Измерение электрической мощности и энергии

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ, ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ

КАФЕДРА МЕТРОЛОГИИ И СИСТЕМ КАЧЕСТВА

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине:

«Измерение электрических, магнитных и неэлектрических  величин»

На тему: «Измерение электрической  мощности и энергии»

 

 

 

 

 

    Выполнила:

   

    Проверила:

 

 

 

 

 

Пенза, 2011

План.

Введение

1. Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока промышленной частоты
2. Измерение мощности на повышенных и высоких частотах с использованием:

• Электронного выпрямительного ваттметра

• Термоэлектрического ваттметра
• Ваттметра с преобразователем Холла
• Цифрового ваттметра
• Осциллографа
• Калориметра

3. Измерение импульсной мощности:

• метод измерения средней мощности с учетом коэффициента заполнения
• метод сравнения с мощностью постоянного тока

4. Счетчики электроэнергии на основе индукционных измерительных механизмов

5. Счетчики электрической энергии

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В настоящее время необходимо измерять мощность и энергию постоянного  тока, активную мощность и энергию однофазного и трехфазного переменного тока, реактивную мощность и энергию трехфазного переменного тока, мгновенное  значение   мощности,  а   также   количество   электричества в очень широких пределах. Так, мощность постоянного и однофазного переменного тока измеряют в диапазоне от 10-¹⁸ до 10¹⁰ Вт, причем нижний предел относится к мощности переменного тока высоких частот радиотехнических устройств. Требуемая точность измерения мощности постоянного и переменного тока различна для разных частотных диапазонов. Для постоянного и переменного однофазного и трехфазного тока промышленной частоты погрешность должна находиться в пределах ± (0,01—0,1) %; при сверхвысоких частотах погрешность может быть выше ± (1—5 %).

Измерение реактивной мощности имеет практическое значение лишь у крупных потребителей электроэнергии, которые всегда питаются трехфазным переменным током. Нижний предел измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока находится на уровне нескольких вар, а верхний предел примерно 10 ⁶ вар. Погрешность измерения реактивной мощности должна находиться в пределах ± (0,1—0,5) %.

Диапазон измерения электрической  энергии определяется диапазонами  изменения номинальных (максимальных) токов и напряжений. Для энергии, потребляемой различными электротехническими устройствами, нижний предел диапазона измерения тока равен примерно 10-⁹ А, а напряжения — 10^_6 В. Однако средств измерений для непосредственного измерения таких малых энергий не существует, а малые значения энергии определяются косвенными методами (например, определяется мощность и время). Верхний предел диапазона измерения тока достигает 10⁴ А, а напряжение — 10⁶ В. Допускаемая погрешность измерения энергии должна находиться в пределах   ± (0,1 — 2,5) %.

Измерение реактивной энергии необходимо только для промышленных трехфазных цепей. Поэтому нижний предел диапазона измерения тока в этом случае находится на уровне 1 А, а напряжения — 100 В. Верхний предел диапазона измерения тока при непосредственном измерении энергии равен 50 А и напряжения — 380 В. Допускаемая погрешность измерения реактивной энергии должна находиться на уровне ±(1—2,5) %.

В широких пределах необходимо также производить измерения количества электричества: от измерения количества электричества в кратковременных импульсах тока (единицы милликулон) до измерения количества электричества, протекающего в течение длительного времени (до 10 Кл). Допускаемая погрешность измерения количества электричества должна находиться в пределах ±(0,1—5) %.

Диапазоны измерений  мощности, энергии, количества электричества и наименьшая погрешность, достигаемая с помощью современных средств измерений, выпускаемых отечественной промышленностью, показаны в табл.1.

 

 

Таблица 1

Измеряемая  величина	Единица	Диапазон  измерений	Достигаемая наименьшая погрешность, %
Мощность: постоянного тока	Вт	0,9 –  2,4 * 10	±0,02
однофазного   переменного тока	В * А	2 * 10 - 8 * 10	±0,1
трехфазного    переменного тока	В * А	40 –  3,5 * 10	±0,1
реактивная     трехфазного тока	вар	40 –  8 * 10	±0,5
Энергия: постоянного тока	кВт * ч	I = 5÷1000 A U =6÷3000 B	±1,0
однофазного    переменного тока	кВт * ч	I = 1÷1000 A U =110÷380 B	±2,0
трехфазного     тока  (трехпроводной цепи)	кВ * ч	I = 1÷50 A U =100÷380 B	±0,5
трехфазного     тока (четырехпроводной цепи)	кВт * ч	I = 1÷50 A U =100÷380 B	±1,0
реактивная     трехфазного тока	квар * ч	I = 1÷50 A U =100÷380 B	±1,5

 

Примечание. I и U — номинальные ток и напряжение

1.

Измерение мощности в цепи постоянного тока

Известно, что мощность приемника, включенного в цепь постоянного тока, зависит от напряжения U на его зажимах и тока I. Значение мощности можно определить по формуле

P = UI=IR² — U²/R = U²g,   (1.1)

где R — сопротивление приемника (нагрузки), Ом; g — проводимость приемника.

Из (1) видно, что мощность в цепи постоянного тока можно измерить несколькими косвенными методами.

Один из таких методов, получивший широкое распространение,- метод  измерения мощности в цепи постоянного  тока магнитоэлектрическими амперметром и вольтметром. Метод на первый взгляд очень простой: включить амперметр последовательно с нагрузкой, вольтметр параллельно, снять их показания и перемножить. Однако при использовании этого метода необходимо учитывать сопротивление приемника и в зависимости от этого выбирать схему включения приборов. Почему на это следует обращать внимание?

Если вольтметр включен по схеме, изображенной на рисунке 1, а, то, перемножив показания приборов, получают

P=UI= (U_A+U_R)I=U_AI+ U_RI=∆Р_А + Р_П       (1.2)

где U_A — падение напряжения в амперметре, В; U_R — падение напряжения в приемнике. В; Р_П — мощность приемника, Вт.

 

 

а

 6

 

рис.1.1

 

 

 

Рис.1. Схемы включения амперметра и вольтметра при измерении мощности приемника:

а — с большим сопротивлением; б — с малым сопротивлением.

 

 

Из формулы (1.1) видно, что измеренное значение мощности Р оказывается больше действительной мощности приемника Р_п на величину ∆Р_А, следовательно, относительная погрешность измерения

δ = (∆Р_А/Р)100= (R_А/R)100.

Отсюда видно, что чем больше сопротивление приемника R и чем меньше сопротивление амперметра R_А > тем с большей точностью можно измерить мощность.

При включении приборов по схеме, приведенной на рисунке 1.1, б, произведение показаний вольтметра и амперметра равно

   P = UI=U_R (I_v +I_n) = U_RIv+U_RI_n = ∆Pv+P_n,

где I — ток, проходящий в цепи, А; Iv —ток, проходящий через вольтметр, А; ∆Pv — мощность, потребляемая вольтметром, Вт.

В данном случае измеренное значение мощности оказалось больше действительной мощности приемника на величину ∆Pv, то есть погрешность в результат измерения вносит вольтметр. Относительная погрешность

δ=(∆ P_v/P) 100 = (R/R_v) 100.

Отсюда видно, что чем меньше сопротивление потребителя R и чем больше сопротивление вольтметра R_v, тем с большей точностью можно измерить мощность.

Итак, если потребитель имеет большое  сопротивление, то вольтметр надо включать до амперметра, а если малое, то после амперметра, с тем чтобы получить меньшую погрешность измерения мощности. В случае неправильного выбора схемы, даже имея очень точные приборы, можно измерить мощность с большой погрешностью.

Мощность в цепи постоянного  тока лучше всего измерять непосредственно  электродинамическими и ферродинамическими ваттметрами. Их пределы измерений по току и напряжению следует выбирать такими, чтобы при заданных мощностях ваттметр работал в конце шкалы прибора. Кроме того, значения напряжения и тока в измерительной цепи не должны превышать номинальных значений тока и напряжения ваттметра.

 

Измерение мощности 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.1.2

 

 

Рис.1.2

Рис. 1.2 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. 1.3).

В этом случае сопротивления должны быть равны:

 

 

Рис.1.3

Рис 1.3. 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. 1.4). Полная реактивная мощность определяется умножением показания ваттметра на корень из трех. (Даже при незначительной асимметрии фаз применение данного метода дает значительную погрешность).

 

 

 

Рис.1.4

Рис. 1.4. 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. 1.5. Активная мощность определяется как сумма показаний ваттметров.

При измерении реактивной мощности можно применять схему рис. 1.6, 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. 1.5. 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. 1.6, б.

Метод трех приборов применяется при  любой нагрузке фаз. Активная мощность может быть замерена по схеме рис. 1.7. Мощность всей цепи определяется суммированием показаний всех ваттметров.

 

Рис.1.5

 

Рис. 1.5. 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. 1.8 и вычисляется по формуле

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

Рис.1.6

Рис. 1.6. Схемы измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока двумя ваттметрами

Рис.1.7

Рис.1. 7. 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. 1.9 в качестве примера показана схема измерения мощности по методу двух приборов при включении их через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

 

Рис.1.8

Рис. 1.8. Схемы измерения реактивной мощности тремя ваттметрами 

 

Рис.1.9

Рис. 1.9. Схемы включения ваттметров через измерительные трансформаторы.

 

Измерение мощности и энергии постоянного  и переменного однофазного тока.

Для измерения  мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока применяют электродинамические и ферродинамические ваттметры.

Для точных измерений  мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц) выпускают электродинамические ваттметры в виде переносных приборов классов точности 0,1—0,5.