Измерение тока, напряжения и мощности

9.3.1 Измерение тока. Для измерения тока служат амперметры, миллиамперметры и микроамперметры. Эти приборы включаются последовательно в участок электрической цепи.

При этом необходимо, чтобы внутреннее сопротивление амперметра было мало по сравнению с сопротивлением участка электрической цепи, в которой он включен. В противном случае включение прибора вызовет существенное изменение сопротивления и тока на данном участке электрической цепи, а так же и изменение режима работы всей цепи.

Сопротивления катушек (рамок) электроизмерительных приборов составляют 1...2 кОм и рассчитаны на полное отклонение стрелки при токе 100...500 мкА (что соответствует падению напряжения на приборе 0,1... 1 В). Следовательно, непосредственное включение электроизмерительного прибора возможно только при измерении малых токов до 500 мкА в высокоомных электрических цепях.

Чтобы использовать данный прибор для измерения токов больших значений и снизить его внутреннее сопротивление применяют шунты.

Шунт представляет собой манганиновые пластины или стержни, впаянные в медные или латунные наконечники. Сопротивление шунта значительно меньше сопротивления рамки прибора. Шунт включается в электрическую цепь последовательно, а параллельно ему подключается рамка (катушка) прибора.

1 – шунт; 2 – рамка (катушка) прибора; I – измеряемый ток; I_ш – ток через шунт; I_А – ток через рамку прибора.

Рисунок 9.3. - Схема включения прибора с шунтом

 

По 1 закону Кирхгофа измеряемый ток в электрической цепи

,

где I_А – ток через рамку прибора, А;

I_ш – ток через шунт, А.

Так как , то , так что

При параллельном соединении или

Отсюда сопротивление шунта

или

(9.14)

где – коэффициент шунтирования.

Для расширения пределов измерения амперметров в цепях синусоидального (переменного) тока применяются трансформаторы тока (рис. 9.4), которые служат для преобразования больших токов в малые.

Трансформатор тока (ТТ).

Измерительный ТТ состоит из стержневого или кольцевого магнитопровода, набранного из тонких изолированных листов высокосортной трансформаторной стали. На одном стержне намотана первичная обмотка, как правило, выполненная из толстого провода и с малым числом витков ω ₁ (иногда это может быть просто стержень – 1 виток) (рис. 9.4).

Рисунок 9.4. Схема включения измерительного ТТ

 

Вторичная обмотка имеет обычно большое число витков ω ₂, которое рассчитывают таким образом, чтобы при подключении к ней амперметра, т.е. прибора с очень малым внутренним сопротивлением, номинальный ток в ней составил бы 5 А. Вместо амперметра вторичная обмотка шунтируется малым сопротивлением, падение напряжения на котором пропорционально току вторичной обмотки. Это напряжение обычно подается на вход цифровых измерительных вольтметров с целью измерения тока.

Трансформатор работает следующим образом. При прохождении по первичной обмотке тока I ₁ в ней создается намагничивающая сила I ₁ ω ₁, которая вызывает в сердечнике появление переменного магнитного потока Ф ₁.

Этот поток, пронизывая витки вторичной обмотки, наводит в ней ЭДС Е ₂, а следовательно, и ток I ₂ (если подключен прибор). Ток, в свою очередь, создает намагничивающую силу I ₂ ω ₂ и свой магнитный поток Ф ₂. Так как, согласно закону Ленца, этот поток направлен навстречу потоку Ф ₁, результирующий магнитный поток в сердечнике трансформатора небольшой. Поэтому во вторичной обмотке наводится небольшой ЭДС Которая называет появление сравнительно небольшого вторичного тока I ₂ практически при замкнутой накоротко вторичной обмотке.

Покажем связь тока I ₂ с током I ₁. Для установления этой связи используем закон полного тока в интегральной форме

(9.15)

Предел L – замкнутый путь внутри сердечника, вдоль которого вычисляется циркуляция вектора (напряженности магнитного поля). В связи с малостью суммарного магнитного потока в сердечнике ТТ, будет малое значение на любом элементе длины . Поэтому леву часть (9.15) можно принять приближенно равной нулю. Тогда (9.15) можно записать следующим образом:

или (9.16)

Следовательно, измеряемый ток будет определяться отношением числа витков вторичной и первичной обмоток и током I ₂. На этом основании осуществляется расширение пределов измерения переменного тока. Обычно число витков W ₁ небольшое (1-4 витка), а число витков W ₂ много больше 1. Из формулы (9.16) видно, что чем больше число витков W ₂, тем меньше измеряемый ток I ₂.

В зависимости от области применения трансформаторы тока изготавливают стационарными, как правило, с одним пределом измерений, или переносными многопредельными.

При работе с измерительными трансформаторами тока необходимо следить за тем, чтобы вторичная обмотка при подключенной первичной не оставалась разомкнутой.