Лекция 10. Измерение мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока

Тема 6. Измерение электрической мощности и энергии

Лекция 10. Измерение мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока

В цепях постоянного тока для измерения мощности применяются электродинамические ваттметры, а в цепях однофазного тока — электродинамические (в качестве лабораторных приборов классов 0,2 и 0,5), ферродинамические и индукционные (в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5).

Рассмотрим общие свойства для всех ваттметров на примере электродинамического ваттметра. При использовании электродинамического измерительного механизма в качестве ваттметра его катушки включаются по схеме, изображенной на (рис. 6.1 а). Обе половины неподвижной катушки 1 включены последовательно в цепь тока I, а подвижная катушка 2 — параллельно нагрузке R_н на напряжение U. Добавочное сопротивление R_доб служит для расширения предела измерения ваттметра по напряжению, поэтому неподвижную катушку часто называют последовательной, а подвижную катушку — параллельной. Показатель r₂ выражает сопротивление подвижной катушки.

Ранее было получено следующее выражение для зависимости угла отклонения α от токов I₁ и I₂ в катушках электродинамического измерительного механизма:

α = ,

где c — конструктивная постоянная; ψ — сдвиг по фазе между токамиI₁ и I₂; W — удельный противодействующий момент; M — взаимная индуктивность между последовательной и параллельной катушками.

Если ваттметр включен в цепь постоянного тока, то

I₁ = I; I₂ = ; ψ = 0,

где R₂ = r₂ + R_д,

Тогда

α = = KP , (6.1)

где K — постоянная, K = ; P — мощность.

Если ваттметр включен в цепь переменного тока, то необходимо учесть фазовые сдвиги (рис. 6.1 б). Вследствие небольшой индуктивности цепи подвижной катушки ток I₂ в ней отстает от напряжения U на весьма небольшой угол δ. Сдвиг по фазе φ между током в последовательной катушке (I₁ = I) и напряжением определяется характером нагрузки.

Так как ψ = φ ‒ δ, то

α = , (6.2)

где z₂ — модуль комплексного сопротивления цепи параллельной катушки.

Подставляя z₂ = R₂/cosδ в формулу (6.2), получим

α = .

Если величиной δ можно пренебречь, то

α = KIUcosφ = KP .

Таким образом, показания электродинамического ваттметра как на постоянном, так и на переменном токе пропорциональны мощностиP. Шкалы их практически равномерны.

Если переключить направление тока в одной из катушек, то, как следует из формул (6.1) и (6.2), отклонение α изменит знак на обратный, т.е. стрелка прибора отклонится в обратную сторону. Поэтому при включении ваттметра необходимо соблюдать определенное направление токов в катушках.

Чтобы отличить «начала» обмоток катушек от их «концов», в ваттметрах «начала» обмоток катушек всегда обозначаются особым знаком «*» (звездочкой) или «+» (плюсом). Выводы, обозначенные этим знаком, называются генераторными выводами или генераторными зажимами. Такое название обусловлено тем, что они включаются в провода, идущие к источнику тока (к генератору), а не к нагрузке.

Электродинамические ваттметры являются обычно лабораторными приборами высоких классов точности и выпускаются на несколько пределов измерения по току и напряжению. Схема внутренних соединений такого ваттметра изображена на (рис. 6.1 в).

На схеме две половины неподвижных катушек, образующих последовательную цепь, включаются либо последовательно, либо параллельно. В последнем случае тот же ток по этой катушке будет проходить при удвоенном номинальном токе прибора. Добавочное сопротивление параллельной цепи секционируется, в результате этого имеется несколько пределов и по напряжению. Кроме того, обычно выводится еще и так называемый 1000-омный зажим, служащий для присоединения наружных добавочных сопротивлений. Так как номинальный ток параллельной цепи электродинамических ваттметров составляет 30мА, то этот зажим соответствует напряжению 30В. На схеме (рис. 6.1 в), R1, R2 и R3 — добавочные сопротивления.

Чаще всего ваттметры рассчитываются так, что полное отклонение стрелки наступает при номинальном токе, номинальном напряжении и cosφ = 1. В соответствии с этими значениями и числом делений на шкале определяется постоянная ваттметра, или цена его деления. Так, ваттметр на 5А, 150В и cosφ = 1 со шкалой, имеющей 150 делений, имеет постоянную составляющую, Вт/дел.,

c = = 5.

Ферродинамические и индукционные ваттметры выпускаются в качестве щитовых приборов классов точности от 1,5 и ниже.