Компенсатори за променливо напрежение

Принципът на работа на компенсаторите за променливо напрежение е аналогичен с този на компенсаторите за постоянно напрежение - измерваното е.д.н. или напрежение се сравнява с известно регулируемо напрежение, като се отчита честотата и фазата. Измерваното напрежение и компенсиращото напрежение трябва да са с еднаква честота . Ако измерваното напрежение е несинусоидално, при компенсиране се определя ефективната стойност само на основния му (първи) хармоник с честота .

Компенсаторите за променливо напрежение са по-неточни от компенсаторите за постоянно напрежение. При последните големината на работния ток се определя много точно по стойността на е.д.н. на нормалния елемент, докато при компенсаторите за променливо напрежение работният ток се измерва с електродинамичен амперметър, чийто клас точност е не по-висока от 0,1 или 0,2.

Всяко променливо напрежение с произволна фаза и модул спрямо компенсиращото напрежение съдържа активна и реактивна съставни. От тях е насочена по абсцисната ос, а втората е насочена по ординатната ос, означена с .

фиг. 4.8
Модулът на ефективната стойност на напрежението е:

(4.17) ,

а неговата фаза

(4.18) .

Следователно, при компенсация на , компенсиращото напрежение може да се изменя по модул и фаза по два начина :

- да се променя неговия модул до постигане на и да се променя фазата му до постигане на . Така работят полярно-координатните компенсатори, които се използват рядко и са по-неточни (тук не се разглеждат).

- да се променят поотделно съставните и , а след това модулът и фазата да се определят съответно по (4.17) и (4.18).

В съответствие с това компенсаторите за променливо напрежение биват:

- полярно-координатен компенсатор;

- правоъгълно-координатен (комплексен) компенсатор.

Принципна схема на полярно-координатен компенсатор е показана на фиг. 4.9.

фиг. 4.9
Работната верига се захранва от фазорегулатора ФР. Реостатът R и амперметърът служат за установяване и контрол на работния ток. С плъзгачите П1 и П2 на променливите резистори R₁ се регулира по модул компенсиращото напрежение, което се задава в противофаза с измерванoто чрез завъртане на ротора на фазорегулатора. При нулево показание на индикатора от скалата на резистори R₁ (градуирана в стойности на измерваното напрежение) се определя модулът . По положението на ротора на фазорегулатора ФР се отчита фазата .

Принципната схема на правоъгълно-координатен (комплексен) компенсатор е показана на фиг. 4.10 (компенсатор с въздушен трансформатор, т.е. трансформатор без магнитопровод от феромагнитен материал).

фиг. 4.10

(4.19)

Тук е общото активно съпротивление на втория контур, което включва и активното съпротивление на навивките на на въздушния трансформатор. Стойностите на R₂ и R_f се подбират така, че , където е индуктивността на вторичната намотка на въздушния трансформатор. Тогава токът практически ще съвпада по фаза с е.д.н. Е₂. От (4.19) се получава:

(4.20)

Двата тока могат да се изравнят по големина, ако чрез настройка на реостата се изпълни равенството . Тогава за тока ще се получи :

(4.21) или

Вижда се, че токовете и са в квадратура, т.е. дефазирани са един спрямо друг на ъгъл . Токът изпреварва тока с 90⁰ в положителна посока (обратно на часовата стрелка). Следователно напрежителният пад , получен върху реохорда също ще бъде дефазиран на ъгъл спрямо пада . Тъй като средните точки на реохордите и са свързани се получава възможност напрежителните падове и да получават положителни и отрицателни стойности спрямо нулевата точка.

Сравняването на измерваното напрежение (или е.д.н. ) с напрежението се извършва по следния начин. За да се постигане компенсация и на двете съставки и първо се премества плъзгача П₁ до минимално показание на галванометъра, след това се премества плъзгача П₂ до още по-малко показание на галванометъра, после наново се премества П₁ и т.н. до нулево показание на галванометъра при максималната му чувствителност. Стойностите на и се отчитат от скалите на R₁ и R₂ и се определят модулът и фазата на измерваното напрежение:

(4.22) ;

При съвременните компенсатори дължината на всеки реохорд (калибриран съпротивителен проводник) се приема равна на 40cm с оглед при работен ток 0,5A да се получи пад на напрежение от 40mV, т.е. по 1mV/cm. Работата с тези компенсатори не е сложна. Грешката за стойността на напреженията е около 0,5÷1,0 %, а за фазовата разлика – 15÷20 ъглови минути.

Компенсаторите за променливо напрежение се използват за измерване на различни величини: напрежения, токове, магнитни потоци, индукция, съпротивление и значително малки по стойност е.д.н., а така също при определянето на грешките при токовите и напрежителните трансформатори.
4.2. Измервателни мостове

Измервателните мостове се използват за измерване предимно на пасивни параметри на електрическите вериги. В някои случаи с тяхна помощ може да се измерят и такива величини като честота, фазов ъгъл и температура. Те са изградени на основата на диференциалния и нулевия сравнителен метод. В зависимост от вида на тока измервателните мостове се делят на мостове за постоянен ток и мостове за променлив ток.

Мостовете за постоянен ток се използват широко в техниката за измерване на електрически съпротивления.

В зависимост от конфигурацията на измервателната схема мостовете за постоянен ток може да бъдат четирираменни (единични) и шестраменни (двойни). На фиг. 4.11 е показана схемата на единичен мост, известен в практиката под названието мост на Уитстон. Тя се състои от четири резистора, свързани в затворен контур.

Към точки a и b се включва постояннотоков захранващ източник, а към c и d – индикатор на равновесие. Едно от четирите рамена на мостовата схема представлява обект на измерване (например ), а едно от останалите три може да се приеме за образцово, като другите две служат за създаване на измерваната разлика от токове или напрежения. В индикаторния диагонал cd се включва чувствителен магнитоелектрически галванометър или електронен нулев индикатор.

фиг. 4.11

(4.23) ;

При равни потенциали на точките c и d токът I_И=0, следователно и . Условието за равновесие на четирираменния мост е:

(4.24) ;

Ако едно от съпротивленията в (4.24) е неизвестното, например в първото рамо на моста () от условието за равновесие (4.24) се получава:

(4.25) .

От (4.25) следва, че уравновесяване на схемата се получава чрез изменение на едно от съпротивленията или чрез промяна на отношението на две съпротивления. Обикновено мостът се уравновесява чрез регулиране на съпротивлението , реализирано като многодекаден магазин от резистори, а отношението на останалите две съпротивления и образува мащабен множител , където n е цяло положително или отрицателно число. При различни стойности на n се избира обхватът на моста. На могат да се придават стойности през 0,1Ω в обхвата от 0,1 до 10⁴Ω. Съпротивленията от рамената и са съставени от няколко последователно свързани съпротивления, чийто стойности са винаги закръглени на 1, 10, 100 и 1000Ω. По този начин на отношението могат да се придадат следните десетократни стойности 1000, 100, 10, 1, 0.1, 0.01 и 0.001. С това измервателният обхват на моста се увеличава значително. Тези мостове се наричат магазинни. Мостове, при които плавно се регулира отношението се наричат линейни. Това се реализира чрез калибриран съпротивителен проводник (проводник с еднороден състав и еднакво сечение по цялата дължина), чийто плъзгач е свързан към нулевия индикатор. Трябва да се знае, че при равновесие на мостовата схема двата диагонала не си оказват влияние. Това се постига само при изпълнение на условието (4.24). Нулирането на напрежението или тока в индикаторния диагонал (, ) не винаги означава, че мостът е в равновесие. Възможни са случаи, когато в рамената на моста са включени източници на е.д.н. (паразитни или термо-е.д.н.). в такива случаи състояние на равновесие може да се получи и при , .

Чувствителността на мостовете за постоянен ток оказва непосредствено влияние върху точността на измерването. За да се постигне състоянието на равновесие с голяма точност, при малка промяна на регулируемия параметър на изхода на моста трябва да се получи сигнал ( или ), който да предизвика забележимо отклонение на индикатора. Върху чувствителността оказват влияние стабилността на захранващото напрежение , качествата на нулевия индикатор и съотношението на съпротивленията в рамената на моста. Големината на (обикновено 3÷6V) се ограничава от допустимата мощност на разсейване в резисторите, включени в рамената на моста.

За нулеви индикатори се използват галванометри или специални микроволтметри, наноамперметри с голяма стабилност на нулата и с голяма чувствителност. Те трябва да бъдат защитени от претоварвания, които възникват при неуравновесена мостовата схема. Защитата се извършва чрез включване на допълнителен резистор със съпротивление от порядъка на 10⁵Ω в индикаторния диагонал на моста.

Чувствителността на уравновесените мостове се определя при малки отклонения от състоянието на равновесие и се дава с израза [2]:

(4.26) ,

където е отклонението на нулевия индикатор, съответстващо на относителната промяна на регулируемия параметър . Максимална чувствителност на моста по напрежение (при нулев индикатор с голямо вътрешно съпротивление) се получава при и . Чувствителността по ток се определя, когато за нулев индикатор се използва магнитоелектрически галванометър. Тя е максимална при равнораменна схема . В този случай се получава най-добро съгласуване на мостовата схема и галванометъра. Посочените условия не са валидни за всички случаи на приложение на мостовите схеми, а само тогава, когато всички рамена на моста имат еднаква допустима мощност на разсейване. В практиката понякога се налага да се състави мостова схема при ограничена мощност на разсейване в измерваното съпротивление. За такива случаи е доказано [11], че условието за максимална чувствителност по ток е R₁>>R₄ и R₂+R₃>>R₁+R₄. Тогава максималната чувствителност е четири пъти по-голяма от чувствителността на равнораменна схема. Затова при проектиране на мостови схеми определянето на оптималните параметри на моста се извършва с отчитане на конкретните условия и изисквания към захранващия източник, вида на индикатора и ограниченията (ако има) по мощност на разсейване.

Чувствителността на моста и точността на измерването са пряко свързани. Грешките се получават следствие влиянието на външни дестабилизиращи фактори или поради дискретността на изменение на регулируемото съпротивление. Грешката, предизвикана от външни дестабилизиращи фактори зависи от паразитната чувствителност на моста към тези фактори. Тази грешка намалява при увеличаване на стойността на измерваната величина и работната чувствителност на схемата, а също така при използване на способи, намаляващи влиянието на дестабилизиращите фактори. Грешката от дискретност се проявява при магазинните мостове, при които регулируемото съпротивление се изменя дискретно. Получава се когато прагът на чувствителност на нулевия индикатор е по-малък от стойността на изходната величина на моста, получена при превключване на една степен от най-малкия разряд на регулируемото съпротивление. В този случай стойността на регулируемия параметър се определя чрез интерполация.

Единичните мостове за постоянен ток се използват за измерване на съпротивления от 1 до 10⁸Ω. Долната част на обхвата се ограничава от грешките, които внасят паразитните съпротивления на контактите и свързващите проводници, а горната – от изолационните съпротивления на моста (влиянието на утечните токове).
Шестраменните (двойни) мостове са предназначени за измерване на малки съпротивления от 10^-8 до 1Ω. За пръв път са въведени от Томсон (лорд Келвин) през 1862 година и затова носят неговото име.

Характерно за двойния мост е, че паразитните съпротивления на контактите и свързващите проводници не се прибавят към измерваното съпротивление, а към сравнителните резистори, включени в останалите рамена на моста. Сравнителните резистори се избират с големи стойности, така че паразитните съпротивления може да бъдат пренебрегнати без да се внасят недупостимо големи грешки.

Принципна схема на двоен мост е показана на фиг. 4.12.

Измерваното съпротивление и образцовото са свързани по четириклемна схема (имат по двойни изводи за - ar₁ и er₄ , а за - fr₃ и br₂), което е реализирано с въвеждането на две допълнителни рамена и . При равновесие на моста потенциалите на точки c и d са равни и през галванометъра не протича ток. Уравновесяване на моста се извършва или чрез регулиране на съпротивлението или чрез регулиране на съпротивленията и , които са изпълнени като многодекадни резисторни магазини, съдържащи еднакъв брой декади. Превключвателите на съответните декади имат обща ръкохватка за управление, завъртането на която предизвиква едновременно и еднакво изменение на и .

фиг. 4.12

(4.27) .

След преобразуване на (4.27) се определя израз за изчисляване на измерваното съпротивление :

(4.28) .

Изразът (4.28) може да се опрости значително. С е означено съпротивлението на връзката между точките e и f. Тя представлява къс проводник с голямо сечение и нищожно съпротивление. Освен това преди измерването се осъществява настройката и , при което се получава, че . Условието за равновесие на двойния мост добива вида:

(4.29) .

Обхватът на моста се избира чрез резистора , чието съпротивление е от вида 10ⁿ Ω (n = 1, 2, 3, 4). Същите стойности се задават и на съпротивлението , при което трябва да се следи винаги да бъде изпълнено условието .

Токът за захранване на моста не трябва да превишава стойността, ограничена от максимално допустимата разсеяна мощност върху и . Например при , токът е , а при , токът е .

Двойните мостове имат по-малка чувствителност от единичните. Влиянието на паразитните термо-е.д.н. тук е значително поради малките сравнявани напрежителни падове. Възможната за систематична грешка се отстранява чрез двукратно измерване на при различна посока на тока (рaзменят се полюсите “+” и “–“ на захранващия източник) и се изчислява средноаритметичната стойност на от двете измервания.

Много често фабричните мостове за постоянен ток са комбинирани – единични и двойни, с което измервателния им обхват се разширява от 10^-8 до 10⁸Ω. Например мостове тип Р39 и МОД61 имат обхвати на единичния мост от 10^-4 до 10⁸Ω и на двойния от 10^-8 до 100 Ω. Основната грешка при измерване в диапазона от 10^-4 до 100Ω с двойния мост не превишава 0,02%, а с единичния мост и четириклемно свързване тя се намира в границите от 0,1% до 1%.

Произвеждат се и мостове за постоянен ток със специално предназначение – за определяне мястото на повреди в електрически линии и кабели (мост тип Р333 и Р334), за измерване на съпротивлението на изолации и други.