления могут состоять из одного или нескольких резисторов и служат для расширения пределов измерения по напряжению вольтметров и других приборов, имеющих параллельные цепи (например, ваттметры, фазометры). Добавочные сопротивления включают последовательно с ИМ (рис. 19). Ток Iи в цепи, состоящей из ИМ с сопротивлением Rи и добавочного резистора с сопротивлением Rд, составит:

,

где U – измеряемое напряжение.

Рис. 19. Схема соединения измерительного механизма с добавочным сопротивлением

Если вольтметр имеет верхний предел измерений Uном, сопротивление Rи, и при помощи добавочного сопротивления Rд надо расширить предел измерения в n раз, то, учитывая постоянство тока протекающего через вольтметр, можно записать:

,

откуда

.

Добавочные сопротивления изготавливаются из изолированной манганиновой проволоки, намотанной на пластины или каркасы из изолированного материала, и применяются для расширения пределов измерения вольтметров до 30 кВ.

2.2.3. Дополнительные измерительные преобразователи

В качестве широко применяемых дополнительных измерительных преобразователей  являются ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ в строго определенное число раз. Это фактически измерительные преобразователи напряжения в напряжение (ПНН). Схема простейшего ПНН представлена на рис. 20.

Рис. 20. Резистивный ПНН

его коэффициент преобразования равен

.

В этой схеме соотношение между Zн » Z2 . Эти делители используются в основном для расширения верхних пределов измерения приборов с высоким входным сопротивлением Zвх. Различают резистивные, емкостные и индуктивные делители напряжения.

2.3. Измерительные трансформаторы напряжения и тока

Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения служат в основном для преобразования больших переменных токов или напряжения в относительно малые их значения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерений (например, 5А,1А;150В и т. д.). Применением измерительных трансформаторов достигается гальваническое разделение вторичной (измерительной) цепи от первичной высокого напряжения, а, следовательно, безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы при этом включаются в заземленную цепь низкого напряжения (рис. 21).

Рис. 21. Схема гальванического разделения измерительной цепи от первичного высокого напряжения

Кроме того, в зависимости от соотношения витков первичной и вторичной обмоток можно уменьшать или увеличивать значения токов и напряжений, следовательно, использовать трансформатор в качестве согласующих звеньев и частей измерительного устройства в целом.

Таким образом, основное назначение измерительных трансформаторов тока и напряжения:

а) для расширения пределов измерения приборов по току и напряжению;

б) для гальванического разделения частей измерительной цепи;

в) для согласования отдельных частей измерительных устройствах.

Схема включения измерительных трансформаторов для расширения верхних пределов измерения вольтметра, амперметра и ваттметра приведены на рис. 22.

Рис. 22. Схемы включения измерительных трансформаторов для расширения пределов измерения амперметра (а), вольтметра (б) и ваттметра (в)

Трансформаторы состоят из двух изолированных обмоток, помещенных на магнитопровод из магнитомягкого материала: первичной с числом витков  и вторичной с числом витков (рис. 22б, в). Выводы первичной обмотки трансформатора подключают к цепи, в которой производится измерение; к зажимам вторичной обмотки присоединяют нагрузку , которой может быть измерительный прибор или часть его.

При измерениях в высоковольтных цепях трансформаторы обеспечивают безопасность обслуживания приборов, присоединенных к вторичным обмоткам. Это достигается электрической изоляцией (гальваническим разделением) первичной и вторичной обмоток трансформаторов и заземлением металлического корпуса и вторичной обмотки. При отсутствии заземления и повреждении изоляции между обмотками вторичная обмотка и подключенные к ней приборы окажутся под высоким потенциалом, что недопустимо.

Входной (первичной) величиной трансформатора тока является ток , протекающий в первичной цепи. Выходной (вторичной) величиной является ток , протекающий в нагрузке (рис. 22 а).

В трансформаторе напряжения входной (первичной) величиной является напряжение ,подведенное к его первичным зажимам, а выходной (вторичной) – напряжение  на выходных зажимах (нагрузке), рис. 22 б.

Основными техническими характеристиками трансформатора тока являются номинальные значения первичного и вторичного токов  и , номинальная частота и номинальное сопротивление нагрузки . Первичная обмотка выполняется из провода разного сечения в зависимости от номинального первичного тока. При >>500 А она может состоять из одного витка в виде прямой медной шины (или стержня), проходящей через окно магнитопровода. Вторичная обмотка у всех стандартных трансформаторов тока выполяется проводами небольшого сечения. В соответствии с ГОСТ вторичной номинальный ток трансформаторов тока  может быть 1,2,5 А при значениях  в пределах от 0,1 до 60000 А. Аналогично основными характеристиками трансформатора напряжения являются номинальные значения первичного и вторичного напряжений , , частоты и вторичной мощности . Вторичное номинальное напряжение  стандартных трансформаторов составляет ,100 и 150 В при первичном номинальном напряжении  от 220 В до 35 кВ.

Условия работы и схемы включения трансформаторов тока и напряжения отличаются друг от друга. Первичная обмотка трансформатора тока включается в измерительную цепь последовательно, ее зажимы обозначаются буквами  и (линия). Во вторичную обмотку, зажимы которой обозначаются буквами – (измерение), включают амперметры, токовые обмотки ваттметров, счетчиков и других приборов. Нормальным режимом работы трансформаторов тока является режим, близкий к короткому замыканию. Первичная обмотка трансформатора напряжения включается в измерительную цепь параллельно, а ее зажимы обозначаются А–Х (начало – конец). К зажимам  вторичной обмотки трансформатора напряжения, обозначаемой соответственно буквами а–х, подключают вольтметры, параллельные цепи ваттметров и других приборов, то есть режим работы его близок к холостому ходу. По показанию приборов, включенных во вторичные обмотки измерительных трансформаторов, можно определить значения измеряемых величин. Для этого их показания надо умножить на действительные коэффициенты трансформации трансформатора тока  и трансформатора напряжения , соответственно равные  и , где  и – число витков в обмотках.

Действительные значения коэффициентов трансформации зависят от режима работы трансформатора т. е. от значений токов и напряжений, характера и значения нагрузки вторичной цепи и частоты тока, а также от конструкции трансформатора и качества материала магнитопровода и обычно не известны. Поэтому показания приборов умножают на номинальные значения коэффициентов трансформации трансформатора тока  трансформатора напряжения . Номинальные значения коэффициентов трансформации являются постоянными для данного трансформатора и всегда указываются на щитке трансформатора в виде дроби, числитель которой есть номинальное значение первичной, а знаменатель – вторичной величины.

Относительная погрешность из-за неравенства действительного и номинального значений коэффициентов трансформации составляет:

Для трансформаторов тока

^,

где ;

для трансформаторов напряжения

^,

где .

Погрешность  называется токовой погрешностью, а – погрешностью напряжения. Кроме того, в идеальном трансформаторе первичная величина (ток, напряжение) отличается от своего идеального значения не только по модулю, но и по фазе, т. е. имеется еще так называемая угловая погрешность.

В идеальном трансформаторе вектор вторичного тока  сдвинут по фазе относительно вектора первичного тока  на . Такой же фазовый сдвиг должен быть между векторами вторичного  и первичного  напряжений в трансформаторе напряжения. В реальном трансформаторе угол между повернутым на  вектором вторичной величины и соответствующим вектором первичной величины не равен нулю, а составляет угол , который называется угловой погрешностью трансформатора. Погрешность считается положительной, если повернутый на  вектор вторичной величины опережает вектор первичной величины.

Угловая погрешность измерительных трансформаторов сказывается на показаниях приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазового сдвига между токами в цепях этих приборов, таких как, например, ваттметры и счетчики. Поэтому удобно ввести понятие комплексной погрешности измерительного трансформатора. Под комплексной погрешностью трансформатора тока будем понимать отношение

,

а для трансформатора напряжения

Схемы рис. 22б, в не дают точного представления о действительной конструкции трансформаторов, так как магнитопроводы в реальных трансформаторах бывают не только стержневые, но и тороидальные(кольцевые), и броневые. Поэтому, хотя эти схемы не отражают некоторых существенных особенностей конструкций трансформаторов, они удобны для анализа и вывода.

Переменное напряжение  (рис. 23), приложенное к зажимам первичной обмотки , вызывает в ней ток . Вследствие индуктивной связи между обмотками во вторичной обмотке  наводится ЭДС . Если вторичная обмотка замкнута на сопротивление , то в ней появляется ток , на зажимах вторичной обмотки – напряжение .

Рис. 23. Магнитные потоки в трансформаторе

Магнитное поле в трансформаторе при анализе часто представляют в виде трех потоков: общего потока  в магнитопроводе, сцепленного с обеими обмотками и создаваемого МДС  и ; потоков рассеяния  и , которые в большей своей части проходят по воздуху и сцеплены соответственно с витками первичной и вторичной обмоток. Предполагается, что потоки рассеяния малы по сравнению с потоком , пропорциональны токам  и  и совпадают с ним по фазе. При этих допущениях можно представить эквивалентной схемой, изображенной на рис. 24. Здесь , – активные сопротивления обмоток катушек; , – индуктивные сопротивления обмоток, обусловленные потоками рассеяния.

Рис. 24. Эквивалентная схема трансформатора

Несмотря на то, что сделанные допущения недостаточно точно отражают процессы, протекающие в трансформаторе, рассмотренная упрощенная схема позволяет выявить основные свойства трансформаторов и вывести соотношения при их расчете.

Достаточно полный анализ основных соотношений измерительных трансформаторов рассмотрен, например, в .

В качестве примера использования трансформаторов тока и напряжения для расширения верхних пределов измерения ваттметров при измерении больших мощностей можно привести схему рис. 25, с помощью которой требуется по данным трансформатора тока ТА и трансформатора напряжения TV, а также показаниям ваттметра определить относительно большую мощность, потребляемую нагрузкой( при измерении погрешностей трансформаторов пренебречь).

Рис. 25. Схема включения измерительных приборов для расширения пределов измерения

Пусть для измерения большой мощности ваттметр подключен к нагрузке через измерительные трансформаторы тока с коэффициентом трансформации  и напряжения с (эти данные указаны на щитках трансформаторов). Ваттметр показал 400 Вт.

Требуется определить потребляемую мощность.

Решение:

1. За счет трансформаторов тока и напряжения в измерительной цепи уменьшена в коэффициент трансформации раз:  по мощности, т. е. при ;

 коэффициент  раз.

2. Учитывая, что , где – мощность первичной цепи (то есть потребляемая нагрузкой мощность); – мощность, измеряемая ваттметром, имеем: кВт.