Меню

Методы измерения электрической мощности цепи переменного тока

Методы измерения мощности в электрических цепях

Очень часто при проектировании электрических схем радиолюбители сталкиваются с проблемой измерения мощности, которую потребляют радиокомпоненты. Специалисты в метрологической сфере рекомендуют два метода, позволяющих вычислить и грамотно рассчитать ее значение. В этом случае нужно разобрать подробнее физический смысл величины, а также ее составляющих, от которых она зависит.

Измерение мощности

Общие сведения

При проектировании устройств нужно уметь правильно рассчитывать мощность электроэнергии электрооборудованием. Это необходимо, прежде всего, для долговечной работы устройства. Если изделие работает на износ, то оно способно выйти из строя сразу или в течение некоторого времени.

Такой вариант считается недопустимым, поскольку существуют виды техники, которые должны работать без отказов (аппарат искусственного дыхания, контроль уровня метана в шахте и так далее), так как от этого зависит человеческая жизнь. К основным характеристикам электрической энергии относятся следующие: мощность, сила тока, напряжение (разность потенциалов) и электропроводимость (сопротивление) материалов.

Мощность потребителя

 измерение мощности в цепях переменного тока

Мощность не следует путать с электрической энергией. Единицей измерения первой является ватт (Вт), название которой произошло от фамилии известного физика Джеймса Уатта. Физическим смыслом 1 Вт является расход электрической энергии за единицу времени, равной 1 секунде (1 Вт = расход 1 джоуля за 1 секунду). Существуют производные единицы измерения: милливатт (1 мВт = 0,001 Вт), киловатт (1 кВт = 1000 Вт), мегаватт (1 МВт = 1000 кВт = 1000000 Вт), гигаватт (1 ГВт = 1000 МВт = 1000000 кВт = 1000000000 Вт) и так далее. Для измерения электрической энергии применяются специальные счетчики, а ее единицей измерения является Вт*ч.

Ватт можно связать с некоторыми физическими величинами: 1 Вт = 1 Дж/с = (1 кг * sqr (м)) / (c * sqr (c)) = 1 Н * м / с = 746 л. с. Последнее числовое значение называется электрической лошадиной силой. Ваттметр — измеритель электрической мощности. Однако ее величину можно определить и другим способом. Для этого следует разобрать физические величины, от которых она зависит.

Сила тока

Измерение электрической энергии

Количество электрического заряда, который проходит через токопроводящий материал за единицу времени, называется силой электрического тока. Сокращенно величину называют силой тока или током. Она обозначается литерами «I» или «i» и имеет направление (векторная величина). Измеряется ток в амперах (А). Существуют также производные единицы, образованные при помощи приставок: 1 мА = 0,001 А, 1 кА = 1000 А и так далее. Измерить его значение можно амперметром. Для этого его нужно подключать последовательно в электрическую цепь.

Физическим смыслом тока в 1 А является прохождение электрического заряда в 1 Кл (кулон) за 1 секунду через площадь поперечного сечения S. В 1 кулоне содержится примерно 6,241*10^(18) электронов.

Ток в научной интерпретации классифицируется на постоянный и переменный. Первый вид не изменяет своего направления за единицу времени, но его амплитудные значения могут изменяться. Направление и амплитуда переменного тока изменяется по определенному закону (синусоидальный и несинусоидальный). Основным параметром считается его частота. Определяется тип переменного тока с помощью осциллографа.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение

Из курса физики известно, что каждое вещество состоит из атомов, которые обладают нейтральным зарядом. Они состоят из субатомных частиц. К ним относятся следующие: протоны, электроны и нейтроны. Первые имеют положительный заряд, вторые — отрицательный, а третьи — не заряжены вообще.

Суммарный заряд протонов компенсирует заряд всех электронов. Однако под действием внешних сил это равенство нарушается, и электрон «вырывается» из атома, который уже обладает положительным зарядом. Он притягивает электрон с соседнего атома, и процесс повторяется до тех пор, пока энергия не будет минимальной (меньше энергии «вырывания» электрона).

При межатомном взаимодействии образуется электромагнитное поле с отрицательной или положительной составляющими. Разность между двумя точками противоположных по знаку составляющих называется электрическим напряжением. Работа электромагнитного поля по перемещению точечного электрического заряда из точки А в точку В называется разностью потенциалов. Физический смысл напряжения (U): разность потенциалов в 1 В между двумя точечными зарядами в 1 Кл, на перемещение которых тратится энергия электромагнитного поля, равная 1 Дж.

Единицей измерения является вольт (В). Определить значение разности потенциалов можно с помощью вольтметра, который подключается параллельно. Производными единицами измерения считаются следующие: 1 мВ = 0,001 В, 1 кВ = 1000 В, 1 МВ = 1000 кВ = 1000000 В и так далее.

Сопротивление электрической цепи

Электропроводимость материала зависит от нескольких факторов: электронной конфигурации, типа вещества, геометрических параметров и температуры. Сведения об электронной конфигурации вещества можно получить из периодической таблицы Д. И. Менделеева. Согласно этой информации вещества бывают:

  1. Проводниками.
  2. Полупроводниками.
  3. Диэлектриками.

К первой группе следует отнести все металлы, электролиты (растворы, проводящие ток) и ионизированные газы. Носителями электрического заряда в металлах являются электроны. В растворах их роль выполняют ионы, которые бывают положительными (анионы) и отрицательными (катионы). Свободными носителями заряженных частиц в газах считаются свободные электроны и положительно заряженные ионы.

Полупроводники проводят электричество только при определенных условиях. Например, при воздействии на него внешних сил. Под их действием кулоновские связи электрона с ядром уменьшаются. При этом отрицательно заряженная частица «вырывается». На ее месте образуется «дырка», обладающая положительным зарядом. Она притягивает соседний электрон, вырывая его с атома. В результате этого осуществляется движение электронов и дырок. Изоляторы или диэлектрики вообще не проводят электричество. К ним относятся материалы без свободных носителей заряда, а также инертные газы.

Сопротивление электрической цепи

В проводниках при повышении температурных показателей происходит рост величины сопротивления. При этом происходит разрушение и искажение кристаллической решетки. Заряженные частицы сталкиваются (взаимодействуют) с атомами и другими частицами материала. В результате их движение замедляется, но потом снова возобновляется под действием электромагнитного поля. Процесс этого «взаимодействия» называется электрической проводимостью вещества. Однако в полупроводниках при повышении температуры эта величина уменьшается. К геометрии материалов следует отнести следующие: длину и площадь поперечного сечения.

Сопротивление измеряется в Омах (Ом) при помощи омметра, который подсоединяется параллельно к участку цепи или радиодетали. Существуют производные единицы измерения: 1 кОм = 1000 Ом, 1 МОм = 1000 кОм = 1000000 Ом.

Методы измерения

Методы измерения тока

Мощность можно определить двумя способами: косвенным и прямым. В первом случае это делается при помощи амперметра и вольтметра, а также осциллографа. Измеряются значения напряжения и тока, а затем по формулам вычисляется мощность. Этот способ имеет один недостаток: величина мощности получается с некоторой погрешностью.

Читайте также:  Накопительный водонагреватель пробивает током

При использовании прямого метода используется специальный прибор-измеритель. Он называется ваттметром и показывает мгновенное значение мощности. У каждого из способов есть свои достоинства и недостатки. Какой из методов наиболее оптимален, определяет сам радиолюбитель. Если проектируется какое-либо изделие, которое отличается надежностью, то следует применять прямой метод. В других случаях рекомендуется воспользоваться косвенным методом.

Косвенный способ

Мощность в цепях постоянного и переменного токов определяется различными способами. Для каждого случая существуют свои законы и формулы. Однако мощность можно не рассчитывать, поскольку она указана на электрооборудовании. Расчет применяется только при проектировании устройств.

Для цепей постоянного тока нужно воспользоваться формулой: P = U * I. Ее можно вывести из закона Ома для участка или полной цепи. Если рассматривается полная цепь, то формула принимает другой вид с учетом ЭДС (е): P = e * I. Основные соотношения для расчета:

  1. Для участка электрической цепи: P = I * I * R = U * U / R.
  2. Для полной цепи, в которой подключен электродвигатель или выполняется зарядка аккумулятора (потребление): P = I * e = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).
  3. В цепи присутствует генератор или гальванический элемент (отдача): P = I * (e + (I * Rвн)).

Эти соотношения невозможно применять для цепей переменного тока, поскольку он подчиняется другим физическим законам. При измерении мощности в цепях переменного тока следует учитывать ее составляющие (активная, реактивная и полная). Если в цепи присутствует только резистор, то мощность считается активной. При наличии емкости или индуктивности — реактивной. Полная — сумма активной и реактивной составляющих.

Для вычисления первого типа физической величины применяется формула такого вида: Ра = I * U * cos (a). Значения тока и напряжения являются среднеквадратичными, а cos (a) — косинус угла между ними. Для определения реактивной мощности нужно воспользоваться следующей формулой: Qр = I * U * sin (a). Если нагрузка в цепи является индуктивной, то значение будет больше 0. В противном случае — меньше 0. Полная мощность Р определяется по следующему соотношению: P = Pa + Qp.

Прямое определение величины

Для определения значения мощности в цепях переменного и постоянного тока применяются ваттметры. В них используются электродинамические или ферроидальные механизмы. Приборы с электродинамическим механизмом выпускаются в виде переносных приборов. Они обладают высоким классом точности. Измерители мощности рекомендуется применять при выполнении точных расчетов для цепей постоянного и переменного тока с частотой до 5 кГц.

Измерительные приборы

Ферродинамические приборы изготавливаются в виде электронных узлов, которые вставляются в измерительные стенды или щитовые. Основное их назначение — контроль приблизительных параметров потребления мощности электрооборудованием. Они обладают низким классом точности и применяются для измерения значений мощности переменного тока. При постоянном токе погрешность увеличивается, поскольку это обусловлено искажением петли гистерезиса ферромагнитных сердечников.

По диапазону частот приборы можно разделить на две группы: низкочастотные и радиочастотные. Ваттметры низких частот применяются в сетях промышленного питания переменного тока. Радиочастотный тип рекомендуется применять для точных измерений при проектировании различной техники. Они делятся на две категории по мощности:

  1. Проходящие.
  2. Поглощающие.

Первый вид подключается в разрыв линии, а второй — в ее конец в качестве нагрузки согласования. Кроме того, приборы для измерения мощности бывают аналоговыми и цифровыми.

Ваттметр прибор

При измерении мощности на высоких частотах применяются электронные и термоэлектронные ваттметры. Главным узлом считается микроконтроллер и преобразователь активной мощности. Последний преобразовывает переменный ток в постоянный. После этого происходит перемножение в микроконтроллере силы тока и напряжения. Результатом является сигнал на выходе, который зависит от I и U.

Ваттметр состоит из двух катушек. Первая из них подключается последовательно в цепь нагрузки, а другая (подвижная с резистором) — параллельно. В цифровых моделях роль катушек выполняют датчики тока и напряжения. Прибор имеет две пары зажимов. Одна пара применяется для последовательной цепи, а другая — для параллельной. Для правильного включения ваттметра выполняется обозначение * одной из двух пар зажимов.

Таким образом, для измерения мощности электрического тока применяются два метода. Первый из них является косвенным, а второй — прямым. Последний рекомендуется применять при проектировании сложной техники.

Источник

Измерение электрической мощности и энергии

Довольно часто возникает необходимость измерять мощность, потребляемую из сети, или же генерируемую в сеть. Это необходимо для учета потребляемой или генерируемой энергии, а также для обеспечения нормальной работы энергосистемы (избежание перегрузок). Измерять мощность можно несколькими способами – прямым и косвенным. При прямом измерении применяют ваттметр, а при косвенном амперметр и вольтметр.

Измерение мощности в цепи постоянного тока

Из-за отсутствия реактивной и активной составляющей в цепях постоянного тока для измерения мощности ваттметр применяют очень редко. Как правило, величину потребляемой или отдаваемой энергии измеряют косвенным методом, с помощью последовательно включенного амперметра измеряют ток I в цепи, а с помощью параллельно подключенного вольтметра измеряют напряжение U нагрузки. После чего применив простую формулу P=UI и получают значение мощности.

Читайте также:  Трансформатор тока с повышающим током

Чтоб уменьшить погрешность измерений из-за влияний внутренних сопротивлений устройств, приборы могут подключать по различным схемам, а именно при относительно малом сопротивлении нагрузки R применяют такую схему включения:

Измерение мощности косвенным методом в цепи постоянного тока при малом сопротивлении нагрузки

А при большом значении R такую схему:

Измерение мощности косвенным методом в цепи постоянного тока при большом сопротивлении нагрузки

Измерение мощности в однофазных цепях переменного тока

Главным отличием цепей переменного тока от сетей постоянного тока, пожалуй, заключается в том, что в переменном напряжении существует несколько мощностей – полная, активная и реактивная . Полную измеряют зачастую тем же косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра и значение ее равно S=UI.

Замер же активной P=UIcosφ и реактивной Q=UIsinφ производится прямым методом, с помощью ваттметра. Для измерения ваттметр в цепь подключают по следующей схеме:

Схема подключения однофазного ваттметра

Где токовую обмотку необходимо подключить последовательно с нагрузкой Rн, и, соответственно, обмотку напряжения параллельно нагрузке.

Замер реактивной мощности в однофазных сетях не производится. Такие опыты зачастую ставятся только в лабораториях, где ваттметры включают по специальным схемам.

Измерение мощности в трехфазных цепях переменного тока

Как и в однофазных сетях, так же и в трехфазных полную энергию сети можно измерять косвенным методом, то есть с помощью вольтметра и амперметра по схемам показанным выше. Если нагрузка трехфазной цепи будет симметричной, то можно применить такую формулу:

Полная мощность трехфазной сети

Uл – напряжение линейное, I- фазный ток.

Если же фазная нагрузка не симметрична, то производят суммирование мощностей каждой из фаз:

Полная мощность нессиметричной трехфазной сети

При измерении активной энергии в четырехпроводной цепи при использовании трех ваттметров, как показано ниже:

Схема подключения трехфазного ваттметра с нулевым проводом

Общей энергией потребляемой из сети будет сумма показаний ваттметров:

Активная мощность при измерении ваттметром

Не меньшее распространение получил и метод измерения двумя ваттметрами (применим только для трехпроводных цепей):

Схема подключения трехфазного ваттметра с без нулевого провода

Сумму их показаний можно выразить следующим выражением:

Сумма показаний ваттметров для трехпроводной цепи

При симметричной нагрузке применима такая же формула как и для полной энергии:

Активная мощность трехфазной цепи

Где φ – сдвиг между током и напряжением (угол фазового сдвига).

Измерение реактивной составляющей производят по той же схеме (смотри рисунок в)) и в этом случае она будет равна разности алгебраической между показателями приборов:

Измерение реактивной мощности ваттметром

Измерение реактивной мощности ваттметром будет равна

Если сеть не симметрична, то для измерения реактивной составляющей применяют два или три ваттметра, которые подключают по различным схемам.

Процесс измерения активной и реактивной мощности

Счетчиками индукционными или электронными производят измерения активной мощности цепи переменного напряжения. Они подключаются по тем же схемам что и ваттметры. Учет реактивной энергии в однофазных потребителей в нашей стране не ведется. Ее учет производят в трехфазных цепях крупных промышленных предприятий, потребляющих большие объемы электроэнергии. Счетчики активной энергии имеют маркировку СА, реактивной СР. Также широкое применение получают электронные счетчики электроэнергии.

Источник

Измерение активной мощности в цепях переменного тока

date image2015-01-30
views image8580

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Измерение активной мощности в однофазной цепи производится одноэлементными ваттметрами. Расширение диапазонов измерения в цепях переменного тока осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения.

Измерение мощности методом одного прибора. При использовании метода одного прибора измерение мощности осуществляется с помощью одноэлементного ваттметра. Метод применяется при измерении мощности в однофазных цепях и симметричных трехфазных цепях (комплексные сопротивления фаз одинаковы). И в том и в другом случае обмотка напряжения ваттметра включается на фазное напряжение, а обмотка тока включается в рассечку провода какой-либо фазы. На рис. 11.8 показано включение одноэлементного ваттметра в однофазную цепь переменного тока. Пренебрегая методической погрешностью, запишем показания ваттметра:

где U и I – действующие значения напряжения и тока нагрузки; j = (U,I).

Показание ваттметра в этом случае будет соответствовать мощности одной фазы. Для получения мощности всей трехфазной цепи необходимо показание ваттметра утроить, т.е. P = 3PPW.

Включение неподвижной катушки ваттметра последовательно с нагрузкой возможно только при токах нагрузки 10-20 А. При больших токах нагрузки неподвижную катушку ваттметра включают через трансформатор тока (ТА). При измерении в цепях высокого напряжения (свыше 600 В) подвижную катушку ваттметра включают не непосредственно в измерительную цепь, а через трансформатор напряжения (ТV), а неподвижную катушку ваттметра – через ТА (независимо от значения тока нагрузки).

Значение измеряемой мощности определяют по показанию ваттметра, умноженному на произведение коэффициентов трансформации ТV и ТА:

где Рх – измеренное значение активной мощности в цепи нагрузки; РРW – показание ваттметра; KUном, KIном – номинальные коэффициенты трансформации, соответственно, ТV и ТА.

Измеренное значение мощности будет отличаться от действительного значением погрешности в передаче значений напряжения и тока, а также угловых погрешностей трансформаторов. Электродинамические ваттметры изготовляют многопредельными, высоких классов точности (0.1; 0.2) с диапазоном измеряемых мощностей от десятых долей Вт до 3 – 6 кВт. При грубых измерениях в качестве щитовых приборов применяют ферродинамические ваттметры.

Следует отметить, что измерение активной мощности одноэлементными ваттметрами осуществляется только в лабораторной практике. При технических измерениях в промышленных условиях для измерения активной мощности в трехфазных трехпроводных цепях применяют двухэлементные ваттметры, а в четырехпроводных цепях – трехэлементные.

Кроме электродинамических ваттметров для измерения мощности применяются электронные выпрямительные, термоэлектрические, цифровые и др. ваттметры.

Измерение мощности методом двух приборов. Метод двух приборов используется при измерении мощности в трехфазной трехпроводной сети с помощью двух одноэлементных ваттметров. Метод дает правильные результаты независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. Кроме того, метод двух приборов применяется для включения элементов двухэлементного ваттметра при измерении с помощью его мощности в трехфазной трехпроводной сети

На рис. 11.9 изображена схема включения двух одноэлементных ваттметров. Обычно токовая обмотка одного ваттметра, например, PW1, включается в фазу А, а токовая обмотка другого ваттметра – PW2 – в фазу С. Обмотки напряжения ваттметров включаются на линейные напряжения так, как это показано на рис. 11.9. При измерении мощности с использованием метода двух приборов общая мощность цепи равна алгебраической сумме показаний ваттметров

Читайте также:  Причины возникновения пожара от электрических токов

где j — фазовый сдвиг между напряжением и током в фазе.

Мощность любой 3-х фазной системы вычисляется по формуле:

Таким образом, сумма показаний ваттметров PW1 и PW2 есть не что иное, как мощность трехфазной цепи.

Измерение мощности методом трех приборов. Метод трех приборов применяется при измерении мощности в трехфазной четырехпроводной цепи (при этом используются три одноэлементных ваттметра, включаемые в каждую фазу). Так же как и метод двух приборов, метод трех приборов дает правильные результаты независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. По схеме, реализующей метод трех приборов, включаются также элементы трехэлементных трехфазных ваттметров. Очевидно, что для нахождения мощности 3-х фазной четырехпроводной цепи необходимо взять алгебраическую сумму всех ваттметров:

Источник



Лекция № 10. Измерение мощности

Содержание лекции: принципы, методы, приборы и схемы измерения мощности.

Цель лекции: изучить методы и приборы измерения мощности.

Измерение мощности – определение значения электрической мощности. При измерении мощности следует учитывать существование различных составляющих мощности: активную, реактивную и полную мощности. К измерению мощности относят во многих случаях измерение коэффициента мощности.

Измерение мощности постоянного тока – определение электрической активной мощности в цепях постоянного тока.

На основе измерения тока и напряжения (аналогично определениюсопротивления путём измерения тока и напряжения) определяется активная мощность постоянного тока

И на основе измерения эффективных значений переменного напряжения и тока определяется полная мощность

Так как любое средство измерений имеет собственное потребление мощности, то при любой схеме измерения возникает неизбежная систематическая погрешность, которая при точных измерениях, особенно при измерении малых значений мощности, должна учитываться и корректироваться (см. таблицу 10.1)

Таблица 10.1 – Определение мощности путем измерения тока и напряжения

Мощность, выделяемая источником, Рс Схема измерения Мощность, потребляемая нагрузкой, Рн
Вентильное подключение по напряжению Вентильное подключение по току
Вентильное подключение по току Вентильное подключения по напряжению

1) U, I – измеренные значения напряжения и тока;

2) – мощность потребляемая вольтметром, RВ – его внутреннее сопротивление;

3) – мощность, потребляемая амперметром; RI – его внутреннее сопротивление.

Для измерения тока и напряжения на постоянном токе используются приборы магнитоэлектрической системы (ИМ МЭС) с шунтами и добавочными сопротивлениями.

Для измерения тока и напряжения на переменном токе используются приборы электромагнитной и электродинамической систем. На рисунке 10.1 представлена схема устройства ИМ электродинамической системы (ИМ ЭДС).

1 – неподвижные катушки; 2 – подвижная рамка.

Рисунок 10.1 – Электродинамический измерительный механизм

Весьма просто измерение мощности можно произвести при помощи ваттметра непосредственной оценки, выполненного на базе электродинамического измерительного механизма (см. рисунок 10.2)

Рисунок 10.2 – Схема включения ваттметра

Уравнение шкалы ваттметра при измерении мощности имеет вид: на постоянном токе

на переменном токе

где – коэффициент пропорциональности.

Шкала такого ваттметра – линейная. Например, ваттметр Д539 класса точности 0.5 имеет шкалу на 150дел, номинальный ток параллельной цепи 3мА, и она рассчитана на 150В , последовательная катушка рассчитана на ток 5А и

Обычно такие ваттметры называется косинусными, потому что они градуируются при . Постоянная ваттметра равна

где – соответственно, номинальный ток и напряжение;

– номинальное число делений.

Существует несколько методов измерения мощности в сетях переменного тока. При произвольной нагрузке в цепи переменного тока только активная составляющая тока , иначе говоря, часть полной мощности, определяемая коэффициентом мощности, является полезной (используемой)

cosφ = S cosφ. (10.6)

Метод одного ваттметра применяется для: при симметричной нагрузке мощности в фазах одинаковы. Поэтому достаточно измерить мощность в какой – либо одной фазе (см. рисунок 10.3) и утроить результат.

Рисунок 10.3 – Схема измерения мощности одним ваттметром в электрической сети высокого напряжения

Общая активная мощность трехфазной сети равняется сумме мощностей трех фаз

Их точное определение осуществляется путем одновременного измерения мощности в каждой фазе с помощью трех отдельных ваттметров. В четырехпроводных системах цепи напряжения подключаются (в данном случае через добавочные сопротивления) к нулевому проводу (см. рисунок 10.4, а). В трехпроводных системах три цепи напряжения присоединяются нулевыми точками сопротивлений к искусственной нулевой точке (см. рисунок 10.4, б). четырехпроводная сеть; б – трехфазная трехпроводная сеть.

а – трехфазная Рисунок 10.4 – Метод трех ваттметров. Измерение активной мощности в произвольно нагруженных сетях

Самой распространенной схемой для электрических сетей переменного тока на 3 – 10 кВ является схема измерения мощности по методу двух приборов (см. рисунок 10.5)

б)

а – схема измерения активной мощности методом двух ваттметров; б – диаграмма для определения коэффициента мощности по отношению измеренных значений .

Рисунок 10.5 – Схема Арона

Активная мощность может быть определена как

где – показания ваттметра (дел);

При разности фаз (между током и напряжением) более 60 0 ( ) один из ваттметров имеет отрицательное отклонение. Изменяя подключение цепи напряжения на обратное, делают отклонение вновь положительным и вычитают показания этого прибора из показания другого ваттметра.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник