Контрольные вопросы

1. Каково устройство асинхронного двигателя?

2. Принцип действия асинхронного двигателя.

3. Дайте определение коэффициента скольжения асинхронного двигателя.

4. Что такое реверс и как он осуществляется?

5. Как определяется число пар полюсов асинхронной машины?

6. Что относится к номинальным параметрам двигателя?

7.Какие существуют способы соединения обмоток двигателя и как осуществить их выбор?

Лабораторная работа 8

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Цель работы — изучить устройство, схемы включения счетчика электрической энергии. Изучить основные методы измерения активной мощности в цепях переменного тока.

а). Однофазный счетчик электрической энергии индукционной системы.

Для измерения количества электрической энергии применяют счетчики: постоянного тока, однофазного переменного тока (типа СО), активной энергии трехфазные (трехпроводные и четырехпроводные - САЗ и СА4, СА4У), реактивной энергии трехфазные (трехпроводные и четырехпроводные — СРЗ и СР4).

Устройство и схема включения однофазного индукционного счетчика показаны на рисунке 8.1. .

В зазоре между магнитопроводом обмотки напряжения 1 и магнитопроводом токовой обмотки 10 размещен подвижный алюминиевый диск 8, насаженный на ось 6, установленную в пружинящем подпятнике 9 и верхней опоре 3.

Рис.8.1. - Устройство и схема включения однофазного счетчика в электрическую сеть

С помощью миниатюрного червячного редуктора 4 вращение диска передается счетному механизму 5. Токовая обмотка 11, включаемая последовательно с электроприемником, состоит из малого числа витков толстого провода (соответственно номинальному току счетчика). Обмотка напряжения 2, включаемая параллельно электроприемнику, состоит из большого числа (8000...12 000) витков, намотанных тонким медным изолированным проводом диаметром 0,08...0,12 мм.

Когда по токовой обмотке протекает ток нагрузки (обмотка напряжения включена на сетевое напряжение), в магнитопроводах появляются переменные магнитные потоки Фvи Ф1, замыкающиеся через алюминиевый диск. Причем поток Ф1 пронизывает диск дважды (+Ф1и - Ф1). Переменные магнитные потоки Фv, + Ф1и — Ф1 создают бегущее магнитное поле, которое индуктирует в диске вихревые токи и заставляет его вращаться.

Край алюминиевого диска расположен между полюсами постоянного подковообразного магнита 7. При вращении алюминиевый диск 8 пересекает силовые линии постоянного магнита 7, в диске индуктируются вихревые токи, которые, взаимодействуя с потоком постоянного магнита, создают тормозной момент. Этот момент останавливает диск счетчика при отсутствии нагрузки.

Крайний (правый) ролик счетного механизма связан через редуктор с диском счетчика и при его вращении вращается. При полном обороте первого ролика второй поворачивается на 1/10 часть его оборота. Полный оборот второго ролика вызывает поворот третьего ролика на 1/10 часть его полного оборота и т. д.На торцах роликов нанесены цифры от 0 до 9. Сочетание цифр отсчитывают через застекленное окошко.

Каждый счетчик характеризуется передаточным числом, показывающим число оборотов диска при протекании через счетчик 1 кВт-ч электроэнергии. Это число указывается на шкале счетчика. Например, 1 кВт-ч соответствует 2500 оборотам диска. На шкале счетчика также указываются номинальное напряжение, класс точности, номинальные ток и частота. Счетчики выпускаются в прямоугольных и круглых пластмассовых корпусах. Спереди корпуса имеется застекленное окошко. Коробка с зажимами для подключения проводов закрывается крышкой и пломбируется.

В России выпускают счетчик, который благодаря телеметрической приставке можно применять в автоматизированныхсистемах для дистанционного сбора информации и многотарифного учета электроэнергии.

Электронные счетчики электрической энергии. Расчет энергии, потребляемой за определенный промежуток времени нагрузкой, требует интегрирования текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В цифровых счетчиках электрической энергии реализуют постоянное суммирование рассчитанной активной мощности за определенный промежуток времени. В общем виде потребляемая энергия

где p(t) – значение мгновенной мощности в момент времени t; T – время измерения.

При синусоидальной форме тока и напряжения в сети

p(t) = u(t)i(t) = U_msinωt I_m·sin(ωt + φ) = UI cosω·UI cos(2ωt + φ),

где u(t) и i(t) – мгновенные значения, соответственно, напряжения и тока в сети; U_m и I_m –

амплитудные значения напряжения и тока; U и I – действующие значения напряжения и тока (U = U_m/2; I = I_m/2); φ – угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения.

Интегрирование уравнения за период дает значение активной потребляемой мощности.

Для расчета мощности в электронных счетчиках необходимо измерять любые два значения из четырех величин P, φ. Это невозможно реализовать в электромеханическом счетчике. На рисунке 8.2 показана структурная схема электронного счетчика, позволяющих реализовать эти вычисления с помощью процессора цифровой обработки сигналов, осуществляющих преобразования мгновенных значений тока и напряжения в дискретные промежутки времени. В этом случае на входы процессора (П) подаются сигналы соответствующих датчиков, пропорциональные току и напряжению в цепи. Преобразованные датчиками ток и напряжение (I_i и U_i) далее обрабатываются для получения P, φ. Информация выводиотся на дисплей (Д).

Для реализации многотарифного счетчика прибор должен обеспечивать обмен информацией с внешними устройствами по последовательному интерфейсу. Современные цифровые измерительные приборы оснащают двумя встроенными стандартными интерфейсами RS-232 или RS-485. Интерфейсы позволяют не только передать данные на компьютер или распечатать их на принтере, но и осуществлять полное автоматизированное дистанционное управление прибором.

Для расширения пределов измерения счетчиков, так же как и амперметров, (рис.8.3а) применяют трансформаторы тока.

Трансформатор тока (рис. 8.3.б) состоит из замкнутого (броневого или стержневого) магнитопровода, набранного из листов электротехнической стали, и двух обмоток — первичной и вторичной. Первичную обмотку (зажимы Л1 и Л2) включают в цепь последовательно с нагрузкой, а вторичную (зажимы И1 и И2) — измерительным приборам: амперметрам, ваттметрам и счетчикам.

а) б)

Рис.8.3 - а - способы включения амперметров в сеть; б- устройство трансформатора тока

Трансформатор тока работает следующим образом. Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает в магнитопроводе переменный поток, который пересекает витки вторичной обмотки, наводя в ней электродвижущую силу (ЭДС). Под действием этой ЭДС во вторичной цепи появляется электрический ток. Значение этого тока можно вычислить, используя коэффициент трансформации трансформатора тока

KT = I1/I2 = w2/w1, где

•w1 — число витков первичной обмотки; w2 — число витков вторичной обмотки.

Отношение первичного и вторичного токов указывают в паспорте (на щитке) трансформатора тока.

Первичную обмотку трансформатора тока обычно выполняют изпровода с большой площадью поперечного сечения, соответствующей току нагрузки, вторичную — из провода, рассчитанного на ток 5 А.

Кроме расширения пределов измерения, трансформаторы тока предохраняют обслуживающий персонал от высокого напряжения при измерениях силы тока в электроустановках напряжением выше 1000 В.

При эксплуатации трансформаторов тока выводы вторичной обмотки нельзя оставлять разомкнутыми, так как при этом магнитный поток в сердечнике может возрасти в десятки и сотни раз и ЭДС во вторичной обмотке увеличится до значений, опасных для обслуживающего персонала и приборов.

Рис 8.4 - Токоизмерительные клещи

Для измерения силы тока в электроустановках напряжением до 1000В без разрыва цепи применяют трансформаторы тока, выполненные в виде токоизмерительных клещей со стрелочной или цифровой индикацией (рис. 84).

При включении счетчика в сеть через трансформатор тока (рис. 8.5) количество израсходованной электроэнергии подсчитывают по формуле

W= Kт(W2 – W1), где

Kт - — коэффициент трансформации трансформатора тока; W2, W1показания счетчика (начало и конец измерений).

Рис.8.5 - Схема включения однофазного счетчика в сеть через трансформатор тока

Выпускают электронные и микропроцессорные одно- и трехфазные

счетчики электроэнергии в различных модификациях, имеющие телеметрические импульсные выходы, переключатели тарифов, что позволяет их использовать в автоматизированныхых системах учета электропотребления.

При помощи счетчика электрической энергии можно быстро определить мощность подключенного электроприемника или группы их, кВт

Р - 3600 n/Ct

где п — число оборотов диска счетчика;

С — передаточное число;

t — время, с.

Если счетчик электрической энергии включен через трансформатор тока, то

Р = 3600 n*Кт/Ct.

Программа работы.

а)

1. Изучить устройство, принцип действия однофазного счетчика электрической энергии.

2. Изучить электрическую цепь, представленную на стенде ( модуль 2) с использованием однофазного счетчика, нагрузки, ваттметра, вольтметра и амперметра.

3. Собрать схему (рисунок 8.6)

4. По секундомеру замерить время, в течение которого диск сделает n (3,5,7) оборотов. Данные занести в т.1.

Таблица 1.

Измерить

Рассчитать

Р, Вт

U, В

I, А

Cosφ

P1,В Вт

n, об/мин

t, сек

C

P2, Вт

Δ1, Вт

σ1, %

Δ2, Вт

σ2, %

Р – мощность нагрузки по ваттметру, Р1,Р2, - значения мощностей, полученные расчетным путем.

Значение Cosφ задает преподаватель.

5. Рассчитать мощность нагрузки Р1, пользуясь данными: число оборотов диска счетчика (n) и времени (t).

Сравнить рассчитанную мощность нагрузки Р1 с показаниями ваттметра (Р).

6. Рассчитать абсолютную (Δ1) и относительную (σ1) погрешность ваттметра.

Абсолютная погрешность: Δ1 = Р- Р1, кВт.

Относительная погрешность: σ1 = (Р- Р1)/ Р, %.

7. Рассчитать мощность нагрузки Р2:

Р2 = U* I* Cosφ, кВт

Сравнить рассчитанную мощность нагрузки Р2 с показаниями ваттметра (Р).

8. Рассчитать абсолютную (Δ2) и относительную (σ2) погрешность ваттметра (аналогично п.6).

9. Сравнить расчеты и сделать вывод, какой из приведенных способов расчета более точный.

10. Подсчитать количество электроэнергии, потребляемой нагрузкой за 6 (9, 12) часов и определить стоимость электроэнергии, израсходованной за этот период.

11. Изучить устройство, принцип действия и назначение трансформатора тока.

Рис.8.6. –Схема подключения однофазного счетчика электрической энергии

б). Измерение активной мощности в цепях переменного тока.

Измерение активной мощности в однофазной цепи производится одноэлементными ваттметрами. Измерение активной мощности в трехфазных цепях в лабораторных условиях также может быть проведено при помощи одноэлементных ваттметров, включаемых в трехфазную цепь по схемам с использованием метода одного, двух или трех приборов. Однако при технических измерениях, как правило, в этом случае используются специальные двух- и трехэлементные ваттметры.

Расширение диапазонов измерения во всех случаях применения ваттметров в цепях переменного тока осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения.

Рис. 8.8 Схема включении ваттметра в однофазную цепь переменного тока и векторная диаграмма.

Измерение мощности методом одного прибора. При использовании метода одного прибора измерение мощности осуществляется с помощью одноэлементного ваттметра. Метод применяется при измерении мощности в однофазных цепях и симметричных трехфазных цепях (комплексные сопротивления фаз одинаковы). И в том и в другом случае обмотка напряжения ваттметра включается на фазное напряжение, а обмотка тока включается в рассечку провода какой-либо фазы.

На рисунке 7.8 показано включение одноэлементного ваттметра в однофазную цепь переменного тока. Пренебрегая методической погрешностью, записываем показание ваттметра:

,где и — действующие значения напряжения и тока На рисунке 8.9а,б показано включение одноэлементного ваттметра в симметричную трехфазную трехпроводную цепь. На рисунке 8.9а нагрузка соединена звездой и нулевая точка доступна. На рисунке 8.9б нагрузка соединена треугольником. Если ваттметр невозможно включить в фазу так, как это показано на рисунке 8.9б, или нулевая точка при соединении нагрузки звездой (рисунок 8а) недоступна, то в этом случае используется искусственная нулевая точка.

Рис. 8.9. Схемы включения ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь при полной симметрии: а — нагрузка соединена звездой и нулевая точка доступна; б — нагрузка соединена треугольником.

Искусственная нулевая точка обычно создается с помощью двух резисторов (сопротивление каждого резистора равно сопротивлению цепи обмотки напряжения ваттметра) и сопротивления цепи обмотки напряжения. Сопротивление цепи обмотки напряжения любого ваттметра либо приведено на циферблате прибора, либо указывается в техническом паспорте на данный прибор.

Включение ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь по схеме с искусственной нулевой точкой показано на рисунке 8.10.

Анализируя схемы включения ваттметров, приведенные на рисунке 8.9а,б, нетрудно видеть, что показание ваттметра будет соответствовать мощности одной фазы.

Рис. 8.10. Схема включения ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь с недоступной нулевой точкой при полной симметрии.

Мощности одной фазы будет соответствовать также и показание ваттметра, включение которого показано на рисунке 8.10.

P_W = Uав Iав COSφ

т. е. ваттметр покажет мощность одной фазы.

Для получения мощности всей трехфазной цепи во всех трех рассматриваемых случаях необходимо показание ваттметра утроить:

P = 3 P_W

Еще раз стоит напомнить, что все рассмотренное справедливо лишь при измерении мощности в симметричных цепях, т. е. при симметрии напряжений и равенстве комплексных сопротивлений фаз.

Измерение мощности методом двух приборов. Метод двух приборов используется при измерении мощности в трехфазной трехпроводной цепи с помощью двух одноэлементных ваттметров. Метод дает правильные результаты независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. Кроме того, метод двух приборов применяется для включения элементов двухэлементного ваттметра при измерении с помощью его мощности в трехфазной трехпроводной цепи.

Рис. 8.11 Схема включения двух ваттметров в трехфазную трехпроводную цепь (а) и векторная диаграмма (б).

На рисунке 8.11а изображена схема включения двух одноэлементных ваттметров. Обычно токовая обмотка одного ваттметра, например P_W1, включается в фазу А, а токовая обмотка другого ваттметра — P_W2— в фазу С. Обмотки напряжения ваттметров включаются на линейные напряжения так, как это показано на рисунке.

На рисунке 8.11б представлена векторная диаграмма цепи для частного случая — случая симметрии токов и напряжений.

Нетрудно видеть, что показание ваттметра P_W1 в -этом случае равно:

P_W1 = U_АВ I_А COS(300 +φ) = Uл Iл COS(300 +φ)

Аналогично нетрудно определить и показание ваттметра P_W2:

P_W2 = U_ВСI_СCOS (300 - φ) = Uл Iл COS (300 - φ)

Учитывая, что при измерении мощности с использованием метода двух приборов общая мощность цепи равна алгебраической сумме показаний ваттметров, а также учитывая выражения PW1 и PW2, получаем:

P = P_W1 + P_W2 = Uл Iл COS (300 +φ) + Uл Iл COS (300 - φ)

После несложных преобразований имеем:

P = Uл Iл 2COS300 COSφ = √3 Uл Iл COSφ

Таким образом, сумма показаний ваттметров P_W1 и P_W2, есть не что иное, как мощность трехфазной цепи.

Следует отметить, что в соответствии с P_W1 и P_W2 показания каждого ваттметра могут быть положительными или отрицательными в зависимости от значения угла φ и его знака. Более того, при φ= +60° показание ваттметра P_W1 равно нулю, а при φ = -60° нулевое показание будет у ваттметра P_W2. При φ=0, т. е. при чисто активной нагрузке, показание ваттметра P_W1 равно показанию ваттметра P_W2.

Двухэлементные ваттметры, обычно называемые трехфазными ваттметрами, представляют собой конструкцию из двух измерительных механизмов одноэлементных ферродинамических ваттметров с одной общей подвижной частью.

Примерное конструктивное выполнение двухэлементного ферродинамического измерительного механизма, широко используемого для построения трехфазных ваттметров, показано на рисунке 8.12. Два шихтованных магнитопровода 1 имеют неподвижные токовые обмотки 2. Обмотки напряжения, выполненные в виде подвижных рамок 3, укреплены на общей оси.

Рис. 8.12. Двухэлементный ферродинамический измерительный механизм.

Расширение диапазонов измерения трехфазных двухэлементных ваттметров, так же как и одноэлементных однофазных ваттметров, осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения.

Измерение мощности методом трех приборов. Известно, что метод трех приборов применяется при измерении мощности в трехфазной четырехпроводной цепи (при этом используются три одноэлементных ваттметра). Так же как и метод двух приборов, метод трех приборов дает правильные результаты независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. По схеме, реализующей метод трех приборов, включаются также элементы трехэлементных трехфазных ваттметров.

Рис 8.13. Схема включения трех ваттметров в трехфазную трехпроводную цепь.

На рисунке 8.13 приведена схема включения трех одноэлементных ваттметров по методу трех приборов в трехфазную четырехпроводную цепь. Нетрудно видеть, что в этом случае каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы:

где UA, UB и UC — фазные напряжения; IA, IB и IC — фазные токи; φA, φB и φC — фазовые сдвиги между соответствующими фазными напряжениями и фазными токами.

Очевидно, что для нахождения мощности трехфазной четырехпроводной цепи необходимо взять алгебраическую сумму показаний всех ваттметров:

Рис. 8.14. Трехэлементный ферродинамический измерительный механизм.

Принципиальная конструктивная схема трехэлементного трехфазного ферродинамического ваттметра приведена на рисунке 8.14. Каждый элемент содержит выполненный из магнитомягкого материала шихтованный магнитопровод 1 с неподвижной токовой обмоткой 3. Подвижные рамки элементов 2 жестко укреплены на одной оси. Таким образом, на подвижную часть трехфазного трехэлементного ваттметра действует арифметическая сумма моментов всех трех элементов. Непосредственное включение элементов ваттметра в трехфазную четырехпроводную цепь осуществляется по схеме, изображенной на рисунке 8.13.

Расширение диапазонов измерения трехэлементных трехфазных ваттметров осуществляется так же, как и двухэлементных ваттметров,— с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения.

Порядок выполнения работы

Собрать схему, представленную на рисунке 8.16.

Перед включением стенда убедится, что все остальные переключатели находятся в начальном положении (выключены).

Включить стенд тумблерами QF1, QF2, QF3.

Подключить питание к исследуемой цепи тумблером SA3.

Снять показания приборов:

PV3 – Напряжение фазы С;

PA3 ‑ Ток фазы С;

PV4 ‑ Напряжение фазы В;

PA4 ‑ Ток фазы В;

PV5 ‑ Напряжение фазы А;

PA5 ‑ Ток фазы А;

PW1, (PW2) – трехфазная мощность измеренная стрелочным ваттметром.

PW трехфазная мощность измеренная цифровым ваттметром.

Данные занесите в таблицу 8.2

Выключить стенд в следующем порядке:

Выключить тумблер SA3;

Выключить стенд автоматическими выключателями QF1, QF2, QF3;

Убрать все перемычки.

Вычислить Р ‑ трехфазная мощность измеренная тремя элементами, реализованными на приборах PV3, PA3, PV4, PA4, PV5, PA5.

Р=3 Uф Iф cos (cos задается преподавателем)

Рассчитать мощность Р1=3*I²ф*Rф, исходя из активной нагрузки R4+R5=R6+R7=R8+R9≈800 О)

9.Заполнить таблицу 8.2.

Рис.8.16. Измерение активной мощности в цепях переменного тока.

Таблица 8.2

Измерить

Рассчитать

UА, В

UВ, В

UС, В

IА, А

IВ, А

IС, А

Pw, Вт

Pw1, Вт

P, Вт

PА, Вт

PВ, Вт

PС, Вт

P1, Вт

10. Сравнить полученные результаты с показаниями приборов PW1 и PW. Рассчитать абсолютную (Δ) и относительную (σ) погрешности для PW1, PW, сравнив их с рассчитанными P и Р1. Данные занести в таблицу 8.3.

Таблица 8.3

№	Погрешность		Примечания
1	ΔРW1=	σРW1=
2	ΔРW=	σР1=
3	ΔРW1=	σРW1=
4	ΔРW=	σРW=

Контрольные вопросы

1. Как устроен однофазный счетчик электрической энергии?

2. Как работает однофазный счетчик электрической энергии?

3. Что такое передаточное число счетчика?

4. Для чего служит трансформатор тока?

5. Устройство трансформатор тока?

6.Что такое передаточное число трансформатор тока?

7. Как устроен двухэлементный ферродинамический измерительный механизм?

8. Как осуществить измерение мощности методом одного прибора?

9. Как осуществить измерение мощности методом двух приборов?

10. Как осуществить измерение мощности методом трех приборов?

11.Что такое абсолютная погрешность прибора?

12. Что такое относительная погрешность прибора?

13. Что такое приведенная погрешность прибора?

14. Определите абсолютную погрешность амперметра в цепи с током 5 А, если он показывает 4,9 А.

15. Определите относительную погрешность измерений напряжения 220 В вольтметром с верхней границей диапазона измерений 250 В, если он показывает 217,5 В.

Список литературы.

1. Беневоленский С.Б., Марченко А.Л. Основы электротехники. — М.: Физматлит, 2006.

2. Воробьев В.А. Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства.М. «КолосС», 2005-279с.

3.Григораш Г.А. и др. Электротехника и электроника. — К.: КГАУ, 2006.

4. Горбунов А.Н. и др. Электротехника. — М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2005.

5. Кравцов А.В.,Меренков А.А., Соболев А.В. Теоретические основы электротехники: Журнал лабораторных работ/ Под общ. ред. проф. Соболева А.В. – М.ФГОУ ВПО МГАУ, 2008 – 45 с.

6. Михальцов А.П., Мрочек В.И. и др. Методические указания к выполнению лабораторных работ на стендах. НТП «Центр». Могилев, 2007.