Misuratori di fase: scopo, tipi, dispositivo e principio di azione

Un dispositivo di misurazione elettrica è chiamato un misuratore di fase, la cui funzione è quella di misurare l'angolo di fase tra due oscillazioni elettriche di frequenza costante. Ad esempio, utilizzando un fasore, è possibile misurare l'angolo di fase in una rete di tensione trifase. I misuratori di fase vengono spesso utilizzati per determinare il fattore di potenza, coseno phi, di qualsiasi impianto elettrico. Pertanto, i misuratori di fase sono ampiamente utilizzati nello sviluppo, nella messa in servizio e nel funzionamento di vari dispositivi e apparecchi elettrici ed elettronici.

Quando il fasore è collegato al circuito misurato, il dispositivo è collegato al circuito di tensione e al circuito di misura corrente. Per una rete di alimentazione trifase, il fasore è collegato in tensione a tre fasi e in corrente agli avvolgimenti secondari dei trasformatori di corrente anche in tre fasi.

A seconda del dispositivo del misuratore di fase, è anche possibile uno schema semplificato della sua connessione, quando è collegato anche a tre fasi per tensione e per corrente - solo a due fasi.La terza fase viene quindi calcolata sommando i vettori di due sole correnti (due fasi misurate). Scopo del misuratore di fase — misura del coseno phi (fattore di potenza), quindi nel linguaggio ordinario sono anche chiamati «contatori coseno».

Oggi puoi trovare misuratori di fase di due tipi: elettrodinamici e digitali. I misuratori di fase elettrodinamici o elettromagnetici si basano su uno schema semplice con un meccanismo proporzionale per misurare lo sfasamento. Due telai fissati rigidamente l'uno all'altro, l'angolo tra i quali è di 60 gradi, sono fissati sugli assi nei supporti e non vi è alcun momento meccanico opposto.

In determinate condizioni, che vengono impostate modificando lo sfasamento delle correnti nei circuiti di questi due telai, nonché l'angolo di attacco reciproco di questi telai, la parte mobile del dispositivo di misurazione viene ruotata di un angolo uguale all'angolo di fase. La scala lineare del dispositivo consente di registrare il risultato della misurazione.

Diamo un'occhiata al principio di funzionamento di un misuratore di fase elettrodinamico. Ha una bobina fissa di corrente I e due bobine mobili. Le correnti I1 e I2 fluiscono attraverso ciascuna delle bobine mobili. Le correnti fluenti creano flussi magnetici sia nella bobina stazionaria che nelle bobine mobili. Di conseguenza, i flussi magnetici interagenti delle bobine generano due coppie M1 e M2.

I valori di questi momenti dipendono dalla posizione relativa delle due bobine, dall'angolo di rotazione della parte mobile del dispositivo di misura, e questi momenti sono diretti in direzioni opposte.I valori medi dei momenti dipendono dalle correnti circolanti nelle bobine mobili (I1 e I2), dalla corrente circolante nella bobina stazionaria (I), dagli angoli di sfasamento delle correnti delle bobine mobili rispetto al corrente nella bobina stazionaria (ψ1 e ψ2 ) e sugli avvolgimenti dei parametri di progetto.

Di conseguenza, la parte mobile del dispositivo ruota sotto l'azione di questi momenti fino a raggiungere l'equilibrio, causato dall'uguaglianza dei momenti risultanti dalla rotazione. La scala del misuratore di fase può essere calibrata in termini di fattore di potenza.

Gli svantaggi dei misuratori di fase elettrodinamici sono la dipendenza delle letture dalla frequenza e il consumo significativo di energia dalla sorgente studiata.

I misuratori di fase digitali possono essere implementati in vari modi. Ad esempio, un misuratore di fase di compensazione ha un alto grado di accuratezza anche se viene eseguito in modalità manuale, ma considera come funziona. Esistono due tensioni sinusoidali U1 e U2, lo sfasamento tra le quali è necessario conoscere.

La tensione U2 viene fornita allo sfasatore (PV), che è comandato tramite codice dall'unità di controllo (UU). Lo sfasamento tra U3 e U2 viene modificato gradualmente fino a raggiungere una condizione in cui U1 e U3 sono in fase. Regolando il segno dello sfasamento tra U1 e U3, viene determinato il rivelatore sensibile alla fase (PSD).

Il segnale di uscita del rivelatore sensibile alla fase viene inviato all'unità di controllo (CU). L'algoritmo di bilanciamento è implementato utilizzando il metodo del codice a impulsi. Dopo che il processo di bilanciamento è stato completato, il codice del fattore di sfasamento (PV) esprimerà lo sfasamento tra U1 e U2.

La maggior parte dei moderni misuratori di fase digitali utilizza il principio del conteggio discreto.Questo metodo funziona in due passaggi: convertire lo sfasamento in un segnale di una certa durata e quindi misurare la durata di questo impulso utilizzando un numero discreto. Il dispositivo contiene un convertitore fase-impulso, un selettore temporale (VS), un impulso di modellazione discreto (f/fn), un contatore (MF) e un DSP.

Un convertitore fase-impulso è formato da U1 e U2 con uno sfasamento Δφ impulsi rettangolari U3 come sequenza. Questi impulsi U3 hanno una frequenza di ripetizione e un duty cycle corrispondenti alla frequenza e allo sfasamento temporale dei segnali di ingresso U1 e U2. Gli impulsi U4 e U3 formano impulsi di rilevamento discreti di periodo T0 che vengono applicati al selettore di tempo. Il selettore di tempo a sua volta si apre per la durata dell'impulso U3 e passa attraverso gli impulsi U4. Come risultato dell'uscita del selettore di tempo, si ottengono raffiche di impulsi U5, il cui periodo di ripetizione è T.

Il contatore (MF) conta il numero di impulsi nel pacchetto seriale U5, con il risultato che il numero di impulsi ricevuti dal contatore (MF) è proporzionale allo sfasamento tra U1 e U2. Il codice dal contatore viene inviato al centro di controllo centrale e le letture del dispositivo vengono visualizzate in gradi con una precisione di decimi, ottenuta dal grado di discrezionalità del dispositivo. L'errore di discretezza è correlato alla capacità di misurare Δt con una precisione di un periodo di conteggio degli impulsi.

I misuratori di fase elettronici per la media del coseno phi digitale possono ridurre l'errore calcolando la media su diversi periodi T del segnale di prova.La struttura del misuratore di fase medio digitale differisce dal conteggio del circuito discreto per la presenza di un altro selettore temporale (BC2), nonché di un generatore di impulsi (GP) e di un generatore di impulsi discreti (PI).

Qui, il convertitore di sfasamento U5 include un generatore di impulsi (PI) e un selettore di tempo (BC1). Per un periodo di tempo calibrato Tk, molto maggiore di T, vengono alimentati al dispositivo più pacchetti, all'uscita del quale si formano più pacchetti, questo è necessario per fare la media dei risultati.

Gli impulsi U6 hanno una durata che è un multiplo di T0, poiché il formatore di impulsi (PI) funziona secondo il principio della divisione della frequenza per un dato fattore. Gli impulsi del segnale U6 aprono il selettore tempi (BC2). Di conseguenza, diversi pacchetti arrivano al suo ingresso. Il segnale U7 viene inviato al contatore (MF) che è collegato al centro di controllo centrale. La risoluzione del dispositivo è determinata dal set di U6.

L'errore del misuratore di fase risente anche della scarsa precisione di fissare lo sfasamento da parte del convertitore durante l'intervallo di tempo degli istanti di transizione dei segnali U2 e U1 attraverso gli zeri. Ma queste imprecisioni vengono ridotte quando si calcola la media del risultato dei calcoli per un periodo Tk, che è molto più grande del periodo dei segnali di ingresso studiati.

Speriamo che questo articolo ti abbia aiutato a ottenere una comprensione generale di come funzionano i misuratori di fase. Puoi sempre trovare informazioni più dettagliate nella letteratura speciale, di cui, fortunatamente, oggi c'è molto su Internet.