ИЗМЕРИТЕЛЬ СДВИГА ФАЗЫ

Содержание

Фазометры. Виды и работа. Устройство и применение. Особенности

Фазометр – это электрический прибор, которым измеряют сдвиг фаз двух колебаний постоянной частоты, например, в сети 3-фазного напряжения. Чаще всего фазометры используются для вычисления коэффициента мощности электроустановки.

Фазометры стали популярными при проектировании, наладке различных электрических устройств. Они применяются в оборудовании, где электрическая сеть работает в изменяемом режиме, при этом она влияет на коэффициент мощности. Такими устройствами можно назвать синхронные двигатели, генераторы на электростанциях.

Электрический двигатель синхронного типа имеет коэффициент мощности, зависящий от тока возбуждения. При некотором режиме работы синхронный двигатель способен отдать в сеть питания реактивную энергию. При этом он играет роль компенсатора реактивной мощности. Чтобы оценить режим функционирования электродвигателя, на его щите управления подключают фазометр.

Синхронный генератор при работе имеет коэффициент мощности, зависящий от вида нагрузки и тока возбуждения. В процессе функционирования автоматическая система следит за cos φ, который характеризует коэффициент мощности, и поддерживает его в определенных пределах путем регулировки тока ротора.

Во время запуска генератора и при возникающих неисправностях регулировку переключают с автоматического режима на ручной. Управление берет на себя оператор. Для ручной регулировки коэффициента мощности на пульте управления подключен фазометр.

При отклонении стрелки прибора вправо и уменьшении cos φ (при индуктивной нагрузке) обмотка статора может перегреться. При емкостной нагрузке независимо от ее значения, генератор расходует ток из сети. Это является аварийным режимом эксплуатации генератора.

Регулировка коэффициента мощности

Большая часть нагрузок потребителей будет тратиться на полезную работу при приближении cos φ к единице.

При его уменьшении снижается мощность, которая расходуется на ненужное нагревание электрооборудования: линий кабелей, электромоторов, обмоток трансформаторов и т.д.

Напряжение в питающей сети уменьшается, а для выполнения такой же работы устройствам необходима значительная мощность.

Наиболее оптимальной величиной коэффициента мощности является 0,95 в индуктивном виде.

Как действовать, когда в сети питания имеется много индуктивных потребителей? В таком случае трансформаторных подстанциях монтируют конденсаторы, которые называются реактивными компенсаторами.

По названию можно понять их назначение. Они выравнивают индуктивную составляющую сопротивления. При этом они приближают угол сдвига к нулю, а коэффициент мощности к 1.

При монтаже емкостей с постоянным номиналом появляется другой недостаток: при изменении числа потребителей с индуктивным сопротивлением cos φ изменяется. Такая компенсация не является эффективной, и даже вредна.

Для устранения этой причины, такие устройства делают автоматическими. Автоматика подключает или выключает емкости от сети в зависимости от угла между напряжением и током.

При этом изменяется емкость батареи.

Принцип действия

Фазометры, работают по следующему принципу. В приборе контролируемый сдвиг фаз преобразуется в промежуток времени (рисунки «а» и «б»). Благодаря устройствам формирования ФУ из напряжений u1 и u2 образуются импульсы во время перехода напряжений через ноль в сторону повышения. Эти импульсы приходят на входы триггера Т, на выходе триггера образуются прямоугольные импульсы.

Их длительность t напрямую зависит от фазового сдвига: t = φ*Т / 360. Средняя величина выходного напряжения триггера, зависящего от фазового сдвига равна:

Это напряжение измеряется встроенным вольтметром. Амплитуда импульсов Um подбирается так, чтобы результат на вольтметре совпадал со сдвигом фаз φ, который выражается в градусах.

Такой способ измерения сдвига фаз имеет систематическую погрешность вследствие несимметричного ограничения контролируемых напряжений в формирующем устройстве. В таком случае выходное напряжение ограничителя в ФУ1 станет иметь постоянную составляющую (рисунок «в»).

Дифференциальная цепь, которая входит в устройство формирования, не пропускает постоянную составляющую, поэтому моменты прохождения напряжения через ноль смещаются. На рисунке это изображено стрелками. Изменение диапазона t создает погрешность измерения сдвига фаз.

Виды и особенности

Фазометры являются электроизмерительными устройствами, которые классифицируются по различным признакам. Подробнее рассмотрим наиболее часто применяемые приборы.

Электродинамические фазометры

Такие приборы также называют электромагнитными. Они основаны на простой цепи с логометрическим приспособлением для замера сдвига фаз. Две рамки жестко соединены друг с другом. Между ними угол 60 градусов. Рамки зафиксированы на осях.

При работе в цепи в момент возникновения фазного сдвига, двигающаяся часть фазометра поворачивается на угол, соответствующий фазному сдвигу. На шкале фиксируется результат.

Цифровые

Такие приборы выполняются по различным принципам. Компенсационный фазометр имеет повышенную степень точности, хотя выполнен для ручного управления.

Чаще всего новые модели фазометров функционируют на дискретном счете. Этот способ действует в 2 этапа:

Преобразование фазного сдвига в электрический сигнал.
Определение времени дискретным подсчетом.

Прибор состоит из селектора ВС, преобразователя фазного сдвига, образователя импульсов (f/fn), счетчика (СЧ), цифрового усилителя ЦОУ.

Импульсный преобразователь фазного сдвига из U1 и U2 с фазным сдвигом Δφ создает прямоугольный вид импульсов U3 в форме последовательности.

Такие импульсы U3 обладают скважностью и частотой повторений, которые соответствуют частоте и сдвигу сигналов входа по времени U1 и U2.

Импульсы напряжений U4 и U3 образуют счетные дискретные импульсы с периодом Т0, подающиеся на селектор времени. В итоге на выходе селектора образуются импульсы U5, которые имеют период следования Т.

Счетчик определяет число импульсов в группе U5. В результате число пришедших импульсов зависит от сдвига фаз между U1 и U2. Показания фазометра видны в градусах. Степень дискретности прибора позволяет достичь точности показаний до десятых долей. Погрешность связана с измерением Δt с точностью до 1 периода импульсов.

Средние по cos φ фазометры могут снизить погрешность за счет определения средней величины за несколько периодов Т контролируемого сигнала. Структура цифрового прибора средней величины имеет отличия от структуры дискретного счета наличием дополнительного селектора времени ВС2, генератора импульсов ГИ, создателя дискретных импульсов ФИ

В данном случае преобразователь фазового сдвига в группе импульсов U5 вмещает в себя генератор ГИ и селектор времени ВС1. За градуированный диапазон времени Тк, который значительно больше Т, несколько групп импульсов поступают на устройство, на его выходе образуется несколько групп, что требуется для получения среднего результата.

Время импульсов U6 кратна Т0, так как создатель импульсов ФИ действует по принципу разделения частоты с определенным коэффициентом. Сигнальные импульсы U6 открывают селектор времени ВС2. В результате на вход поступает несколько групп импульсов. Разрешающая возможность прибора зависит от кратности U6.

На отклонения в показаниях фазометра влияет малая точность фиксации фазного сдвига во время перехода сигналов через нули. Однако такие погрешности уменьшаются при получении среднего результата за период Тк, который намного выше периода входных сигналов.

По числу фаз фазометры делятся на:

Эти приборы по устройству практически не отличаются, кроме того, что в 1-фазном фазометре подвижные рамки находятся под прямым углом, а в 3-фазном под 60 градусов.

Щитовые фазометры применяются для контроля технологических процессов. Они бывают цифровыми или стрелочными. Обе модели хорошо выполняют свои функции. Однако для работников удобнее работать со стрелочным прибором из-за его наглядности.

Лабораторные фазометры применяются для запуска и наладки электроустановок, также для ремонта и настройки аппаратуры в радиоэлектронике.

В инновационных измерительных цифровых комплексах для настройки оборудования чаще всего приборы изготавливаются цифровые. Они входят в устройство одного универсального прибора, который определяет сразу несколько параметров.

Также обстоит дело и с щитовыми фазометрами. Чтобы уменьшить число приборов, применяют универсальные комплексы, которые выдают на один экран несколько измеряемых параметров в одно время.

Оператор имеет возможность быстро изменить их состав в зависимости от режима функционирования электроустановки.

При этом на дисплей выводятся различные физические параметры, или один из них, для каждой контрольной фазы.

Измерение фазового сдвига

ИЗМЕРИТЕЛЬ СДВИГА ФАЗЫ

Описание: Осциллографические методы измерения угла сдвига фаз. Измерение угла сдвига фаз методом линейной развертки. Измерение угла сдвига фаз методом синусоидальной развертки 3 Измерение фазового сдвига путём преобразования во временной интервал.

Дата добавления: 2015-09-08

Размер файла: 152.11 KB

Работу скачали: 81 чел.

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Контрольная работа

Измерение фазового сдвига

1. Общие положения.

2. Осциллографические методы измерения угла сдвига фаз

2.1. Измерение угла сдвига фаз методом линейной развертки

2.2. Измерение угла сдвига фаз методом синусоидальной развертки

3 Измерение фазового сдвига путём преобразования во временной интервал.

4 Цифровые фазометры

4.1 Цифровые фазометры с преобразованием фазового сдвига в постоянное напряжение.

4.2 Цифровой фазометр с время-импульсным преобразованием за 1 период.

4.3 Цифровой фазометр с время-импульсным преобразованием за несколько периодов

Литература

1. Общие положения

Фазовым сдвигом  называют модуль разности аргументов двух гармонических сигналов одинаковой частоты: и , т.е. разности начальных фаз 1–2.

Фазовый сдвиг является постоянной величиной и не зависит от момента отсчёта. Обозначим Т интервал времени между моментами, когда сигналы находятся в одинаковых фазах, например при переходах через нуль от отрицательных к положительным значениям. Тогда фазовый сдвиг  = T = 2T/T, или

(1)

где Т – период гармонических сигналов (рис. 1).

Рисунок 1.

Фазовый сдвиг проявляется, когда электрический сигнал проходит через цепь, в которой он задерживается. Колебательные контуры, фильтры, фазовращатели и другие четырёхполюсники вносят фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением  = t3 , где t3 – длительность задержки в секундах.

Усилительный каскад обычного типа вносит фазовый сдвиг, равный . Многие радиотехнические устройства – радиолокационные, радионавигационные, телевизионные, широкополосные усилители всех назначений, фильтры – характеризуются наряду с другими параметрами фазочастотной характеристикой (), т.е.

зависимостью фазового сдвига от частоты.

Если напряжения с одинаковыми частотами имеют несинусоидальную форму, то фазовый сдвиг рассматривается между их первыми гармониками. При измерении напряжение высших гармоник отфильтровываются с помощью фильтров нижних частот.

2. Осциллографические методы измерения угла сдвига фаз

1. Измерение угла сдвига фаз методом синусоидальной развертки производится во втором режиме работы осциллографа. На входы Y и X подаются гармонические сигналы со сдвигом фазы . Формируется осциллограмма в виде эллипса, для которой определяются расстояние между точками пересечения с осью X и проекция L эллипса на ось X (рис.2).

Рисунок 2

Измеряемый сдвиг фазы вычисляется из соотношения

Характерные положения осциллограммы для различных значений угла сдвига фаз показаны на рис.3.

Рисунок 3

В этом случае на экране формируется временная развертка напряжений поданных на входы Y1 и Y2 осциллографа. На полученной осциллограмме определяют расстояние , соответствующее фазовому сдвигу, и расстояние L, соответствующее периоду сигнала. Измеряемый угол сдвига фаз вычисляется из соотношения

(2)

2. Измерение угла сдвига фаз методом линейной развертки производится с помощью двухканального (двух лучевого) осциллографа (рис.8.9)

Рисунок 4

3. Измерение фазового сдвига путём преобразования во временной интервал.

Суть метода заключается в преобразовании двух синусоидальных напряжений u1 и u2, фазовый сдвиг которых требуется измерить, в периодические последовательности коротких импульсов, соответствующих моментам переходов этих напряжений через нуль с производными одинакового знака. Пояснения даны на рис. 5.

Исходные синусоидальные напряжения известными методами (усиление, ограничение, дифференцирование) превращаются в последовательность остроконечных импульсов. Импульсы uимп1 соответствуют моменту t1 – переходу синусоидального напряжения u1 через ноль. Соответственно uимп2 соответствуют моменту t2 напряжения u2.

Ясно, что интервал T между импульсами uимп1 и uимп2 пропорционален фазовому сдвигу.

Рисунок 5

После описанных преобразований измеряется отношение интервала Т к периоду Т. Смысл измерения указанного отношения легко выясняется из следующих известных соотношений  = T и  2/T. Произведя подстановку получим

(4)

Изложенный метод получил широкое распространение. Он встречается в различных фазометрах, отличающихся друг от друга главным образом способом измерения относительного интервала времени. Структурная схема аналогового измерителя фаз такого типа представлена на рис. 6.

Рисунок 6

На данном рисунке представлено двухканальное формирующее устройство, каждый канал которого состоит из входного блока и формирователя. Устройство преобразует два синусоидальных напряжения в серии коротких импульсов положительной полярности, как это показано на рис. 5.

Из соседних пар импульсов с помощью триггера формируются прямоугольные импульсы длительностью Т, как показано на последней осциллограмме рис. 4. До начала измерений триггер находится в исходном состоянии.

После подачи на оба входа фазометра двух синусоидальных напряжений на выходах каналов появляются две периодические последовательности положительных импульсов.

Первый импульс последовательности перебрасывает триггер в новое состояние и на его выходе повышается напряжение, второй импульс приводит триггер в исходное состояние. Через период Т процесс повторяется. Триггер формирует прямоугольные импульсы длительностью Т.

Магнитоэлектрический измерительный прибор показывает среднее значение напряжения

. (5)

Сравнение 4 и 5 приводит к формуле

(6)

из которой видно, что зависимость между величинами  и Uср линейна. Шкалу индикаторного прибора можно проградуировать непосредственно в градусах (это возможно, так как Um на выходе триггера постоянно). В этом варианте построения прибор является аналоговым.

Если напряжение измерить цифровым вольтметром, то прибор становится аналого-цифровым.

Основное преимущество заключается в возможности цифрового отсчёта и представление результата измерения в цифровом коде, что удобно при формировании автоматизированных измерительных систем.

4. Цифровые фазометры

В основу работы цифровых фазометров (ЦФ) положено уравнение (1), по способу реализации которого ЦФ делят на две группы:

с промежуточным преобразованием фазового сдвига в постоянное напряжение;
с время-импульсным преобразованием:
- с измерением за один период;
- с измерением среднего значения за несколько периодов (интегрирующие).

4.1. Цифровой фазометр с преобразованием фазового сдвига в постоянное напряжение

Метод реализуют с помощью следующей структурной схемы:

Рисунок 7

ФУ1,2 – формирующие устройства, которые формируют из гармонического сигнала сигнал с крутыми фронтами.

ФУ3 – формирующее устройство для формирования сигнала с калиброванным пиковым значением UР.

ФНЧ – фильтр нижних частот для выделения постоянной составляющей сигнала UСР.

ЦВ – цифровой вольтметр постоянного напряжения.

БФ – блок формирования временного интервала Δ tφ.

На рисунке 8 показаны временные диаграммы сигналов в разных точках структурной схемы:

Рисунок 8

Среднее значение напряжения на выходе ФНЧ определяется выражением:

(7)

Следовательно, показание ЦВ будет пропорционально фазовому сдвигу φ

Источники погрешности измерения:

1) погрешность формирования временного интервала Δ tφ

2) нестабильность напряжения Up

3) погрешность ЦВ

4.2. Цифровой фазометр с время-импульсным преобразованием за 1 период.

Структурная схема такого фазометра имеет вид:

Рисунок 9

ГП – генератор коротких импульсов с частотой следования fГ;

Вр. сел. – временной селектор (электронный ключ, электронный коммутатор);

Сч – счетчик импульсов;

Тг – триггер;

Ар.Ус. – арифметическое устройство;

БФ – блок формирования интервала Δ tφ (см. предыдущую схему).

Рисунок 10

Выразим фазовый сдвиг через показания счетчика:

(8)

здесь k – коэффициент пропорциональности.

Источники погрешности:

– погрешность, вносимая БФ;

– погрешность дискретизации (квантования)

(9)

Из формул видно, что с ростом частоты исследуемого сигнала f погрешность дискретизации увеличивается и на высоких частотах становится недопустимо большой.

4.3. Цифровой фазометр с время-импульсным преобразованием за несколько периодов (с постоянным временем измерения)

Рисунок 11 Структурная схема цифрового фазометра средних значений

ДЧ – делитель частоты в n раз – формирует временной интервал TИЗМ, в течение которого происходит измерение;

ЦОУ – цифровое отсчетное (отображающее) устройство;

остальные обозначения соответствуют предыдущей схеме.

Работа схемы проиллюстрирована временными диаграммами (рис.12):

Рисунок 12

Количество пачек импульсов на выходе Вр.сел2 m:

(10)

Количество импульсов в пачке Nпач: Nпач = Δ tφ fГ

Тогда общее количество импульсов, накопленное в счетчике за время измерения TИЗМ :

(11)

Если коэффициент деления частоты fГ n=360, то 1 импульс счетчика будет соответствовать 1 градусу фазового сдвига и показания счетчика будут равны фазовому сдвигу. Для повышения точности измерения достаточно увеличить коэффициент деления частоты до 3600 или 36000 и погрешность индикации уменьшится до 0,1φ или 0,01φ соответственно.

Погрешность дискретизации определяется двумя факторами: случайным временным положением интервалов Δ tφ относительно счетных импульсов δд1 и случайным положением интервала TИЗМ относительно интервалов

Суммарная погрешность дискретизации равна:

Источники погрешности:- погрешность дискретизации;

– погрешность формирования интервала Δ

tφ (БФ).

Литература

1. Аполлонский, С.М. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебное пособие / С.М. Аполлонский. – СПб.: Лань, 2012. – 592 c.

2. Башарин, С.А. Теоретические основы электротехники: Теория электрических цепей и электромагнитного поля: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / С.А. Башарин, В.В. Федоров. – М.: ИЦ Академия, 2010. – 368 c.

3. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник для бакалавров / Л.А. Бессонов. – М.: Юрайт, 2013. – 701 c.