58Capitolul 3
57Traductoare pentru mrimi electrice
TRADUCTOARE PENTRU MRIMI ELECTRICE
Transportul, distribuia i utilizarea energiei electrice au impus
utilizarea traductoarelor pentru mrimi electrice att n producerea i
transportul energiei electrice, ct i n scopuri de reglare,
supraveghere local sau la distan. n general, principiul de
funcionare al traductorului se bazeaz pe conversia mrimilor
electrice preluate direct (de la reea), sau prin intermediul unor
elemente primare de transformare n semnale unificate de tensiune
sau curent.
Cele mai utilizate sunt traductoarele care servesc la conversia
urmtoarelor mrimi electrice: curent, tensiune, putere, frecven
(abatere de frecven), defazaj i factor de putere.
Fig. 3.1- Tipuri de caracteristici statice pentru traductoare de
mrimi
electrice. Avnd n vedere diversitatea de aplicaii, se pot
construi variante ale aceluiai tip de traductor avnd caracteristici
statice diferite. Notnd cu Y mrimea de ieire i cu X mrimea de
intrare n traductor, n figura 3.1 sunt prezentate principalele
tipuri de caracteristici statice ale acestor traductoare.
De regul, mrimile de intrare n traductoarele electrice nu se
aplic direct, ci prin intermediul unor elemente auxiliare
standardizate: unturi electrice, divizoare de tensiune (pentru
mrimile continue), transformatoare de curent i transformatoare de
tensiune (pentru mrimile alternative). Forma caracteristicilor
statice a traductoarelor de mrimi electrice este impus de natura
aplicaiilor (care sunt diversificate).
n general, dependena intrare - ieire este liniar, dar la
traductoarele de curent i/sau tensiune (folosite pentru
supravegherea parametrilor energetici), aceste caracteristici se
impun neliniare. Un exemplu este ilustrat n cazul N, unde dependena
intrare-ieire este ptratic (y = kx2).
Parametrii principali, specificai n catalogul firmelor
productoare de traductoare sunt:
( Semnalul de ieire este curentul sau tensiunea electric cu
limitele de variaie standardizate: ymin limita inferioar i ymax
limita superioar.
n funcie de tipul caracteristicii traductorului, n tabelul
T-3.1(a i b) sunt date limitele standardizate (ymin i ymax) ale
mrimii de ieire:
T. 3.1- a T. 3.1- b
Pentru semnale de curent continuuTipulYmin [mA]Ymax [mA]Pentru
semnale de tensiune continuTipulYmin [V]Ymax [V]
A01A0
0
0 2,5
5 10
B02,5E -2,5 -5 -10 +2,5 +5 +10
C0,5
1
22,5
5
10D0
0 -10 +10
D-0,5 - 2,5 -10+0,5 +2,5 +10 +20C 1 2 +5 +10
E-2,5
-10
-20+2,5
+10 +20
( Precizia de msurare, care la traductoarele pentru mrimi
electrice este de [0,51]%
( Timpul de rspuns este de ordinul zecilor de ms, sutelor de ms
sau de ordinul secundelor pentru traductoare ce funcioneaz pe
principiul conversiei (prin redresare i filtrare).
( Rezistena de sarcin, pe care pot lucra traductoarele de mrimi
electrice, variaz n funcie de tipul semnalului unificat i de
domeniul (ecartul) de variaie al acestuia:
a) Pentru semnal unificat de curent:
Rs = (0(6)k( -pentru ecart Ie= 5mA;
Rs = (0(3)k(- pentru Ie = 10mA;
Rs = (0(600)(- pentru Ie = 20mA.
b) Pentru semnal unificat de tensiune, rezistena de sarcin Rs (
2k( - asigur la ieirea traductorului o tensiune neperturbat.
3.1 ELEMENTE PRIMARE DE ADAPTARE I CONVERSIE A PARAMETRILOR
ELECTRICI
a) Pentru preluarea curenilor continui de valori mari, se
folosesc unturile care sunt rezistoare calibrate, dimensionate
corespunztor pentru valorile nominale ale curenilor de msurat.
Constructiv, unturile au forma unor bare, cu seciuni transversale
de diferite forme geometrice. Materialul frecvent utilizat la
confecionarea unturilor este manganina, deoarece are coeficientul
de dilatare cu temperatura este foarte mic.
La capete, barele au terminaii masive i conin bornele de
prindere (prin uruburi) a untului n circuitul de for, figura 3.2,
unde s-a notat:
1 1- sunt borne de curent (pentru prindere n circuit);
2 2-borne de tensiune ( de dimensiuni mici);
Dimensiunile constructive sunt standardizate, la fel ca i
valorile cderilor de tensiune la bornele 22. unturile industriale
se construiesc pentru tensiuni de: 60mV, 75mV, 150mV, 300mV.
Valorile standardizate ale curenilor nominali sunt:
In =25 A; 40 A; 150 A; 300A ; 400A ; 600A; 1 000A; 2 500A; 6
000A; 10 000 A;15 000A ;
Precizia untului este cuprins n domeniul [0,51](.
b) Divizoare de tensiune continu sunt folosite pentru preluarea
tensiunilor continue mari i micorarea acestora la valorile necesare
intrrii n traductoare.Divizoarele de tensiune sunt realizate din
dou sau mai multe rezistoare conectate n serie, figura 3.3.
Rezistivitatea metalului (sau aliajului) din care se fac
rezistoarele trebuie s fie mare, iar variaia rezistenei cu
temperatura neglijabil. R1 i R2 se realizeaz prin bobinare, sau
sunt de tip pelicular (chimice) realizate prin procedee
speciale.
Pentru tensiuni U1( 30 kV, rezistoarele R1 i R2 sunt rcite n
aer, iar pentru tensiuni mai mari se utilizeaz forme constructive
adecvate, montate n cuve, cu ulei de rcire, iar electrozii de
legtur sunt rotunjii la capete pentru a evita efectul corona.
Fig. 3.3 (3.1)
Forma constructiv etan, cu rcire n ulei, pentru tensiuni nalte
(U1( 500kV) este prezentat n figura 3.4.
Fig. 3.4
c) Transformatoare de curent. n practic aceste transformatoare
se mai numesc reductoare de curenti sunt folosite pentru
prelucrarea (micorarea) curenilor alternativi mari (de la 5A la
6000 A). Prin conversia acestora se obin cureni secundari cu valori
standard de 5A sau 1A . Detalii de proiectare despre aceste
transformatoare sunt date n [8] i [9].
nfurarea primar a acestor transformatoare poate fi de tip
suport, de tip clete, de tip bar, acesta din urm fiind ilustrat n
figura 3.5-b. Transformatoarele de curent au o singur nfurare
primar i (13) nfurri secundare, dintre care: una este pentru msur,
iar celelalte sunt pentru protecie prin relee i protecie
diferenial.
Clasele de precizie realizate de aceste transformatoare sunt :
0.1 ; 0.2 ; 0.5 ; 1 i 3. Ultimele clase (0.5 ; 1 ; 3) sunt clasele
pentru uz industrial. n Romnia (la uzinele -Electroputere din
Craiova) se construiesc transformatoare de curent pentru instalaii
de medie i nalt tensiune de la 0,5 kV la 400 kV, pentru cureni
primari nominali (de sarcin) Ip = (56000) A, valorile curenilor n
secundar fiind standardizate: Is = 5A i 1A.
a) b)
Fig.3.5 - Transformatorul de curent
Observaie : Pentru tensiuni primare mai mari de 10 kV exist dou
nfurri secundare, iar pentru tensiuni de la 110 kV la 400 kV sunt
trei nfurri secundare.
d) Transformatoare de tensiune. Acestea sunt destinate reducerii
tensiunilor alternative mari de 0,4kV, 6kV, 20 kV, 110 kV, 220kV,
400kV la tensiuni secundare standard de 100V sau 110V.
Se construiesc (T.T.) cu una sau mai multe (2, 3) nfurri primare
numrul nfurrilor primare fiind n funcie de felul reelei (monofazat,
bifazat sau trifazat) i una pn la trei nfurri secundare (una de
msur i celelalte de protecie).
Clasa de precizie realizat de aceste transformatoare este: 0,1 ;
0,2 ; 0,5 ; 1 ; 3.
Ultimele trei valori corespund transformatoarelor
industriale.
Puterea nominal (Pn) este cuprins n domeniul [15 VA200 VA].
Variantele constructive se deosebesc dup:
a) tipul montajului (exterior sau interior);
b) dup numrul de faze n primar (monofazate sau trifazate);
c) dup tipul izolaiei nfurrilor.
Modalitile de rcire sunt:
-pn la 20kV ( aer(rcire natural);
-peste 20kV ( rcire n cuv (cu ulei de transformator);
-pentru tensiuni foarte nalte ( rcire n ulei + ventilaie
forat.
La tensiuni primare mari, peste 20 kV, s-a introdus varianta
constructiv cu divizor capacitiv prin care tensiunea nalt este
divizat pn la valoarea de 20 kV, apoi este preluat de
transformatorul de tensiune cu raportul de transformare 20 kV/100
V.
Schema transformatorului de tensiune (T.T.) cu divizor
capacitiv, format din condensatoarele C1 i C2, este prezentat n
figura 3.7.
Transformatorul de tensiune (pentru msur) are schema de
principiu dat n figura 3.8.
Fig. 3.7Fig. 3.8
3.2 TRADUCTOARE DE CURENT CONTINUU
A) Principii de funcionare ale traductoarelor de curent
continuu:
Traductoarele de curent continuu i bazeaz funcionarea - fie pe
utilizarea ca element sensibil a unui echipaj mobil de tip
magnetoelectric, a crui deplasare este compensat prin reacie de
semnalul unificat de ieire (traductor n circuit nchis) -fie pe
conversia unei cderi de tensiune ntr-un semnal unificat utiliznd
scheme electronice de amplificare i conversie tensiune-curent
(cazul traductorului n circuit deschis).
3.2.1 Traductorul de curent continuu funcionnd prin compensare
de cuplu.
Acest traductor are schema de principiu prezentat n figura 3.9 i
se compune din dou echipaje magnetoelectrice: echipajul de intrare
(EI) care primete semnal direct proporional cu valoarea curentului
de intrare Ii; echipajul de reacie (ER) care este strbtut de
curentul de ieire Ie. Cele dou bobine mobile ale echipajelor EI i
ER sunt legate rigid prin axul 1, pe care se afl paleta de aluminiu
2 care se poate roti (n plan orizontal) n ntrefierul traductorului
inductiv de tip transformator, alctuit din bobinele 3 i 4.
Oscilatorul (OSC) de nalt frecven alimenteaz cu semnal sinusoidal
bobina primar 3. Acelai semnal sinusoidal se va regsi n bobina
secundar 4, mai mult sau mai puin, n funcie de poziia paletei 2.
Acest semnal (de la bornele bobinei 4) va fi amplificat, redresat i
filtrat care se aplic unui convertor tensiune curent prin blocul
amplificator convertor (ACTC). Din blocul ACTC rezult curentul de
ieire (Ie) care strbate rezistena de sarcin (Rs) i bobina mobil a
echipajului de reacie (ER).
Semnificaiile notaiilor din figur sunt :
EI echipaj magnetoelectric de intrare;ER echipaj magnetoelectric
de ieire (reacie);
OSC oscilator sinusoidal;
ACTC amplificator-convertor tensiune-curent;
SA sursa de alimentare; S unt electric;Ra rezisten adiional; Rs
rezisten de sarcin;
1 ax; 2 palet de aluminiu;
3 i 4 bobine cu ntrefier, n montaj de tip transformator.
Fig. 3.9 Schema de principiu a traductorului de curent continuu
bazat pe compensare de cuplu
Cuplul activ, creat de curentul de intrare este:
Ma = K1Ii (3.2)
Cuplul de reacie, creat de curentul de ieire este:
M r = K2Ie
(3.3)
La echilibru: Ma + Mr = 0
(3.4)
Funcionarea este urmtoarea .Dac iniial curentul de intrare (Ii =
0), echipajele mobile se gsesc ntr-o astfel de poziie nct cuplajul
magnetic (realizat cu paleta 2) ntre bobinele 3 i 4 asigur un
curent de ieire Ie = Ie min(egal cu limita inferioar a semnalului
unificat). Dac (Ii) crete, va crete i cuplu activ (Ma), iar cadrul
mobil al EI rotete paleta n sensul creterii cuplajului inductiv
dintre bobinele 3 i 4. Efectul imediat este creterea curentului de
ieire Ie, deci creterea cuplului de reacie Mr, de sens opus
cuplului activ Ma (de intrare). Rotirea paletei 2 are loc pn la
atingerea echilibrului:
(3.5)
Observaie : Circuitul de intrare este separat galvanic fa de cel
de ieire, iar ambele circuite sunt separate galvanic fa de partea
de intrare, avnd n vedere c SA (sursa de alimentare) primete
tensiunea prin transformator de reea.
3.2.2 Traductor de curent continuu cu amplificator-convertor
n figura 3.10 este prezentat schema de principiu a traductorului
de curent continuu cu amplificator- convertor de curent
continuu.
Funcionarea traductorului se bazeaz pe prelucrarea cderii de
tensiune pe untul S i conversia acesteia n semnal unificat.
Semnificaiile notaiilor din schema traductorului sunt:
S unt electric; ACTC amplificator- convertor
tensiune-curent;
M modulator; SA sursa de alimentare;
DM demodulator; OSC oscilator(semnal dreptunghiular);
FN filtru netezire;
TR1 i TR2 transformatoare pentru separaie galvanic.
Fig. 3.10
Scurt prezentarea a schemei electrice:
Modulatorul M, la fel ca i DM, este format din dou comutatoare
statice tranzistorizate-serie care lucreaz n contratimp. Pe
nfurrile primare ale TR1 se aplic un semnal dreptunghiular a crui
amplitudine este egal cu amplitudinea semnalului cules de pe untul
S i de frecven identic cu cea a oscilatorului (OSC) care genereaz
semnalul de comand dreptunghiular.
Semnalele (n antifaz) obinute la secundarele lui TR1 sunt
demodulate, rezultnd un semnal cu perturbaii inerente n zonele de
comutaie, motiv pentru care se utilizeaz filtrul pasiv de netezire
FN. Semnalul de la ieirea filtrului, proporional cu valoarea
curentului de intrare Ii, este amplificat i convertit n semnal
unificat de curent la ieire (Ie).
Observaie:
Ansamblul format din M, TR1 i DM are rolul de a separa galvanic
intrarea de ieire, fr a face o amplificare a semnalului.
Nu se utilizeaz amplificator de c.a - naintea demodulatorului
(DM), datorit urmtoarelor inconveniente:
a) amplificatorul de curent alternativ ar trebui s lucreze cu
intrare n impulsuri puternic perturbate, deci ar fi greu de
realizat astfel de amplificatoare de curent alternativ de mare
fidelitate, avnd n acelai timp un pre ridicat.
b) apare decalaj ntre semnalul de ieire fa de cel de la intrare
(decalaj introdus de timpul de rspuns al amplificatorului) ceea ce
conduce la obinerea unui rspuns incorect la ieirea
demodulatorului.
Pentru comenzile necesare blocurilor M, DM i alimentarea
amplificatorului-convertor ACTC se utilizeaz blocul oscilator OSC
(care lucreaz pe o frecven de (110) kHz, furniznd semnale
dreptunghiulare). Oscilatorul este alimentat n curent continuu
(24V) sau n curent alternativ printr-un redresor i filtru de
netezire.
Semnalele dreptunghiulare se transmit (n opoziie de faz) prin
intermediul TR2 (de separaie). Una din nfurrile secundare ale
transformatorului TR2 asigur tensiunea necesar sursei SA care
alimenteaz circuitele active ale blocului ACTC.
Ca exemplu, n figura 3.11 se prezint traductorul de curent
continuu tip Ux-TC2a cu semnal unificat n tensiune realizat de
Electrotehnica Bucureti, ntlnit n acionri reglabile ct i n
echipamente de sudare electric (surs universal SU 1000, sau SU
1500).Schema traductorului Ux-TC2a din figura 3.11 respect schema
de principiu din figura 3.10.
Fig. 3.11 Schema electric a traductorului de c.c. tip Ux-TC2a3.3
Traductoare de curent alternativ
a) Traductor de curent alternativ funcionnd prin compensare de
cuplu
Acest traductor aceeai schem de principiu ca cea din figura 3.9
cu deosebirea c echipajul de intrare (EI) este de tip ferodinamic,
deci cuplul activ Ma este de forma:
(3.6)
Deci, curentul de ieire va fi proporional cu ptratul curentului
efectiv de la intrare. Aceste traductoare sunt utilizate pentru
indicare asociate cu aparate de msur analogice care au scar
ptratic, dar sunt utilizate mai rar pentru reglare datorit
caracteristicii neliniare (care pot deranja regimul dinamic al
buclei de reglare).
b) Traductor de c.a. (valoare efectiv) pentru semnale
sinusoidale nedistorsionate
Schema unui astfel de traductor se prezint n figura. 3.12.
Funcionarea acestui traductor se bazeaz pe preluarea semnalului
sinusoidal de valoare efectiv (de la intrare) prin intermediul unei
redresri dubl alternan avnd n vedere relaiile:
(3.7)
ii(t) curent de intrare;
IRA(t) curent prin rezistena de adaptare RA;UBF tensiunea de
ieire a blocului de filtrare;
KTC i KTA rapoarte de transfer ale transformatoarelor de
adaptare, respectiv de curent;
KBF factor de transfer al blocului de filtrare.
Fig. 3.12 Schema unui traductor de c.a. de valoare efectiv
pentru semnale sinusoidale nedistorsionate
Factorul de transfer al punii PR are valoarea aproximativ
KPR=1,111 avnd n vedere dubla alternan. Generatorul de curent
format din tranzistorul T + R3 asigur obinerea unui curent
proporional cu tensiunea UBF, deci n final se obine:
; (3.8)
Dioda zener (DZ) limiteaz tensiunea redresat la o valoare
nepericuloas, cnd apar supracureni de intrare, iar termistorul RT
realizeaz compensarea influenei variaiilor temperaturii
mediului.
Observaie : Aceste scheme (de traductoare) pot funciona corect
dac variaiile frecvenei sunt de maximum 10% fa de frecvena nominal,
la care au fost etalonate. Se observ c aceast schem poate funciona
fr surs de energie auxiliar.d) Traductor de valori efective ale
curentului alternativ,n cazul
semnalelor distorsionate.Schema de principiu acestui traductor
este dat n figura 3.13, iar funcionarea sa este realizat n
conformitate cu relaia general care d valoarea efectiv :
(3.9)
Fig. 3.13
Semnificaia blocurilor funcionale din figur explic totodat
funcionarea traductorului:
TA - transformator de adaptare (cobortor de tensiune);M -
multiplicator analogic (face operaia de ridicare la ptrat) ;
BM - bloc de mediere, care face calculul integralei , pe durata
unei perioade (T) a semnalului alternativ, ct i mprirea integralei
la valoarea unei perioade: ;
ER - extractor de radical (care extrage radicalul din semnalul
de ieire din BM);CTC (BC) - convertor tensiune curent (numit i bloc
de conversie );
SA - surs de alimentare (stabilizat) cu diverse tensiuni, pentru
cele patru blocuri funcionale.Observaie: Ridicarea la ptrat se face
prin dubl conversie: amplitudine durat, iar extragerea radicalului
se realizeaz utiliznd elemente neliniare (diode i
tranzistoare).
3.4. Traductoare de tensiune electric
Principiile de funcionare ale traductoarelor de
tensiunePrincipiul de funcionare al traductoarelor de tensiune este
asemntor celui ntlnit la traductoare de curent. a) Traductoarele
pentru tensiuni continue se realizeaz n urmtoarele variante :1 -
Traductoare funcionnd prin compensare de cuplu care au schemele de
principiu de tipul celei din figura 3.9, unde echipajul de intrare
(EI) este un milivoltmetru de tip magnetoelectic, n rest schema
fiind identic.2 - Traductoare cu amplificator convertor de curent
continuu
Aceste traductoare au schemele de principiu de tipul celei din
figura 3.10. Tensiunea de intrare se aduce n gama normalizat prin
intermediul unor divizoare de tensiune (untul S din figura 3.10
este nlocuit cu un divizor de tensiune).b) Traductoarele pentru
tensiuni tensiuni alternative se realizeaz n urmtoarele
variante:
1 - Traductoare de tensiune bazate pe compensarea cuplului, la
care EI este un milivoltmetru de tip ferodinamic i ca urmare
curentul de ieire rezult proporional cu ptratul valorii efective a
tensiunii, adic (3.10) 2-Traductoare de tensiune pentru semnale
sinusoidale (nedistorsionate) , care au schema de principiu
prezentat n figura 3.14. Aceast schem se deosebete fa de schema
traductorului de curent sinusoidal doar prin modul de realizare al
convertorului tensiune curent.
Fig. 3.14 Schema de principiu a traductorului pentru semnale
sinusoidale nedistorsionate.
innd seama c tensiunea de msurat a sistemului energetic variaz n
jurul valorii nominale , n limitele (0,8l,2) , pentru creterea
sensibilitii traductorului de tensiune,n schema convertorului (CTC)
se utilizeaz dioda Zener (DZ), ce lucreaz n zona Zener atunci cnd
tensiunea de la ieirea bloculului de filtrare (BF) devine .
3 - Traductoare de tensiune pentru semnale alternative
distorsionate. Acestea au schema de principiu asemntoare celei din
figura 3.13, cu deosebirea c n locul transformatorului de curent se
folosete la intrare un transformator de tensiune.
3.5. Traductoare de putereTraductoarele de putere sunt aparate
destinate s pun n eviden puterea transmis pe o linie (circuit) de
la un generator la o sarcin.- n general puterea se definete (pentru
semnale alternative) n valori instantanee : (3.11)
unde u(t) i i(t) sunt valorile instantanee, ale tensiunii i
respectiv curentului, la momentul de timp t.
Se observ c puterea electric este o mrime derivat n Sistemul
Internaional (S.I.), care are ca unitate de msur wattul [W].
Traductoarele msoar valoarea medie a puterii instantanee pe o
perioada T (a tensiunii i a curentului alternativ), denumit putere
activ :
(3.12)
Observaie: Definiia puterii active are semn doar pentru semnale
alternative.
Pentru semnale sinusoidale puterea activ este :
(3.13)
unde: Uef i Ief sunt valorile efective ale tensiunii, respectiv
curentului, iar este defazajul dintre curent i tensiune.
Puterea reactiv este definit prin relaia:
(3.14)
unde: Uef i Ief i au aceleai semnificaii.
Pentru semnale de aceeai frecven dar nesinusoidale ,puterea
activ este dat de relaia:
(3.15)
iar puterea reactiv este:
(3.16)
unde:,sunt valorile efective ale armonicelor de ordinul i a
tensiunii , respectiv curentului, iar este defazajul dintre
armonica de ordinul i al tensiunii i cea curent de ordinul i.
Traductoarele de putere activ pentru sistemele monofazate i/sau
trifazate au la baza principiului de funcionare relaia (3.12) care
se poate realiza prin:a) utilizarea unor echipaje de intrare de tip
wattmetric i compensarea cuplului activ rezultat din interaciunea
curentului i tensiunii montajului - n care se msoar puterea prin
semnalul de ieire al traductorului ;b) utilizarea unor elemente
active de efectuare a produsului valorilor instantanee pentru u(t)
i i(t) care se aplic unor dispozitive de mediere i conversie n
semnal unificat la ieire. Observaie: Traductoarele de putere
reactiv monofazat respect principiul funcional al varmetrului
monofazat, iar pentru sisteme trifazate se utilizeaz principiile
funcionale bazate pe metode de tip wattmetric.3.5.1 Traductorul de
putere activ monofazat funcionnd prin compensare de cuplu.Schema de
principiu a acestui traductor este dat n figura 3.15.
Echipajul de intrare (EI) este de tip wattmetric ferodinamic,
adic bobina fix este strbtut de curentul din secundarul
transformatorului de curent (TI), iar bobina mobil, nseriat cu
rezistena adiional , este parcurs de un curent proporional cu
tensiunea din secundarul transformatorului de tensiune (TU). Cuplul
activ dezvoltat la axul 1 va fi de forma :
(3.17)
Fig. 3.15: Schema de principiu a traductorului de putere activ
monofazat funcionnd prin compensarea cuplului.
Cuplul rezistent produs de curentul de ieire () prin echipajul
de reacie magnetoelectric (ER) este:
(3.18)
Din egalitatea cuplurilor rezult proporionalitatea direct ntre
curentul de ieire () i puterea activ P. n rest funcionarea
traductorului este asemntoare funcionrii traductorului de curent
continuu bazat pe compensare de cuplu (figura 3.9).
3.5.2 Traductorul de putere reactiv monofazat funcionnd prin
compensarea cuplului
n acest caz echipajul de intrare (figura 3.16) are structura
tipic de varmetru, deci bobinei mobile i se aplic la intrare o
tensiune decalat cu n urm fa de tensiunea din secundarul
transformatorului de tensiune (TU).
Acest decalaj este introdus de grupul, inductiv-rezistiv, format
din:
Cuplul activ va fi de forma : (3.19)
Rezistenele i inductanele se afl ntr-o relaie de forma :
(3.20)
Observaie.: S-au neglijat rezistena i inductana bobinei
mobile.
Fig. 3.16 : Schema de principiu pentru echipajul de intrare al
traductorului de putere reactiv monofazat funcionnd prin
compensarea cuplului.
Observaie : depinde de frecven, deci abaterile de frecven ale
reelei fa de frecvena nominal () produc erori semnificative de
indicare a puterii reactive.
3.5.3 Traductorul de putere activ monofazat cu medierea static a
valorilor instantanee
Principiul de funcionare a acestui traductor se bazeaz pe
calculul puterii active conform relaiei de definiie (3.12)
Schema de principiu a traductorului este prezentat n figura
3.17, n care se observ c semnalele din secundarele
transformatoarelor de curent (TI), respectiv de tensiune (TU), sunt
trecute prin circuitele de intrare i adaptare ale curentului (CIA
I) i respectiv ale tensiunii (CIA U), rezultnd tensiunile : i
respectiv (3.21)Aceste tensiuni sunt aplicate multiplicatorului
analogic (MA) la ieirea cruia rezult tensiunea:
(3.22)care se aplic dispozitivului de mediere (DM) ce realizeaz
calculul integralei (3.12) obinndu-se: (3.23)
unde: KDM -este factorul de transfer al dispozitivului de
mediere.Convertorul tensiune - curent (CTC) face conversia
tensiunii UDM n semnal de curent unificat, .
Fig. 3.17 Schema de principiu a traductorului de putere activ
monofazat cu medierea static a valorilor instantanee.
Observaie :
Blocurile funcionale ale traductorului sunt alimentate de la o
surs auxiliar de tensiune stabilizat care, la rndul ei, este
alimentat printr-un transformator de separaie (cobortor) de
tensiune.
Modalitile de realizare a circuitelor de intrare i adaptare
pentru curent (CIAI), respectiv pentru tensiune (CIAU) sunt
prezentate n figura 3.18 :
Fig. 3.18
nfurrile primare ale transformatorului TA sunt adaptate s
lucreze pe impedanele de sarcin ale TI, respectiv TU.
Transformatorul TA are rolul de a separa galvanic curentul de ieire
fa de mrimile de intrare dac nu s-ar folosi unul sau ambele din
transformatoarele TI i TU. Elementele pasive din circuitele de
adaptare (rezistoare i capaciti) au rolul de a compensa erorile de
raport i de unghi ale transformatoarelor de msur (TI i TU).
Valorile rezistenelor i capacitilor sunt determinate n funcie de
frecvena nominal de lucru a traductorului, dar se pot ajusta n faza
de calibrare a acestuia (cnd toate componentele sunt montate
[10]).Multiplicatorul analogic (MA) poate fi realizat n mai multe
moduri :
a) cu transconductan variabil [8], bazat pe variaia exponenial a
curentului de colector () a unui tranzistor n funcie de tensiunea
baz-emitor cnd tensiunea colector-baz este nul
n acest caz valoarea lui este dat de relaia :
(3.24)
n care este factorul static de amplificare n curent ; K-
constanta lui Boltzmann; T - temperatura absolut.
Pentru variaii suficient de mici ale tensiunii UBE rezult:
(3.25)
Relaia (3.25) indic produsul a dou mrimi Ic i . Aceasta metod de
multiplicare necesit scheme simple, dar conduce la erori de
neliniaritate i erori de temperatur destul de mari.
Avantajele acestei metode de multiplicare sunt:
- schem simpl de realizare ; produsul mrimilor poate fi realizat
n toate cadranele.
Dezavantajul acestei metode const n erori globale de aproximativ
1%.b) cu logaritmare - antilogaritmare [11], care are la baz relaia
: (3.26)
din care rezult c MA trebuie s conin: dou amplificatoare
logaritmice, un sumator i un amplificator antilogaritmic.
c) cu traductor Hall, la care una din tensiuni () este
proporional cu valoarea curentului longitudinal (Ic) al plcuei
Hall, iar tensiunea va fi proporional cu inducia magnetic B
(aplicat plcii Hall).
Va rezulta tensiunea Hall exprimat prin relaia:
; (3.27)
unde este o constant, - constanta Hall iar d este grosimea
plcuei Hall.
Observaie : Dimensiunile parametrilor din expresia constantei K
trebuie s fie alese astfel nct la temperatura de referin s rezulte
K = 1. MA cu traductor Hall ofer avantajul simplitii constructive,
dar i cteva dezavantaje importante:
- dependena de temperatur a tensiunii Hall ;- neliniariti
datorate impreciziei tehnologice a contactelor pe plcua Hall;
dificulti tehnologice n realizarea contactelor pe plcu.
Aceste dezavantaje cumulate determin o eroare global de
(12)%.
c) cu modulare n amplitudine i durat.[11, 12]
n acest caz MA se bazeaz pe faptul c media temporal a unei
succesiuni de impulsuri, de frecven constant , este egal cu
produsul dintre amplitudinea i durata impulsurilor. Acest tip de MA
este utilizat n prezent n majoritatea traductoarelor care necesit
efectuarea produsului instantaneu a dou semnale variabile n
timp.Schema de principiu a M. A. cu dubl modulare este dat n figura
3.19 :
Fig. 3.19 a) -Schema de principiu a MA cu dubl modulare
b)- Diagramele de semnal corespunztoare schemei din
fig.3.19-a
MA, prezentat n figura 3.19-a, se compune din multivibratorul
comandat (MVC), care oscileaz pe o frecven . Se consider cazul
practic n care , iar i sunt semnale sinusoidale. Diferena dintre
durata , a semialternanei pozitive, i , a celei negative fiind
direct proporional cu amplitudinea semnalului de comanda , deci se
poate scrie :
(3.28)
n care este o tensiune de referin (n blocul MVC).
n funcionarea MA se disting dou etape:a) Dac -nchis i -deschis,
rezistena R va avea la borne tensiunea +u2 pentru semialternana ,
deci .b) Dac -deschis, k2 nchis, rezistena R va avea la borne
tensiunea pentru semialternana T2, adic . Deci pentru perioada
echivalent () tensiunea este de forma:
(3.29)
Rezult :
(3.30)Din (3.30) rezult c precizia i stabilitatea
multiplicatorului (MA) depinde doar de tensiunea de referin .n
figura 3.20 se prezint schema bazat pe principiul descris anterior
de obinere a puterii din produsul valorilor instantanee u i i.
Fig. 3.20
Semnificaia notaiilor din figura 3.20 este:
GST generator de semnal triunghiular simetric; C - comparator ;I
inversor; TI transformator de curent, TU transformator de
tensiune
Funcionare: Curentul din secundarul lui TI este comparat cu un
semnal triunghiular simetric, de frecven stabil i amplitudine
constant, astfel c, la ieirea comparatorului C se obine un semnal
dreptunghiular modulat n durat de valoarea instantanee a
curentului. Inversorul I asigur comanda comutatorul tranzistorizat
n antifaz cu comutatorul .
Semnalul de la ieire este modulat n amplitudine de ctre
semnalele obinute n secundarele transformatorului de tensiune (TU)
legate n serie. Diagramele de semnale se prezint n figura 3.21
(corelat cu figura 3.20),
Fig. 3.21
n urma modulrii n amplitudine a tensiunii se obine :
(3.31)
Din ultima relaie se observ c puterea instantanee (p) este
direct proporional cu tensiunea de ieire, ue:
(3.32)Observaii :
- Principiul dublei modulaii conduce la erori cu att mai mici,
cu ct frecvena semnalului triunghiular este mai mare dect frecvena
semnalelor de intrare i cu ct parametrii semnalului triunghiular
uT(t) sunt mai constani (amplitudine, liniaritate, frecven).- n
practic se utilizeaz generatoare de semnal triunghiular cu reacie,
pentru controlul amplitudinii, care funcioneaz la frecvene de ()
kHz, dac traductoarele de putere sunt destinate reelelor de 50
Hz.
Concluzii:1) Multiplicatoarele cu modulaie n amplitudine i durat
(figura 3.19) pot fi realizate n structur hibrid sau integrat,
asigurnd o precizie o precizie de (0,10,2) % sau, i mai bun 0,02
%.2) Dispozitivele de mediere (care se gsesc dup multiplicatoarele
analogice) sunt de regul structuri de filtre trece - jos active,
realizate cu amplificatoare operaionale i componente pasive
(rezistene, capaciti), avnd frecvena de tiere n concordan cu
frecvena semnalele de intrare.3) CTC -(convertoarele
tensiune-curent) sunt realizate cu generatoare de curent constant,
comandate n tensiune, capabile s debiteze pe sarcini curent
variabil n limite largi.4) n cazul traductoarelor de putere reactiv
monofazat cu medierea static a valorilor instantanee, circuitele de
intrare i adaptare i se realizeaz ca n figura 3.22, deoarece este
necesar defazarea n urm cu a tensiunii, iar curentul este defazat
nainte cu .
Fig. 3.22
CIA U- nu conine transformator de separare deoarece cuplajul se
face prin condensatorul C, iar punctul comun se face pe nulul
reelei.
3.5.5 Traductoare trifazate de putere activ i reactiv (principii
de funcionare)
Se pot realiza n dou variante :A) Traductoare funcionnd prin
compensare de cuplu ;B) Traductoare bazate pe medierea static a
valorilor instantanee.Dac traductoarele sunt de tipul A, acestea
conin unul sau dou echipaje de intrare de tip wattmetru
ferodinamic, avnd bobinele mobile cuplate pe acelai ax cu bobina
mobil a echipajului de reacie,Dac sunt de tipul B), traductoarele
de putere conin unul sau dou multiplicatoare analogice ale cror
tensiuni de ieire sunt sumate i aplicate dispozitivului de
mediere.Diferenierea ntre traductoarele trifazate de putere activ i
cele de putere reactiv const n modalilatatea de conectare n
circuit. Se pot folosi conexiuni de tip wattmetric pentru msurarea
puterii reactive trifazate.
3.6. Traductoare de frecven i abatere de frecven
Traductoarele de frecven industrial au rolul de a asigura
semnale unificate (curent sau tensiune) proporional cu frecvena
reelei. Precizia de msurare, a frecvenei sau a abaterii de frecven,
trebuie s fie suficient de bun, avnd n vedere necesitatea meninerii
constante a frecvenei n sistemele electroenergetice- Traductoare de
frecven sunt folosite n special n sistemele de telemsurare, iar
traductoarele de abatere de frecven (fa de o valoare de referin)
sunt utilizate n circuitele (sistemele) de reglare.Principiile
funcionale care stau la baza traductoarelor de frecven constau n
realizarea unei dependene liniare, frecven-tren de impulsuri
calibrate, urmat de o mediere temporal a impulsurilor i o conversie
n semnal unificat de tensiune. n figura 3.22 este prezentat schema
traductorului de frecven, a crui funcionare const n medierea static
a valorilor instantanee.
Fig- 3.23 Schema de principiu a traductorului de frecven cu
medierea
impulsurilor.
Blocurile funcionale din figur au urmtoarele semnificaii:
FI - formator de impulsuri ; M monostabil ; DM - dispozitiv de
mediere ; SR - surs de referin ; ACTC - amplificator convertor
tensiune curent ; SA - surse de alimentare.Funcionare :
FI transform unda sinusoidal n und dreptunghiular cu aceleai
treceri prin zero (eliminnd influena amplitudinii semnalului) ;
impulsurile obinute comand M, la ieirea cruia se obin impulsuri de
durat i amplitudine (riguros constante) a cror frecven de apariie
este direct proporional cu frecvena semnalului de intrare . Prin
medierea acestor impulsuri (n DM)se obine o tensiune direct
proporional cu frecvena. (3.33)
Sursa SR asigur prin tensiunea sa (f. stabil) funcionarea ACTC
doar n domeniul (). Depirea lui duce la saturarea circuitului de
intrare n ACTC.
Pentru a uura ntelegerea funcionrii acestui traductor, n figura
3.24 s-au prezentat diagramele de semnale n punctele
caracteristice.
Fig.3.24 : Diagramele de semnale la ieirile blocurilor
funcionale,
din figura 3.23.Observaie : Precizia realizat depinde de
meninerea constant a valorilor i . Astfel se construiesc
traductoare cu precizii de msurare de (0,12)%[10].
n mod similar se realizeaz traductoare de abatere (diferen) de
frecven, utiliznd dou canale separate de msurare a frecvenelor,
figura 3.25.
Fig. 3.25 : Schema de principiu a traductorului de abatere de
frecven, cu medierea impulsurilorTensiunile de la ieirea celor dou
dispozitive de mediere se nsumeaz diferenial n amplificatorul AD,
iar tensiunea - diferen (Ud) este convertit n semnal de curent la
ieire () proporional cu diferena de frecven , astfel :
(3.34)
unde KACTC este factorul de transfer al blocului ACTC.
Observaii :
a) n aplicaii la care se cere o referin riguros constant a
frecvenei, n locul tensiunii (deci n locul lui ) se utilizeaz un
oscilator (OC) cu cuar care genereaz o frecven de referin= ct.
b) Traductoarele de abatere de frecven pot fi cu ieire analogic
(cazul prezentat anterior), sau cu ieire numeric, prezentate n
[12].
3.7. Principii de funcionare a traductoarelor de defazaj i
factor de putere
n general, factorul de putere se definete (pentru semnale
alternative nesinusoidale) ca raportul dintre puterea activ i
puterea aparent : ; (3.35)
unde P- puterea activ-[W]; S-puterea aparent-[VA]. 0 < < 1
- valoarea factorului de puterePentru sistemele monofazate n regim
sinusoidal, factorul de putere se definete prin relaia , unde este
unghiul de defazaj dintre tensiune i curentul prin circuitul de
sarcin. Pentru sistemele trifazate simetrice cu sarcin
neechilibrat, factorul de putere se determin indirect prin msurarea
puterilor active i reactive i utiliznd relaia : (3.36)
Q este puterea reactiv [var] ;
; (3.37)
Utiliznd metoda celor 2 wattmetre se msoar putere activ (P) i
puterea reactiv (Q) i apoi se calculeaz factorul de putere cu
relaia: ; (3.38)
unde : Q = este puterea reactiv trifazat
P = este puterea activ trifazat3.7.1 Traductor de defazaj cu
medierea impulsurilor
Funcionarea acestui traductor se bazeaz pe sesizarea trecerilor
prin zero ale tensiunii, respectiv curentului, i formarea unor
impulsuri a cror arie este proporional cu defazajul. Schema de
principiu este prezentat n figura 3.26.
Cele dou formatoare de impuls i asigur obinerea unor semnale
dreptunghiulare care, pe fiecare front, (cresctor sau descresctor)
comand bistabilul multivibrator (BMV), figura 3.26.
Fig. 3.26.
Un impuls iniializeaz bistabilul (d comanda start) iar cellalt
reseteaz bistabilul (BMV).
Rezult c impulsurile obinute au limea defazajului temporal ntre
tensiune i curent, dar amplitudinea acestora este riguros constant
si egal cu ,figura 3.27.
Prin medierea acestor impulsuri de ctre dispozitivul de mediere
(DM) se obine tensiunea UDM proporional cu defazajul.
(3.39)
unde: ;
Diagramele de semnale n puntele caracteristice sunt prezentate n
figura 3.27.
Fig.. 3.27 Diagramele de semnale pentru traductorul de defazaj
cu medierea
impulsurilor
n funcie de caracterul sarcinii (inductiv sau capacitiv)
detectorul tipului de sarcin (DTS) impune tensiunii de la ieire
(UDM) semnul (+) pentru sarcin inductiv sau semnul (-) dac sarcina
este capacitiv.
Tensiunea UDM este sumat cu o tensiune de referin la nivelul
ACTC, astfel nct la ieirea convertorului amplificator
tensiune-curent (ACTC), curentul (debitat pe sarcina ) s fie
pozitiv (> 0).
Precizia global pe care o realizeaz aceste traductoare este de
1% [10]. Astfel de traductoare sunt folosite pentru msurri n
sisteme monofazate i n sisteme trifazate simetrice cu sarcin
echilibrat.
Observaie :
Pe acelai principiu se construiesc traductoare de defazaj pentru
sincronizare, la care mrimile de intrare se iau n faz, una cu
tensiunea generatorului, iar cealalt cu tensiunea reelei la care
urmeaz a fi conectat generatorul. EMBED PBrush
_1098514935.unknown
_1101430916.unknown
_1101446898.unknown
_1101454798.unknown
_1101473751.unknown
_1101476048.unknown
_1101473953.unknown
_1101455261.unknown
_1101455807.unknown
_1101455723.unknown
_1101455274.unknown
_1101454892.unknown
_1101454689.unknown
_1101454793.unknown
_1101454236.unknown
_1101448615.unknown
_1101448647.unknown
_1101447459.unknown
_1101434501.unknown
_1101446397.unknown
_1101446536.unknown
_1101446863.unknown
_1101446512.unknown
_1101446177.unknown
_1101446197.unknown
_1101434928.unknown
_1101434877.unknown
_1101432652.unknown
_1101434396.unknown
_1101434493.unknown
_1101432030.unknown
_1101432040.unknown
_1101432020.unknown
_1098544473.unknown
_1101395827.unknown
_1101371271.unknown
_1101367003.unknown
_1098967882.unknown
_1098882999.unknown
_1098967122.unknown
_1098967862.unknown
_1098965382.unknown
_1098544477.unknown
_1098534797.unknown
_1098539969.unknown
_1098540162.unknown
_1098542401.unknown
_1098542404.unknown
_1098542288.unknown
_1098539974.unknown
_1098539951.unknown
_1098539960.unknown
_1098534800.unknown
_1098539926.unknown
_1098523175.unknown
_1098532634.unknown
_1098534646.unknown
_1098534649.unknown
_1098532635.unknown
_1098523198.unknown
_1098518410.unknown
_1098521185.unknown
_1098521030.unknown
_1098515319.unknown
_1098509836.unknown
_1098510092.unknown
_1098510507.unknown
_1098510845.unknown
_1098514755.unknown
_1098510514.unknown
_1098510551.unknown
_1098510693.unknown
_1098510510.unknown
_1098510295.unknown
_1098510298.unknown
_1098510214.unknown
_1098509933.unknown
_1098510051.unknown
_1098510058.unknown
_1098509936.unknown
_1098510044.unknown
_1098509897.unknown
_1098509906.unknown
_1098509911.unknown
_1098509902.unknown
_1098509853.unknown
_1098176435.unknown
_1098508859.unknown
_1098509329.unknown
_1098509803.unknown
_1098509326.unknown
_1098465691.unknown
_1098465823.unknown
_1098472656.unknown
_1098465747.unknown
_1098176478.unknown
_1098176602.unknown
_1098176604.unknown
_1098176482.unknown
_1098176439.unknown
_1098160569.unknown
_1098176415.unknown
_1098176425.unknown
_1098176404.unknown
_1098114760.unknown
_1098160541.unknown
_1098160567.unknown
_1098115919.unknown
_1098116011.unknown
_1098115907.unknown
_1097156166.unknown
_1097161159.unknown
_1097161418.unknown
_1097161814.unknown
_1097156406.unknown
_1059119992.unknown
_1059474120.unknown
_1059048457.unknown