8.4. Вимірювання потужності і електричної енергії

Вимірювання потужності здійснюють за допомогою прямого й непрямого методів. При прямому методі використовують ватметри, при непрямому - ам­перметри і вольтметри.

8.4.1. Вимірювання потужності в колах постійного струму. В колах постійного струму потужність вимірюють за методом амперметра - вольтметра. Вимірявши амперметром струм I і вольтметром напругу U (рис. 8.5), обчислю­ють потужність приймача

Для зменшення похибки через вплив внутрішніх опорів приладів схему рис. 8.5,а необхідно використовувати при малих значеннях опору R, а схему рис. 8.5,б - при великих R.

Вимірювання потужності ватметром в колах постійного струму здійсню­ють рідко.

8.4.2. Вимірювання потужності в колах однофазного струму. Повну потужність приймача вимірюють переважно методом амперметра - вольтметра:

S = U-I, (8.12)

де U і I - діючі напруга й струм.

Активну Р = U-I cos$> і реактивну Q = U-I sin$> потужності приймачів ви­мірюють за допомогою ватметрів і варметрів. Як ватметри використовують електродинамічні і феродинамічні прилади, як варметри - електродинамічні прилади.

Схема увімкнення ватметра для вимірювання активної потужності в ко­лах однофазного змінного струму показана на рис.7.7.

I1       Вимірювання реактивної потужно-

сті в однофазних колах проводять за до­помогою реактивних ватметрів, які нази­ваються варметрами. У цих приладах схемним шляхом (рис. 8.6) створюється штучний зсув фаз на 90° між напругою U на приймачі й струмом в обмотці напру­ги приладу IV. Для цього послідовно з паралельною обмоткою RWv приладу й • додатковим резистором R включено ін­дуктивну котушку з опором XL, а пара­лельно до цієї обмотки (затискачі а й б) підключений резистор з опором RL. Тоді

струм Iv = 12 -11 при відповідному підборі

параметрів XL << (RWv + R) = RV буде

зсунутим за фазою відносно напруги рівно на 90°. В результаті обертовий мо-мент буде пропорційним sinq) (де ф - кут зсуву фаз між напругою й струмом електроприймача), тобто обертовий момент про­порційний реактивній потужності Q = U-I sin$>.

8.4.3. Вимірювання потужності в трифазних колах. Потужність трифа­зної системи дорівнює сумі потужностей, споживаних навантаженнями кожної фази:

P = Pa + Pb + Pc. (8.13)

У випадку рівномірного навантаження загальна активна потужність дорі­внює потроєній потужності однієї з фаз:

Р = 3Рф = 3Io-Uo-cosq, (8.14)

де !ф і иф - фазні струм і напруга.

Якщо фазні значення струму й напруги виразити через лінійні, то мати­мемо:

Р = V3U • I ■ cosj, (8.15)

де I і U - лінійні струм і напруга.

Вимірювання активної потужності. Для вимірювання активної потуж­ності трифазної системи застосовують різні способи:

Спосіб одного ватметра застосовують для вимірювання потужності при симетричному навантаженні в чотирипровідній або трипровідній лінії, якщо доступна для підключення нейтральна (нульова) точка навантаження (рис. 8.7). При цьому загальна потужність дорівнює потроєному показанню ватметра:


штучною нульовою точкою

Спосіб одного ватметра із створенням штучної нульової точки засто­совують для вимірювання потужності при симетричному навантаженні в тих випадках, коли нульова (нейтральна) точка електроприймача недоступна або взагалі відсутня (наприклад, у з'єднанні «трикутником»). При цьому в одну з фаз вмикають струмову обмотку ватметра, а нульову (нейтральну) точку одер­жують вмиканням двох однакових опорів Rd між двома іншими фазами (рис. 8.8). У цьому випадку загальна потужність дорівнює потроєному показанню ва­тметра.

Спосіб трьох ватметрів застосовують для вимірювання потужності при нерівномірному навантаженні в чотирипровідній лінії (рис. 8.9). Загальна поту­жність при цьому дорівнює сумі показань усіх трьох ватметрів.

Спосіб двох ватметрів може бути застосований у трипровідних лініях у всіх випадках при вимірюванні потужності трифазних приймачів (рис. 8.10). За цією схемою струмові обмотки ватметрів вмикають у будь-які дві фази, а обмо­тки напруги між третьою (незайнятою) фазою і тією фазою, до якої приєднана струмова обмотка цього ватметра. Загальна потужність при цьому дорівнює сумі показань обох ватметрів.

Слід мати на увазі, що при зсуві фаз більше 60° (робота багатьох електри­чних машин у режимі холостого ходу) стрілка першого ватметра відхилиться у зворотний бік від нуля. Для відліку від'ємних значень потужності за першим ватметром перемикають затискачі однієї з його обмоток (струмової або обмот­ки напруги), тоді загальна потужність у цьому випадку дорівнює різниці пока­зань ватметрів:

Р = Р2 - Рі. (8.17) Користуючись методом двох ватметрів при рівномірному навантаженні, можна за показаннями приладів обчислити tgф, а потім ф і cos ф:

tgj = ^. (8.18)


Метод двох ватметрів широко застосовують на практиці. Однак набагато зручніше вимірювати потужність трифазних приймачів двоелементним трифаз­ним ватметром, в якому об'єднані два однофазних ватметри, що спричиняють обе­ртові моменти на осі, загальній для обох вимірювальних систем.

Вимірювання реактивної потужності. Для вимірювання реактивної потужності трифазної системи при рівномірному навантаженні можна користу­ватися одним ватметром активної потужності, при цьому струмову обмотку вмикають в одну з фаз, а обмотку напруги - між двома іншими фазами (рис. 8.11,а).

Векторна діаграма (рис.8.11,б) пояснює принцип вимірювання реактивної потужності для даного випадку. Потужність, вимірювана ватметром, буде ви­значатися співвідношенням

P = 1А • UBC • cos(900 - j) = Iл • ил ■ sin j. (8.19)

Помноживши показання ватметра на V3, одержують загальну реактивну потужність трифазного кола:


Q = V3u • I ■ sinj. (8.20)

На практиці застосовують трифазні реактивні ватметри зібрані за схемою двох ватметрів (рис. 8.12).

Для увімкнення обмоток напруги на фазну напругу тут є штучна нульова точка 0, утворена опорами двох обмо­ток напруги й додатковим опором Z. Загальна реактивна потужність трифа­зного навантаження визначається як сума показань двох ватметрів, помно­жена на V3:

Q = J5(Qi + Q2). (8.21)

8.4.4. Вимірювання електричної енергії. Активну електричну енергію в колах змінного струму вимірюють індукційними лічильниками, ввімкненими за схемами, що аналогічні схемам включення ватметрів. На рис. 8.13 наведено схему включення однофазного індукційного лічильника активної енергії.

Індукційні лічильники випускають одно- й трифазними. Розширення меж вимірювання досягається увімкненням лічильників у коло через вимірювальні трансформатори.

Для обліку активної енергії у трифазних мережах широко застосовують двоелементні лічильники, що являють собою сукупність двох однофазних інду­кційних лічильників, обертальні моменти яких діють на загальну вісь і лічиль­ний механізм. В основу покладений метод, що дає можливість за допомогою двох лічильників (ватметрів) визначати загальну енергію (потужність), спожи­вану в трифазній системі.

На практиці застосовують також трифазні лічильники реактивної енер­гії. Облік реактивної енергії дик­тується необхідністю визначення се­реднього значення cosj, покладено-го в основу заохочувального й штраф­ного тарифів, які встановлюють для споживачів електричної енергії. Штрафний тариф за перевищення лі­міту споживання реактивної енергії сприяє зниженню великими промис­ловими споживачами реактивної по­тужності установок, і, як наслідок,

зниженню втрат електроенергії у високовольтних розподільчих мережах.

За точністю лічильники поділяють на класи 1,0; 2,0; 2,5 (лічильники ак­тивної енергії) і 2,0; 3,0 (лічильники реактивної енергії).

8.5. Вимірювання неелектричних величин

В інженерній практиці при контролі різних виробничих процесів часто доводиться мати справу з вимірюванням неелектричних величин: механічних (сила, тиск, швидкість та ін.), теплових (температура, теплоємність та ін.), світ­лових (освітленість, світловий потік та ін.).

Для контролю неелектричних величин і керування ними широко застосо­вують електричні методи і електровимірювальні прилади. Вони дозволяють: одержувати дані з високим ступенем точності й у широкому діапазоні зміни значень величин, визначати характеристики об'єктів, що перебувають на вели­ких відстанях і у важкодоступних місцях, вивчати процеси, запам'ятовувати ре­зультати вимірювання за допомогою обчислювальних машин або інформацій­них систем та ін.

Для того щоб ту чи іншу неелектричну величину вимірювати, її потрібно попередньо перетворити на електричний сигнал. Таке перетворення здійсню­ють за допомогою датчиків або первинних перетворювачів. На рис. 8.14 пока­зана структурна схема пристрою для вимірювання неелектричної величини еле­ктричним методом. На схемі показано: ПП - первинний перетворювач, ЕК -електричне вимірювальне коло, ВП - вихідний пристрій. Вимірювана неелект-рична величина x надходить на вхід ПП, на виході якого з'являється електрич­ний сигнал y=f(x). Далі цей сигнал перетворюється у ЕК на інший електричний сигнал U(x), що сприймається ВП, в результаті чого на виході всього пристрою отримують відхилення покажчика a(x). Шкала вихідного пристрою градуйована безпосередньо в значеннях неелектричної величини x.


a(x)

Рис.8.14 - Структурна схема пристрою для вимірювання неелектричної величини

Первинні перетворювачі (ПП), що використовують у вимірюваннях, дуже різноманітні за конструкцією і принципом дії. Їх поділяють на генераторні й параметричні.

Генераторні ПП виробляють ЕРС або струм, і для їхньої роботи зазвичай не потрібне додаткове джерело живлення. До генераторних ПП належать тер­моелектричні перетворювачі (термопари), індукційні, п'єзоелектричні, гальва­нічні перетворювачі та ряд інших.

Параметричні ПП перетворюють зміну вимірюваної неелектричної вели­чини на зміну того або іншого параметра електричного кола (R, L, М, C), для їхньої роботи потрібне додаткове джерело живлення. До параметричних ПП належать: терморезистори, тензорезистори, реостатні, індуктивні і ємнісні пе­ретворювачі та ін. Одну і туж неелектричну величину часто можна вимірювати за допомогою різних ПП.

Електричні вимірювальні кола (ЕК) у розглянутих пристроях переважно складаються з мостів або вимірювальних потенціометрів. У найпростішому ви­падку ЕК може бути відсутнім, сигнал Y = Е(в) надходить безпосередньо на ви­хідний прилад.

Вихідні пристрої (ВП), що використовують при вимірюваннях неелект­ричних величин, досить різні - від стрілочного магнітоелектричного мілівольт­метра до самописного приладу із записом на діаграмній стрічці або ЕОМ. При великій кількості одночасно контрольованих величин сигнали з усіх ВП надхо­дять до диспетчерського пункту або до інформаційно-вимірювальної системи.

Висновки

Усі вимірювання електричних і неелектричних величин виконують з певною похибкою, зумовленою методом вимірювань, чутливістю і класом точ­ності вимірювального приладу.

Для оцінки точності вимірювань використовують поняття абсолютної, відносної й приведеної похибки.

Для оцінки похибки ЕВП встановлені класи точності. Показуючі ЕВП мають 8 класів точності. Цифра, що характеризує клас точності, визначає вира­жену у відсотках максимальну приведену похибку приладу.

Для підвищення чутливості застосовують вимірювальні схеми (мосто­ва, компенсаційна та ін.).

Для підвищення меж вимірюваних значень струму й напруги застосо­вують шунти, додаткові опори, вимірювальні трансформатори.

Для вимірювання неелектричних величин використовують різні датчи­ки (первинні перетворювачі), які перетворюють зміну контрольованої фізичної величини на зміну електричного сигналу (напруги або струму).

Запитання для самоперевірки

У чому різниця між точністю і чутливістю приладу?

Як розширюють межі вимірювання струму й напруги в колах постій­ного й змінного струмів?

Як включають електродинамічний ватметр у коло при вимірюванні ак­тивної потужності в однофазному (трифазному) колі?

Як ватметром виміряти реактивну потужність трифазної мережі?

Чим зумовлена висока точність вимірювання компенсаційним мето­дом?

Як підібрати амперметр (вольтметр) для зменшення методичної похи­бки вимірювання струму (напруги)?

Як за допомогою двох ватметрів виміряти в трифазному трипровідно-му колі активну й реактивну потужності приймача?

З якими первинними перетворювачами використовують автоматичні мости й потенціометри?

У чому переваги електричних методів вимірювання неелектричних ве­личин?


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я