Лекция № 2. Измерение постоянного тока и напряжения

Содержание лекции: измерительные механизмы магнитоэлектрической системы; амперметры и вольтметры для измерения в цепях постоянного тока; масштабные преобразователи.

Цель лекции: изучить и усвоить методы измерения постоянных токов и напряжений в лабораторных и производственных условиях.

Контроль постоянных токов и напряжений обязателен на преобразовательных подстанциях магистрального и городского электротранспорта, электролизных заводов, электросварочных линий, на подстанциях 35 – 220кВ в шкафах управления оперативным током. Измерение постоянных токов и напряжений производится при наладке силовых цепей и схем управления агрегатов постоянного тока.

Для измерения постоянных токов применятся ИМ магнитоэлектрической системы (см. рисунок 2.1, а). Измеряемый ток подводится к измерительной подвижной рамке посредством двух спиральных пружин. Этот ток взаимодействует с полем постоянного магнита. В результате взаимодействия рамка со стрелкой начинает двигаться под действием вращающего момента. При движении пружины создают противодействующий момент. При равенстве этих моментов стрелка отклоняется на определённый угол

n = (1/C)I = SI,

где S – чувствительность, дел/A;

I – измеряемый ток, А.

Подобные ИМ могут быть только миллиамперметрами на максимальный предел измерения 500 мА, так как невозможно пропустить больший ток через миниатюрные пружины. На практике применяется миллиамперметр на ток 1мА с числом делений шкалы 50 или 100 делений с внутренним сопротивлением 1 кОм. При номинальном токе 1 мА падение напряжения на его сопротивлении составляет 1 В.Такой ИМ можно использовать для измерения тока в электрической цепи (см. рисунок 2.1, б) при условии, что максимальный измеряемый ток не превышает 1 мА. Его же можно применить для измерения напряжения в цепи (см. рисунок 2.1, в), если оно меньше 1 В.

Для расширения пределов измерения данного ИМ применяются масштабные измерительные преобразователи. Для преобразования тока используются шунты. Шунт – образцовый резистор, изготовленный из специального высокоомного материала – манганина. Шунт включается в разрез электрической цепи с большим током в минусовый провод. Шунт – весьма малое сопротивление. Поэтому он присоединяется по четырёхзажимной схеме. Он снабжён двумя парами зажимов: токовыми Т – для включения в электрическую цепь; потенциальными П – для присоединения ИМ (см.рисунок 2.1а). Этим исключается погрешность измерения за счёт влияния падения напряжения на переходных сопротивлениях токовых зажимов. Через ИМ протекает ток в К_П раз меньше, чем измеряемый ток. Данный коэффициент называется коэффициентом шунтирования. Он равен отношению измеряемого тока к току, протекающего через измерительный механизм, т.е. К_П = I/I_П. Требуемое сопротивление шунта определяется по формуле

R_П = R_П/(K_П – 1).

 

1 – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – полюсные наконечники; 4 – измерительная рамка; 5 – противодействующие пружины; 7 – стрелка.

Рисунок 2.1 – Устройство магнитоэлектрического ИМ (а) и схемы его включения (б)

 

В лабораторных приборах – амперметрах и в переносных мультиметрах при измерении тока применяются многопредельные шунты (см. рисунок 2.2).

а) шунтовая; б) ограничительная.

Рисунок 2.2 – Схемы многопредельных амперметров

 

Амперметры в зависимости от типа позволяют измерять токи от 1мкА до 5А.

Для измерения больших токов применяются наружные стандартные шунты. Наружный или стационарный шунт изготавливается из манганиновых стержней или пластин, впаиваемых в медные наконечники (см.рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Внешний вид стационарных шунтов

 

Класс точности шунта показывает допустимое отклонение сопротивления шунта от номинального значения, выраженное в процентах. В соответствии с правилами устройств электроустановок (ПУЭ) рекомендуется применять шунты класса точности 0, 5.

Для расширения пределов измерения по напряжению применяются добавочные резисторы Rд (см. рисунок 2.2). Добавочные резисторы изготовляются из манганиновой изолированной проволоки, которая наматывается на каркасы в виде катушек или пластин. Такой резистор есть преобразователь напряжения U в ток I_В. Прикладываемое напряжение распределяется пропорционально сопротивлениям добавочного резистора и рамки ИМ. Добавочный резистор подключается к положительной шине. В этом случае на зажимах ИМ будет не большой потенциал. Функциональная связь между измеряемым напряжением и током через прибор линейная

U=mI_В,

где m =U / U_П = U / (I_ПR_П) – коэффициент деления.

Сопротивление добавочного резистора определяется весьма просто

R_Д = R_П (m – 1).

В многопредельных вольтметрах применяется несколько добавочных резисторов (см. рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Схема многопредельного вольтметра

 

Для измерения постоянных токов применяются преобразователи (датчики), принцип действия которых основан на эффекте Холла. Датчик Холла (см. рисунок 2.5, а) – полупроводниковая пластина (InAs – арсенид индия), имеющая две пары диаметрально противоположных выводов. Если к одной паре выводов подвести стабилизированный ток управления I, a пластину поместить в магнитное поле с индукцией B, то на противоположных выводах появится напряжение Холла V, пропорциональное kIB, где k – коэффициент пропорциональности. Выходное напряжение обычно не превышает 15мВ. Устройство для измерения постоянных токов в проводнике содержит охватывающий этот проводник ферромагнитное кольцо с двумя разрезами, в которые помещены элементы Холла (см. рисунок 2.5, б). Выходные напряжения элементов суммируются.

а) б)

Рисунок 2.5 – Датчик Холла (а) и устройство для измерения постоянного тока