Измерение активной мощности в однофазной цепи переменного тока косинусным ваттметром

Лабораторная работа №6

Цель работы:изучить устройство и принцип действия электродинамических и ферродинамических ваттметров. Рассчитать распределение мощности на нагрузке и количество теплоты, выделяемое нагрузкой в окружающую среду.

Для измерения мощности в однофазных цепях переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические механизмы. Электродинамические ваттметры выпускают в виде переносных приборов высоких классов точности (0,1 – 0,5) и используют для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц). Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5 – 2,5). Применяют их главным образом на переменном токе промышленной частоты; на постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.

Значение активной мощности в однофазной цепи переменного тока определяют по формуле:

P=I*U*cosφ,

где U – напряжение приемника, I – ток приемника, φ – фазовый сдвиг между напряжением и током.

Мощность в цепи переменного тока можно определить косвенным путем, если включить три прибора: амперметр, вольтметр и фазометр. Однако в этом случае нельзя рассчитывать на большую точность измерения, так как погрешность измерения мощности будет зависеть не только от суммы погрешностей всех трех приборов, но и от погрешности метода измерения, вызванной способом включения амперметра и вольтметра. Поэтому данный метод можно применять только в случае, когда не требуется большая точность измерения.

Если активную мощность нужно измерить точно, то лучше всего применить ваттметры электродинамической системы или электронные ваттметры. При грубых измерениях могут быть использованы ферродинамические ваттметры. Обычно в лабораторных условиях пользуются электродинамическими, в производственных – ферродинамическими ваттметрами.

Если напряжение в цепи меньше предела измерений ваттметра по напряжению, ток нагрузки меньше допустимого тока прибора, то схема включения ваттметра в цепь переменного тока такова: токовую катушку включают последовательно с нагрузкой, а обмотку напряжения – параллельно нагрузке.

При подключении электродинамических ваттметров следует учитывать, что они полярны не только не только в цепи постоянного тока, но и в цепи переменного тока. Чтобы обеспечить правильное отклонение стрелки прибора от нуля, начала обмоток на панели прибора обозначены точкой или звездочкой. Зажимы, помеченные таким образом, называют генераторными, так как именно их подключают к источнику энергии.

Переносные электродинамические ваттметры выпускают многопредельными (обычно на два предела по току и несколько пределов по напряжению). Шкала такого прибора условная – неименованная, и при измерениях необходимо определять ее постоянную – цену деления, которая определяется по формуле:

Приборы и оборудование

1. Амперметр I_H = 1 A

2. Вольтметр U_H = 300 В

3. Ваттметр U_H = 300 В, I_H = 1 А

4. Фазометр cosφ = 1 без механической силы (логометр)

5. Счетчик электрической энергии U_H = 220 B, I_H = 5 A

6. Нагрузка: ламповый реостат; 15 ламп накаливания U_H = 220 B, P_H = 25 Вт

Порядок выполнения работы

Подобрать приборы и оборудование. Занести паспортные данные приборов в таблицу №1

Таблица №1

Наименован-ие прибора	Система прибора	Тип прибора	Измеряемая величина	Предел измерения	Цена деления	Класс точности	Заводской номер

Задание 1.

1.1.Собрать схему электрической цепи с нагрузкой в соответствии с рис. 1

Установить пределы измерения. Включить приборы в однофазную цепь переменного тока. Снять показания приборов и записать в таблицу №2.

1.2. Рассчитать относительную погрешность ваттметра по формуле:

Таблица №2 – Результаты измерений

I, A	U, B	P, Вт	cosφ	W, кВт	ΒW, %	Показания ваттметра с оценкой точности
P, Вт

Задание 2.

2.1. Рассчитать:

2.1.1. Как распределится ток на лампах, если на цоколе лампы написано

P = 25 Вт, U = 220 В.

2.1.2. Какова мощность, потребляемая каждой лампой.

2.2. Определить количество теплоты, выделяемое нагрузкой за время t = 5 мин.

2.3. Результаты вычислений записать в таблицу №3.

Таблица №3 – Результаты вычислений

I1, A	I2, A	I3, A	P1, Вт	P2, Вт	P3, Вт	Q, Дж

Контрольные вопросы

1. Активную мощность в однофазной цепи переменного тока можно измерить прямым методом (путем включения в цепь ваттметра) и косвенным методом (путем включения в цепь амперметра, вольтметра и фазометра. Значение активной мощности в таком случае определяется по формуле P=I*U*cosφ).

2. Электродинамический ваттметр состоит из двух катушек – подвижной (обмоткой напряжения) и неподвижной (токовой обмотки) катушек. Измеряемый ток, проходя по катушкам, создает вращающий момент. Достоинства: высокий класс точности, использование в цепях как постоянного, так и переменного токов. Недостатки: высокая стоимость, чувствительность к внешним полям, малая устойчивость к перегрузкам.

Ферродинамический ваттметр схож по устройству и принципу действия с электродинамическим. Единственное отличие – это использование в конструкции ферромагнитного электропровода. Его достоинства: относительно невысокая стоимость, устойчивость к воздействию внешних полей, использование в цепях как постоянного, так и переменного токов. Недостатки: низкий класс точности.

3. Магнитоэлектрический логометр состоит из неподвижной и подвижной частей. В качестве не подвижной части используется постоянный магнит с полюсными наконечниками и сердечником из мягкой стали. Подвижная часть состоит из двух жестко скрепленных между собой под углом рамок, насаженных на общую ось со стрелкой. Ток к обмоткам рамок подводится через безмоментные токопроводы. Принцип действия основан на взаимодействии токов, протекающих по обмоткам рамок, с полем постоянного магнита, что создает два вращающих момента. Если направление токов в рамках будет противоположно, то и вращающие моменты будут противоположно направлены.

4. Коэффициент мощности, он же cosφ, можно измерить прибором фазометром.