3 1В.7. Косвенные методы измерений мощности

Мощность постоянного или переменного тока (при активной нагрузке) может быть измерена методом амперметра и вольтметра (см. рис. 15.9). Обеим схемам включения присуща методическая по­грешность. При включении по схеме на рнс 15.9 а мощность Р, опре­деленная как произведение измеренных значений U и I, окажется больше, чем мощность Рн, расходуемая в нагрузке, на величину мощ­ности, потребляемой амперметром, т. е,

Рн=Р-I²Ra

где R_a—сопротивление амперметра.

Относительная погрешность

γ01=(Р-Рн)/Рн = Rа/Rн

Для схемы, приведенной на рис. 15.9,6, методическая погреш­ность, обусловленная мощностью, потребляемой вольтметром, опре­деляется аналогично:

Рн=Р-(U²/RВ)

где RB—сопротивление вольтметра.

Относительная погрешность в данном случае

γ02=U²/RB=Rн²

U²/RB RВ

При поверке ваттметров высоких классов точности (от 0,5 и выше) используют компенсатор напряжении постоянного тока, которым при помощи делителя измеряют напряжение, приложенное к ваттметру, а силу тока определяют, измерив падение напряжения на измеритель­ном резисторе, включенном в последовательную цепь ваттметра.

Для определения активной и реактивной мощностей, основываясь на выражениях, приведенных в § 16.1, может быть использован ком­пенсатор напряжения переменного тока, измеряющий напряжение, ток и угол сдвига между ними.

Компенсаторы применяют и при измерениях в маломощных цепях, когда включение ваттметра может привести не только к большим погрешностям, но и к нарушению существовавшего режима работы цепи.

§ 16.8. Счетчики энергии переменного тока

Счетчики энергии переменного тока представляют собой интегри­рующие приборы, построенные на основе индукционных ИМ На рис. 16.4 схематично представлено устройство однофазного счетчика.

Зажимы, помеченные буквами Г и Н, означают «генератор» и «нагруз­ка», аналогично звездочке у генераторных зажимов ваттметра, так как правила включении счетчика те же, чти и для ваттметра.

Вращающий момент индукционного ИМ (см. § 5.4):

М=ƙƒΦ1Φ2sinѱ

где ѱ— угол сдвига между потоками Ф1 и Ф2.

Если сделать так, чтобы один поток был пропорционален напря­жению, а другой —току нагрузки и осуществить равенство sintѱ =cosφ, то момент М будет пропорционален мощности. Поток Ф2, создаваемый электромагнитом 1 и питаемый током нагрузки I, можно считать пропорциональным этому току. Обозначив его через Фl, получим:

Φ1=Φ2=ƙ2l

Параллельная обмотка электромагнита 2 состоит из большого числа витков w, и можно приближенно считать, что все приложенное к ней напряжение уравновеши­вается э. д. с. самоиндукции E, т. Е.

U=E=ωwФ

где Ф — полный поток, создаваемый обмоткой па­раллельной цепи; ω — уг­ловая частота.

Поток Ф разветвляется на поток ФL, проходящий через магнитный шунт, и поток ФU. пересекающий диск и называемый рабо­чим потоком, так как имен­но он участвует в создании вращающего момента

Для потока ФU про­порционального потоку Ф, можно написать:

ФU=Ф1=ƙ3Ф= ƙ4U/ƒ,

где угловая частота заме­нена частотой ƒ.

После подстановки значений Ф1 н Ф2 в выражение (16.3) получим:

M=KUl sinѱ

где К= ƙƙ2ƙ4

Для того чтобы sinѱ = соsφ необходимо выполнить условие ѱ =90º —φ , т. е. угол ѱ должен быть равен 90º при φ = 0. Поскольку поток Ф является геометрической суммой потоков ФL и ФU, то, соответственно, сдвигая эти потоки относительно друг друга и делая их раз­личными по значению, можно и э. д. с, уравновешивающую прило­женное напряжение, рассматривать как состоящую также из двух составляющих ЕL и ЕU, сдвинутых относительно соответствующих потоков па 90^º. Благодаря этому вектор суммарной э. д. с, а вместе с этим и вектор напряжения U удается повернуть на необходимый угол ѱ.

На рис. 16.5 изображена векторная диаграмма счетчика, на кото­рой показаны также ток нагрузки I, отстающий от приложенного на­пряжения на угол φ, и вектор Фl, отстающий от тока I на угол α1 вследствие потерь в сердечнике и диске. Поток ФU сдвинут относительно тока IU на угол, больший чем лоток ФL так как на его пути кроме магнитопровода находится диск счетчика, в котором существуют за­метные потери. Поток же ФL замыкается через воздушный зазор, и активная составляющая тока ILa обусловлена лишь, потерями в магнитопроводе (реактивные составляющие токов имеют индекс «р»). Что­бы вектор EL оказался повернутым на требуемый угол, поток ФL дол­жен быть в 2,5 -3 раза больше потока ФU. Составляющие IUr и IUx являются активным и реактивным (от потока рассеянии) падениями напряжения в обмотке. Геометрическая сумма -ЕU, —EL,IUr и IUx уравновешивает приложенное напряжение U.

Если учесть небольшой угол сдвига α между I и Фl, то угол β между ФU и U должен быть несколько больше 90º. Действительно, из диаграммы видно, что угол между Фl и ФU равен ѱ = β — αl — φ. Если β — αl = 90º, т.е.β = 90º + αl, то ѱ = 90º—φ и тогда:

M=KUl sinφ

Регулировку угла сдвига β осуществляют, например, с помощью ме­таллической пластинки 3 (см. рис. 16.4), помещенной в воздушный вазор магнитного шунта, благодаря чему изменяется составляющая тока lLa

Основываясь на соотношениях, приведенных п § 6.3. можно напи­сать:

KP= PM(dα/dt),

откуда

KW=PM2πN и N=S_WW,

где, согласно общему определению, SW — чувствительность счет­чика к энергии W. По исторически сложившейся традиции эту ве­личину называют передаточным числом счетного механизма 4 (см на рис. 16.4), указываемым на щитке счетчика в виде оборотов, соответствующих единице энергии.

Величина, обратная передаточному числу, называется номинальной постоянной С„, Из за наличия погрешностей от трепня и неучтенных тормозных моментов, возннкакхцих от перерезания диском перемен­ных по времени потоков Фу н Ф/. действительная постоянная С. как правило, не равна номинальной. Она определяется путем измерения действительно израсходованной энергии W_t за некоторое число оборо­тов диска AV„ при помощи ваттметра я секундомера. В этом случае:

Vt = P_mt-CN.,

где Р„—мощность, измеренная ваттметром; / — время. О гею да

Относительная погрешность счетчика

Tr-l(C»—Q/Q 100%.

Совокупность многих факторов (о некоторых из них говорилось ранее) приводит к тому, что погрешность счетчика изменяется в за­висимое™ ог нагрузки (от потребляемой мощности Р)\ погрешность счетчика ха|>актеризуют кривой погрешностей, называемой также нл-

Ш

грузочной кривой. Характерные нагрузочные крипые покачаны на рис. 16.6 для дну* значений соыр.

Важным параметром счетчика является порей чувствительности, под которым понимаете в минимальная нагрузка, выражаемая обычно в процентах от номинальной, при которой подвижная часть начинает безоста неточно вращаться. Наряду с этим счетчик не должен обладать самоходом, т. е. его подвижная часть не должна вращаться, если нет

нагруэкн. и только парад- Д дельная иепь находится под

напряжением. Явление само­хода может няЛлилаап.с* по­тому, что в счетчиках имеется устройство, создающее допол­нительный (компенсирующий) момент, не зависящий от наг­рузки, для компенсации мо­мента трения. Дли устра­нения самохода счетчик снабжен приспособлен нем. которое произво­дит легкое притяжение подвижной части при прохождении ею опре­деленного положения. На рис 16.4 такое приспособлен не состоит из ферромагнитной пластинки 6 (в зоне потока рассеяния параллельного электромагнита) н отогнутой ферромагнитной пропашки 6. укреплен­ной на осн.

Основные свойства счетчиков нормируются ГОСТ 6570—60 Уста­новлены классы точности: 1. 0, 2.0; 2,5 н 3,0. Порог чувствительности должен быть не более 0.5% для классов 1 н 2 и I % — для классов 2,5 и 3,0.

| 11.8. Счвтчнии внрргми постоянного топ

На основании сказанного в 6 16.2 н 16.3 можно заключить, что на электродинамическом принципе можно гюстроить как электродинами­ческие, так и • роли • • скне » счетчики энергии Для этого нуж­но, чтобы подвижная часть вра­щалась подобно двигателю посто­янного тока. То1да вращающий момент счетчика будет пропорцио­нален мощности, а тормозной момент -скорости вращения. Этот момент соадлется так же, как и в индукционном счетчике, при по­мощи диска н ПОСТОЯН1ЮЮ маг­нита.

В СССР применяются главным образом электродинамнческиесчет-чнки. Схематически устройство вращающего элемента счетчика для электровозов показано на рис. 16.7. Обмотка ротора состоит из шести

МО

плоских Катушев /. уложенных в писке из гетинакса, укрепленном на оси. Концы катушек выведены к пластинам коллектора 2. Ротор подключается к напряжению сети через добавочное сопротивленне R_g. Роль неподвижных катушек (статора) играют медные шины 4, через которые проходит весь ток нагрузки /„. Резисторы R, н конденсаторы d введены в параллельную цепь для подавления искрения между щетками 3 и коллектором при коммутации. Цепь R, — С» предназна­чена для зашиты коллектора от обгорання при отскакивании щеток. Характеризующие счетчик параметры тс же, что и дли счетчика пере­менного тока: передаточное число; номинальная постоянная; погреш­ность; класс точности, порог чувствительности.

Главная дополнительная погрешность обусловливается изменением температуры и зависит от ряда факторов, важнейшим из которых яв­ляется изменение сопротивления алюминиевого (тормозного) диска и потока постоянного магнита. Для температурной коррекции ротор шунтирован цепью из резисторов R₃ — R_t, причем R_t — полупровод­никовое термоэависнмое сопротивление.

Б. Намерение активной мощности н энергии в трехфазных цепях