Главная Вводно-распределительные устройства

Измерение мощности электрической энергии. Измерение электрической мощности и энергии

Измерение мощности. В цепях постоянного тока мощность можно измерить косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра

Р = UI ,

но более точный результат дает измерение мощности электродинамическим ваттметром, которым измеряется мощность независимо от рода тока. Внешний вид (а) и схема включения ваттметра (б) показаны на рис.16. Ваттметр имеет четыре зажима для подключения подвижной и неподвижной катушек в цепь. Неподвижная катушка включается в цепь последовательно и называется токовой катушкой, а подвижная катушка вместе с добавочным

Рис.16.1. Однофазный ваттметр: а -внешний вид; б -схема включения в электрическую цепь переменного тока.

сопротивлением г д - параллельно нагрузке и называется катушкой напряжения. Начало катушек отмечено звездочкой *I и *U, конец токовой катушки 5 А, а конец обмотки напряжения -150V. Так как направление отклонения указательной стрелки ваттметра зависит от взаимного направления токов в катушках, то выводы *I и *U подключаются к источнику тока, а выводы 5 А и 150V-к нагрузке. Ввиду того что выводы *I и *U подключаются к одному и тому же проводу, их можно соединить между собой проводником, что и делается на практике при измерении мощности в цепи постоянного тока и активной мощности в цепи переменного тока.

Измерение энергии. Различают следующие способы контроля расхода электроэнергии: 1. Косвенный способ. В этом случае измеряют косвенные параметры, а расход электроэнергии определяют расчетом. Так например, расход электроэнергии в цепях постоянного тока определяется по формуле:

W = U I t (16.1),

где U - напряжение на приемнике электроэнергии I - ток в приемнике t - время прохождения тока.

Т.о. для измерения расхода электроэнергии параллельно приемнику нужно включить вольтметр и измерить напряжение U , последовательно приемнику включить амперметр и измерить силу тока I . Время - t измеряется с помощью хронометра. Сняв показания с вольтметра, амперметра и хронометра расход электроэнергии определяют по формуле (16.1). В цепях переменного тока расход электроэнергии определяется по формуле (16.2)

W = U I t cosφ (16.2)

Т.о. для косвенного измерения расхода электроэнергии в данном случае, кроме вольтметра, амперметра и хронометра нужно включить фазометр для измерения коэффициента мощности cosφ.

2. Непосредственный способ. Этот способ используется в цепях переменного тока. В этом случае для измерения расхода электроэнергии используется индукционный счетчик электрической энергии. Счетчик представляет собой суммирующий прибор. Основное отличие его от стрелочного прибора состоит в том, что угол поворота его подвижной части не ограничиваемый пружиной, нарастает и показания счетчика суммируются. Каждому обороту подвижной части счетчика соответствует определенное количество израсходованной энергии. Счетчик включается в Рис. 16.2 электрическую цепь также как ваттметр (рис. 16, 1), т.е. его токовая обмотка (3) включается последовательно с нагрузкой и контролирует силу тока в нагрузке, а обмотка напряжения (2) включается параллельно нагрузке и контролирует напряжение на нагрузке. Время контролируется за счет количества оборотов диска.

Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного тока, равна среднему по времени произведению мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если напряжение и ток изменяются синусоидально, то мощность Р можно представить в виде P = UI cosφ, где U и I – эффективные значения напряжения и тока, а φ – фазовый угол (угол сдвига) синусоид напряжения и тока. Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах, то мощность будет выражена в ваттах. Множитель cosφ, называемый коэффициентом мощности, характеризует степень синхронности колебаний напряжения и тока.

С экономической точки зрения, самая важная электрическая величина – энергия. Энергия W определяется произведением мощности на время ее потребления. В математической форме это записывается как:

Если время измеряется в секундах, напряжение – в вольтах, а ток – в амперах, то энергия W будет выражена в ватт-секундах, т.е. джоулях. Если же время измеряется в часах, то энергия – в ватт-часах. На практике электроэнергию удобнее выражать в киловатт-часах.

С помощью приборов различных систем производят измерения активной (), реактивной () и полной () мощности в цепях постоянного тока, однофазного и трехфазного переменного тока, мгновенные значения мощности, а также количества электричества в широких пределах. При этом диапазон измеряемых мощностей может составлять от долей мкВт до десятков ГВт.

При косвенных измерениях мощности в цепях постоянного тока используют метод вольтметра и амперметра . В этом случае приборы могут быть включены по двум схемам.

Рис. 9.3 Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и амперметра при малых и больших сопротивлениях нагрузки.

Метод прост, надежен, экономичен, но обладает рядом существенных недостатков:

· необходимость снимать показания по двум приборам;

· необходимостью производить вычисления;

· невысокой точностью за счет суммирования погрешностей приборов.

Компенсационный метод применяется тогда, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряется ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Для измерения мощности используют электродинамические приборы.

Рис. 9.4 Схема включения электродинамического ваттметра через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

В широком диапазоне частот применяются цифровые ваттметры . Они осуществляют автоматический выбор пределов измерений, самокалибровку, имеют внешний интерфейс.

Для измерения мощности в трехфазных цепях используют методы одного, двух и трех ваттметров .

Первый вариант используют для систем с равномерной нагрузкой фаз, одинаковыми углами сдвига фаз между током и напряжением. При этом нагрузка может быть включена по схеме звезды, треугольника.

При асимметричной нагрузке используют методы двух ваттметров. При этом нужно вычислять суммарную мощность с учетом схемы включения приборов. При использовании схемы с тремя ваттметрами для определения потребляемой мощности производят суммирование показаний.

Для измерения мощности в цепях повышенной частоты применяют как прямые, так и косвенные методы с использованием термоэлектрических преобразователей, датчиков Холла, электронные и цифровые ваттметры. Для измерения энергии используют электромеханические и электронные счетчики.

При измерении мощности, частоты сдвига фаз широко используют измерительные механизмы электродинамической системы, так как эти приборы имеют сложную функциональную зависимость:

(9.4)

Если пропускать ток через последовательно включённые катушки, то можно использовать ток и напряжение при включении в цепь одной из катушек, можно обеспечить дополнительный сдвиг фаз. При этом можно измерить активную и реактивную мощность.

Ваттметр состоит из двух катушек: неподвижной 1, состоящей из небольшого числа витков толстой проволоки, и подвижной 2, состоящей из большого числа витков тонкой проволоки. При включении ваттметра ток нагрузки проходит через неподвижную катушку, последовательно включенную в цепь, а подвижная катушка включается параллельно потребителю. Для уменьшения потребляемой мощности в параллельной обмотке н уменьшения веса подвижной катушки последовательно с ней включается добавочное сопротивление 3 из манганина. В результате взаимодействия магнитных полей подвижной и неподвижной катушек возникает момент вращения, пропорциональный токам обеих катушек:

т. е. вращающий момент прибора пропорционален мощности, потребляемой в цепи.

Чтобы стрелка прибора отклонялась от нуля вправо, необходимо ток через катушку пропускать в определенном направлении.

Для этого два зажима, указывающие начала обмоток, обозначаются знаком * и электрически соединяются. На шкале ваттметра указываются номинальный ток и номинальное напряжение прибора. Так, например, если на шкале прибора обозначено 5 А и 150 В, то прибор может измерять мощность до 750 Вт. Шкалы некоторых ваттметров градуированы в делениях. Если, например, ваттметр на 5 А и 150 В имеет 150 делений, то цена деления, или постоянная ваттметра, равна 750: 150 = 5 Вт/дел.

Кроме электродинамических ваттметров, для измерения мощности в цепях постоянного тока употребляются также ваттметры ферродинамической системы.

2. Однофазный переменный ток. При включении электродинамического ваттметра в цепь переменного тока магнитные поля подвижной н неподвижной катушек, взаимодействуя между собой, вызовут поворот подвижной катушки. Мгновенный момент вращения подвижной часги прибора пропорционален произведению мгновенных значений токов в обеих катушках прибора. Но вследствие быстрых изменений токов подвижная система не сможет следовать за этими изменениями и момент вращения прибора будет пропорционален средней или активной мощности Следовательно, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о величине активной мощности, потребляемой цепью.

Для измерения мощности переменного тока пользуются также ваттметрами индукционной системы. На фиг. 362 показана схема включения индукционного ваттметра с вращающимся маг-нитным полем. Последовательная обмогка 1-1, состоящая из небольшого числа витков толстой проволоки, располагается на двух противоположных полюсных выступах и включена последовательно в цепь. Параллельная обмотка 2-2 ваттметра, состоящая из большого числа витков тонкой проволоки, располагается на двух отдельных полюсных выступах. Последовательно с обмоткой 2-2 включается индуктивное сопротивление 3, служащее для полу-

Чения угла сдвига 90° между ее напряжением и током. Тем самым при чисто активной нагрузке получаем сдвиг на угол 90° между токами в последовательной и параллельной обмотках, что является необходимым условием создания вращающегося магнитного поля. При включении прибора это поле, пересекая алюминиевый цилиндр 4, индуктирует в нем вихревые токи, которые, взаимодействуя с полем, создают вращающий момент, воздействующий на подвижную часть прибора. Угол поворота ее при любой нагрузке будет пропорционален активной мощности, потребляемой цепью:

Принципиальная схема индукционного ваттметра с бегущим полем была дана на фиг. 335.

При измерении ваттметром мощности в сетях низкого напряжения с большими токами применяют трансформаторы тока. Для уменьшения разности потенциалов между обмотками ваттметра первичная и вторичная цепи трансформатора тока имеют общую точку. Вторичная обмотка трансформатора не заземляется, так как это означало бы заземление одного провода сети.

Для определения мощности сети Р 1 в этом случае нужно показание ваттметра P 2 умножить на коэффициент трансформации трансформатора тока :

В сетях высокого напряжения при измерении мощности используются измерительные трансформаторы напряжения н тока (фиг. 363).

Так, например, если к ваттметру установлены трансформатор напряжения 6000/100 В и трансформатор тока 150/5 А, а ваттметр показал 80 Вт, то мощность сети будет:

При включении ваттметров (счетчиков) через измерительные

Трансформаторы нужно присоединять эти приборы так, чтобы по обмоткам их проходили токи в том же направлении, как если бы они были непосредственно включены в сеть.

Кроме ваттметра, мощность однофазного переменного тока можно определить по показаниям трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра согласно формуле:

3. Трехфазный переменный ток. При равномерной нагрузке трехфазной системы для измерения мощности пользуются одним однофазным ваттметром, включенным по схеме, показанной на фиг. 364 (а - для соединения звездой; б - для соединения треугольником). По последовательной обмотке ваттметра в этом случае протекает фазный ток, а параллельная обмотка включена к фазному напряжению. Поэтому ваттметр покажет мощность одной фазы. Для получения мощности трехфазной системы нужно показание однофазного ваттметра умножить на три.

При неравномерной нагрузке в четырехпроводной сети трехфазного тока для измерения мощности применяется схема трех ваттметров (фиг. 365). Каждый однофазный ваттметр измеряет мощность одной фазы. Для получения мощности трехфазной системы необходимо взять сумму показаний трех ваттметров.

При переменной нагрузке трудно получить одновременный отсчет показаний трех ваттметров. Кроме того, три однофазных ваттметра занимают много места. Поэтому часто применяют один трехэлементный трехфазный ваттметр, представляющий собой соединение в одном приборе трех однофазных ваттметров.

У трехэлементного электродинамического ваттметра три подвижные параллельные катушки насажены на одну ось, связанную со стрелкой, и общий момент, полученный в результате сложения механических усилий каждой катушки, будет пропорционален мощности, потребляемой в трехфазной сети. В других конструкциях подвижные катушки, расположенные в разных местах, связаны между собой гибкими лентами и передают суммарное усилие на ось со стрелкой.

Активную мощность трехфазной сети при равномерной нагрузке можно определить

При помощи трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра по формуле:

Мощность трехпроводной трехфазной сети при любой нагрузке (равномерной или неравномерной), независимо от способа соединения потребителя (звездой или треугольником), может быть измерена по схеме двух ваттметров.

По первому закону Кирхгофа сумма мгновенных значений токов всех трех фаз равна нулю:

Полученное уравнение показывает, что один из ваттметров надо включить так, чтобы по его токовой катушке протекал ток первой фазы, а катушка напряжения находилась бы под разностью напряжений первой и второй фаз; другой ваттметр следует включить так, чтобы по его токовой катушке протекал ток третьей фазы, а катушка напряжения находилась бы под разностью напряжений третьей и второй фаз.

Сложив показания обоих ваттметров, получим мощность всех трех фаз.

На фиг. 366 показаны три варианта схемы двух ваттметров.

Из схем на фнг. 366 видно, что последовательные обмотки ваттметров включают в любые два линейных провода сети. Начала параллельных обмоток каждого ваттметра подключаются к тому же проводу, в который включена последовательная обмотка ваттметра. Концы параллельных обмоток подключаются к третьему линейному проводу.

При равномерной активной нагрузке (=1) показания ваттметров равны между собой. При не равном единице, показания ваттметров не будут равны. При равном = 0,5, один из ваттметров покажет нуль. При меньшем 0,5, стрелка этого прибора начнет отклоняться влево. Чтобы получить показание прибора, необходимо переключить концы его последовательной или параллельной обмотки.

Для измерения активной мощности трехфазной системы по показаниям двух ваттметров нужно складывать их показания или вычитать из показания одного ваттметра показание другого ваттметра, которое было отрицательным. Схема измерения мощности двумя ваттметрами с помощью измерительных трансформаторов напряжения и тока дана на фиг. 367.

Удобнее измерять мощность при помощи трехфазного ваттметра, в котором совмещены два прибора, включенные по схеме двух ваттметров и действующие на одну общую ось, с которой связана стрелка.