176. Измерване на активна електрическа мощност
I. Постоянен ток. От формулата за постоянен ток
може да се види, че определянето на мощността може да се извърши чрез умножаване на показанията на амперметъра и волтметъра. На практика обаче измерването на мощността обикновено се извършва с помощта на специални устройства - ватметри. Разгледайте схемата на ватметъра на електродинамичната система (фиг. 361).
Ватметърът се състои от две намотки: неподвижна 1, състояща се от малък брой навивки дебела тел, и подвижна 2, състояща се от голям брой навивки тънка тел. Когато ватметърът е включен, товарният ток преминава през неподвижна намотка, свързана последователно във веригата, а подвижната намотка е свързана успоредно на консуматора. За да се намали консумацията на енергия в паралелната намотка и да се намали теглото на движещата се намотка, допълнително съпротивление 3, изработено от манганин, е свързано последователно с него. В резултат на взаимодействието на магнитните полета на подвижната и неподвижната намотки възниква въртящ момент, който е пропорционален на токовете на двете намотки:
т.е. въртящият момент на устройството е пропорционален на мощността, консумирана във веригата.
За да може стрелката на устройството да се отклони от нула надясно, е необходимо да премине ток през намотката в определена посока.
За целта двете клеми, показващи началото на намотките, са маркирани с * и са електрически свързани. Скалата на ватметъра показва номиналния ток и номиналното напрежение на устройството. Така например, ако на скалата на устройството са посочени 5 A и 150 V, тогава устройството може да измерва мощност до 750 W. Скалите на някои ватметри са градуирани на деления. Ако, например, ватметър от 5 A и 150 V има 150 деления, тогава стойността на делението или константата на ватметъра е 750: 150 = 5 W / div.
В допълнение към електродинамичните ватметри, за измерване на мощност в постояннотокови веригиизползват се и ватметри на феродинамичната система.
2. Еднофазен променлив ток. Когато електродинамичен ватметър е свързан към верига с променлив ток, магнитните полета на движещата се и неподвижната намотка, взаимодействайки помежду си, ще накарат движещата се намотка да се върти. Моментният момент на въртене на подвижната част на устройството е пропорционален на произведението на моментните стойности на токовете в двете бобини на устройството. Но поради бързи промени в токовете, движещата се система няма да може да следва тези промени и моментът на въртене на устройството ще бъде пропорционален на средната или активна мощност.Следователно, по ъгъла на въртене на подвижната част на ватметъра, можете да прецените количеството активна мощност, консумирана от веригата.
За измерване на мощността на променлив ток се използват и ватметри на индукционната система. На фиг. 362 показва схемата на свързване на индукционен ватметър с въртящо се магнитно поле. Серийна бобина 1-1, състояща се от малък брой навивки от дебел проводник, е разположена на два противоположни полюса и е свързана последователно към веригата. Паралелна намотка от 2-2 ватметра, състояща се от голям брой навивки от тънък проводник, е разположена на два отделни перваза на стълба. Последователно с намотката 2-2 се включва индуктивно съпротивление 3, което служи за полу-
90° ъгъл на изместване между неговото напрежение и ток. По този начин, с чисто резистивен товар, получаваме изместване под ъгъл от 90 ° между токовете в серийните и паралелни намотки, което е необходимо условие за създаване на въртящо се магнитно поле. Когато устройството е включено, това поле, пресичайки алуминиевия цилиндър 4, индуцира в него вихрови токове, които, взаимодействайки с полето, създават въртящ момент, който действа върху движещата се част на устройството. Неговият ъгъл на въртене за всекинатоварването ще бъде пропорционално на активната мощност, консумирана от веригата:
Схематична диаграма на индукционен ватметър с движещо се поле е дадена на фиг. 335.
При измерване на мощността с ватметър в мрежи с ниско напрежение с големи токове се използват токови трансформатори. За да се намали потенциалната разлика между намотките на ватметъра, първичната и вторичната верига на токовия трансформатор имат обща точка. Вторичната намотка на трансформатора не е заземена, тъй като това би означавало заземяване на единия проводник от мрежата.
За да определите мощността на мрежата P1 в този случай, трябва да умножите показанията на ватметъра P2 по коефициента на трансформация на токовия трансформатор:
В мрежи с високо напрежение при измерване на мощността се използват трансформатори за измерване на напрежение и ток (фиг. 363).
За да получите мощността на мрежата P1, трябва да умножите показанията на ватметъра P2 по произведението на коефициентите на трансформация на трансформаторите на напрежение и ток:
Така например, ако към ватметъра са инсталирани трансформатор на напрежение 6000/100 V и токов трансформатор 150/5 A и ватметърът показа 80 W, тогава мощността на мрежата ще бъде:
При включване на ватметри (метри) чрез измерване
трансформаторите трябва да бъдат свързани към тези устройства, така че токовете да преминават през техните намотки в същата посока, както ако са директно свързани към мрежата.
В допълнение към ватметъра, мощността на еднофазен променлив ток може да се определи от показанията на три устройства: амперметър, волтметър и фазомер по формулата:
3. Трифазен променлив ток. При равномерно натоварване на трифазна система се използва един еднофазен ватметър за измерване на мощността, свързан съгласно схемата, показана на фиг. 364 (a - за връзка звезда; b - за връзка триъгълник). По сериалВ този случай фазовият ток протича към намотката на ватметъра, а паралелната намотка е свързана към фазовото напрежение. Следователно ватметърът ще покаже мощността на една фаза. За да получите мощността на трифазна система, трябва да умножите показанията на еднофазен ватметър по три.
При неравномерно натоварване в четирипроводна мрежа от трифазен ток се използва верига от три ватметъра за измерване на мощността (фиг. 365). Всеки еднофазен ватметър измерва мощността на една фаза. За да се получи мощността на трифазна система, е необходимо да се вземе сумата от показанията на три ватметъра.
При променливо натоварване е трудно да се получи едновременно отчитане на три ватметъра. Освен това три монофазни ватметъра заемат много място. Поради това често се използва един триелементен трифазен ватметър, който е връзка в едно устройство на три еднофазни ватметъра.
В триелементния електродинамичен ватметър три подвижни успоредни намотки са монтирани на една и съща ос, свързана със стрелката, и общият въртящ момент, получен в резултат на добавянето на механичните сили на всяка намотка, ще бъде пропорционален на мощността, консумирана в трифазната мрежа. В други конструкции движещите се бобини, разположени на различни места, са свързани помежду си с гъвкави ленти и прехвърлят общата сила към оста на стрелата.
Може да се определи активната мощност на трифазна мрежа с равномерно натоварване
с помощта на три инструмента: амперметър, волтметър и фазомер по формулата:
Мощността на трипроводна трифазна мрежа при всякакво натоварване (равномерно или неравномерно), независимо от начина на свързване на потребителя (звезда или триъгълник), може да се измери с помощта на схема с два ватметъра.
Според първия закон на Кирхоф, сумата от моментните стойности на токовете на всичките три фази е равна на нула:
Полученото уравнение показва, че един от ватметрите трябва да бъде включен, така че токът на първата фаза да тече през токовата намотка, а намотката на напрежението да е под разликата в напрежението между първата и втората фази; трябва да се включи друг ватметър, така че токът на третата фаза да тече през неговата текуща намотка, а намотката на напрежението да бъде под разликата в напрежението между третата и втората фази.
Добавяйки показанията на двата ватметъра, получаваме мощността на трите фази.
На фиг. 366 показва три варианта на веригата от два ватметъра.
От схеми във фщ. 366 може да се види, че последователните намотки на ватметрите са включени във всеки два линейни проводника на мрежата. Началата на паралелните намотки на всеки ватметър са свързани към същия проводник като последователната намотка на ватметъра. Краищата на паралелните намотки са свързани към проводника на третата линия.
При равномерен активен товар (=1) показанията на ватметрите са еднакви помежду си. Ако не е равно на единица, показанията на ватметрите няма да са равни. Когато е равно на = 0,5, един от ватметрите ще покаже нула. При по-малко от 0,5 стрелката на това устройство ще започне да се отклонява наляво. За да получите показанието на устройството, е необходимо да превключите краищата на неговата последователна или паралелна намотка.
За да измерите активната мощност на трифазна система според показанията на два ватметъра, трябва да добавите техните показания или да извадите от показанията на единия ватметър показанието на другия ватметър, което е отрицателно. Схемата за измерване на мощността с два ватметъра с помощта на измервателни трансформатори за напрежение и ток е дадена на фиг. 367.
По-удобно е да се измерва мощността с помощта на трифазен ватметър, в който са комбинирани две устройства, свързани по схемата на два ватметъра и действащи на една обща ос, към която е свързана стрелката.
INВ устройства на електродинамични и феродинамични системи две подвижни намотки, разположени на една и съща ос или свързани с гъвкави ленти, се въртят по една ос. В устройствата с индукционна система два елемента въртят два диска, разположени на една и съща ос, или два елемента действат върху един диск. Схемата на превключване на двуелементен трифазен ватметър е дадена на фиг. 368.
В мрежи с високо напрежение трифазен ватметър се включва с помощта на трансформатори за измерване на напрежение и ток.