измерение Лабораторные. Выполняемые лабораторные работы на учебном лабораторном стенде нтц05. 08. 1 Электрические измерения с мпсо

• Название: Выполняемые лабораторные работы на учебном лабораторном стенде нтц05. 08. 1 Электрические измерения с мпсо
• Дата: 13.03.2023
• Размер: 6 Mb.
• Имя файла: измерение Лабораторные.docx
• Тип: Документы; #984268
• страница: 24 из 34

Лабораторная работа №9. Измерение мощности.

Цельработы:

• 
  Измерение мощности в цепях постоянного тока.
  
• 
  Измерение мощности в цепях переменного тока.
  
• 
  Измерение мощности двухэлементным ваттметров в трехфазных цепях.
  
• 
  Измерение мощности трехэлементным ваттметром в трехфазных цепях.
  

Краткие теоретические сведения.

Измерение мощности в цепях постоянного тока.

Анализируя выражение, определяющее мощность, выделяемую в какой-либо нагрузке,

𝑃 = 𝑈 · 𝐼

нетрудно видеть, что мощность Р может быть определена косвенно путем проведения двух прямых измерений: напряжения на нагрузке U с помощью вольтметра и тока в нагрузке I с помощью амперметра. Наиболее целесообразно применение в этом случае вольтметра и амперметра магнитоэлектрической системы.

тока.

Рисунок9.1.Схемы включения приборов для измерения мощности в цепи постоянного
а— сопротивление нагрузки мало по сравнению с сопротивлением вольтметра; б—

сопротивление нагрузки велико по сравнению с сопротивлением амперметра.
На рисунке 9.1, а, б приведены две схемы включения амперметра и вольтметра. Выбор той или иной схемы обусловлен допускаемой методической погрешностью измерения, вызываемой соизмеримостью внутренних сопротивлений приборов и сопротивления нагрузки ^RНАГР^.

Схема рисунок9.1,априменяется при измерении мощности в случае, когда сопротивление нагрузки относительно мало, схема рисунок9.1,б— когда сопротивление нагрузки относительно велико.

Несмотря на кажущуюся простоту и доступность, метод амперметра и вольтметра для измерения мощности Рна практике применяется крайне редко. Это объясняется тем, что названный метод требует одновременного отсчета показаний двух приборов и последующего вычисления Р.

Наиболее просто и с необходимой точностью измерение мощности производится непосредственно с помощью одного одноэлементного электродинамического ваттметра. Включение такого ваттметра в цепь постоянного тока необходимо осуществлять с соблюдением правильности соединения генераторных зажимов обмотки цепи тока и напряжения. На рисунке

2. 
   показано включение ваттметра PWдля измерения мощности Р.
   

Генераторный зажим токовой обмотки ваттметра всегда включается в сторону источника питания. Генераторный зажим обмотки напряжения, в целях уменьшения методической погрешности, может быть включен так, как это показано на рисунке9.2, аили б.




Рисунок 9.2. Схемы включения ваттметра в цепь постоянного тока. а — сопротивление нагрузки относительно большое; б— сопротивление нагрузки относительно малое.

Схема рисунок 9.2, а применяется при относительно большом значении сопротивления нагрузки R_НАГР, а схема рисунок 9.2, б — при относительно малом значении сопротивления нагрузки R_НАГР. (Сопротивление нагрузки соизмеримо с сопротивлением токовой цепи. Значение сопротивления токовой цепи всегда указывается на циферблате прибора.)

В большинстве случаев применения ваттметров сопротивление нагрузки R_НАГРотносительно велико (значение сопротивления нагрузки намного больше сопротивления последовательной токовой цепи ваттметра) и, следовательно, ваттметр необходимо включать по схеме рисунок 9.2,а.

Совершенно очевидно, что несоблюдение правильности включения генераторного зажима любой из обмоток ваттметра приводит к изменению направления вращающего момента и выходу указателя ваттметра за пределы шкалы.

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.




Рисунок9.3.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 9.3 показано включение одноэлементного ваттметра в однофазную цепь переменного тока. Пренебрегая методической погрешностью, записываем показание ваттметра:

𝑃_W = 𝑈 · 𝐼 · 𝑐𝑜𝑠𝜑

где 𝑈 и 𝐼 — действующие значения напряжения и тока нагрузки; 𝜑 (𝑈, 𝐼).

На рисунке 9.4, а, б показано включение одноэлементного ваттметра в симметричную трехфазную трехпроводную цепь. На рисунке9.4,анагрузка соединена звездой и нулевая точка доступна. На рисунке9.4,бнагрузка соединена треугольником. Если ваттметр невозможно включить в фазу так, как это показано на рисунке 9.4, б, или нулевая точка при соединении нагрузки звездой (рисунок9.4,а) недоступна, то в этом случае используется искусственная нулевая точка. 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.



Рисунок9.4.Схемы включения ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь при полной симметрии.

а— нагрузка соединена звездой и нулевая точка доступна; б— нагрузка соединена треугольником.
Включение ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь по схеме с искусственной нулевой точкой показано на рисунке 9.5.

Анализируя схемы включения ваттметров, приведенные на рисунке9.4,а,б, нетрудно видеть, что показание ваттметра будет соответствовать мощности одной фазы.




Рисунок9.5.Схема включения ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь с недоступной нулевой точкой при полной симметрии.
Мощности одной фазы будет соответствовать и показание ваттметра, включение которого показано на рисунке 9.5. Действительно, фазное напряжение U_A, на которое включена ^{обмотка напряжения ваттметра, равно 𝑈𝐴 = 𝑈𝐴𝐵⁄}√^{3. Линейный ток IАв токовой обмотке ваттметра 𝐼𝐴 = 𝐼𝐴𝐵}√^{3. Следовательно, показание ваттметра}

𝑃<sub>W

=</sub> ^𝑈𝐴𝐵 _𝐼

^√3

𝐴𝐵

√3𝑐𝑜𝑠 (𝐼^̇̂, 𝑈

_𝐴) = 𝑈

𝐴𝐵

^𝐼𝐴𝐵

𝑐𝑜𝑠𝜑

𝐴
т. е. ваттметр покажет мощность одной фазы, так как при симметричной нагрузке

∠⁽𝑈_𝐴, 𝐼_𝐴⁾ = ∠⁽𝑈_𝐴𝐵, 𝐼_𝐴𝐵⁾.

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.

Расширение диапазона измерения ваттметра по току при применении его для измерения мощности в низковольтных цепях с большими токами производится с помощью измерительного трансформатора тока. Если ваттметр применяется в цепи переменного тока, кроме того, еще и с повышенным напряжением, то диапазон измерения его по напряжению расширяют с помощью измерительного трансформатора напряжения.

Рисунок9.6. Схемы включения ваттметра в однофазную цепь переменного тока.

а — с использованием измерительного трансформатора тока; Б — с использованием измерительных трансформаторов тока и напряжения.
Для примера на рисунке9.6,апоказано включение ваттметра для измерения мощности в однофазной цепи через измерительный трансформатор тока, а на рисунке 9.6, б — через измерительный трансформатор тока и измерительный трансформатор напряжения. Следует обратить внимание на правильность включения генераторных зажимов ваттметра и соответствующих зажимов измерительных трансформаторов. Нетрудно видеть, что в схеме рисунок9.6,азначение измеряемой мощности Ропределяется умножением показания ваттметра P_Wна номинальный коэффициент трансформации 𝐾_𝐼HOM применяемого измерительного трансформатора тока:

𝑃 = 𝑃_W · 𝐾_𝐼HOM

В схеме рисунок9.6,бзначение измеряемой мощности определяется по формуле

𝑃 = 𝑃_W · 𝐾_𝐼HOM · 𝐾_𝑈HOM

где 𝐾_𝑈HOM — номинальный коэффициент трансформации используемого измерительного трансформатора напряжения.
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.



Рисунок 9 7. Схема включения двух ваттметров в трехфазную трехпроводную цепь (а) и векторная диаграмма (б).
На рисунке9.7,аизображена схема включения двух одноэлементных ваттметров. Обычно токовая обмотка одного ваттметра, например PW1, включается в фазу А, а токовая обмотка другого ваттметра — PW2— в фазу С. Обмотки напряжения ваттметров включаются на линейные напряжения так, как это показано на рисунке.

На рисунке9.7, б представлена векторная диаграмма цепи для частного случая — случая симметрии токов и напряжений.

Нетрудно видеть, что показание ваттметра PW1в -этом случае равно:

𝑃_W1 = 𝑈_𝐴𝐵𝐼_𝐴𝑐𝑜𝑠⁽30⁰ + 𝜑⁾ = 𝑈_Л𝐼_Л𝑐𝑜𝑠⁽30⁰ + 𝜑⁾

Аналогично нетрудно определить и показание ваттметра PW2:

𝑃_W2 = 𝑈_𝐵𝐶𝐼_𝐶𝑐𝑜𝑠⁽30⁰ − 𝜑⁾ = 𝑈_Л𝐼_Л𝑐𝑜𝑠⁽30⁰ − 𝜑⁾

Учитывая, что при измерении мощности с использованием метода двух приборов общая мощность цепи равна алгебраической сумме показаний ваттметров, а также учитывая выражения PW1и PW2, получаем:

𝑃 = 𝑃_W1 + 𝑃_W2 = 𝑈_Л𝐼_Л𝑐𝑜𝑠⁽30⁰ + 𝜑⁾ + 𝑈_Л𝐼_Л𝑐𝑜𝑠⁽30⁰ − 𝜑⁾


После несложных преобразований имеем:

𝑃 = 𝑈_Л𝐼_Л· 2𝑐𝑜𝑠30⁰ · 𝑐𝑜𝑠𝜑 = √3 · 𝑈_Л𝐼_Л𝑐𝑜𝑠𝜑

Таким образом, сумма показаний ваттметров PW1и PW2, есть не что иное, как мощность трехфазной цепи.

Следует отметить, что в соответствии с PW1 и PW2 показания каждого ваттметра могут быть положительными или отрицательными в зависимости от значения угла φ и его знака. Более того, при φ=+60° показание ваттметра PW1 равно нулю, а при φ=-60° нулевое показание будет у ваттметра PW2. При φ=0, т. е. при чисто активной нагрузке, показание ваттметра PW1равно показанию ваттметра PW2.

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 9.8. Два шихтованных магнитопровода 1 имеют неподвижные токовые обмотки 2. Обмотки напряжения, выполненные в виде подвижных рамок 3, укреплены на общей оси.

Включение токовых обмоток и обмоток напряжения трехфазных двухэлементных ваттметров производится по схеме рисунок9.7, в которой используется метод двух приборов.




Рисунок9.8.Двухэлементный ферродинамический измерительный механизм.




Рисунок 9.9.Схема включения элементов двухэлементного ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь с использованием трансформаторов тока.
Расширение диапазонов измерения трехфазных двухэлементных ваттметров, так же как и одноэлементных однофазных ваттметров, осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения. На рисунке9.9показано включение элементов двухэлементного трехфазного ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь через

измерительные трансформаторы тока. Очевидно, что в этом случае для получения мощности цепи показание ваттметра необходимо умножить на номинальный коэффициент трансформации 𝐾_𝐼HOM применяемых измерительных трансформаторов тока. Если измерение мощности осуществляется двумя одноэлементными ваттметрами, то на значение 𝐾_𝐼HOM умножается арифметическая сумма показаний ваттметров.

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.



Рисунок9.10.Схема включения трех ваттметров в трехфазную трехпроводную цепь.
На рисунке9.10приведена 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:

𝑃_W1 = 𝑃_𝐴 = 𝑈_𝐴𝐼_𝐴𝑐𝑜𝑠𝜑_𝐴

𝑃_W2 = 𝑃_𝐵 = 𝑈_𝐵𝐼_𝐵𝑐𝑜𝑠𝜑_𝐵

𝑃_W3 = 𝑃_𝐶 = 𝑈_𝐶𝐼_𝐶𝑐𝑜𝑠𝜑_𝐶

где U_A, U_Bи U_C— фазные напряжения; I_A, I_Bи I_C— фазные токи; φ_A, φ_Bи φ_C— фазовые сдвиги между соответствующими фазными напряжениями и фазными токами.

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

𝑃 = 𝑃_𝐴 + 𝑃_𝐵 + 𝑃_𝐶 = 𝑃_W1 + 𝑃_W2 + 𝑃_W3




Рисунок9.11.Трехэлементный ферродинамический измерительный механизм.
Принципиальная конструктивная схема трехэлементного трехфазного ферродинамического ваттметра приведена на рисунке10.11. Каждый элемент содержит выполненный из магнитомягкого материала шихтованный магнитопровод 1с 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 рисунке9.10.

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

Часть 9.1. Измерение мощности в цепях постоянного тока. Порядок выполнения

1. 
   Собрать схему, представленную на рисунке9.12
   

Рисунок 9.12.

2. 
   Перед включением стенда убедится, что все остальные переключатели находятся в начальном положении (выключены).
   
3. 
   Установить номинал сопротивления R1равным 100Ом(переключатель х10в блоке R2в положение 10).
   

Значение сопротивления R2 изменяется галетными переключателями 1x1000, 1x100, 1x10, 1x1 в следующем виде: R2=1000∙n_1x1000+100∙n_1x100+10∙n_1x10+n_1x1 Ом соответственно для каждого переключателя, где n – положение каждого переключателя соответственно.

4. 
   Включить стенд автоматическим выключателем QF1.
   
5. 
   Убедиться, что регуляторы напряжения ЛАТРанаходятся в начальных положениях
   

«0»(в крайнем левом положении).

6. 
   Подключить питание ЛАТРаTV1к исследуемой цепи тумблером SA1.
   
7. 
   Постепенно увеличивая напряжение ЛАТРом, установить значение напряжения по прибору PV330÷40В.
   

!Напряжение на выходе ЛАТРа регулируется двумя переключателями:Грубое регулирование: левый переключатель – с шагом 10В (от 0 до 40 В)Точноерегулирование:правыйпереключатель–сшагом1÷2В(от0до10В).

8. 
   Снять показания приборов PV3, PA3 и PW3.
   
9. 
   Выключить стенд в следующем порядке:
   
   • 
     Выключить тумблер SA1;
     
   • 
     Выключить стенд автоматическим выключателем QF1;
     
   • 
     Вернуть переключатели ЛАТРаTV1в начальное состояние «0»(в крайне правое положение «0»);
     
   • 
     Убрать все перемычки.
     
10. 
    Вычислить по результатам измерения Uи Iмощность нагрузки:
    

^{𝑃 = 𝑈}𝑃𝑉3 ^{· 𝑈}𝑃𝐴3

11. 
    Рассчитать мощности исходя из значения сопротивления R_НАГР=R2≈100Ом(более
    

точноможноизмеритьмультиметром):


𝑃𝐴3
𝑃 = 𝐼² 𝑅_{HA P}


𝑈



_{2𝑃 =} 𝑃𝑉3

^𝑅HA P

12. 
    Сравнить все рассчитанные мощности и мощность измеренную прибором PW.
    

Часть 9.1. Измерение мощности в цепях постоянного тока. Порядок выполнения

13. 
    Собрать схему, представленную на рисунке9.13
    

Рисунок 9.13.

14. 
    Перед включением стенда убедится, что все остальные переключатели находятся в начальном положении (выключены).
    
15. 
    Установить номинал сопротивления R1равным 100Ом(переключатель х10в блоке R2в положение 10).
    

Значение сопротивления R2 изменяется галетными переключателями 1x1000, 1x100, 1x10, 1x1 в следующем виде: R2=1000∙n_1x1000+100∙n_1x100+10∙n_1x10+n_1x1 Ом соответственно для каждого переключателя, где n – положение каждого переключателя соответственно.

16. 
    Включить стенд автоматическим выключателем QF1.
    
17. 
    Убедиться, что регуляторы напряжения ЛАТРанаходятся в начальных положениях
    

«0»(в крайнем левом положении).

18. 
    Подключить питание ЛАТРаTV1к исследуемой цепи тумблером SA2.
    
19. 
    Постепенно увеличивая напряжение ЛАТРом, установить значение напряжения по прибору PV330÷40В.
    

!Напряжение на выходе ЛАТРа регулируется двумя переключателями:Грубое регулирование: левый переключатель – с шагом 10В (от 0 до 40 В)Точноерегулирование:правыйпереключатель–сшагом1÷2В(от0до10В).

20. 
    Снять показания приборов PV3, PA3 и PW3.
    
21. 
    Выключить стенд в следующем порядке:
    
    • 
      Выключить тумблер SA2;
      
    • 
      Выключить стенд автоматическим выключателем QF1;
      
    • 
      Вернуть переключатели ЛАТРаTV1в начальное состояние «0»(в крайне правое положение «0»);
      
    • 
      Убрать все перемычки.
      
22. 
    Вычислить по результатам измерения Uи Iмощность нагрузки:
    

^{𝑃 = 𝑈}𝑃𝑉3 ^{· 𝑈}𝑃𝐴3

23. 
    Рассчитать мощность исходя из значения сопротивления R_НАГР=R2≈100Оми
    

считая нагрузку чисто активную (болееточноможноизмеритьмультиметром):


𝑃𝐴3
𝑃 = 𝐼² 𝑅_{HA P}


𝑈



_{2𝑃 =} 𝑃𝑉3

^𝑅HA P

24. 
    Сравнить все рассчитанные мощности и мощность измеренную прибором PW.
    

Дополнительно можно провести опыты с использованием индуктивного (L1) и емкостного (C1) элементов.

Часть 9.3. Измерение мощности в цепях переменного тока методом трех ваттметров.

1. 
   Собрать схему, представленную на рисунке9.14.
   
2. 
   Перед включением стенда убедится, что все остальные переключатели находятся в начальном положении (выключены).
   
3. 
   Включить стенд автоматическим выключателем QF1.
   
4. 
   Снять показания приборов:
   
   • 
     PV3 – Напряжение фазы A;
     
   • 
     PA3 - Ток фазы A;
     
   • 
     PW3 - Мощность фазы A;
     
   • 
     PV4 - Напряжение фазы В;
     
   • 
     PA4- Ток фазы В;
     
   • 
     PW4- Мощность фазы B;
     
   • 
     PV5 - Напряжение фазы C;
     
   • 
     PA5- Ток фазы C;
     
   • 
     PW5 - Мощность фазы C;
     
5. 
   Выключить стенд в следующем порядке:
   
   • 
     Выключить стенд автоматическим выключателем QF1;
     
   • 
     Убрать все перемычки.
     

Рисунок 9.14.

6. 
   Вычислить по результатам измерения Uи Iмощность нагрузки в каждой фазе.
   
7. 
   Сравнить сумму показаний трех ваттметров и рассчитанных мощностей, исходя из активной нагрузки R4=R6=R8≈510Ом(болееточноможноизмеритьмультиметром).