Измерение тока, напряжения, мощности
учебно-методический материал на тему

Измерение тока, напряжения, мощности.

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ, МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ

         Напряжение и ток в цепях постоянного тока измеряют приборами магнитоэлектрической системы. Чтобы стрелка таких приборов отклонялась в нужную сторону, ток от положительного полюса источника питания должен попадать на зажим «+» амперметра.

Простейшим способом измерения постоянного тока является непосредственное прямое включение амперметра.  При этом необходимо соблюдать три условия:

• предел измерения амперметра должен быть больше или равен максимальному рабочему току цепи;
•   испытательное напряжение амперметра должно быть больше напряжения сети Ua > Uс,
•  сопротивление амперметра должно быть больше сопротивления приемника RA > Rnp.

        Для расширения пределов измерения постоянного тока применяют измерительные шунты, которые характеризуются номинальным первичным током Iш, падением напряжения Um, создаваемым между их измерительными зажимами при этом токе, и классом точности. Стандартные токоизмерительные шунты рассчитаны на падение напряжения 45 и 75 мВ.

Чем меньше номинальный ток шунта, тем больше его внутреннее сопротивление. При подключении нескольких приборов параллельно шунту может возникнуть погрешность, превышающая допустимую для его класса точности. Поэтому при токах шунта в несколько десятков ампер к нему подключают один измерительный прибор.

          Напряжение в цепях постоянного тока может измеряться приборами различных систем. При использовании вольтметров PV магнитоэлектрической системы следует соблюдать полярность включения (рис. 1, а).
         Для расширения пределов измерения вольтметров применяют добавочные резисторы (рис. 1, б). В этом случае предел измерения:

Рис 1. Схемы включения вольтметров в цепи постоянного тока:
а — непосредственное включение, б — с добавочным резистором
где UPVx — расширенный предел вольтметра; RД — сопротивление добавочного резистора; K — коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения прибора при использовании добавочного резистора.
         Выпускаются различные шунты и добавочные резисторы для расширения пределов измерения приборов постоянного тока.
         Переменные напряжение и ток можно измерять приборами любой системы, за исключением магнитоэлектрической. При измерении больших токов в низковольтных установках, а также напряжений и токов в высоковольтных установках применяют приборы электромагнитной системы, включаемые через специальные трансформаторы тока и напряжения. В практике наладочных работ используют различные измерительные трансформаторы, при этом следует помнить, что они вносят в результат измерений дополнительную погрешность. Чтобы погрешность не превышала допустимой, определенной классом точности применяемого измерительного трансформатора, его вторичную обмотку необходимо включать на номинальное сопротивление. Номинальным сопротивлением вторичной обмотки цепи трансформатора тока является то наибольшее, а трансформатора напряжения — то наименьшее сопротивление, на которое можно включить эту обмотку, не превысив погрешность выше допустимой.
          Схемы включения вольтметров с добавочными резисторами в цепях постоянного тока и однофазных сетях переменного тока одинаковы (рис. 1,6). Схемы включения амперметров и вольтметров при использовании измерительных трансформаторов показаны на рис. 2, а, б.
         
Рис 2. Схемы включения измерительных приборов переменного тока:
а — с трансформатором тока, б — с трансформатором напряжения.
       В цепи однофазного переменного тока мощность измеряют непосредственно с помощью электродинамического ваттметра или косвенно методом амперметра и вольтметра. Схема включения приборов показана на рис. 3.

Зная напряжение U, приложенное к нагрузке, силу тока I, проходящего по ней, и угол ϕ сдвига между током и напряжением, можно определить активную, реактивную и полную мощность:
Р = UI cosϕ; Q = UI sinϕ; S = UI.
      Угол ϕ  или cosϕ определяют с помощью фазометра. При отсутствии фазометра полную мощность находят по показаниям вольтметра и амперметра: S = UI. С помощью ваттметра измеряют активную мощность, отсюда: cosϕ = Р/S; ϕ = arccosP/S; Q = UI sinϕ .
       При включении вольтметра в измеряемую цепь учитывают полярность его выводов (начала токовой обмотки и обмотки напряжения).

Рис. 3. Схема включения приборов для измерения мощности:
Rн — резистор нагрузки, Rд — добавочный резистор к обмотке напряжения ваттметра.

При равномерной нагрузке мощность в трехфазной сети можно измерить одним ваттметром. Схемы измерения для трехфазной четырехпроводной и трехпроводной сетей показаны на рис. 4, а, б. Когда нулевая точка сети недоступна, создается искусственная нулевая точка, при этом сопротивления должны быть равны: Rдa = Rдд = Rдс. Мощность определяют суммированием показаний всех трех ваттметров.

Рис. 4. Схемы включения ваттметров для измерения активной мощности
трехфазного тока:  а — непосредственное, б — с добавочным резистором.

Рис. 5. Схемы включения двух ваттметров для измерения мощности трехфазного
тока.

         Для измерения мощности цепи трехфазного тока чаще всего используют два ваттметра как при симметричной, так и несимметричной загрузке фаз. Три равноценных варианта включения ваттметров при измерении активной мощности показаны на рис. 15.

 Активную мощность определяют как сумму показаний двух ваттметров. Реактивную мощность в трехфазной цепи при равномерной загрузке всех трех фаз можно измерить с помощью одного ваттметра (рис. 6, а). Для получения полной реактивной мощности показания одного ваттметра умножают на 3. При равномерной и неравномерной нагрузке реактивную мощность в трех- и четырехпроводной сети определяют с помощью трех ваттметров (рис. 6,6).

Рис 6. Схемы измерения реактивной мощности в трехфазной сети: а — с помощью одного ваттметра, б — с помощью трех ваттметров.
        Для измерения мощности в трехфазных цепях с симметричной нагрузкой используют ваттметровые токоизмерительные клещи (рис. 7). Чаще всего их применяют для определения нагрузки трехфазных двигателей М напряжением 380 и 660 В с доступной нейтралью (рис. 7). В процессе измерения охватывают клещами один из подводящих проводов, причем зажим напряжения, отмеченный звездочкой, соединяют с этим проводом, а зажим «220 В» (в цепи 660 В зажим «380 В») — с нейтралью статорной обмотки. Если показания прибора отрицательные, клещи при охвате провода следует повернуть на 180° либо поменять местами провода цепи напряжения.


Рис. 7. Измерение мощности трехфазного двигателя с помощью ваттметровых измерительных клещей.
         В сетях переменного тока учет вырабатываемой и потребляемой электроэнергии осуществляется с помощью счетчиков индукционной системы, которые изготовляют в одно- и трехфазном исполнении. Последние бывают двух модификаций — для трех- и четырехпроводной сети. Для учета расхода активной и реактивной энергии выпускаются специальные счетчики. Для измерения в трехфазных сетях активной энергии служат счетчики САЗ, СА4, СА4У, реактивной энергии — СРЗ, СР4, СР4У (цифра 3 в обозначении типа счетчика указывает, что он предназначен для трехпроводной сети, 4 — для четырехпроводной). Счетчики СА4У и СР4У выпускаются только для включения с измерительными трансформаторами тока и напряжения, счетчики остальных типов — для прямого включения и с трансформаторами.

 Для учета энергии в цепях однофазного тока используют счетчики СО.

Счетчики активной энергии изготовляют классов точности 1,0; 2,0; 2,5, счетчики реактивной энергии—2,0; 2,5; 4,0. Класс точности счетчиков и измерительных трансформаторов, предназначенных для цепей коммерческого и технического учета, должен соответствовать требованиям ПУЭ.
           Схемы внутренних соединений трехфазных счетчиков приведены на рис. 8,а — д. Индексами Г и Н обозначены выводы обмоток счетчиков, подключаемые соответственно к питающей стороне схемы и нагрузке.

Рис. 8. Схемы внутренних соединений трехфазных счетчиков: а - активной энергии типа САЗ и САЗУ, б — реактивной энергии типа СРЗ и СРЗУ, в - активной энергии типа СА4 и СА4У, г — реактивной энергии типа СР4 и СР4У с дополнительной последовательной обмоткой, д - реактивной энергии типа СР4 И676 и СР4У-И676, 1 – 10 – номера зажимов.

 Схемы включения трехпроводных счетчиков активной энергии типа САЗ и САЗУ и счетчиков реактивной энергии тина СРЗ и СРЗУ приведены на рис. 9, а — в, а схемы включения четырехпроводных счетчиков активной энергии СА4 и СА4У и реактивной энергии СР4 и СР4У — на рис. 10, а — г.

Рис. 9.Схемы включения счетчика активной энергии типа САЗ и САЗУ и счётчика реактивной энергии типа СРЗ, СРЗУ: а — непосредственное включение, б — с трансформаторами тока, в -  с трансформаторами тока и напряжения.

Рис. 10. Схемы включения счетчика активной энергии типа СА4 и СА4У и счетчика реактивной энергии типа СР4, СР4У, СР4-И676 и СР4У-И676: а — непосредственное включение, б — с трансформаторами тока, в — с трансформаторами тока и напряжения в трехпроводной цепи, г — с трансформаторами тока и напряжения и четырехпроводной цепи (в реактивных счетчиках зажимы 10 отсутствуют).

Иногда при наладочных работах счетчики используют для измерения мощности. Рассмотрим пример определения мощности, потребляемой двигателем, с помощью трехфазного счетчика. Отсчитываем число оборотов диска за промежуток времени t (обычно достаточно 20—40 с, отсчитанных по секундомеру); нагрузка двигателя за этот промежуток не должна меняться. Если на табличке счетчика, например типа САЗУ, указано 1 кВт . ч = n оборотов диска, то мощность, кВт:

где Kтт и Kтн — соответственно коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения.

Практическая работа № 9

Измерение тока, напряжения, мощности в электрических цепях.

Заполните таблицу, используя материал лекции «Измерение тока, напряжения, мощности».