Измерение активной и реактивной энергии

Измерение напряжения и тока

Напряжение и ток в сетях постоянного тока измеряют магнитоэлектрическими приборами (вольтметрами, амперметрами) (рис. 1.1, а). Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные сопротивления (Лдоб), а для амперметров — шунты. Схема включения приборов в сеть показана на рис. 1.1, б.

Измерение напряжения, тока и мощности в сетях переменного тока производится электродинамическими приборами (вольтметрами, амперметрами, ваттметрами).

Схема включения амперметра и вольтметра в однофазную сеть через трансформаторы тока и напряжения приведена на рис. 1.2.

Схема включения амперметра и вольтметра в трехфазную сеть через трансформаторы тока и напряжения приведена на рис. 1.3.

Для измерения напряжения и тока широко применяют также электромагнитные приборы.

Рис. 1.1. Схемы включения вольтметра и амперметра в электрическую цеп

 

Включение амперметров через трансформатор тока позволяет осуществлять замену приборов путем замыкания вторичной цепи трансформатора, не нарушая электроснабжения.

Эти приборы включаются в сеть через трансформаторы тока и напряжения.

Измерение напряжения и тока в сетях высокого напряжения производится электродинамическими и электромагнитным приборами, измерение мощности — электродинамическими приборами.

Рис. 1.3. Включение амперметров в вольтметров в трехфазную цепь

Рис. 1.2. Схемы включения амперметра и вольтметра в однофазную сеть через трансформаторы тока и напряжения

Измерение активной и реактивной энергии

Для учета активной и реактивной энергии в цепях однофазного и трехфазного переменного тока частотой 50 Гц промышленность изготовляет индукционные электрические счетчики следующих типов:

СО — счетчик (С) активной энергии однофазный (О) непосредственного включения или трансформаторный;

СОУ — счетчик активной энергии однофазный трансформаторный универсальный (У);

САЗ и СА4 — счетчики (С) активной (А) энергии непосредственного включения или трансформаторные для измерений в трехпроводных (3) и четырехпроводных (4) цепях трехфазного тока; СРЗ и СР4 — то же реактивной (Р) энергии;

счетчики активной (А) и реактивной (Р)

энергии, трансформаторные, универсальные (У) для измерений в трехпроводных (3) и четырехпроводных (4) цепях трехфазного тока.

Электрические счетчики изготовляют на различные номинальные токи и номинальные напряжения.

На рис. 1.44-1.20 приведены схемы включения активных и реактивных счетчиков электроэнергии. Учет энергии с помощью индукционных счетчиков возможен с сохранением класса точности только на синусоидальном токе при спокойном характере нагрузки. При наличии высших гармоник и нестационарных процессов эти счетчики дают значительную погрешность. Электронные счетчики позволяют учитывать энергию при несинусоидальном токе методом широтно-импульсной модуляции, когда токи и напряжения преобразуются в длительность и амплитуду импульсов. При этом получаются дискретные значения мгновенных мощностей р — UyIx. Последующее интегрирование и преобразование среднего значения в частоту, измеряемую счетчиком, позволяет учитывать энергию.

Рис. 1.5. Схема включения счетчиков типов СО-И445Э, СО-И445Т, СО-И449Э, СО-И449Т, СО-И446 по Британскому стандарту В537

Рис. 1.4. Схема включения счетчиков типов СО-И445Э, СО-И445Т, СО-И449Э, СО-И449Т, СО-И446 по ГОСТ 6570-75

Рис. 1.6. Схема включения счетчиков типов СО-И445Э, СО-И445Т, СО-И449Э, СО-И449Т, СО-И446 с разделенной токовой катушкой для двухпроводной сети

Рис. 1.7. Схема включения считчиков типов СО-И445Э, СО-И445Т, СО-И449Э, СО-И449Т, СО-И446 с разделенной токовой катушкой для трехпроводной сети

Рис. 1.8. Схема непосредственного включения счетчиков типов САЗ-И670Д п САЗ-И670М

Рис. 1.9. Схема включения счетчиков типов САЗ-И677 п САЗ-И684

Рис. 1.10. Схема включения счетчиков типов САЗ-И670Д, САЗУ-И670Д, САЗ-И670М, САЗУ-670М, САЗ-И681 п САЗУ-И681 с трансформаторами тока в трехпроводную сеть

Рис. 1.11. Схема включения счетчиков типов САЗ-И670Д, САЗУ-И670Д, САЗ-И670М, САЗУ-670М, САЗ-И681 и САЗУ-И681 с трансформаторами тока и напряжения в трехпроводную сеть

Рис. 1.12. Схема включения счетчиков типов СА4-И672Д п СА4-И672М

Рис. 1.13. Схема включения счетчиков типов СА4-И678 и СА4-И685

Рис. 1.14. Схема включения счетчиков типов СА4-И672Д, СА4У-И672Д, СА4-И672М, СА4У-672М, СА4-И682 п СА4У-И682 с трансформаторами тока в четырехпроводную сеть

Рис. 1.15. Схема включения счетчиков типов СА4-И672Д, СА4У-И672Д, СА4-И672М, СА4У-672М, СА4-И682 п СА4У-И682 с трансформаторами тока п с самостоятельным выводом цепи напряжения в четырехпроводную сеть

Рис. 1.16. Схема включения счетчиков типов СР4-И673Д, СР4У-И673Д, СР4-И673М, СР4У-И673М, СР4-И689 п СР4У-И689 с трансформаторами тока в четырехпроводную сеть

Рис. 1.19. Схема включения счетчиков типов СР4-И673Д, СР4У-И673Д, СР4-И673М, СР4У-И673М, СР4-И689 п СР4У-И689 в трехпроводную сеть

1- 2— 3— О—

Рис. 1.20. Схема включения счетчиков типов СР4-И673Д, СР4У-И673Д, СР4-И689 и СР4У-И689 с трансформаторами тока п напряжения в трехпроводную сеть

Все счетчики, схемы включения которых показаны на рис. 1.4—1.20, имеют специальную маркировку зажимов обмоток напряжения и тока (Г — генератор; Н — нагрузка) для правильного включения.

Правильный учет расхода электроэнергии имеет существенное значение для систематического контроля электропотребления, анализа результатов использования электроэнергии, введения научно обоснованного нормирования, планирования и прогнозирования ее потребления. Учет расхода электроэнергии на различные производственные процессы помогает вскрыть новые резервы экономии и улучшить энергетические показатели предприятия.

На точность измерения электрической энергии велико влияние нагрузок с нелинейной вольтамперной характеристикой (вентильные электроприводы, дуговые электропечи и др.), которые являются источниками высших гармоник.

Несимметричные нагрузки (например, осветительная, однофазная тяговая), потребляя энергию из системы, частично преобразовывают ее и передают обратно в сеть, но уже ухудшенного качества. В результате этих свойств несимметричной нагрузки возникают составляющие энергии обратной и нулевой последовательностей, которые практически не используются, создают потери и ухудшают качество электроэнергии.

Нередко на практике встречаются одновременно несимметричные и несинусоидальные режимы.

В связи с этим проблема точного учета электрической энергии не может быть решена с помощью индукционных счетчиков, необходимо использование более современных, электронных и микропроцессорных средств учета.

В последнее время появились электронные счетчики ABB ВЭИ "Метроника"—"Альфа", основанные на микропроцессорных комплектах специального назначения, предназначенные для промышленного учета электроэнергии. Счетчик имеет высокую стоимость, требует специального обслуживания и доступен специально подготовленному персоналу для квалифицированной эксплуатации. Класс точности счетчика 0,2.

Если счетчик "Альфа" является автономным средством коммерческого учета с получением графиков энергопотребления за различные временные периоды, то измерительная интегральная автоматизированная система управления энергосбережением (ИАСУЭ) ЗАО ЭНЭЛЭКО, разработанная для промышленного и бытового учета энергии различных видов, имеет иерархическую структуру, позволяющую вести коммерческий учет электроэнергии, тепловой энергии, воды, газа, а также передавать сигналы пожарной, охранной сигнализации и оповещения. Она обеспечивает передачу данных на радиочастоте между 4095 пунктами. Дальность связи — до 60 км при использовании штыревых антенн. На нижнем уровне для передачи сигналов от 127 абонентов используют двухпроводные линии длиной до 1,2 км.

Для учета электроэнергии используют электронные двухтарифные счетчики однофазные СЭБ-2, СЭБ-512 и трехфазные ПСЧ-ЗТ с автономным блоком переключения тарифов БПТ-250. Счетчики имеют класс точности 1, напряжение 220 В, диапазон токов 50 мА -г- 50 А и напряжение 380 В.

 

2. Измерение электрических величин и параметров электрических цепей.

 

Измерение таких параметров как напряжение, сила тока, сопротивление для систем сигнализации не отличается от методов измерения перечисленных величин в других электрических цепях. Для дальнейшего рассмотрения темы нам понадобятся:

· схема измерения,

· закон Ома,

· минимальные навыки пользования мультиметром (тестером).

Несколько небольших уточнений:

· рассматриваемые методы измерений применимы к цепям, не содержащим емкостей и индуктивностей,

· измерения электрических величин напряжения, тока, сопротивления производятся для участка цепи, имеющего активное сопротивление, поэтому приемлимы как для постоянного напряжения (тока) так и для переменного,

· сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем. Вопросы влияния сопротивления соединений на значения параметров электрических цепей рассмотрены на странице "питание сигнализации, видеонаблюдения".

· участки цепи, обозначенные на схемах как резистор (R), можете рассматривать как отдельный элемент или совокупность элементов электрической цепи, имеющих общее сопротивление R.

Измерение напряжения.

Это измерение производится путем подключения вольтметра (мультиметра в режиме "измерение электрического напряжения") параллельно измеряемому участку (схема на рис.1). Следует отметить, что измерение между точками 1-5 даст значение напряжения на всей цепи, остальные случаи - для соответствующих участков.

Эту схему мы еще используем, рассматривая вопросы измерения силы электрического тока и сопротивления при помощи вольтметра.

Измерение силы тока.

Используется амперметр или мультиметр (тестер) в режиме "измерение тока", подключаемые последовательно измеряемой цепи. Значение силы электрического тока измеряется для всей цепи (схема - рис.2).

Измерение сопротивления.

Наиболее трудоемкий процесс. Во первых, при непосредственном подключении тестера (мультиметра) (схема рис.3) напряжение и ток в цепи должны отсутствовать, во вторых, (схема рис.4) другие элементы (участки) цепи будут оказывать влияние на результат, поэтому их придется отключить, чтобы схема измерения соответствовала рисунку 3.

Выход, однако, есть. Его рассмотрим ниже.

Косвенные измерения электрических величин.

Для этого самое время вспомнить закон Ома. Формула, а также ее производные, которые нам понадобятся выглядят следующим образом:

I=U/R (формула 1),

U=I*R (формула 2),

R=U/I (формула 3), где

I - электрический ток

U - напряжение

R - сопротивление.

Единицы измерения (размерность) указанных величин соответственно:

А - ампер,

В - вольт, Ом - ом.

На практике (для слаботочных цепей) они не всегда удобны, поэтому можно использовать:

мА - милиампер (1000 мА=1А),

В - вольт, кОм - килоом. (1000 Ом=1кОм).

Как можно видеть из приведенных выше формул, зная значения двух величин, можно вычислить третью. Рассмотрим практическое применение закона Ома при проведении измерений электрических величин. Из схемы измерения напряжения видно, что оно не требует нарушения электрической цепи, поэтому осуществляется наиболее просто. Измерение силы тока в последовательной цепи можно произвести один раз поскольку он будет одинаков во всех участках. Однако, следует быть внимательным, ибо, если схема цепи имеет вид, приведенный на рисунке слева, то суммарный ток распределится по участкам цепи, согласно закона Кирхгофа: I=I1+I2+In.

Завершая тему, продемонстрирую как на практике выглядит применение закона Ома при проведении электрических измерений.

Возьмем схему на рисунке 1. Предположим, что в результате измерений мы получили следующие значения:

Общая сила тока для цепи- I=0,5 A,

Напряжения U1=10 B, U2=5 B.

Тогда значения сопротивлений будут:

R1=U1/I=10/0,5=20 Ом

R2=U2/I=5/0,5=10 Ом.

 

 

Измерительные мосты

Одинарные мосты постоянного тока предназначены для измерения сопротивлений величиной от 10 Ом и более. Схема одинарного моста приведена на рисунке:

Диагональ, обозначенная на рисунке bd- называется диагональю питания. В нее включен источник питания (батарея) G. Диагональ ас называется измерительной диагональю. В нее включен указатель равновесия (гальванометр) Р. Условия равновесия моста: . В качестве практического примера приведены параметры моста Р-369. Диапазон измеряемых сопротивлений: 10-4…1.11111*1010 Ом. Класс точности в диапазоне до 10-3 Ом- 1 и при измерении сопротивлений от1 до 103Ом класс точности - 0.005.

Для точных измерений сопротивлений малой величины применяют двойные мосты постоянного тока. Схема двойного моста представлена на рисунке:

В процессе измерения измеряемое сопротивление Rx сравнивается с образцовым сопротивлением R0. Сопротивление неизвестного резистора в случае равновесия моста можно выразить следующим образом:

;

Двойные мосты позволяют измерять сопротивления в диапазоне 10-8…1.11111*1010 Ом.

Мосты переменного тока применяются для измерения, как активных, так и реактивных сопротивлений (емкостных и индуктивных). В качестве элементов моста в этом случае могут использоваться реактивные элементы – емкости и индуктивности. Уравнения равновесия записываются по аналогии с мостами постоянного тока.

В последние годы для измерений параметров электрических цепей часто применяют автоматические мосты и компенсаторы, в которых процесс уравновешивания моста происходит автоматически (при помощи реверсивного двигателя или электронной схемы). Особенно актуально применение автоматических мостов в высокоточных цифровых измерительных устройствах

Сопротивление постоянному току измеряестся как приборами непосредственной оценки – омметрами, так и мостами. Омметры чаще всего выполняют на основе магнитоэлектрического механизма. Диапазон измерений омметров: от десятитысячных долей ома до сотен мегом. Погрешность измерения омметров обычно от 1 до нескольких процентов, но резко возрастает на краях шкалы. Широкое распространение в последнее время получили цифровые многопредельные омметры, чаще всего входящие в состав универсальных цифровых измерительных приборов. Наиболее точно сопротивление можно измерить при помощи мостов постоянного тока.

Измерение емкости и индуктивности

Производится в основном при помощи мостов переменного тока с частотами питания 100-1000 Гц. Чаще всего мосты для измерения сопротивления, емкости и индуктивности совмещаются в одном приборе – универсальном измерительном мосте. Такие приборы могут измерять индуктивность от долей микрогенри до тысяч генри, емкость – от сотых долей пикофарад до тысяч микрофарад. Погрешность универсальных мостов обычно не превышает сотых долей процента.

 

3. Шунты. Добавочные резисторы.

 

Измерительные шунты

Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Измерительный шунт представляет собой четырехзажимный резистор. Два входных зажима шунта, к которым подводится ток I, называются токовыми, а два выходных зажима, с которых снимается напряжение U, называются потенциальными.

К потенциальным зажимам шунта обычно присоединяют измерительный механизм измерительного прибора.

Измерительный шунт характеризуется номинальным значением входного тока Iном и номинальным значением выходного напряжения Uном. Их отношение определяет номинальное сопротивление шунта:

Rш=Uном / Iном

Шунты применяются для расширения пределов измерения измерительных механизмов по току, при этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую — через измерительный механизм. Шунты имеют небольшое сопротивление и применяются, главным образом, в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами.

Рис. 1. Схема соединения измерительного механизма с шунтом

На рис. 1 приведена схема включения магнитоэлектрического механизма измерительного прибора с шунтом Rш. Ток Iи протекающий через измерительный механизм, связан с измеряемым током I зависимостью

Iи = I (Rш / Rш + Rи),

где Rи — сопротивление измерительного механизма.

Если необходимо, чтобы ток Iи был в n раз меньше тока I, то сопротивление шунта должно быть:

Rш = Rи / (n - 1),

где n = I / Iи — коэффициент шунтирования.

Шунты изготовляют из манганина. Если шунт рассчитан на небольшой ток (до 30 А), то его обычно встраивают в корпус прибора (внутренние шунты). Для измерения больших токов используют приборы с наружными шунтами В этом случае мощность, рассеиваемая в шунте, не нагревает прибор.

На рис. 2 показан наружный шунт на 2000 А Он имеет массивные наконечники из меди, которые служат для отвода тепла от манганиновых пластин, впаянных между ними. Зажимы шунта А и Б — токовые.

Рис 2 Наружный шунт

Измерительный механизм присоединяют к потенциальным зажимам В и Г, между которыми и заключено сопротивление шунта. При таком включении измерительного механизма устраняются погрешности от контактных сопротивлений.

Наружные шунты обычно выполняются калиброванными, т е. рассчитываются на определенные токи и падения напряжения. Калиброванные шунты должны иметь номинальное падение напряжения 10, 15, 30, 50, 60, 75, 100, 150 и 300 мВ.

Для переносных магнитоэлектрических приборов на токи до 30 А внутренние шунты изготовляют на несколько пределов измерения.

На рис. 3, а, б показаны схемы многопредельных шунтов. Многопредельный шунт состоит из нескольких резисторов, которые можно переключать в зависимости от предела измерения рычажным переключателем (рис. 3, а) или путем переноса провода с одного зажима на другой (рис. 3, б).

При работе шунтов с измерительными приборами на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, так как сопротивления шунта и измерительного механизма поразному зависят от частоты.

Рис.3. Схемы многопредельных измерительных шунтов: a — шунта с рычажным переключателем, б — шунта с отдельными выводами

Шунты разделяются на классы точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Число, определяющее класс точности, обозначает допустимое отклонение сопротивления шунта в процентах его номинального значения.

Добавочные резисторы Добавочные резисторы являются измерительными преобразователями напряжения в ток, а на значение тока непосредственно реагируют измерительные механизмы вольтметров.

Добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения по напряжению вольтметров различных систем и других приборов, имеющих параллельные цепи, подключаемые к источнику напряжения. Сюда относятся, например, ваттметры, счетчики энергии, фазометры и т. д.

Добавочный резистор включают последовательно с измерительным механизмом (рис. 4). Ток Iи в цепи, состоящий из измерительного механизма с сопротивлением Rи и добавочного резистора с сопротивлением Rд, составит:

Iи = U / (Rи + Rд),

где U — измеряемое напряжение.

Если вольтметр имеет предел измерения Uном и сопротивление измерительного механизма Rи и при помощи добавочного резистора Rд надо расширить предел измерения в n раз, то, учитывая постоянство тока Iи, протекающего через измерительный механизм вольтметра, можно записать:

Uном / Rи = n U ном / (Rи + Rд)

откуда Rд = Rи (n - 1)

Рис 4. Схема соединения измерительного механизма с добавочным резистором

Добавочные резисторы изготовляются обычно из изолированной манганиновой проволоки, намотанной на пластины или каркасы из изоляционного материала. Они применяются в цепях постоянного и переменного тока.

Добавочные резисторы, предназначенные для работы на переменном токе, имеют бифилярную обмотку для получения безреактивного сопротивления.

При применении добавочных резисторов не только расширяются пределы измерения вольтметров, но и уменьшается их температурная погрешность.

В переносных приборах добавочные резисторы изготовляются секционными на несколько пределов измерения (рис. 5).

Рис. 5. Схема многопредельного вольтметра

Добавочные резисторы бывают внутренние и наружные. Последние выполняются в виде отдельных блоков и подразделяются на индивидуальные и калиброванные. Индивидуальный резистор применяется только с тем прибором, который с ним градуировался. Калиброванный резистор может применяться с любым прибором, номинальный ток которого равен номинальному току добавочного резистора.

Калиброванные добавочные резисторы делятся на классы точности 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0. Они выполняются на номинальные токи от 0,5 до 30 мА. Добавочные резисторы применяются для преобразования напряжений до 30 кВ.