Конспект лекции. Лекция Введение. Основные понятия и определения. Измерения, результат измерения, погрешности измерения и их классификация, достоверность измерения. Введение
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Измерение активной мощности и энергии в трехфазных цепях Втрехфазной системе независимо от схемы соединения нагрузки треугольником или звездой (см. рисунок 10.2) мгновенное значение мощности р системы равняется сумме мгновенных значений мощности от- дельных фаз:p=p 1 +p 2 +p 3 Рисунок 10.2 - Схема измерения активной мощности в трехфазной цепи одним ваттметром при включении нагрузки звездой (а) и треугольником (б) Для симметричной трехфазной системы, в которой все фазные и линейные напряжения, токи и углы фазового сдвига между напряжениями и токами равны между собой, эти уравнения примут вид: Р=3U ф I ф cos φ = cos φ Л = U n l a cos φ, W=3U ф I ф где: U л ,, I л — линейные напряжения и токи; cosφ— косинус угла фазового сдвига между током и напряжением в фазе нагрузки. При соединении нагрузки звездой (рис. 10.2, а) мгновенная мощность p = u AN i A + u BN i B + u CN i c , где u AN , u BN , u CN — мгновенные значения фазных напряжений; i A , i B , i c — мгновенные значения фазных токов. Учитывая что i A + i B + i C = 0 и U BС = = U BN — U CN ,, U AB = U AN - U BN и U СА = U CN — U AN , уравнение для мгновенного значения мощности трехфазной системы можно представить в трех формах: p= u AC i A -u BC i B ; p = u AB i A -u CB i c ; р = u BA i B - u CA i c . Из вышеприведенных уравнений видно, что для измерения мощности, а следовательно, и энергии трехфазной системы могут быть применены один 51 прибор, два прибора или три прибора. Метод одного прибора основывается на использовании выражений Р=3U ф I ф cos φ и применяется в симметричных трехфазных системах. В асимметричной системе, в которой значения токов, напряжений и углов фазового сдвига неодинаковы, используется метод двух приборов. Наконец, в самом общем случае, в том числе и в четырехпроводной асимметричной системе, применяется метод трех приборов. Рассмотрим методы измерения мощности, что дает также представление и о методах измерения энергии. Метод одного прибора. Если трехфазная система симметрична, а фазы нагрузки соединены звездой с доступной нулевой точкой, то однофазный ваттметр включают по схеме рисунка 10.2, а и измеряют мощность одной фазы. Для получения мощности всей системы показания ваттметра утраивают. Можно также измерить мощность при соединении фаз нагрузки треугольником, но при условии, что последовательную обмотку ваттметра можно включить в одну из фаз нагрузки (рисунок 10.2, б). Если нагрузка включена треугольником или звездой с недоступной нулевой точкой, то применяют включение ваттметра с искусственной нулевой точкой (см. рисунок 10.3, а), которая создается с помощью двух дополнительных резисторов с активным сопротивлением Ri и R.2. Рисунок 10.3 - Схема измерения активной мощности в трехфазной цепи с ис- кусственной нулевой точкой (а) и векторная диаграмма (б) При этом необходимо чтобы R l =R 2 = Ru (Яи—сопротивление параллельной цепи ваттметра). На рисунке 10.3, б показана векторная диаграмма, соответствующая схеме рисунка 10.3, а. Напряжения U AN , V BN и U cw на параллельной обмотке и резисторах, образующих искусственную нулевую точку, равны фазным напряжениям, показание ваттметра Р=U AN I A cosφ. Поскольку ваттметр показывает мощность одной фазы, для получения мощности всей системы показание ваттметра нужно утроить. То же самое будет и при соединении нагрузки звездой. Для измерения энергии такая схема не применяется из-за большой индуктивности параллельной цепи счетчика. Метод двух приборов. Этот метод применяют в асимметричных трехпроводных цепях трехфазного тока. Имеется три варианта схемы включения 52 двух приборов (см. рисунок 10.4, а — в). Анализ работы ваттметров по этим схемам показывает, что в зависимости от характера нагрузки фаз знак показаний каждого из ваттметров может меняться. Активная мощность трехфазной системы в этом случае должна определяться как алгебраическая сумма показаний обоих ваттметров. Рисунок 10.4 - Схемы включения двух ваттметров для измерения активной мощности трехфазной сети Метод трех приборов. В этом случае когда несимметричная нагрузка включается звездой с нулевым проводом, т. е. когда имеется асимметричная трехфазная четырехпроводная система, применяют три ваттметра, включенные по схеме рисунка 10.5. При таком включении каждый из ваттметров измеряет мощность одной фазы. Полная мощность системы определяется как арифме- тическая сумма показаний ваттметров. Рисунок 10.5 - Схема измерения активной мощности тремя ваттметрами Методы одного, двух и трех приборов применяют главным образом в лабораторной практике. В промышленных условиях применяют двух- и трехфазные ваттметры и счетчики, которые представляют собой сочетание в одном приборе двух-(двухэлементные) или трех-(трехэлементные) однофазных измерительных механизма, имеющих общую подвижную часть, на которую действует суммарный вращающий момент всех элементов. 53 Рисунок 10.6 - Схема включения ваттметра (а) для измерения реактивной мощности в симметричной трехфазной сети и векторная диаграмма (б). Измерение реактивной мощности и энергии в трехфазной цепи Измерить реактивную мощность (энергию) трехфазной сети можно различными способами: при помощи обычных ваттметров (счетчиков), включаемых по специальным схемам, и при помощи реактивных ваттметров (счетчиков). При полной симметрии трехфазной сети реактивную мощность можно измерить одним ваттметром, включенным по схеме рисунка 10.6, а. Показания ваттметра (с учетом векторной диаграммы рисунка 10.6, б) P=U BC I A cos φ 1 = U л I л cos (90°-ф 1 ) = U л I л sin φ 1 Для определения реактивной мощности всей системы показания ваттметра умножают на 3 Схема с одним ваттметром даже при незначительной асимметрии системы дает большие погрешности. Лучшие результаты получают при измерении реактивной мощности двумя ваттметрами (рисунок 10.7), и при этом сумма показаний ваттметров P 1 +P 2 =U BC I A cos φ 1 + U AB I c cos φ 2 Рисунок 10.7 - Схема включения двух ваттметров при измерении реактивной мощности в асимметричной трехфазной цепи. Для получения мощности трехфазной системы сумму показаний ваттметров умножают на 2 3 . При включении нагрузки по схеме треугольника приборы (ваттметры или счетчики) включаются аналогично изображенному на рисунках 10.6, а и 10.7. При измерении реактивной мощности и энергии в трехпроводной и четырехпроводной асимметричных сетях может быть применен один трехэлементный прибор или три прибора (ваттметра или счетчика) — рисунок 54 10.8, а. Доказательство возможности измерения рассмотрим для частного случая. Сумма показаний приборов с учетом чередования фаз при включении параллельных обмоток так, как показано на рис. 10.8, a P 1 +P 2 +P 3 = U BC I A cos y 1 + + U CA I B cos y 2 + U AB I C cos y 3 . Из векторной диаграммы (см. рисунок 10. 8,6) найдем γ 1 = 90°- φ 1 ; γ 2 = 90°- φ 2 ; γ з = 90°-φ 3 Рисунок 10.8 - Схема включения трех ваттметров (а) для измерения реактивной мощности трехфазной (четырехпроводной) сети и векторная диаграмма (б). Так как U AB = U BC =U CA = 3 1 u л то Р 1 + Р 2 + Рз=и л (I A sin φ 1 +I B sin φ 2 + Iс sinφ 3 Чтобы найти реактивную мощность системы, сумму показаний ваттметров необходимо разделить на 3 1 Контрольные вопросы: 1. Какими методами можно измерить активную мощность в трехфазной цепи? 2. Устройства и принцип действия индукционного счетчика электроэнергии? 3. Устройства и принцип действия ваттметра электродинамической системы? 4. Как можно определить значение cos в трехфазной цепи? Лекция 11. Измерение электрических величин осциллографом. Электронно-лучевые осциллографы Электронно-лучевые осциллографы Электронно-лучевые осциллографы – приборы, предназначенные для визуального наблюдения форм исследуемых электрических сигналов. Кроме 55 того, осциллографы могут применяться для измерения частоты, периода и амплитуды. Основная деталь электронного осциллографа - электронно-лучевая трубка (см. рисунок 11.1), напоминающая по форме телевизионный кинескоп. Экран трубки (8) покрыт изнутри люминофором - веществом, способным светиться под ударами электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают. Испускаются же электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нити накала) (1) и катода (2). Между ―пушкой‖ и экраном размещены модулятор (3), регулирующий поток летящих к экрану электронов, два анода (4 и5), создающих нужное ускорение пучку электронов и его фокусировку, и две пары пластин, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной Y (6) и вертикальной X (7) осям. Рисунок 11.1 - Устройства электрннно-лучевой трубки Работает электроннолучевая трубка следующим образом: На нить накала подают переменное напряжение, на модулятор постоянное, отрицательной полярности по отношению к катоду на аноды - положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону, относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины (пластины Пх), а также ‖рисующей‖ на экране форму исследуемых колебаний (пластины Пу). Чтобы представить, как получается на экране изображение, экран трубки представим в виде окружности (хотя у трубки он может быть и прямоугольный) и поместим внутри нее отклоняющие пластины (см. рисунок 11.2). Если подвести к горизонтальным пластинам Пх пилообразное напряжение, на экране появится светящаяся горизонтальная линия - ее называют линией развертки или просто разверткой. Длина ее зависит от амплитуды пилообразного напряжения. Если теперь одновременно с пилообразным напряжением, поданным на пластины Пх, подать на другую пару пластин (вертикальных - Пу), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развертки в точности ―изогнется‖ по форме колебаний и ―нарисует‖ на экране изображение. 56 В случае равенства периодов синусоидального и пилообразного колебаний, на экране будет изображение одного периода синусоиды. При неравенстве же периодов на экране появится столько полных колебаний, сколько периодов их укладывается в периоде колебаний пилообразного напряжения развертки. В осциллографе имеется регулировка частоты развертки, с помощью которой добиваются нужного числа наблюдаемых на экране колебаний исследуемого сигнала. Рисунок 11.2 - Структурная схема осциллографа На рисунке изображена структурная схема осциллографа. На сегодняшний день существует большое число различных по конструкции и назначению осциллографов. По-разному выглядят их лицевые панели (панели управления), несколько отличаются названия ручек управления и переключатели. Но в любом осциллографе существует минимально необходимый набор узлов, без которых он не может работать. Рассмотрим назначение этих основных узлов (см. рисунок 11.3.). На примере осциллографа С 1-68. Схема работает следующим образом. На рисунке 11.3: ВА- входной аттенюатор; ВК- входной каскад усилителя; ПУ- предварительный усилитель; ЛЗ- линия задержки; ВУ- выходной усилитель; К- калибратор; СБ- схема блокировки; УП- усилитель подсвета; СС- схема синхронизации; ГР- генератор развертки; ЭЛТ- электроннолучевая трубка. Блок питания обеспечивает энергией работу всех узлов электронного осциллографа. На вход блока питания поступает переменное напряжение, как правило, величиной 220 В. В нем оно преобразуется в напряжения разной величины: переменное 6,3 В для питания нити накала электронно-лучевой трубки, постоянное напряжение 12-24 В для питания усилителей и генератора, около 150 В для питания оконечных усилителей горизонтального и вертикального отклонения луча, несколько сотен вольт для фокусировки электронного луча и несколько тысяч вольт для ускорения электронного пучка. 57 Рисунок 11.3 - Устройство осциллографа С 1-68 Из блока питания кроме выключателя питания, выведены на переднюю панель осциллографа регуляторы: ―ФОКУСИРОВКА‖ и ―ЯРКОСТЬ‖ При вращении этих ручек изменяются напряжения, подаваемые на первый анод и модулятор. При изменении напряжения на первом аноде, меняется конфигурация электростатического поля, что приводит к изменению ширины электронного луча. При изменении напряжения на модуляторе изменяется ток электронного луча (изменяется кинетическая энергия электронов), что приводит к изменению яркости свечения люминофора экрана. Генератор развертки выдает пилообразное напряжение, частоту которого можно изменять грубо (ступенями) и плавно. На лицевой панели осциллографа они называются ―ЧАСТОТА ГРУБО‖ (или ―ДЛИТЕЛЬНОСТЬ РАЗВЕРТКИ‖) и ―ЧАСТОТА ПЛАВНО‖. Диапазон частот генератора весьма широк - от единиц герц до единиц мегагерц. Около переключателя диапазонов проставлены значения длительности (продолжительности) пилообразных колебаний. Усилитель канала горизонтального отклонения. С генератора развертки сигнал подается на усилитель канала горизонтального отклонения (канала X). Этот усилитель необходим для получения такой амплитуды пилообразного напряжения, при которой электронный луч отклоняется на весь экран. В усилителе расположены регулятор длины линии развертки, на передней панели осциллографа он называется ―УСИЛЕНИЕ X― или ― АМПЛИТУДА X‖, и регулятор смещения лини развертки по горизонтали. Канал вертикальной развертки состоит из входного аттенюатора (делителя входного сигнала) и двух усилителей - предварительного и оконечного. Аттенюатор позволяет выбирать нужную амплитуду рассматриваемого изображения в зависимости от амплитуды исследуемых колебаний. С помощью переключателя входного аттенюатора, амплитуду сигнала можно уменьшить. 58 Кроме того, на входе канала вертикального отклонения стоит переключатель 1, с помощью которого можно либо подавать на усилитель постоянную составляющую исследуемого сигнала, либо избавляться от нее включением разделительного конденсатора. Это в свою очередь, позволяет пользоваться осциллографом как вольтметром постоянного тока, способным измерять постоянные напряжения. Причем входное сопротивление канала Y достаточно высокое - более 1 МОм. У генератора развертки есть еще один переключатель - переключатель режима работы развертки. Он также выведен на переднюю, панель осциллографа (на структурной схеме он не указан). Генератор разверток может работать в двух режимах: в автоматическом - генерирует пилообразное напряжение заданной длительности и в ждущем режиме - ―ожидает‖ прихода входного сигнала, и с его появлением запускается. Этот режим бывает необходим при исследовании сигналов появляющихся случайно, либо при исследовании параметров импульса, когда его передний фронт должен быть в начале развертки. В автоматическом режиме работы случайный сигнал может появиться в любом месте развертки, что усложняет его наблюдение. Ждущий режим целесообразно применять во время импульсных измерений. Синхронизация. Если между генератором развертки и сигналом нет никакой связи, то начинаться развертка и появляться сигнал будут в разное время, изображение сигнала на экране осциллографа будет перемещаться либо в одну, либо в другую сторону - в зависимости от разности частот сигнала и развертки. Чтобы остановить изображение нужно ―за синхронизировать‖ генератор, т.е. обеспечить такой режим работы, при котором начало развертки, будет совпадать с началом появления периодического сигнала на входе Y (скажем синусоидального). Причем синхронизировать генератор можно как от внутреннего сигнала (он берется с усилителя вертикального отклонения), так и от внешнего, подаваемого на гнезда ―ВXОД СИНXР.‖. Выбирают тот или иной режим переключателем S2 - ВНУТР.- ВНЕШН. синхронизация (на структурной схеме переключатель находится в положении ―внутренняя синхронизация). Принцип синхронизации поясняет диаграмма на рисунке 11.4. Для наблюдения высокочастотных сигналов, когда их частота во много раз превышает принципиально возможную частоту каналов усиления осциллографа, применяют стробоскопические осциллографы. Принцип работы стробоскопического осциллографа поясняет следующая диаграмма. Осциллограф работает следующим образом: Каждый период исследуемого напряжения u(t) формируется синхронизирующий импульс Uc, который запускает генератор развертки. Генератор развертки формирует напряжение пилообразной формы, которое сравнивается со ступенчато - нарастающим (на U) напряжением (см. рисунок 11.4). В момент равенства напряжений формируется строб – импульс, причем каждый последующий период строб – импульса увеличивается по отношению к предыдущему на величину t. В момент прихода строб – импульса формируется импульс выборки. Его амплитуда равна амплитуде исследуемого сигнала и выводится на экран 59 осциллографа. Таким образом, на экране получается изображение в виде импульсов, амплитудная огибающая которых, соответствует исследуемому сигналу только ―растянутому‖ во времени. Стробоскопические осциллографы применяются в телевизионной, радиолокационной и других видах высокочастотной техники. Рисунок 11.4 - Диаграмма принципа синхронизации. |