ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В современных условиях контроль за технологическими процессами, потреблением электрической энергии, режимом работы электрооборудования, измерением неэлектрических величин осуществляется с помощью различных электроизмерительных приборов.

Особое место в измерительной технике занимают электрические измерения. Современные энергетика (включая атомную) и электроника опираются на измерение электрических величин. Большинство неэлектрических величин легко преобразуются в электрические с целью использования электрических сигналов для индикации, регистрации, математической обработки измерительной информации, управления технологическими процессами и передачи результатов измерений на большие расстояния.

Перечень измеряемых электрических величин включает в себя ток, напряжение, частоту, отношение токов и напряжений, сопротивление, емкость, индуктивность, мощность и т. д.

По методу измерения различают электроизмерительные приборы непосредственной оценки и приборы сравнения (уравновешивания). На шкалах приборов указываются род тока, система прибора, его наименование, рабочее положение шкалы (вертикальное, горизонтальное, наклонное), испытательное напряжение изоляции.

По принципу действия различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, а также тепловые, индукционные, электронно-лучевые и другие электроизмерительные приборы.

Приборы магнитоэлектрической системы применяют для измерений в электрических цепях постоянного тока. Они имеют равномерную шкалу, высокую точность, весьма малую чувствительность к внешним магнитным полям, характеризуются малым собственным потреблением электрической энергии.

Приборы электромагнитной системы используют для измерений в электрических цепях постоянного и переменного токов. Они имеют неравномерную шкалу, относительно невысокую точность, на показания приборов существенное влияние оказывают внешние магнитные поля.

Приборы электродинамической системы применяются в цепях постоянного и переменного токов. Электроизмерительные приборы этой системы характеризуются наибольшей точностью и чувствительностью в сравнении с другими приборами, применяемыми в цепях переменного тока, их изготавливают главным образом в виде приборов класса точности 0, 2 и 0, 5. Вместе с тем на показания приборов электродинамической системы значительно влияют внешние магнитные поля, они имеют большой собственный расход электрической энергии. Разновидностью приборов электродинамической системы являются приборы ферродинамической системы, в которых катушки снабжены стальными сердечниками, что делает их показания практически независимыми от внешних магнитных полей.

Одной из важнейших характеристик электроизмерительных приборов является точность. Результаты измерений электрических величин неизбежно отличаются от истинного их значения вследствие соответствующих погрешностей (систематических, случайных, промахов и др.).

Различают основную погрешность, обусловленную несовершенством конструкции сложного прибора, и дополнительную погрешность, вызванную влиянием внешних факторов на показания приборов.

Абсолютная погрешность измерительного прибора представляет собой расхождение (разность) между измеренным А_И и действительным (истинным) А_Д значениями измеряемой величины . Истинное значение измеряемой величины находят с учетом поправки. Поправка – это величина, обратная по знаку абсолютной погрешности: . Абсолютная погрешность не дает представления о точности измерения, которая оценивается по относительной погрешности измерения, представляющей собой отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины, выраженное в долях или в процентах от ее действительного значения:

Для повышения точности измерения измеряемой величины на показывающих приборах со стрелочным указателем следует выбирать такие пределы измерения, чтобы отсчитывать показания примерно в пределах 2/3 всей шкалы.

Точность показывающих измерительных приборов определяется относительной приведенной погрешностью, выраженной в процентах, т.е. отношением абсолютной погрешности к номинальному значению А_НОМ измеряемой величины (наибольшей величины, которая может быть измерена прибором): .

Электроизмерительные приборы подразделяются на восемь классов точности: 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 5; 4, 0, указываемых на шкалах. Класс точности приборов определяют по приведенной погрешности.

Измерение тока в электрических цепях производится амперметрами, измерение ЭДС и напряжений – вольтметрами. Расширение пределов измерения амперметров в цепях постоянного тока осуществляется с помощью шунтов, а в цепях переменного тока – с помощью трансформаторов тока. Расширение пределов измерения вольтметров в цепях постоянного тока достигается применением добавочных сопротивлений, а в цепях переменного тока – трансформаторов напряжения.

При измерениях достаточно больших токов, когда измерительный прибор (амперметр, гальванометр) не рассчитан на такие токи, параллельно цепи прибора включаются шунты, представляющие собой сопротивление известной величины, обладающие относительно малым сопротивлением R_ш, по которому пропускается большая часть измеряемого тока. Распределение токов между прибором и шунтом I_а и I_ш обратно пропорционально сопротивлениям соответствующих ветвей: . При этом измеряемый ток . С учетом этого . Шунтовый коэффициент для упрощения расчетов принимают равным К_ш = 10; 100 или 1000.

В ряде случаев шкала амперметра градуируется с учетом наличия шунта, при этом измеряемый ток в электрической цепи отсчитывается непосредственно по шкале прибора.

Надо отметить, что измерительные шунты используются только в электрических цепях постоянного тока, т. к. в цепях переменного тока при измерениях вносится погрешность, обусловленная наличием индуктивной составляющей сопротивления шунта, которая увеличивается с изменением частоты тока, при этом погрешность измерения может оказаться существенной.

При необходимости измерения больших токов в электрических цепях переменного тока используются трансформаторы тока, которые, как амперметр, включаются последовательно с нагрузкой. В цепи первичной обмотки трансформатора тока с числом витков ω ₁ проходит подлежащий измерению первичный ток I₁, при этом во вторичную обмотку трансформатора с числом витков ω ₂ включается амперметр, в цепи которого протекает вторичный ток I₂. Вследствие этого трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания. При этом можно считать магнитодвижущую силу (ампервитки) первичной обмотки равной магнитодвижущей силе вторичной обмотки: , откуда с учетом коэффициента трансформации n_I трансформатора измеряемый ток .

При измерениях достаточно больших напряжений, когда измерительный прибор (вольтметр, милливольтметр) не рассчитан на такие напряжения, последовательно с прибором включается добавочное сопротивление R_Д, на котором падает большая часть измеряемого напряжения. При включении добавочного сопротивления последовательно с вольтметром по ним протекает один и тот же ток, при этом отношение подводимого к цепи напряжения U к падению напряжения U_в на вольтметре равно отношению суммарного сопротивления цепи к сопротивлению R_в вольтметра: , откуда измеряемое напряжение .

Добавочный коэффициент К_Д показывает, во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения вольтметра при использовании добавочного сопротивления R_Д. Во избежание вносимой в процессе измерения напряжения погрешности добавочное сопротивление (по той же причине, что и шунт) следует использовать только в электрических цепях постоянного тока.

При измерениях высоких напряжений в электрических цепях переменного тока используются трансформаторы напряжения, первичная обмотка которых является обмоткой высшего напряжения, имеет большое число витков ω ₁ и включается под измеряемое напряжение U₁. Вторичная обмотка трансформатора с меньшим числом витков ω ₂ включается на зажимы вольтметра, показывающего вторичное напряжение U₂. При этом коэффициент трансформации трансформатора напряжения , откуда измеряемое высокое напряжение находится из выражения .

Точность измерительных трансформаторов характеризуется погрешностью коэффициента трансформации, показывающего, на сколько действительное значение вторичной величины отличается от значения измеряемой первичной величины, деленной на номинальный коэффициент трансформации К_Uном, или К_Iном соответствующего измерительного трансформатора.

Схемы включения ваттметров для измерения мощности в трехфазных цепях зависят от схемы питания потребителя (трехфазной трехпроводной или трехфазной четырехпроводной питающей сети), схемы включения трехфазного потребителя («звезда» или «треугольник»).

Существуют три способа измерения мощности:

1) одного прибора – применим для однофазных и трехфазных сетей. Используется один одноэлементный ваттметр;

2) двух приборов – применим для трехфазных симметричных и несимметричных сетей и использует один двухэлементный ваттметр или два одноэлементных;

3) трех приборов – применим для трехфазных симметричных и несимметричных сетей. Используют три одноэлементных или один трехэлементный ваттметр. Для расширения пределов применяют трансформаторы тока и напряжения.

 

Рис. 3.1. Измерение мощности одним ваттметром:

а - нагрузка включена в «треугольник»; б - однофазная сеть; в - нагрузка включена в «звезду»

Для схемы рис.3.1, а - нагрузка включена в «треугольник»:

.

В этой схеме, где не доступна средняя точка, образуется искусственная точка резисторами R_V , где R_V – сопротивление обмотки напряжения ваттметра.

Для схемы рис. 3.1, б, в которой ваттметр измеряет мощность в однофазной сети:

.

Для схемы рис. 3.1, в, где ваттметр измеряет мощность в трёхфазной сети с нагрузкой, включённой в «звезду»:

.

В однофазной сильноточной сети ваттметр включают через трансфор­маторы тока и напряжения, как показано на рис. 3.2.

Здесь мощность, измеряемая ваттметром, находится по формуле

.

Такая же схема подключения используется для ваттметра в трёхфазной сети.

Рис. 3.2. Схема измерения мощности в сильноточной цепи

Измерение мощности методом двух приборов или двухэлементным ваттметром показано на рис.3.3 а.

Векторная диаграмма представлена на рис. 3.3, б для . В этом случае:

.

Здесь возможны измерения суммарной мощности при симметрии и несимметрии фаз.

 

Рис. 3.3. Измерение мощности двумя ваттметрами или

двухэлементным ваттметром (а) и векторная диаграмма (б)

Измерение мощности методом трех приборов или трехэлементным ваттметром показано на рис. 3.4 и применяется в трехфазной четырехпроводной сети.

Очевидно, что

.

Определив , можно рассчитать коэффициент мощности:

.

При одинаковом обозначении в виде функции угла между напряжением и током коэффициент мощности вводится для трехфазной сети как отноше­ние активной и полной мощностей.

 

 

Рис. 3.4. Измерение активной мощности методом трех приборов в трехфазной четырехпроводной цепи

Учет активной и реактивной энергии производится индукционными приборами с вращающимся диском и интегрирующим механизмом, а также электронными и микропроцессорными счетчиками. Самыми распространёнными являются индукционные счетчики, выпускаемые в трёх исполнениях: одноэлементные (однофазные), двухэлементные (трехфазные) и трехэлементные (трёхфазные четырехпроводные).

Магнитные системы одно- и трёхфазных счётчиков имеют одинаковое конструктивное исполнение, отличающееся от изложенного при описании конструкции индукционных механизмов. Взаимодействие потоков приведено на рис. 3.5. Индукционный счетчик появился в результате открытия Феррарисом явления вращения металлического немагнитного диска в результате взаимо­действия двух переменных магнитных полей, сдвинутых по фазе. В настоя­щее время, несмотря на появление более современных электронных и мик­ропроцессорных приборов учета, он является штатным средством учета электроэнергии. Используется одна магнитная система, где взаимодействие потока Ф_U обмотки напряжения происходит с потоком Ф_I, дважды пронизывающим диск, который имеет ось вращения О. С вращающимся диском соединён интегрирующий механизм (счетчик), не показанный на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Магнитная система счетчика

Индукционные токи I_U от Ф_U и I_I от Ф_I взаимодействуют с потоками, создавая вращающий момент , где Ψ – угол сдвига между Ф_U и Ф_I.

На линейной части кривой В(Н) имеем:

поэтому .

Счётчик будет учитывать активную энергию, если

,

где Ψ – угол между Ф_U и Ф_I.

Так как , если то в реальной обмотке напряже­ния β – угол между (Ф_U и U) > 90°, где , причем α _I – угол сдвига между Ф_I и I Регулируя в токо­вой обмотке сопротивление, добиваются: .

В этом случае .

При вращении диска с угловой скоростью возникает основной тормозной момент от постоянного магнита и дополнительные тормозные моменты от токов резания, пропорциональные квадратам токов в обмотках U, I.

Пренебрегая дополнительными моментами, можно записать:

Далее, интегрируя, имеем:

=

или , где С - постоянная, кВт-ч/ об.

Передаточное число, указываемое на счетчике, 1 кВт-ч = N_O оборотов диска.

Другими словами, номинальная постоянная счетчика:

C_H = 36, 10 ³.

Здесь n - частота вращения, об/с, N - число оборотов диска.

Таким образом, счётчики как штатные приборы могут служить средст­вом учёта потребляемой энергии и измерения мощности. Подробнее теория индукционного счетчика изложена в специальной литературе.

Механизмы счетчиков имеют классы точности 0, 5; 1; 2; 2, 5, определяемые по результатам испытаний в диапазоне токовых нагрузок при соs φ = 1 и 0, 5.

Диапазон допустимых нагрузок составляет 150 - 400 % от I/I_H для раз­ных счетчиков. Подобный тангенциальный механизм используется во всех счетчиках.

Обозначения счетчиков таковы:

СО (одноэлементный однофазный) - для учета активной энергии в од­нофазных цепях;

СА 3 (двухэлементный трехфазный) - для учета активной энергии в трехфазных трехпроводных цепях;

СА 4 (трехэлементный трехфазный) - для учета активной энергии в трехфазных четырехпроводных цепях;

СР 4 (трехэлементный трехфазный) - для учета реактивной энергии в трехфазных четырехпроводных цепях.

Универсальные счетчики, обозначаемые дополнительно буквой «У», могут включаться с различными трансформаторами тока и напряжения.

Счетчики, дополнительно обозначаемые буквой «Д», имеют телеметри­ческий датчик импульсов.

Все счетчики для правильного включения имеют специальную маркиров­ку зажимов обмоток напряжения и тока: «Г» - генератор, «Н» - нагрузка.

На рис. 3.6 показано прямое включение одноэлементного счетчика СО, на рис. 3.7 - включение двухэлементного трехфазного счетчика СА 3 че­рез трансформаторы тока и напряжения, на рис. 3.8 - прямое включение трехэлементного счетчика реактивной энергии СР 3.

 

 

Рис. 3.6. Подключение однофазного счетчика СО

 

 

Рис. 3.7. Схема включения двухэлементного трехфазного счетчика СА3

 

 

Рис. 3.8. Прямое включение трехэлементного счетчика реактивной энергии СР3

 

Измеряя активную и реактивную мощности в трехфазной сети по частотам вращения дисков счетчиков активной и реактивной энергии W_а, W_р, можно измерить коэффициент мощности tg φ. Для этого необходимо рассчитать постоянные счетчиков, учитывая коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения, и за интервал времени t_Н определить число оборотов дисков счетчиков активной и реактивной энергии N_с.а, N_с.р.

.

Учет энергии с помощью индукционных счетчиков возможен с сохранением класса точности только на синусоидальном токе при спокойном характере нагрузки. При наличии высших гармоник и нестационарных процессов эти счетчики дают значительную погрешность.

В последнее время появились различные микропроцессорные счетчики АББ ВЭИ «Метроника» и другие, основанные на интегральных схемах спе­циального назначения, предназначенные для промышленного учета электро­энергии для энергоемких потребителей.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

1. Наименование, цель и программа работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Принципиальная схема лабораторной установки.

4. Описание хода работы.

5. Таблицы с экспериментальными данными, результаты обработки полученных

данных.

6. Выводы по работе.

 

5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

1. Информационно-измерительная техника и электроника: учеб. для вузов/ Раннев Г.Г. [и др.]; под ред. Г.Г. Раннева. - М.: Академия, 2006. - 511 с.

2. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений: учеб. для вузов/ Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. - 2-е изд., стер. - М.: Академия, 2004. - 331 с.: ил. - (Высш. проф. образование). - Библиогр.: с. 326-327. - ISBN 5-7695-1914-2: 190-20

3. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений: учеб. для вузов/ Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. - 3-е изд., стер. - М.: Академия, 2006. - 331 с.

4. Алиев И.И. Электротехнический справочник/ Алиев И.И. - 4-е изд., испр. - М.: РадиоСофт, 2004. - 383 с.

5. Электротехнический справочник: В 4 т.=Т. 1. - 9-е изд., стер. / Под общ. ред. В.Г. Герасимова и др. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 439 с.

6. Электротехнический справочник: В 4 т.=Т. 2. - 9-е изд., стер. / Под общ. ред. В.Г. Герасимова. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 517 с.

7. Управление качеством электроэнергии/ Карташев И.И. [и др.]; [под ред. Ю.В. Шарова]. - М.: Изд. дом МЭИ, 2006. - 319 с.

 

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: