12. Шунты, добавочные сопротивления и измерительные трансформаторы.
Включение амперметра и вольтметра в сеть показано на рис. 42. Амперметр включен в рассечку одного из проводов и показывает силу тока, идущего из гальванического элемента в цепь магазина сопротивлений. Вольтметр присоединен к прямому и обратному проводам сети и показывает напряжение у зажимов элемента. На рис. 43 показано включение тех же приборов в цепь динамомашины постоянного тока. На этом рисунке обозначают: 1 — якорь генератора, 2 — его шунтовая обмотка возбуждения, 3 — автоматический максимальный выключатель, 4 — последовательная обмотка возбуждения, 5 — вольтметр, 6 — главный выключатель, 7 — шунт К амперметра, 8 — амперметр; 9 — предохранители, 10 — фидерные рубильники, 11 — фидеры. Шунты вообще применяются в постоянном и, иногда, в переменном токе при измерениях значительных сил тока. В отдельных случаях они бывают заключены в самих приборах, по большей же части устанавливаются отдельно. Материалом для изготовления шунтов служат сплавы (1), сопротивление которых с изменением температуры практически почти не меняется, как, например, манганин (сплав марганца, меди и никкеля), нейзильбер (сплав цинка, меди и никкеля) и пр. Форма шунтов — в виде полых цилиндров или одной или нескольких полос, как это и показано на рис. 44.
Последняя конструкция лучше в том отношении, что шунт находится в более благоприятных условиях охлаждения. Шунты включаются в сеть вместо амперметра при помощи болтов, пропускаемых через отверстия, обозначенные на рис, 1, а амперметры присоединяются к зажимам 2 шунта при помощи специальных тонких проводничков. Проводнички эти обыкновенно прикладываются к прибору и заменять их другими не следует, так как прибор был проградуирован с этими проводничками и замена их другими может дать неправильные показания. В лабораторной практике иногда имеют для одного амперметра несколько шунтов, из которых пользуются наиболее подходящим для данного предела измерения. Таким образом, например, амперметр фактически пропускающий через себя до 5 ампер, может служить, при применении того или другого шунта для измерений силы тока — до 10, 100 и 1000 ампер.
Так как амперметр и его шунт включены параллельно, то силы проходящих по ним токов будут обратно пропорциональны их сопротивлениям. Если обозначим для амперметра силу тока и сопротивление ia и ra, а для шунта соответственно через iш и rш, то можем написать:
При таком дроблении тока амперметр должен показывать общую силу тока, идущего по цепи
Определяя из написанной выше пропорции сопротивления шунта, получим:
В последнем выражении отношение ia/iш обычно берут равным
и т. д. Имея такое указание, можно расчитать шунт для каждого амперметра уже без всяких расчетных формул.
Пример. Амперметр на 1 ампер требуется снабдить шунтами для того, чтобы можно было измерять силы тока до 10, 100 и 1000 ампер. Посмотрим, как для данного случая можно использовать вышеуказанные отношения. Для этого составим таблицу.
| Пределы измерений | Отношение сопротивлений. | Ток в приб. в амп. | Ток в шунте. | Ток в сети. |
| 10 | 1/9 | 1 | 9 | 10 |
| 100 | 1/99 | 1 | 99 | 100 |
| 1000 | 1/999 | 1 | 999 | 1000 |
Пример. Сопротивление амперметра равно 1 ому, сопротивление его шунта в 99 paз меньше. Определить силу тока проходящего через шунт и через амперметр, при силе тока в цепи, равной 50 амперам.
Составляя из вышеприведенной производную пропорцию получим
Для нашего случая имеем
При рассмотрении вольтметров различных типов нами уже была отмечена необходимость включения последовательно с вольтметром некоторого добавочного сопротивления. Расположение этого сопротивления в цоколе прибора было показано на рис. 17. Отдельные добавочные сопротивления представлены на рис. 45, при чем первый ящичек предназначен для вольтметра с пределами измерений до 3, 15 и 150 вольт, второй ящичек — на те же пределы измерений, плюс для измерений до 300 вольт, третий на четыре предела измерений до 600 вольт. Какими зажимами надлежит пользоваться для измерений напряжения в данной сети, на зажимах ящичков сделаны отметки, а на приборе дано несколько шкал или указана цена деления при пользовании тем или другим добавочным сопротивлением.
Пример. Вольтметр имеет три предела измерения. 3, 15 и 150 вольт, а его шкала — 150 делений. Следовательно, при измерении напряжения до 3 вольт его каждые 50 делений будут соответствовать 1 вольту, а одно деление = 0,02 вольта. Это и будет цена деления для первого случая. Во втором случае цена деления составит 15 : 150 = 0,1 вольта и в третьем случае — 1 вольт.
Рассмотрим теперь, как в отдельных случаях, комбинируя шунты и добавочные сопротивления или даже обходясь без них, можно из вольтметра сделать амперметр и, обратно, из амперметра вольтметр.
Пример. Измерительный инструмент имеет сопротивление в 3 ома и служит для измерения силы тока до 20 миллиампер. Потеря напряжения в приборе при полном отклонении его стрелки составляет
e = i * r = 0,020 * 3 = 0,06 вольта = 60 милливольтам.
Поэтому прибор может служить и милливольтметром для измерений до 60 милливольт.
Пример. Измерительный прибор, имеющий сопротивление в 3 ома и при полном отклонении стрелки пропускающий ток в 20 миллиампер, нужно переконструировать в вольтметр для напряжений до 110 вольт. Очевидно, что последовательно с прибором необходимо включить такое добавочное сопротивление, чтобы, при напряжении в 110 вольт и при полном отклонении стрелки, по прибору и добавочному сопротивлению проходил ток силою в 20 миллиампер. Отсюда по закону Ома, общее сопротивление вольтметра и добавочного сопротивления
А так как сопротивление самого прибора составляет 3 ома, то добавочное сопротивление должно иметь 5500 — 3 = 5497 омов.
Пример. Сопротивление вольтметра со шкалою до 110 вольт составляет 3 ома, величина добавочного сопротивления 5497 омов. Так как при полном отклонении стрелки прибора, по нему идет ток
то он, без добавочного сопротивления, может быть использован в качестве амперметра для измерений силы тока до 20 миллиампер.
Пример. Вольтметр предыдущего примера должен быть использован для измерений напряжения до 220 вольт. Чтобы в этом случае сила проходящего по прибору тока не превышала 0,02 ампера, нужно, чтобы сопротивление прибора, включая его добавочное сопротивление, в сумме составляло
из каковой суммы на долю добавочного сопротивления приходится
Пример. Миллиамперметр сопротивлением в 3 ома и со шкалою в 20 миллиампер нужно переконструировать на амперметр со шкалою в 20 ампер. При токе в цепи i = 20 ампер имеем ток в приборе ia = 0,02 ампера и ток в шунте iш = 20 — 0,02 = 19,88 ампера. Поэтому сопротивление шунта необходимого для данного случая, будет
При измерениях в цепях переменного тока высокого напряжения включение приборов в сеть непосредственно уже не представляется возможным, так как в таком случае приборы были бы недоступны для обслуживающего их персонала. Для включения приборов в сеть служат тогда измерительные трансформаторы, построенные по такому же принципу, как и трансформаторы, широко применяемые в технике переменных токов.
На рис. 46 представлен трансформатор тока, у которого первичная обмотка включена в один из проводов, как амперметр, а вторичная обмотка замкнута на измерительный прибор. В зависимости от величины тока, проходящего в сети и, следовательно, по первичной обмотке, во вторичной обмотке индуктируется электродвижущая сила, а так как величина ее пропорциональна току в сети, то на приборе вместо шкалы напряжения наносят шкалу силы тока главной сети. Так как первая обмотка пропускает через себя весь ток, то она должна быть выполнена из толстой проволоки и иметь незначительное количество витков. Вторичная же обмотка будет иметь большое число витков тонкой проволоки. При сравнительно невысоких напряжениях сердечник трансформатора и его обе обмотки совершенно открыты. При высоких же напряжениях открыты только зажимы.
Так на рис. 47 мы видим зажимы 1 и 2, к которым присоединяется провод высоковольтной сети, и основание которых укреплено на фарфоровом цилиндре. В нижней части последнего видны зажимы 3 и 4, к которым присоединяется амперметр. К зажимам этим можно свободно прикасаться, так как по ним проходит ток низкого напряжения. Степень безопасности увеличивается еще тем, что один из этих зажимов заземляется.
Трансформатор тока, представленный на рис. 48, на котором цифры имеют то же обозначение, что и на предыдущем рисунке, отличается тем, что первичной обмоткой в нем служит пропущенная через него шина 1-2. Фланец 5 трансформатора укрепляется на полу или на стенке и, таким образом, прибор служит еще проходной втулкой.
В трансформаторе напряжения первичная обмотка имеет много витков и присоединяется к двум проводам сети, как это показано на рис. 49. Вторичная обмотка выполняется с малым количеством витков и замыкается на вольтметр. Напряжение во вторичной цепи во столько раз меньше, во сколько раз меньше, по сравнению с первичной обмоткой, число витков во вторичной цепи. Но напряжение главной сети и показывает на шкале напряжение этой сети, как будто включен в нее непосредственно. Внешний вид трансформатора напряжения представлен на рис. 50. 1 и 2 — его зажимы высокого напряжения, 3 и 4 — зажимы низкого напряжения, присоединяемые к вольтметру.
Измерительный трансформатор и измерительный прибор надлежит рассматривать как одно целое. Каждому измерительному прибору соответствует свой трансформатор. Последние можно менять только у совершенно однотипных приборов.
Трансформаторы тока применяются и при низких напряжениях, если сила тока в сети велика. Трансформаторы напряжения применяются, если напряжение в сети превышает 600 вольт. При более низких напряжениях устанавливаются вольтметры с добавочными сопротивлениями.
1) См. таблицу 1 в книге А. Ноlzt, "Электрический ток, его законы и действия". Издание Московского Акционерного Издательского Общества.
