Masurarea marimilor electrice an III Facultatea de Energetica
- Slides: 31
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Masurarea marimilor electrice 2 x 14 = 28 ore curs; 2 x 14 = 28 ore laborator; curs: luni 12 -14 EC 104 laborator: EB 109 joi 14 -18 & vineri 08 -12 consultatii: luni 14 -17, EB 129. Nota finala (Examinare scrisa probleme!): 0. 5 examen+0. 3 laborator + 0. 2 teme de casa (+ 0. 05 lucrari curs); Titular curs: Prof. dr. ing. Mihaela Albu Laborator: Conf. dr. ing. Viorel Petre; Prof. Mihaela Albu asist. ing. Radu Plamanescu; mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Bibliografie minimala • Note de curs; Platforme laborator • Fisiere (prezentare curs; teme; probleme) accesibile la: http: //www. vlab. pub. ro/courses/MME/microderlab. pub. ro • Golovanov, Carmen, Albu, Mihaela (coord): Probleme actuale de masurare in electroenergetica, Ed. Tehnica 2002 • Seritan, G, Cepisca, C, Masurari electrice si electronice, Ed. Politehnica Press, 2013 • Elmar Schrüfer, Elektrische Meßtechnik, Hanser Verlag, 1992. • Antoniu, M. : Măsurări electrice, vol. 1 -3, Satya, Iaşi, 1999 • International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms, JCGM 200: 2012, disponibil la http: //www. bipm. org/en/publications/guides/vim. html • Gabriele D’Antona, Alessandro Ferrero, Digital Signal Processing for Measurement Systems. Theory and Applications, Springer, 2006 Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro 2/35
Masurarea marimilor electrice, Programa cursului: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Introducere: Repere temporale esenţiale în domeniul stiintei masurarii. Unitati de masura. SI. Elemente de metrologie. Incertitudinea de masurare. Breviar matematic. Semnale şi sisteme analogice si numerice. Semnale periodice si concentratori de informatie; Corelatii; Agregare temporala; Transformate Fourier. Caracterizarea mijloacelor de masurare in regim static si in regim dinamic. Aparate analogice de masurare. Principii. Exemple. Convertoare de intrare. Divizorul de tensiune. Suntul. Transformatoare de masurare. Senzori neconventionali in energetica. Circuite de amplificare. Masurarea puterilor si energiilor in sisteme trifazate. Definitii. Principii de masurare directa si indirecta. Metode de masurare de precizie si sisteme de masurare cu urmarire in timp. Punti de masurare. Osciloscopul, Analizoare de semnal. Analizoare de calitate a energiei electrice. Aparate numerice de masurare. Teorema esantionarii. Achizitia de date. Convertoare A/D si D/A. Bus-uri de comunicatie. Masurari sincronizate. Unitati de masurare fazoriala. Sisteme moderne de masurare si monitorizare in energetica. Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro 3/56
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Circuite specifice de masurare pe cale electrica a marimilor neelectrice • Circuite divizoare • Circuite in punte – de c. c. sau de c. a. a) Puntea in regim echilibrat b) Puntea in regim neechilibrat (metoda indicatiei). • Circuite cu amplificatoare – Metoda cu 2 / 3/ 4 conductoare Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Circuite specifice de masurare pe cale electrica a marimilor neelectrice Tehnica 2 W Tehnica 3 W Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro Tehnica 4 W
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare Circuite divizoare de tensiune Pentru masurarea tensiunilor continue: doar circuitele rezistive Divizoarele inductive NU se folosesc, deoarece se prefera utilizarea transformatoarelor inductive de masurare de tensiune (engl. : voltage transformer sau potential transformer). Divizoare rezistive cu sarcina la iesire: pentru a pastra raportul de divizare independent de frecventa sarcina trebuie sa fie rezistiva! Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, Convertoare de intrare an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Circuite divizoare de tensiune Divizoare capacitive cu sarcina la iesire: pentru a pastra raportul de divizare independent de frecventa sarcina trebuie sa fie capacitiva! Divizoare mixte RC: Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare Circuite divizoare de tensiune. Comportarea divizoarelor RC in frecventa. O modalitate simpla de verificare a adaptarii divizorului de tensiune la sarcina conectata la iesire o reprezinta asigurarea ca raportul de transformare este o marime cu valori reale si independenta de frecventa. Semnal de test: pulsuri dreptunghiulare (engl. : square-wave voltage). Se studiaza raspunsul divizorului la semnal treapta u(t) : Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare Circuite divizoare de tensiune. Comportarea divizoarelor RC in frecventa. Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare Circuite divizoare de tensiune. Comportarea divizoarelor RC in frecventa. Exemplu: sondele divizoare (engl. : attenuator probe) pentru osciloscop. Pentru a avea semnalele nedistorsionate raport de divizare real si independent de frecventa Zb este impedanta de intrare in osciloscop (engl. : oscilloscope) sau cea de intrare intr-un circuit de amplificare (engl. : amplifier): valori tipice: Cb = 30 p. F; Rb = 1 M. Sonda (divizor capacitiv RT, CT variabil) +cablu (CK) RE CE = RE C*E ; unde C*E = CE +CK Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare Transformatoarele de masurare sunt utilizate drept convertoare de intrare in circuitele de curent alternativ. Se folosesc pentru extinderea intervalului de masurare a mijloacelor de masurare electrice (cand I > (20… 50)A sau U> 600 V) si pentru alimentarea circuitelor cu valori reduse fata de cele din circuitele primare. - au rol de separare galvanica intre circuitul de inalta tensiune si cel de joasa tensiune, asigurând protectia operatorilor si a aparatelor de masurare. Clasificare: a) in functie de parametrul a carui valoare o reduce: - transformatoare de masurare de curent (simbol C) - transformatoare de masurare de tensiune (simbol T) b) dupa numarul infasurarilor secundare: - cu o singura infasurare secundara - cu doua sau mai multe infasurari Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare Clasificarea transformatoarelor de masurare: c) dupa locul de montaj: - de interior (simbol I) - de exterior (simbol E) d) dupa felul izolatiei dintre infasurari: - cu izolatie aer (uscat) - cu izolatie u (simbol U) - cu izolatie portelan (simbol P) - cu izolatie de turnare (simbol R) e) dupa tensiunea retelei in care se conecteaza infasurarea primara: - de inalta tensiune - de medie tensiune - de joasa tensiune f) dupa destinatie : - pentru masurare ; pot fi de exactitate pe domeniu extins (simbol s) - pentru protectie Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare. Transformatoarele de masurare sunt destinate masurarii tensiunii, intensitatii curentului electric, puterii, energiei in circuitele alimentate la tensiune alternativa In circuite trifazate cu N conductoare: N-1 transformatoare de masurare Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare Transformatorul de masurare de tensiune (voltage transformer, VT) este un echipament de masurare care modifica parametrii de tensiune alternativa de la o valoare mare (tensiunea din infasurarea primara U 1) in valori mai mici, compatibile cu domeniile de masurare ale instrumentelor de masurare, inclusiv contoare de energie electrica, si ale sistemelor de protectii prin relee (engl. : Protection in Power Systems). Valorile efective nominale tensiunii secundare (U 2) sunt normate: U 2 n = 100 V sau U 2 n =110 V. Constructiv, transformatoarele de masurare de tensiune pot fi inductive sau capacitive. Transformatorul de masurare de tensiune inductiv: un transformator clasic care functioneaza in regim de „secundarul in gol“ In cazul ideal: Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare Transformatorul de masurare de tensiune (TT) TT se utilizeaza pentru reducerea valorilor tensiunii electrice in circuitele cu tensiuni nominale de peste 1000 V la o tensiune secundara compatibila cu aparatele uzuale de masurare (100 V). Din punctul de vedere al izolatiei, TT pot fi cu izolatie de aer, ulei, portelan, rasini de turnare. Principalele caracteristici metrologice: - tensiunea primara nominala U 1 n cu valori : 0, 38; 0, 4; 0, 5; 0, 66; 3; 5; 6; 10; 15; 20; 35; 60 ; 110 ; 220 ; 400 k. V. - tensiunea secundara nominala U 2 n avand valorile: 110 V; 100 V. - tensiunea maxima de lucru U 1 max : cea mai mare valoare efectiva a tensiunii intre faze, care poate aparea la bornele primare, in conditii normale U 1 max =1, 2 U 1 n Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare Transformatorul de masurare de tensiune. Schema de functionare a transformatoarelor de putere: RCu 1, RCu 2, rezistentele infasurarilor primara, respectiv secundara X 1, X 2, reactanta secundara Rv, rezistenta echivalenta pierderilor „in fier“ Xh , reactanta Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare Transformatorul de masurare de tensiune. Raportul de transformare este un numar complex a carui abatere fata de raportul nominal (real!) este aproximata prin modul – eroarea de raport ( ku, )– si faza – eroarea de unghi ( u). Erorile sunt determinate de receptorul din circuitul secundar! („sarcina pe secundar“ Zs). Daca Rv, Xh, >> Zs si Zs Rb , notand RCu = RCu 1 + RCu 2 si X = X 1 + X 2, se obtine: Eroarea de raport: Eroarea de unghi: Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare Transformatorul de masurare de tensiune (TT) Convertoarele de masurare au asociata eroarea relativa maxima de masurare indicata prin clasa de exactitate 0, 1 - 0, 2 - 0, 5 -1. Exista clase de exactitate indicate cu „s“ [special] pentru care limitele maxime ale erorilor sunt mai mici decat cele ale claselor corespunzatoare (fara s). Limitele sunt date tabelar, atat pentru raportul tensiunilor (ku) cat si pentru defazaj. Exemplu: transformatoarele de masurare TT de clasa c au pentru U 1 = (0, 8. . . 1, 1)Un : pentru sarcina secundara in intervalul (0, 25. . . 1)Pn, si cos n : Accuracy class 0. 2 0. 5 1 Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro ± Percentage of voltage error 0. 2 0. 5 1 phase displacement (minutes) 10 20 40
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare Transformatorul de masurare de tensiune (TT) TT destinat masurarii in circuite cu tensiuni nominale primare mai mari decat 110 k. V poate fi realizat mai eficient (economic) ca transformator capacitiv: acesta contine un divizor de tensiune (C 1 si C 2 ) in secundarul caruia se conecteaza un transformator de masurare inductiv prin intermediul unei bobine de inductivitate mare (L 2). Deoarece U‘ 1<<U 1, izolatia transformatorului inductiv este mai usor de realizat, deci mai ieftina. Considerand ca Rv si Xh pot fi neglijate si folosind notatiile: Se obtine circuitul echivalent: Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Cu metoda sursei de tensiune echivalente: C 2 se alege astfel incat sa se indeplineasca conditiile de rezonanta de tensiune (transfer maxim de putere): Cu aproximarea unei sarcini secundare rezistive: Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Transformatoare de masurare. Circuite de conectare Transformatoarele de masurare se utilizeaza pentru masurarea tensiunii, intensitatii curentului electric, puterii, energiei in circuitele alimentate la tensiune alternativa Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Transformatoare de masurare. Circuite de conectare GE Digital Energy: Instrument Transformer Basic Technical Information and Application - https: //www. gedigitalenergy. com/products/brochures/ITItech. Info. pdf mihaela. albu@upb. ro Prof. Mihaela Albu
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare Transformatorul de masurare de curent (TC) TC modifica parametrii curentului prin circuitul [primar] de masurare de la o valoare I 1 la o valoare mai mica, I 2, compatibila cu aparatele de masurare si circuitele de protectie prin relee din statiile electrice: I 2 trebuie sa fie proportional cu I 1 si in faza. ATENTIE! transformatoarele sunt inductive doar pentru circuite de curent alternativ!. In plus: circuitul primar se gaseste de obicei la inalta tensiune nevoie de izolatie! curentul nominal primar I 1 n poate avea valorile : 5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 75 A precum si multiplii si submultiplii zecimali. Valorile nominale curentului in secundar: 5 A si 1 A. tensiunea maxima de lucru Umax: cea mai mare valoare efectiva a tensiunii intre faze care ar putea sa apara la un moment dat la bornele TC, in conditii normale de exploatare. Constructiv, TC este un transformator inductiv care functioneaza in regim de scurtcircuit (pe secundar!). In cazul ideal: Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare. TC Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 In cazul transformatoarelor inductive de masurare functionarea este aproximativ „ in scurtcircuit „ (sarcina secundara data de impedanta aparatelor de masurare!) curentul secundar u este in faza cu curentul primar! Eroare de modul Ii eroare de unghi. Transformatoarele de masurare de curent pot avea infasurare de masurare si infasurare de protectie. Cele pentru masurare sunt clasificate prin clasa de exactitate care da informatii privind incertitudinea maxima de masurare in conditii nominale la diverse nivele ale curentului primar Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare Transformatorul de masurare de curent. Accuracy class 0. 1 0. 2 S 0. 2 0. 5 S 0. 5 1 Accuracy class ± Phase displacement at percentage of rated current (minutes) 1 30 90 - 5 15 15 30 45 90 180 20 8 10 15 30 45 90 100 5 10 10 30 30 60 120 5 10 10 30 30 60 ± Percentage of current error at percentage of rated current 0. 1 0. 2 S 0. 2 0. 5 S 0. 5 1 0. 75 1. 5 - 5 0. 4 0. 35 0. 75 1. 5 20 0. 2 0. 35 0. 75 100 0. 1 0. 2 0. 5 120 0. 1 0. 2 0. 5 1 - 3 1. 5 1 1 Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare. TC an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Comportarea la curenti primari (de scurtcircuit). In cazul curentilor de scurtcircuit, se distinge comportarea diferita a transformatoarelor de masurare (infasurarile de masurare ale TC) fata de cele destinate circuitelor de protectie (infasurarile de protectie ale TC) Transformatoarele de masurare trebuie sa protejeze aparatele conectate in secundar la curentii mari: de exemplu, in cazul in care curentul primar de scurtcircuit este de 10 ori mare decat curentul primar nominal, I 2=50 A. se proiecteaza astfel incat in mod deliberat sa aiba erori negative mari (n 0 <5 ) astfel incat la curent primar de 5 ori mare decat curentul nominal eroarea este 10%. La transformatoarele de protectie: n 0 >10 deoarece circuitele de protectie trebuie sa sesizeze curentul mare primar (ele nu trebuie protejate in acelasi mod precum aparatele de masurare). Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, Convertoare de intrare. Transformatoare de masurare. TC an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Comportarea la circuit secundar intrerupt (mers in gol) I 2=0 Intreg curentul primar va magnetiza miezul magnetic care se va satura exceptand intervalele de timp cand curentul primar trece prin zero. Demagnetizare rapida se induc tensiuni (di/dt) de valoare mare pericol de strapungere a izolatiei! In figura la I=I 1 s circuitul magnetic se satureaza Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Transformatoare de curent – circuite de protectie: notatie C 200: eroarea maxima 10% pentru I/In=20 la impedanta secundara Z 2=2 : 200 V=20 x 5 Ax 2 GE Digital Energy: Instrument Transformer Basic Technical Information and Application - https: //www. gedigitalenergy. com/products/brochures/ITItech. Info. pdf mihaela. albu@upb. ro Prof. Mihaela Albu
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Exemplu Fie un transformator de masurare de curent pentru care se cunosc : kin=5/20; R 1=0. 05 Ω; R 2=0, 1 Ω; R 1 E=1 M Ω; L 1σ=5 m. H; L 2σ=5 m. H; L 1 h=550 m. H; I 1=20 A; f=50 Hz. Sa se calculeze I 2. Sa se calculeze care este valoarea maxima a rezistentei interne a ampermetrului conectat in secundar (RA ) daca trebuie indeplinite conditiile: δ<0. 10 si | 1% Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Intrebari / semnalare erori (!). Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro albu@ieee. org
Masurarea marimilor electrice, an III - Facultatea de Energetica U. P. B. 2019 -2020 Intrebari / semnalare erori (!). Prof. Mihaela Albu mihaela. albu@upb. ro albu@ieee. org