Меню

Измерение электрической энергии трехфазного тока



Как измерить мощность в цепи трехфазного переменного тока

Мощность в цепи трехфазного тока может быть измерена с помощью одного, двух и трех ваттметров. Метод одного прибора применяют в трехфазной симметричной системе. Активная мощность всей системы равна утроенной мощности потребления по одной из фаз.

При соединении нагрузки звездой с доступной нулевой точкой или если при соединении нагрузки треугольником имеется возможность включить обмотку ваттметра последовательно с нагрузкой, можно использовать схемы включения, показанные на рис. 1.

Рис. 1 Схемы измерения мощности трехфазного переменного тока при соединении нагрузок а — по схеме звезды с доступной нулевой точкой; б — по схеме треугольника с помощью одного ваттметра

Если нагрузка соединена звездой с недоступной нулевой точкой или треугольником, то можно применить схему с искусственной нулевой точкой (рис. 2). В этом случае сопротивления должны быть равны Rвт+ Rа = Rb =Rc.

Рис 2. Схема измерения мощности трехфазного переменного тока одним ваттметром с искусственной нулевой точкой

Для измерения реактивной мощности токовые концы ваттметра включают в рассечку любой фазы, а концы обмотки напряжения — на две другие фазы (рис. 3). Полная реактивная мощность определяется умножением показания ваттметра на корень из трех. (Даже при незначительной асимметрии фаз применение данного метода дает значительную погрешность).

Рис. 3. Схема измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока одним ваттметром

Методом двух приборов можно пользоваться при симметричной и несимметричной нагрузке фаз. Три равноценных варианта включения ваттметров для измерения активной мощности показаны на рис. 4. Активная мощность определяется как сумма показаний ваттметров.

При измерении реактивной мощности можно применять схему рис. 5, а с искусственной нулевой точкой. Для создания нулевой точки необходимо выполнить условие равенства сопротивлений обмоток напряжений ваттметров и резистора R. Реактивная мощность вычисляется по формуле

где Р1 и Р2 — показания ваттметров.

По этой же формуле можно вычислить реактивную мощность при равномерной загрузке фаз и соединении ваттметров по схеме рис. 4. Достоинство этого способа в том, что по одной и той же схеме можно определить активную и реактивную мощности. При равномерной загрузке фаз реактивная мощность может быть измерена по схеме рис. 5, б.

Метод трех приборов применяется при любой нагрузке фаз. Активная мощность может быть замерена по схеме рис. 6. Мощность всей цепи определяется суммированием показаний всех ваттметров.

Рис. 4. Схемы измерения активной мощности трехфазного переменного тока двумя ваттметрами а — токовые обмотки включены в фазы А и С; б — в фазы А и В; в — в фазы В и С

Реактивная мощность для трех- и четырехпроводной сети измеряется по схеме рис. 7 и вычисляется по формуле

где РA, РB, РC — показания ваттметров, включенных в фазы А, В, С.

Рис. 5. Схемы измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока двумя ваттметрами

Рис. 6. Схемы измерения активной мощности трехфазного переменного тока тремя ваттметрами а — при наличии нулевого провода; б — с искусственной нулевой точкой

На практике обычно применяют одно-, двух- и трехэлементные трехфазные ваттметры соответственно методу измерения.

Чтобы расширить предел измерения, можно применить все указанные схемы при подключении ваттметров через измерительные трансформаторы тока и напряжения. На рис. 8 в качестве примера показана схема измерения мощности по методу двух приборов при включении их через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Рис. 8. Схемы включения ваттметров через измерительные трансформаторы.

Источник

Измерение электрической энергии

Электротехническое изделие в соответствии со своим назначением потребляет (вырабатывает) активную энергию, расходуемую на совершение полезной работы. При постоянстве напряжения, тока и коэффициента мощности количество потребленной (выработанной) энергии определяется соотношением Wp = UItcos φ = Pt

где P=UIcos φ — активная мощность изделия; t — продолжительность работы.

Единицей энергии в СИ служит джоуль (Дж). В практике еще находит применение внесистемная единица измерения Ватт х час (Вт х ч). Соотношение между этими единицами следующее: 1 Вт-ч=3,6 кДж или 1 Вт-с=1 Дж.

В цепях периодического тока количество израсходованной или выработанной энергии измеряют индукционными или электронными э лектрическими счетчиками.

Читайте также:  Измерение расстояний до металлических

Конструктивно индукционный счетчик представляет собой микроэлектродвигатель, каждому обороту ротора которого соответствует определенное количество электрической энергии. Соотношение между показаниями счетчика и числом оборотов, совершенных двигателем, называют передаточным числом и указывают на щитке: 1 кВт х ч = N оборотов диска. По передаточному числу определяют постоянную счетчика C=1/N, кВт х ч/об; C = 1000 — 3600/N Вт х с/об.

В СИ постоянная счетчика выражается в джоулях, так как число оборотов — безразмерная величина. Счетчики активной энергии выпускают как для однофазных, так и для трех- и четырехпроводных трехфазных сетей.

Рис. 1 . Схема включения счетчиков в однофазную сеть: а — непосредственное, б — черед измерительные трансформаторы

Однофазный счетчик (рис. 1 , а) электрической энергии имеет две обмотки: токовую и напряжения и может быть включен в сеть по схемам, подобным схемам включения однофазных ваттметров. Для исключения ошибок при включении счетчика, а следовательно, и ошибок учета энергии рекомендуется во всех случаях использовать схему включения счетчика, указанную на крышке, закрывающей его выводы.

Необходимо отметить, что при изменении направления тока в одной из обмоток счетчика диск начинает вращаться в другую сторону. Поэтому токовую обмотку прибора и обмотку напряжения следует включать так, чтобы при потреблении энергии приемником диск счетчика вращался в направлении, указанном стрелкой.

Токовый вывод, обозначенный буквой Г, подключают всегда со стороны питания, а к нагрузке подключают второй вывод токовой цепи, обозначенный буквой И. Кроме того, вывод обмотки напряжения, однополярный с выводом Г токовой обмотки, подключают также со стороны питания.

При включении счетчиков через измерительные трансформа т оры тока необходимо одновременно учитывать полярность обмоток трансформаторов тока и трансформаторов напряжения (рис. 1, б) .

Счетчики выпускают как для применения с любыми трансформаторами тока и трансформаторами напряжения — универсальные, в условное обозначение которых добавлена буква У, так и для применения с трансформаторами, номинальные коэффициенты трансформации которых указаны на их щитке.

Пример 1 . Универсальный счетчик, имеющий параметры Uп=100 В и I = 5 А, используют с трансформатором тока, имеющим первичный ток 400 А и вторичный 5 А, и трансформатором напряжения с первичным напряжением 3000 В и вторичным 100 В.

Определить постоянную схемы, на которую надо умножить показания счетчика для нахождения количества израсходованной энергии.

Постоянную схемы находят как произведение коэффициента трансформации трансформатора тока на коэффициент трансформации трансформатора напряжения: D = kti х ktu = ( 400 х 3000 ) / ( 5 х 100 ) = 2400.

Подобно ваттметрам счетчики можно использовать с разными измерительными преобразователями, но в этом случае необходимо сделать перерасчет показаний.

Пример 2 . Счетчик, предназначенный для использования с трансформатором тока имеющим коэффициент трансформации kti1 = 400/5, и трансформатором напряжения с коэффициентом трансформации ktu1 = 6000/100, используется в схеме измерения энергии с другими трансформаторами, имеющими такие коэффициенты трансформации: kti2 = 100/5 и ktu2 =35000/100. Определить постоянную схемы, на которую надо умножить показания счетчика.

Постоянная схемы D = (kti2 х ktu2) / (kti1 х ktu1) = ( 100 х 35 000 ) / (400 х 6000) = 35/24 = 1 , 4583.

Трехфазные счетчики, предназначенные для измерения энергии в трехпроводных сетях, конструктивно представляют собой два объединенных однофазных счетчика (рис 2 , а, б). Они имеют две токовые обмотки и две обмотки напряжения. Обычно такие счетчики называют двухэлементными.

Все сказанное выше о необходимости соблюдения полярности обмоток прибора и обмоток, используемых вместе с ним измерительных трансформаторов в схемах включения однофазных счетчиков, в полной мере относится и к схемам включения, трехфазных счетчиков.

Для отличия элементов друг от друга в трехфазных счетчиках выводы дополнительно обозначены цифрами, одновременно указывающими и порядок следования фаз питающей сети, подключаемых к выводам. Таким образом, к выводам, отмеченным цифрами 1 , 2 , 3 подключают фазу L1 (А), к выводам 4, 5 — фазу L2 (В) и к выводам 7, 8, 9 — фазу L3 (С).

Определение показаний счетчика, включаемого с трансформаторами, рассмотрено в примерах 1 и 2 и полностью применимо к трехфазным счетчикам. Отм е тим, что цифра 3, стоящая на щитке счетчика перед коэффициентом трансформации как множитель, говорит только о необходимости применения трех трансформаторов и поэтому при определении постоянной схемы не учитывается.

Пример 3 . Определить постоянную схемы для универсального трехфазного счетчика , используемого с трансформаторами тока и напряжения, 3 х 800 А/5 и 3 х 15000 В / 100 (форма записи специально повторяет запись на щитке).

Читайте также:  Приборы для измерения влаги древесины

Определяем постоянную схемы: D = kti х ktu = ( 80 0 х 1500 ) /(5-100) =24000

Рис. 2. Схемы включения трехфазных счетчиков в трехпроводную сеть: а — непосредственное для измерения активной (прибор Р 11 ) и реактивной (прибор P 1 2) энергии, б — через трансформаторы тока для измерения активной энергии

Известно, что при изменении коэффициента мощности при разных токах I может быть получено одно и то же значение активной мощности UIcos φ , а следовательно, и активной составляющей тока Ia = Icos φ .

Увеличение коэффициента мощности приводит к уменьшению тока I при заданной активной мощности и поэтому улучшает использование линий передач и другого оборудования. С уменьшением коэффициента мощности при постоянной активной мощности требуется увеличить ток I, потребляемый изделием, что приводит к возрастанию потерь в линии передач и другом оборудовании.

Поэтому изделия с низким коэффициентом мощности потребляют от источника дополнительную энергию Δ Wp, необходимую для покрытия потерь, соответствующих возросшему значению тока. Эта дополнительная энергия пропорциональна реактивной мощности изделия и при условии постоянства во времени значений тока, напряжения и коэффициента мощности может быть найдена по соотношению Δ Wp = kWq = kUIsin φ , где Wq = UIsin φ — реактивная энергия (условное понятие).

Пропорциональность между реактивной энергией электротехнического изделия и энергией, вырабатываемой дополнительно на станции, сохраняется и при изменении напряжения, тока и коэффициента мощности во времени. На практике реактивную энергию измеряют внесистемной единицей (вар х ч и производными от нее — квар х ч, Мвар х ч и др.) с помощью специальных счетчиков, которые конструктивно полностью подобны счетчикам активной энергии и отличаются только схемами включения обмоток (см. рис. 2 , а, прибор P 12 ).

Все расчеты, связанные с определением измеренной счетчиками реактивной энергии, аналогичны рассмотренным выше расчетам для счетчиков активной энергии.

Следует обратить внимание на то, что энергия, расходуемая в обмотке напряжения (см. рис. 1 , 2), счетчиком не учитывается, и все затраты несет производитель электроэнергии, а энергия, потребляемая токовой цепью прибора, учитывается счетчиком т. е. затраты в этом случае относят на счет потребителя.

Помимо энергии с помощью счетчиков электрической энергии можно определить и некоторые другие характеристики нагрузки. Например, по показаниям счетчиков реактивной и активной энергии можно определить значение средневзвешенного tg φ нагрузки: tg φ = Wq/Wp , г д е W з — количество энергии, учтенное счетчиком активной энергии, за данный промежуток времени , Wq — то же, но учтенное счетчиком реактивной энергии за тот же период времени. Зная tg φ , по тригонометрическим таблицам находят cos φ .

Если оба счетчика имеют одинаковые передаточное число и постоянную схемы D, можно найти tg φ нагрузки для данного момента. Для этого за один и тот же промежуток времени t= (30 — 60) с одновременно отсчитывают число оборотов nq счетчика реактивной энергии и число оборотов np счетчика активной энергии. Тогда tg φ = nq/np.

При достаточно постоянной нагрузке можно по показаниям счетчика активной энергии определить ее активную мощность.

Пример 4 . Во вторичной обмотке трансформатора включен счетчик активной, энергии с передаточным числом 1 кВт х ч = 2500 об. Обмотки счетчика включены через трансформаторы тока с kti = 100/5 и напряжения с ktu = 400/100. За 50 с диск сделал 15 оборотов. Определить активную мощность.

Постоянная схема D = ( 400 х 100 ) /(5 х 100 ) = 80. Учитывая передаточное число, постоянная счетчика С = 3600/N = 3600/2500= 1,44 кВт х с/об. С учетом постоянной схемы C’ = CD= 1,44 х 80= 1 1 5,2 кВт х с/об.

Так и м образом, n оборотов д иска соответствуют расходу энергии Wp = С’n= 115,2 [ 15= 1728 кВт х с. Следовательно, мощность нагрузки Р = Wp/t = 17,28/50 = 34,56 кВт.

Источник

Измерение электрической энергии

Для измерения электрической энергии применяются счетчики электроэнергии. Из различных систем счетчиков наибольшее распространение получили электродинамические счетчики для цепей постоянного тока и индукционные счетчики для цепей переменного и трехфазного тока.

Электрические счетчики представляют собой суммирующие приборы. Основное отличие их от показывающих приборов заключается в том, что угол поворота их подвижной части не ограничивается пружиной. С течением времени угол поворота нарастает, показание счетчика суммируется, причем каждому обороту подвижной части его соответствует определенное значение измеряемой величины.

Читайте также:  Измерение объема по графику

Однофазный индукционный счетчик (рис 7-24) состоит из алюминиевого диска, укрепленного на оси, и двух электромагнитов; последовательного А и параллельного Б.

Ток потребителя I, проходя по обмотке электромагнита А, возбуждает магнитный поток ФI, пропорциональный току I. Ток в обмотке параллельного электромагнита воз буждает магнитный поток ФU, пропорциональный напряжению сети U.

Рис. 7-24. Схема устройства и включения индукционного счетчика

Эти магнитные потоки, пронизывая диск, наводят в нем вихревые токи IА и Iб Ток IА ≡ ФII, а ток Iб ФU U. От взаимодействия тока IА с магнитным потоком ФU и тока Iб с потоком ФI создается вращающий момент, пропорциональный мощности потребителя:

Этот момент вызывает вращение диска счетчика. При вращении диска в поле постоянного тормозного магнита М в диске индуктируются вихревые токи (рис. 3-20), взаимодействие которых с полем того же магнита М создает тормозной момент, пропорциональный скорости вращения диска счетчика n, т. е.

Постоянной нагрузке соответствует и постоянная скорость вращения счетчика, так как при этом имеет место равенство вращающего и тормозного моментов

откуда следует, что

т.е. скорость вращения счетчика пропорциональна мощности потребителя.

Рис 7-25. Схема счетного механизма.

При мощности потребителя Р в течение времени , израсходованная им энергия

Таким образом израсходованная энергия пропорциональна числу оборотов диска счетчика N.

называемый постоянной счетчика, численно равен количеству энергии, израсходованной в сети за время одного оборота диска счетчика.

Израсходованная энергия регистрируется счетным механизмом (рис, 7-25), приводимым в движение от червячной передачи (или шестеренки) В, укрепленной на оси счетчика. Движение диска передается пяти роликам, на боковых поверхностях которых нанесены цифры от О до 9. Ролики свободно надеты на ось Л. Первый (на рис 7-25 — правый) скреплен с шестеренкой и при движении диска счетчика беспрерывно вращается. Один оборот первого ролика вызывает поворот второго ролика на 1 /10 часть оборота. Один оборот второго — вызывает поворот третьего ролика также на 1 /10 часть оборота и т. д. Ролики прикрыты алюминиевым щитком, через отверстия в котором видно только по одной цифре каждого ролика. Прочитанное через отверстия в щитке числовое значение дает величину энергии, учтенную счетчиком за весь период его работы с того момента, когда показания его соответствовали нулевому значению.

Рис 7-26. Схема устройства и включения двухэлементного однодискового счетчика.

Для определения энергии израсходованной за какой-то промежуток времени, нужно из показания счетчика в конце измерения вычесть показание, снятое в начале.

Согласно ГОСТ 6570-60 счетчики активной энергии делятся на классы точности 1, 2 и 2,5, а счетчики реактивной энергии — на классы 2 и 3.

Для измерения электрической энергии в трехфазных четырехпроводных цепях применяется трехэлементный счетчик. Он имеет три электромагнитные системы такие же, как и у однофазного счетчика, которые воздействуют на три диска, укрепленные на одной оси. Счетчик имеет один счетный механизм. Схема включения счетчика принципиально та же, что и трехэлементного ваттметра (рис. 7-20).

Для измерения энергии в трехфазных трех проводных цепях применяются двухэлемент ные двухдисковые или одноднсковые счетчики (рис 7-26).

Двухэлементный счетчик можно заменить двумя однофазными счетчиками (парные счетчики). Схема включения

Рис 7-27. Схема соединения счетчика реактивной энергии типа ИР.

двухэлементного и парных счетчиков принципиально та же, что и двухэлементного ваттметра (рис. 7-23, б).

Измерение реактивной энергии трехфазного тока производится реактивными счетчиками, например типа ИР, схема которого дана на рис. 7-27.

Этот счетчик — индукционный двухэлементный имеющий по две обмотки на каждом из последовательных электромагнитов. Эти обмотки создают в сердечниках такие по величине и фазе магнитные потоки, которые совместно с потоками параллельных электромагнитов обеспечивают получение вращающего момента, пропорционального реактивной мощности. Счетный механизм непосредственно учитывает реактивную энергию.

Расширение пределов измерения тока и напряжения ваттметров и счетчиков производится при помощи измерительных трансформаторов.

Статья на тему Измерение электрической энергии

Источник