Вначале немного теории. В упрощенном виде, при полном совпадении фазы тока и напряжения, получается 100% активная мощность, а сдвиг фаз на 90% между током и напряжением означает, что потребитель использует только реактивную нагрузку (емкость или индуктивность).

Полезная работа в электрической нагрузке связана с активной мощностью, например это активное сопротивление нити накаливания ламп или нагревательных приборов, электропечей. Но есть много других типов потребителей – электродвигатели и трансформаторы представляют собой сочетание активной и реактивной мощности.

Все учебники дают понимание того факта, что полезная работа, совершаемая электродвигателем, обусловлена взаимодействием электромагнитных полей. Поля создаются токами в контурах обмоток, причем, часть этих токов является реактивными. При добавлении конденсатора к обмотке двигателя, как предлагал Тесла, мощность, потребляемая двигателем от электрической сети переменного тока, значительно снижается. На частотах 50 Гц это может быть не очень заметно, но колебательные контура на высоких частотах могут иметь очень высокую добротность, то есть соотношение реактивного и активного тока. Активные токи в высокочастотных схемах стараются уменьшать, так как эти токи обуславливают тепловые потери. Повышение добротности колебательного контура, за счет увеличения толщины проводов обмотки двигателя, дает снижение этих потерь.

Активный ток и реактивный ток состоят из реальных движений обычных электронов, которые при движении создают реальное магнитное поле. Именно это вращающееся магнитное поле в электродвигателях или переменное поле в трансформаторе совершают реальную работу, даже если это поле, в основном, создается так называемым «реактивным» током.

Мощность потребления, за которую платит потребитель электроэнергии, определяется произведением значений тока, напряжения и косинуса угла сдвига фаз. Косинус угла 90% равен нулю, следовательно при нагрузке потребитель не должен платить электроэнергию! Правда поставщики электроэнергии от такой ситуации защитились, включив в договор о присоединении к электрическим сетям ограничения по реактивной мощности. В ряде стран даже ввели два тарифа: за реактивную мощность там берут оплату в несколько раз ниже, чем за активную.

Перейдём к практике

Преобразователь активной мощности это промышленное устройство, которое измеряет потребляемую активную мощность и преобразует ее в аналоговый сигнал. Из-за разнообразия потребностей и диапазонов измерения их производят в основном под заказ. В этом случае выполняется трехфазное полу-косвенное измерение с использованием трансформаторов тока 600/5 А, что соответствует диапазону мощности 0 – 400 кВт. Выход преобразователя – токовая петля 4 – 20 мА.

Этот преобразователь был установлен в трансформаторной подстанции, измерялся только одним измерительным трактом и служил для предварительного просмотра мощности, потребляемой установкой. Временно неработал, но ввиду резкого роста цен на электроэнергию необходимо было восстановить работу измерения, чтобы проанализировать экономию, которую может дать изменение тарифа.

Данные преобразователя с диапазоном измерения указаны на наклейке. Как видно, это трехфазное устройство. Изначально к преобразователю и питанию от измеряемой фазы подключался только один трансформатор тока, а в программе учета результат умножается на 3.

Разборка преобразователя

Начнем разборку корпуса. Клеммные колодки прикручены метрическими винтами с защитой от выпадения. Кроме того, передняя панель закрывается защелками по бокам корпуса.

Внутри видим электронику, состоящую из трех плат, соединенных штырями.

Верхняя плата измеряет напряжение. Нижняя отвечает за измерение тока, а также умножение и суммирование аналоговых сигналов. На средней плате находится блок питания и преобразователь аналоговых сигналов – токовая петля 4 – 20 мА.

Нулевой уровень равен 4 мА, поэтому при максимальном уровне 20 мА диапазон изменения составляет 16 мА, что и следует принять для дальнейших расчетов. Преобразователь можно использовать для измерения отдаваемой мощности путем изменения полярности контуров тока (или трансформаторов тока).

Плата напряжения содержит трансформаторы напряжения. Первичные обмотки с сопротивлением 135 Ом соединены двумя резисторами по 56 кОм, что делает напряжение на первичке очень низким (около 3 В), а напряжение на вторичной обмотке практически неизмеримым. Трансформаторы имеют соотношение 1:1. Измерительные схемы состоят из популярных операционных усилителей TL061, TL062 и TL082.

Токовая плата содержит трансформаторы тока, первичная обмотка которых выполнена путем пропускания проводника через сердечник. Измерительная схема состоит из операционных усилителей TL081 и TL082. На плате есть 2 многооборотных подстроечных резистора для калибровки и получения равных показаний с трех линий.

На среднем элементе находится сетевой трансформатор с вторичным напряжением 2х18 В, который после выпрямления дает 2х28 В. Трансформатор не имеет защиты в виде предохранителей или варисторов. Вторичное напряжение стабилизируется до ±12 В стабилизаторами 7812 и 7912. Также на плате имеется прецизионный источник напряжения -5 В – LM336Z-5.0 в схеме преобразователя токовой петли. Для этого использовался прецизионный операционный усилитель LT1013. Кроме того, тут установлены транзисторы BC337 и BD140 и многооборотные подстроечные резисторы для калибровки токового выхода. Для питания токового выхода используется напряжение +28 В, оно необходимо в случае большого сопротивления нагрузки токовой петли.

Гальваническая развязка выхода токовой петли обеспечивается трансформатором и трансформаторами напряжения и тока.

Ремонт устройства

Датчик в процессе ремонта заменили на новый. Проверили напряжение питания. Измерение показало низкое напряжение ± 10 В, оказалось форма сигнала падает до нуля, когда напряжение сети пересекает ноль. Конечно за столько лет электролитические конденсаторы высохли. Конденсаторы перед стабилизаторами не поддавались измерению по значительной утечке, а конденсаторы после стабилизаторов имели емкость порядка 100 нФ. Они были заменены новыми и напряжения питания достигли правильного значения.

Далее как проверить в домашних условиях исправен ли преобразователь. Сначала к выходу подключаем миллиамперметр. Во-вторых, подключаем измерительную схему как для прямого измерения. Следует помнить что максимальный ток, который должен протекать через тестовую нагрузку, не должен превышать 5 А. Ступенька появляется при пересчете диапазона измерения без трансформаторов и переводе его в петлевое значение 4 – 20 мА. Трансформатор 600/5 – множитель на 120, поэтому диапазон измерения без трансформаторов 0 – 3333 Вт. Измеряя одну фазу (5 А) добьемся только 1/3 диапазона, то есть 1111 Вт.

Токовая петля составляет 4 мА «ноль» и 16 мА полный диапазон. Таким образом, каждый миллиампер выше 4 мА составляет примерно 208 Вт активной мощности. Поэтому для получения четкой разницы в показаниях миллиамперметра необходима большая нагрузка. Преобразователь проверялся с помощью нагревателя 750/1300 Вт. Для простоты соединили все токовые пути последовательно, а все напряжения параллельно — благодаря этому показание умножилось на три. Также проверили что произойдет если текущее направление потока изменится на противоположное. Конечно, он будет не добавляться, а вычитаться, при этом аналоговый сигнал не станет отрицательным (меньше 4 мА).

Итог работы: заменив электролитические конденсаторы удалось отремонтировать преобразователь активной мощности. Однолучевое измерение было заменено однофазным измерением по трем путям (последовательное соединение цепи тока и параллельное соединение цепи напряжения), так как выходной сигнал имел слишком малый диапазон (4 – 6 мА) и, следовательно, точность была ниже. Всем спасибо за внимание.