Вимірювальні трансформатори струму і напруги

Вимірювальними трансформаторами струму і напруги називаються трансформатори струму й напруги, які мають нормовані метрологічні характеристики і засто­совуються як масштабні вимірювальні перетворювачі. На відміну від силових трансформаторів, вимірювальні транс­форматори мають бути малої потужності, щоб забезпечити високі метрологічні характеристики.

Вимірювальні трансформатори струму і напруги засто­совуються для розширення діапазону вимірювання струмів і напруг у таких галузях, як електроенергетика, системи енергопостачання, електротранспорт тощо. Крім того, вимірювальні трансформатори створюють електрич­ну ізоляцію між вимірювальними приладами і елек­тричними високовольтними колами, що значно підвищує безпечну роботу обслуговуючого персоналу, оскільки при­лади ввімкнені в обмотку низької напруги і заземлені.

Вимірювальні трансформатори струму й напруги скла­даються із замкненого магнітопроводу, на якому намотані й електрично ізольовані одна від одної первинна і вторин­на обмотки з кількістю витків w₁ та w₂ (рис. 8.1). Магнітопроводи вимірювальних трансформаторів виготовляють із спеціальних сортів електротехнічної сталі з домішкою кремнію або із залізо-нікелевих сплавів типу пермалоя то­роїдальної (кільцевої) чи прямокутної форм. Обмотки ви­конують проводом в ізоляції.

Дія си­лових і вимірювальних трансформаторів ґрунтується на однакових принципах.

Рис. 8.1

Якщо первинну обмотку вимірювального трансформато­ра ввімкнути в електричну мережу, струм або напруга якої підлягає вимірювальному перетворенню, а вторинну обмот­ку приєднати до вимірювального приладу, то у первинній і вторинній обмотках проходитимуть змінні синусоїдні стру­ми i₁(t) та і₂(t). Змінні струми i₁(t) та і₂(t) створюють в об­мотках магніторушійні сили F₁(t)=w₁i₁(t) та F₂(t)=w₂i₂(t).

Під дією цих сил у трансформаторі збуджується змінне магнітне поле, яке можна умовно поділити на дві складові:

Ø основне магнітне поле, магнітні лінії якого розміщені в межах магнітопроводу і зчеплені як з усіма витками первинної, так і з усіма витками вторинної обмоток;

Ø магнітні поля розсіювання первинної та вторинної обмо­ток, магнітні лінії яких частково розміщені в магнітопроводі, а частково — поза його межами і зчеплені з частиною витків, відповідно, первинної і вторинної обмоток.

Під дією змінного основного магнітного поля в первинній і вторинній обмотках, відповідно до закону електромагнітної індукції, наводяться електрорушійні сили e₁(t), e₂(t).

Первинна обмотка працює як споживач електричної енергії, тому електрорушійна сила первинної обмотки спрямована проти прикладеної напруги і обмежує струм первинної обмотки. Вторинна обмотка працює як джерело електричної енергії, тому електрорушійна сила e₂(t) спри­чинює струм i₂(t) і визначає його амплітуду.

Магнітні поля розсіювання також наводять електро­рушійні сили розсіювання у первинній і вторинній обмотках. Під дією змінних магнітних полів у магнітопроводі наводяться електрорушійні сили, що спричинюють так звані вихрові струми, або струми Фуко. Це призводить до втрат енергії на нагрівання. Друга складова втрат енергії в магнітопроводі спричинена перемагнічуванням феромагнітного магнітопроводу під дією магнітних полів обмоток. Втрати енергії призводять до зсуву фаз між основним магнітним потоком і намагнічувальним струмом на кут j, який називається кутом магнітних втрат.

Вторинна обмотка трансформаторів напруги приєдну­ється до вимірювальних перетворювачів або приладів з високим вхідним опором (вольтметри, паралельні кола ватметрів та лічильників енергії тощо), тому струм у вто­ринній обмотці незначний і трансформатори напруги пра­цюють в режимі, близькому до режиму холостого ходу.

Трансформатори струму працюють в режимі, близькому до режиму короткого замикання, оскільки первинна об­мотка вмикається в розрив досліджуваного кола і працює в режимі заданого струму, а вторинна — до вимірюваль­них приладів (амперметрів, послідовних кіл ватметрів та лічильників електричної енергії) або перетворювачів (шунтів) з незначним вхідним опором.

Метрологічні характеристики вимірювальних трансформаторів

Вимірювальні трансформатори як вимірю­вальні масштабні перетворювачі характеризуються ко­ефіцієнтами перетворення або чутливістю:

Як прийнято, трансформатори характеризуються не ко­ефіцієнтом перетворення, а коефіцієнтом трансформації'.

Для вимірювальних трансформаторів струму й напруги нормується номінальний коефіцієнт трансформації, який визначається через відношення кількості витків первинної і вторинної обмоток

Контрольні запитання:

1. Як поділяють за принципом дії прилади прямої дії для вимірювання струмів і напруг?

2. Чому виникає методична похибка при вимірюванні струму та напруги?

3. Опишіть будову та принцип роботи електронних аналогових вольтметрів та амперметрів.

4. Опишіть будову та принцип роботи цифрових вольтметрів та амперметрів.

5. У чому полягає принцип дії компенсатора постійного струму?

6. Які Ви знаєте міри електричних величин?

7. У чому полягає принцип дії магнітоелектричного електромеханічного вимірювального перетворювача?

8. У чому полягає принцип дії електромагнітного електромеханічного вимірювального перетворювача?

9. У чому полягає принцип дії електродинамічного та феродинамічного електромеханічного вимірювального перетворювача?

10. У чому полягає принцип дії електро­статичного електромеханічного вимірювального перетворювача?

11. У чому полягає принцип дії електромеханічного вимірювального перетворювача?

12. У чому полягає принцип дії індукційного електромеханічного вимірювального перетворювача?

13. Для чого призначені вимірювальні трансформатори струму і напруги?

14. Назвіть основні метрологічні характеристики вимірювальних трансформаторів.