УЧ-Метод пособие ЭЛ ИЗМЕРЕНИЯ. Учебнометодическое пособие по учебной дисциплине электрические измерения
 Скачать 6.36 Mb.
|
|
Тема 2.5 Измерение электрической мощности и энергии В настоящее время в промышленности и быту производят измерения мощности и энергии в очень широких пределах. Измерения осуществляют в цепях как постоянного, так и переменного однофазного и трехфазного то-ков, для последних получая информацию об активной и реактивной их составляющих. Так, мощность постоянного и однофазного переменного тока измеряют в диапазоне от 10-18 Вт в радиотехнических устройствах высокой частоты и до 1010 Вт у крупных потребителей электроэнергии. Требуемая погрешность измерения мощности постоянного и переменного тока для постоянного и переменного однофазного и трехфазного тока промышленной частоты находится в пределах δ = ±(0,01 ÷ 0,1) %; а при сверхвысоких частотах до δ = ±(1 ÷ 5) %. Измерение реактивной мощности имеет практическое значение лишь у крупных потребителей электроэнергии, которые всегда используют трех-фазный переменный ток: пределы измерений от 3-10 вар до 106 вар, по-грешность приборов δ = ± (0,1 ÷ 0,5) %. Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного однофазно-го тока применяются в основном электродинамические и ферродинамические ваттметры. Основные характеристики электродинамических и ферродинамических измерительных преобразователей приведены в разделе 2 (см. табл. 2.1). Для точных измерений мощности постоянного и переменного токов на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц) выпускают электродинамические ваттметры в виде переносных приборов классов точности 0,1 ÷ 0,5. Для измерения мощности в производственных условиях в цепях пере- менного тока промышленной или более высоких фиксированных частот (400, 500 Гц) применяются щитовые ферродинамические ваттметры классов точности 1,5 ÷ 2,5. Для измерений мощности на высоких частотах применяются термоэлектрические и электронные ваттметры. Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазонами изменения номинальных токов и напряжений. Нижний предел диапазона измерения энергии, потребляемой различными электротехническими устройствами, соответствует значениям токов примерно 10-9 А и напряжения – 10-6 В. Однако средств измерений для непосредственного измерения таких малых энергий не существует, а малые значения энергии определяются косвенными методами (например, определяются мощность и время). Верхний предел диапазона измерения энергии достигает при токовых нагрузках порядка 104 А и напряжении – 106 В. Погрешность измерения энергии составляет δ = ± (0,1 ÷ 2,5) %. Измерение реактивной энергии необходимо только в промышленных трехфазных цепях. Поэтому нижний предел диапазона измерения в этом случае находится на уровне тока 1 А, а напряжения – 100 В, а верхний – по току до 50 А, напряжений до 380 В. Погрешность измерения реактивной энергии составляет δ = ± (1 ÷ 2,5)%. Измерение энергии постоянного тока осуществляется с помощью счетчиков постоянного тока. Энергия однофазного переменного тока измеряется индукционными счетчиками электрической энергии (см. табл. 2.1). Элек- трическую энергию также измеряют с помощью электронных счетчиков электрической энергии, не имеющих подвижных частей. Такие счетчики обладают лучшими метрологическими характеристиками и могут использоваться в трехфазных цепях [4]. Измерение мощности в цепях постоянного тока возможно выполнить косвенным методом при помощи амперметра и вольтметра, так как , а в цепях переменного тока при помощи амперметра, вольтметра и фазометра с расчѐтом активной мощности по формуле . Однако, в этих случаях измерение мощности связано с вычислением по отсчѐтам двух или трѐх приборов, что снижает точность и усложняет процесс измерения. Измерение мощности в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты осуществляется ваттметрами, обычно с электродинамическими измерительными механизмами. Рисунок 2.90 - Схема включения ваттметра Электродинамические ваттметры выпускаются виде переносных приборов высоких классов точности (0,1; 0,5). Для измерения мощности на высоких частотах применяются термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. На рис. 2.90. показана схема включения в цепь переменного тока электродинамического ваттметра для измерения активной мощности, приемника или потребителя с сопротивлением нагрузки. Подвижная катушка включается последовательно с добавочным резистором параллельно приемнику. Угол отклонения стрелки электродинамического измерительного прибора , (85) где — масштабные коэффициенты. Таким образом, шкалу электродинамического ваттметра можно проградуировать в единицах измерения активной мощности. Измерение активной мощности в трехфазных цепях. Активную мощность можно измерить при помощи одного, двух или трех приборов в зависимости от схемы соединения фаз потребителя и симметрии нагрузки. Рассмотрим соответствующие схемы включения. Активная мощность трехфазного потребителя, фазы которого соединены звездой, равна сумме мощностей отдельных фаз: (86) Из этого выражения видно, что, измерив активную мощность каждой из фаз и просуммировав показания, можно определить активную мощность трехфазного потребителя. Такой метод измерения называется методом трех ваттметров. Наиболее часто он применяется для измерения мощности в трехфазной четырехпроводной несимметричной системе (Рис. 2.91). Рисунок 2.91 - Схема включения ваттметров в трѐхфазной цепи В частном случае симметричного трехфазного приѐмника и . Поэтому в симметричной трѐхфазной цепи измерение активной мощности может быть выполнено одним прибором (Рис. 2.92). а) б) Рисунок 2.92 - Схема измерения мощности симметричного приѐмника При соединении симметричного приемника треугольником также достаточно измерить мощность в одной фазе (Рис. 2.92, б); общая мощность равна утроенному показанию ваттметра. Как известно, мощность любой трехфазной системы (вне зависимости от схемы соединения приемников) равна сумме мощностей отдельных фаз или мощности источника питания (генератора, трансформатора). Для мгновенных зна- чений мощности трѐхпроводной трехфазной цепи будет справедливо выражение: ,(87) где , , — мгновенные значения мощностей отдельных фаз; , , , , , ,— мгновенные значения фазных напряжений и токов источника питания, фазы которого будем считать соединенными звездой, так что фазные то- ки равны линейным. Рисунок 2.93 - Схема измерения мощности двумя ваттметрами Выразив согласно закону Кирхгофа значения фазных токов , , в виде , , и подставив эти значения поочерѐдно в вышеприведѐнное уравнение, после преобразований получим , где , , - мгновенные значения линейных напряжений. Переходя к средней, т. е. активной, мощности источника и равной активной мощности приемника, имеем (88) где , , - углы сдвига фаз между линейными напряжениями и токами; , , , , , - действующие значения линейных токов и напряжений. Таким образом, активная мощность трѐхфазной системы равна алгебраической сумме показаний двух ваттметров: . На рис. 2.93 представлена одна из трѐх возможных схем включения двух приборов для измерения активной мощности. Метод двух ваттметров применяется для измерения активной мощности в несимметричных трехпроводных трехфазных цепях. Цифровые ваттметры Основной принцип работы цифрового ваттметра заключается в предварительном измерении силы тока и напряжения на исследуемом участке цепи. К потребителю нагрузки последовательно подключается датчик тока, а датчик напряжения подключается по параллельной схеме. Главным конструктивным элементом датчика служит термистор, термопара или измеряющий трансформатор. По такому же принципу работает ваттметр бытовой, широко используемый в домашних условиях. Такое устройство достаточно включить в розетку, чтобы начать процесс измерения. Основой устройства служит микропроцессор, к которому поступают измеренные параметры тока и напряжения, после чего и вычисляется мощность. Полученные результаты выводятся на экран и одновременно передаются на внешние приборы. В самом микропроцессоре присутствуют элементы, в том числе и микроконтроллеры, позволяющие автоматически управлять рабочими режимами, дистанционно переключать пределы измерений. С их помощью выполняется индикация условных обозначений измеряемых величин. При работе с преобразователями больших и средних уровней мощности, выполняется калибровка цифрового устройства с помощью калибратора мощности постоянного тока. Самостоятельная калибровка ваттметра осуществляется калибратором мощности переменного тока. Питание всех узлов и элементов происходит через источник питания постоянного тока, встроенный внутрь измерительного прибора. Рисунок 2.94 - Упрощенная структурная схема цифрового ваттметра Измерение электрической энергии Измерение реактивной энергии Постоянный ток. Для измерения расхода энергии при постоянном токе применяют счетчики трех систем: электродинамической, магнитоэлектрической и электролитической. Наибольшее распространение получили счетчики электродинамической системы. Неподвижные токовые катушки, состоящие из небольшого числа витков толстой проволоки, последовательно включены в сеть. Подвижная катушка шарообразной формы, называемая якорем, укреплена на оси, которая может вращаться в подпятниках. Обмотка якоря выполнена из большого числа витков тонкой проволоки и разделена на несколько секций. Концы секций припаяны к пластинам коллектора, которого касаются металлические плоские щетки. Напряжение сети подается в обмотку якоря через добавочное сопротивление. При работе счетчика в результате взаимодействия тока в обмотке якоря и магнитного потока неподвижных токов катушек создает момент вращения, под влиянием которого якорь начнет поворачиваться. О количестве энергии, потребляемой в сети, можно судить по числу оборотов, сделанных якорем (диском). Количество энергии, приходящееся на один оборот якоря, называется постоянной счетчика. Число оборотов якоря, приходящееся на единицу учтенной электрической энергии, называется передаточным числом. Однофазный переменный ток. Для измерения активной энергии в цепях однофазного переменного тока применяют счетчики индукционной системы. Устройство индукционного счетчика почти такое же, как и индукционного ваттметра. Разница состоит в том, что счетчик не имеет пружин, создающих противодействующий момент, отчего диск счетчика может свободно вращаться. Стрелка и шкала ваттметра заменены в счетчике счетным механизмом. Постоянный магнит, служащий в ваттметре для успокоения, в счетчике создает тормозящий момент. Трехфазный переменный ток. Активную энергию трехфазного переменного тока можно измерить с помощью двух однофазных счетчиков, включенной в цепь по схеме, аналогичной схеме двух ваттметров. Удобнее измерить энергию трехфазным счетчиком активной энергии, объединяющим в одном приборе работу двух однофазных счетчиков. Схема включения двухэлементного трехфазного счетчика активной энергии та же, что и схема соответствующего ваттметра. В четырехпроводной сети трехфазного тока для измерения активной энергии применяют схему, аналогичную схеме трех ваттметров, или употребляют трехэлементный трехфазный счетчик. В сетях высокого напряжения включение счетчиков производится при помощи измерительных трансформаторов напряжения и тока. Реактивную энергию однофазного тока можно определить по показанию амперметра, вольтметра, фазометра и секундомера. Для учета реактивной энергии в сетях трехфазного тока можно применять нормальные счетчики активной энергии и специальные счетчики реактивной энергии. Рассмотрим устройство однофазного индукционного счетчика. Однофазный индукционный счетчик используется для учета энергии в однофазных цепях переменного тока. В качестве измерительного механизма используется индукционный преобразователь. Число оборота дисков счетчика приходящиеся на единицу учитываемой энергии называют передаточным числом. Величина обратная передаточному числу называют номинальной постоянного счетчика (С ном ) W= С ном *N (89) Где W -энергия учитываемая счетчиком Однофазные(одноэлементные)индукционные счѐтчики используются для учѐта активной энергии в однофазных цепях переменного тока. В качестве вращающего элемента однофазного счѐтчика используется индукционный измерительный механизм. Принцип действия основан на взаимодействии 2х или нескольких переменных магнитных потоков с токами, индуцированными ими в подвижном алюминиевом диске. Рисунок 2.95 - Однофазный(одноэлементный)индукционный счѐтчик Основными его узлами являются электромагниты 1 и 2, алюминиевый диск 3, укрепленный на оси 4, опоры оси - подпятник 5 и подшипник 6, постоянный магнит 7. С осью связан при помощи зубчатой передачи 8 счетный механизм (на рисунке не показан), 9 - противополюс электромагнита 1. Электромагнит 1 содержит Ш - образный магнитопровод, на среднем стержне которого расположена многовитковая обмотка из тонкого провода, включенная на напряжение сети U параллельно нагрузке Н. Эта обмотка в соответствии со схемой включения называется параллельной обмоткой или обмоткой напряжения. При номинальном напряжении 220 В параллельная обмотка имеет обычно 8-12 тысяч витков провода диаметром 0,1 - 0,15 мм. Электромагнит 2 расположен под магнитной системой цепи напряжения и содержит U - образный магнитопровод, с расположенной на нем обмоткой из толстого провода с малым количеством витков. Данная обмотка включена последовательно с нагрузкой и поэтому называется последовательной или токовой обмоткой. Через нее протекает полный ток нагрузки /. Обычно количество ампер-витков этой обмотки находится в пределах 70 - 150, т.е. при номинальном токе 5 А обмотка содержит от 14 до 30 витков. Комплекс деталей, состоящий из последовательной и параллельной обмоток с их магнитопроводами, называется вращающим элементом счетчика. Реализация цифрового счѐтчика электрической энергии (рис. 2.96) требует специализированных ИС, способных производить перемножение сигналов и предоставлять полученную величину в удобной для микроконтроллера форме. Например, преобразователь активной мощности — в частоту следования импульсов. Общее количество пришедших импульсов, подсчитываемое микроконтроллером, прямо пропорционально потребляемой электроэнергии. Рисунок 2.96 - Блок-схема цифрового счетчика электрической энергии Не менее важную роль играют всевозможные сервисные функции, такие как дистанционный доступ к счѐтчику, к информации о накопленной энергии и многие другие. Наличие цифрового дисплея, управляемого от микроконтроллера, позволяет программно устанавливать различные режимы вывода информации, например, выводить на дисплей информацию о потреблѐнной энергии за каждый месяц, по различным тарифам и так далее. Для выполнения некоторых нестандартных функций, например, согласования уровней, используются дополнительные ИС. Сейчас начали выпускать специализированные ИС — преобразователи мощности в частоту — и специализированные микроконтроллеры, содержащие подобные преобразователи на кристалле. Но, зачастую, они слишком дороги для использования в коммунально-бытовых индукционных счѐтчиках. Поэтому многие мировые производители микроконтроллеров разрабатывают специализированные микросхемы, предназначенные для такого применения. Перейдѐм к анализу построения простейшего варианта цифрового счѐтчика на наиболее дешѐвом (менее доллара) 8-разрядном микроконтроллере Motorola. В представленном решении реализованы все минимально необходимые функции. Оно базируется на использовании недорогой ИС преобразователя мощности в частоту импульсов КР1095ПП1 и 8-разрядного микроконтроллера MC68HC05KJ1 (рис. 2.97). При такой структуре микроконтроллеру требуется суммировать число импульсов, выводить информацию на дисплей и осуществлять еѐ защиту в различных аварийных режимах. Рассматриваемый счѐтчик фактически представляет собой цифровой функциональный аналог существующих механических счѐтчиков, приспособленный к дальнейшему усовершенствованию. Рисунок 2.97 - Основные узлы простейшего цифрового счетчика электроэнергии Сигналы, пропорциональные напряжению и току в сети, снимаются с датчиков и поступают на вход преобразователя. ИС преобразователя перемножает входные сигналы, получая мгновенную потребляемую мощность. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера, преобразующего его в Вт∙ч и, по мере накопления сигналов, изменяющего показания счѐтчика. Частые сбои напряжения питания приводят к необходимости использования EEPROM для сохранения показаний счѐтчика. Поскольку сбои по питанию являются наиболее характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счѐтчике. Алгоритм работы программы (рис. 2.98) для простейшего варианта такого счѐтчика довольно прост. При включении питания микроконтроллер конфигурируется в соответствии с программой, считывает из EEPROM последнее сохранѐнное значение и выводит его на дисплей. Затем контроллер переходит в режим подсчѐта импульсов, поступающих от ИС преобразователя, и, по мере накопления каждого Вт∙ч, увеличивает показания счѐтчика. Рисунок 2.98 - Алгоритм работы программы При записи в EEPROM значение накопленной энергии может быть утеряно в момент отключения напряжения. По этим причинам значение накопленной энергии записывается в EEPROM циклически друг за другом через определѐнное число изменений показаний счѐтчика, заданное программно, в зависимости от требуемой точности. Это позволяет избежать потери данных о накопленной энергии. При появлении напряжения микроконтроллер анализирует все значения в EEPROM и выбирает последнее. Для минимальных потерь достаточно записывать значения с шагом 100 Вт∙ч. Эту величину можно менять в программе. Схема цифрового вычислителя показана на рис. 2.99. К разъѐму X1 подключается напряжение питания 220 В и нагрузка. С датчиков тока и напряжения сигналы поступают на микросхему преобразователя КР1095ПП1 с оптронной развязкой частотного выхода. Основу счѐтчика составляет микроконтроллер MC68HC05KJ1 фирмы Motorola, выпускаемый в 16- выводном корпусе (DIP или SOIC) и имеющий 1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Для хранения накопленного количества энергии при сбоях по питанию используется EEPROM малого объѐма 24С00 (16 байт) фирмы Microchip. В качестве дисплея используется 8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый любым недорогим контроллером, обменивающийся с центральным микроконтроллером по протоколу SPI или I2C и подключаемый к разъѐму Х2. Реализация алгоритма потребовала менее 1 Кбайт памяти и менее половины портов ввода/вывода микроконтроллера MC68HC05KJ1. Его возможностей достаточно, чтобы добавить некоторые сервисные функции, например, объединение счѐтчиков в сеть по интерфейсу RS-485. Эта функция позволит получать информацию о накопленной энергии в сервисном центре и отключать электричество в случае отсутствия оплаты. Сетью из таких счѐтчиков можно оборудовать жилой многоэтажный дом. Все показания по сети будут поступать в диспетчерский центр. Определѐнный интерес представляет собой семейство 8-разрядных микроконтроллеров с расположенной на кристалле FLASH-памятью. Поскольку его можно программировать непосредственно на собранной плате, обеспечивается защищѐнность программного кода и возможность обновления ПО без монтажных работ. Рисунок 2.99 - Цифровой вычислитель для цифрового счетчика электроэнергии Ещѐ более интересен вариант счѐтчика электроэнергии без внешней EEPROM и дорогостоящей внешней энергонезависимой ОЗУ. В нѐм можно при аварийных ситуациях фиксировать показания и служебную информацию во внутреннюю FLASH-память микроконтроллера. Это к тому же обеспечивает конфиденциальность информации, чего нельзя сделать при использовании внешнего кристалла, не защищѐнного от несанкционированного доступа. Такие счѐтчики электроэнергии любой сложности можно реализовать с помощью микроконтроллеров фирмы Motorola семейства HC08 с FLASH-памятью, расположенной на кристалле. Переход на цифровые автоматические системы учѐта и контроля электроэнергии — вопрос времени. Преимущества таких систем очевидны. Цена их будет постоянно падать. И даже на простейшем микроконтроллере такой цифровой счѐтчик электроэнергии имеет очевидные преимущества: надѐжность за счѐт полного отсутствия трущихся элементов; компактность; возможность изготовления корпуса с учѐтом интерьера современных жилых домов; увеличение периода поверок в несколько раз; ремонтопригодность и простота в обслуживании и эксплуатации. При небольших дополнительных аппаратных и программных затратах даже простейший цифровой счѐтчик может обладать рядом сервисных функций, отсутствующих у всех механических, например, реализация многотарифной оплаты за потребляемую энергию, возможность автоматизированного учѐта и контроля потребляемой электроэнергии. |