Лекция 5. Тема: Преобразователи и приборы измерения мощности

Тема: Преобразователи и приборы измерения мощности

Содержание: Принципы устройства магнита- индукционных и магнита- электронных преобразователей. Модуляционные методы преобразования. Цифровые ваттметры.

Цель: изучить принципы, методы устройства преобразователей приборов для измерения мощностей.

Мощность электроустановок определяет режим работы агрегатов и электрических сетей. Поэтому правильные измерение мощности является решающим фактором при их эксплуатации.

Мгновенная мощность определяется выражением

p= u i= U_msinωt*I_msin(ωt + φ) = UI*cosφ - UI*cos(2ωt + φ) = UI*[cosφ - cos2ωt*cosφ + +sin2ωt*sinφ] = UI*cosφ(1-cos2ωt)+UI*sin2ωt*sinφ = р_a + р_p (5.1)

где р_a и р_p- соответственно мгновенные активная и реактивная мощность.

Интеграл за период от выражения (5.1) есть средняя мощность- активная мощность

Р=1/Т* =UIcosφ (5.2)

Таким образом, нам перемножить мгновенные напряжения и ток. Таким устройством, позволяющим производить перемножение, является измерительный механизм электродинамической системы (рисунок 5.1)

1/2

I₁

1/2

Поле

Ф

U

I

1/2

1/2

I₁

Рисунок 5.1 – измерительный механизм электродинамической системы: взаимное расположение катушек (а), конструкция подвижной рамки (б), взаимное расположение токовой и напряженческой обмоток (в), условные обозначения системы (г)

Токовая подвижная катушка 1 из двух половин включается в разрез электрического провода и обтекается полным током нагрузки. Эта катушка создает магнитное поле с потоком. Подвижная напряженческая катушка 2 (рамка) с пружинами 3 и полуосями со стрелкой вращается внутри токовой.

При переменном токе мгновенное значение вращающего момента М (+) определяется токами i₁ и i₂, проходящими через катушки.

Из- за инерционности подвижной рамки угол поворота подвижной части определяется вращением

α= *UIcosφ = *P= K_p*P (5.3)

Такой прибор называют – ваттметром. Шкала его равномерная, с постоянной ценой деления

С_р=I_нU_н/N (5.4)

где Iн,Uн - соответственно номинальные значения тока и напряжения.

N- число делений шкалы

В электроустановках однофазного переменного тока применяется один ваттметр на 5А и 100В при cosφ=1 (рисунок 5.2 а)

В установках трехфазного переменного тока используется трехфазный ваттметр (рисунок 5.2 б)

*

*

*

*

PW

C

B

A

TA1

TV

TA2

*

*

TV

PW

Z_н

TA

U

Рисунок 5.2 схемы включения ваттметров: однофазного (а) трехфазного (б)

Трехфазный ваттметр содержит две пары токовых катушек и две рамки на общей оси. Его вращение определяется вращением

Α= *UI[cos(30⁰+φ₁) + cos(30⁰-φ₃)]= *UIcosα= * P (5.5)

Где φ₁ и φ₃ – соответственно угол сдвига фаз между током и напряжением в опережающей и истощающей фазах.

В однофазной и трехфазной цепи мощность системы определяется одинаково

Р_с=P_w*К_т*К_н (5.6)

где К_т и К_н коэффициент трансформации соответственно ТА и ТV

Данные СИ относятся к показывающим. В отдельных случаях их выполняют записывающими на специальную рулонную диаграммную бумагу. Они располагаются от измерительных трансформаторов на расстоянии не более 50 м. Операторам (дежурным) весьма трудно считывать их показания, возможны субъективные ошибки.

Для телеметрических систем необходимо иметь преобразователи мощности, выходной сигнал которых можно передать на значительные расстояния.

Одним из преобразователей мощности является преобразователь на датчиках Холла (рисунок 5.3)

		In(As0.8 P0.2 )

Магнитопровод

Iн

w

Ф(В)

а

1-электроды упраления

Пластина

2- Холловские электроды

a*bd=1.5*0.8*0.2  

d

В

Iн

Ex

Zн

Iy

B

U

Рисунок 5.3 – Преобразователь мощности: полупроводниковая пластина (а), датчик Холла (б), схема выполнения в цепь (в)

Основой датчика Холла является полупроводниковая прямоугольная пластина весьма малых размеров. Ее помещают в зазоре тороидального магнитопровода из материалов с высокой магнитной проницаемостью. В зазоре создается индукция в порядка 0.1–0.3 Тл, пропорциональная току нагрузки I_н.

Если на входные электроды подать управляющий ток I_у порядка 100мА, пропорциональный напряжению сети U, то с противоположных граней можно снять напряжение Холла

U_x=K_x*_______ (5.7)

где К_х – коэффициент преобразования

Если этот сигнал подать на усилитель и интегратор, то получим сигнал порядка В, пропорциональный активной мощности.

В настоящее время весьма активно применяются модуляционные способы измерения мощности. Этот метод основан на реализации функции произведения входных сигналов U_u и U_i путем использования этих сигналов для двойной модуляции импульсного сигнала. При этом аналоговые U_u и U_i линейно преобразуются в частоту, период, амплитуду, длительность или скважность импульсного сигнала с последующим его интегрированием. Наиболее часто используются комбинации широтно- импульсной (ШИМ) и амплитудной модуляцией (ШИМ-АМ), широтно- импульсной и частотной модуляции (ШИМ-ЧМ), частотной и амплитудной модуляцией (ЧМ-АМ).

На рисунке 5.4а показана структурная схема преобразователя с ШИМ-АИМ, на рисунке 5.4б – временная диаграмма, поясняющая принцип его работы. Генератор Г вырабатывает прямоугольные двухполярные импульсы с постоянными амплитудой А, периодом Т₀ и длительностями положительной (t₁) полуволн. Среднее значение напряжения на выходе генератора равно нулю. В широтном модуляторе ШМ длительность импульсов под действием тока I изменяется по зависимости (t₁-t₂)/T₀=Δt/T₀=k_шi, где Δt= t₁-t₂; k_ш- коэффициент преобразования ШМ. Среднее за период T₀ значение напряжения импульса на выходе ШМ будет u_аT0= Δt/T₀A= k_шiA. В амплитудном модуляторе АМ амплитуда А этих импульсов модулируется пропорционально входному напряжению А=к_аu, где к_а- коэффициент преобразования АМ. Тогда u_шT0= к_ак_шui, т.е. среднее за период Т₀ значение напряжения на выходе АМ пропорционально мгновенному значению измеряемой мощности. Напряжение на выходе устройства усреднения

u_аT0dt= к_ак_шuidt= к_ак_шр (5.8)

где Т- период изменения тока i и напряжения u

а)

б)

i

Uш

t

Ur

A

t1

t

То

t

U

Uа

Рисунок 5.4 – структурная схема (а) и временные потенциальные диаграммы (б) преобразователя ШИМ-АИМ

Дата добавления: 2015-05-10