Курсовая работа: Вимірювальний механізм і схема електродинамічних фазометрів

(36)

Використовуючи вираження (19), (22) і (35), одержуємо:

З урахуванням рівномірності шкали (φ = αφмакс / αиакс) одержимо:

Таким чином,

(37)

ПОГРІШНОСТІ ФЕРРОДИНАМИЧЕСКОГО ФАЗОМЕТРА

Допустимо, що, крім моментів М1 і М2 , на рухливу частину фазометра впливає додатковий момент Мд , що викликає появу абсолютної основної погрішності приладу Δα. Якщо момент Мд значно менше кожного з моментів М1 і М2 , то для визначення основної погрішності можна скористатися формулою (17):

Якщо шкала приладу рівномірна, то

де Δφ - абсолютна основна погрішність фазометра в одиницях вимірюваної різниці фаз.

Отже

(38)

Розглядаючи вираження (38), дійдемо висновку, що для зменшення основної погрішності приладу при певнім значенні додаткового моменту Мд необхідно по можливості збільшити число амперів-витків послідовного й паралельного колу, зменшити зазор δ1 і вибрати кут ψ1 оптимальним.

Для визначення оптимального значення кута ψ1 позначимо:

 (39)

З вираження (38) треба, що погрішність стає найменшої, коли S досягає максимального значення. Оскільки величина S виявляється найменшої наприкінці шкали, досліджувати S на максимум треба при φ = φмакс .

Диференціюючи (39), знаходимо:

Прирівнюючи dS/dψ1 до нуля, одержуємо:

і після елементарних тригонометричних перетворень

(40)

Знаючи межу виміру φмакс , по формулах (40) і (35) можна знайти оптимальні значення кутів ψ1 й ψ2 відповідному мінімуму основної погрішності фазометра.

Співвідношення (40) справедливо тільки при φмакс≤45. При φмакс>45° рівність (34) порушується, і рухлива частина приладу в деяких ділянках шкали, буде перебувати в стані хиткої рівноваги. Тобто, при проектуванні фазометра з межею виміру φмакс>45° необхідно в першу чергу задовольнити вираження (34), по можливості наблизившись до виконання умови (40).

Спільне дослідження виражень (34) і (40) для φмакс>45° показує, що значення Рк доцільно вибирати можливо більшими.

Із числа додаткових погрішностей ферродинамічного фазометра найбільш істотними виявляються частотна й температурна.

Умови рівноваги рухливої частини фазометра при частоті ω згідно (21) і (35) можна записати у такий спосіб:

де r, L, С — активний опір, індуктивність й ємність ланцюгів рухливих котушок;

U — напруга в паралельному ланцюзі. Допустимо всі вхідні з рівняння (41) величини, крім частоти незмінні, одержуємо:

(42)

Відомо, що

Крім того,

Користуючись наведеними співвідношеннями, після не складних перетворень одержимо вираження для частотної погрішності при довільній частоті:

(43)

Як правило, фазометр працює при номінальній частоті ω0 , на яку він розрахований, і погрішність виникає при відхиленні робочої частоти від номінальної.

Тоді згідно (35)

і вираження для частотної погрішності здобуває вигляд:

 (44)

При дотриманні умови (34) і різних режимів навантаження погрішність βω залишається позитивної

і стає максимальної при φ = 0 :

(45)

З достатнім ступенем точності можна вважати, що температурна погрішність фазометра виникає за рахунок зміни активних опорів у колі рухливих котушок. Оскільки ω0L = 1⁄ω0C , а активні опори при нормальній температурі однакові, зміни модулів струмів у рухливих котушках будуть однаковими й не вплинуть на рівновагу рухливої частини.

Отже, умова рівноваги рухливої частини приладу при нормальній температурі може бути записане так:

де r0 — активний опір кола рухливої котушки;

x — реактивний опір того ж кола.

Для визначення температурної погрішності скористаємося вираженням

 (46)

Оскільки

з рівняння (46) знаходимо:

або з обліком (22) і (35)

(47)

Активний опір кола рамки при будь-якій температурі

де α — температурний коефіцієнт опору; t° — збільшення температури.

Тоді dr⁄dto=r0α і з (47) одержуємо:

Якщо врахувати, що

(46)

ВІТЧИЗНЯНІ ФЕРРОДИНАМІЧНІ ФАЗОМЕТРИ

Вітчизняна промисловість виготовляє кілька аналогічних типів щитових ферродинамічних фазометрів. Більшість із них призначено для вимірів cos φ у трифазних ланцюгах частотою 50 гц. Порівняльні дані трифазних ферродинамічних фазометрів наведені в табл. 2.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ Й ІНДУКЦІЙНІ ФАЗОМЕТРИ

Конструкція трьохмоментного логометра, що застосовується як електромагнітний фазометр, представлена на рис. 5. За двома нерухомими зовнішніми котушками A1 й A2 протікають струми I1 й I2 зрушені по фазі на кут, рівному просторовому куту між котушками, у результаті чого створюється колове обертове поле. На нього накладає пульсуюче поле внутрішньої котушки A3, по якій протікає струм I3 . Рухлива частина приладу утворена секторами F, приклепаними до ферромагнитнои втулки с. Вся система вимірювального механізму оточена кільцевим магнитопроводом S.

В положенні рівноваги рухлива частина розташовується так, що сектори F установлюються уздовж великої осі еліптичного обертового поля, що є сумою полів всіх трьох котушок.

Рівняння рівноваги рухливої частини приладу може бути представлене у вигляді:

 (47)

де L1,L2,L3 — індуктивності котушок A1 , A2 , A3 ;

M1,2 , M2,3 , M1,3 — взаємні індуктивності відповідних пар котушок.

Теоретичне й експериментальне дослідження фазометра з описаним вимірювальним механізмом проведене В. В: Смеляковим.

В основу дослідження був покладений метод визначення обертаючого моменту приладу по похідній від енергії системи по куті відхилення рухливого елемента. Розглядаючи рівняння (47), можна бачити, що для одержання, наприклад, однофазного фазометра із коловю рівномірною шкалою по градусах необхідно виконати ряд умов:

1. Геометричний кут між площинами котушок A1 й A2 повинен бути дорівнює куту зрушення фаз між рівними по величині струмами в них (бажано мати цей кут рівним 90°);

2. Індуктивність L3 котушки A3 не повинна залежати від кута повороту рухливого елемента α , тобто d'L3 ⁄d'α = 0

3. Параметри приладу повинні бути обрані так, щоб першими двома членами рівняння (47) можна було знехтувати, тобто повинна дотримуватися рівність

що можливо у двох випадках:

(48)

(49)

4. Взаємоіндуктивність між внутрішньої A3 і зовнішніми A1 й A2 котушками повинні бути синусоїдальними функціями α.

Велике значення в одержанні оптимальних параметрів приладу має правильний вибір кута розчину 2γ зовнішньої котушки (A1 або A2) і кути розчину сектора δ . В. В. Смеляковим було знайдено, що при γ=57o , δ = 120o і виконується умова (48), а при γ=57o , δ = 180o і куті між котушками A1 й A2 90° — умова (49). Другий випадок для фазометра найбільш сприятливий, тому що при γ=57o , δ = 180o залежність M1,3(α) ближче до синусоїдального.

Трифазний фазометр може бути побудований як із двома, так і із трьома зовнішніми котушками. В останньому випадку доцільно мати γ = 36O тому що при цьому виключається п'ята гармоніка в кривій M1,3(α), а третя гармоніка в трифазній системі, як відомо, відсутня.

Логометр, зображений на мал. 5, застосовується як вимірювальний механізм у промислових щитових трифазних фазометрах Э160 й Э170 (Л. 35, 65]. У пазах статора, аналогічного статору малогабаритного асинхронного електродвигуна, покладена трифазна обмотка, що живить симетричною системою лінійних напруг. В середині статора коаксиально розташована котушка порушення, що живить лінійним струмом навантаження. Рухлива частина приладу у вигляді Z-подібного сердечника обладнане стрілкою, що переміщається по шкалі з максимальним кутом 180°, градуйованої в значеннях cos φ . Межі виміру фазометрів 0—1—0; клас точності 2,5; робоча частота 50 гц.

Деяку іншу конструкцію й схему включення в мережу мають переносні трифазні фазометри типу Э120 (робочі частоти 50 або 400—500 гц, межі виміру в значеннях cos φ 0-1-0, клас точності 1,5) і щитові трифазні фазометри типу Э144 з аналогічними технічними характеристиками, але мають клас точності 2,5. У цих приладах зовнішні котушки, покладені в пази статора, утворять двофазну обмотку, що включає в мережу послідовно, а внутрішня котушка живиться струмом, пропорційним напрузі мережі.

Серія цих приладів призначена для роботи при температурі навколишнього повітря від -40 до +60°С і відносної вологості до 98%.

Подібний логометр застосовується як вимірювальний механізм й у закордонному електромагнітному фазометрі [Л. 59]. Конструкція й схема його включення в мережу аналогічні фазометрам Э120 й Э144. Трифазному фазометру надається фазорозщепний пристрій, що забезпечує можливість виміру в однофазних ланцюгах.

Групою авторів [Л. 55] запропонований електромагнітний фазометр, конструкція вимірювального механізму якого представлена на мал. 6. Кільцевий магнитопровод фазометра 1 обвиває кільцева обмотка підмагнічування, що живить струмом навантаження й що створює замикається по магнитопроводу пульсуючий магнітний потік намагнічуючі обмотки ω1, ω2 збуджені напругою мережі, створюють обертовий магнітний потік.

Рис. 6. Варіант електромагнітного фазометра. а-конструкція; б-принципова схема.

У результаті взаємодії обертового й пульсуючого потоків у магнитопроводе утвориться насичена ділянка, що переміщається по окружності відповідно зміні кута зрушення фаз між потоками. Це у свою чергу викликає поворот поляризованого рухливого елемента 2, виконаного у вигляді діаметрально намагніченого диска. Кільцевий екран 3 захищає вимірювальний механізм від впливу зовнішніх магнітних полів, а також є магнитопроводом, по якому замикаються потоки обмоток збудження.

Уступаючи електродинамічним фазометрам у точності, електромагнітні фазометри мають ряд переваг, що полягають у можливості побудови чотириквадрантного фазометра з кутом шкали в 360°, трохи меншому споживанні потужності й відносно більшому встановлюваному моменті.

Різними авторами запропоновано кілька конструктивних варіантів фазометра індукційної системи.

С. К. Дурникиним запропонований трифазний фазометр, у якому рухлива система двухэлементного індукційного логометра виконана у вигляді укріплених на загальній осі двох фігурних металевих дисків. Кожний з обертаючих елементів впливає на один з дисків, причому обертаючі моменти спрямовані в протилежні сторони. При зміні різниці фаз у досліджуваному колі обертаючі моменти кожного елемента змінюються по різному, і рухлива частина встановлюється в положенні рівноваги, що відповідає певному куту зрушення фаз. Кут шкали приладу досягає 270°, магнитопровод послідовного кола обох елементів виконаний загальним.

Інший варіант індукційного фазометра запропонований В. В. Смеляковим, М. Е. Бушмииим, Г. М. Сапуновим і С. М. Сергиенко. Магнітна система фазометра складається із двох кільцевих концентричних замкнутих магнитопроводів. На внутрішньому магнитопроводі розміщена обмотка збудження, що створює в зовнішньому магіитопроводі обертове поле, а на зовнішньому - обмотка підмагнічування, що створює пульсуюче поле. При рівності амплітуд магнітних потоків обох полів у зовнішньому магнитопроводі створюється мала ділянка практично нульового потоку, що переміщається по околі магнитопровода відповідно зміні кута зрушення фаз між двома потоками. Якщо фазометр має рухливу короткозамкнену котушку, що охоплює магнитопровод, то кут зрушення фаз відраховує по куті повороту цієї котушки, що переміщається разом з ділянкою нульового потоку. Якщо ж вимірювальна котушка нерухома й у її ланцюг включений нульовий покажчик, то вимірюваний кут зрушення фаз відраховує по куті повороту котушок збудження, які в цьому варіанті приладу повинні бути зроблені рухомі.

Подібний за принципом дії індукційний фазометр може бути побудований на базі логометра Ф. М. Жербіна.

А. А. Степаняном й А. А. Кольцовим запропонований однофазний індукційний фазометр, магнитопровод якого також складається із двох концентричних кільцевих сердечників. Зовнішній сердечник постачений двома паралельно включеними обмотками збудження, що живляця струмами, зрушеними на 90°. Ці обмотки створюють у просторі між сердечниками обертове магнітне поле. На внутрішній сердечник надіта короткозамкнена рухлива рамка, що для підвищення чутливості приладу виконана у вигляді вісімки, петлі якої охоплюють діаметрально розташовані ділянки внутрішнього сердечника. Контролююче коло приєднане до середніх точок перехресних частин рамки. Для зменшення моменту опору, створюваного струмопровідними провідниками, рамка з'єднується з контрольованим колом додатковим кільцевим трансформатором, первинна обмотка якого включена в контрольований ланцюг, а вторинна виконана у вигляді рухливої рамки, скріпленої з основною рамкою приладу й з'єднаної із середніми точками її пересічних частин.

Істотних переваг у порівнянні з фазометрами інших систем індукційні фазометри не мають і серійно промисловістю не випускаються.

Цифові фазомитри

Фазометр призначений для виміру кутів зрушення фаз між двома періодично електричними коливаннями, що змінюються, і може бути застосований у радіоаматорській практиці при розробці, регулюванні й експлуатації електронних й електротехнічних апаратів і пристроїв. Пропонований електронний фазометр дає одночасно інформацію про знак і величину кута зрушення фаз, що робить її більше наочної. У приладі вдалося істотно спростити вузли виділення величини й знака кута й сполучити функції окремих елементів.

Основні технічні характеристики

Діапазон вимірюваних кутів зрушення фаз, эл. град 0... 180

Діапазон робочих частот, Гц 10... 104

Діапазон вхідних напруг, В 0,01...50

Діапазон вимірюваних струмів, А. 0,01...2

Погрішність виміру, %, не більше 2

Принципова схема електронного фазометра наведена на мал. 1.

Вхідні напруги Uвх1 й Uвх2 довільні форми (наприклад, синусоїдальні) від вимірюваних кіл через дільники R1VD1VD2 й R2VD3VD4 надходять на вхід формувачів DA1 й DA2 (компаратори напруги) і перетворяться в однополярні прямокутні імпульси з досить крутими фронтами й спадами. Ширина імпульсів відповідає тривалості напівперіоду вхідного сигналу, що ілюструється тимчасовими діаграмами, представленими на мал. 2.

Динамічний D-тригер (DD1) виділяє знак кута зрушення фаз, тобто фіксує в момент формування фронту імпульсу другого вимірювального каналу, використовуваного в даній схемі в якості синхронізуючі (тактового), що випереджає або відстає характер сигналу першого вимірювального каналу, вихід формувача якого з'єднаний з інформаційним входом D-тригера. При цьому синхронізуючий імпульс своїм фронтом переводить D-тригер у стан, обумовлений рівнем напруги на його інформаційному вході в цей момент часу. Тому, якщо вхідна напруга Uвх1 випереджає по фазі напруга Uвх2 на прямому виході D-тригера (висновок 9 DD1.1) установлюється напруга, що відповідає логічній одиниці, а на інверсному виході - логічному нулю.

Вимірник величини кута зрушення фаз реалізований на базі елемента збігу (DD2.2), один із входів якого з'єднаний безпосередньо з виходом формувача DA2, а другий - через інвертор DD2.1 з формувачем DA1 вимірювального каналу. Ширина формованого імпульсу на виході такого елемента пропорційна куту взаємного перекриття вхідних імпульсів, тобто куту зрушення фаз між напругами Uвх1 й Uвх2 що підтверджується тимчасовими діаграмами на мал. 2. Об'єднання інформації про величину й знак кута в розглянутій схемі здійснюється за рахунок введення в її сполуку ще одного елемента збігу (DD2.3), що виконує тієї ж функції виміру величини кута, що й описаний вище. Однак кожний із цих елементів 3И-НІ (DD2.2 й DD2.3) одним зі своїх входів з'єднаний відповідно із прямим й інверсним виходами D-тригера, у результаті чого останній і визначає, на виході якого з елементів збігу виділяється імпульс, по ширині дорівнює куту зрушення фаз.

Вимірювальний прилад РА1 включений між виходами елементів збігу DD2.2 й DD2.3, створюючи при цьому диференціальну схему, внаслідок чого його стрілка буде відхилятися убік, обумовлену знайомий кута, і на кут, що відповідає куту зрушення фаз між напругами Uвх1 й Uвх2. Конденсатор С1, включений паралельно індикатору PA1, призначений для зменшення пульсації стрілки при вимірах на низьких частотах.

Побудова вхідних кіл фазометра дозволяє вимірювати кут зрушення фаз не тільки між двома напругами, але й між струмом і напругою або між двома струмами, для чого вхідні дільники постачені відповідними висновками.

Рис. 1 Принципова схема

Конструкція й деталі.

Електронний фазометр виконаний у вигляді окремого блоку. На лицьову панель виведені вхідні клеми вимірювальних каналів, мікроамперметр, шкала якого проградуйована в ел. град., і вимикач живильної мережі. Елементи приладу змонтовані на друкованій платі, виготовленої з однобічного фольгированного стеклотекстолита товщиною 1,5 мм і закріпленої безпосередньо на вимірювальних затисках мікроамперметра. Сполуки друкованої плати із вхідними клемами приладу виконані екранованим провідником, що викликано забезпеченням його поміхостійкості.

У пристрої використані резистори МЛТ і СП3-16 (R5), конденсатор С1 - типу МБМ, а як індикатор PA1 - мікроамперметр типу М906 із двосторонньою шкалою 50-0-50 мка.

 Замість зазначених у пристрої можуть бути використані мікросхеми інших серій аналогічного функціонального призначення при відповідному виборі їхній живлячої напруги. Формувачі однополярних імпульсів DA1 й DA2 можуть бути виконані не тільки на базі функціональних мікросхем ДО554СА3 або 521СА3, але й на операційних підсилювачах або транзисторних каскадах, що працюють у ключовому режимі й забезпечують необхідній крутості формованих фронтів імпульсів. Діоди VD1 - VD4 вибираються з умов протікання по них довгостроково вимірюваного струму. Якщо ж фазометр призначений для виміру зрушення фаз тільки між двома напругами, то зазначені діоди можна замінити будь-якими іншими без пред'явлення вимог по струму й про зворотну напругу.

Живляня пристрою здійснене від одного джерела однополярного стабілізованої напруги (мал. 3).

Розширення меж виміру по напрузі вхідного сигналу можна здійснити за рахунок пропорційної зміни параметрів резисторів R1 й R2. Якщо ж немає необхідності у вимірі знака фазового кута, то зі схеми можна виключити динамічний D-тригер, а вузол виділення сигналу різниці кута зрушення фаз (мал. 4) включити безпосередньо до виходів компараторів DA1 й DA2. У цьому пристрої елемент DD1.4 реалізує диференціальну схему включення індикатора PA1 і забезпечує компенсацію напруги логічного нуля.

Як індикатор контрольованого параметра PA1 можуть бути використані електронний осцилограф або цифровий вольтметр, це дозволить істотно підвищити точність відтворення вимірюваної величини.

Електронний фазометр має лінійну шкалу, що полегшує його тарировку. Для цього як калібровані напруги варто взяти дві лінійних напруги трифазної мережі (кут зрушення фаз лінійних напруг становить 120 ел. град.). У процесі тарировки необхідно погодити калібровані напруги із припустимим рівнем вхідних напруг. Величину відхилень стрілки індикатора не потребуючу оцінку шкали здійснюють резистором R5.

Види фазометрів

Ц302/1

Фазометр трьохфазний діапазон 0,5-1-0,5 й 0,9-1-0,2 f=50...10000Гц, кл.т.2,5 габ.розм.120х120х95

Ц302/1 фазометр трьохфазний

Призначення

Призначений для виміру коефіцієнта потужності в діапазонах 0,5-1-0,5 або 0,9-1-0,2 у трьохфазних трьохпровідних мережах змінного струму частотою50 Гц з симетричним навантаженням фаз і симетричною лінійною напругою.

ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Клас точності 2,5 Діапазон вимірів коефіцієнта потужності 0,5-1-0,5 або 0,9-1-0,2

Габаритні розміри, мм 120х120х95 Маса, кг 0,7

Призначена для роботи при температурі від –20 до +50С и відносної вологості повітря 95% при 30С

ФАЗОМЕТР ІЗ302-М1-1

Призначений для виміру коефіцієнта потужності в трифазних трехпроводных мережах змінного струму частотою 50 Гц із симетричним навантаженням фаз і симетрією лінійних напруг.

Прилад складається з індикатора магнітоелектричної системи й електронного перетворювача, розміщених в одному корпусі.

З302-М1-1

ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

Фазометр Д578

Призначення:

Фазометр Д5781 призначений для визначення кута зрушення фаз між основними гармонійними складовими струму й напруги й величини cos φ однофазних ланцюгах промислової частоти.

Технічні характеристики:

Діапазон вимірів:

для значення кута зрушення фаз - 0-90-180-270-360°

для значення cosφ - 1-0-1-0-1

клас точності - 0.5

Габаритні розміри:

230х280х140 мм

ПЕРШИЙ УКРАЇНСЬКИЙ ЦИФРОВИЙ ВАФ4333

Багатофункціональний цифровий вольтамперфазометр ВАФ4333 - новий мікропроцесорний прилад, повною мірою відповідає сучасним вимогам до точності,функціональній повноті, зручності в роботі й надійності. Основна область застосування приладу - експлуатаційне обслуговування релейних схем захисту і силових ланцюгів електроустановок.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Apутюнов В. О. Электрические измерительные приборы и измерения. M.—Л., Госэнергоиздат, 1958.

2. Кapандeeв К. Б. Специальные методы электрических измерений. M., Госэнергоиздат, 1963.

3. Heстepeнко А. Д. Основы расчета электроизмерительных схем уравновешивания. Киев, Наукова думка, 1960.

4. Оpнатский П. П. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые). Киев, Виша школа, l973.

5. Основы электроизмерительной техники. Под ред. M. И. Левина. M., Энергия, 1963.

6. Пpытков В. Т., Tалицкий А. В. Курс электрически измерений. M.—Л., Госэнергоиздат, 1960.

7. Электрические измерения неэлектрических величии. Под ред. П. В. Новицкого. M., Энергия, 1975.

8. Электрические измерения. Под ред. A.B. Фремке. Л., Энергия. 1973.

9. Электрические измерения. Под ред. E. Г. Шрамкова. M., Высшая школа, 1973.

10.Електричні вимірювання електричних та не електричних величин. За редакцією Поліщука. Київ «Вища школа» 1978р. 352с.