Измерение мощности

Общие сведения по измерению мощности.

Мощность в цепях постоянного и переменного тока используют для характеристики величины переносимой энергии.

U(t) I(t) не могут характеризовать энергию P(t)=U(t)I(t). Произведение ни отчем не говорит. Физически за ним нет ни какой величины. Величина энергии через мощность измеряется ориентируясь на период следования. Для постоянного тока величина не изменяется поэтому мощность измеряется как произведение, часто интервал времени не оговаривают. Значение мощности как и значение напряжения зависит от формы электронного сигнала.

Мощность измеряется как приборами непосредственной оценки, так и косвенными методами. Приборы для измерения мощьности называются ваттметры.

Обязательно необходимо подчеркнуть, что в электрической цепи рассматривается как активная мощность,так и реактивная.

1. Составляющая: энергии,передаваемая от источника к приемнику.

2. Составляющая:, пропорциональная синусу угла сдвига фазы и учитывает обратную волну энергии, существующей в электрической цепи.

Приборы для измерения мощности, как правело фиксируют активную составляющую.

Косвенные методы достаточно разнообразны: от использования амперметров и вольтметров действующих значений до осциллографа.

Величину активной мощности можно определять и через количество электричества, через нагревательные элементы. Импульсные сигналы так же характеризуют величину мощности.

Различают два значения: Ри -мощность импульса и Рср - усредненная мощность на интервале периода. Импульсная мощность

определяется как

Приборы регистрируют, как правило, среднее значение. Мощность импульса можно только пересчитать через скважность. Помимо Ватт мощность измеряется в децибеллах (дб), это относительная величина показывает превышение уровня мощности над единичным значением по логарифмической шкале.

это отчетный уровень (нулевой)

a (дб)=10lg(P/Po) применяемый обычно = 1 Вт или мВт.

Для его измерения используют активную нагрузку R=600 Ом.

Электрические ваттметры имеют две шкалы: одна в ваттах другая в децибелах.

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА.

Оцениваются сигналы сложной формы. Суть измерения интегрирования произведения UI по периоду T.

Осциллограф на экране покажет форму напряжения, которая переносится на носитель.

Для получения формы тока в цепи последовательно с нагревом включенным измерительный резистор его величина 10 Ом.

Падения напряжения на нем пропорционально току текущему в цепи. Получили значения тока, мощность определяется по формуле

Т

Рф= Uidt

о

С помощью осциллографа оценивается мощность сигналов помех, накладываемых на основное напряжение, в сети создаются помехи в виде коротких импульсов. Если помеха периодична то не сложно оценить амплитудное значение этой помехи.

При малом известном Rн определяется ток Imax.

Соответственно Um Im=Pи Рср=Ри/q q- скважность

1. Длительность импульсов принимаем на уровне 0,5 считая его прямоугольным.

2. Нагрузку считаем активной.

3. Входное сопротивлением прибора на много больше номинального сопротивления. Rвх >>Rн

Непосредственное измерение

Измерение мощности в цепях постоянного тока промышленной частоты. В цепях постоянного тока используют приборы - ваттметры магнитоэлектрической системы и электродинамической системы.

В цепях переменного тока к электродинамической и ферродинамической системам также прибавляются электродинамические системы имея две катушки. Неподвижная катушка - катушка напряжения, подвижная катушка - катушка тока. Ток в цепи подвижной катушки оценивается сопротивлением нагрузки.

Параллельно цепи течет второй ток сдвинутый по фазе на угол. Угол сдвига фаз зависит от конструкции приборов (индуктивности)

a=КiUcosj.

Эта величина линейна, поэтому шкала ваттметра соответственно линейна. Поскольку индуктивность подвижной катушки реальна и составляет 3/10 мкГн. Используют комплексные элементы последовательно с катушкой напряжения включают корректирующий конденсатор. Его величина оценивается Ск=L/(Rн)²

Сдвиг по фазе между напряжением и током в цепи катушки напряжения вызывает погрешность называющей угловой погрешностью.

g=tgjsind

Ее величина пропорциональна tg и sin угол отставания б между током и напряжениям. Если изменить направления тока в одной из катушек, знак угла отклонения изменяется, поэтому вводят термин генераторного зажима обмоток прибора (*) определяют. При закарачивание этих зажимов стрелка отклоняется в правильном направлении. Как правело это зажимы токовой катушки. Увеличение измеряемой мощности можно достичь теми же способами, как при измерении тока и напряжения. Применением измерительных трансформаторов.

Электромеханические ваттметры электродинамической системы- лабораторный прибор механически неустойчивы. Ферродинамической системы более устойчивы к механическому воздействию применяют как щитовые. Кроме них величину мощности можно оценить через тепловую энергию приборами термоэлектронными ваттметрами. Чувствительные элементы - датчики холла. Электронные ваттметры используют схемы двойного моста, в плечи которого включены диоды, за счет нелинейности начальных участков характеристики диодов ее считают квадратичной. Ток в цепи прибора пропорционален мощности выделенной нагрузки. Точность невысокая 5-10 %

ТРЁХФАЗНЫЕ ЦЕПИ

величину мощности можно измерить по суммарному значению составляющих 1, 2, 3 фазы эти три составляющие включены в каждую цепь по прибору (рис.1). В частном случае (рис.2) при равномерной нагрузке суммарная мощность определяется утраченной мощностью в цепи при измерении двумя ваттметрами.

Токовые обмотки двух ваттметров включены в линейную цепь обмоток напряжения между фазами. Среднее значение мощности в цепи определяется как алгебраическая сумма Р_å =Р1+Р2. В двух рассматриваемых случаях применены простые однофазные ваттметры. Выпуск 3-х фазных ваттметров у которых два измеряемых механизма, подвешенная часть общая и шкала проградуирована в единицах измеряемой мощности. Если в цепи 3-х фазного тока величина напряжения или тока превышает допустимые для ваттметра, так же используют измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Измерение количества электричества.

Сбережения энергоресурсов одна из главных задач. Для отсчета количества применяют электро приборы- счетчики активной энергии как постоянного так переменного и трёхфазного тока. Применяют счетчики реактивной энергии конструктивно схожие с счётчиками активной энергии. В основе счетчика -индукционный метод, когда эл. поле тока проходит через нагрузку, как бы захватывает измерительный механизм прибора, заставляя его вращаться т.е. измеряемая мощность оценивается по количеству оборотов вращения в единицу времени Р_х = n ´ К. Счетчики электрической энергии в настоящее время выполняют широко диапазонными их номинальное напряжение совпадает с напряжением сети. Величины токов текущих через прибор так же имеют ограничения I = 5 А.

Если ток цепи будет превышать номинальный используют измерительные трансформатор тока. По электрической схеме счетчик количества электроэнергии совпадает с ваттметром. Выпускают однофазные и трёхфазные счетчики постоянного тока. Счетчики постоянного тока -это ектродвигатели постоянного тока с отсчётным механизмом преобразующим число оборотов в показание электроэнергии.

В основе счетчика переменного тока измерительный механизм электродвигателя переменного тока. Короткозамкнутый ротор (К.З) вращается в переменном электрическом поле. Статор выполнен в виде “Ш” образной подковы с обмоткой

Кроме этого на “U” образной выполнена регулировочная обмотка нагруженная на переменный резистор.Эта цепь создаёт тормозящий момент, вносящий потери и препятствующий вращению диска. Кроме этого установлен тормозящий магнит и пластина противополюса. Ось вращения диска связана с отсчётным устройством.

В основе работы счётчика зацепления внешним электромагнитным полем К.З. ротора. В результате чего возникает вращающий момент и отсчётный механизм соединенный с осью ротора приводится в движение.

Особенности: 1. Магнитный поток токовой катушки замыкается через противополюс, поэтому изменение положения пластин противополюса приводит к изменению скорости вращения диска.

2. Дополнительная обмотка на токовой катушке замкнута на регулировочный резистор. ЭДС наводимая в этой обмотке создает тормозящий магнитный момент, а величина сопротивления регулирует ток в цепи и величину тормозящего момента.

3. Без нагрузки эта цепь уравновешивает прямое действие магнитного поля не позволяя вращаться диску.

4. Однофазный счетчик имеет 5 клемм для подключения проводов. 1- подключение источник, к 3 нагрузку, 4 и 5 вместе

ТРЁХФАЗНЫЕ СЧЕТЧИКИ

В трёхфазных схемах используют однофазные, в каждой фазе либо один трёхфазный счетчик.

Конструкция счетчика во многом повторяет однофазный. Имеются два алюминиевых диска закрепленные на одной оси. Токовая катушка и катушка напряжения так же создают соответственные магнитные моменты вращающие оба диска. При прохождении тока фазы по соответствующей катушке формирует свой магнитный момент на оси, они суммируют число катушек - 3,4(2 по 2 ф.) в зависимости от схем включения 3 и 4 провод.

Общий принцип подключения сохраняется. Токовая- последовательно, напряжения параллельно. Следует заметить что величина изменения мощности пропорционально cosj. U =380В, I=5A

В случае применения счетчиков с большими значениями параметров

необходимо использовать измерительные трансформаторы.

СЧЕТЧИКИ РЕАКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ.

Конструктивно выполнен аналогично, по схеме подключения обмотки напряжения в счетчике реактивной энергии другая.

Используют сдвиг (90°) по фазе между током и напряжением за счет того, что обмотка напряжения второй фазы подключается к токовой обмотке первой фазы. При этом если сдвига по фазе между обмотками нет то получается равнобедренный треугольник.

Коммутация выполнена внутри конструкции счетчика, поэтому схема подключения его совпадает с активным счетчиком.

Существуют конструкции счетчика реактивной энергии с раздельными последовательными обмотками. На каждом из двух дисков установлены две токовых обмотки:

1. Основная - включена в первую и третью фазы и формирует прямой момент вращения.

2. Дополнительная включена последовательно, во вторую фазу встречно, создавая тем самым тормозящее магнитное поле в диске. Такие счетчики применяют для трех проводной схеме включения.

Существуют разнообразные счетчики электрической энергии. Помимо этого существуют счетчики максимальных значений, регистрируют максимальные нагрузки потребителя т.е.:

1) Начиная с некоторых значений электрического тока отсчёт механизма.

2) Счетчик перерасхода электрической энергии,отсчетный механизм показывает превышение над заранее установленном числом.

Многотарифный счетчик - несколько отсчетных механизмов. Начинают появляться электронные счетчики. В основе его работы процедура интегрирования т.е. накопления.

Поскольку напряжения и ток могут быть сдвинуты по фазе, счетчик будет регистрировать активную составляющую энергии, если форма напряжения и тока отличны от синусоидальной, показания счетчика будут изменятся,что является основным недостатком прибора.

Индикация: рекомендуется выполнять цифровую (жидкие кристаллы)- снижается собственное потребления, хотя в первых разработках преобразователь частоты в количество оборотов.

Счетчики эл. энергии могут ставиться как у потребителя так и у производителя эл. энергии.

Основные требования:

1. Долговечность в эксплуатации

2. Нечувствительность к эл. помехам

3. Универсальность применения.

Счетчики реактивной энергии следят за состоянием линий, контролируют качество нагрузки и если уровень реактивной мощности превышает допустимые значения используют методы снижения компенсации реактивной мощности линии. Пример: батареи конденсатора.

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ ЭЛ. СИГНАЛОВ

МЕТОДЫ СРАВНЕНИЯ.

Наиболее распространенный метод - использование осциллографа в качестве элемента индикации т.е. результат(совпало, не совпало) выносится на основании визуального анализа субъекта изображения на экране осциллографа.

а) Фигуры Лиссажу

Непрерывная замкнутая кривая, имеющая стабильность при целом отношении частот сигналов fх/fу=n

Фигуры Лиссажу позволяют уверенно измерять при кратности частот (4-6), но при этом требуется стабильный генератор эталонной частоты. На низких частотах (10 Гц) таких приборов немного.

Погрешность измерения по этому методу оценивается погрешностью установки частоты измерительным генератором, индикатор т.е. осциллограф не вносит погрешности. В лабораторных условиях метод дает хорошие результаты. В промышленности метод считается несколько громоздким. Преимущество диапазона равно тысячи Гц.

Б) Метод круговой развертки (метод сравнения) называемый метод пунктирного колеса.

Суть метода: на экране осциллографа с помощью фазосдвигающей R-С цепочки, создается круговая развертка.

В общем случае это эллипс, который можно преобразовать в круг подбором величин R и C. На модулятор трубки осциллографа подается измеряемый сигнал fx, если эталонная частота кратна fx, на экране наблюдается штриховая линия(f2>>f1).

Основное условие получения пунктира является целое отношение величин частот. Если это не выполняется, то окружность как бы вращается по экрану, создавая впечатления простой линии. Метод позволяет измерять отношение частот до 10-15 уверенно.

Недостаток: требуется вход модулятора и усилитель для сигнала f2.

Оба рассмотренных метода - сравнение с нулевым отклонением.

Имеется второй метода - метод биений, когда результат сравнения не нулевой сигнал и известные частоты объединяются на сумматоре.

В результате формы различной комбинации. Разницу f1-f2 называют биением.

Поскольку биения можно прослушать в динамик, то изменяя частоту задающего генератора добиваются нулевых биений (0-20) Гц (нулевой никогда не будут).

Уменьшая или увеличивая частоту задающего генератора по звуку добиваются нулевых биений - пропадания звука в динамике. Поскольку нижний порог слышимости порядка 20 Гц метод имеет погрешность, определяемую этим порогом (индикатор, наушники, динамик). Как правело метод биений применяется на высоких частотах, когда Df/f1 << 20/f << 1.

Оценить частоту периодического сигнала всегда можно с помощью осциллографа.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Для измерения отклонений частоты применяют эл. механические логометры. В приборах эл. динамической системы существует три катушки.

Неподвижная катушка 3-4, 1-6 и 2-5 подвижная катушка. Индуктивность L2 с конденсатором С2. Конденсатор С1 при прохождение эл. тока по этим катушкам обеспечивает сдвиг по фазе, зависящий от величины реактивностей и частоты сигнала.

Реактивное сопротивление первой цепи и реактивное сопротивление второй цепи Z2 различны, их соотношение изменяется по частоте, поэтому угол отклонения a есть функция частоты a = F(fx).

Приборы выполняют так чтобы на некой средней частоте fo cтрелка занимала среднее положение (нулевое), во второй катушке резонанс.

При отклонении частоты от резонанса стрелка соответственно отклоняется влево или вправо от среднего положения, показывая на сколько отличается частота сигнала от номинальной. Такие приборы выпускаются со средними частотами от 50 до 1500 Гц.

Класс точности 0,2.

ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Класс точности 1,5. Приборы выпускают как щитовые для контроля номинального значения частоты Д506 и Д216. Поскольку частота сигнала критична к реактивностям вместо логометра можно использоваться схемы моста с реактивностями, которые включают в соседние плечи. В одном параллельный в другом последовательный контур. При питании такого моста переменным сигналом в диагонали потечет ток, определяемый разностью сопротивлений плеч, функция частоты. Такие мосты могут применятся до частоты 20 кГц. Переключения диапазонов, замена конденсаторов, форма сигнала (синусоидальная или несинусоидальная) влияет на показания.

Частоту эл. сигнала измеряют (оценивают) эл. механическим резонансным способом, суть - берется набор металлических пластин с различной резонансной частотой. Пластина возбуждаются эл. магнитным полем от источника частоты. Если частота эл. магнитного поля совпадает или близка к резонансной частоте пластины, последняя начинает вибрировать, имея набор пластин с различной резонансной частотой возбуждающего сигнала. d = Df / fx

Df = разность частот между пластинами (шаг пластин)

КОНДЕНСАТОРНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ

Напряжение на конденсаторе при разряде можно рассмотреть линейно изменяющимся во времени. Если поставить в зависимость время заряда и частоту коммутации (переключат SB), то показание вольтметра можно проградуировать в значениях частоты.

ЭЛЕКТРОННЫЙ КОММУТАТОР

Переключение конденсатора на заряд или разряд и стрелка прибора показывает значение частоты переключения (измеряемой частоты). Основная погрешность прибора связана с нелинейностью характеристики напряжения во времени, кроме этого измерительный механизм имеет класс точности, поэтому класс точности приборов порядка 2.

Диапазон измерения широк за счет переключения конденсатора (10/500 кГц).

f_y = 2 — частота больше, т.к. чаще меняется.

Основным условием получения пунктира является целое отношение величины частот. Если это не выполняется, то окружность как бы вращается по экрану, создавая впечатление простой линии. Метод позволяет измерять отношение частот до 10, 15 уверенно.

Недостаток: требуется вход модулятора и усилитель для сигнала f₂. Оба рассмотренных метода — сравнения с нулевым отклонением. Имеется второй метод — метод биений, когда результат сравнения — не нулевой сигнал. Сигналы источника известной частоты и измеряемой частоты объединяются на сумматоре. В результате формируются различные комбинации.

Разницу называют биениями. Сигнал с небольшой частотой. Поскольку его можно послушать в наушниках, громкоговорителе, то, изменяя частоту выдающего генератора добиваются нулевых биений (0:20 Гц). Уменьшая (или увеличивая) частоту ЗГ по звуку добиваются нулевых биений — пропадания звука в громкоговорителе. Поскольку нижний порог слышимости порядка 20 Гц, метод имеет погрешность, определяемую этим порогом. Индикатор — наушники, как правило, метод биений применяется на высоких частотах, когда

Оценить частоту периода сигнала всегда можно с помощью осциллографа.

I. Электромеханические методы.

Для измерения отклонения частоты применяются электромеханические методы. В приборах электродинамической системы существуют три катушки. Неподвижная катушка 3-4, 1-6 и 2-5 — подвижные катушки.

Индуктивность L с конденсатором С₂ с конденсатором С₁ при прохождении электрического тока по этим катушкам обеспечивают сдвиг по фазе, зависит от величины реактивностей и частоты сигналов. Реактивные сопротивления первой цепи L₁ и реактивные сопротивления второй цепи L₂ различны, их соотношение изменяется по частоте, поэтому угол отклонения α есть функция частоты α = F (f_x). Приборы выполняют так, чтобы на некоторой сравниваемой частоте f₀ стрелка занимала среднее положение (нулевое) во второй катушке — резонанс.

При отклонении частоты от резонансной стрелка соответственно отклоняется влево или вправо от среднего положения, показывая насколько отличается частота сигнала от номинальной. Такие приборы выпускаются со ср. частотами в интервале от 50 до 1500 порядка 0, 2. Первые динамические приборы менее точны, класс точности 1, 5. Приборы выпускают считовые для контрольно-номинального значения частоты. Обозначаются Д506, Д210. Поскольку частота сигнала критична к реактивностям вместо логомера можно использовать схему моста с рективностями, включенными в соседние плечи. В одном плече — II-й, в другом — последний контур. При питании такого моста переменным сигналом в диагонали потечет ток, определяемый разницею сопротивлений плеч. Функция частоты. Такие мосты могут применятся до частоты 20 кГц. Переключение диапазонов, замена конденсаторов. форма сигнала влияет на показания стрелки.

Частоту измеряют (оценка) электромеханическим резонансным способом.

Суть: берется набор металлических пластин с различной резонансной частотой. Пластины возбуждаются электромеханическим полем от источника f_x. Если частота электромеханического поля совпадает или близка к резонансной частоте пластины, последняя начинает вибрировать (отклоняться). Имея набор пластин с различными резонансными частотами, можно оценить частоту возбуждаемого сигнала, погрешность определяется

где Δ f_x — разность в частотах («шаг пластин»).

конденсаторный метод измерения частоты

Напряжение на конденсаторе U_с можно рассмотреть при заряде линейного изменяется во времени.

Если поставить в зависимость время заряда и частоту коммутации переключения SB, то показания V можно проградуировать по значению частоты. Электронный коммутатор — ключ, переключающий конденсатор на заряд — разряд и стрелка прибора показывает значение частоты переключения (измеряемой частоты).

Основная погрешность прибора связана с нелинейностью характеристики напряжения во времени. Кроме этого измерительный механизм имеет класс точности, поэтому класс точности таких приборов порядка 2, диапазон измерения широк за счет переключения конденсатора.

43-1, 43-7 — приборы.

ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Ошибка погрешность определяется частотой дискретизации отношением

Поскольку начало сигнала t₀ не совпадает с началом измерительного импульса, поэтому реальная погрешность от дискретизации может достигать удвоенного значения.

Дата добавления: 2014-10-15