3.5.2 Компенсатори змінного струму

Вимірювана синусоїдна напруга може бути представлена вектором , розташованим на площині (рис.3.27).

В ектор на площині може бути визначений двома способами: 1) довжиною вектора U_x та початковою фазою _U; 2) взаємно перпендикулярними складовими вектора U_аx та U_рx (активна та реактивна складові). В обох випадках вектор змінної напруги визначається двома параметрами, а не одним, як постійна напруга. У відповідності із способом визначення змінної напруги розрізняють компенсатори полярно-координатні та прямокутно-координатні.

Рисунок 3.27

В полярно-координатно­му компенсаторі для компенсації вимірюваної напруги U_x необхідно створити напругу U_к = U_x, але зсунуту відносно U_x на 180. У прямокутно-координатному необхідно створити дві напруги: U_ак та U_рк, які зрівноважують напруги U_аx та U_рx, відповідно. Полярно-координатні компенсатори не випускаються через необхідність мати в них фазорегулятор з високими метрологічними характеристиками. В компенсаторах змінного струму необхідно також, щоб вимірювана та компенсувальна напруги мали однакову частоту.

С хема прямокутно-координатного компенсатора представлена на рис.3.28.

В ній є два контури А та Б з двома реохордами R_КА та R_КБ, серединні точки яких з’єднані між собою. Робочий струм компенсатора в контурі А встановлюється за амперметром реостатом R. В контурі Б струм І_Б створюється за допомогою котушки взаємної індуктивності М:

, (3.50)

Рисунок 3.28

де R_Б – сумарний опір контура Б. Значення опорів R_КБ та R_f вибираються такими, щоб (R_КБ + R_f)>>L₂.

Струм зсунутий відносно на 90°, тому напруги U_ак та U_рк на реохордах R_КА та R_КБ також зсунуті на 90°. Переміщуючи повзуни реохордів, змінюють величини та знаки напруг U_ак та U_рк до повного зрівноваження вимірюваної напруги U_x, настання якого визначається за нульовим показом ІР.

Точність вимірювання напруги U_x компенсатором змінного струму обмежена в першу чергу неможливістю точного встановлення робочого струму І_А. Амперметри, що застосовуються для цього, мають класи точності не вищі 0,1‑0,2. Крім того, похибки вносять і інші елементи, так що сумарна похибка компенсатора звичайно знаходиться у межах 0,5%.

Останнім часом для встановлення робочого струму стали застосовуватись так звані компаратори, які дозволяють значно підвищити точність компенсаторів.

Компенсатори постійного та змінного струму можуть бути забезпечені пристроями для автоматичної компенсації вимірюваної напруги. Так само, як і в автоматичних мостах, напруга небалансу після підсилення підсилювачем подається на двигун, увімкнений в коло зворотного зв’язку. За допомогою двигунів (одного в компенсаторі постійного та двох в компенсаторі змінного струму) переміщаються повзунки реохордів (регульованих опорів) до настання компенсації.

3.6. Вимірювання електричної енергії електронними лічильниками

В електронних лічильниках енергії спочатку здійснюється операція усереднення миттєвої потужності за період змінного струму Т:

Пристрої, які виконують цю операцію, називаються перетворювачами потужності. З наведеного виразу видно, що необхідним елементом перетворювача потужності є пристрій перемноження миттєвих значень u та i. Ці пристрої поділяють на параметричні та модуляційні.

Параметричні перемножувальні пристрої бувають з прямим та непрямим перетворенням. При прямому перемноженні використовується чотириполюсник, на вхід якого подається одна величина (наприклад, u), а інша величина (і) керує коефіцієнтом його передачі. Вихідний сигнал чотириполюсника пропорційний добутку uі.

При непрямому способі перемноження використовуються залежності:

4u_iu_u = [(u_u+u_i)²–(u_u–u_i)²]

або

2u_iu_u = [(u_u²+u_i²–(u_u–u_i)²],

де u_u і u_i – напруги, пропорційні, відповідно, напрузі на навантаженні та струмові в ньому.

Справа тут полягає у тому, що технічно простіше реалізувати дії додавання, віднімання двох напруг та піднесення до квадрату, ніж безпосереднє їх перемноження. Для виконування операцій додавання (віднімання) та піднесення до квадрату застосовуються суматори та квадратори. Похибки вимірювань головним чином залежать від метрологічних характеристик цих пристроїв.

На рис.3.29 наведена структурна схема перетворювача потужності, побудованого на основі реалізації залежності 4u_iu_u = [(u_u+u_i)²–(u_u–u_i)²], в якій П₁ та П₂ – перетворювачі (квадратувальні пристрої), ВП – віднімальний пристрій, ПУ – пристрій усереднення.

З рисунка видно, що U_вих = .

Рисунок 3.29

Найбільш точними є модуляційні перемножувальні пристрої, основані на подвійній модуляції імпульсних сигналів. Використовуються різні види модуляції, серед яких найбільше розповсюдження одержали широтно-імпульсна та амплітудно-імпульсна модуляції (ШІМ-АІМ). На рис.3.30, а представлена структурна схема перетворювача потужності з ШІМ-АІМ, а на рис.3.30, б – часові діаграми напруги, які пояснюють принцип його роботи. Генератор Г формує прямокутні двополярні імпульси напруги з постійними амплітудами U_m, періодом T₀ та тривалостями додатної (t₁) і від’ємної (t₂) півхвиль. При t₁ = t₂ середнє значення напруги на виході генератора дорівнює нулю. В широтному модуляторі ШМ тривалість імпульсу t₁ збільшується при збільшенні струму i, а t₂ – зменшується. Різниця (t₁ – t₂) = t пропорційна струму i. Відношення t/T₀=K_шi, де K_ш – коефіцієнт перетворення ШМ.

В амплітудному модуляторі відбувається амплітудна модуляція імпульсів, які надходять з виходу широтного модулятора.

Амплітуда імпульсів на виході АМ пропорційна миттєвому значенню напруги u на навантаженні: U_ma= K_au, де K_a – коефіцієнт перетворення АМ. Тоді u_a ср.= U_ma t/T₀=K_auK_шi=K_aK_шp, тобто середнє за період значення напруги на виході АМ пропорційне миттєвому значенню потужності p=ui. Напруга на виході пристрою усереднення (ПУ):

, (3.51)

де T – період зміни струму i та напруги u,

K = K_aK_ш – коефіцієнт перетворення перетворювача потужності.

u

і

u_Г

u_Гі

u_а

u_вих

Г

ШМ

АМ

УУ

а)

б)

Рисунок 3.30

Електронний лічильник активної енергії будується на основі перетворювача потужності з наступним інтегруванням його вихідної величини у відповідності з виразом W =  .

Одна з можливих структурних схем такого лічильника показана на рис.3.31, де ППН – перетворювач потужності; ПНЧ – перетворювач напруги в частоту; ЛІ – лічильник імпульсів.

Частота f імпульсів пропорційна потужності. Ці імпульси підраховуються (інтегруються) лічильником імпульсів ЛІ. Отже, покази ЛІ пропорційні активній енергії W.

f

U_вих

U

i

Рисунок 3.31

В даний час випускаються електронні лічильники для вимірювання як активної, так і реактивної енергії. Вони мають класи точності 0,2–2,5. Крім того випускаються лічильники для вимірювання енергії постійного струму, лічильники ампер-годин та лічильники вольт-годин.