Розробка відкритого уроку на Тему: Перетворювачі струмів та напруг. Форма організації: лекція.

І. Організаційний момент. (Перевірка присутніх на занятті, з’ясування у чергового причин відсутності, повідомлення теми і мети заняття)

ІІ. Актуалізація опорних знань. (бесіда)

1. Що таке межа вимірювання приладу?
2. Які струми називаються вихровими, їх сутність?
3. Явище електромагнітної індукції?

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності.

В процесі експлуатації, монтажу, ремонту, та під час проведення налагодження електроустаткування виникає необхідність вимірювання ряду електричних величин за допомогою електровимірювальних приладів в колах постійного струму, однофазного та трифазного змінного струму. Вимірювання значень електричних величин проводяться як в колах напругою до 1000В так і в колах напругою більше 1000В за допомогою електровимірювальних приладів, які мають певну межу вимірювання.  Отже перед нами два проблемні питання:

1.     Як виконати вимірювання електричних величин  в колі, якщо межа вимірювання приладу є замала?
2.     Як виконати вимірювання електричних величин в високовольтних колах?

План лекції

1. Призначення, схеми вмикання і область застосування шунтів.

2. Призначення, схеми вмикання і область застосування додаткових резисторів.

3. Призначення, будова, схеми вмикання та режими роботи вимірювальних трансформаторів струму.

4. Призначення, будова, схеми вмикання та режими роботи вимірювальних трансформаторів напруги.

5. Вимірювальні трансформатори постійного струму.(самостійна робота).

ІІ. ВИКЛАДЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ(з застосуванням презентації)

1. Призначення, схеми вмикання та область застосування шунтів.

Шунт є найпростішим вимірювальним перетворювачем струму в напругу. Він являє собою резистор з 4-ма затискачами. Два вхідних затискачі, до яких підводиться струм, називаються струмовими, а два вихідних затискачі, з яких знімається напруга, називаються потенціальними. До потенціальних затискачів зазвичай приєднують вимірювальний механізм вимірювального пристрою.

Шунти застосовують для розширення меж вимірювання вимірювальних механізмів по струму. При цьому більшу частину  вимірює мого струму пропускають через шунт, а меншу через амперметр. Шунти мають невеликий опір і застосовуються, як правило, в колах постійного струму з магніто-електричними вимірювальними механізмами.

Струм І_А, що протікає через вимірювальний механізм, пов'язаний з вимірюємим струмом І залежністю:

де R_А – опір вимірювального механізму.

Якщо необхідно, щоб І_А був в m менше струму І, то опір шунта повинен бути:

;

Де ; – коефіцієнт шунтування, який показує в скільки разів вимірюємий струм І більше струму вимірювального механізму І_А (або в скільки разів розширюється межа вимірюємого струму)

Шунти виготовляють з манганіну. Якщо шунт розрахований на невеликий струм (до 30 А), то його зазвичай вмонтовують в корпус приладу (внутрішні шунти).

Для вимірювання великих струмів використовують прилади з зовнішніми шунтами. В цьому випадку потужність, що розсіюється шунтом, не нагріває прилад.

Зовнішні шунти зазвичай виготовляються каліброваними, тобто розраховуються на певні струми і падіння напруги. Калібровані шунти повинні мати номінальне падіння напруги 10, 15, 30, 50, 60, 75, 100, 150, 300, 350 та 500мВ.

Для переносних магнітоелектричних приладів на струми до 30А внутрішні шунти виготовляють на декілька меж вимірювання. Шунт, що має декілька меж вимірювання, складається з декількох резисторів, який можна перемикати в залежності від межі вимірювання ричажним перемикачем або шляхом перенесення провідника з одного затискача на інший.

Застосування шунтів з вимірювальними механізмами інших систем, крім магнітоелектричної, є нераціональним, оскільки інші вимірювальні механізми споживають більшу потужність, що приводить до суттєвого збільшення опору шунтів, а отже до збільшення їх розмірів і споживаємо потужності.

Шунти поділяють на класи точності 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 та 0,5. Число, що визначає клас точності, свідчить про допустиме відхилення опору шунта у відсотках від його номінального значення.

Серійні шунти випускаються для струмів не більше 5000А. Для вимірювання струмів більше 5000А допускається паралельне з’єднання шунтів.

2. Призначення, схеми вмикання та область застосування  додаткових резисторів.

Додаткові резистори є вимірювальними перетворювачами напруги в струм. Вони служать для розширювання меж вимірювання по напрузі вольтметрів різних систем і інших приладів, які мають паралельні кола, що під’єднуються до джерела напруги (ватметри, лічильники енергії, фазометри і т.п.).

Додатковий резистор вмикають послідовно з вольтметром, але паралельно в коло.

Опір додаткового резистора визначають за формулою:

Де – коефіцієнт розширення меж вимірювання за напругою, що вказує в скільки разів розширюється межа вимірювання напруги.

Додаткові резистори виготовляються, як правило, з ізольованого манганінового дроту намотаного на пластини або каркаси з ізоляційного матеріалу. Вони застосовуються в колах постійного і змінного струму. Додаткові резистори, призначені для роботи на змінному струму, мають біфілярну обмотку для отримання без реактивного опору.

При застосуванні додаткових резисторів не тільки розширюються межі вимірювання вольтметрів, але і зменшується їх температурна похибка.

В переносних приладах додаткові резистори виготовляються секційними на декілька меж вимірювання.

Додаткові резистори бувають внутрішні і зовнішні. Зовнішні виготовляються в вигляді окремих блоків і поділяються на індивідуальні і калібровані. Індивідуальний резистор застосовується тільки з тим приладом, який з ним градуювався. Калібрований резистор може застосовуватися з будь-яким приладом, номінальний струм якого дорівнює номінальному струму додаткового резистора.

Калібровані додаткові резистори поділяються на класи точності 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; та 1,0. Вони виконуються на номінальні струми від 0,5 до 30мА.

Додаткові резистори застосовуються для перетворення напруг до 30кВ.

3. Призначення, будова, схеми вмикання та режими роботи вимірювальних  трансформаторів струму.

Вимірювальні трансформатори струму призначені для розширення меж вимірювання струму, а також для ізоляції вимірювальних приладів від проводів високої напруги, чим забезпечується безпека обслуговування високовольтних установок.

Трансформатор струму складається з замкненого стального осердя з накладеними на нього двома обмотками. Первинна виконана малим числом витків великого перетину, вмикається в проміжок проводу, по якому іде вимірюємий струм. Вторинна – виконана мідним провідником малого перетину з великим числом витків до якого під’єднуються послідовні (струмові) обмотки вимірювальних приладів (ватметрів, лічильників та інших).

Магнітопроводи трансформаторів струму виготовляються з тонкої листової високоякісної трансформаторної сталі, а для особливо точних трансформаторів – з залізонікелевих сплавів типу пермалою. Для зменшення втрат на вихрові струми листи ізолюють один від одного. Найчастіше застосовуються магнітопроводи стержньового або круглого (кільцевого) типів.

В залежності від області застосування вимірювальні трансформатори виготовляються стаціонарними, призначеними для встановлення на відкритих площадках розподільчих пристроїв, станцій і підстанцій і в закритих приміщеннях, і переносними – для використання в лабораторіях. Стаціонарні трансформатори, як правило,  мають одну межу вимірювання, а переносні – декілька.

За точністю трансформатори струму поділяються на 10 класів: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3; 5; та 10.

Трансформатори струму працюють в умовах близьких до короткого замикання, оскільки опір вторинних обмоток і послідовних обмоток вимірювальних приладів дуже малий 0,2÷1,6 Ом.

Принцип дії вимірювального трансформатору струму

Вимірювальний струм І₁, проходячи по первинній обмотці, створює намагнічуючу силу , більша частина якої компенсується намагнічуючою силою , а менша частина – результуюча намагнічуюча сила – збуджує магнітний потік Ф, в сталі магнітопроводу, який індукує у вторинній обмотці е.р.с. ε.

Намагнічуюча сила створюється намагнічуючим струмом І₀, практично рівним струму холостого ходу.

Якщо при незмінному струмі І₁ збільшувати опір вторинної обмотки, то струм І₂ і вторинна намагнічуюча сила будуть зменшуватись, а намагнічуюча сила і магнітний потік Ф будуть збільшуватись.

Якщо вторинну обмотку розімкнути (Z₂=0; І₂=0) тоді вторинна намагнічуюча сила дорівнює нулю, а результуюча намагнічуюча сила буде дорівнювати первинній намагнічуючій силі.

Але оскільки при нормальному режимі роботи трансформатора первинна намагнічуюча сила значна в порівнянні з результуючою намагнічуючою силою, то магнітний потік, який встановиться в осерді трансформатора при розімкненій вторинній, буде в багато разів більший нормального потоку, на який розрахований магнітопровід трансформатору.

Внаслідок значного збільшення магнітного потоку, а отже і магнітної індукції втрати в сталі можуть зрости до значень, які можуть викликати сильне нагрівання осердя трансформатора. Великий магнітний потік буде індукувати у вторинній обмотці е.р.с., яка досягає небезпечних значень (до 2000В).

Тому з правил безпеки вторинна обмотка працюючого трансформатора струму  завжди повинна бути замкнена на послідовні обмотки приладів, а при їх відсутності накоротко.

– діючий коефіцієнт трансформації

– номінальний коефіцієнт трансформації.

Номінальний струм вторинної обмотки трансформатора струму завжди  І_Н2=5А

4. Призначення, будова, схеми вмикання та режими роботи вимірювальних  трансформаторів напруги.

Вимірювальні трансформатори напруги призначені для розширення меж вимірювання напруги. Вони застосовуються для сумісної роботи з вольтметрами,  ватметрами, лічильниками і т.п.

Трансформатор складається із замкненого осердя, набраного з листів трансформаторної сталі, і двох обмоток. Обмотки ізольовані відносно осердя і відносно одна одної. Одна з них – первинна має число витків ω₁, друга – вторинна ω₂.

Первинна обмотка трансформатора напруги підключається до мережі з вимірюємою напругою; затискачі вторинної обмотки з’єднуються з вольтметром і колами напруги вимірювальних приладів, останні з’єднуються між собою паралельно.

Стаціонарні трансформатори напруги поділяються на наступні класи точності 0,2; 0,5; 1 та 3, а лабораторні – на класи 0,05; 0,1; 0,2.

Стаціонарні трансформатори напруги виготовляються на номінальні первинні напруги до сотень кіловольт при вторинній напрузі 150,100.

 Номінальні потужності складають від 5 до 1200В·А.

По зовнішньому вигляду і будові трансформатори напруги мало відрізняються від силових трансформаторів на невеликі потужності. Лабораторні трансформатори найчастіше є переносними на декілька меж вимірювання.

Для трифазних мереж виготовляють трифазні трансформатори напруги. На трьох стержнях магнітопроводу розташовуються три первинні і три вторинні обмотки. Первинні обмотки приєднуються до трифазного кола, до виводів вторинних обмоток приєднуються вимірювальні прилади.

По способу охолодження трансформатори напруги поділяються на сухі (для напруги до 3 кВ) і трансформатори з заповненням маслом або ізолюючою масою (для напруги 3 кВ і більше).

Режим роботи трансформатора напруги характеризується тим, що первинна напруга змінюється мало, а вторинна обмотка трансформатора замкнена на великий опір, внаслідок чого струми в його обмотках відносно малі, а отже він працює в умовах близьких до холостого ходу.

Якщо первинна обмотка трансформатора під’єднана до кола з вимірюємою напругою, то вольтметр, приєднаний до вторинної обмотки, вимірює вторинну напругу.

– діючий коефіцієнт трансформації

– номінальний коефіцієнт трансформації

– знайдене найближче значення вимірюємої напруги

Похибка при вимірюванні напруги, зумовлена застосуванням вимірювального трансформатора напруги:

;   

Наявність похибок в трансформаторі напруги пояснюється наявністю падінь напруг в його обмотках.

Для зменшення активних опорів обмотки виготовляються із провідників порівняно великого перетину тобто густини струму беруться малими.

До трансформатора напруги можна підключати таку кількість приладів, при якій їх потужність при номінальній напрузі не перевищує номінальної потужності трансформатора.

Для безпеки обслуговування персоналу вторинні обмотки вимірювальних трансформаторів напруги завжди мають бути заземлені. При відсутності заземлення при пошкодженні ізоляції первинної обмотки вторинна обмотка, а відповідно, і приєднані до неї прилади можуть потрапити під високий потенціал відносно землі, що є небезпечним. Також зазвичай заземлюється і металевий кожух трансформатора.

V. Закріплення вивченого матеріалу.

По горизонталі:

1. Яке число витків має первинна обмотка вимірювального трансформатора струму?

2. Як вмикають додатковий резистор по відношенню до вольтметра?

По вертикалі :

1. Як вмикають шунт відносно амперметра?

2. На скільки класів точності поділяються вимірювальні трансформатори струму?

3. З якого матеріалу виготовляють шунти?

VІ. Підведення підсумків.

Висновок:  щоб  виконати вимірювання електричних величин в колі приладами межа вимірювання яких є замалою необхідно використати додаткові резистори та шунти, а для виконання вимірювань в колах напругою більше 1000 В слід використовувати вимірювальні трансформатори струму та напруги.

Так шунти використовують для розширення меж вимірювання за струмом, а додаткові резистори для розширення меж вимірювання за напругою в колах напругою до 1000 В. Результати вимірювань, які показують вимірювальні прилади перемножують на коефіцієнт шунтування і коефіцієнт розширення відповідно і знаходять дійсні значення вимірюємих величин. 

Для вимірювання значень електричних величин в колах напругою більше 1000 В використовують вимірювальні трансформатори струму та вимірювальні трансформатори напруги. Значення, які показують вимірювальні прилади слід помножити на коефіцієнт трансформації вимірювального трансформатора струму і напруги відповідно отримаємо дійсні значення вимірюємих величин.

VІІ. Оголошення домашнього завдання.

1. Д. Л.Дудюк та інші «Електричні вимірювання», Львів, «Афіша», 2003, с. с.122-141.

2. Блецкан Д.І., Горват А.А., Кабацій В.М. «Електричні вимірювання», Ужгород., «Закарпаття», 2008, с.39-44.

3. В. В. Кухарчук, В. Ю. Кучерук, Є. Т. Володарський, В. В. Грабко. «Основиметрології та електричних вимірювань», Вінниця, ВНТУ, 2012, с. 165-170.

4. В.Н.Малиновский «Электрические измерения» М., «Энергоиздат», 1983, с.42-56

Вимірювальні трансформатори постійного струму.(самостійна робота).[4] с.54-56;