4.1.7 Измерение мощности в цепях постоянного тока и активной мощности в цепях переменного тока
Измерение мощности в цепях постоянного тока возможно косвенным методом при помощи амперметра и вольтметра, так как , а в цепях переменного тока при помощи амперметра, вольтметра и фазометра с расчётом активной мощности по формуле. Однако в этих случаях измерение мощности связано с вычислением по отсчётам двух или трёх приборов, что снижает точность и усложняет процесс измерения.
Измерение мощности в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты осуществляется ваттметрами, обычно с электродинамическими измерительными механизмами.
Рис. 4.9. Схема включения ваттметра
Электродинамические ваттметры выпускаются виде переносных приборов высоких классов точности (0,1; 0,5).
Для измерения мощности на высоких частотах применяются термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток.
На рис. 4.9. показана схема включения в цепь переменного тока электродинамического ваттметра для измерения активной мощности, приемника или потребителя с сопротивлением нагрузки . Подвижная катушка включаетсяпоследовательно с добавочным резистором параллельно приемнику.
Угол отклонения стрелки электродинамического измерительного прибора
,
где — масштабные коэффициенты.
Таким образом, шкалу электродинамического ваттметра можно проградуировать в единицах измерения активной мощности.
Измерение активной мощности в трехфазных цепях. Активную мощность можно измерить при помощи одного, двух или трех приборов в зависимости от схемы соединения фаз потребителя и симметрии нагрузки. Рассмотрим соответствующие схемы включения.
Активная мощность трехфазного потребителя, фазы которого соединены звездой, равна сумме мощностей отдельных фаз:
Из этого выражения видно, что, измерив активную мощность каждой из фаз и просуммировав показания, можно определить активную мощность трехфазного потребителя. Такой метод измерения называется методом трех ваттметров. Наиболее часто он применяется для измерения мощности в трехфазной четырехпроводной несимметричной системе (Рис. 4.10).
Рис. 4.10. Схема включения ваттметров в трёхфазной цепи
В частном случае симметричного трехфазного приёмника и. Поэтому в симметричной трёхфазной цепи измерение активной мощности может быть выполнено одним прибором (Рис. 4.11).
Рис. 4.11. Схема измерения мощности симметричного приёмника
При соединении симметричного приемника треугольником также достаточно измерить мощность в одной фазе (Рис. 4.11, ); общая мощность равна утроенному показанию ваттметра.
Как известно, мощность любой трехфазной системы (вне зависимости от схемы соединения приемников) равна сумме мощностей отдельных фаз или мощности источника питания (генератора, трансформатора). Для мгновенных значений мощности трёхпроводной трехфазной цепи будет справедливо выражение:
,
где ,, — мгновенные значения мощностей отдельных фаз; ,,,,,, — мгновенные значения фазных напряжений и токов источника питания, фазы которого будем считать соединенными звездой, так что фазные токи равны линейным.
Рис. 4.12. Схема измерения мощности двумя ваттметрами
Выразив согласно закону Кирхгофа значения фазных токов ,,в виде,,и подставив эти значенияпоочерёдно ввышеприведённое уравнение, после преобразований получим
, где ,, — мгновенные значения линейных напряжений.
Переходя к средней, т. е. активной, мощности источника и равной активной мощности приемника, имеем
,
где ,,— углы сдвига фаз между линейными напряжениями и токами;,,,,,— действующие значения линейных токов и напряжений.
Таким образом, активная мощность трёхфазной системы равна алгебраической сумме показаний двух ваттметров: . На рис. 4.12 представлена одна из трёхвозможных схем включения двух приборов для измерения активной мощности. Метод двух ваттметров применяется для измерения активной мощности в несимметричных трехпроводных трехфазных цепях.
Источник
Измерение мощности в цепях постоянного тока
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.
Рис. 1. Схемы включения приборов для измерения мощности
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.
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.
Источник