Методи за измерване на електрическа мощност. Измерване на мощност и енергия

Консумирана мощност от товара във веригата променлив ток, е равен на средния за времето произведение на моментните стойности на напрежението и тока на натоварване. Ако напрежението и токът се променят синусоидално, тогава мощността P може да бъде представена като P \u003d UI cosφ, където U и I - ефективни стойности напрежение и ток, а φ е фазовият ъгъл (ъгъл на изместване) на синусоидите на напрежението и тока. Ако напрежението е изразено във волта, а токът в ампери, тогава мощността ще бъде изразена във ватове. Факторът cosφ, наречен фактор на мощността, характеризира степента на синхронност между колебанията на напрежението и тока.

От икономическа гледна точка най-важното електрическо количество - енергия. Енергията W се определя от произведението на мощността и времето на нейното потребление. В математическа форма това се записва като:

Ако времето се измерва в секунди, напрежението е във волта, а токът е в ампери, тогава енергията W ще бъде изразена във ват секунди, т.е. джаули. Ако времето се измерва в часове, тогава енергията е във ват-часове. На практика е по-удобно да се изразява електричеството в киловатчас.

С помощта на устройства от различни системи се правят измервания на активна (), реактивна () и обща () мощност във вериги постоянен ток, еднофазен и трифазен променлив ток, моментни стойности на мощността, както и количеството електричество в широк диапазон. В този случай обхватът на измерените мощности може да бъде от части от μW до десетки GW.

За непреки измервания на мощността в постояннотокови вериги използвайте волтметър и амперметър метод... В този случай устройствата могат да се включат по два начина.

Фигура: 9.3 Схеми за измерване на мощността според показанията на волтметър и амперметър при малки и големи съпротивления натоварване.

Методът е прост, надежден, икономичен, но има редица съществени недостатъци:

· Необходимостта от отчитане на два инструмента;

· Необходимостта от извършване на изчисления;

· Ниска точност поради сумиране на грешките на инструмента.

Метод на компенсация използва се, когато се изисква висока точност на измерването на мощността. Компенсаторът от своя страна измерва тока на товара и спада на напрежението в товара. За измерване на мощността се използват електродинамични инструменти.

Фигура: 9.4 Схема на свързване на електродинамичен ватметър чрез измервателни трансформатори на ток и напрежение.

В широк честотен диапазон, цифрови ватметри... Те извършват автоматичен избор на граници на измерване, самокалибриране и имат външен интерфейс.

За измерване на мощността в трифазни вериги използвайте методи на един, два и три ватметра.

Първият вариант се използва за системи с равномерно фазово натоварване, еднакви фазови ъгли между ток и напрежение. В този случай товарът може да се включи според схемата звезда, триъгълник.

При асиметрично натоварване се използват два метода ватметър. В този случай е необходимо да се изчисли общата мощност, като се вземе предвид схемата за превключване на устройството. Когато се използва схема с три ватметра, показанията се сумират, за да се определи консумацията на енергия.

За измерване на мощността във високочестотни вериги се използват както директни, така и индиректни методи, като се използват термоелектрически преобразуватели, сензори на Хол, електронни и цифрови ватметри. За измерване на енергията се използват електромеханични и електронни измервателни уреди.

Когато се измерва мощността, честотата на фазово изместване, измервателните механизми на електродинамичната система се използват широко, тъй като тези устройства имат сложна функционална връзка:

(9.4)

Ако пропускате ток през последователно свързани бобини, тогава можете да използвате тока и напрежението, когато една от бобините е свързана към веригата, можете да осигурите допълнително фазово изместване. По този начин е възможно да се измери активната и реактивната мощност.

Ватметърът се състои от две намотки: фиксирана 1, състояща се от малък брой завои с дебела тел, и подвижна 2, състояща се от голям брой завои от тънка тел. Когато ватметърът е включен, токът на натоварване преминава през неподвижна намотка, свързана последователно към веригата, и движещата се намотка е свързана паралелно на консуматора. За да се намали консумацията на енергия в паралелната намотка и да се намали теглото на подвижната намотка, допълнително съпротивление 3 от манганина е свързано последователно с нея. В резултат на взаимодействието на магнитните полета на движещата се и неподвижна намотки възниква въртящ момент, пропорционален на токовете на двете намотки:

т.е. въртящият момент на устройството е пропорционален на консумираната мощност във веригата.

За да може стрелката на устройството да се отклони от нула надясно, е необходимо да премине ток през бобината в определена посока.

За това две скоби, обозначаващи началото на намотките, са маркирани със * и са електрически свързани. Скалата на ватметъра показва номинален ток и номинално напрежение устройство. Така например, ако скалата на устройството показва 5 A и 150 V, тогава устройството може да измери мощност до 750 W. Скалите на някои ватметри се градуират по деления. Ако например ватметърът 5 A и 150 V има 150 деления, тогава стойността на делението или константата на ватметъра е 750: 150 \u003d 5 W / дел.

В допълнение към електродинамичните ватметри, ватметрите на феродинамична система също се използват за измерване на мощността в постояннотокови вериги.

2. Еднофазен променлив ток. Когато електродинамичният ватметър е свързан към веригата на променлив ток, магнитните полета на движещите се и неподвижни бобини, взаимодействащи помежду си, ще доведат до завъртане на движещата се бобина. Моментният въртящ момент на движещия се часовник на устройството е пропорционален на произведението на моментните стойности на токовете в двете намотки на устройството. Но поради бързите промени в токовете мобилната система няма да може да ги следва и моментът на въртене на устройството ще бъде пропорционален на средната или активната мощност, Следователно по ъгъла на въртене на движещата се част на ватметъра може да се прецени количеството активна мощност, консумирана от веригата.

За измерване на променлива мощност се използват и ватметри. индукционна система... Фиг. 362 показва схема за включване на индукционен ватметър с въртящо се магнитно поле. Последователна облицовка 1-1, състояща се от малък брой завъртания на дебела тел, е разположена на два противоположни гребена на полюса и е свързана последователно във веригата. Паралелната намотка на 2-2 ватметър, състояща се от голям брой завои от тънка тел, е разположена на два отделни полюсни хребета. В последователност с намотката 2-2 е включено индуктивно съпротивление 3, което служи за полу-

Показания на ъгъла на смяна от 90 ° между неговото напрежение и ток. По този начин, с чисто резистивен товар, ние получаваме 90 ° смяна между токовете в серията и паралелните намотки, което е необходимо условие за създаване на въртящ се магнитно поле... Когато устройството е включено, това поле, пресичайки алуминиевия цилиндър 4, индуцира вихрови токове в него, които, взаимодействайки с полето, създават въртящ момент, който действа върху движещата се част на устройството. Неговият ъгъл на въртене при всяко натоварване ще бъде пропорционален на активната мощност, консумирана от веригата:

Схематична диаграма на индукционен ватметър за пътуващо поле е дадена на фиг. 335.

При измерване на мощността в мрежи с ватметър ниско напрежение от силни токове използват се токови трансформатори. За да се намали потенциалната разлика между намотките на ватметъра, първичната и вторична верига токовите трансформатори имат обща точка. Вторична намотка трансформаторът не е заземен, тъй като това би означавало заземяване на един проводник на мрежата.

За да определите мощността на мрежата P 1 в този случай, трябва да умножите показанията на ватметъра P 2 по коефициента на трансформация на токовия трансформатор:

В мрежи високо напрежение когато се измерват трансформатори за измерване на мощност, напрежение и ток (фиг. 363).

Така например, ако към ватметъра са инсталирани трансформатор на напрежение 6000/100 V и токов трансформатор 150/5 A, а ватметърът показва 80 W, тогава мощността на мрежата ще бъде:

Когато включите ватметри (метри) чрез измерването

Трансформаторите трябва да бъдат свързани към тези устройства, така че токовете да текат през техните намотки в същата посока, както ако те са директно свързани към мрежата.

В допълнение към ватметър, мощността на еднофазен променлив ток може да се определи чрез показанията на три инструмента: амперметър, волтметър и фазомер по формулата:

3. Трифазен променлив ток. При равномерно натоварване на трифазна система, за измерване на мощността се използва един еднофазен ватметър, свързан съгласно схемата, показана на фиг. 364 (a - за връзка със звезда; b - за връзка с триъгълник). В този случай през последователната намотка на ватметъра протича фазов ток и паралелната намотка е свързана към фазовото напрежение. Следователно ватметърът ще показва мощността на една фаза. За да получите мощността на трифазна система, трябва да умножите показанията на еднофазен ватметър по три.

С неравномерно натоварване в четирипроводна мрежа трифазен ток за измерване на мощността се използва схема от три ватметра (фиг. 365). Всеки еднофазен ватметър измерва мощността на една фаза. За да получите мощността на трифазна система, трябва да вземете сумата от показанията на три ватметра.

При променливо натоварване е трудно да се получи едновременно отчитане на три ватметра. Освен това три еднофазни ватметра заемат много място. Поради това често се използва един триелемен трифазен ватметър, който представлява връзка в едно устройство от три еднофазни ватметра.

В триелементен електродинамичен ватметър, три подвижни успоредни намотки са монтирани на една ос, свързана със стрелката, а общият момент, получен в резултат на добавянето на механичните сили на всяка намотка, ще бъде пропорционален на консумираната мощност в трифазна мрежа... При други конструкции подвижните намотки, разположени на различни места, са свързани чрез гъвкави колани и предават общата сила на оста със стрелка.

Може да се определи активната мощност на трифазна мрежа с равномерно натоварване

Използване на три инструмента: амперметър, волтметър и фазомер по формулата:

Мощността на трипроводна трифазна мрежа при всяко натоварване (равномерно или неравномерно), независимо от метода на свързване на потребителя (звезда или триъгълник), може да бъде измерена с помощта на верига от два ватметра.

Според първия закон на Kirchhoff, сумата от моментните стойности на токовете и на трите фази е равна на нула:

Полученото уравнение показва, че един от ватметрите трябва да бъде включен, така че токът на първата фаза да протича през текущата си намотка, а намотката на напрежението да е под разликата в напрежението на първата и втората фази; другият ватметър трябва да бъде включен, така че токът на третата фаза да протича през текущата си намотка, а намотката на напрежението да е под разликата в напрежението между третата и втората фази.

Като добавим показанията и на двата ватметра, получаваме мощността и на трите фази.

Фиг. 366 показва три опции за веригата от два ватметра.

От схеми до fng. 366 може да се види, че последователните намотки на ватметрите са включени във всякакви две линейни проводници на мрежата. Началото на паралелните намотки на всеки ватметър са свързани към един и същ проводник, който включва серийната намотка на ватметъра. Краищата на паралелните намотки са свързани към проводника на третата линия.

При равномерно активно натоварване (\u003d 1) показанията на ватметрите са равни помежду си. Ако не е равно на едно, показанията на ватметрите няма да бъдат равни. При \u003d 0,5, един от ватметрите ще покаже нула. При по-малко от 0,5 стрелката на това устройство ще започне да се отклонява наляво. За да получите индикация за устройството, е необходимо да превключите краищата на неговата последователна или паралелна намотка.

За да измервате активната мощност на трифазна система според показанията на два ватметра, трябва да добавите техните показания или да извадите от показанията на един ватметър показанията на друг ватметър, който е отрицателен. Схемата за измерване на мощността с два ватметра с помощта на измервателни трансформатори на напрежение и ток е дадена на фиг. 367.

По-удобно е да се измерва мощността с помощта на трифазен ватметър, в който се комбинират две устройства, свързани по схемата на два ватметра и действащи върху една обща ос, с която е свързана стрелката.

В мрежите с високо напрежение се включва трифазен ватметър, като се използват измервателни трансформатори на напрежение и ток.

Измерване на мощността.В постояннотокови вериги мощността може да се измери индиректно с помощта на амперметър и волтметър

P \u003d UI,

но по-точен резултат се получава чрез измерване на мощността с електродинамичен ватметър, който измерва мощността независимо от вида на тока. Външен вид (а) и превключваща верига на ватметър б)са показани на фиг. 16. Ватметърът има четири скоби за свързване на движещите се и неподвижни намотки към веригата. Фиксираната намотка е включена последователно в схемата и се нарича текуща намотка, а подвижната намотка заедно с допълнителната

Фигура 16.1. Еднофазен ватметър: а-външен вид; b - схема на свързване в електрическа верига променлив ток.

съпротивление r d - успоредно на товара и се нарича бобина за напрежение. Началото на намотките е отбелязано със звездичка * I и * U , краят на текущата намотка е 5 A, а краят на намотката за напрежение е -150V. Тъй като посоката на отклонение на стрелката на стрелката на ватметъра зависи от взаимната посока на токовете в бобините, клемите * I и * U са свързани към източника на ток, а клемите 5 A и 150V са свързани към товара. Поради факта, че терминалите * I и * U са свързани към един и същи проводник, те могат да бъдат свързани помежду си чрез проводник, което се прави на практика при измерване на мощността в DC веригата и активната мощност в AC веригата.

Измерване на енергията.Има следните начини за контрол на консумацията на енергия: 1. Косвен метод. В този случай се измерват косвени параметри и потреблението на електроенергия се определя чрез изчисление. Например консумацията на електроенергия в постояннотокови вериги се определя по формулата:

W \u003d U I t(16.1),

където U - напрежение в приемника на захранването Аз - ток в приемника т- текущо време за преминаване.

Така за да измервате консумацията на енергия паралелно с приемника, трябва да включите волтметър и да измерите напрежението U, включете амперметъра последователно с приемника и измерете тока Аз ... Време - т измерено с хронометър. След вземане на показания от волтметъра, амперметъра и хронометъра консумацията на енергия се определя по формулата (16.1). В променливотоковите вериги консумацията на електроенергия се определя по формулата (16.2)

W \u003d U I t cosφ(16.2)

Така за непряко измерване на консумацията на електроенергия в този случай, освен волтметъра, амперметъра и хронометъра, трябва да включите фазомера, за да измерите коефициента на мощност cosφ.

2. Директен начин. Този метод се използва в променливотокови вериги. В този случай се използва индукционен измервател на електрическа енергия за измерване на консумацията на електричество. Броячът е измервателно устройство. Основната му разлика от циферблата е, че ъгълът на въртене на подвижната му част, не ограничен от пружината, се увеличава и показанията на измервателния уред се обобщават. Всеки оборот на подвижната част на измервателния уред съответства на определено количество консумирана енергия. Броячът е включен на фиг. 16.2 електрическа верига е същата като ватметър (фиг. 16, 1), т.е. токовата му намотка (3) е свързана последователно с товара и контролира тока в товара, а намотката за напрежение (2) е свързана паралелно с товара и следи напрежението в товара. Времето се контролира от броя на оборотите на диска.