Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения

Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения служат в основном для преобразования больших переменных токов или напряжений в от­носительно малые их значения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерений (например, 5 А; 1 А; 150 В 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. 1). 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 устройств.

Схемы включения измерительных трансформаторов для расширения верх­ них пределов измерения вольтметра, амперметра и ваттметра приведены на рис. 4, 5 и 6.

Трансформаторы состоят из двух изолированных обмоток, помещенных на магнитопровод из магнитомягкого материала: первичной с числом витков w₁ и вторичной с числом витков w₂ (рис. 4 и 5). Выводы первичной обмотки транс­форматора подключают к цепи, в которой производится измерение; к зажимам вторичной обмотки присоединяют нагрузку Z_НАГ, 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 I ₁, протекающий в первичной цепи. Выходной (вторичной) величиной является ток I ₂, протекающий в нагрузке (рис. 4).

В трансформаторе напряжения входной (первичной) величиной является напряжение U ₁, подведенное к его первичным зажимам, а выходной (вторичной) - напряжение U ₂ на выходных зажимах (нагрузке), рис. 5.

Основными техническими характеристиками трансформатора тока являют­ся номинальные значения первичного и вторичного токов I_1НОМ и I_2НОМ, номи­нальная частота и номинальное сопротивление нагрузки Z_1НАГ. Первичная обмот­ка выполняется из провода разного сечения в зависимости от номинального пер­вичного тока. При I_1НОМ >> 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 выполняется про­водами небольшого сечения. В соответствии с ГОСТ вторичный номинальный ток трансформаторов тока I_2НОМ может быть 1, 2, 5 А при значениях I_1НОМ в пределах от 0,1 до 60000 А. Аналогично основными характеристиками трансформа­тора напряжения являются номинальные значения первичного и вторичного на­пряжений U_1НОМ, U_2НОМ частоты и вторичной мощности P_2НОМ. Вторичное номи­нальное напряжение U_2НОМ стандартных трансформаторов составляет 100/√3, 100 и 150 В при первичном номинальном напряжении U_1НОМ 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 Л₁ – Л₂ (линия). Во вторичную обмотку, зажимы которой обозначаются буквами И₁ – И₂ (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 K_i и трансформатора напряжения K_u, соответственно равные

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 K_IНОМ трансформатора напряжения K_UНОМ. 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

Погрешность γ_I называется токовой погрешностью, а γ_U - погрешностью напряжения. Кроме того, в реальном 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 I ₂ сдвинут по фазе относительно вектора первичного тока I ₁ на 180°. Такой же фазовый сдвиг дол­жен быть между векторами вторичного U ₂ и первичного U ₁ напряжений в трансформаторе напряжения. В реальном трансформаторе угол между поверну­тым на 180° вектором вторичной величины и соответствующим вектором пер­вичной величины не равен нулю, а составляет угол δ, который называется угло­вой погрешностью трансформатора. Погрешность считается положительной, если повернутый на 180° 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

Схемы рис. 4 и 5 не дают точного представления о действительной конст­рукции трансформаторов, так как магнитопроводы в реальных трансформаторах бывают не только стержневые, но и тороидальные (кольцевые), и броневые. Об­мотки в трансформаторах, как правило, размещают на одном стержне. Поэтому, хотя эти схемы не отражают некоторых существенных особенностей конструк­ций трансформаторов, они удобны для анализа и вывода

Переменное напряжение U ₁ (рис. 7), приложенное к зажимам первичной обмотки w₁, вызывает в ней ток I₁. Вследствие индуктивной связи между обмот­ками во вторичной обмотке w₂ наводится ЭДС E ₂. Если вторичная обмотка замкнута на сопротивление Z_НАГ, то в ней появляется ток I₂, на зажимах вторич­ной обмотки - напряжение U₂.

Магнитной поле в трансформаторе при анализе часто представляют в виде трех потоков: общего потока Ф в магнитопроводе, сцепленного с обеими обмот­ками и создаваемого МДС I₁w₁ и I₂w₂; потоков рассеяния Ф _s1 и Ф _s2, 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 Ф, пропорциональны токам I ₁ и I ₂ совпадают с ним пофазе. При этих допущениях трансформатор можно представить эквивалентной схемой, изображенной на рис. 8. Здесь R_K1, R_K2 - активныесопротивления об­моток катушек; x_K1, x_K2 - индуктивные сопротивленияобмоток, обусловленные потоками рассеяния.

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 [1].

3. Порядок проведения работы

3.1. Ознакомиться с приборами, используемыми в работе. Выписать их тех­нические характеристики, а именно: тип прибора, класс точности, пределы изме­рения или регулировок, заводские номера и т.д.

3.2. Определить внутреннее сопротивление и приведенную погрешность микроамперметра, используемого в работе. В качестве исследуемого миллиам­перметра использовать микроамперметр магнитоэлектрической системы с током полного отклонения не менее 100 мкА. Схема включения приборов приведена на рис. 9, где G - блок питания постоянного тока с напряжением до 5 В; R1 - мага­зин сопротивлений; Р1 - милливольтамперметр постоянного тока класса точно­сти 0,2 или 0,5; Р2 - цифровой вольтметр типа Ф283; РЗ - микроамперметр, ис­следуемый в работе.

Примечание: перед включением источника G магазин сопротивлений R1 должен находиться в положении максимального сопротивления.

3.3. Изменяя сопротивление на магазине сопротивлений R1, установить на приборе Р3 ток полного отклонения ( I₃ ). Записать в табл. 1 показания приборов Р1 (I₁) и Р2 ( U₂ ) и значение тока I₃

Таблица 1
Измерение	Показания
I3, мкА	I1, мкА	U2, В	RИ, Ом	RШ, Ом	γ, %
Без шунта
С шунтом 1
С шунтом 2
С шунтом 3

3.4. Рассчитать значение внутреннего сопротивления прибора Р3 по дан­ным табл. 1.

Рассчитанное значение R_u записать в табл. 1.

3.5. Определить приведенную погрешность прибора Р3 по формуле

Значения погрешности записать в табл. 1.

3.6. Расширить предел измерения по току с помощью шунта.

3.7. По формуле (2) рассчитать сопротивления шунта R_Ш^’, R_Ш^’’, R_Ш^’’’ для трех токов, выбираемых из табл. 2 в зависимости от варианта.

Таблица 2
Варианты
I3^’, мкА
I3^’^’, мкА
I3^’^’’, мкА

3.8. Для расширения предела измерения прибора Р3 по току собрать схему, представленную на рис. 10. При этом использовать те же приборы, что и в схеме рис. 9, а в качестве шунтов R_Ш - магазин сопротивлений МРС-58.

3.9. На магазине сопротивлений МРС-58 поочередно установить значения R_Ш^’, R_Ш^’’, R_Ш^’’’. Для каждого из этих значений добиться отклонения указателя прибора Р3 на конечную отметку шкалы, что должно соответствовать токам I₃^’,I₃^’’,I₃^’’’, и определить показания прибора Р1 – I₁^’, I₁^’’,I₁^’’’.

3.10. Значения R_I, I₁, I₃ занести в табл. 1 и рассчитать по формуле (6) по­грешности γ_Ш прибора Р3 с шунтами.

3.11. Расширить предел измерения по напряжению с помощью добавочных сопротивлений.

3.12. Определить по данным табл. 1 напряжение U_НОМ, соответствующее то­ку полного отклонения I прибора Р3.

3.13. Рассчитать значение добавочного сопротивления Р2 по формуле (3) или (4), выбрав три значения измеряемого напряжения по табл. 3 в зависимости от варианта.

Таблица 3
Варианты
U3^’, мВ
U3^’^’, мВ
U3^’^’’, мВ

3.14. Собрать схему, представленную на рис. 11. В качестве Р2 использовать цифровой вольтметр постоянного тока типа Ф283, а в качестве добавочного со­противления R_Д - магазин сопротивлений МРС-58.

3.15. Установить поочередно на магазине сопротивлений значения R_Д^’, R_Д^’’, R_Д^’’’, соответствующие заданным напряжениям U₃^’, U₃^’’, U₃^’’’, каждого значе­ния R_Д изменением сопротивления реостата R1 добиться полного отклонения стрелки прибора Р3. Снять показания вольтметра Р2 (U₂), прибора РЗ (I₃) и зане­сти их в табл. 4.

3.16. Рассчитать погрешность прибора Р3 с добавочным сопротивлениями по формуле

Значения рассчитанных погрешностей для трех значений записать в табл. 4.

Таблица 4
Значение измеряемых напряжений	Расчетное значение RД, Ом	Показания приборов	Абсолютная погрешность Δ, В	Относитель­ная погреш­ность γ, %
U3, В	I3, А	U2, В
U3^’
U3^’^’
U3^’^’’

3.17. Собрать схему рис. 12 для расширения верхнего измерения ваттметра с помощью измерительных трансформаторов напряжения и тока.

3.18. По данным трансформатора тока ТА, трансформатора напряжения ТV и показаниям ваттметра определить мощность, потребляемую нагрузкой, по­грешностями трансформаторов пренебречь. Например, для измерения большой мощности ваттметр подключен к нагрузке через измерительные трансформаторы тока с коэффициентом трансформации K_I = 200/5 и напряжения с K_U = 600/100 (эти данные указаны на щитках трансформаторов). Ваттметр показал 400 Вт. Требуется определить потребляемую нагрузкой мощность.

Решение

1. За счет трансформаторов тока и напряжения мощность в измерительной цепи уменьшена в коэффициент трансформации раз: K_P = K_I • K_U по мощности,

т.е. при K_I = 200/5 = 40; K_U = 600/100 = 6 коэффициент K_P = 40.6 = 240 раз.

2. Учитывая, что K_P = P₁ / P₂, где P₁ - мощность первичной цепи (то есть потребляемая нагрузкой мощность); P₂ - мощность, измеряемая ваттметром, имеем: P₁ = K_P • P₂ = 240 • 400 = 96000 Вт = 96 кВт.

6. Сделать выводы по работе с обоснованием полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. Что такое шунт? Назначение, устройство, схемы включения шунтов.

2. Как расширяется верхний предел измерения амперметров?

3.С какими измерительными механизмами можно использовать шунты для расширения предела измерения и почему?

4. Какие бывают шунты и какого класса точности?

5. Как подключить шунт к измерительному механизму прибора (ИМП)?

6. Какими параметрами характеризуется шунт?

7. Как обозначаются шунты?

8. Что такое многодиапазонный шунт и как он подключается к ИМП?

9. Как рассчитать сопротивление шунта?

10. Что такое добавочное сопротивление? Назначение, устройство, схемы включения?

11. Как расширяется верхний предел измерения вольтметра с помощью до­бавочного сопротивления?

12. Какими параметрами характеризуется добавочное сопротивление и как его рассчитать?

13. Как маркируются и обозначаются добавочные сопротивления?

14. Какие бывают добавочные сопротивления, и на какие классы точности они делятся?

15. Что такое измерительный трансформатор тока и напряжения и для чего они предназначены?

16. Как с помощью трансформаторов расширить верхние пределы измере­ния амперметра, вольтметра и ваттметра?

Библиографический список к работе

1. Электрические измерения /В. Н. Малиновский, Р. М. Демидова-Панферова и др.; Под ред. В. Н. Малиновского. - М.: Энергоиздат, 1985.

2. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин / Под ред. Е. С. Полищука. - Киев: Вища школа, 1984. - 359 с.

3. ГОСТ 8042-78. Преобразователи электрических величин. Шунты измерительные. Технические условия. – М: Изд-во стандартов, 1981.

4. ГОСТ 8623-78. Сопротивления добавочные для электроизмерительных приборов. – М: Изд-во стандартов, 1978.

---

Дата добавления: 2015-12-07