Измерение электрической мощности

Для измерения мощности в однофазной цепи синусоидального тока в основном используются электродинамические ваттметры, которые включают так же, как и при измерениях в цепи постоянного тока (см. рис. 2.14).

Ток I_U в подвижной катушке пропорционален напряжению U и практически совпадает с ним по фазе, а ток I в неподвижной токовой обмотке равен току нагрузки. Поэтому вращающий момент ваттметра

М_ВР = CUIcosj = CP, (2.17)

где j – угол сдвига фаз между U и I; С – коэффициент пропорциональности.

Зажимы токовой обмотки и обмотки напряжения ваттметра, помеченные звездочками ( * ) и называемые генераторными, следует включать в электрическую цепь со стороны источника питания, как показано на рис. 2.14.

· Измерение активной мощности в трехфазной цепи

Для измерения активной мощности в трехфазной цепи переменного тока применяется несколько способов измерения мощности в зависимости от характера трехфазной нагрузки.

При симметричной нагрузке активную мощность в трехфазной цепи можно измерить путем замера мощности в одной фазе с помощью ваттметра, включаемого по схеме с трехфазной нагрузкой соединенной звездой (рис. 2.15, а) и трехфазной нагрузкой соединенной треугольником (рис. 2.15, б).

а) б)

Рис. 2.15. Схема измерения активной мощности трехфазной нагрузки двумя ваттметрами

а) – трехфазная нагрузка соединенная звездой;
б) – трехфазная нагрузка соединенная треугольником

После измерения мощности в одной из фаз Р_Ф, соединенных звездой (U) или треугольником (D) показания ваттметра умножают на три, так как при симметричной нагрузке мощности всех трех фаз одинаковы:

Р_Yсим = 3Р_Ф; (2.18а)

Р_Dсим = 3Р_Ф, (2.18б)

где Р_Yсим и Р_Dсим – активная мощность в трехфазной симметричной нагрузке соединенной звездой и треугольником, соответственно.

В трехпроводной трехфазной цепи при любой нагрузке (симметричной или несимметричной) и любом способе соединения электроприемников (звездой или треугольником) общую активную мощность трехфазной нагрузки можно измерять с помощью двух ваттметров (см. рис. 2.16).

При этом алгебраическая сумма активных мощностей Р_W1 и Р_W2 2-х ваттметров W₁ и W₂ равна активной мощности Р_{Y, D} в трехпроводной трехфазной цепи при соответствующем способе соединения фаз (Y или D):

P_{Y, D} = P_W1+P_W2 = U_ABI_Acosj_A + U_BCI_Ccosj_C. (2.19)

Суммарная мощность двух ваттметров вычисляется с учетом знака мощностей этих ваттметров, как алгебраическая сумма. Практически, для отсчета отрицательной мощности по показаниям ваттметра необходимо изменить направление тока в обмотке напряжения, для чего переключатель направления тока на корпусе ваттметра надо переключить с « + » на « - ».

а) б)

Рис. 2.16. Схема измерения активной мощности
в симметричной трехфазной нагрузке

а) – трехфазная нагрузка соединенная звездой;
б) – трехфазная нагрузка соединенная треугольником

Измерить активную мощность в четырехпроводной трехфазной цепи при несимметричной нагрузке соединенной звездой можно тремя ваттметрами, как показано на рис.2.17.

Поскольку, в этом случае каждый из ваттметров измеряет активную мощность одной фазы, то мощность в четырехпроводной трехфазной цепи:

Р_Y = P_A + P_B + P_C, (2.20)

где P_A, P_B, P_C – активные мощности фаз А, В, С, соответственно.

Рис. 2.17. Схема измерения активной мощности тремя ваттметрами
в четырехпроводной трехфазной сети при несимметричной нагрузке

Применяются также ваттметры трехфазного тока. При измерении мощности в трехфазных цепях высокого напряжения и с большими токами ваттметры включаются через измерительные трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.

2.6. Измерение электрической энергии
в цепях переменного тока

· Общие сведения

В цепях переменного тока для измерения активной энергии в основном используются однофазные и трехфазные счетчики индукционной системы [1]. Для измерения активной энергии в однофазных и трехфазных цепях однофазные счетчики включают по схемам, аналогичным схемам включения ваттметров (см. разд. 2.6).

В трехпроводных трехфазных цепях для измерения активной энергии применяют двухэлементные объединяющие измерительные системы двух однофазных счетчиков.

Для измерения активной энергии в четырехпроводных цепях трехфазного тока применяют трехэлементные счетчики.

В последнее время получили распространение однофазные и трехфазные электронные счетчики учета активной, реактивной и полной электроэнергии. Их основными достоинствами являются высокая точность, возможность телеметрической передачи показаний счетчика, учет электроэнергии по двухставочному тарифу (день/ночь).

Рис. 2.20. Внешний вид электронного однофазного счетчика электроэнергии

Ниже представлена упрощенная структурная схема однофазного электронного счетчика, включенного через трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) в цепь для измерения активной мощности приемника с сопротивлением нагрузки Z_Н.

Рис. 2.21. Структурная схема однофазного электронного счетчика электроэнергии

Принцип действия счетчика заключается в непрерывном преобразовании текущих мгновенных значений синусоидальных тока i и напряжения u с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) через малые интервалы времени, задаваемые процессором, в числовые эквиваленты, последующем вычислении процессором активной мощности и электроэнергии и фиксации результатов вычислений в регистрирующем устройстве с помощью электровакуумных, жидкокристаллических или других индикаторов [1].

Электронный счетчик не содержит подвижных частей, а программирование процессора позволяет эффективно использовать его для телеметрической передачи данных в автоматизированных системах коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), для анализа суточных графиков нагрузки, многотарифного расчета за электроэнергию и т. п.

Электронный счетчик применим и для измерений энергии в цепях постоянного тока при наличии датчиков постоянного тока и напряжения и соответствующем программировании процессора.