Уэ 6. 3-3 измерение активной мощности в цепях переменного тока

Измерение активной мощности в однофазной цепи производится одноэлементными ваттметрами. Измерение активной мощности в трехфазных цепях в лаборатор­ных условиях также может быть проведено при помощи одноэлементных ваттметров, включаемых в трехфазную цепь по схемам с использованием метода одного, двух или трех приборов. Однако при технических измерениях, как правило, в этом случае используются специальные двух- и трехэлементные ваттметры.

Расширение диапазонов измерения во всех случаях применения ваттметров в цепях переменного тока осуществляется спомощью измерительных трансформато­ров тока и напряжения.

Рисунок 6.15. Схема включения ваттметра в однофазную цепь переменного тока и векторная диаграмма.

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 рисунке 6.15 показано включение одноэлементного ваттметра в однофазную цепь переменного тока. Прене­брегая методической погрешностью, записываем показа­ние ваттметра:

P_W = UI cosφ,

где U и I — действующие значения напряжения и тока нагрузки; φ= < (U, I).

На рисунке 6.16 а, б показано включение одноэлементно­го ваттметра в симметричную трехфазную трехпровод­ную цепь. На рисунке 6.16, а нагрузка соединена звездой и нулевая точка доступна. На рисунке 6.16, б нагрузка соеди­нена треугольником. Если ваттметр невозможно вклю­чить в фазу так, как это показано на рисунке 6.16, б, или нулевая точка при соединении нагрузки звездой (рисунок 6.16, а) недоступна, то в этом случае используется искусственная нулевая точка.

Рисунок 6.16. Схемы включение ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь при полной симметрии (а – нагрузка соединена звездой и нулевая точка доступа, б – нагрузка соединена треугольником)

Искусственная нулевая точка обычно создается с помощью двух резисторов (со­противление каждого резистора равно сопротивлению це­пи обмотки напряжения ваттметра) и сопротивления цепи обмотки напряжения. Сопротивление цепи обмотки напряжения любого ваттметра либо приведено на ци­ферблате прибора, либо указывается в техниче­ском паспорте на данный прибор.

Включение ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь по схеме с искусственной нулевой точкой показано на рисунке 6.17.

Рисунок 6.17. Схема включения ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь с недоступной нулевой точкой при полной симметрии

Анализируя схемы включения ваттметров, приведен­ные на рисунке 6.16, а, б, нетрудно видеть, что показание ваттметра будет соответствовать мощности одной фазы.

Мощности одной фазы будет соответствовать и показа­ние ваттметра, включение которого показано на рисунке 6.17. Действительно, фазное напряжение U_A, на которое включена обмотка напряжения ваттметра, равно Линейный ток I_А в токовой обмотке ваттметра . Следовательно, показание ваттметра

P_W = ( )= cosφ,

т. е. ваттметр покажет мощность одной фазы, так как при симметричной нагрузке <U_A, I_A)=<(U_AB, I_AB).

Для получения мощности всей трехфазной цепи во всех трех рассматриваемых случаях необходимо показа­ние ваттметра утроить:

Р = 3 P_W

Еще раз стоит напомнить, что все рассмотренное справедливо лишь при измерении мощности в симмет­ричных цепях, т. е. при симметрии напряжений и равен­стве комплексных сопротивлений фаз.

Расширение диапазона измерения ваттметра по току при применении его для измерения мощности в низко­вольтных цепях с большими токами производится с по­мощью измерительного трансформатора тока. Если ватт­метр применяется в цепи переменного тока, кроме того, еще и с повышенным напряжением, то диапазон измере­ния его по напряжению расширяют с помощью измери­тельного трансформатора напряжения.

Для примера на рисунке 6.18, а показано включение ватт­метра для измерения мощности в однофазной цепи че­рез измерительный трансформатор тока, а на рисунке 6.18. б — через измерительный трансформатор тока и измеритель­ный трансформатор напряжения.

Рисунок 6.18. Схемы включения ваттметра в однофазную цепь переменного тока (а – с использованием измерительного трансформатора тока, б – с использованием измерительных трансформаторов тока и напряжения)

Следует обратить внимание на правильность включения генераторных за­жимов ваттметра и соответствующих зажимов измери­тельных трансформаторов. Нетрудно видеть, что в схеме рисунка6.18. б, а значение измеряемой мощности Р определя­ется умножением показания ваттметра P_W на номиналь­ный коэффициент трансформации К_ТА применяемого измерительного трансформатора тока:

Р= Pw К_ТА.

В схеме рис. 12.6,6 значение измеряемой мощности определяется по формуле

Р= Pw К_ТА К_ТU,

где К_ТU -номинальный коэффициент трансформации используемого измерительного трансформатора напря­жения.

Измерение мощности методом двух приборов. Метод двух приборов используется при измерении мощности в трехфазной трехпроводной цепи 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 его помощью мощности в трех­фазной трехпроводной цепи.

Рисунок 6.19. Схема включения двух ваттметров в трехфазную трехпроводную цепь (а) и векторная диаграмма (б)

На рисунке 6.19, а 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.

На рисунке 6.19,6 представлена векторная диаграмма це­пи для частного случая — случая симметрии токов и на­пряжений.

Нетрудно видеть, что показание ваттметра PW1 в этом случае равно:

P_W1=UabIа cos (30° +φ)=U _лI_лcos(30° + φ).

Аналогично нетрудно определить и показание ватт­метра PW2:

P_W2 = Ucb Ic cos (30° - φ) =U _лI_лcos (30° - φ).

Учитывая, что при измерении мощности с использо­ванием метода двух приборов общая мощность цепи равна алгебраической сумме показаний ваттметров, а также учитывая выражения (12.4) и (12.5), получаем:

Р = P_W1+ P_W2 =U_лI_лcos(30° + φ)+U_лI_лcos (30° - φ)

После несложных преобразований имеем:

Р = U_лI_л 2cos30°cos φ = U_лI_лcos φ

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

Следует отметить, что показания каждого ваттметра могут быть поло­жительными или отрицательными в зависимости от зна­чения угла φ и его знака. Более того, при φ =+60° пока­зание ваттметра PW1 равно нулю, а при φ = -60° нуле­вое показание будет у ваттметра PW2. При φ =0, т. е. при чисто активной нагрузке, показание ваттметра PW1 равно показанию ваттметра PW2.

Двухэлементные ваттметры, обычно называемые трех­фазными ваттметрами, представляют собой конструкцию из двух измерительных механизмов одноэлементных фер­родинамических ваттметров с одной общей подвижной частью.

Примерное конструктивное выполнение двухэлемент­ного ферродинамического измерительного механизма, широко используемого для построения трехфазных ватт­метров, показано на рисунке 6.20.

Два шихтованных магни­топровода 1 имеют неподвижные токовые обмотки 2. Об­мотки напряжения, выполненные в виде подвижных ра­мок 3, укреплены на общей оси.

Включение токовых обмоток и обмоток напряжения трехфазных двухэлементных ваттметров производится по схеме рисунка6.19, в которой используется метод двух при­боров.

Рисунок 6.20, а - двухэлементный ферродинамический измерительный механизм; б- схема включения элементов двухэлементного ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь с использованием трансформаторов тока

Расширение диапазонов измерения трехфазных двух­элементных ваттметров, так же как и одноэлементных однофазных ваттметров, осуществляется с помощью из­мерительных трансформаторов тока и напряжения. На рисунке 6.20, б показано включение элементов двухэлементного трехфазного ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь через измерительные трансформаторы тока. Оче­видно, что в этом случае для получения мощности цепи показание ваттметра необходимо умножить на номи­нальный коэффициент трансформации К_ТА применяемых измерительных трансформаторов тока. Если измерение мощности осуществляется двумя одноэлементными ватт­метрами, то на значение К_ТU умножается арифмети­ческая сумма показаний ваттметров.

Измерение мощности методом трех приборов. Извест­но, что метод трех приборов применяется при измерении мощности в трехфазной четырехпроводной цепи (при этом используются три одноэлементных ваттметра).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.

Рисунок 6.21, а - схема включения трех ваттметров в трехфазную трехпроводную цепь; б- трехэлементный ферродинамический измерительный механизм.

На рисунке 6.21, а приведена схема включения грех одно­элементных ваттметров по методу трех приборов в трехфазную четырехпроводную цепь. Нетрудно видеть, что в этом случае каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы:

P_W1 = P_A= U_АI_Аcosφ_А;

P_W2 = P_В= U_ВI_Вcosφ_В;

P_W3 = P_С= U_СI_Сcosφ_С,

где U_А, U_В и U_С — фазные напряжения; I_А, I_В и I_С — фазные токи; φ_А, φ_В и φ_С — фазовые сдвиги между соот­ветствующими фазными напряжениями и фазными то­ками.

Очевидно, что для нахождения мощности трехфазной четырехпроводной цепи необходимо взять алгебраическую сумму показаний всех ваттметров:

P= P_A + P_В + P_С = P_W1 +P_W2 +P_W3.

Принципиальная конструктивная схема трехэлемент­ного трехфазного ферродинамического ваттметра приве­дена на рисунке 6.21,б. Каждый элемент содержит выпол­ненный из магнитомягкого материала шихтованный магнитопровод / с неподвижной токовой обмоткой 3. Под­вижные рамки элементов 2 жестко укреплены на одной оси. Таким образом, на подвижную часть трехфазного трехэлементного ваттметра действует арифметическая сумма моментов всех трех элементов. Непосредственное включение элементов ваттметра в трехфазную четырех-проводную цепь осуществляется по схеме, изображенной на рисунке 6.21,а.

Расширение диапазонов измерения трехэлементных трехфазных ваттметров осуществляется так же, как и двухэлементных ваттметров,— с помощью измеритель­ных трансформаторов тока и напряжения.

Следует отметить, что в последние годы промышлен­ностью для измерения мощности в четырехпроводной трехфазной цепи выпускаются специальные щитовые ферродинамические двухэлементные ваттметры типа Д323. Элементы этих ваттметров имеют не по одной, а по две токовые обмотки. Дополнительные токовые об­мотки включаются в четырехпроводную трехфазную цепь по специальной схеме. Показания такого ваттметра справедливы как при равномерной, так и при неравно­мерной нагрузке фаз.

Дата добавления: 2014-01-20