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