Тема: Измерение мощности постоянного и переменного однофазного тока

Выдано: 07.04.20

Из выражения для мощности на постоянном токе Р = IU видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность.

Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.

Электродинамические ваттметры выпускают в виде переносных приборов высоких классов точности (0,1 - 0,5) и используют для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц). Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5 - 2,5).

Применяют такие ваттметры главным образом на переменном токе промышленной частоты. На постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.

Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. В преобразователе мощности осуществляется операция умножения ui = р и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения ui, т. е. от мощности.

На рис. 1, а показана возможность использования электродинамического измерительного механизма для построения ваттметра и измерения мощности.

Рис. 1. Схема включения ваттметра (а) и векторная диаграмма (б)

Неподвижная катушка 1, включаемая в цепь нагрузки последовательно, называется последовательной цепью ваттметра, подвижная катушка 2 (с добавочным резистором), включаемая параллельно нагрузке — параллельной цепью.

Для ваттметра, работающего на постоянном токе:

Рассмотрим работу электродинамического ваттметра на переменном токе. Векторная диаграмма рис. 1, б построена для индуктивного характера нагрузки. Вектор тока Iu параллельной цепи отстает от вектора U на угол γ вследствие некоторой индуктивности подвижной катушки.

Из этого выражения следует, что ваттметр правильно измеряет мощность лишь в двух случаях: при γ = 0 и γ = φ.

Условие γ = 0 может быть достигнуто созданием резонанса напряжений в параллельной цепи, например включением конденсатора С соответствующей емкости, как это показано штриховой линией на рис. 1, а. Однако резонанс напряжений будет лишь при некоторой определенной частоте. С изменением частоты условие γ = 0 нарушается. При γ не равном 0 ваттметр измеряет мощность с погрешностью βy, которая носит название угловой погрешности.

При малом значении угла γ (γ обычно составляет не более 40 - 50'), относительная погрешность

При углах φ, близких к 90°, угловая погрешность может достигать больших значений.

Второй, специфической, погрешностью ваттметров является погрешность, обусловленная потреблением мощности его катушками.

При измерении мощности, потребляемой нагрузкой, возможны две схемы включения ваттметра, отличающиеся включением его параллельной цепи (рис. 2).

Рис. 2. Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать нагрузку Н чисто активной, погрешности β(а) и β(б), обусловленные потреблением мощности катушками ваттметра, для схем рис. 2, а и б:

где Рi и Рu — соответственно мощность, потребляемая последовательной и параллельной цепью ваттметра.

Из формул для β(а) и β(б) видно, что погрешности могут иметь заметные значения лишь при измерениях мощности в маломощных цепях, т. е. когда Рi и Рu соизмеримы с Рн.

Если поменять знак только одного из токов, то изменится направление отклонения подвижной части ваттметра.

У ваттметра имеются две пары зажимов (последовательной и параллельной цепей), и в зависимости от их включения в цепь направление отклонения указателя может быть различным. Для правильного включения ваттметра один из каждой пары зажимов обозначается знаком «*» (звездочка) и называется «генераторным зажимом».

 

Вопросы для самопроверки: отвечаем письменно!!!! Скидываем фото. Не пытайтесь копировать друг у друга. Увижу, получите доп. Задание!!!

1. Возможно ли ваттметром измерить мощность в цепи трёхфазного переменного тока? 

2. Какие измерительные механизмы используют в ваттметрах?

3. В чём отличие электродинамических измерительных механизмов от ферродинамических, применяемых в ваттметрах?

4. Чем вызвана значительная погрешность в ферродинамических ваттметрах на переменном токе промышленной частоты f=50Гц?

5. Какие ваттметры применяют для измерения мощности на высоких частотах?

6. Каким образом в магнитоэлектрическом измерительном механизме активная мощность преобразуется в постоянный ток?

7. В каких случаях электродинамический ваттметр на переменном токе измеряет мощность правильно?

8. Для какого характера нагрузки строится векторная диаграмма, показывающая работу  электродинамического ваттметра на переменном токе?

9. При каком условии в параллельной может быть создан резонанс напряжений?

10. Укажите, чем обусловлена погрешность ваттметром и назовите их.

11. Начертите две схемы включения ваттметров и дайте им обоснование.

12. Что произойдёт, если поменять знак только одного из токов?

13. В каком случае изменится направление отклонения подвижной части ваттметра?

14. На чертеже ваттметра имеется обозначение ⁽*⁾, что обозначает этот знак и как он называется?

Практическая работа:

Задание 1.

Найти на сайте производителей обычный бытовой ваттметр с шунтом, записать его технические характеристики(параметры).

Пример:

 

Задание 2.

Начертить схему включения ваттметра в схему. См. видеоролик

№ 1 на 3:40-5:00 минуте.

Для чего установили в схему нихромовую проволоку?

 

Посмотреть два видеоролика. Ответить на вопросы.

 

1. https://youtu.be/fQbaf-z5HUk

 

 

1.

 

 

Пример расчёта. Общий обзор, просто почитайте и разберитесь!

Теория:

Дан ваттметр на номинальный ток 5 А и номинальное напряжение 300 В. Как его включить в сеть?

Если ток нагрузки Iх меньше допустимого тока, то есть в данном случае меньше 5 А, и если напряжение в измерительной цепи меньше допустимого напряжения катушки, то есть меньше 300 В, то схема включения имеет следующий вид (рис. 1, а): сначала включают последовательную катушку ваттметра — собирают токовую цепь (на рисунке показана жирной линией), затем собирают цепь напряжения, для этого начало катушки напряжения ваттметра при помощи перемычки К подключают к началу токовой катушки, соединенной с одним из зажимов сети, а конец катушки напряжения присоединяют к другому зажиму сети.

Рисунок 1. Схемы включения ваттметра: а — непосредственно в сеть правильно, б — неправильно, в — в сеть с большим напряжением и большим током.

 

Иногда при выполнении токовой цепи в нее включают сопротивление перемычки (рис. 1, б). Этого делать нельзя, так как в этом случае через перемычку проходит рабочий ток, а не малый ток цепи напряжения, как в рассмотренной ранее схеме. Кроме того, в цепи токовой катушки ваттметра, имеющей малое сопротивление, добавляется сопротивление самой перемычки и два контактных переходных сопротивления. Все это приводит к появлению дополнительной погрешности при измерении мощности.

Если шкала прибора не отградуирована в единицах мощности (например, в многопредельном электродинамическом ваттметре), но имеет определенное число делений N, то для измерения мощности на данном пределе измерений следует определить цену деления ваттметра по формуле:

Сн = IнUн/N,

где Uн — номинальное напряжение ваттметра или предел измерений по напряжениею, Iн - ток ваттметра, или предел измерений по току, А, N — число делений шкалы ваттметра (обычно 100 или 150).

Пусть дан ваттметр с Uн=150 В, Iн=5 А и N=150. Тогда цена деления прибора Сн = 150 х 5/150 = 5 Вт/дел,

Для того чтобы определить мощность по показаниям прибора, нужно показание прибора в делениях шкалы n умножить на цену деления Сн:

Р = nСн.

Если напряжение в сети больше допустимого напряжения катушки напряжения, а ток больше допустимого тока токовой катушки, то необходимо в цепи постоянного тока для подключения прибора воспользоваться добавочным резистором и измерительным шунтом (рис. 1, в).