Меню

Измерение электроэнергии трехфазного переменного тока



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.

Реактивную энергию WРкак при симметричной, так и при несимметричной нагрузке в трехфазной цепи измеряют трехфазными индукционными счетчиками реактивной энергии.

· Индукционный счетчик электрической энергии

Счётчик электрической энергии ‒ это электроизмерительный прибор для учёта электроэнергии, получаемой потребителем от сети за определённый промежуток времени. По характеру выполняемого измерения счетчики электроэнергии (СЭ) относятся к интегрирующим измерительным приборам.

Рис. 2.18. Внешний вид индукционного однофазного
счетчика электроэнергии

На рис. 2.19 показано устройство индукционного счетчика для измерения электроэнергии в цепях однофазного переменного тока. Основное отличие индукционного СЭ от показывающих приборов индукционной системы со стрелочным или световым указателем состоит в том, что его подвижная часть в виде алюминиевого диска 6 не связана пружиной и может свободно вращаться, причём каждому её обороту соответствует определённое значение измеряемой величины.

Индукционный счетчик имеет два электромагнита 1 и 2. Электромагнит 1 снабжен токовой катушкой с малым числом витком и проводом относительно большого сечения, а электромагнит 2 выполнен в виде магнитопровода 3 с многовитковой катушки напряжения. Токовая катушка включена в измерительную цепь последовательно, а катушка напряжения – параллельно. Протекающие по катушкам токи создают в электромагнитах переменные магнитные потоки Фu от протекающего тока в катушке напряжения и ФI – от тока в токовой катушке. В результате взаимодействия потока Фuс вихревыми токами, индуктируемыми в диске 6 потоком ФI, возникает вращающий момент, пропорциональный мощности Р, потребляемая активной нагрузкой 7 (на рис. 2.19 – электрические лампы накаливания).

Рис. 2.19. Устройство индукционного однофазного счетчика электроэнергии

Количество оборотов n подвижной части (диска) за время t пропорционально электроэнергии W измеряемой счетчиком:

где КС – конструктивная постоянная счетчика, Р – мощность нагрузки

Результат измерения электроэнергии в киловатт-часахопределяют по показаниям счётного механизма 4, соединённого червячной передачей с осью диска.

Счетчики электроэнергии переменного тока применяют как квартирные счётчики электроэнергии и для учёта расхода электроэнергии в электроприводах, осветительных сетях, коммунальном хозяйстве и т. п. Погрешность измерения индукционных однофазных счетчиков составляет 1 – 2,5%.

· Электронный счетчик электроэнергии

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 ZН.

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.

Дата добавления: 2016-04-11 ; просмотров: 6438 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Как измерить мощность в цепи трехфазного переменного тока


Счетчик электроэнергии

Как узнать свою схему

Для правильного определения и расчета мощности требуется знание нескольких факторов:

  • Количества фаз питания;
  • Способа соединения потребителей.

При однофазном подключении используется два провода:

Для трехфазной сети характерно наличие трех или четырех проводников (подключение с заземленной нейтралью). При этом используется две различных схемы включения:

  • «Треугольник». Каждая нагрузка подсоединяется с двумя соседними. Напряжение каждой фазы подводится к точкам соединения потребителей.
  • «Звезда». Все три потребителя соединяются в одной точке. Ко вторым концам подключаются фазы питания. Это схема с изолированной нейтралью. В схеме с заземленной нейтралью точка соединения потребителей подключается к нулевому проводнику.


Соединение источника и потребителей

Трёхфазное или однофазное подключение

В зависимости от того, какой тип подключения используют, определение потребляемой мощности производится по-разному.

Учимся легко считать потребляемую мощность электроприбора

В однофазной сети потребляемая энергия считается по простейшей формуле:

где cosϕ – коэффициент мощности, характеризующий сдвиг фаз между током и напряжением в реактивной нагрузке.

Мощность 3 х фазной сети является суммой потребления по каждой фазе в отдельности. Формула мощности 3 х фазного тока имеет следующий вид:

Pобщ=Uа∙Iа∙cosϕа+ Ub∙Ib∙cosϕb+ Uc∙Ic∙cosϕc,

где U, I, cosϕ – напряжение, сила тока и коэффициент мощности в каждой фазе, соответственно.

К сведению. Видно, что в общем случае трехфазное соединение требует большее количество приборов учета.

Иногда посчитать потребление энергии можно по упрощенному варианту. При симметричном потреблении, например, при подключении асинхронного двигателя, токи потребления одинаковы, и формула принимает следующий вид:

Читайте также:  Можно ли пить воду перед измерением сахара глюкометром

где:

  • Uф, Iф – фазные напряжение и ток;
  • Uл, Iл – линейные напряжение и ток.


Асинхронный двигатель

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). Полнаяреактивная 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. 7. Схемы измерения реактивной мощности тремя ваттметрами

Рис. 8. Схемы включения ваттметров через измерительные трансформаторы.

Характеристики трехфазной системы

Трехфазная система электропитания характеризуется несколькими значениями напряжения и тока. Все зависит от того, между какими точками схемы производятся измерения:

  • между фазным проводом и нейтралью – фазное напряжение Uф;
  • между отдельными фазами – линейное Uл.

Соотношение между данными параметрами:

При симметричном распределении нагрузки токи во всех проводах равны. В четырехпроводной схеме (с заземленным нулем) ток в нулевом проводнике отсутствует, поэтому даже при обрыве нуля сеть продолжает нормально функционировать.

В том случае, когда потребление энергии по фазам различается, в нейтральном проводе протекает некоторый ток. Полный обрыв нейтрального проводника вызывает перекос фаз, поэтому напряжение на проводах может измениться в диапазоне от нуля до линейного.


Последствия увеличения сопротивления нейтрали

Реактивный характер нагрузки учитывается коэффициентом мощности cosϕ. Данная величина пришла из теории комплексных чисел, которые используются, когда необходимо рассчитать параметры цепей переменного тока. В случае активной нагрузки cosϕ=1, но, чем более реактивный характер имеют потребители, тем больше коэффициент уменьшается, показывая, как снижается реальная мощность относительно полной.

Важно! Поэтому для правильного расчета и уменьшения нагрузки на генераторное оборудование в реактивных цепях устанавливают корректоры коэффициента мощности. Цепи с корректором приближают коэффициент cosϕ к единице.

Электротехнический-портал.рф

Мощность измеряют различными способами.

Мощность в электрических цепях постоянного и однофазного переменного тока, измеряют в основном ваттметрами электродинамической системы. На рис. 4.4 приведены схемы включения ваттметра для измерения мощности, потребляемой сопротивлением нагрузки RНАГ в цепях постоянного и однофазного переменного тока.

В цепях напряжения включено добавочное сопротивление RД. Начало токовой обмотки напряжения, так же как и в последующих схемах, показано, соответственно, левой и верхней точками на обмотках ваттметра W; перемена полярности одной из обмоток приведет к отклонению стрелки ваттметра в обратную сторону. Если включить ваттметр в цепь постоянного тока (рис. 4.4, схема а), то он учтёт потребляемую электроприемниками мощность и потери в токовой обмотке ваттметра. Мощность Р определяют по формуле

Читайте также:  Аппарат для измерения объема легких название

где I и U — соответственно, ток и напряжение на нагрузке; U’ — напряжение питания; Rт — сопротивление токовой обмотки ваттметра; Рпр и Рт — соответственно, потребляемая приемниками мощность и потери мощности в токовой обмотке.

При включении (рис. 4.4, схема б) по схеме ваттметра учитываются дополнительные потери в обмотке напряжения Рн:

Таким образом, систематической погрешности, возникающей в следствии того, что цепи тока и напряжения измерительного механизма должны включаться также, как и приборы для измерения тока и напряжения избежать не удается. Если ожидаются значительные колебания мощности за счёт колебаний тока, то предпочтительней будет схема а. При включении ваттметра (рис. 4.4, схема в) на добавочном сопротивлении Rд окажется почти полное напряжение источника, на которое не может быть рассчитана изоляция подвижной катушки. Кроме того, появляется дополнительная погрешность за счет электростатического взаимодействия обмоток. Такую схему не следует применять.

Показания ваттметра, включенного в цепь переменного тока, пропорциональны произведению подведенного к нему напряжения U, тока в токовой обмотке I и cosφ:

Р = с·U·I·cosφ, где с — цена деления ваттметра.

При определенном положении переключателей пределов по току и напряжению цена деления составит

с = (UПРIПР)/ПР, Вт/дел,

где UПР и IПР — верхние пределы ваттметра, ПР — количество делений шкалы ваттметра.

При определении мощности косвенным методом в цепи постоянного тока измеряют ток и напряжение, а в цепи переменного тока (дополнительно, с помощью фазометра), коэффициент мощности cosφ.

Для расширения пределов измерения по току и напряжению применяют шунты, добавочные сопротивления и измерительные трансформаторы (рис. 4.5). Цену деления ватт-метра при пользовании измерительными трансформаторами определяют по уравнению:

СИЗМ= СКIHКUH, Вт/дел.

На сверхвысоких частотах (СВЧ) способы измерения мощности, рассмотренные выше очень трудно реализуемы, поэтому применяются другие способы измерения мощности. Несмотря на кажущееся разнообразие, все они сводятся к преобразованию энергии электромагнитных колебаний в другой вид энергии, более применяемый для измерения (тепловую, механическую и другие) с последующим вторичным преобразованием в электрический сигнал. Измерение производится в основном цифровыми приборами.

При измерении активной мощности в трёхфазных цепях (три фазовых провода и один нулевой — четырех проводная сеть) используют три однофазных ваттметра, включенных в отдельные фазы; измеряемую мощность определяют как сумму мощностей всех фаз. В, этом случае не следует пользоваться ваттметром, включенным в одну из фаз, так как велика вероятность неравномерности нагрузки, и погрешность измерения может оказаться значительно больше допустимой.

В трехфазных цепях без нулевого провода возникает затруднение с подключением цепи напряжения ваттметра, потому что в цепи имеется линейное напряжение. Однако при симметричной, нагрузке можно измерить мощность одним ваттметром. Для этого в месте измерения создается искусственная нулевая точка. Сопротивления всех фаз, образующие звезду, должны быть равными. Мощность в этом случае равна утроенному показанию ваттметра.

В несимметричных трехфазных трехпроводных цепях мощность можно измерить так же, как и в четырехпроводных цепях, т.е. как сумму трех мощностей. Здесь также необходима искусственная нулевая точка, однако ее можно очень просто создать соединением в звезду трех (одинаковых!) цепей напряжения ваттметров.

Более универсальным и точным методом измерения трехфазной мощности является метод двух ваттметров или так называемая схема Арона (рис. 4.6).

Токовые обмотки ваттметров включены на линии А, В; обмотки по напряжению на АС и ВС (рис. 4.6, а).

Токовые обмотки ваттметров включены на линии А, С; обмотки по напряжению — на АВ и СВ (рис. 4.6, б).

Токовые обмотки ваттметров включены в линии В, С; обмотки по напряжению – на ВА и СА (рис. 4.6, в).

Построим векторную диаграмму (рис. 4.7) для схемы Арона (рис. 4.6, схема б).

Мощность определяют по сумме показаний ваттметров

В зависимости от характера нагрузки один из углов (ψ1 или ψ2) может стать больше 90°. В этом случае один из ваттметров будет показывать отклонение в противоположную сторону. Чтобы получить отсчет, надо изменить направление тока в одной из обмоток этого ваттметра. Показания берут со знаком минус, т.е. общая мощность равна алгебраической сумме показаний. В частном случае, когда система симметрична, ψ1=30+φ, ψ2=30-φ и общую мощность находят по формуле

Даже при полной симметрии показания ваттметров не равны и зависят от величины и знака угла φ. При значении φ, равном 0-60 показания обоих положительны; при φ=60 показания первого ваттметра Р1=0; при φ>60 оба покажут отрицательные значения.

При измерении реактивной мощности однофазные реактивные ваттметры применяют для лабораторных измерений и поверки индукционных счетчиков. В отличии от обыкновенного ваттметра реактивный имеет усложненную схему параллельной цепи, в которую включают реактивное сопротивление для получения сдвига по фазе на 90° между током и напряжением. Тогда угол отклонения подвижной части будет пропорционален реактивной мощности. При измерении реактивной мощности в трехфазных цепях нет необходимости получать сдвиг по фазе на 90°, так как при переходе от схемы звезды к схеме треугольника всегда имеется напряжение, которое пропорционально измеряемому и сдвинуто по фазе на 90°. В соответствии с этим, например в несимметрично нагруженной трех- и четырехфазной сети, реактивную мощность Q определяют по схеме трех активных ваттметров, включенных по напряжению на «чужие» фазы (рис. 4.8).

Читайте также:  Что нельзя измерить часами

Тогда реактивная мощность Q = (P1+P2+P3)/

При равномерной нагрузке можно ограничиться одним из ваттметров. Тогда Q =·Р1. В трехфазной сети с равномерной нагрузкой (рис. 4.6, любая схема), реактивную мощность Q определяют по формуле

Реактивную мощность в трехфазной сети с равномерной и неравномерной загрузкой фаз Q находят по схеме с искусственной нулевой точкой (рис. 4.9):

Сопротивление, включенное на свободную фазу (R), подбирают так, чтобы оно вместе с обмотками напряжения ваттметров образовало симметричную звезду, а к ваттметрам были подведены фазовые напряжения:

Для определении реактивной мощности указанными выше методами необходимо знать порядок чередования фаз сети. Если он окажется обратным, показания ваттметров во многих случаях будут отрицательными.

4.1. Измерение тока и напряжения 4.3. Измерение энергии

Пример расчёта мощностных показателей

Расчёт электрической и акустической проводок

Наиболее простым примером может считаться расчет потребления энергии симметричной нагрузкой. Сколько будет потреблять электроэнергии трехфазный асинхронный двигатель, подключенный в сеть с линейным напряжением 380 В, и потребляющий ток 10 А по каждой фазе? Коэффициент мощности cosϕ=0.76. Тогда потребляемая мощность равна:

Более сложный расчет бытовой сети:

  • Фазное напряжение – 220 В;
  • Потребление по линиям – 10 А, 5 А, 2 А;
  • Первые две фазы подключены к активной нагрузке (электроплита, чайник);
  • Третья нагружена на люминесцентные светильники с cosϕ=0,5.

Pобщ=Uа∙Iа∙cosϕа+ Ub∙Ib∙cosϕb+ Uc∙Ic∙cosϕc=220∙10+220∙5+220∙2∙0,5=3520 ВА.

Используя онлайн калькулятор расчетов, можно избавиться от большинства ошибок и сократить время вычислений. Требуется лишь правильно ввести данные по текущим параметрам

Рассчитываем мощность трехфазной сети

Для расчета примем некий производственный цех, в котором установлены тридцать электродвигателей

. В цех заходит четырехпроводная линия, помним что это 3 фазы: A, B, C, и нейтраль(ноль). Номинальное напряжение 380/220 вольт. Суммарная мощность всех двигателей составляет Ру1 — 48кВт, еще у нас есть осветительные лампы в мастерской, суммарная мощность которых составляет Ру2- 2кВт.

  • Ру — установленная суммарная мощность группы потребителей, по величине равная сумме их заявленных мощностей, измеряется в кВт.
  • Кс — коэффициент спроса при режиме наивысшей нагрузки. Коэффициент спроса учитывает самое большое возможное число включений приемников группы. Для электродвигателей коэффициент спроса должен брать в расчет величину их загрузки.

Коэффициент спроса для осветительной (освещения) нагрузки, то есть освещения, Кс2-0,9, и для силовой нагрузки, то есть электродвигателей Кс1=0,35. Усредненный коэффициент мощности для всех потребителей cos(φ) = 0,75. Необходимо найти расчетный ток линии

Измерение мощности ваттметром

Мощность потребления трехфазного тока измеряют, используя ваттметры. Это может быть специальный ваттметр, для 3-х фазной сети, либо однофазный, включенный по определенной схеме. Современные приборы учета электроэнергии часто выполняются по цифровой схемотехнике. Такие конструкции отличаются высокой точностью измерений, большими возможностями оперирования с входными и выходными данными.


Трехфазный цифровой ваттметр

Варианты измерений:

  • Соединение «звезда» с нулевым проводником и симметричная нагрузка – измерительный прибор подключается к одной из линий, считанные показания умножаются на три.
  • Несимметричное потребление тока в соединении «звезда» – три ваттметра в цепи каждой фазы. Показания ваттметров суммируются;
  • Любая нагрузка и соединение «треугольник» – два ваттметра, подключенных в цепь любых двух нагрузок. Показания ваттметров также суммируются.


Схемы измерения

На практике всегда стараются выполнить нагрузку симметричной. Это, во-первых, улучшает параметры сети, во-вторых, упрощает учет электрической энергии.

Измерение реактивной мощности осуществляется с помощью специального прибора варметра, также можно определить косвенным методом с помощью ряда приборов вольтметра, амперметра, фазометра.

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электрооборудование изменениями энергии электромагнитного поля в цепях переменного тока:
Q = UIsin φ
Единица измерения реактивной мощности — вольт-ампер реактивный (вар).. Реактивная мощность в электрических сетях вызывает дополнительные активные потери и падение напряжения. В электра установках специального назначения (индукционные печи) реактивная мощность значительно больше активной. Это приводит к увеличению реактивной составляющей тока и вызывает перегрузку источников электроснабжения. Для устранения перегрузок и повышения мощности коэффициента электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

+7 (495) 730-73-62, +7, +7

или заполните простую форму

Чтобы правильно определить необходимое значение мощности установки компенсации реактивной мощности надо произвести измерения в электросети.

Применение современных электрических измерительных приборов на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии в сети.

Анализатор качества энергии и параметров сети потребителей является универсальной измерительной системой, предназначенной для измерения, хранения в памяти и контроля электрических параметров в электросетях с низким и средним напряжением. Измерение осуществляется в однофазных и трёхфазных сетях. Одним из главных достоинств анализатора качества энергии и параметров сети потребителей являются высокая точность измерений, компактные размеры и возможность измерения гармоник тока и напряжения в сети. Один анализатор качества энергии и параметров сети потребителей совмещает в себе 13 различных измерительных приборов: амперметр, вольтметр, ваттметр, измерители реактивной и полной мощности, коэффициента мощности cos φ, частотомер, анализатор гармоник тока и напряжения, счётчики активной, реактивной и полной потребляемой электроэнергии. Трёхфазная электронная измерительная система прибора измеряет и оцифровывает действующие значения напряжения и тока в трёхфазной сети с частотой 50/60 Гц. Прибор производит 2 измерения в течение секунды. Из полученных значений микропроцессором высчитываются электрические параметры. Максимальные, минимальные значения параметров и программные данные сохраняются в памяти. Выбранные измеряемые значения, а также данные о перебоях в сети записываются в буферную память с указанием даты и времени. После чего данную информацию можно просмотреть и проанализировать на мониторе компьютера или распечатать на принтере.

Источник