MASURAREA CURENTULUI SI TENSIUNII ELECTRICE

MASURAREA CURENTULUI SI TENSIUNII ELECTRICE

I. PARTEA TEORETICA

I.1. Masurarea curentului electric

Intensitatea curentului electric este definita drept cantitatea de electricitate ce trece in unitatea de timp print-o sectiune a unui circuit. Unitatea de masura este amperul, care este o unitate fundamentala in Sistemul International. Intensitatea curentului electric din latura unui circuit se masoara cu ajutorul ampermetrelor, aparate ce se inseriaza in latura respectiva. Ca urmare a rezistentei interne R₀ a ampermetrului, curentul masurat de acesta I_m este mai mic decat curentul I care ar circula in lipsa ampermetrului.

Cele mai utilizate ampermetre analogice de curent continuu sunt ampermetrele magnetoelectrice, deoarece:

- au sensibilitate si precizie ridicata

- scara liniara

- consum de putere scazut

Prin constructie, au un domeniu de masurare limitat, datorita valorilor reduse ale curentilor pe care ii poate suporta bobina mobila si resoartelor spirale. Astfel valoarea maxima a curentului ce poate fi masurata direct cu aparatele magnetoelectrice este cel mult 100mA la cele cu sustinere pe lagare si cel mult 100µA la cele cu suspensie pe benzi tensionate. Pentru extinderea domeniului de masurare al ampermetrelor magnetoelectrice deci pentru realizarea de ampermetre de c.c., se folosesc sunturile.

Aparatele magnetoelctrice nu pot fi utilizate in curent alternativ sinusoidal intrucat in acest regim, cuplul activ mediu rezultant este nul. Deci indiferent de valoarea curentului alternativ, ampermetrul ar indica valoarea zero. In scopul folosirii acestor aparate si in curent alternativ sinusoidal, se asociaza aparatele magnetoelectrice cu convertoare c.a-c.c. Cele mai utilizate convertoare c.a-c.c. sunt circuitele de redresare.

Ampermetre magnetoelectrice cu circuite de redresare sunt constituite dintr-o schema de redresare monoalternanta sau bialternanta, in cadrul careia se inseriaza un miliampermetru sau microampermetru magnetoelectric. Prin redresarea uneia sau ambelor alternante ale curentului sinusoidal, valoarea medie a acestuia si deci a cuplului activ mediu vor fi diferite de zero.

Ampermetrele feromagnetice pot fi utilizate, direct, atat in curent continuu cat si in curent alternativ.

Pentru masurarea curentilor alternativi de valori ridicate (sute de amperii) ambele aparate se asociaza cu transformatoare de curent.

Transformatorul de curent are un miez feromagnetic pe care sunt dispuse doua infasurari: infasurarea primara cu un numar de spire redus de sectiune mare (N₁ spire) si care se conecteaza in serie cu circuitul al carui curent se masoara, si infasurarea secundara cu un numar mare de spire de sectiune mica (N₂ spire), la care se conecteaza ampermetrul (Fig.1). Tranformatoarele de curent functioneaza intr-un regim apropiat de scurtcircuit. Daca bornele secundare se lasa in gol, inductia magnetica in miez creste la valori foarte mari, datorita curentului primar de valoare mare impus de circuitul de utilizare. Efectele care pot aparea sunt: aparitia unei supratensiuni periculoase la bornele secundare, pierderile in fier cresc foarte mult ducand la incalzirea excesiva a miezului si distrugerea izolatiei sau chiar aprinderea transformatorului. Din aceste cauze regimul de mers in gol este considerat un regim de avarie ce trebuie evitat. Daca in timpul functionarii este necesara demontarea ampermetrului din circuitul secundar atunci bornele secundare se scurtcircuiteza cu un conductor.

Fig. 1

- bornele primare (K,L sau L₁,L₂).

- bornele secundare (k,l sau l₁,l₂).

Date nominale ale transformatorului de curent sunt:

- curent primar nominal (I_1n=5.10000A);

- curent secundar nominal (I_2n=5A sau 1A);

- raportul nominal de transformare K_in=I_1n/I_2n (ex. 15/5, 600/5)

- puetrea nominala secundara S_2n=2..20VA;

- calasa de precizie c=0,1; 0,2; 0,5; 1; 3;

- eroarea de unghi: defazajul maxim intre I_1n si I_2n.

I.2. Masurarea tensiunii electrice.

Tensiunea electrica este definita ca diferenta de potential electric dintre doua puncte. Unitatea de masura pentru tensiunea electrica in Sistemul International este voltul.

Cele mai utilizate voltmetre analogice de c.c. sunt voltmetrele magnetoelectrice. Pot fi folosite direct numai ca milivoltmetre. Pentru extinderea domeniului de masurare al unui voltmetru de c.c. se inseriaza cu acesta o rezistenta aditionala.

Fig.2. Voltmetru de c.c.

cu rezistenta aditionala

Voltmetrele de laborator se construiesc cu domenii multiple de masurare. Rezistentele aditionale pot fi realizate separat, pentru fiecare interval de masurare (Fig.3.b) sau pot fi formate din mai multe rezistente legate in serie (Fig.3.a).

In cazul rezistentelor aditionale in serie, factorul de multiplicare este:

iar pentru rezistente in paralel:

Cunoscand valorile R_i si U_i pentru un aparat dat si stabilind limitele maxime U_k pentru cele K domenii, rezulta factorii de multiplicare m_k. Se formeaza un sistem de m ecuatii cu m necunoscute R_aj (j =1,2 ,m) prin rezolvarea caruia rezulta valorile rezistentelor aditionale.

Fig.3. Voltmetru de c.c. cu domenii multiple: a) cu rezistente aditionale in serie;

b) cu rezistente aditionale in paralel

Rezistentele aditionale se confectioneaza din manganina sub forma de rezistente bobinate montate in interiorul carcasei aparatului. Cu ajutorul rezistentelor aditionale, domeniul de masurare poate fi extins pana la 1000V c.c. Aceasta limita este impusa in principal din considerente de izolatie si de pericolul pe care il prezinta tensiunile mai ridicate pentru operator.

Adesea, un voltmetru este caracterizat prin rezistenta necesara pentru a obtine un domeniu de masurare de 1 volt, cunoscuta sub denumirea de "rezistenta in Ω/V". Astfel, tinand seama ca domeniul de tensiune al unui voltmetru este dat de produsul dintre curentul nominal si rezistenta nominala:

U₀=I₀R₀

atunci pentru U₀=1V va rezulta o rezistenta:

R₀=

relatie care arata ca rezistenta in Ω/V ce caracterizeaza un voltmetru este egala cu inversul curentului sau nominal.

Tensiunea electrica alternativa se masoara in majoritatea cazurilor cu voltmetre magnetoelectrice cu redresor sau cu voltmetre feromagnetice. Extinderea domeniului de masura se obtine prin conectarea unei rezistente aditionale in serie cu instrumentul de baza. Pentru tensiuni mai mari de 600V domeniul se extinde folosind transformatoare de masura (de tensiune). Schema de principiu a transformatorului de tensiune este data in figura 4.

Fig. 4. Montarea voltmetrului prin intermediul

unui transformator de tensiune

II. PARTEA EXPERIMENTALA

II.1. Un ampermetru de c.c. are curentul nominal 10mA si rezistenta interna 25W. Sa se realizeze un ampermetru cu domeniul de masurare de 5A.

II.2. Se realizeaza schema prezentata in figura 4. Se verifica precizia ampermetrului A. Ca instrument etalon se foloseste ampermetrul numeric (digital) A₀. Rezultatele obtinute se trec in tabelul TAB1.

Fig. 4

TAB1

II.3. Se realizeaza schema prezentata in figura 5. Se verifica precizia ampermetrului A (CLAMP METERS). Ca instrument de referinta se foloseste ampermetrul numeric (digital) A₀. Rezultatele obtinute se trec in tabelul TAB2.

Fig. 5

TAB2

II.4. Un voltmetru de c.c. are domeniul de masurare 10V si rezistenta interna 250KW. Sa se realizeze un voltmetru cu domeniul de masurare de 50V.

II.5. Folosind un instrument cu rezistenta interna R₀=1K si curentul nominal I₀=50 A se realizeaza un voltmetru de c.c. cu rezistente aditionale in serie avand domeniile de masurare U₁= 1V, U₂= 5V si U₃= 10V.

a) Sa se determine valorile rezistentelor aditionale si rezistenta interna a voltmetrului pentru fiecare din cele trei domenii de masurare;

b) Sa se determine consumul propriu al voltmetrului pentru fiecare din cele trei domenii de masurare.

II. 6. Se extinde domeniul de masura al voltmetrului de la U_i = 30V la U =150V. Rezistenta aditionala R_a se predimensioneaza prin calcul si se ajusteaza experimental.

a) Determinarea rezistentei interne R_i

Se realizeaza montajul din Fig.4. Se aduce indicatia voltmetrului la limita superioara a domeniului de masura si se masoara curentul I_V. Se calculeaza apoi rezistenta interna aproximativa:

R_i = U_V/I_V

Fig. 4. Montaj pentru determinarea rezistentei interne

b) Predimensionarea rezistentei aditionale

m=U/U_i

R_a = R_i(m-1)

c) Ajustarea rezistentei R_a. Verificarea preciziei.

Se realizeaza montajul din Fig.5. Se modifica R_a astfel incat voltmetrul V sa indice limita superioara a domeniului atunci cand V₀ indica U=150V. Se verifica precizia voltmetrului V cu domeniul extins la toate reperele importante de pe scara si se completeaza tabelul TAB1. V₀ se foloseste ca voltmetru etalon (de referinta).

Fig. 5. Montaj pentru ajustarea R_a si pentru verifivarea preciziei

TAB3

III. PRELUCRAREA REZULTATELOR:

a) Se completeaza tabelul TAB1 calculand:

I₁ = K_i1I₂ unde K_i1 = 600/5

I₁₀=K_i2I₂₀ unde K_i2 = 600/5

DI = I₁-I₁₀

Se incadreaza ampermetrul intr-o clasa de precizie.

b) Se completeaza TAB2 analog cu TAB1.

c) Se reprezinta grafic DI=f(I₁) in ambele cazuri.

d) Se calculeaza erorile absolute:

DU=U-U₀

e) Se extrage din tabel 3 eroarea absoluta maxima in modul si se calculeaza eroarea maxima raportata la limita superioara a domeniului extins:

Se incadreaza voltmetrul in una din clasele de precizie standardizate: (c=0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5; 10)

c ≥ ε_max

f) Se calculeaza consumul propriu al voltmetrului:

- fara rezistenta aditionala S_i=U_iI_v [VA]

- cu rezistenta aditionala S=UI_v [VA]

g) Se reprezinta grafic dependenta erorii absolute de valoarea tensiunii indicate: DU=f(U).