Вимірювання електричної потужності прямими методами

Потужність вимірюється прямими методами за допомогою електромеханічних, електронних, цифроаналогових та цифрових ватметрів.

В електродинамічному вимірювальному перетворю­вачі прямого перемножування здійснюється вимірювальне перетворення активної потужності у кутове переміщення стрілки (вказівника).

Такий вимірювальний перетворювач потужності (електро­динамічний вимірювальний механізм, або електроди­намічний ватметр) складається (рис. 1) з нерухомої котушки намотаної товстим провідником, яка вмикається послідовно зі споживачем. Нерухома котушка призначена для створення однорідного магнітного поля струму спожива­ча. Форму котушки вибирають такою, щоб магнітне поле бу­ло рівномірним.

У магнітному полі нерухомої котушки розміщена легка рухома котушка (рамка), намотана тонким провідником.

Рис.1 Рис. 2

Вона закріплюється на осі, розтяжках або підвісі і може обертатися. Рухома котушка вмикається паралельно спо­живачеві, активна потужність якого підлягає вимірюван­ню. До осі рухомої котушки кріпиться спіральна пру­жина, призначена для створення моменту протидії і для електричного з'єднання обмотки рухомої котушки з неру­хомим споживачем. Стрілка, з'єднана з рухомою котуш­кою, призначена для індикації кутового переміщення котушки. Стрілка переміщується вздовж шкали з нане­сеними поділками, проградуйованими в одиницях потуж­ності. Для зменшення перехідних коливань стрілки у разі різкої зміни споживаної енергії призначений заспокою­вач. Він може бути повітряним або електромагнітним. Для суміщення початкового положення стрілки з нульо­вою позначкою шкали призначений коректор.

На електричних схемах ватметри позначаються умов­ним зображенням, наведеним на рисунку 2.

Феродинамічний ватметр (як і електродинамічний) складається з двох котушок: нерухомої і рухомої. Нерухо­ма котушка феродинамічного ватметра, на відміну від електродинамічного, наноситься на феромагнітний магніто-провід. Таким чином, створюється радіальне магнітне поле в зазорі, в якому розміщено рухому котушку (рис. 4). Ру­шійний момент створюється взаємодією магнітних полів рухомої і нерухомої котушок. Рис. 4

У феродинамічному ватметрі, порівняно з електроди­намічним, значно більший обертальний момент і значно менший вплив зовнішніх магнітних полів. Поряд з цим, феродинамічний ватметр має більшу похибку від нелінійності і більші втрати енергії.

Нерухомі котушки ватметра 1-1 (рис. 3) вмикають в електричне коло послідовно зі споживачем Zh, а рухома котушка 2-2 із додатковим резистором R_дод — паралельно споживачеві.

Рис. 3

Зміна напряму струму в котушках спричи­нює зміну напряму відхилення стрілки приладу.

Тому для правильного увімкнення один із затискачів і рухомої та нерухомої котушок позначається спеціальним знаком («ге­нераторні» затискачі) і ці затискачі мають бути увімкнені з боку джерела живлення.

До позитивних властивостей електродинамічних ват­метрів слід віднести відносно високу точність (клас точ­ності 0,1), можливість застосування як для постійного, так і для змінного струму, наявність майже рівномірної шка­ли, можливість розширення діапазону вимірювання як за струмом (котушку струму поділяють на декілька секцій, з'єднаних послідовно), так і за напругою (якщо приєднати додатковий опір послідовно з котушкою напруги).

Недоліками електродинамічних ватметрів є власне спо­живання енергії, неможливість застосовувати в широкому діапазоні частот через наявність частотної похибки, від­носно невеликий момент обертання, чутливість до зовніш­ніх магнітних полів.

Нерухома і рухома котушки ватметра споживають енергію, що спотворює режим роботи електричного кола і призводить до методичної похибки, або похибки взаємодії. Схему на рис.3,а доцільно застосовувати для вимірювання потужності високоомного споживача, а схему на рисунку 3,б – низькоомного.

3 Опосередковане вимірювання потужності

Потужність можна вимірювати опосередковано — за допомогою амперметра і вольтметра в колах постійно­го струму і амперметра, вольтметра і фазометра в колах однофазного синусоїдного струму. Результат опосередкова­ного вимірювання обчислюють за показами І амперметра та U вольтметра за формулою P= UІ.

На рисунку 5 наведено дві схеми увімкнення ампер­метра і вольтметра для опосередкованого вимірювання потужності споживача постійного струму.

Рис. 5

Методична по­хибка взаємодії становить

для схеми (а):

для схеми (б):

де РА, РV – потужність, що споживається, відповідно, нерухомою і рухомою котушками;

РН – потужність споживача енергії.

Схему на рисунку 5, а доцільно застосовувати для вимірювання потужності високоомного споживача, а схему на рисунку 5, б — низькоомного.

Для вимірювання потужності методом трьох амперметрів паралельно зі споживачем вмикають безреактивний реостат (рис. 6, а) і вимірюють ампер­метрами струм споживача ї_х, струм у вітці реостата Ir і струм у нерозгалуженій частині кола І. Згідно з век­торною діаграмою (рис. 6, б), косинус кута зсуву фаз між напругою і струмом визначається за теоремою ко­синусів:

Рис. 6

Підставивши значення cos φ і U=IrR у вираз для потуж­ності, отримаємо:

Для вимірювання потужності методом трьох вольт­метрів послідовно зі споживачем вмикають безреактивний додатковий резистор (рис. 7, а) і вимірюють вольтметра­ми напругу на споживачеві U_x, напругу на резисторі Ur і су­марну напругу U (на резисторі і споживачеві).

Рис. 7

Згідно з век­торною діаграмою (рис. 7, б) косинус кута зсуву фаз між напругою і струмом визначається за теоремою косинусів:

Підставивши значення cos φ і I= Ur /R у вираз для потуж­ності, дістанемо: