Измерение мощности. 
Технические измерения и приборы

Мощность Р в цепях постоянного тока может быть определена методом амперметра и вольтметра косвенно путем проведения двух прямых измерений, а именно, напряжения на нагрузке V с помощью вольтметра и тока в нагрузке I с помощью амперметра, и дальнейшего вычисления мощности по формуле.

Для этого обычно применяют вольтметры и амперметры магнитоэлектрической системы. На рис. 2.2 приведена схема включения амперметра и вольтметра.

Рис. 2.2. Метод амперметра и вольтметра

В этой схеме сопротивление нагрузки мало по сравнению с сопротивлением вольтметра. Когда сопротивление нагрузки относительно велико, амперметр включают между вольтметром и нагрузкой.

Метод амперметра и вольтметра требует одновременного отсчета показаний двух приборов и последующего вычисления, что относится к его недостаткам.

Наиболее просто и с необходимой точностью измерение мощности производится непосредственно с помощью одного электродинамического ваттметра. Включение такого ваттметра в цепь постоянного тока необходимо осуществлять с соблюдением правильности соединения генераторных зажимов обмотки цепи тока и напряжения. На рис. 2.3 показано включение ваттметра PW для измерения мощности Р.

Рис. 2.3. Схема включения ваттметра в цепь постоянного тока

Генераторный зажим токовой обмотки ваттметра всегда включается в сторону источника питания. Генераторный зажим обмотки напряжения, в целях уменьшения методической погрешности, включается так, как это показано на рис. 2.3, при относительно большом значении сопротивления нагрузки К_шг.

При малом значении сопротивления нагрузки относительно сопротивления последовательной токовой цепи ваттметра, которое всегда указывается на циферблате прибора, генераторный зажим включается в сторону нагрузки. Несоблюдение правильности включения генераторного зажима приводит к изменению направления вращающего момента и выходу указателя ваттметра за пределы шкалы.

Измерение активной мощности в однофазной цепи переменного тока также производится ваттметрами.

Метод одного прибора применяется при измерении мощности в однофазных цепях и симметричных трехфазных цепях, где комплексные сопротивления фаз одинаковы. И в том и в другом случае обмотка напряжения ваттметра включается на фазное напряжение, а обмотка тока включается в рассечку провода какой-либо фазы.

Включение ваттметра в однофазную цепь переменного тока дает показания в соответствии с соотношением.

где U и / - действующие значения напряжения и тока нагрузки, а (р — фазовый сдвиг между ними.

На рис. 2.4 показано включение ваттметра в симметричную трехфазную трехпроводную цепь при соединении нагрузки звездой.

Рис. 2.4. Включение ваттметра в симметричную трехфазную цепь при соединении нагрузки звездой

Метод двух приборов используется при измерении мощности в трехфазной трехпроводной цепи с помощью двух ваттметров. Метод дает правильные результаты независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. Кроме того, метод двух приборов применяется для включения элементов двухэлементного ваттметра при измерении с помощью его мощности в трехфазной трехпроводной цепи.

На рис. 2.5 изображена схема включения двух ваттметров в трехфазную трехпроводную цепь.

Рис. 2.5. Схема включения двух ваттметров

Обычно токовая обмотка одного ваттметра включается в фазу А, а токовая обмотка другого ваттметра — в фазу С. Общая мощность цепи при этом равна алгебраической сумме показаний ваттметров.

Следует отметить, что показания каждого ваттметра могут быть положительными или отрицательными в зависимости от значения угла <�р и его знака.

Реактивная мощность измеряется для оценки потерь в линиях электропередачи. Для однофазной цепи эта мощность равна.

Для трехфазной цепи реактивная мощность определяется суммой реактивных мощностей каждой фазы. В случае симметрии трехфазной цепи ее полная реактивная мощность находится как.

где 1/фИ 1ф- соответственно напряжение и ток одной фазы.

Измерение реактивной мощности может быть осуществлено с помощью ваттметров, предназначенных для измерения активной мощности, но при включении обмоток напряжения в такие точки, где напряжения отстают от точек измерения активной мощности на 90°.

Схема включения ваттметра по методу одного прибора при измерении реактивной мощности приведена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема включения ваттметра по методу одного прибора при измерении реактивной мощности

Трехфазная цепь при этом, так же, как и для случая измерения активной мощности, должна быть симметричной.

Схема включения ваттметра по методу двух приборов при измерении реактивной мощности показана на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема включения ваттметра по методу двух приборов при измерении реактивной мощности

В этом случае трехфазная цепь не обязательно должна быть симметричной.

В производственной практике часто встречаются задачи измерения фазового сдвига между напряжением и током нагрузки и между двумя периодическими напряжениями.

Для измерения фазового сдвига между напряжением и током нагрузки используются электродинамические фазометры. Электрическая схема электродинамического фазометра представлена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Схема электродинамического фазометра

Подвижная часть механизма, представляющая две жестко скрепленные между собой под углом 60° рамки, крепится на осях и опорах. Механический противодействующий момент в механизме отсутствует. Взаимодействие тока 1 = /,_№, протекающего по неподвижной катушке прибора 1, с током /₂, протекающим по обмотке рамки 2, угол между плоскостью которой и плоскостью неподвижной катушки равен 150° при, а = 0, создает вращающий момент.

Взаимодействие тока // с током 1₃ создает противодействующий моменту М вращающий момент.

Из векторной диаграммы действия токов и напряжения на нагрузке U следует, что.

Фазовый сдвиг между U и током /3 выполняется равным 60° за счет включения в цепь обмотки рамки 3 катушки индуктивности L3 и резистора Ry Следовательно,.

В установившемся режиме подвижная часть прибора займет положение при котором М будет равен М_г, поэтому.

При условии C, I₃ = C2I3 последнее равенство будет выполняться при, а = ф, то есть угол поворота подвижной части прибора равен фазовому сдвигу между напряжением и током в нагрузке. Прибор имеет линейную шкалу, и его показания практически не зависят от нестабильности напряжения на нагрузке. Недостатками таких фазометров является сравнительно большая потребляемая мощность от источника сигнала и зависимость показаний от частоты.

Измерение фазового сдвига между двумя периодическими напряжениями одной частоты производится с помощью электронных фазометров. Структурная схема электронного фазометра приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема электронного фазометра

Напряжения U и U₂ (рис. 2.10, а, б), одно из которых является опорным, подаются на два входа прибора. В обоих каналах напряжения усиливаются и, если их амплитуды достаточно большие, ограничиваются усилителями-ограничителями У01 и У02. Затем с помощью формирующих устройств ФУ1 и ФУ2 эти напряжения преобразуются в напряжения прямоугольной формы с крутыми фронтами (рис. 2.10, в, г).

Рис. 2.10. Временные диаграммы сигналов фазометра

Фазовый сдвиг напряжений на выходах ФУ1 и ФУ2 равен фазовому сдвигу входных напряжений. Дифференцирующими цепями ДЦ1 и ДЦ2 формируются короткие импульсы, поступающие через диодные цепи Д1 и Д2 на входы триггера Т, который имеет два устойчивых состояния (рис. 2.10, д, е).

Выходное напряжение триггера Т показано на рис. 2.10, ж. К выходу триггера подключен магнитоэлектрический микроамперметр. Длительность импульса t_u на выходе триггера связана с фазовым сдвигом ф следующим соотношением.

где / - частота сигналов. Тогда среднее значение тока, протекающего через прибор, равно.

где 1«_шд — амплитуда импульса тока, а Т — период входных напряжений. Отсюда окончательно получим значение.

Таким образом, шкала прибора линейна и не зависит от частоты. Электронные фазометры работают в широком диапазоне частот, имеют большое входное сопротивление и, следовательно, малую потребляемую мощность от источников сигналов.