Измерение силы тока, напряжения и мощности в электрических цепях. Измерение мощности в электрических цепях

4.2. Измерение мощности

Мощность измеряют различными способами.

Мощность в электрических цепях постоянного и однофазного переменного тока, измеряют в основном ваттметрами электродинамической системы. На рис. 4.4 приведены схемы включения ваттметра для измерения мощности, потребляемой сопротивлением нагрузки RНАГ в цепях постоянного и однофазного переменного тока.

В цепях напряжения включено добавочное сопротивление RД. Начало токовой обмотки напряжения, так же как и в последующих схемах, показано, соответственно, левой и верхней точками на обмотках ваттметра W; перемена полярности одной из обмоток приведет к отклонению стрелки ваттметра в обратную сторону. Если включить ваттметр в цепь постоянного тока (рис. 4.4, схема а), то он учтёт потребляемую электроприемниками мощность и потери в токовой обмотке ваттметра. Мощность Р определяют по формуле

P=IU'=I(U+IRт)=IU+I2RT=Pпp+Pт,

где I и U - соответственно, ток и напряжение на нагрузке; U’ - напряжение питания; Rт - сопротивление токовой обмотки ваттметра; Рпр и Рт - соответственно, потребляемая приемниками мощность и потери мощности в токовой обмотке.

При включении (рис. 4.4, схема б) по схеме ваттметра учитываются дополнительные потери в обмотке напряжения Рн:

P=U(I+Iн)=UI+UIн=Pнр+Pн.

Таким образом, систематической погрешности, возникающей в следствии того, что цепи тока и напряжения измерительного механизма должны включаться также, как и приборы для измерения тока и напряжения избежать не удается. Если ожидаются значительные колебания мощности за счёт колебаний тока, то предпочтительней будет схема а. При включении ваттметра (рис. 4.4, схема в) на добавочном сопротивлении Rд окажется почти полное напряжение источника, на которое не может быть рассчитана изоляция подвижной катушки. Кроме того, появляется дополнительная погрешность за счет электростатического взаимодействия обмоток. Такую схему не следует применять.

Показания ваттметра, включенного в цепь переменного тока, пропорциональны произведению подведенного к нему напряжения U, тока в токовой обмотке I и cosφ:

Р = с·U·I·cosφ, где с - цена деления ваттметра.

При определенном положении переключателей пределов по току и напряжению цена деления составит

с = (UПРIПР)/ПР, Вт/дел,

где UПР и IПР - верхние пределы ваттметра, ПР - количество делений шкалы ваттметра.

При определении мощности косвенным методом в цепи постоянного тока измеряют ток и напряжение, а в цепи переменного тока (дополнительно, с помощью фазометра), коэффициент мощности cosφ.

Для расширения пределов измерения по току и напряжению применяют шунты, добавочные сопротивления и измерительные трансформаторы (рис. 4.5). Цену деления ватт-метра при пользовании измерительными трансформаторами определяют по уравнению:

СИЗМ= СКIHКUH, Вт/дел.

На сверхвысоких частотах (СВЧ) способы измерения мощности, рассмотренные выше очень трудно реализуемы, поэтому применяются другие способы измерения мощности. Несмотря на кажущееся разнообразие, все они сводятся к преобразованию энергии электромагнитных колебаний в другой вид энергии, более применяемый для измерения (тепловую, механическую и другие) с последующим вторичным преобразованием в электрический сигнал. Измерение производится в основном цифровыми приборами.

При измерении активной мощности в трёхфазных цепях (три фазовых провода и один нулевой - четырех проводная сеть) используют три однофазных ваттметра, включенных в отдельные фазы; измеряемую мощность определяют как сумму мощностей всех фаз. В, этом случае не следует пользоваться ваттметром, включенным в одну из фаз, так как велика вероятность неравномерности нагрузки, и погрешность измерения может оказаться значительно больше допустимой.

В трехфазных цепях без нулевого провода возникает затруднение с подключением цепи напряжения ваттметра, потому что в цепи имеется линейное напряжение. Однако при симметричной, нагрузке можно измерить мощность одним ваттметром. Для этого в месте измерения создается искусственная нулевая точка. Сопротивления всех фаз, образующие звезду, должны быть равными. Мощность в этом случае равна утроенному показанию ваттметра.

В несимметричных трехфазных трехпроводных цепях мощность можно измерить так же, как и в четырехпроводных цепях, т.е. как сумму трех мощностей. Здесь также необходима искусственная нулевая точка, однако ее можно очень просто создать соединением в звезду трех (одинаковых!) цепей напряжения ваттметров.

Более универсальным и точным методом измерения трехфазной мощности является метод двух ваттметров или так называемая схема Арона (рис. 4.6).

Токовые обмотки ваттметров включены на линии А, В; обмотки по напряжению на АС и ВС (рис. 4.6, а).

Токовые обмотки ваттметров включены на линии А, С; обмотки по напряжению - на АВ и СВ (рис. 4.6, б).

Токовые обмотки ваттметров включены в линии В, С; обмотки по напряжению – на ВА и СА (рис. 4.6, в).

Построим векторную диаграмму (рис. 4.7) для схемы Арона (рис. 4.6, схема б).

Мощность определяют по сумме показаний ваттметров

P=P1+P2=UавIаcosψ1+UсвIсcosψ2.

В зависимости от характера нагрузки один из углов (ψ1 или ψ2) может стать больше 90°. В этом случае один из ваттметров будет показывать отклонение в противоположную сторону. Чтобы получить отсчет, надо изменить направление тока в одной из обмоток этого ваттметра. Показания берут со знаком минус, т.е. общая мощность равна алгебраической сумме показаний. В частном случае, когда система симметрична, ψ1=30+φ, ψ2=30-φ и общую мощность находят по формуле

P=P1+P2=UавIаcos(30+φ)+UсвIсcos(30-φ)=UлIл2cos30cosφ= UлIлcosφ.

Даже при полной симметрии показания ваттметров не равны и зависят от величины и знака угла φ. При значении φ, равном 0-60 показания обоих положительны; при φ=60 показания первого ваттметра Р1=0; при φ>60 оба покажут отрицательные значения.

При измерении реактивной мощности однофазные реактивные ваттметры применяют для лабораторных измерений и поверки индукционных счетчиков. В отличии от обыкновенного ваттметра реактивный имеет усложненную схему параллельной цепи, в которую включают реактивное сопротивление для получения сдвига по фазе на 90° между током и напряжением. Тогда угол отклонения подвижной части будет пропорционален реактивной мощности. При измерении реактивной мощности в трехфазных цепях нет необходимости получать сдвиг по фазе на 90°, так как при переходе от схемы звезды к схеме треугольника всегда имеется напряжение, которое пропорционально измеряемому и сдвинуто по фазе на 90°. В соответствии с этим, например в несимметрично нагруженной трех- и четырехфазной сети, реактивную мощность Q определяют по схеме трех активных ваттметров, включенных по напряжению на "чужие" фазы (рис. 4.8).

Тогда реактивная мощность Q = (P1+P2+P3)/

При равномерной нагрузке можно ограничиться одним из ваттметров. Тогда Q =

·Р1. В трехфазной сети с равномерной нагрузкой (рис. 4.6, любая схема), реактивную мощность Q определяют по формуле

Q =·(P1-P2).

Реактивную мощность в трехфазной сети с равномерной и неравномерной загрузкой фаз Q находят по схеме с искусственной нулевой точкой (рис. 4.9):

Q = ·(P1+ Р2).

Сопротивление, включенное на свободную фазу (R), подбирают так, чтобы оно вместе с обмотками напряжения ваттметров образовало симметричную звезду, а к ваттметрам были подведены фазовые напряжения:

R=Rw1=Rw2.

Для определении реактивной мощности указанными выше методами необходимо знать порядок чередования фаз сети. Если он окажется обратным, показания ваттметров во многих случаях будут отрицательными.

4.1. Измерение тока и напряжения< Предыдущая Следующая >4.3. Измерение энергии

xn----8sbnaarbiedfksmiphlmncm1d9b0i.xn--p1ai

Измерение мощности в цепях постоянного тока

План работы

Различные методы измерения мощности и способы подключения приборов в цепях постоянного тока.
Анализ результатов измерений.

Основные теоретические положения

Мощность – физическая величина, равная выполняемой работе за единицу времени, что равносильно скорости изменения энергии системы. В частности, электрическая мощность – это величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую, световую и т. д.

Мощность в цепях постоянного тока определяется выражением P = UI, где U – напряжение, приложенное к нагрузке, В, I – ток, протекающий через нагрузку, А. Единицей измерения электрической мощности является ватт (Вт). Из приведенного уравнения следует, что мощность P можно определить косвенным методом, измеряя вольтметром напряжение U на нагрузке и амперметром – ток I, протекающий через нагрузку. Перемножив результаты измерений U и I, получим значение мощности.

На рис. 1 приведены две схемы включения вольтметра и амперметра. Выбор той или иной схемы обусловлен допускаемой методической погрешностью измерения. Погрешность зависит от соизмеримости внутренних сопротивлений приборов с сопротивлением нагрузки Rн.

а б

Рис. 1. Схемы включения приборов для измерения мощности

в цепи постоянного тока.

Схема рис. 1а применяется, когда сопротивление нагрузки Rн много меньше сопротивления вольтметра Rв; а схема рис. 1б – когда сопротивление нагрузки Rн много больше сопротивления амперметра Ra. Если этими условиями пренебречь и допустить, что Rн = Rв для схемы рис. 1а и Rн = Ra для схемы рис. 1б, то относительная погрешность измерения мощности составит 100 %.

Практически удобнее измерять мощность одним прибором – ваттметром. Для определения мощности ваттметру нужна информация о токе и напряжении, и он должен уметь их перемножать. Таким прибором является электродинамический ваттметр, состоящий из подвижной катушки, расположенной внутри неподвижной катушки.

К подвижной катушке подключают напряжение нагрузки, а через неподвижную катушку пропускают ток нагрузки. Взаимодействие магнитных полей катушек заставляет подвижную катушку поворачиваться на угол, пропорциональный мощности. Направление поворота зависит от направления токов в катушках, поэтому включать его в цепь необходимо так, чтобы начала обмоток катушек были подключены в сторону источника питания (генератору). На клеммах ваттметра начала обмоток обозначены звездочкой (*U и *I). Их называют генераторными зажимами. Если токовый генераторный зажим подключить ошибочно в сторону нагрузки, то стрелка прибора будет отклоняться влево от нулевой отметки и отсчет показаний будет невозможен. Генераторный зажим обмотки напряжения, в целях уменьшения погрешности измерения, может быть включен по схеме рис. 2а или рис. 2б.

а б

Рис. 2. Схема включения ваттметра в цепь постоянного тока.

Схема рис. 2а применяется, когда сопротивление нагрузки Rн много больше сопротивления токовой цепи ваттметра Ra; а схема рис. 2б – когда сопротивление нагрузки Rн много меньше сопротивления цепи напряжения ваттметра Rв. Сопротивления цепей напряжения и тока указаны на циферблате прибора. Ваттметр сконструирован так, что практически чаще пользуются схемой рис. 2а.

studfiles.net

3. Измерение мощности и энергии

В настоящее время необходимо измерять мощность и энергию постоянного тока, активную мощность и энергию переменного однофазного и трехфазного тока, реактивную мощность и энергию трехфазного переменного тока, мгновенное значение мощности, а также количество электричества в очень широких пределах.

Электрическая мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени.

Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность

Pa=UIcos > = I2 R=U2/R, (1)

где U, I — действующие значения напряжения и тока;  — угол сдвига фаз.

Реактивная мощность

Рр = UIsin  = I2X. (2)

Полная мощность

Pn = UI=PZ. Эти три типа мощности связаны выражением

P =(Ра 2+Р2р) (3)

Так, мощность измеряется в пределах 1 Вт... 10 ГВт (в цепях постоянного и однофазного переменного тока) с погрешностью ±(0,01...0,1) %, а при СВЧ — с погрешностью ±(1...5) %. Реактивная мощность от единиц вар до Мвар измеряется с погрешностью ±(0,1...0,5)%.

Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазонами измерения номинальных токов (1 нА...1О кА) и напряжений (1 мкВ...1 MB), погрешность измерения составляет ±(0,1...2,5)%.

Измерение реактивной энергии представляет интерес только для промышленных трехфазных цепей.

Измерение мощности в цепях постоянного тока. При косвенном измерении мощности используют метод амперметра и вольтметра и компенсационный метод.

Метод амперметра и вольтметра. В этом случае приборы включаются по двум схемам (рис.1).

Метод прост, надежен, экономичен, но обладает рядом существенных недостатков: необходимостью снимать показания по двум

Рис. .1. Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и амперметра при малых (а) и больших (б) сопротивлениях нагрузки

приборам; необходимостью производить вычисления; невысокой точностью за счет суммирования погрешности приборов.

Мощность Рх, вычисленная по показаниям приборов (рис. 1а), имеет вид

Она больше действительного значения мощности, расходуемой в нагрузке Рн, на значение мощности потребления вольтметра Рv, т. е. Рн = Рх – Рv.

Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра и меньше сопротивление нагрузки.

Мощность Рх, вычисленная по показаниям приборов (рис 1., б), имеем вид

Она больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности потребления амперметром РА. Методическая погрешность тем меньше, чем меньше входное сопротивление амперметра и больше сопротивление нагрузки.

Компенсационный метод. Этот метод применяется тогда, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряется ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Измеряемая мощность определяется по формуле

P=Uн Iн. (4)

При прямом измерении активная мощность измеряется электромеханическими (электродинамической и ферродинамической систем), цифровыми и электронными ваттметрами.

Электродинамические ваттметры применяются как переносные приборы для точных измерений мощности (класс 0,1... 2,5) в цепях постоянного и переменного тока с частотой до нескольких тысяч герц.

Ферродинамические щитовые вольтметры применяются в цепях переменного тока промышленной частоты (класс 1,5…2,5).

Рис.2

В широком диапазоне частот применяются цифровые ваттметры, основу

составляют различные преобразователи мощности (например, термоэлектрические), УПТ, микропроцессор и ЦОУ. В цифровых ваттметрах осуществляется автоматический выбор пределов измерений, самокалибровка и предусмотрен внешний интерфейс.

Для измерения мощности в высокочастотных цепях также используются специальные и электронные ваттметры.

Для измерения реактивной мощности на низких частотах служат реактивные ваттметры (варметры), в которых путем использования специальных схем отклонение подвижной части электродинамического ИМ пропорционально реактивной мощности.

Включение электромеханических ваттметров непосредственно в электрическую цепь допустимо при токах нагрузки, не превышающих 10... 20 А, и напряжениях до 600 В. Измерение мощности при больших токах нагрузки и в цепях высокого напряжения производится ваттметром с измерительными трансформаторами тока ТА и напряжения TV(рис..2).

Измерение активной мощности в цепях трехфазного тока. Метод одного ваттметра. Этот метод применяется только в симметричной системе с равномерной нагрузкой фаз, одинаковыми углами сдвига по фазе между векторами I и U и с полной симметрией напряжений (рис..3).

Рис..3. Схемы включения ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь при полной симметрии присоединения нагрузки:

а — звездой; б — треугольником; в ~- с искусственной нулевой точкой

Рис.4. Схемы включения двух ваттметров в трехфазную цепь: а — в 1-ю и 3-ю; б — в 1-ю и 2-ю; в — в 2-ю и 3-ю

На рис. .3, а нагрузка соединена звездой и нулевая точка доступна. На рис.3, б нагрузка соединена треугольником, ваттметр включен в фазу. На рис. .3, в нагрузка соединена треугольником с искусственной нулевой точкой. Искусственная нулевая точка создается с помощью двух резисторов, каждый из которых равен сопротивлению цепи обмотки напряжения ваттметра (обычно указывается в техническом паспорте на ваттметр).

Показания ваттметра будут соответствовать мощности одной фазы, а мощность всей трехфазной сети во всех трех случаях включения прибора будет равна мощности одной фазы, умноженной на три:

Р = 3Pw

Метод двух ваттметров. Этот метод применяется в трехфазной трехпроводной цепи независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. Асимметрия — это система, в которой мощности отдельных фаз различны. Токовые обмотки ваттметров включаются в любые две фазы, а обмотки напряжения включаются на линейные напряжения (рис. 4).

Полная мощность может быть выражена в виде суммы показаний Двух ваттметров. Так, для схемы, представленной на рис..4, а,

где 1 — угол сдвига фаз между током I1 и линейным напряжением U12, 2- угол сдвига фаз между током I3 и линейным напряжением U32. В частном случае при симметричной системе напряжений и одинаковой нагрузке фаз 1, = 30° -  и 2 = 30° -  показания ваттметров будут:

При активной нагрузке (= 0) показания ваттметров будут одинаковы, так как PW] = PW2 IUcos30°.

При нагрузке с углом сдвига ср = 60° показания второго ваттметра равны нулю, так как PW2 = IUcos(30° + ) = IUcos(30° + 60°) = 0, и в этом случае мощность трехфазной цепи измеряется одним ваттметром.

При нагрузке с углом сдвига  > 60° мощность, измеряемая вторым ваттметром, будет отрицательной, так как (30° + ) больше 90°. В этом случае подвижная часть ваттметров повернется в обратную сторону. Для отсчета необходимо изменить на 180° фазу тока в одной из цепей ваттметра. В этом случае мощность цепи трехфазного тока равна разности показаний ваттметров

Метод трех ваттметров. Для измерения мощности трехфазной цепи при несимметричной нагрузке включаются три ваттметра, и общая мощность при наличии нулевого провода будет равна арифметической сумме показаний трех ваттметров. В этом случае каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы, показания ваттметра независимо от характера нагрузки будут положительные (параллельная обмотка включается на фазное напряжение, т. е. между линейным проводом и нулевым). Если нулевая точка недоступна и нулевой провод отсутствует, то параллельные цепи приборов могут образовать искусственную нулевую точку при условии, что сопротивления этих цепей равны между собой.

Измерение реактивной мощности в однофазных и трехфазных цепях. Несмотря на то что реактивная мощность не определяет ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии за единицу времени, ее измерение также важно. Наличие реактивной мощности приводит к дополнительным потерям электрической энергии в линиях передачи, трансформаторах и генераторах. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (вар) как в однофазных, так и в трехфазных трех- и четырехпроводных цепях переменного тока электродинамическими и ферродинамическими или специально предназначенными для измерения реактивной мощности ваттметрами. Отличие реактивного ваттметра от обычного состоит в том, что он имеет усложненную схему параллельной цепи для получения сдвига по фазе, равного 90°

между векторами тока и напряжения этой цепи. Тогда отклонение подвижной части будет пропорционально реактивной мощности Рр = UIsin. Реактивные ваттметры преимущественно применяются для лабораторных измерений и поверки реактивных счетчиков.

Реактивную мощность в трехфазной симметричной цепи можно измерить и активным ваттметром: для этого –токовая катушка последовательно включается в фазу А, катушка напряжения между фазами В и С.

Измерение мощности в цепях повышенной частоты. С этой целью можно использовать как прямые, так и косвенные измерения и в ряде случаев предпочтительнее могут оказаться косвенные, так как иногда легче измерить ток и напряжение на нагрузке, чем непосредственно мощность. Прямое измерение мощности в цепях повышенных и высоких частот производится термоэлектрическими, электронными ваттметрами, ваттметрами, основанными на эффекте Холла, и цифровыми ваттметрами.

Косвенные измерения осуществляются осциллографическим методом. Он применяется в основном тогда, когда цепь питается напряжением несинусоидальной формы, при высоких частотах, маломощных источниках напряжения и т. д.

Измерение энергии в однофазных и трехфазных цепях. Энергия измеряется электромеханическими и электронными счетчиками электрической энергии. Электронные счетчики электрической энергии обладают лучшими метрологическими характеристиками, большей надежностью и являются перспективными средствами измерений электрической энергии.

4. Измерение фазы и частоты

Фаза характеризует состояние гармонического сигнала в определенный момент времени t. Фазовый угол в начальный момент времени (начало отсчета времени), т.е. при t = 0, называют нулевым (начальным) фазовым сдвигом. Разность фаз  измеряют обычно между током и напряжением либо между двумя напряжениями. В первом случае чаще интересуются не самим углом сдвига фаз, а величиной cos или коэффициентом мощности. Cos— это косинус того угла, на который опережает или отстает ток нагрузки от напряжения, приложенного к этой нагрузке. Фазовым сдвигом  двух гармонических сигналов одинаковой частоты называют модуль разности их начальных фаз  =|1- 2|. Фазовый сдвиг  не зависит от времени, если остаются неизменными начальные фазы 1, и 2. Разность фаз выражается в радианах или градусах.

Методы измерения угла сдвига фаз. Эти методы зависят от диапазона частот, уровня и формы сигнала, от требуемой точности и Наличия средств измерений. Различают косвенное и прямое изменения угла сдвига фаз.

Косвенное измерение. Такое измерение угла сдвига фаз Между напряжением U и током I в нагрузке в однофазных цепях

осуществляют с помощью трех приборов — вольтметра, амперметра и ваттметра (рис.5). Угол  определяется расчетным путем из найденного значения cos:

Метод используется обычно на промышленной частоте и обеспечивает невысокую точность из-за методической погрешности, вызванной собственным потреблением приборов, достаточно прост, надежен, экономичен.

В трехфазной симметричной цепи величина cos может быть определена следующими измерениями:

мощность, ток и напряжение одной фазы;
измерение активной мощности методом двух ваттметров;
измерение реактивной мощности методом двух ваттметров с искусственной нейтральной точкой.

Среди осциллографических методов измерения фазы наибольшее распространение получили методы линейной развертки и эллипса. Осциллографический метод, позволяющий наблюдать и фиксировать исследуемый сигнал в любой момент времени, используется в широком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых измерениях (5... 10 %). Метод линейной развертки предполагает применение двухлучевого осциллографа, на горизонтальные пластины которого подают линейное развертывающее напряжение, а на вертикальные пластины — напряжение, между которыми измеряется фазовый сдвиг. Для синусоидальных кривых на экране получаем изображение двух напряжений (рис.6, а) и по измеренным отрезкам АБ и АС вычисляется угол сдвига между ними

где АБ — отрезок между соответствующими точками кривых при переходе их через нуль по оси X; АС — отрезок, соответствующий периоду.

Погрешность измерения х зависит от погрешности отсчета и фазовой погрешности осциллографа.

Рис. 5.

Если вместо линейной развертки использовать синусоидальное развертывающее напряжение, то получаемые на экране фигуры Лиссажу при равных частотах дают на экране осциллографа форму эллипса (Рис. 6б). Угол сдвига x=arcsin(АБ/ВГ).

Этот метод позволяет измерять х в пределах 0 90о без определения знака фазового угла.

Погрешность измерения х также определяется погрешностью отсчета

Рис..6. Кривые, получаемые на экране двухлучевого осциллографа: при линейной (а) и синусоидальной (б) развертке

и расхождениями в фазовых сдвигах каналов Х и Y осциллографа.

Применение компенсатора переменного тока с калиброванным фазовращателем и электронным осциллографом в качестве индикатора равенства фаз позволяет произвести достаточно точное измерение угла сдвига фаз. Погрешность измерения в этом случае определяется в основном погрешностью используемого фазовращателя.

Прямое измерение. Прямое измерение утла сдвига фаз осуществляют с помощью электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электронных и цифровых фазометров. Наиболее часто из электромеханических фазометров используют электродинамические и электромагнитные логометрические фазометры. Шкала у этих приборов линейная. Используются на диапазоне частот от 50 Гц до 6... 8 кГц. Классы точности — 0,2; 0,5. Для них характерна большая потребляемая мощность 1(5...10 Вт).

В трехфазной симметричной цепи измерение угла сдвига фаз  или cos осуществляется однофазным или трехфазным фазометрами.

Цифровые фазометры используются в маломощных цепях в диапазоне частот от единиц Гц до 150 МГц, классы точности — 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В электронно-счетных цифровых фазометрах сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые под-считываются электронным счетчиком импульсов. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность, зависящая от точности формирования и передачи временного интервала.

Методы измерения частоты. Частота является одной из важнейших характеристик периодического процесса. Определяется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени. Диапазон используемых в технике частот очень велик и колеблется от долей герц до десятков. Весь спектр частот подразделяется на два диапазона — низкие и высокие.

Низкие частоты: инфразвуковые — ниже 20 Гц; звуковые — 20...20000 Гц; ультразвуковые — 20...200 кГц.

Высокие частоты: высокие — от 200 кГц до 30 МГц; ультравысокие — 30...300 МГц.

Поэтому выбор метода измерения частоты зависит от диапазона измеряемых частот, необходимой точности измерения, величины и формы напряжения измеряемой частоты, мощности измеряемого сигнала, наличия средств измерений и т.д.

Прямое измерение. Метод основан на применении электромеханических, электронных и цифровых частотомеров.

Электромеханические частотомеры используют измерительный механизм электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем с непосредственным отсчетом частоты по шкале логометрического измерителя. Они просты в устройстве и эксплуатации, надежны, обладают довольно высокой точностью. Их используют в диапазоне частот от 20 до 2500 Гц. Классы точности — 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5.

Электронные частотомеры применяются при измерениях в частотном диапазоне от 10 Гц до нескольких мегагерц, при уровнях входного сигнала 0,5... 200 В. Они имеют большое входное сопротивление, что обеспечивает малое потребление мощности. Классы точности — 0,5; 1,0 и ниже.

Цифровые частотомеры применяются для очень точных измерений в диапазоне 0,01 Гц... 17 ГГц. Источниками погрешности являются погрешность от дискретности и нестабильности кварцевого генератора.

Мостовой метод. Этот метод измерения частоты основан на использовании частотозависимых мостов переменного тока, питаемых напряжением измеряемой частоты. Наиболее распространенной мостовой схемой для измерения частоты является емкостной мост. Мостовой метод измерения частоты применяют для измерения низких частот в пределах 20 Гц ... 20 кГц, погрешность измерения составляет 0,5... 1 %.

Косвенное измерение. Метод осуществляется с использованием осциллографов: по интерференционным фигурам (фигурам Лиссажу) и круговой развертки. Методы просты, удобны и достаточно точны. Их применяют в широком диапазоне частот 10 Гц... 20 МГц. Недостатком метода Лиссажу является сложность расшифровки фигур при соотношении фигур более 10 и, следовательно, возрастает погрешность измерения за счет установления истинного отношения частот. При методе круговой развертки погрешность измерения в основном определяется погрешностью квантования основной частоты.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ

studfiles.net

32. Измерение тока, напряжения, мощности и электрической энергии в цепях постоянного и переменного тока.

В цепи постоянного тока:

Сопротивление (Закон Ома):

при последовательном соединении:

при параллельном соединении:

напряжение: U=I*R, ток: I=U/R, сопротивление: R=U/I, мощность: P=I*U, P=R*,P=/R.

Электрическая энергия: W=U*I*t, W=I^2*R*t

Для измерения напряжения используется ВОЛЬТМЕТР(включается параллельно сопротивлению или участку цепи., для измерения тока АМПЕРМЕТР(включается последовательно с нагрузкой) и для измерения сопротивления ОММЕТР(подключается параллельно измеряемому сопротивлению.). Универсальный измерительный прибор ТЕСТЕР или МУЛЬТИМЕТР.

В цепи параллельного тока:

Ток(измеряется с помощью трансформатора): =Sin(t +), здесьo - максимальное значение силы тока, а j - угол сдвига фаз между ко- лебаниями E и I.

Напряжение: U= UoSin(t +)=R* Sin(t +)

Мощность: Р = UэфэфCos, где- угол сдвига фаз междуи U. (эф) 2 =о^2 /2; (Uэф) 2 = Uо^2 /2.

Электрическая энергия: W*p = UIcost= P*t

где P=UIcosφ — активная мощность изделия; t — продолжительность работы.

Измеряют индукционными или электронными электрическими счетчиками.

33. Назначение, устройство и принцип действия трансформатора. Структурная схема однофазного трансформатора.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Tрансформатор состоит из ферромагнитного сердечника, в который встраиваются две катушки с изолированными обмотками, содержащими количество витков W1 и W2. Действие трансформатора основано на электромагнитной индукции. Под действием мгновенного напряжения U1 в первичной обмотке возникает мгновенный ток i1 равный току холостого хода i0. Под действием магнитодвижущей силы (МДС) i0w1 в сердечнике возбуждается магнитный поток Ф, направление которого определяется по правилу буравчика. Магнитный поток индуктирует мгновенные ЭДС e1= -w1*dФ/dt и e2= -w2*dФ/dt в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

34. Условное обозначение трансформаторов в радиосхемах и распределительных электросетях. Уравнение электрического состояния трансформатора.

Отношение эдс пропорционально отношению количества витков обмоток

Коэффициент трансформации: ,характеризует основное назначение трансформатора - преобразование одного напряжения в другое, большее или меньшее.

35. Автотрансформаторы, электрическая схема, преимущества и недостатки.

Автотрансформатор имеет одну (первичную) обмотку, и часть этой обмотки служит как вторичная.

электрическая схема автотрансформатора

Преимущества:

Экономия меди
Меньшие потери энергии
Меньшее изменение напряжения при изменении нагрузки
Имеет меньшие массу и размер

Недостатки:

Гальваническая связь между первичной и вторичной обмотками
При высоких коэффициентах трансформации – низкий КПД
Требуют более высокую степень изоляции

36. Многообмоточные, однофазные и трехфазные трансформаторы.

Многообмоточный трансформатор имеет одну первичную и несколько вторичных обмоток, рассчитанных на разные напряжения.

Однофазный трансформатор

Однофазный трансформатор предназначен для создания переменного напряжения нужной величины для нагрузки, не нуждающейся в трехфазном электропитании. В результате прохождения электрического тока по проводнику в первичной обмотке, на вторичную наводится электродвижущая сила (ЭДС).

Трехфазный трансформатор.

Электрическая энергия в промышленных масштабах не может передаваться в виде однофазного переменного тока. С этой целью успешно применяется трехфазный ток, а для его передачи используются трехфазные трансформаторы. Одним из способов трансформации трехфазного тока служит применение трех однофазных трансформаторов.

Соединение первичных и вторичных обмоток в этих устройствах осуществляется в одну из трехфазных систем – звезду или треугольник.

Под действием тока первичной обмотки во всех стержнях происходит появление магнитного потока. Следует учитывать принадлежность каждой такой обмотки к одной из фаз, входящих в трехфазную систему. Поэтому токи, протекающие по этим обмоткам, а также приложенные напряжения, относятся к трехфазным. Поэтому сформированные магнитные потоки тоже являются трехфазными.

studfiles.net

§102. Измерение мощности и электрической энергии

Измерение мощности. В цепях постоянного тока мощность измеряют электро- или ферродинамическим ваттметром. Мощность может быть также подсчитана перемножением значений тока и напряжения, измеренных амперметром и вольтметром.

В цепях однофазного тока измерение мощности может быть осуществлено электродинамическим, ферродинамическим или индукционным ваттметром. Ваттметр 4 (рис. 336) имеет две катушки: токовую 2, которая включается в цепь последовательно, и напряжения 3, которая включается в цепь параллельно.

Ваттметр является прибором, требующим при включении соблюдения правильной полярности, поэтому его генераторные зажимы (зажимы, к которым присоединяют проводники, идущие со стороны источника 1) обозначают звездочками.

Рис. 336. Схема для измерения мощности

Для расширения пределов измерения ваттметров их токовые катушки включают в цепь при помощи шунтов или измерительных трансформаторов тока, а катушки напряжения — через добавочные резисторы или измерительные трансформаторы напряжения.

Измерение электрической энергии. Способ измерения. Для учета электрической энергии, получаемой потребителями или отдаваемой источниками тока, применяют счетчики электрической энергии. Счетчик электрической энергии по принципу своего действия аналогичен ваттметру. Однако в отличие от ваттметров вместо спиральной пружины, создающей противодействующий момент, в счетчиках предусматривают устройство, подобное электромагнитному демпферу, создающее тормозящее усилие, пропорциональное частоте вращения подвижной системы. Поэтому при включении прибора в электрическую цепь возникающий вращающий момент будет вызывать не отклонение подвижной системы на некоторый угол, а вращение ее с определенной частотой.

Число оборотов подвижной части прибора будет пропорционально произведению мощности электрического тока на время, в течение которого он действует, т. е. количеству электрической энергии, проходящей через прибор. Число оборотов счетчика фиксируется счетным механизмом. Передаточное число этого механизма выбирают так, чтобы по показаниям счетчика можно было отсчитывать не обороты, а непосредственно электрическую энергию в киловатт-часах.

Наибольшее распространение получили ферродинамические и индукционные счетчики; первые применяют в цепях постоянного тока, вторые — в цепях переменного тока. Счетчики электрической энергии включают в электрические цепи постоянного и переменного тока так же, как и ваттметры.

Ферродинамический счетчик (рис. 337) устанавливают на э. п. с. постоянного тока. Он имеет две катушки: неподвижную 4 и подвижную 6. Неподвижная токовая катушка 4 разделена на две части, которые охватывают ферромагнитный сердечник 5 (обычно из пермаллоя). Последний позволяет создать в приборе сильное магнитное поле и значительный вращающий момент, обеспечивающий нормальную работу счетчика в условиях тряски и вибраций. Применение пермаллоя способствует уменьшению погрешности счетного механизма 2 от гистерезиса магнитной системы (он имеет весьма узкую петлю гистерезиса).

Чтобы уменьшить влияние внешних магнитных полей на показания счетчика, магнитные потоки отдельных частей токовой катушки имеют взаимно противоположное направление (астатическая система). При этом внешнее поле, ослабляя поток одной части, соответственно усиливает поток другой части и оказывает в целом небольшое влияние на результирующий вращающий момент, создаваемый прибором. Подвижная катушка 6 счетчика (катушка напряжения) расположена на якоре, выполненном в виде диска из изоляционного материала или в виде алюминиевой чаши. Катушка состоит из отдельных секций, соединенных с пластинами коллектора 7 (эти соединения на рис. 337 не показаны), по которому скользят щетки из тонких серебряных пластин.

Ферродинамический счетчик работает принципиально как двигатель постоянного тока, обмотка якоря которого подключена параллельно, а обмотка возбуждения — последовательно с потребителем электроэнергии. Якорь вращается в воздушном зазоре между полюсами сердечника. Тормозной момент создается в результате взаимодействия потока постоянного магнита 1 с вихревыми токами, возникающими в алюминиевом диске 3 при его вращении.

Для компенсации влияния момента трения и уменьшения благодаря этому погрешности прибора в ферродинамических счетчиках устанавливают компенсационную катушку или в магнитном поле неподвижной (токовой) катушки помещают лепесток из пермаллоя, который имеет высокую магнитную проницаемость при малой напряженности поля. При небольших нагрузках этот лепесток усиливает магнитный поток токовой катушки, что приводит к увеличению вращающего момента и компенсации трения. При увеличении нагрузки индукция магнитного поля катушки увеличивается, лепесток насыщается и его компенсирующее действие перестает возрастать.

При работе счетчика на э. п. с. возможны сильные толчки и удары, при которых щетки могут отскакивать от коллекторных пластин. При этом под щетками будет возникать искрение. Для его предотвращения между щетками включают конденсатор С и резистор R1. Компенсация температурной погрешности осуществляется с помощью термистора Rт (полупроводникового прибора, сопротивление которого зависит от температуры). Он включается совместно с добавочным резистором R2 параллельно подвижной катушке. Чтобы уменьшить влияние тряски и вибраций на работу счетчиков, их устанавливают на э. п. с. на резинометаллических амортизаторах.

Индукционный счетчик имеет два электромагнита (рис. 338,а), между которыми расположен алюминиевый диск 7. Вращающий момент в приборе создается в результате взаимодействия переменных магнитных потоков Ф1 и Ф2, созданных катушками электромагнитов, с вихревыми токами Iв1 и Iв2, индуцируемыми ими в алюминиевом диске (так же, как и в обычном индукционном измерительном механизме, см. § 99).

В индукционном счетчике вращающий момент М должен быть пропорционален мощности P=UIcos?. Для этого катушку 6 одного из электромагнитов (токовую) включают последовательно с нагрузкой 5, а катушку 2 другого (катушку напряжения) — параллельно нагрузке. В этом случае магнитный поток Ф1 будет пропорционален току I в цепи нагрузки, а поток Ф2 — напряжению U, приложенному к нагрузке. Для обеспечения требуемого угла сдвига фаз ? между потоками Ф1 и Ф2 (чтобы sin? = cos?) в электромагните катушки напряжения предусмотрен магнитный шунт 3, через который часть потока Ф2 замыкается

Рис. 337. Ферродинамический счетчик электрической энергии

Рис. 338. Индукционный счетчик электрической энергии

помимо диска 7. Угол сдвига фаз между потоками Ф1 и Ф2 точно регулируется изменением положения металлического экрана 1, расположенного на пути потока, ответвляющегося через магнитный шунт 3.

Тормозной момент создается так же, как в ферродинамическом счетчике. Компенсация момента трения осуществляется путем создания небольшой несимметрии в магнитной цепи одного из электромагнитов с помощью стального винта.

Для предотвращения вращения якоря при отсутствии нагрузки под действием усилия, созданного устройством, компенсирующим трение, на оси счетчика укрепляется стальной тормозной крючок. Этот крючок притягивается к тормозному магниту 4, благодаря чему предотвращается возможность вращения подвижной системы без нагрузки.

При работе же счетчика под нагрузкой тормозной крючок практически не влияет на его показания.

Чтобы диск счетчика вращался в требуемом направлении, необходимо соблюдать определенный порядок подключения проводов к его зажимам. Нагрузочные зажимы прибора, к которым подключают провода, идущие от потребителя, обозначают буквами Я (рис. 338,б), генераторные зажимы, к которым подключают провода от источника тока или от сети переменного тока,— буквами Г.

electrono.ru

Измерение мощности и энергии в электрических цепях.

⇐ ПредыдущаяСтр 36 из 36

Рис. 336. Схема для измерения мощности

Рис. 337. Ферродинамический счетчик электрической энергии

Рис. 338. Индукционный счетчик электрической энергии

При работе же счетчика под нагрузкой тормозной крючок практически не влияет на его показания.

Измерение силы тока, напряжения и мощности в электрических цепях. — МегаЛекции

Д/З. Попов В.С. Общая электротехника с ОЭ.§8.4 - §8.8.

1.Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Рис.1.

Измерение силы тока и напряжения амперметром и вольтметром.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RV. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1, это условие записывается в виде:

RV>> R1.

Это условие означает, что ток: IV = , протекающий через вольтметр, много меньше тока I = , который протекает по тестируемому участку цепи.

Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Амперметрпредназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1. сопротивление амперметра должно удовлетворять условию RA << (r + R1 + R2),

чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.

Измерительные приборы – вольтметры и амперметры – бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.

Амперметр и вольтметр приборы, которые могут быть устроены на базе одно итого же прибора магнитоэлектрической системы, который называют гальванометром:

Рис.2.Гальванометр.

Любой гальванометр, имеет проволочную катушку, обладающую сопротивлением RГ. Если к гальванометру подключить последовательно добавочное сопротивление, то его можно использовать как вольтметр, подключая его, вместе с добавочным сопротивлением, параллельно участку цепи:

Рис.3.Подключение добавочного сопротивления к гальванометру.

Rд = Rг(n – 1), где n = , отношение напряжения которое необходимо измерить к напряжению которое приходится на катушку гальванометра.

В соответствии с законами последовательного соединения и законом Ома для участка цепи имеем:

Iд = Iг ,

= , = ,

U ‒ Uг = Rд , ‒ 1 = , n ‒ 1 = ,

Rд = Rг(n – 1).

Если к гальванометру подключить параллельно сопротивление (шунт), то его можно использовать как амперметр, подключая его, вместе с шунтом, параллельно участку цепи:

Рис.4.Подключение шунта к гальванометру.

Uш = Uг,

Iш⋅ Rш= Iг ⋅ Rг , (I ‒ Iг )⋅ Rш= Iг ⋅ Rг, ( ‒1)⋅ Rш= Iг ⋅ Rг,

Rш = , где n = , отношение cилы тока которую необходимо измерить к силе тока которая приходит через катушку гальванометра.

2. Измерение мощности.

Мощность в электрической цепи можно измерить помощью амперметра и вольтметра.

Зная показания амперметра и вольтметра по формуле:

P = U∙I - определяем мощность в электрической цепи.

Мощность в электрической цепи можно определить, используя ваттметр электродинамической системы.

Рис.6.Схема соединения катушек Рис.7.Схема включения катушек

электродинамического ваттметра. электродинамического ваттметра.

Катушка вывод (вывод её обозначается *), которой подключается последовательно к источнику тока (генератору) называется токовой.

Катушка, которая подключается параллельно нагрузке, называется катушкой напряжения. Один из выводов этой катушки обозначается *и соединяется с выводом токовой катушки, обозначенной звёздочкой*. Шкала такого прибора проградуирована в ваттах (Вт).

megalektsii.ru