Вимірювання потужності постійного електричного струму. §102. Вимірювання потужності і електричної енергії

План роботи

Різні методи вимірювання потужності і способи підключення приладів в ланцюгах постійного струму.

Аналіз результатів вимірювань.

Основні теоретичні положення

Потужність - фізична величина, що дорівнює виконуваній роботі за одиницю часу, що рівносильно швидкості зміни енергії системи. Зокрема, електрична потужність - це величина, що характеризує швидкість передачі або перетворення електричної енергії в інші види енергії, наприклад, механічну, теплову, світлову і т. Д.

Потужність в ланцюгах постійного струмувизначається виразом P = UI, де U - напруга, прикладена до навантаження, В, I – струм, що протікає через навантаження, А. Одиницею вимірювання електричної потужності є ват (Вт). З наведеного рівняння випливає, що потужність P можна визначити непрямим методом, вимірюючи вольтметром напругу U на навантаженні і амперметром - струм I, протікає через навантаження. Перемноживши результати вимірювань U і I, отримаємо значення потужності.

На рис. 1 наведено дві схеми включення вольтметра і амперметра. Вибір тієї чи іншої схеми обумовлений допустимої методичної похибкою вимірювання. Похибка залежить від співмірності внутрішніх опорів приладів з опором навантаження R н .

Рис. 1. Схеми включення приладів для вимірювання потужності

в ланцюзі постійного струму.

Схема рис. 1 а застосовується, коли опір навантаження R н багато менше опору вольтметра R в ; а схема рис. 1 б - коли опір навантаження R н багато більше опору амперметра R a . Якщо цими умовами знехтувати і допустити, що R н = R в для схеми рис. 1 а і R н = R a для схеми рис. 1 б, То відносна похибка вимірювання потужності складе 100%.

Практично зручніше вимірювати потужність одним приладом - ваттметром. Для визначення потужності ватметр потрібна інформація про струмі і напрузі, і він повинен вміти їх перемножать. Таким приладом є електродинамічний ватметр, що складається з рухомої котушки, розташованої усередині нерухомої котушки.

До рухомий котушці підключають напруга навантаження, а через нерухому котушку пропускають струм навантаження. Взаємодія магнітних полів котушок змушує рухливу котушку повертатися на кут, пропорційний потужності. Напрямок повороту залежить від напрямку струмів в котушках, тому включати його в ланцюг необхідно так, щоб початку обмоток котушок були підключені в сторону джерела живлення (генератора). На клемах ваттметра початку обмоток позначені зірочкою (* U і * I). Їх називають генераторними зажимами. Якщо струмовий генераторний затиск підключити помилково в сторону навантаження, то стрілка приладу буде відхилятися вліво від нуля і відлік показань буде неможливий. Генераторний затиск обмотки напруги, з метою зменшення похибки вимірювання, може бути включений за схемою рис. 2 а або рис. 2 б.

Рис. 2. Схема включення ватметра в ланцюг постійного струму.

Схема рис. 2 а застосовується, коли опір навантаження R н багато більше опору кола струму ватметра R a ; а схема рис. 2 б - коли опір навантаження R н багато менше опору ланцюга напруги ватметра R в . Опору ланцюгів напруги і струму вказані на циферблаті приладу. Ватметр сконструйований так, що практично частіше користуються схемою рис. 2 а.

Вимірювання потужності. У ланцюгах постійного струму потужність вимірюють електро- або феродинамічні ваттметром. Потужність може бути також підрахована перемножением значень струму і напруги, виміряних амперметром і вольтметром.

У ланцюгах однофазного струму вимір потужності може бути здійснено електродинамічним, феродинамічні або індукційним ваттметром. Ватметр 4 (рис. 336) має дві котушки: струмовий 2, яка включається в ланцюг послідовно, і напруги 3, яка включається в ланцюг паралельно.

Ватметр є приладом, що вимагає при включенні дотримання правильної полярності, тому його генераторні затискачі (затискачі, до яких приєднують провідники, що йдуть з боку джерела 1) позначають зірочками.

Рис. 336. Схема для вимірювання потужності

Для розширення меж вимірювання ватметрів їх струмові котушки включають в ланцюг за допомогою шунтів або вимірювальних трансформаторів струму, а котушки напруги - через додаткові резистори або вимірювальні трансформатори напруги.

Вимірювання електричної енергії. спосіб вимірювання. Для обліку електричної енергії, одержуваної споживачами або віддається джерелами струму, застосовують лічильники електричної енергії. Лічильник електричної енергії за принципом своєї дії аналогічний ватметр. Однак на відміну від ватметрів замість спіральної пружини, що створює протидіючий момент, в лічильниках передбачають пристрій, подібне електромагнітного демпфера, що створює гальмівний зусилля, пропорційне частоті обертання рухомої системи. Тому при включенні приладу в електричний ланцюг виникає крутний момент буде викликати не відхилення рухомої системи на деякий кут, а обертання її з певною частотою.

Число оборотів рухомої частини приладу буде пропорційно добутку потужності електричного струму на час, протягом якого він діє, т. е. кількістю електричної енергії, що проходить через прилад. Число оборотів лічильника фіксується рахунковим механізмом. Передавальне число цього механізму вибирають так, щоб за показаннями лічильника можна було відраховувати не обороти, а безпосередньо електричну енергію в кіловат-годинах.

Найбільшого поширення набули феродинамічні і індукційні лічильники; перші застосовують в ланцюгах постійного струму, другі - в ланцюгах змінного струму. Лічильники електричної енергії включають в електричні ланцюги постійного і змінного струму так само, як і ватметри.

ферродинамический лічильник (Рис. 337) встановлюють на е. п. с. постійного струму. Він має дві котушки: нерухому 4 і рухливу 6. Нерухома струмовий котушка 4 розділена на дві частини, які охоплюють феромагнітний сердечник 5 (зазвичай з пермаллоя). Останній дозволяє створити в приладі сильне магнітне поле і значний крутний момент, що забезпечує нормальну роботу лічильника в умовах тряски і вібрацій. Застосування пермаллоя сприяє зменшенню похибки лічильного механізму 2 від гистерезиса магнітної системи (він має дуже вузьку петлю гистерезиса).

Щоб зменшити вплив зовнішніх магнітних полів на показання лічильника, магнітні потоки окремих частин струмового котушки мають взаємно протилежний зміст (астатическая система). При цьому зовнішнє поле, послаблюючи потік однієї частини, відповідно підсилює потік іншій частині та надає в цілому невеликий вплив на результуючий обертальний момент, створюваний приладом. Рухома котушка 6 лічильника (котушка напруги) розташована на якорі, виконаному у вигляді диска з ізоляційного матеріалу або у вигляді алюмінієвої чаші. Котушка складається з окремих секцій, з'єднаних з пластинами колектора 7 (ці сполуки на рис. 337 не показані), за яким ковзають щітки з тонких срібних пластин.

Ферродинамический лічильник працює принципово як двигун постійного струму, обмотка якоря якого підключена паралельно, а обмотка збудження - послідовно зі споживачем електроенергії. Якір обертається в повітряному проміжку між полюсами сердечника. Гальмівний момент створюється в результаті взаємодії потоку постійного магніту 1 з вихровими струмами, що виникають в алюмінієвому диску 3 при його обертанні.

Для компенсації впливу моменту тертя і зменшення завдяки цьому похибки приладу в феродинамічні лічильниках встановлюють компенсаційну котушку або в магнітному полі нерухомої (токовой) котушки поміщають пелюстка з пермаллоя, який має високу магнітну проникність при малій напруженості поля. При невеликих навантаженнях цей пелюстка підсилює магнітний потік струмового котушки, що призводить до збільшення крутного моменту і компенсації тертя. При збільшенні навантаження індукція магнітного поля котушки збільшується, пелюстка насичується і його компенсує дію перестає зростати.

При роботі лічильника на е. п. с. можливі сильні поштовхи і удари, при яких щітки можуть відскакувати від колекторних пластин. При цьому під щітками виникатиме іскріння. Для його запобігання між щітками включають конденсатор С і резистор R1. Компенсація температурної похибки здійснюється за допомогою термістора Rт (напівпровідникового приладу, опір якого залежить від температури). Він включається спільно з додатковим резистором R2 паралельно рухомий котушці. Щоб зменшити вплив трясіння і вібрацій на роботу лічильників, їх встановлюють на е. п. с. на гумово амортизаторах.

індукційний лічильник має два електромагніту (рис. 338, а), між якими розташований алюмінієвий диск 7. Момент, що обертає в приладі створюється в результаті взаємодії змінних магнітних потоків Ф1 і Ф2, створених котушками електромагнітів, з вихровими струмами I в1 і I В2, індукованими ними в алюмінієвому диску (так само, як і в звичайному індукційному вимірювальному механізмі, див. § 99).

В індукційному лічильнику крутний момент М повинен бути пропорційний потужності P \u003d UIcos ?. Для цього котушку 6 одного з електромагнітів (струмовий) включають послідовно з навантаженням 5, а котушку 2 іншого (котушку напруги) - паралельно навантаженні. В цьому випадку магнітний потік Ф1 буде пропорційний току I в ланцюзі навантаження, а потік Ф2 - напрузі U, що додається до навантаження. Для забезпечення необхідного кута зсуву фаз? між потоками Ф1 і Ф2 (щоб sin? \u003d cos?) в електромагніт котушки напруги передбачений магнітний шунт 3, через який частина потоку Ф2 замикається

Рис. 337. феродинамічні лічильник електричної енергії

Рис. 338. Індукційний лічильник електричної енергії

крім диска 7. Кут зсуву фаз між потоками Ф1 і Ф2 точно регулюється зміною положення металевого екрана 1, розташованого на шляху потоку, відгалужується через магнітний шунт 3.

Гальмівний момент створюється так само, як в феродинамічні лічильнику. Компенсація моменту тертя здійснюється шляхом створення невеликої несиметрії в магнітному колі одного з електромагнітів за допомогою сталевого гвинта.

Для запобігання обертання якоря при відсутності навантаження під дією зусилля, створеного пристроєм, що компенсує тертя, на осі лічильника зміцнюється сталевий гальмівний гачок. Цей гачок притягається до гальмівного магніту 4, завдяки чому запобігається можливість обертання рухомої системи без навантаження.

При роботі ж лічильника під навантаженням гальмівний гачок практично не впливає на його показання.

Щоб диск лічильника обертався в потрібному напрямку, необхідно дотримуватися певний порядок підключення проводів до його затискачів. Навантажувальні затискачі приладу, до яких підключають дроти, що йдуть від споживача, позначають буквами Я (рис. 338, б), генераторні затискачі, до яких підключають дроти від джерела струму або від мережі змінного струму, - буквами Г.

Тема: як виміряти електричну потужність, способи, методи обчислення.

А що таке потужність? Ви пам'ятаєте з уроків шкільної фізики? Дана фізична величина висловлює виконану роботу за певний проміжок часу. У загальному випадку потужність можна виразити як швидкість зміни енергії тієї чи іншої системи. Відносно електричної потужності даний вираз буде мати іншу форму: фізична величина обумовлює швидкість перетворення або передачі електроенергії. Формула електричної потужності ще простіше, ніж сказані слова - P \u003d U × I. Тобто, вона дорівнює напруга помножене на силу струму. Отже і вимірювання електричної потужності будуть проводиться за даним принципом.

Для проведення вимірювань електричної потужності на практиці використовують два здатна. Першим буде застосування спеціального вимірювального пристрою, який називається ватметр (для вимірювання потужності постійного струму) і варметр (для вимірювання потужності змінного струму). Другий спосіб є більш поширений серед електриків і є непрямим. Це звичайне вимір базових величин струму і напруги з подальшим їх перемножением. Наприклад, на постійному електродвигуні стерлася напис, на якій була вказана номінальна електрична потужність даного електричного двигуна. Що робити? Беремо, і підключаємо цей движек до харчування. Далі заміряємо напруга на вхідних клемах і силу струму, що в даним момент протікає. Перше перемножуємо на друге, і отримуємо в результаті середню електричну потужність цього електродвигуна.

Вимірювання електричної потужності за допомогою електротехнічних пристроїв більше можна зустріти в спеціальних вимірювальних лабораторіях, цехах виготовлення, бюро розробок і т.д. На практиці рідко виникає потреба проводити вимірювання потужності за допомогою спеціальних пристроїв. Що стосується класифікації ватметрів. Їх можна розділити на три основні типи (за призначенням і частотного діапазону): постійного струму (низькочастотні), радіочастотні і оптичні. Залежно від безпосереднього варіанту функціонального перетворення інформації (вимірювальної) і її подальшого виведення ватметри бувають аналогові і цифрові. Для електричних потреб найбільш підходящим є перший вид - низькочастотні (постійного струму). Саме вони виробляють вимір електричної потужності в силових системах.

Ватметри постійного (і варметри низькочастотного струму) переважно застосовують в електричних мережах харчування промислової частоти (50 Гц) для вимірювання споживаної електричної потужності. Вони бувають однофазні та трифазні. Варметри складають окрему групу - вимірювачі реактивної електричної потужності. Електронно-цифрові пристрої як правило об'єднують в собі вимірювання, як активної, так і реактивної потужності. Аналогові ватметри (постійного і низькочастотного типу) феродинамічні або електродинамічної системи мають в своєму пристрої дві мідні котушки, одна включається послідовно електричної навантаженні, а інша ж паралельно їй. Взаємодія електромагнітних полів цих котушок породжує обертовий момент, який рухає стрілку вимірювального приладу.

Для проведення вимірювань електричної потужності приладами, їх під'єднують таким чином. Як ми знаємо, напруга в електричних ланцюгах вимірюють в паралель ланцюга, а для вимірювання сили струму виникає необхідність розриву безпосереднього ділянки кола, в якій відбувається вимірювання. Якщо для отримання електричної потужності потрібно множити напруга з силою струму, то і вимірювання приладами виробляються за тим же принципом, що і окремий вимір струму і напруга. Отже, ватметр під'єднується одночасно, як в розрив електричного кола, Так і в паралель.

Вимірювання потужності.У ланцюзі постійного струму потужність може бути виміряна за допомогою амперметра і вольтметра, так як Р \u003dUI. Однак більш точно її можна виміряти безпосередньо електродинамічним ваттметром(Рис. 10.3). Він складається з котушки з малим опором, включеної, як і амперметр, послідовно і званої струмового обмоткою,і рухливої \u200b\u200bкотушки з великим опором, що включається паралельно і званої обмоткою напруги.

Момент, що обертає ваттметра пропорційний твору струмів в котушках:

де I - струм в нерухомій котушці, практично рівний току навантаження; I U = U/ r U - струм в рухливій котушці, т е. В обмотці напруги; r U - опір ланцюга рухливої \u200b\u200bкотушки. отже,

(10.5)

де С -коефіцієнт пропорційності.

Таким чином, крутний момент ваттметра пропорційний потужності і його шкала може бути отградуирована безпосередньо у ВАТ або кіловатах.

Для вимірювання активної потужності в ланцюгах змінного струму застосовують ватметри електродинамічної системи.

Вимірювання активної потужності в однофазної ланцюга. Електродинамічний ватметр для вимірювання активної потужності в однофазної ланцюга змінного струму включають так само, як і при вимірах в ланцюзі постійного струму, т. Е. За схемою рис. 10.3. Так як струм I U в рухомий котушці пропорційний напрузі U і практично збігається з ним по фазі, а струм I в нерухомій котушці (струмового обмотці) дорівнює струму навантаження, то крутний момент ваттметра

де С - коефіцієнт пропорційності.

Отже, крутний момент ваттметра пропорційний вимірюваній активної потужності Р,а протидіє момент М пр , пропорційний куту повороту α рухливої \u200b\u200bкотушки (або стрілки приладу). Тому відхилення стрілки приладу пропорційно вимірюваної потужності Рі, отже, шкалу ваттметра градуируют у ВАТ або кіловатах.

Затискачі струмового обмотки і обмотки напруги ватметра, помічені зірочками і звані генераторними,слід включати в електричний ланцюг з боку джерела живлення.

Вимірювання активної потужності в трифазного ланцюга. Залежно від характеру навантаження і схеми трифазного ланцюга застосовується кілька способів вимірювання потужності.

При симетричному навантаженні активну потужність в трифазного ланцюга можна виміряти шляхом виміру потужності в одній фазі здопомогою ватметра, включеного за схемою рис. 10.4, а, б. Після вимірювання показання

ваттметра P w множать на 3: * «

(10.7)

У трехпроводной трифазного ланцюга як при симетричній, так і несиметричного навантаження і будь-якому способі з'єднання споживачів активну потужність можна виміряти за допомогою двох ватметрів(Рис. 10.5). Покажемо, що алгебраїчна сума показань ватметрів в цьому випадку дорівнює активної потужності Рв трехпроводной трифазного ланцюга.

Миттєве значення потужності, яка вимірюється першим ваттметром, p 1 \u003d U AB i A. Миттєва потужність, яка вимірюється другим ваттметром, p 2 \u003d U CB i C. Сума миттєвих значень потужностей, вимірюваних двома ватметр, р \u003dp 1 + p 2 = u AB i A + u CB i C . .

Якщо лінійні напруги і АВ і u CB , на які підключені обмотки напруги ватметрів, висловити через фазні напруги u AB = u A - u B ; u cb = і з - і в ,; то р \u003d і А i A - u B i A + u c i c - u B i c або р \u003du A i A + u c i c - і в (i A + i c). Так як в трехпроводной трифазного ланцюга i A + i B + i C = 0, то i A + i C = - i B , , А остаточне вираз потужності, вимірюваної двома ватметр,

З цього виразу випливає, що сумарна миттєва потужність, яка вимірюється двома ватметр, дорівнює активної потужності в трифазного ланцюга при з'єднанні споживачів зіркою. Схожі міркування можна повторити і для з'єднання споживачів трикутником, отримавши при цьому однаковий кінцевий результат.

Активна потужність трифазної системи, виражена через діючі значення напруг і струмів і замеренная за способом двох ватметрів, дорівнює

де Р w 1 і Р w 2 - свідчення ватметрів.

При вимірюванні активної потужності за способом двох ватметрів для випадку симетричного навантаження I А = I В = I З = I л ; U AC \u003d U CB = U л .

На рис, 10.6 представлена \u200b\u200bвекторна діаграма струмів і напруг, яка пояснює вимірювання активної потужності за допомогою

двох ватметрів для симетричного навантаження, з'єднаної зіркою. Так як на векторній діаграмі кут α між векторами U AB і I А дорівнює φ + 30 °, а кут β між векторами U CB і I C становить φ - 30 °, то потужність трифазної системи при симетричному навантаженні

Якщо кут зсуву фаз φ< 60°, то, согласно (10.9), мощность, учитываемая ваттметрами, всегда положительна: Р w1 = U Л I Л cos (φ + 30 °) і P w 2 = U Л I Л cos (φ - 30 °). При φ \u003d 60 ° потужність, показується першим ваттметром, дорівнює нулю: cos (60 ° + 30 °) \u003d 0. У цьому випадку вся потужність в трифазного ланцюга буде враховуватися другим ваттметром. При φ\u003e 60 ° потужність, що враховується першим ваттметром, стає негативною і сумарна потужність двох ватметрів обчислюється з урахуванням знака потужностей останніх, як їх алгебраїчна сума.

Практично для відліку негативною потужності за показаннями ваттметра необхідно змінювати напрямок струму в обмотці напруги, для чого перемикач напрямку струму в обмотці напруги, наявний на корпусі ваттметра, треба переключити з «+» на «-».

Виміряти активну потужність в чьотирьох трифазного ланцюга при несиметричного навантаження можна трьома ватметр (рис. 10.7). Так як в цьому випадку кожен з ватметрів вимірює активну потужність однієї фази, то потужність в чьотирьох трифазного ланцюга

де Р А , Р B , P C - активні потужності фаз А, В, С.

Вимірювання реактивної потужності в трифазного ланцюга. Реактивну потужність в трифазній трехпроводной ланцюга при симетричному навантаженні можна визначити по різниці показань ватметрів (див. Рис. 10.5):

звідки реактивна потужність

Реактивну потужність в трехпроводной трифазного ланцюга при сим- метричної навантаженні можна виміряти одним ваттметром (рис. 10.8, а), причому струмовий обмотка ваттметра включається в лінійний провід А,а обмотка напруги - на лінійну напругу U BC (Т. Е. На «чуже» напруга). З векторної діаграми (рис. 10.8,6) видно, що зрушення фаз між струмом I A і напругою U BC становить α \u003d 90 ° - φ. Тоді показання ваттметра 4

Для обчислення реактивної потужності трифазного трехпроводной ланцюга при симетричному навантаженні необхідно показання ваттметра помножити на

:

Вимірювання енергії в ланцюгах змінного струму. У ланцюгах змінного струму для вимірювання активної енергії служать однофазні та трифазні лічильникиіндукційної системи. Для вимірювання активної енергії в однофазних і трифазних ланцюгах однофазні лічильники включають за схемами, аналогічними схемами включення ватметрів (див. Рис. 10.3 і 10.5). У трьохпровідних трифазних ланцюгах для вимірювання активної енергії застосовують двоелементний об'єднують вимірювальні системи двох однофазних лічильників (Рис. 10.9).

Для вимірювання активної енергії в чотирьох провідних ланцюгах трифазного струму застосовують трьохелементні лічильники.

реактивну енергію W P як при симетричній, так і за несиметричного навантаження в трифазного ланцюга вимірюють трифазними індукційними лічильниками реактивної енергії. При симетричному навантаженні в трехпроводной трифазного ланцюга реактивну потужність можна виміряти за допомогою двох однофазних лічильників. Для цього їх включають в ланцюг, як і ватметри, за схемою рис. 10.5. Реактивна енергія дорівнює різниці показань лічильників, помноженої на

.

В даний час необхідно вимірювати потужність і енергію постійного струму, активну потужність і енергію змінного однофазного і трифазного струму, Реактивну потужність і енергію трифазного змінного струму, миттєве значення потужності, а також кількість електрики в дуже широких межах.

Електрична потужність визначається роботою, яку здійснюють джерелом електромагнітного поля в одиницю часу.

Активна (поглинається електричним колом) потужність

P a \u003d UIcos \u003e \u003d I 2  R \u003d U 2 / R,(1)

де U, I - діючі значення напруги і струму;  - кут зсуву фаз.

реактивна потужність

Р р = UIsin = I 2 X. (2)

повна потужність

P n = UI= PZ. Ці три типи потужності пов'язані виразом

P \u003d (Р а 2 + Р 2 р ) (3)

Так, потужність вимірюється в межах 1 Вт ... 10 ГВт (в ланцюгах постійного і однофазного змінного струму) з похибкою ± (0,01 ... 0,1)%, а при СВЧ - з похибкою ± (1 ... 5)%. Реактивна потужність від одиниць вар до Мвар вимірюється з похибкою ± (0,1 ... 0,5)%.

Діапазон вимірювання електричної енергії визначається діапазонами вимірювання номінальних струмів (1 нА ... 1О кА) і напружень (1 мкВ ... 1 MB), похибка вимірювання складає ± (0,1 ... 2,5)%.

Вимірювання реактивної енергії становить інтерес тільки для промислових трифазних ланцюгів.

Вимірювання потужності в ланцюгах постійного струму.При непрямому вимірі потужності використовують метод амперметра і вольтметра і компенсаційний метод.

Метод амперметра і вольтметра. В цьому випадку прилади включаються за двома схемами (рис.1).

Метод простий, надійний, економічний, але має низку істотних недоліків: необхідністю знімати показання по двом

Рис. .1. Схеми вимірювання потужності за показаннями вольтметра і амперметра при малих (а) і великих (Б)опорах навантаження

приладів; необхідністю робити обчислення; невисокою точністю за рахунок підсумовування похибки приладів.

потужність Р х , обчислена за показниками приладів (рис. 1а), має вигляд

Вона більше дійсного значення потужності, що витрачається в навантаженні Р н, на значення потужності споживання вольтметра Р v , т. е. Р н \u003d Р х - Р v .

Похибка визначення потужності в навантаженні тим менше, чим більше вхідний опір вольтметра і менше опір навантаження.

потужність Р х , обчислена за показниками приладів (рис 1., б),маємо вид

Вона більше дійсного значення потужності споживання навантаження на значення потужності споживання амперметром Р А . Методична похибка тим менше, чим менше вхідний опір амперметра і більше опір навантаження.

Компенсаційний метод. Цей метод застосовується тоді, коли потрібна висока точність вимірювання потужності. За допомогою компенсатора по черзі вимірюється струм навантаження і падіння напруги на навантаженні. Вимірювана потужність визначається за формулою

P= U н I н . (4)

При прямому вимірі активна потужність вимірюється електромеханічними (електродинамічної і феродинамічні систем), цифровими і електронними ватметр.

Електродинамічні ватметри застосовуються як переносні прилади для точних вимірювань потужності (клас 0,1 ... 2,5) в ланцюгах постійного і змінного струму з частотою до декількох тисяч герц.

Феродинамічні щитові вольтметри застосовуються в ланцюгах змінного струму промислової частоти (клас 1,5 ... 2,5).

В широкому діапазоні частот застосовуються цифрові ватметри, основу

складають різні перетворювачі потужності (наприклад, термоелектричні), УПТ, мікропроцесор і ЦОУ. У цифрових ватметрів здійснюється автоматичний вибір меж вимірювань, самокалібрування і передбачений зовнішній інтерфейс.

Для вимірювання потужності в високочастотних ланцюгах також використовуються спеціальні та електронні ватметри.

Для вимірювання реактивної потужності на низьких частотах служать реактивні ватметри (варметри), в яких шляхом використання спеціальних схем відхилення рухомої частини електродинамічного ІМ пропорційно реактивної потужності.

Включення електромеханічних ватметрів безпосередньо в електричний ланцюг допустимо при токах навантаження, що не перевищують 10 ... 20 А, і напружених до 600 В. Вимірювання потужності при великих токах навантаження і в ланцюгах високої напруги виробляється ваттметром з вимірювальними трансформаторами струму ТАі напруги TV(Ріс..2).

Вимірювання активної потужності в ланцюгах трифазного струму.Метод одного ватметра. Цей метод застосовується тільки в симетричній системі з рівномірним навантаженням фаз, однаковими кутами зсуву по фазі між векторами I і U і з повною симетрією напруг (ріс..3).

Ріс..3. Схеми включення ватметра в трифазну трьохпровідний ланцюг при повній симетрії приєднання навантаження:

а- зіркою; б -трикутником; в ~ -зі штучною нульовою точкою

Рис.4. Схеми включення двох ватметрів в трифазну ланцюг: а- в 1-ю і 3-ю; б- в 1-ю та 2-ю; в- в 2-ю і 3-ю

На рис. .3, анавантаження з'єднана зіркою і нульова точка доступна. На рис.3, бнавантаження з'єднана трикутником, ватметр включений в фазу. На рис. .3, внавантаження з'єднана трикутником зі штучною нульовою точкою. Штучна нульова точка створюється за допомогою двох резисторів, кожен з яких дорівнює опору ланцюга обмотки напруги ватметра (зазвичай вказується в технічному паспорті на ватметр).

Показання ваттметра будуть відповідати потужності однієї фази, а потужність всієї трифазної мережі у всіх трьох випадках включення приладу буде дорівнює потужності однієї фази, помноженої на три:

Р \u003d3 P w

Метод двох ватметрів. Цей метод застосовується в трифазній трехпроводной ланцюга незалежно від схеми з'єднання і характеру навантаження як при симетрії, так і при асиметрії струмів і напруг. Асиметрія - це система, в якій потужності окремих фаз різні. Струмові обмотки ватметрів включаються в будь-які дві фази, а обмотки напруги включаються на лінійні напруги (рис. 4).

Повна потужність може бути виражена у вигляді суми показань Двох ватметрів. Так, для схеми, представленої на ріс..4, а,

де  1 - кут зсуву фаз між струмом I 1 і лінійним напругою U 12,  2 - кут зсуву фаз між струмом I 3 і лінійним напругою U 32 . В окремому випадку при симетричній системі напруг і однаковому навантаженні фаз  1, \u003d 30 ° -  і  2 \u003d 30 ° -  показання ватметрів будуть:

При активному навантаженні ( \u003d 0) показання ватметрів будуть однакові, так як P W ] = P W 2 IUcos30 °.

При навантаженні з кутом зсуву пор \u003d 60 ° свідчення другого ваттметра дорівнюють нулю, так як P W 2 = IUcos (30 ° + ) \u003d IUcos (30 ° + 60 °) \u003d 0, і в цьому випадку потужність трифазного ланцюга вимірюється одним ваттметром.

При навантаженні з кутом зсуву \u003e 60 ° потужність, яка вимірюється другим ваттметром, буде негативною, так як (30 ° + ) більше 90 °. В цьому випадку рухома частина ватметрів повернеться у зворотний бік. Для відліку необхідно змінити на 180 ° фазу струму в одній з ланцюгів ваттметра. У цьому випадку потужність ланцюга трифазного струму дорівнює різниці показань ватметрів

Метод трьох ватметрів. Для вимірювання потужності трифазного ланцюга при несиметричного навантаження включаються три ваттметра, і загальна потужність при наявності нульового проводу буде дорівнювати арифметичній сумі показань трьох ватметрів. У цьому випадку кожен ватметр вимірює потужність однієї фази, показання ваттметра незалежно від характеру навантаження будуть позитивні (паралельна обмотка включається на фазну напругу, т. Е. Між лінійним проводом і нульовим). Якщо нульова точка недоступна і нульовий провід відсутня, то паралельні ланцюги приладів можуть утворити штучну нульову точку за умови, що опору цих ланцюгів рівні між собою.

Вимірювання реактивної потужності в однофазних і трифазних ланцюгах.Незважаючи на те що реактивна потужність не визначає ні яку здійснюють роботи, ні енергії, що передається за одиницю часу, її вимір також важливо. Наявність реактивної потужності призводить до додаткових втрат електричної енергії в лініях передачі, трансформаторах і генераторах. Реактивна потужність вимірюється в вольт-амперах реактивних (вар) як в однофазних, так і в трифазних три-і чотирипровідних ланцюгах змінного струму електродинамічними і феродинамічні або спеціально призначеними для вимірювання реактивної потужності ватметрів. Відмінність реактивного ватметра від звичайного полягає в тому, що він має ускладнену схему паралельної ланцюга для отримання зсуву по фазі, рівного 90 °

між векторами струму і напруги цього ланцюга. Тоді відхилення рухомої частини буде пропорційно реактивної потужності Р р = UIsin . Реактивні ватметри переважно застосовуються для лабораторних вимірювань і повірки реактивних лічильників.

Реактивну потужність в трифазній симетричній ланцюга можна виміряти і активним ваттметром: для цього -токовая котушка послідовно включається в фазу А, котушка напруги між фазами В і С.

Вимірювання потужності в ланцюгах підвищеної частоти.З цією метою можна використовувати як прямі, так і непрямі вимірювання і в ряді випадків краще можуть виявитися непрямі, так як іноді легше виміряти струм і напруга на навантаженні, ніж безпосередньо потужність. Пряме вимірювання потужності в ланцюгах підвищених і високих частот виробляється термоелектричними, електронними ватметр, ватметри, заснованими на ефекті Холла, і цифровими ватметр.

Непрямі вимірювання здійснюються Осциллографическое методом. Він застосовується в основному тоді, коли ланцюг харчується напругою несинусоїдної форми, при високих частотах, малопотужних джерелах напруги і т. Д.

Вимірювання енергії в однофазних і трифазних ланцюгах.Енергія вимірюється електромеханічними та електронними лічильниками електричної енергії. Електронні лічильники електричної енергії мають кращі метрологічними характеристиками, більшою надійністю і є перспективними засобами вимірювань електричної енергії.

4. Вимірювання фази і частоти

Фаза характеризує стан гармонійного сигналу в певний момент часу t. Фазовий кут в початковий момент часу (початок відліку часу), тобто при t = 0, називають нулівим (початковим) фазовим зрушенням.Різниця фаз  вимірюють зазвичай між струмом і напругою або між двома напругами. У першому випадку частіше цікавляться не самим кутом зсуву фаз, а величиною cos або коефіцієнтом потужності. Cos- це косинус того кута, на який випереджає або відстає струм навантаження від напруги, прикладеного до цього навантаження. фазовим зрушенням двох гармонійних сигналів однакової частоти називають модуль різниці їх початкових фаз  \u003d |  1 -  2 |. Фазовий зсув  не залежить від часу, якщо залишаються незмінними початкові фази  1, і  2. Різниця фаз виражається в радіанах або градусах.

Методи вимірювання кута зсуву фаз.Ці методи залежать від діапазону частот, рівня і форми сигналу, від необхідної точності і Наявності засобів вимірювальної техніки. Розрізняють непрямий і прямий зміни кута зсуву фаз.

Непряме вимір. Таке вимір кута зсуву фаз Між напругою U і струмом I в навантаженні в однофазних ланцюгах

здійснюють за допомогою трьох приладів - вольтметра, амперметра і ватметра (рис.5). Кут  визначається розрахунковим шляхом з знайденого значення cos:

Метод використовується зазвичай на промисловій частоті і забезпечує невисоку точність через методичної похибки, викликаної власним споживанням приладів, досить простий, надійний, економічний.

В трифазного симетричного ланцюга величина cos може бути визначена наступними вимірами:

потужність, струм і напруга однієї фази;

вимір активної потужності методом двох ватметрів;

вимір реактивної потужності методом двох ватметрів з штучної нейтральній точкою.

Серед осцилографічних методів вимірювання фази найбільшого поширення набули методи лінійної розгортки і еліпса. Осцилографічний метод, що дозволяє спостерігати і фіксувати досліджуваний сигнал в будь-який момент часу, використовується в широкому діапазоні частот в малопотужних ланцюгах при грубих вимірах (5 ... 10%). Результатом застосування прямолінійного методу розгортки передбачає застосування двухлучевого осцилографа, на горизонтальні пластини якого подають лінійне розгортає напруга, а на вертикальні пластини - напруга, між якими вимірюється фазовий зсув. Для синусоїдальних кривих на екрані отримуємо зображення двох напруг (рис.6, а)і по виміряним відрізках АБ і АС обчислюється кут зсуву між ними

де АБ - відрізок між відповідними точками кривих при переході їх через нуль по осі X; АС - відрізок, який відповідає періоду.

Похибка вимірювання  х залежить від похибки відліку і фазової похибки осцилографа.

Якщо замість лінійної розгортки використовувати синусоїдальну розгортає напруга, то одержувані на екрані фігури Ліссажу при рівних частотах дають на екрані осцилографа форму еліпса (Рис. 6б). Кут зсуву  x \u003d arcsin (АБ / ВГ).

Цей метод дозволяє вимірювати  х в межах 0 90 о без визначення знака фазового кута.

Похибка вимірювання  х також визначається похибкою відліку

Ріс..6. Криві, одержувані на екрані двухлучевого осцилографа: при лінійної (А)і синусоїдальної (б) розгортці

і розбіжностями в фазових зрушеннях каналів Х і Y осцилографа.

Застосування компенсатора змінного струму з каліброваним фазовращателем і електронним осцилографом як індикатор рівності фаз дозволяє зробити досить точний вимір кута зсуву фаз. Похибка вимірювання в цьому випадку визначається в основному похибкою використовуваного фазовращателя.

Пряме вимірювання. Пряме вимірювання утла зсуву фаз здійснюють за допомогою електродинамічних, феродинамічні, електромагнітних, електронних і цифрових фазометрів. Найбільш часто з електромеханічних фазометрів використовують електродинамічні і електромагнітні логометріческіе фазометри. Шкала у цих приладів лінійна. Використовуються на діапазоні частот від 50 Гц до 6 ... 8 кГц. Класи точності - 0,2; 0,5. Для них характерна велика споживана потужність 1 (5 ... 10 Вт).

В трифазного симетричного ланцюга вимірювання кута зсуву фаз  або cos здійснюється однофазним або трифазним Фазометр.

Цифрові фазометри використовуються в малопотужних ланцюгах в діапазоні частот від одиниць Гц до 150 МГц, класи точності - 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В електронно-рахункових Цифровий фазометр зсув по фазі між двома напругами перетвориться в часовий інтервал, що заповнюється імпульсами стабільної частоти з певним періодом, які під-зчитуються електронним лічильником імпульсів. Складові похибки цих приладів: похибка дискретності, похибка генератора стабільної частоти, похибка, що залежить від точності формування та передачі тимчасового інтервалу.

Методи вимірювання частоти.Частота є однією з найважливіших характеристик періодичного процесу. Визначається числом повних циклів (періодів) зміни сигналу в одиницю часу. Діапазон використовуваних в техніці частот дуже великий і коливається від часток герц до десятків. Весь спектр частот поділяється на два діапазони - низькі і високі.

Низькі частоти: інфразвукові - нижче 20 Гц; звукові - 20 ... 20000 Гц; ультразвукові - 20 ... 200 кГц.

Високі частоти: високі - від 200 кГц до 30 МГц; ультрависокі - 30 ... 300 МГц.

Тому вибір методу вимірювання частоти залежить від діапазону вимірюваних частот, необхідної точності вимірювання, величини і форми напруги вимірюваної частоти, потужності вимірюваного сигналу, наявності засобів вимірювальної техніки і т.д.

Пряме вимірювання. Метод заснований на застосуванні електромеханічних, електронних і цифрових частотомеров.

Електромеханічні частотоміри використовують вимірювальний механізм електромагнітної, електродинамічної і феродинамічні систем з безпосереднім відліком частоти по шкалі логометріческого вимірювача. Вони прості в пристрої і експлуатації, надійні, мають досить високою точністю. Їх використовують в діапазоні частот від 20 до 2500 Гц. Класи точності - 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5.

Електронні частотоміри застосовуються при вимірах в частотному діапазоні від 10 Гц до декількох мегагерц, при рівнях вхідного сигналу 0,5 ... 200 В. Вони мають великий вхідний опір, що забезпечує мале споживання потужності. Класи точності - 0,5; 1,0 і нижче.

Цифрові частотоміри застосовуються для дуже точних вимірювань в діапазоні 0,01 Гц ... 17 ГГц. Джерелами похибки є похибка від дискретності і нестабільності кварцового генератора.

Мостовий метод. Цей метод вимірювання частоти заснований на використанні частотозавісімих мостів змінного струму, що живляться напругою вимірюваної частоти. Найбільш поширеною мостовою схемою для вимірювання частоти є ємнісний міст. Мостовий метод вимірювання частоти застосовують для вимірювання низьких частот в межах 20 Гц ... 20 кГц, похибка вимірювання складає 0,5 ... 1%.

Непряме вимір. Метод здійснюється з використанням осцилографів: по інтерференційним фігурам (фігурам Ліссажу) і кругової розгортки. Методи прості, зручні і досить точні. Їх застосовують в широкому діапазоні частот 10 Гц ... 20 МГц. Недоліком методу Лиссажу є складність розшифровки фігур при співвідношенні фігур більше 10 і, отже, зростає похибка вимірювання за рахунок встановлення справжнього ставлення частот. При методі кругової розгортки похибка вимірювання в основному визначається похибкою квантування основної частоти.

Методи та засоби вимірювань параметрів вимірювальних ланцюгів