Измерение мощности и энергии в цепях трехфазного переменного тока

Вопрос № 5

Трехфазное соединение элементов «Треугольник»

Трехфазные цепи – наиболее распространенные в современной электроэнергетике. Это объясняется рядом их преимуществ по сравнению как с однофазными, так и с другими многофазными цепями:

· экономичность производства и передачи энергии по сравнению с однофазными цепями;

· возможность сравнительно простого получения кругового вращающегося магнитного поля, необходимого для трехфазного асинхронного двигателя;

· возможность получения в одной установке двух эксплуатационных напряжений – фазного и линейного.

Треугольник — такое соединение, когда конец первой фазы соединяется с началом второй фазы, конец второй фазы с началом третьей, а конец третьей фазы соединяется с началом первой.{\displaystyle I_{L}={\sqrt {3}}\times {I_{F}};\qquad U_{L}=U_{F}}

{\displaystyle P=3U_{F}I_{F}cos\varphi =3U_{L}{\frac {I_{L}}{\sqrt {3}}}cos\varphi ={\sqrt {3}}U_{L}I_{L}cos\varphi }При соединении источника питания треугольником конец X одной фазы соединяется с началом В второй фазы, конец Y второй фазы – с началом С третьей фазы, конец третьей фазы Z – c началом первой фазы А. Начала А, В и С фаз подключаются с помощью трех проводов к приемникам.

Соединение фаз источника в замкнутый треугольник возможно при симметричной системе ЭДС, так как

Ė_A + Ė_B + Ė_C = 0.

Если соединение обмоток треугольником выполнено неправильно, т.е. в одну точку соединены концы или начала двух фаз, то суммарная ЭДС в контуре треугольника отличается от нуля и по обмоткам протекает большой ток. Это аварийный режим для источников питания, и поэтому недопустим.

Напряжение между концом и началом фазы при соединении треугольником – это напряжение между линейными проводами. Поэтому при соединении треугольником линейное напряжение равно фазному напряжению.

U_Л = U_Ф.

В отличие от соединения звездой при соединении треугольником фазные токи не равны линейным. Токи в фазах приемника определяются по формулам

İ_ab = Ú_ab / Z_ab; İ_bc = Ú_bc / Z_bc; İ_ca = Ú_ca / Z_ca.

Линейные токи можно определить по фазным, составив уравнения по первому закону Кирхгофа для узлов a, b и c (рис 3.12)

İ_A = İ_ab - İ_ca; İ_B = İ_bc - İ_ab; İ_C = İ_ca - İ_bc.

Сложив левые и правые части системы уравнений, получим

İ_A + İ_B + İ_C = 0,

Вопрос №6

Измерение мощности и энергии в цепях трехфазного переменного тока

В трехфазной системе независимо от схемы соединения нагрузки (треугольником или звездой) мгновенное значение мощности р системы равняется сумме мгновенных значений мощности отдельных фаз. Для измерения мощ­ности, а следовательно, и энергии трехфазной системы могут быть применены один прибор, два прибора или три прибора. Метод одного прибора применяется в симметричных трехфазных системах. В асимметричной системе, в которой значения токов, напряжений и углов фазового сдвига неодинаковы, используется метод двух приборов

Наконец, в самом общем случае, в том числе и в четырехпро­водной асимметричной системе применяется метод трех приборов.

Рассмотрим методы измерения мощности, что дает также представление и о методах измерения энергии.

Метод одного прибора. Если трехфазная система симметрич­на, а фазы нагрузки соединены звездой с доступной нулевой точкой, то однофазным ваттметром измеряют мощность одной фазы. Для получения мощности всей системы показания ваттметра утраивают. Можно также измерить мощность при соединении фаз нагрузки треугольником, но при условии, что последовательную обмотку ваттметра можно включить в одну из фаз нагрузки.

Существуют несколько методов измерения мощ­ности трехфазной системы, у каждого из них своя область применения.

.Способ одного ваттметра.

2.

Если нагрузка включена треугольником или звездой с недо­ступной нулевой точкой, то применяют включение ваттметра с искусственной нулевой точкой, которая создается с помощью двух дополнительных резисторов с активным сопротивлением. Для получения мощности всей системы показание ваттметра нужно утроить. То же самое будет и при соединении нагрузки звездой.

Для измерения энергии такая схема не применяется из-за большой индуктивности параллельной цепи счетчика.

Метод двух приборов. Этот метод применяют в асимметрич­ных трехпроводных цепях трехфазного тока. Возможны три варианта схемы включения двух приборов. Анализ работы ваттметров по этим схемам показывает, что в зависимости от характера нагрузки фаз знак показаний каждого из ваттметров может меняться. Активная мощность трехфазной системы в этом случае должна определять­ся как алгебраическая сумма показаний обоих ваттметров.

Способ двух ваттметров.

Этот способ уни­версален - он применяется при симметричной и не­симметричной нагрузках и при любом типе соеди­нения. Нулевой провод может быть, а может и от­сутствовать - он просто не используется. Токовые обмотки ваттметров включают в какие-нибудь две фазы, а обмотки напряжения между третьей (неза­нятой) фазой и той фазой, в которую включена токовая обмотка данного ваттметра

Метод трех приборов. В том случае, когда несимметричная нагрузка включается звездой с нулевым проводом, т. е. когда имеется асимметричная трехфазная четырехпроводная система, применяют три ваттметра. При таком включении каждый из ваттметров измеряет мощность од­ной фазы. Полная мощность системы определяется как арифме­тическая сумма показаний ваттметров.

В промышленных условиях применяют двух- и трехфазные ваттметры и счетчики, которые представляют собой сочетание в одном приборе двух или трех однофазных измеритель­ных механизма, имеющих общую подвижную часть, на которую действует суммарный вращающий момент всех элементов

.Способ трех ваттметров

Применяют для измерения мощности при неравномерной нагрузке, соединенной звездой. В каждый из линейных про­водов включается токовая цепь одного из ваттмет­ров, а их цепи напряжения включаются между соответствующим линейным проводом и нулевым про­водом системы (рис. 5.14).

Активная мощность всей трёхфазной системы равна сумме показаний ваттметров:

. (5.24)

Измерение реактивной мощности и энергии в трехфазной цепи. Реактивную мощность трехфазной сети можно представить как сумму реактивных мощностей отдельных фаз. Измерить реактивную мощность (энергию) трехфазной сети можно различными способами: при помощи обычных ваттметров (счетчиков), включаемых по специальным схемам, и при помощи реактивных ваттметров (счетчиков). При полной симметрии трехфазной сети реактивную мощ­ность можно измерить одним ваттметром. Для определения реактивной мощности всей системы показа­ния ваттметра умножают на Öз. Схема с одним ваттметром даже при незначительной асимметрии системы дает большие погреш­ности. Лучшие результаты получают при измерении реактивной мощности двумя ваттметрами.

При неравномерной нагрузке фаз, но симметричной системе напряжений (частичная асимметрия) реактивная мощность трехфазной сети может быть измерена двумя одинаковыми ватт­метрами активной мощности с искусственной нулевой точкой. Для создания искусственной нулевой точки ис­пользуют резистор, сопротивление которого равно сопротивле­нию параллельной цепи ваттметра. В случае равномер­ной нагрузки фаз, для получения реактивной мощности трехфазной сети сумму показаний ваттметров умножают на Ö3.

На основе этого метода выпускают реактивные счетчики, пригодные как для трехпроводных, так и четырехпроводных це­пей трехфазного тока.

При косвенных методах измерения электрической энергии, например при поверке счетчиков электрической энергии, исполь­зуют электродинамические ваттметры и секундомеры.