Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 18

Величины импедансов, приведенных на рис. 3.28(b), определяются назначением и конструкцией трансформатора, а также природой ферромагнитного материала сердечника. Расчет трансформатора можно оптимизировать с целью получения минимальной ошибки коэффициента передачи тока и фазовой ошибки тока для токового трансформатора или с целью минимизации ошибки коэффициента передачи напряжения и фазовой ошибки напряжения для трансформатора напряжения. Ошибки проявляются во вторичной обмотке трансформатора напряжения лишь в том случае, когда трансформатор нагружен. Они вызваны наличием R₂ и . Ошибки в первичной обмотке обусловлены током нагрузки, пересчитанным во входную цепь, и током намагничивания (из-за L_m и R_m). Ток намагничивания минимизируют применяя для магнитного сердечника материал с высоким mm_r и не допуская в сердечнике воздушных зазоров. Чем меньше максимально допустимая индуктивность, тем большим будет R_m. Трансформатор наматывается так, чтобы обеспечить минимальное рассеяние, например, вторичная обмотка наматывается на тороидальном сердечнике поверх первичной. Это позволяет уменьшить обе индуктивности рассеяния  и .

В трансформаторе напряжения никогда не допустимо короткое замыкание; это привело бы к катастрофической плотности токов и перегреву.

У трансформатора тока в первичной обмотке бывает всего несколько витков (в случае больших токов – всего один виток). Поскольку трансформатор тока представляет собой почти короткозамкнутую цепь, напряжения на первичной или вторичной обмотках никогда не превосходят нескольких вольт. Трансформатор питается от источника тока (осуществляется управление током). Импедансы R₁ и слабо влияют на коэффициент передачи. Однако сопротивление и индуктивность рассеяния вторичной обмотки должны оставаться малыми, что достигается применением толстой проволоки и хорошей связью между первичной и вторичной обмотками. Если вторичную обмотку оставить ненагруженной, то резко увеличится напряжение, приложенное к L_m, а вместе с ним и степень насыщения магнитной цепи. Потери из-за гистерезиса увеличатся, трансформатор станет очень горячим и, в конце концов, разрушится. Причиной повреждения может быть также пробой изоляции между витками из-за внезапного увеличения напряжения на первичной обмотке. Поэтому трансформатор тока должен всегда работать в режиме короткого замыкания (или в близком к нему режиме). При измерениях тока и напряжения с помощью трансформаторов важны только ошибки ε коэффициентов трансформации. Однако при измерениях мощности следует принять во внимание не только ошибку коэффициента передачи е, но и фазовую ошибку θ, поскольку мощность равна , где  – угол между V и I.

Трансформаторы классифицируются в соответствии с их погрешностями. К классу 0,1 относятся трансформаторы, имеющие ошибку коэффициента передачи менее ±0,1% и фазовую ошибку меньше ±5 минут при импедансе нагрузки со значением , лежащим между 1 и 0,8. Класс 1 имеет ошибку коэффициента трансформации меньше ±1% и ошибку фазы меньше 60 минут при тех же условиях.

Имеются трансформаторы напряжения на напряжения от 1кВ до 500 кВ. Выходное напряжение стандартизовано: его номинальное значение 100 В и  В. Трансформаторы тока выпускаются для работы с токами от 1 А до 50000 А. Выходной ток стандартизован и равен 1 А и 5 А.

3.3.2 Схемы компенсаторов

Компенсатор является измерительной схемой, в которой используется метод компенсации. Основное достоинство компенсатора состоит в том, что с его помощью можно проводить измерения, не нагружая объект измерения, с высокой точностью. В настоящее время схемы компенсации не так уж часто находят применение. Благодаря современной электронике мы имеем теперь цифровые приборы для измерения напряжения и тока, которые позволяют выполнять измерения намного легче и чрезвычайно точно. В некоторых из этих приборов внутри также используется метод компенсации. Метод компенсации все же и сегодня применяется в ряде приложений (например, при управлении пером графопостроителя и в других сервосистемах). Эти системы могут быть сконструированы так, что они компенсируют измеренную величину без вмешательства человека-оператора: происходит автоматическая компенсация.

Сначала, тем не менее, мы рассмотрим измерительные системы, в которых неизвестная величина компенсируется человеком-наблюдателем, то есть осуществляется неавтоматическая компенсация, как это показано на рис. 3.29. Очевидно, что можно компенсировать как V-величины, так и I-величины. На рис. 3.29(а) индикатор нуля ΔV используется для установки вспомогательного источника напряжения V_a так, чтобы ΔV=0. В этом нулевом состоянии I-величина становится равной нулю, так что не может быть никакого обмена энергией между V₁и V_а. (Конечно, здесь мы применяем символ обобщенной V-величины.) Установленное значение V_a равно значению V_i. Поскольку это установленное значение известно, то известна также измеренная величина. На рис. 3.29(b) показана структурная схема этой процедуры. Вспомогательная величина V_aвычитается из входной величины V_i, и считывается отклонение от желаемой ситуации, когда ΔV=0. Считанная величина используется для корректировки V_aдо тех пор, пока не будет достигнуто условие ΔV≈0. Выходная величина (результат измерения) равна установленной величине V_a, когда достигнуто нулевое состояние.

На рис. 3.29(с) показано, как можно компенсировать I-величину. Здесь нулевое состояние достигается при ΔI = 0. В этом случае значение I-величины на клеммах нуль-индикатора равно нулю и, следовательно, токи через R_iи R_aтоже равны нулю. Таким образом, в нулевом состоянии I_i = I_a. Снова выходной величиной является установленное значение I_a. Сравнивая рис. 3.29(b) и 3.29(d) видим, что структурные схемы для сигналов идентичны.

Автоматическая компенсация, то есть компенсация без вмешательства человека, показана на рис. 3.30. Символы V_i, ΔV, V_аи I_i, ΔI, I_a соответствуют аналогичным символам на рис. 3.29. В качестве примера компенсации V-величины приведена схема с усилителем напряжения. Предполагая, что коэффициент усиления А усилителя очень велик, получим, что нулевое состояние будет достигаться автоматически при ΔV≈ 0, и тогда V_i= V_а. Так как , коэффициент усиления напряжения равен . На рис. 3.30(b) изображена блок-схема такой автоматической компенсации.