Контрольные вопросы к разделу_3 вар. Контрольные вопросы к разделу Измерительные преобразователи

• Название: Контрольные вопросы к разделу Измерительные преобразователи
• Дата: 27.03.2023
• Размер: 157.04 Kb.
• Имя файла: Контрольные вопросы к разделу_3 вар.docx
• Тип: Контрольные вопросы; #1018323

Контрольные вопросы к разделу «Измерительные преобразователи» (письменно)

3. Измерительные трансформаторы тока. Назначение, основные характеристики. Схема включения.

Трансформатор тока представляет собой аппарат, первичная обмотка которого включена в цепь последовательно. А вторичная обмотка, будучи замкнута на некоторую цепь (“вторичную цепь”) отдаёт в неё ток, пропорциональный первичному току.

В трансформаторах тока высокого напряжения первичная обмотка изолирована от вторичной (и от земли) на полное рабочее напряжение.

Вторичная обмотка в эксплуатации имеет потенциал, близкий к потенциалу земли, так как один конец этой обмотки обычно заземляется.

Таким образом, трансформатор тока позволяет измерять и учитывать ток высокого напряжения приборами низкого напряжения, доступными для непосредственного наблюдения обслуживающим персоналом. При этом во вторичную цепь трансформатора тока включаются амперметры, токовые обмотки ваттметров, счётчиков и т.д.

Трансформатор тока не только изолирует реле, измерительные и прочие приборы от цепи высокого напряжения, но и позволяет свести измерение любого номинального первичного тока и долей его к измерению некоторого стандартного номинального вторичного тока и долей его, например 5, А.

Трансформатор тока имеет следующие основные назначения:

а) изолировать обслуживающий персонал и приборы от потенциала сети, в которой производятся измерения;

б) позволять производить измерение или учёт любых токов стандартными приборами, например на 5, А.

Часто один и тот же трансформатор тока может быть использован как для целей измерения, так и для целей защиты.

Трансформатор как прибор для промышленного преобразования электрической энергии был изобретён П.Н. Яблочковым и И.Л. Усагиным в 1876 г.

Примитивные трансформаторы тока впервые появились примерно в 1900 г.

В России производство трансформаторов тока началось в 1905 – 1910 гг. исключительно по германским чертежам.

Серийное и крупносерийное производство трансформаторов тока в Советском Союзе началось с открытием первого отечественного завода высоковольтной аппаратуры “Электроаппарат” в Ленинграде (1925 г.). На этом заводе созданы кадры специалистов в области трансформаторов тока и разработаны многочисленные оригинальные их конструкции.

Трансформатор тока — трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение — для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А, 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации.

Измерительный трансформатор тока - трансформатор, предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для измерения. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке.

Трансформаторы тока широко используются для измерения электрического тока и в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, в связи с чем на них накладываются высокие требования по точности. Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи с высоким напряжением, часто составляющим сотни киловольт.

К трансформаторам тока предъявляются высокие требования по точности. Как правило, трансформатор тока выполняют с двумя и более группами вторичных обмоток: одна используется для подключения устройств защиты, другая, более точная — для подключения средств учёта и измерения (например, электрических счётчиков).

Принцип действия ТТ

Рассмотрим принцип работы трансформатора тока. По первичной обмотке 1 трансформатора тока проходит ток I₁ , называемый первичным током. Он зависит только от параметров первичной цепи. Поэтому при анализе явлений, происходящих в трансформаторе тока, первичный ток можно считать заданной величиной. При прохождении первичного тока по первичной обмотке в магнитопроводе создается переменный магнитный поток Ф₁ , изменяющийся с той же частотой, что и ток I₁.

Магнитный поток Ф₁ охватывает витки как первичной, так и вторичной обмоток. Пересекая витки вторичной обмотки, магнитный поток Ф₁ при своем изменении индуцирует в ней электродвижущую силу.

Если вторичная обмотка замкнута на некоторую нагрузку, т. е. к ней присоединена вторичная цепь, то в такой системе «вторичная обмотка — вторичная цепь» под действием индуцируемой э. д. с. будет проходить ток. Этот ток согласно закону Ленца будет иметь направление, противоположное направлению первичного тока I₁.

Ток, проходящий по вторичной обмотке, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₂ , который направлен встречно магнитному потоку Ф₁. Вследствие этого магнитный поток в магнитопроводе, вызванный первичным током, будет уменьшаться.

В результате сложения магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ в магнитопроводе устанавливается результирующий магнитный поток Ф₀= Ф₁— Ф₂, составляющий несколько процентов магнитного потока Ф₁. Поток Ф₀ и является тем передаточным звеном, посредством которого осуществляется передача энергии от первичной обмотки ко вторичной в процессе преобразования тока.

Результирующий магнитный поток Ф₀, пересекая витки обеих обмоток, индуцирует при своем изменении в первичной обмотке противо-э. д. с. Е₁ , а во вторичной обмотке — э. д. с. Е₂. Так как витки первичной и вторичной обмоток имеют примерно одинаковое сцепление с магнитным потоком в магнитопроводе (если пренебречь рассеянием), то в каждом витке обеих обмоток индуцируется одна и та же э. д. с. Под воздействием э. д. с. Е₂ во вторичной обмотке протекает ток I₂ , называемый вторичным током.

Если обозначить число витков первичной обмотки через w_x, а вторичной обмотки — через w₂ , то при протекании по ним соответственно токов I₁ и I₂ в первичной обмотке создается магнитодвижущая сила F₁= I₁w₁, называемая первичной магнитодвижущей силой (м. д. с), а во вторичной обмотке — магнитодвижущая сила F₂= I₂w₂ , называемая вторичной м. д. с. Магнитодвижущая сила измеряется в амперах.

При отсутствии потерь энергии в процессе преобразования тока магнитодвижущие силы F₁ и F₂ должны быть численно равны, но направлены в противоположные стороны.

Вторичные обмотки трансформатора тока (не менее одной на каждый магнитопровод) обязательно нагружаются. Сопротивление нагрузки строго регламентировано требованиями к точности коэффициента трансформации. Незначительное отклонение сопротивления вторичной цепи от номинала (указанного на табличке) по модулю полного Z или cos ф (обычно cos = 0.8 индукт.) приводит к изменению погрешности преобразования и возможно ухудшению измерительных качеств трансформатора. Значительное увеличение сопротивления нагрузки создает высокое напряжение во вторичной обмотке, достаточное для пробоя изоляции трансформатора, что приводит к выходу трансформатора из строя, а также создаёт угрозу жизни обслуживающего персонала. Кроме того, из-за возрастающих потерь в сердечнике магнитопровода, трансформатор начинает перегреваться, что также может привести к повреждению (или, как минимум, к износу) изоляции и дальнейшему её пробою. Полностью разомкнутая вторичная обмотка ТТ не создаёт компенсирующего магнитного потока в сердечнике, что приводит к перегреву магнитопровода и его выгоранию. При этом магнитный поток, созданный первичной обмоткой, имеет очень высокое значение и потери в магнитопроводе сильно нагревают его.

Устройство ТТ

В конструктивном отношении трансформаторы тока выполнены в виде сердечника, шихтованного из холоднокатаной кремнистой трансформаторной стали, на которую наматываются одна или несколько вторичных изолированных обмоток. Первичная обмотка также может быть выполнена в виде катушки, намотанной на сердечник, либо в виде шины. В некоторых конструкциях вообще не предусмотрена встроенная первичная обмотка; первичная обмотка выполняется потребителем путём пропускания провода через специальное окно. Обмотки и сердечник заключаются в корпус для изоляции и предохранения обмоток. В некоторых современных конструкциях трансформаторов тока сердечник выполняется из нанокристаллических (аморфных) сплавов, для расширения диапазона, в котором трансформатор работает в классе точности.

Схемы подключения



В трёхфазных сетях с изолированной нейтралью (сети с напряжением 6-10-35 кВ) трансформаторы тока нередко устанавливаются только на двух фазах (обычно фазы A и C). Это связано с отсутствием нулевого провода в сетях 6-35 кВ и информация о токе в фазе с отсутствующим трансформатором тока может быть легко получена измерением тока в двух фазах. В сетях с глухозаземлённой нейтралью (сети до 1000В) или эффективно заземлённой нейтралью (сети напряжением 110 кВ и выше) трансформаторы тока в обязательном порядке устанавливаются во всех трёх фазах.

В случае установки в три фазы вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются по схеме «Звезда» (рис.1), в случае двух фаз — «Неполная звезда» (рис.2). Для дифференциальных защит силовых трансформаторов с электромеханическими реле трансформаторы подключают по схеме «Треугольник» (для защиты обмотки трансформатора, соединённой в звезду при соединении защищаемого трансформатора «треугольник — звезда», что необходимо для компенсации сдвига фаз вторичных токов с целью уменьшения тока небаланса). Для экономии измерительных органов в цепях защиты иногда применяется схема «На разность фаз токов» (не должна применяться для защиты от коротких замыканий за силовыми трансформаторами с соединением треугольник — звезда).

Параметры ТТ

Важными параметрами трансформаторов тока являются коэффициент трансформации и класс точности.

Коэффициент трансформации

Коэффициент трансформации трансформатора тока определяет номинал измерения тока и означает при каком первичном токе во вторичной цепи будет протекать определённый стандартный ток (чаще всего это 5 А, редко 1 А). Первичные токи трансформаторов тока определяются из ряда стандартизированных номинальных токов. Коэффициент трансформации трансформатора тока обычно записывается в виде отношения номинального первичного тока к номинальному вторичному в виде дроби, например: 75/5 (при протекании в первичной обмотке тока 75 А — 5А во вторичной обмотке, замкнутой на измерительные элементы) или 1000/1 (при протекании в первичной цепи 1000 А, во вторичных цепях будет протекать ток 1 А. Иногда трансформаторы тока могут иметь переменный коэффициент трансформации, что возможно пересоединением первичных обмоток из параллельного в последовательное соединение (например такое решение применяется в трансформаторах тока ТФЗМ — 110) либо наличием отводов на первичной или вторичной обмотках (последнее применяется в лабораторных трансформаторах тока типа УТТ) или же изменением количества витков первичного провода, пропускаемого в окно трансформаторов тока без собственной первичной обмотки (трансформаторы тока УТТ).

Номинальное напряжение трансформатора тока

Первым основным параметром трансформатора тока, конечно же, является его номинальное напряжение. Под номинальным напряжением понимается действующая величина напряжения, при которой может работать ТТ. Это напряжение можно найти в паспорте на конкретный трансформатор тока.

Номинальный ток первичной цепи трансформатора тока

Номинальный ток первичной цепи, или можно сказать, номинальный первичный ток — это ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора тока, при котором предусмотрена его длительная работа. Значение первичного номинального тока также указывается в паспорте на конкретный трансформатор тока.

Номинальный ток вторичной цепи трансформатора тока

Еще одним параметром трансформатора тока является номинальный ток вторичной цепи, или номинальный вторичный ток — это ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока.

Значение номинального вторичного тока, тоже отображается в паспорте на трансформатор тока и оно всегда равно 1 (А) или 5 (А).

Вторичная нагрузка трансформатора тока

Под вторичной нагрузкой трансформатора тока понимается полное сопротивление его внешней вторичной цепи (амперметры, обмотки счетчиков электрической энергии, токовые реле релейной защиты, различные токовые преобразователи). Это значение измеряется в омах (Ом).

Также вторичную нагрузку трансформатора тока можно выразить через полную мощность, измеряемую в вольт-амперах (В*А) при определенном коэффициенте мощности и номинальном вторичном токе.

Если сказать точно по определению, то вторичная нагрузка трансформатора тока — это вторичная нагрузка с коэффициентом мощности (cos=0,8), при которой сохраняется установленный класс точности трансформатора тока или предельная кратность первичного тока относительно его номинального значения.

Электродинамическая стойкость

Ток электродинамической стойкости - это максимальное значение амплитуды тока короткого замыкания за все время его протекания, которую трансформатор тока выдерживает без каких-либо повреждений, препятствующих дальнейшей его исправной работе, способность трансформатора тока противостоять механическим и разрушающим воздействиям тока короткого замыкания.

Есть такое понятие, как кратность электродинамической стойкости. Обозначается индексом Кд и является отношением тока электродинамической стойкости Iд к амплитуде номинального первичного тока I1н.

Требования электродинамической стойкости не распространяются на шинные, встроенные и разъемные трансформаторы тока.

Контрольные вопросы к разделу «Электронные аналоговые и цифровые измерительные приборы» (письменно)

3. Основные принципы построения цифровых вольтметров.
Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых физических величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 2) состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства ЦОУ и управляющего устройства.



Рис.2 Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преоб­разователь переменного тока в постоянный.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устрой­ство индицирует измеряемую величину. Управляющее устрой­ство объединяет все узлы вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры делят на две основные группы:

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные.

Аналого-цифровой преобразователь вольтметров преобразу­ют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считают приборами постоянного тока.

Для из­мерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ста­вится преобразователь в постоянное напряжение, чаще всего средневыпрямленного значения.

Основные технические характеристики цифрового вольтметра постоянного тока:

• диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

• входное сопротивление — более 100 МОм;

• порог чувствительности (другие названия — квант или единица дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1 мВ, 100 мкВ, 10 мкВ;

- количество знаков (длина цифровой шкалы) -- отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к мини­мальной; например: диапазону измерения 100 мВ при уровне кван­тования 10 мкВ соответствует:

(100•10^-6)/(10•10^-9) = 104 знаков;

• помехозащищенность.

Класс точности цифровых вольтметров определяется пределом допускаемой относительной основной погрешности:



Где: с – суммарная относительная погрешность прибора;

u - измеряемое напряжение;

U_K— конечное значение диапа­зона измерений.

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быст­родействие, однако из соображений точной регистрации полу­ченного результата у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20-50 измерений в 1 с.

Контрольное задание к разделу «Электронные аналоговые и цифровые измерительные приборы» (письменно)

3. Определить значение угла сдвига фаз φ между двумя синусоидальными сигналами u₁ = U_M1 sin ωt и u₂=U_M2sin (ωt-φ) по осциллограммам напряжений на экране осциллографа (рисунок 5).


Рисунок 5

1. 
   - понятие «фаза» характеризует гармоническое (синусоидальное) колебание в любой конкретный момент времени. Для гармонического колебания u1(t)=Um1Sin(ωt+φ1) c амплитудой Um1 и круговой частотой ω текущая (мгновенная) фаза в момент времени t равна φ = ωt + φ1, где φ1 – начальная фаза. Фазовым сдвигом Δφ двух гармонических сигналов одинаковой частоты u1(t)=Um1Sin (ωt + φ1) и u2(t) = Um2Sin (ωt + φ2) называется модуль разности их фаз: Δφ = φ1 – φ2. Если φ1 и φ2 постоянны во времени, то Δφ от времени не зависит. При Δφ = 0 гармонические напряжения называются синфазными, при Δφ= противофазными.
   

Контрольные вопросы к разделу« Информационно-измерительные системы» (письменно)

3. Перечислите основные характеристики ИИС информационно-измерительных систем.

ИИС - это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, её преобразования, обработки в целях представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде либо в целях автоматического осуществления логических функций измерения, контроля, диагностики, идентификации и др.

Таким образом, ИИС представляет собой сложный измерительный комплекс, включающий в свой состав не только измерительные преобразователи, но и средства вычислительной техники - ЭВМ различной мощности.

Они предназначены не только для обработки измерительной информации, но и для реализации процесса измерения (например, тестовых или итерационных алгоритмов), а также для управления процессом получения информации (управление системными коммутаторами, таймерами и т.п.).

Вышеприведённое определение ИИС позволяет провести грань различия между измерительными приборами, которые обладают ограниченными функциональными возможностями и выполняются обычно из небольшого числа измерительных преобразователей, объединённых в едином корпусе, и ИИС.

Различия заключаются в том, что ИИС позволяет осуществлять:

1) непосредственную связь с объектом исследования;

2) обработку измерительной информации;

3) централизованное автоматическое (автоматизированное) управление;

4) многоканальное измерение различных физических величин.

Эти наиболее характерные признаки в комплексе присущи только измерительной системе, но каждый в отдельности может существовать и в измерительном приборе.

Как следует из определения, ИИС поставляет потребителю информацию в соответствии с её назначением и, следовательно, наряду с измерением обеспечивает все необходимое информационное обслуживание контролируемого объекта, включая автоматический сбор, представление, передачу, запоминание, регистрацию и обработку измерительной информации.

Можно считать, что ИИС обеспечивают все необходимое для реализации других более сложных информационных процедур: контроля, диагностики, управления и др.

В то же время измерение, контроль, диагностика, управление имеют единую информационную природу, а их общим элементом технической реализации являются ИИС.

Основываясь на указанной общности, в ряде случаев ИИС разделяют по назначению

- на измерительные системы,

- системы автоматического контроля,

- системы технической диагностики.

Выделяют также системы распознавания образов и системы единого времени.

Заметим, что в современной литературе, кроме указанного понятия ИИС, часто используют следующие тождественные понятия:

- автоматизированные измерительные системы (АИС),

- автоматизированные измерительные комплексы (АИК),

- измерительно-вычислительные комплексы (ИВК).

Все указанные системы и комплексы решают примерно одинаковые задачи, а их отличие от ИИС, как правило, заключается в различии удельного веса устройств, решающих измерительные и вычислительные задачи.

В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными блоками (ФБ) различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры ИИС:



Измерительные информационные системы оптимизируют по многим частичным критериям, таким как точность, помехоустойчивость, надежность, пропускная способность, адаптивность, сложность, экономичность и др.

К измерительным системам (ИС) принято относить ИИС, в которых преобладают функции измерения, а функции обработки и хранения незначительны или отсутствуют совсем.

Измерительные системы подразделяют на системы прямых и статистических измерений (см. рисунок):



При прямых измерениях измерительная информация представляется в виде именованных чисел или отношений измеряемых величин и выдается, как правило, оператору.

В статистических системах измерительная информация может подвергаться математической обработке и выдаваться результат косвенных, совместных или совокупных измерений, а также параметры распределений вероятностей случайных величин.

ИС делят также на системы ближнего и дальнего действия.

В системах дальнего действия (телеизмерительных системах) объекты измерения находятся на значительном удалении от средств представления или обработки информации.

Телеизмерительные системы (ТИС) в отличие от систем ближнего действия для передачи информации имеют канал связи.

В зависимости от параметра сигнала, несущего измерительную информацию, ТИС подразделяют на токовые, частотные, времяимпульсные и цифровые.

В зависимости от вида и числа элементов, содержащихся в схеме измерения, ИС подразделяют на следующие разновидности:

- многоканальные (с параллельной структурой);

- сканирующие (с последовательной структурой);

- мультиплицированные (с общей мерой);

- многоточечные (с параллельно-последовательной структурой).

Системы автоматического контроля (САК), являясь разновидностями ИИС, обеспечивают контроль за состоянием различных объектов.

В отличие от ИС, в САК измеряемая величина сравнивается не с мерой, а с нормой, что позволяет установить соответствие между состоянием объектов и заданной нормой, т.е. выдавать информацию об исправности или неисправности контролируемого объекта.

Если САК могут выдавать информацию о предполагаемом состоянии объекта в будущем, то это прогнозирующий контроль.

Современные САК подразделяют

- на системы непрерывного контроля

-и системы с дискретным последовательным контролем параметров.

При непрерывном контроле параметров объекта САК содержат в каждом канале контроля сравнивающее устройство СУ и устройство индикации отклонений.

При дискретном контроле САК имеют одно сравнивающее устройство, параметры которого при необходимости могут меняться, и измерительный коммутатор ИК, управляемый устройством управления УУ.

Информация с объекта контроля в таких системах поступает на СУ через ИК поочередно.

Системы технической диагностики (СТД) в отличие от САК не только выдают информацию о состоянии контролируемого объекта (исправен или неисправен), но и обеспечивают локализацию места неисправности (отказа).

Задача отыскания узла, вызвавшего неисправность, является наиболее сложной в процессе диагностики.

Основой построения современной ИИС является агрегатный (модульный) принцип, позволяющий создавать измерительную систему из конструктивно законченных изделий.

Получили распространение два вида агрегатных измерительных систем:

- приборно-модульные и

- функционально-модульные.

В приборно-модульных измерительных системах агрегатируемыми модулями являются приборы, а в функционально-модульных - функциональные узлы измерительных приборов: усилители, преобразователи, функционально законченные измерительные платы (одноплатные приборы).

Взаимодействие модулей в ИИС осуществляется на основе интерфейса.