9 Дәріс. Қуат, энергия және электр мөлшерін өлшеу

Дәрістің мазмұны: тұрақты және айнымалы бірфазалы токтың қуаты және энергиясы, үшфазалы тізбектердің актив және реактив қуаты.

Дәрістің мақсаты: қуат, энергия және электр мөлшерін өлшеу құралдарын және әдістерін оқу.

9.1 Қуат, энергия, электр мөлшері және оларды өлшеу эдістері

Физикалық объекттердің, процестердің және құбылыстардың көбісінің негізгі мінезделері болып құат пен энергия табылады. Сондықтан құат пен энергияны анықтау – ол өлшеудің өте көп таралған түрі. Энергия және сондай ақ қуаттың түрлері өте көп: электрлік, жылулық, механикалық, сәулелену қуаты және т.б. Ең көп таралғандары бұл электрлік қуат пен энергияны өлшеу. Қуат пен энергияның басқа түрлерін де өлшеуі электрлік әдістерімен жасалынады. Кәзіргі заман тәжірибеде электрлік қуатты өлшеу кең шектерде талап етіледі: 10²⁰ Вт-тан көптеген миллиард Вт- тарға дейін. Басқа энергетикалық электрлік шамалар сияқты, қуат пен энергияны кең жиілік диапазонда өлшейді: 0-ден (тұрақты ток) 10⁹ Гц-ке дейін және одан да үлкен.

Тұрақты ток электр тізбегінде қуатты осы өрнектердің біреуімен көрсетуге болады

, (9.1)

мұнда I— тізбектегі ток;

U — R кедергісі бар жүктемеде кернеу кемуі;

q — уақыт бірлігінде жүктемеде шығатын жылу мөлшері.

Айнымалы токтың бірфазалы электр тізбегіндегі актив қуаты Т периодтағы қуаттың орташа мәні болып анықталады

, (9.2)

мұнда и, i және р —кернеу, ток және құаттың лездік мәндеріне сәйкес.

Ток және кернеу уақыт бойынша синусоидалды функциялар болса, онда актив қуат мына өрнекпен есептеленеді

. (9.3)

Көбейткіш cos қуат коэффициенты деп аталады, ал S = UI – толық қуаты дейді, ол актив қуатты тек қана актив жүктеме кезінде анықтайды, яғни cos = 1 болған кезде.

Әртүрлі электротехникалық құрылғыларды есептегенде және олардың тиімділігін бағалағанда реактив қуат ұғымы қолданылады, ол синусоидалды

процесс үшін мына өрнекпен анықталады

. (9.4)

Құат коэффициенті актив қуаттың толық қуатқа қатынасы болып анықталады:

. (9.5)

Көпфазалы тізбек үшін актив және реактив қуаттар өрнектері мынадай түрде болады

, (9.6)

мұнда U_ф және I_ф — фазалық кернеу және токтардың әрекеттік мәндері;

—сәйкес фазалық кернеулер және токтар арасындағы фазалық ығысу бұрышы;

п — фазалар саны.

Электрэнергияны тек қана ірі тұтынушыларда реактив қуатын өлшеудің мағынасы бар, олар әр уақытта үшфазалы айнымалы токпен қамтамасыз етіледі.

Уақыт бойынша қуаттың интегралы болатын, электр энергияның өрнегі жоғарыда келтірілген қуаттың өрнектерін интегралдау жолымен табылады. Сондықтан электр энергияны санауыш өзі, әдетте, қуатты өлшеу түрлендіргіші және интегратор болып табылады, сол ретінде механикалық немесе электрлік санауыштар қолданылады.

Қолданылатын өлшеу түрлендіргіштер түріне тәуелді қуатты (энергияны) өлшеу әдістері мыналарға бөлінеді: электрмеханикалық, электрлік, электржылулық (калориметрлік) және салыстыру әдісі.

Электр энергияны өлшеу диапазоны номиналды (максималды) токтар мен кернеулердің өзгеру диапазонымен анықталады. Әртүрлі электртехникалық құрылгылармен тұтынылатын энергия үшін токты өлшеу диапазонның төменгі шегі 10 А тең, ал кернеудің – 10 В. Бірақ ондай кіші энергияларды тікелей өлшеу үшін өлшеу құралдары болмайды, сондықтан энергияның кіші мәндері жанама әдістермен анықталады (мысалы, қуатпен уақыт анықталады). Токты өлшеу диапазонның жоғарғы шегі 10 А, ал кернеудің — 10 В. Энергияны өлшеудің рұқсат етілетін қателігі мына шектерден шықпау керек ±(0,1— 2,5) %.

Реактив энергиясын өлшеу тек қана өнеркәсіп үшфазалы тізбектер үшін керек. Сондықтан, бұл жағдайда, токты өлшеу диапазонның төменгі шегі 1 А деңгейінде болады, ал кернеудің – 100 В. Энергияны тікелей өлшеген кезде токты өлшеу диапазонның жоғарғы шегі 50 А тең және кернеудің – 380 В. Реактив энергияны өлшеудің рұқсат етілетін қателігі мына деңгейде болу керек ±(1— 2,5) %.

Электр мөлшерін өлшеу кең шектерде жасау керек: токтың қыскаша мерзімді импульстердің энергия мөлшерін өлшеуден (милликулон бірліктерінен) ұзақ мерзімде ағатын энергия мөлшерін өлшеуге дейін ( 10Кл дейін). Энергия мөлшерін өлшеудің рұқсат етілетін қателігі мына шектерден шықпау керек ±(0,1— 5) %.

Отандық өнеркәсіп шығаратын, казіргі заман өлшеу құралдары көмегімен жететін, қуатты, энергияны, электр мөлшерін өлшеу диапазондары және ең кіші қателіктер Ж қосымшасында келтірілген (Ж.1 кестені қара).