Cap_3

68Capitolul 3

69Traductoare pentru mrimi electrice

Capitolul 3

TRADUCTOARE PENTRU MRIMI ELECTRICE

Noiuni introductiveTransportul, distribuia i utilizarea energiei electrice au impus utilizarea traductoarelor pentru mrimi electrice 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 (sau adaptare) n semnale unificate de tensiune sau curent continuu.

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 ale traductoarelor 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 pentru 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 (figura 3.1), unde dependena intrare-ieire este ptratic (y = k(x2).

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 -3.1(a i b) sunt date limitele standardizate (ymin i ymax) ale mrimii de ieire:

Tabelul 3.1-a

TipulYmin [mA]Ymax [mA]Tabelul 3.1-b

A01Semnale de tensiune continuTipulYmin [V]Ymax [V]

Semnale de curent continuuB02,5

C0,52,5A02,5

1505

210010

420E-2,5+2,5

D

-0,5-2,5-10+0,5-5+5

+2,5-10+10

+10D0-10

+200+10

E

-2,5+2,5C1+5

-10+102+10

-20+20

( Precizia de msurare, 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 standardizate de: 60mV, 75mV, 150mV, (mai rar 300 mV). Valorile standardizate ale curenilor nominali sunt: In =25 A; 40 A; 150 A; 300 A ; 400 A ; 600A; 1000 A; 2500 A; 6 000 A; 10000 A; 15000A ;

Fig. 3.2. unt electric

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-a.

a)

Fig. 3.3. Divizor de tensiune: a) schema de principiu; b) forma constructiv pentru

tensiuni mai mari de 30 kV.

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 de 30 kV 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 (figura 3.3-b).

c) Transformatoare de curent. n practic aceste transformatoare se mai numesc reductoare de curent i sunt folosite pentru preluarea curenilor alternativi mari (cureni primari cu valori maxime de 6000 A) i conversia acestora n cureni secundari cu valori nominale standard de 5A sau 1A.

nfurarea primar a acestor transformatoare poate fi de tip suport, de tip clete, de tip bar, acesta din urm fiind ilustrat n figura 3.4-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) s-au construit transformatoare de curent pentru instalaii de medie i nalt tensiune de la 0,5 KV la 400 kV, la cureni primari nominali (de sarcin) Ip = (56000) A, valorile curenilor n secundar fiind standardizate: Is = 5A, respectiv 1A..

Fig.3.4. Transformatorul de curent: a) schema de principiu; b) transformator de tip bar

Observaie : Pentru tensiuni primare mai mari de 10 kV exist dou nfurri secundare, iar pentru tensiuni de la 110 kV la 400 kV transformatoarele au trei nfurri secundare.

d) Transformatoare de tensiune (T.T.). 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.

Transformatoarele de tensiune se construiesc 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) numrul de faze n primar (monofazate sau trifazate);

c) tipul izolaiei nfurrilor.

Modalitile de rcire sunt:

- pentru Up 20 kV ( aer (rcire natural);

- cnd Up > 20 kV ( 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 nfurarea primar a 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 3.5. Transformatorul de tensiune (pentru msur) are schema de principiu dat n figura 3.6.

Fig. 3.5. Divizor capacitiv conectat n

primarul T.T.Fig. 3.6. Schema de principiu a

transformatorului de tensiune (T.T.)

3.2 Traductoare de curent continuu

Funcionarea traductoarelor de curent continuu se bazeaz pe dou principii:

a) utilizarea ca element sensibil a unui echipaj mobil de tip magnetoelectric, a crui deplasare (proporional cu valoarea curentului msurat) este compensat prin reacie de semnalul unificat de ieire (traductor n circuit nchis);

b) conversia unei cderi de tensiune proporional cu valoarea curentului msurat ntr-un semnal unificat utiliznd scheme electronice de amplificare i conversie tensiune-curent (traductor n circuit deschis).

3.2.1 Traductorul de curent continuu funcionnd prin compensare de cupluAcest traductor are schema de principiu prezentat n figura 3.7 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 induce n bobina secundar 4, n funcie de poziia paletei 2. Acest semnal (de la bornele bobinei 4), este redresat i filtrat, apoi este aplicat blocului ACTC (amplificator - convertor tensiune curent). Astfel, din blocul ACTC rezult curentul de ieire ( Ie ) avnd domeniul de variaie a semnalului unificat . Acesta 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 (comun echipajelor EI i ER); 2 palet de aluminiu; 3 i 4 bobine cu ntrefier, n montaj de tip transformator.

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 proporional i cuplu activ (Ma) conform relaiei:

Ma = K1(Ii (3.1)Datorit acestui, cuplu 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, exprimat prin relaia:

M r = K2 (Ie

(3.2)

Fig. 3.7. Schema de principiu a traductorului de curent continuu bazat pe compensarea cuplului.

Cuplul Mr are sens opus cuplului activ Ma (de intrare), deci rotirea paletei 2 are loc pn la atingerea echilibrului:

(3.3)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 3.8 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 de 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. 3.8. Traductor de curent continuu cu amplificator-convertorScurt 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 transformatorului TR1 se aplic semnalul de intrare modulat prin M, care este un semnal dreptunghiular a crui amplitudine este egal cu amplitudinea semnalului de tensiune cules de pe untul S i a crui frecven este identic cu cea a oscilatorului (OSC). Oscilatorul genereaz semnalul de comand (dreptunghiular) pentru ntreruptoarele statice care compun blocurile M i DM.

Semnalele (n antifaz) obinute la secundarele lui TR1 sunt demodulate de ctre DM , la ieirea cruia rezult un semnal cu perturbaii inerente n zonele de comutaie, motiv pentru care se utilizeaz filtrul pasiv de netezire FN. Semnalul de tensiune de la ieirea filtrului este proporional cu valoarea curentului de intrare Ii. Acest semnal, de valoare mic, este amplificat i convertit n semnal unificat de curent la ieire (Ie) prin blocul ACTC.

Observaie:

Ansamblul format din M, TR1 i DM are rolul de a separa galvanic semnalul de intrare (aferent circuitului de for), fa de semnalul de ieire care este semnalul de reacie n circuitul SRA, fr a face o amplificare a semnalului.

Nu se utilizeaz un 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 blocului ACTC (amplificatorului-convertor) 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.

Fig. 3.9. Schema electric a traductorului de c.c. tip Ux-TC2aCa exemplu, n figura 3.9 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 3.9 respect schema de principiu din figura 3.8, cu observaia c blocul ACTC este nlocuit prin amplificatorul de tensiune AT.

3.3 Traductoare de curent alternativ

n raport cu destinaia lor (msurare sau reglare) aceste traductoare au principii de funcionare diferite, cele mai utilizate fiind:

a) Traductor de curent alternativ funcionnd prin compensare de cuplu

Acest traductor are aceeai schem de principiu ca cea din figura 3.7 cu deosebirea c echipajul de intrare (EI) este de tip ferodinamic, deci cuplul activ Ma este de forma:

(3.4)

Deci, curentul de ieire va fi proporional cu ptratul curentului efectiv de la intrare. Aceste traductoare sunt utilizate pentru indicare fiind asociate cu aparate de msur analogice prevzute cu scar ptratic, dar sunt utilizate mai rar pentru reglare datorit caracteristicii neliniare (care pot deranja regimul dinamic al SRA).

b) Traductor de c.a. (valoare efectiv) pentru semnale sinusoidale nedistorsionate

Schema unui astfel de traductor se prezint n figura. 3.10. 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:

(3.5)

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. 3.10. 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:

; (3.6)

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 funcioneaz fr surs de energie auxiliar.

c) Traductor de valori efective ale curentului alternativ, n cazul

semnalelor distorsionate.Schema de principiu acestui traductor este dat n figura 3.11, iar funcionarea sa este realizat n conformitate cu relaia general care d valoarea efectiv :

(3.7)

Fig. 3.11. Traductor de c.a. pentru semnale distorsionateSemnificaia 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 (principii de funcionare)Principiul de funcionare al traductoarelor de tensiune este asemntor celui ntlnit la traductoare de curent. Dup felul tensiunii traduse aceste traductoare pot fi:

a) Traductoarele pentru tensiuni continue, care se realizeaz n urmtoarele variante:1 - Traductoare funcionnd prin compensare de cuplu care au schemele de principiu de tipul celei din figura 3.7, unde echipajul de intrare (EI) este un milivoltmetru de tip magneto-electric, n rest schema fiind identic.2 - Traductoare cu amplificator convertor de curent continuu.

Aceste traductoare au schemele de principiu de tipul celei din figura 3.8. Tensiunea de intrare se aduce n gama normalizat prin intermediul unor divizoare de tensiune (untul S din figura 3.8 este nlocuit cu un divizor de tensiune).

b) Traductoarele pentru tensiuni alternative realizate 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 (3.8) 2-Traductoare de tensiune pentru semnale sinusoidale (nedistorsionate) , care au schema de principiu prezentat n figura 3.12. Aceast schem se deosebete fa de schema traductorului de curent sinusoidal doar prin modul de realizare al convertorului tensiune curent.

Fig. 3.12. 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 blocului de filtrare (BF) devine .

3 - Traductoare de tensiune pentru semnale alternative distorsionate. Acestea au schema de principiu asemntoare celei din figura 3.11, 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 :

(3.9)

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 :

(3.10)

Observaie: Definiia puterii active are sens doar pentru semnale alternative.

Pentru semnale sinusoidale puterea activ este :

(3.11)

unde: Uef i Ief sunt valorile efective ale tensiunii, respectiv curentului, iar este defazajul dintre curent i tensiune.

Puterea reactiv este definit prin relaia:

(3.12)

unde: Uef i Ief i au aceleai semnificaii.

Pentru semnale de aceeai frecven dar nesinusoidale, puterea activ este dat de relaia:

(3.13)

iar puterea reactiv este:

(3.14)

unde:,sunt valorile efective ale armonicelor de ordinul i aferente tensiunii, respectiv curentului, iar este defazajul dintre armonica de ordinul i aferent tensiunii i armonica de ordin i, aferent curentului.

Traductoarele de putere activ pentru sistemele monofazate i/sau trifazate au la baz principiul de funcionare exprimat prin relaia (3.10), 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 acest caz puterea se exprim prin semnalul de ieire al traductorului ;b) utilizarea unor elemente active de efectuare a produsului ntre valorile instantanee u(t) i i(t), iar semnalul rezultat se aplic unor dispozitive de mediere i conversie n semnal unificat la ieire.

_1133614291.unknown

_1133614423.unknown

_1132589276.unknown

_1101473751.unknown

_1101473953.unknown

_1101432020.unknown

_1101432030.unknown

_1101432040.unknown

_1101430916.unknown

_1098176404.unknown

_1098967862.unknown

_1101395827.unknown

_1098176425.unknown

_1098176439.unknown

_1098465691.unknown

_1098176435.unknown

_1098176415.unknown

_1098160567.unknown

_1098160569.unknown

_1098114760.unknown

_1059048457.unknown