Тема 3.6. Амперметры, вольтметры и ваттметры электродинамической и ферродинамической систем. Измерение мощности

Измерение мощности осуществляют с помощью прямого и косвенного методов. При прямом методе используют ваттметры, при косвенном – амперметры и вольтметры.

Измерение мощности в цепях постоянного тока. В цепях постоянного тока мощность измеряют методом амперметра-вольтметра. Измерив амперметром ток I и вольтметром напряжение U( рис.3.13 ) вычисляется мощность приемника:

(3.21)

Для уменьшения погрешности из-за влияния внутренних сопротивлений приборов схему рис. 3.13,а следует использовать при малых значениях сопротивления R, а схему рис. 3.13,б – при больших.

Рис. 3.13 Измерение электрической мощности методом амперметра-вольтметра

Измерение мощности в однофазных цепях синусоидального тока. Полную мощность S приемника измеряют, как правило, методом амперметра-вольтметра:

(3.22)

где U и I – действующее значение напряжения и тока.

Активную P = UIcosφ и реактивную Q = UIsinφ мощности приемников измеряют с помощью ваттметра и варметров. В качестве ваттметров и варметров используют электродинамические приборы.

Измерение активной мощности в однофазных цепях производится по схеме рис. 3.14.

Рис. 3.14 Измерение активной мощности в однофазных цепях

Токовую обмотку включают в цепь последовательно с приемником, т.е. в цепь тока I, а обмотку напряжения – параллельно приемнику Z на напряжение U. Угол отклонения указателя пропорционален активной мощности:

(3.33)

Измеренную ваттметром активную мощность вычисляются из выражения

(3.34)

где c_w – цена деления шкалы ваттметра.

Измерение реактивной мощности в однофазных цепях производят с помощью реактивных ваттметров, называемых варметрами. В этих приборах схемным путем создается искусственный сдвиг фаз на 90˚ между напряжением U на приемнике и током в обмотке напряжения I_v прибора. На рис.3.15 показаны электрическая схема и векторная диаграмма токов и напряжений варметра.

Рис. 3.15 Измерение реактивной мощности в однофазных цепях

Из схемы (рис. 3.15,а ) видно, что последовательно с параллельной обмоткой R_wv прибора и добавочным резистором R включена индуктивная катушка с сопротивлением X_L, а параллельно к этой обмотке ( зажимы a и b) подключён резистор с сопротивлением R₁. Тогда ток при соответствующем подборе параметров оказывается сдвинутым по фазе относительно напряжения ровно на 90̊, что видно на рис. 3.15,б. В результате этого вращающий момент получается пропорциональным sin φ, где φ – угол сдвига фаз между напряжением и током приёмника:

(3.35)

Т.е. вращающий момент пропорционален реактивной мощности Q=UIsinφ:

(3.36)

Угол отклонения стрелки варметра (на основании равенства М_вр = М_пр ):

(3.37)

пропорционален реактивной мощности.

Измерение мощности в трехфазных цепях синусоидального тока. Полная мощность при симметричном приемнике может быть измерена методом амперметра-вольтметра и вычислена по формуле:

(3.38)

где U и I – действующие линейные напряжение и ток.

При несимметричном приемники полная мощность

(3.39)

где S₁, S₂, S₃ – комплексные мощности фаз приемника.

Измерение активной и реактивной мощностей в трехфазных цепях проводят с помощью трех, двух или одного ваттметра, используя различные схемы их включения.

Устройство и применение электродинамического прибора. Работа электродинамического прибора основана на взаимодействии двух катушек, обтекаемых электрическим током. Электродинамический измерительный механизм (рис. 3.16, а) состоит из двух катушек: неподвижной 2 и расположенной внутри нее подвижной 1. Подвижная катушка 1 связана с осью прибора со стрелкой и с двумя спиральными пружинами 4 (или растяжками), которые служат для создания противодействующего момента и подвода тока к подвижной катушке 1.

Рис. 3.16 Устройство (а) и принципиальная схема (б) электродинамического измерительного механизма

При прохождении по катушкам токов I₁ и I₂ возникают электродинамические силы F (рис. 3.16,б), которые стремятся повернуть подвижную катушку относительно неподвижной на некоторый угол. Вращающий момент, действующий на подвижную катушку,

(3.40)

где с₁ — постоянная величина, зависящая от параметров катушек (числа витков и размеров), их формы и взаимного расположения.

В зависимости от схемы включения катушек прибор может быть использован в качестве амперметра, вольтметра и ваттметра.

Рис. 3.17 Схемы включения электродинамического прибора в качестве амперметра (а), вольтметра (б) и ваттметра (в)

При включении обеих катушек прибора последовательно в цепь измеряемого тока (рис. 3.17,а) прибор будет работать в качестве амперметра; при подключении катушек к двум точкам (рис. 3.17,б), между которыми действует подлежащее измерению напряжение, прибор будет работать в качестве вольтметра. При подключении же одной катушки последовательно, а другой параллельно приемнику электроэнергии (рис. 3.17, в) угол отклонения стрелки будет пропорционален произведению тока I и напряжения U, т. е. мощности Р=UI и, следовательно, прибор будет работать в качестве ваттметра и измерять мощность, получаемую приемником

Достоинствами электродинамических приборов являются пригодность для измерения постоянного и переменного тока, равномерность шкалы у ваттметров и относительно высокая точность по сравнению с другими приборами, предназначенными для измерений в цепях переменного тока. К недостаткам относится сильное влияние внешних магнитных полей на точность измерений, чувствительность к перегрузкам и относительно высокая стоимость.

Электродинамические приборы применяют обычно в качестве точных лабораторных приборов, а также в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии в цепях постоянного тока.

Устройство и применение ферродинамических приборов. Работа ферродинамических приборов основана на том же принципе, что и приборов электродинамической системы. Для усиления магнитного поля в ферродинамическом измерительном механизме применен магнитопровод из ферромагнитного материала.

Рис. 3.18 Принципиальная схема ферродинамического измерительного механизма

Неподвижная катушка 2 (рис. 328) размещается на полюсах ферромагнитного сердечника 4, а подвижная 3 поворачивается так же, как и в приборах магнитоэлектрической системы,— в воздушном зазоре между полюсами 1 и неподвижным цилиндрическим сердечником 5. При такой конструкции приборы защищены от влияния внешних магнитных полей. Кроме того, увеличиваются магнитные потоки, создаваемые катушками, и возрастает вращающий момент, действующий на подвижную систему.

Ферродинамические приборы используют в качестве щитовых амперметров, ваттметров и вольтметров, работающих в условиях тряски и вибраций. Кроме того, их применяют в качестве самопишущих приборов, так как они имеют значительный вращающий момент, преодолевающий трение в записывающих устройствах.