Методи вимірювання електричної потужності. Вимірювання потужності і енергії

Потужність, що споживається навантаженням в ланцюзі змінного струму, Дорівнює середньому по часу твору миттєвих значень напруги і струму навантаження. Якщо напруга і струм змінюються синусоидально, то потужність Р можна представити у вигляді P \u003d UI cosφ, де U і I - ефективні значення напруги і струму, а φ - фазовий кут (кут зсуву) синусоид напруги і струму. Якщо напруга виражається в вольтах, а струм в амперах, то потужність буде виражена в ватах. Множник cosφ, званий коефіцієнтом потужності, характеризує ступінь синхронності коливань напруги і струму.

З економічної точки зору, найважливіша електрична величина - енергія. Енергія W визначається твором потужності на час її споживання. У математичній формі це записується як:

Якщо час вимірюється в секундах, напруга - в вольтах, а струм - в амперах, то енергія W буде виражена в ват-секундах, тобто джоулях. Якщо ж час вимірюється в годинах, то енергія - в ват-годинах. На практиці електроенергію зручніше висловлювати в кіловат-годинах.

За допомогою приладів різних систем виробляють вимірювання активної (), реактивної () і повної () потужності в ланцюгах постійного струму, Однофазного і трифазного змінного струму, миттєві значення потужності, а також кількості електрики в широких межах. При цьому діапазон вимірюваних потужностей може становити від часток мкВт до десятків ГВт.

При непрямих вимірах потужності в ланцюгах постійного струму використовують метод вольтметра і амперметра. В цьому випадку прилади можуть бути включені за двома схемами.

Мал. 9.3 Схеми вимірювання потужності за показаннями вольтметра і амперметра при малих і великих опорах навантаження.

Метод простий, надійний, економічний, але має низку істотних недоліків:

· Необхідність знімати показання по двом приладів;

· Необхідністю робити обчислення;

· Невисокою точністю за рахунок підсумовування похибок приладів.

компенсаційний метод застосовується тоді, коли потрібна висока точність вимірювання потужності. За допомогою компенсатора по черзі вимірюється струм навантаження і падіння напруги на навантаженні. Для вимірювання потужності використовують електродинамічні прилади.

Мал. 9.4 Схема включення електродинамічного ватметра через вимірювальні трансформатори струму і напруги.

В широкому діапазоні частот застосовуються цифрові ватметри. Вони здійснюють автоматичний вибір меж вимірювань, самокалібрування, мають зовнішній інтерфейс.

Для вимірювання потужності в трифазних ланцюгах використовують методи одного, двох і трьох ватметрів.

Перший варіант використовують для систем з рівномірним навантаженням фаз, однаковими кутами зсуву фаз між струмом і напругою. При цьому навантаження може бути включена за схемою зірки, трикутника.

При асиметричній навантаженні використовують методи двох ватметрів. При цьому потрібно обчислювати сумарну потужність з урахуванням схеми включення приладів. При використанні схеми з трьома ватметр для визначення споживаної потужності виробляють підсумовування показань.

Для вимірювання потужності в ланцюгах підвищеної частоти застосовують як прямі, так і непрямі методи з використанням термоелектричних перетворювачів, датчиків Холла, електронні та цифрові ватметри. Для вимірювання енергії використовують електромеханічні і електронні лічильники.

При вимірюванні потужності, частоти зсуву фаз широко використовують вимірювальні механізми електродинамічної системи, так як ці прилади мають складну функціональну залежність:

(9.4)

Якщо пропускати струм через послідовно включені котушки, то можна використовувати струм і напруга при включенні в ланцюг однієї з котушок, можна забезпечити додатковий зсув фаз. При цьому можна виміряти активну і реактивну потужність.

Ватметр складається з двох котушок: нерухомої 1, що складається з невеликого числа витків товстого дроту, і рухомий 2, що складається з великої кількості витків тонкого дроту. При включенні ваттметра струм навантаження проходить через нерухому котушку, послідовно включену в ланцюг, а рухлива котушка включається паралельно споживачеві. Для зменшення споживаної потужності в паралельній обмотці н зменшення ваги рухомої котушки послідовно з нею включається додатковий опір 3 з манганина. В результаті взаємодії магнітних полів рухомою і нерухомою котушок виникає момент обертання, пропорційний струмам обох котушок:

т. е. крутний момент приладу пропорційний потужності, споживаної в ланцюзі.

Щоб стрілка приладу відхилялася від нуля вправо, необхідно струм через котушку пропускати в певному напрямку.

Для цього два затиску, що вказують початку обмоток, позначаються знаком * і електрично з'єднуються. На шкалі ватметра вказуються номінальний струм і номінальна напруга приладу. Так, наприклад, якщо на шкалі приладу позначено 5 А і 150 В, то прилад може вимірювати потужність до потужність 750 Вт. Шкали деяких ватметрів градуйовані в розподілах. Якщо, наприклад, ватметр на 5 А і 150 В має 150 поділок, то ціна ділення, або постійна ваттметра, дорівнює 750: 150 \u003d 5 Вт / справ.

Крім електродинамічних ватметрів, для вимірювання потужності в ланцюгах постійного струму вживаються також ватметри феродинамічні системи.

2. Однофазний змінний струм. При включенні електродинамічного ватметра в ланцюг змінного струму магнітні поля рухомої н нерухомою котушок, взаємодіючи між собою, викличуть поворот рухомої котушки. Миттєвий момент обертання рухомий часгь приладу пропорційний твору миттєвих значень струмів в обох котушках приладу. Але внаслідок швидких змін струмів рухлива система не зможе слідувати за цими змінами і момент обертання приладу буде пропорційний середній або активної потужності Отже, по куту повороту рухомої частини ваттметра можна судити про величину активної потужності, споживаної ланцюгом.

Для вимірювання потужності змінного струму користуються також ватметр індукційної системи. На фіг. 362 показана схема включення індукційного ваттметра з обертовим маг-нітних полем. Послідовна обмогка 1-1, що складається з невеликого числа витків товстого дроту, розташовується на двох протилежних полюсних виступах і включена послідовно в ланцюг. Паралельна обмотка 2-2 ваттметра, що складається з великої кількості витків тонкого дроту, розташовується на двох окремих полюсних виступах. Послідовно з обмоткою 2-2 включається індуктивний опір 3, що служить для напів-

Чення кута зсуву 90 ° між її напругою і струмом. Тим самим при чисто активному навантаженні отримуємо зрушення на кут 90 ° між струмами в послідовній і паралельної обмотках, що є необхідною умовою створення обертового магнітного поля. При включенні приладу це поле, перетинаючи алюмінієвий циліндр 4, індукує в ньому вихрові струми, які, взаємодіючи з полем, створюють обертаючий момент, що впливає на рухому частину приладу. Кут повороту її при будь-якому навантаженні буде пропорційний активної потужності, споживаної ланцюгом:

Принципова схема індукційного ваттметра з біжучим полем була дана на фіг. 335.

При вимірі ваттметром потужності в мережах низької напруги з великими струмами застосовують трансформатори струму. Для зменшення різниці потенціалів між обмотками ваттметра первинна і вторинна ланцюга трансформатора струму мають спільну точку. вторинна обмотка трансформатора не заземлюють, так як це означало б заземлення одного проводу мережі.

Для визначення потужності мережі Р 1 в цьому випадку потрібно показання ваттметра P 2 помножити на коефіцієнт трансформації трансформатора струму:

У мережах високої напруги при вимірюванні потужності використовуються вимірювальні трансформатори напруги н струму (фіг. 363).

Так, наприклад, якщо до ваттметром встановлені трансформатор напруги 6000/100 В і трансформатор струму 150/5 А, а ватметр показав 80 Вт, то потужність мережі буде:

При включенні ватметрів (лічильників) через вимірювальні

Трансформатори потрібно приєднувати ці прилади так, щоб по обмоткам їх проходили струми в тому ж напрямку, як якщо б вони були безпосередньо включені в мережу.

Крім ваттметра, потужність однофазного змінного струму можна визначити за показаннями трьох приладів: амперметра, вольтметра і фазометра згідно з формулою:

3. Трифазний змінний струм. При рівномірному навантаженні трифазної системи для вимірювання потужності користуються одним однофазним ваттметром, включеним по схемі, показаній на фіг. 364 (а - для з'єднання зіркою; б - для з'єднання трикутником). За послідовної обмотці ваттметра в цьому випадку протікає фазний струм, а паралельна обмотка включена до фазній напрузі. Тому ватметр покаже потужність однієї фази. Для отримання потужності трифазної системи потрібно показання однофазного ваттметра помножити на три.

При нерівномірному навантаженні в чьотирьох мережі трифазного струму для вимірювання потужності застосовується схема трьох ватметрів (фіг. 365). Кожен однофазний ватметр вимірює потужність однієї фази. Для отримання потужності трифазної системи необхідно взяти суму показань трьох ватметрів.

При змінному навантаженні важко отримати одночасний відлік показань трьох ватметрів. Крім того, три однофазних ваттметра займають багато місця. Тому часто застосовують один Трьохелементний трифазний ватметрів, що представляє собою з'єднання в одному приладі трьох однофазних ватметрів.

У Трьохелементний електродинамічного ватметра три рухливі паралельні котушки насаджені на одну вісь, пов'язану зі стрілкою, і загальний момент, отриманий в результаті складання механічних зусиль кожної котушки, буде пропорційний потужності, споживаної в трифазної мережі. В інших конструкціях рухливі котушки, розташовані в різних місцях, пов'язані між собою гнучкими стрічками і передають сумарне зусилля на вісь зі стрілкою.

Активну потужність трифазної мережі при рівномірному навантаженні можна визначити

За допомогою трьох приладів: амперметра, вольтметра і фазометра за формулою:

Потужність трехпроводной трифазної мережі при будь-якому навантаженні (рівномірної або нерівномірної), незалежно від способу з'єднання споживача (зіркою або трикутником), може бути виміряна за схемою двох ватметрів.

За першим законом Кірхгофа сума миттєвих значень струмів всіх трьох фаз дорівнює нулю:

Отримане рівняння показує, що один з ватметрів треба включити так, щоб по його струмового котушки протікав струм першої фази, а котушка напруги може бути надана під різницею напруг першої та другої фаз; інший ватметр слід включити так, щоб по його струмового котушки протікав струм третьої фази, а котушка напруги може бути надана під різницею напруг третьої і другої фаз.

Склавши свідчення обох ватметрів, отримаємо потужність всіх трьох фаз.

На фіг. 366 показані три варіанти схеми двох ватметрів.

З схем на Фнг. 366 видно, що послідовні обмотки ватметрів включають в будь-два лінійних дроти мережі. Почала паралельних обмоток кожного ватметра підключаються до того ж проводу, в який включена послідовна обмотка ваттметра. Кінці паралельних обмоток підключаються до третього лінійному проводу.

При рівномірній активному навантаженні (\u003d 1) показання ватметрів рівні між собою. При що не дорівнює одиниці, показання ватметрів НЕ будуть рівні. При рівному \u003d 0,5, один з ватметрів покаже нуль. При меншому 0,5, стрілка цього приладу почне відхилятися вліво. Щоб отримати показання приладу, необхідно перемкнути кінці його послідовної або паралельної обмотки.

Для вимірювання активної потужності трифазної системи за показниками двох ватметрів потрібно складати їх показання або віднімати з свідчення одного ваттметра показання іншого ваттметра, яке було негативним. Схема вимірювання потужності двома ваттметром за допомогою вимірювальних трансформаторів напруги та струму дана на фіг. 367.

Зручніше вимірювати потужність за допомогою трифазного ваттметра, в якому поєднані два прилади, включені за схемою двох ватметрів і діючі на одну загальну вісь, з якою пов'язана стрілка.

У мережах високої напруги трифазний ватметрів включається за допомогою вимірювальних трансформаторів напруги та струму.

Вимірювання потужності.У ланцюгах постійного струму потужність можна виміряти непрямим методом за допомогою амперметра і вольтметра

Р \u003d UI,

але більш точний результат дає вимір потужності електродинамічним ваттметром, яким вимірюється потужність незалежно від роду струму. Зовнішній вигляд (А) і схема включення ватметра (Б)показані на рис.16. Ватметр має чотири затиску для підключення рухомою і нерухомою котушок в ланцюг. Нерухома котушка включається в ланцюг послідовно і називається струмового котушкою, а рухлива котушка разом з додатковим

Ріс.16.1. Однофазний ватметр: а-зовнішній вигляд; б-схема включення в електричний ланцюг змінного струму.

опором г д - паралельно навантаженні і називається котушкою напруги. Початок котушок зазначено зірочкою * I і * U , кінець струмового котушки 5 А, а кінець обмотки напруги -150V. Так як напрямок відхилення указательной стрілки ваттметра залежить від взаємного напряму струмів в котушках, то висновки * I і * U підключаються до джерела струму, а висновки 5 А і 150V-до навантаження. З огляду на те що висновки * I і * U підключаються до одного і того ж проводу, їх можна з'єднати між собою провідником, що і робиться на практиці при вимірюванні потужності в ланцюзі постійного струму і активної потужності в колі змінного струму.

Вимірювання енергії.Розрізняють такі способи контролю витрат електроенергії: 1. Непрямий спосіб. В цьому випадку вимірюють непрямі параметри, а витрата електроенергії визначають розрахунком. Так наприклад, витрата електроенергії в ланцюгах постійного струму визначається за формулою:

W \u003d U I t(16.1),

де U - напруга на приймачі електроенергії I - струм в приймачі t- час проходження струму.

Т.ч. для вимірювання витрати електроенергії паралельно приймачу потрібно включити вольтметр і виміряти напругу U, Послідовно приймача включити амперметр і виміряти силу струму I . час - t вимірюється за допомогою хронометра. Знявши показання з вольтметра, амперметра і хронометра витрата електроенергії визначають за формулою (16.1). У ланцюгах змінного струму витрата електроенергії визначається за формулою (16.2)

W \u003d U I t cosφ(16.2)

Т.ч. для непрямого вимірювання витрати електроенергії в даному випадку, окрім вольтметра, амперметра і хронометра потрібно включити фазометр для вимірювання коефіцієнта потужності cosφ.

2. Безпосередній спосіб. Цей спосіб використовується в ланцюгах змінного струму. В цьому випадку для вимірювання витрати електроенергії використовується індукційний лічильник електричної енергії. Лічильник являє собою суммирующий прилад. Основна відмінність його від стрілочного приладу полягає в тому, що кут повороту його рухомий здебільшого не обмежуваний пружиною, наростає і показання лічильника підсумовуються. Кожному обороту рухомої частини лічильника відповідає певна кількість витраченої енергії. Лічильник включається в Рис. 16.2 електричний ланцюг також як ватметр (рис. 16, 1), тобто його струмовий обмотка (3) включається послідовно з навантаженням і контролює силу струму в навантаженні, а обмотка напруги (2) включається паралельно навантаженню і контролює напругу на навантаженні. Час контролюється за рахунок кількості оборотів диска.