Лабораторна робота № 2 вимірювання потужності в колах постійного та однофазного змінного струмів

Мета роботи

Ознайомитися з методикою для вимірювання потужності у колах постійного та однофазного змінного струму.

1.1 Основні теоретичні відомості

1.1.1 Вимірювання потужності з допомогою амперметра, вольтметра та ватметра

Потужність та енергія є основними характеристиками більшості фізичних об'єктів, процесів та явищ. У сучасній практиці доводиться вимірювати потужності від часток вата (потужність сигналів мобільних телефонів) до десятків гігават (потужність сучасних електричних станцій) в широкому діапазоні частот – від нуля (постійний струм) до 10 ⁹ Гц і більше.

Потужність в електричному колі постійного струму можна визначити за формулами:

P = UI, або Р = I ²R,

де І – струм у колі;

U – напруга на резисторі R.

Потужність можна визначити непрямим методом за допомогою амперметра PA й вольтметра PV. На рисунку 2.1 показано дві можливі схеми вмикання приладів для вимірювання потужності.

Струм І_А (рисунок 2.1.а), згідно першого закону Кірхгофа:

І_А = І_V + І_Н.

Потужність, яку споживає електричне коло, визначається за формулою:

P = U (І _H +I_V) = UI _H +UI_V = P _H + P_V,

де Р_H – потужність навантаження;

P_V – потужність, що споживається вольтметром.

Рисунок 2.1 – Електрична схема для вимірювання потужності за допомогою амперметра й вольтметра при малих а) і великих б) опорах навантаження

Значення потужності, визначене за показами вольтметра й амперметра, згідно приведеної на рисунку 2.1,а електричної схеми, перевищує Р_H на величину P_V і виражається відносною похибкою:

де R_H – опір навантаження;

R_V – опір обмотки вольтметра.

В електричному колі, схема якого приведена на рисунку 2.1,б, вольтметр вимірює суму напруг на амперметрі та навантаженні:

U_V = U_А + U_H.

Потужність, яку споживає електричне коло:

,

де R_А – опір обмотки амперметра;

P_А – потужність, що споживається обмоткою амперметра.

Відповідно для даної електричної схеми відносна похибка вимірювання:

Для вимірювань з меншою похибкою можна використати цифрові прилади. В такому випадку відпадає потреба враховувати потужність споживання приладів, оскільки вона незначна.

Пряме вимірювання потужності здійснюється ватметром PW, схеми вмикання якого зображені на рисунку 2.2,а,б.

Рисунок 2.2 – Електричні схеми для вимірювання потужності

за допомогою ватметра при малих а)

і великих б) опорах навантаження

Вимірювання потужності повинно супроводжуватися одночасним контролем значень напруги та струму. Саме тому, метод амперметра і вольтметра на практиці практично не застосовується.

Результат вимірювань потужності визначається за показами ватметра:

де C _РW – ціна поділки ватметра;

п – кількість поділок, на які відхилиться вказівник.

Ціна поділки ватметра визначається за формулою:

де U_Н, І_Н – відповідно номінальні значення напруги і струму приладу;

N – кількість поділок шкали приладу вимірювання.

У ватметрах електродинамічної системи нерухома струмова обмотка з невеликим числом витків вмикається в коло послідовно, а рухома – паралельно до тієї ділянки, в якій вимірюють споживану потужність (обмотка напруги). Щоб вказівник ватметра відхилявся у потрібному напрямі, необхідно дотримуватися правила вмикання приладу: електрична енергія має подаватися на генераторні затискачі приладу, які позначаються «*» (І *– генераторний затискач струмової обмотки ватметра, а U*– генераторний затискач обмотка напруги).

Ватметри вимірюють потужність, яку споживають досліджуваний об’єкт та вимірювальні прилади. Зокрема, для електричної схеми приведеної на рисунку 2.2, б покази ватметра:

= P_Н + P _V + P_UW,

а похибка вимірювання визначається за формулою:

де Р_V та Р_UW – втрати потужності в обмотках вольтметра і ватметра.

На практиці (в залежності від значення опору) для врахування споживання потужності приладами користуються схемою, приведеною на рисунку 2.2,а, оскільки опір обмотки вольтметра та опір кола напруги ватметра задаються для цих приладів з похибкою, яка не перевищує їх клас точності.

Для вимірювання потужності в колах постійного струму і змінного струму частотою 50÷1000 Гц використовуються переважно електродинамічні та феродинамічні ватметри. Промисловість випускає ватметри для вимірювань потужності в колах постійного і змінного струмів класів точності 0,1÷ 2,5.