Электрические измерения и приборы

Электрические измерения и приборы

Содержание

Введение

. Методы измерения электрической мощности и энергии

.1 Общие сведения

.2 Измерение мощности в цепи однофазного синусоидального тока

.3 Измерение мощности в цепях повышенной и высокой частот

.4 Измерение мощности электронным выпрямительным ваттметром

.5 Измерение мощности термоэлектрическим ваттметром

.6 Измерение мощности ваттметром с преобразователем Холла

.7 Измерение мощности с осциллографом

.8 Измерение мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока ваттметрами

.9 Измерение энергии в цепях постоянного тока

. Конструкции приборов для измерения мощности и энергии

.1 Конструкции ваттметров

.2 Особенности конструкции однофазных счетчиков

.3 Современные приборы (технические характеристики и особенности)

Список литературы

Введение

Измерение мощности в электрических цепях может быть осуществлено прямым или косвенным методами. Прямые методы, ввиду их преимущества перед косвенными применяются наиболее часто.

В зависимости от параметров цепи, в которой производится измерение мощности, методы измерения существенно отличаются друг от друга. Специфика измерения особенно сказывается в цепях высоких частот (мегагерцы и гигагерцы) и в импульсных цепях.

1. Методы измерения мощности и энергии

.1 Общие сведения

Измерение мощности осуществляется в процессе эксплуатации различной измерительной, электротехнической, радиоприемной и передающей аппаратуры. Диапазон измеряемых мощностей 10-16-109 Вт в цепях постоянного и переменного токов высокой частоты, в импульсных цепях. Методы измерения существенно отличаются друг от друга в зависимости от параметров цепи, в которой производится измерение мощности, предела изменения мощности и частотного диапазона. В цепях постоянного тока мощность потребления Р нагрузки R определяется произведением тока I в нагрузке на падение напряжения U на ней:

В цепях переменного тока мгновенное значение мощности потребления:

.

Если напряжение и и ток i - периодические функции времени с периодом Т, то среднее значение мощности потребления за период называют мощностью или активной мощностью Р. Мощность Р с мгновенным значением мощности р(t) связана выражением

В цепях однофазного синусоидального тока

ul(t) = U sinWt,

измеряют активную Р, реактивную Q, и полную S мощности:

где U, I- среднеквадратичные значения напряжения и тока в цепи;

ф - сдвиг по фазе между напряжением и током в нагрузке;

R, X, Z - активное, реактивное, полное сопротивления нагрузки.

Чаще всего ограничиваются измерением активной мощности.

В цепях несинусоидального периодического тока при условии, что функции и и i можно разложить в ряд Фурье, вышенаписанные формулы будут иметь вид:

Uo, Io - постоянные составляющие напряжения и тока;

U, I - соответственно среднеквадратичные значения напряжения и тока к-гармоники;

Ф - сдвиг по фазе.

В цепях, питаемых напряжением в виде периодической последовательности однополярных прямоугольных импульсов, усреднение мощности осуществляют не только по периоду следования Т, но и по длительности импульса t. При этом мощность, усредненную по периоду Т следования импульсов, называют средней мощностью или мощностью

,

а мощность, усредненную за время длительности импульса, - импульсной мощностью:

.

Значения мощностей Р и РИ связаны между собой соотношением:

Обычно среднюю мощность измеряют и, зная скважность импульсов, вычисляют импульсную мощность. При импульсах, отличных от прямоугольной формы, мощность определяют по эквивалентному прямоугольному импульсу той же амплитуды, длительность которого равна интервалу времени между точками огибающей импульса на уровне 0,5 ее амплитуды. Мощность измеряется в абсолютных единицах - ваттах, производных ватта и относительных единицах - децибелваттах (или децибелмилливаттах) ±а=10lg(Р/Ро), где Р - абсолютное значение мощности в ваттах (или милливаттах), Ро - нулевой (отсчетный) уровень мощности, равный 1 Вт (или 1 мВт), связанный с абсолютными нулевыми уровнями напряжения Uo и тока Iо через стандартное сопротивление Ro соотношением Ро= U2o/R2о = I2R.

При Ро= 1 мВт; Ro= 600 Ом, Uo=-0,775 В; число децибел со знаком "+", если Р>Ро, и со знаком "-", если Р<Ро.

Для измерения мощности используют прямые и косвенные методы. Прямые методы измерения осуществляются с помощью электродинамических, ферродинамических и электронных ваттметров, косвенные методы сводятся к определению мощности посредством амперметра и вольтметра или осциллографа.

Измерение мощности в цепях постоянного тока и тока промышленной частоты Мощность в цепях постоянного тока можно определить косвенным путем по показаниям вольтметра и амперметра, две возможные схемы измерения мощности приведены на рис. 1(а,б). При измерении мощности этим способом возникает значительная погрешность измерения, так как погрешности приборов суммируются и кроме того, возникает методическая погрешность за счет собственной мощности потребления этими приборами.

Мощность потребления нагрузки P=UI. Мощность Рх, вычисленная по показаниям приборов (рис. 1,а)

Px=UvIa=U(Iv+I)=UIv+UI=Pv+P

больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности Pv потребления вольтметра (Iv - ток в цепи вольтметра). Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра.

Мощность Рх, вычисленная по показаниям приборов (рис. 1,б)

Px=UvIa=(Ua+U)I=UaI+UI=Pa+P

больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности Ра потребления амперметра (Ua - падение напряжения на амперметре). Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем меньше входное сопротивление амперметра. Поэтому схему изображенную на рис. (1,а) применяют для измерения мощности при малых сопротивлениях нагрузки, а схему, изображённую на рис. 1,б - больших.

Рис. 1 (а, б) Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и амперметра

Если известны входные сопротивления приборов, то можно внести к их показаниям соответствующие поправки и уменьшить погрешность определения мощности, т.е. получить более точный результат измерения.

Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного токов применяют электродинамические ваттметры.

.2 Измерение мощности в цепи однофазного синусоидального тока

Для измерения мощности неподвижную катушку ваттметра включают последовательно с нагрузкой, мощность которой необходимо измерить а подвижную катушку параллельно к нагрузке рис. 2. В соответствии со схемой включения ток в цепи неподвижной катушки равен току нагрузки: I1=I, а в цепи подвижной катушки (приближенно считая ее сопротивление активным Rwv):

I2=IV=U/Rwv,

тогда угол сдвига фаз между I и I равен углу сдвига фаз ф между U и I, т.е. ф=\|/.

Угол отклонения подвижной части ваттметра находится в линейной зависимости от значения измеряемой мощности Р.

Для равномерности шкалы ваттметра необходимо, чтобы дМ/да=const, тогда уравнение шкалы прибора примет следующий вид:

a=kP=kUI cosф.

Это выражение справедливо для ваттметра переменного и постоянного тока (cosф=1).

В реальных условиях подвижная катушка ваттметра обладает небольшой индуктивностью: Lwv=3-10 мГн. Полное сопротивление катушки

Рис. 2. Включение электродинамического ваттметра (а) и его векторные диаграммы (б, в), поясняющие его работу

Где R - добавочное сопротивление, поэтому ток в цепи катушки I2, отстает от напряжения U на некоторый угол

Векторная диаграмма электродинамического ваттметра будет иметь вид, изображенный на рис.2,в. Из диаграммы следует, что \|/=ф-.

Из данного выражения следует что при одном и том же значении измеряемой мощности, но при различных значениях показания прибора различны. Значения z и б являются функциями частоты, однако при частоте до 100 Гц погрешность, обусловленная этой зависимостью, незначительна, так как (<< R ею можно пренебречь. При этом следует учитывать только погрешность, определяемую углом , называемую угловой погрешностью измерения мощности и вычисляемую следующим образом:

где Рх - измеренное значение мощности;

Р - действительное значение мощности.

Ввиду малости угла  приближенно можно считать, что .

Для уменьшения угловой погрешности в цепь подвижной катушки включают компенсационную емкость Ск (см.рис.2,а) Сопротивление параллельной цепи ваттметра:

При полной компенсации сопротивление Z должно быть активным, следовательно,

В следствие малой индуктивности Lwv подвижной катушки ваттметра условие выполняется при таких R и С, что <<1, поэтому

В ваттметре при изменении направления тока в одной из катушек изменяется знак угла отклонения подвижной части, поэтому зажимы обмоток прибора, закорачивание которых приводит к правильному отклонению стрелки, называют генераторными и обозначают звездочками.

Обычно в цепь подвижной катушки ваттметра вводят переключатель направления тока, позволяющий менять направление вращающего момента и получать отклонение стрелки в правильную сторону.

Рис. 3. Включение электродинамического ваттметра через измерительные трансформаторы тока и напряжения

Включение неподвижной катушки ваттметра последовательно с нагрузкой (рис.2,а) возможно только при токах нагрузки 10-20 А (при больших токах нагрузки деподвижную катушку ваттметра включают через трансформатор тока). При измерении мощности в цепях высокого напряжения (свыше 600 В) подвижную катушку ваттметра включают не непосредственно в измеряемую цепь, а через трансформатор напряжения, а неподвижную катушку ваттметра - через измерительный трансформатор тока (независимо от значения тока нагрузки).

Включение ваттметра через измерительные трансформаторы тока ТрТ и напряжения ТрН показано на рис. 3. Значение измеряемой мощности определяют по показанию ваттметра, умноженному на произведение трансформации трансформаторов тока и напряжения:

,

где

Рх - измеренное значение активной мощности в цепи нагрузки;

Pw - показание ваттметра:

Ки, Кi - номинальные коэффициенты трансформации соответственно трансформаторов напряжения и тока.

Измеренное значение мощности будет отличаться от действительного за счет погрешности в передаче значении напряжения и тока, а также угловых погрешностей трансформаторов. Электродинамические ваттметры изготовляют многопредельными, высоких классов точности (0,1; 0,2) с диапазоном измеряемых мощностей от десятых долей ватта до 3-6 кВт, используют их как лабораторные приборы. При грубых измерениях в качестве щитовых приборов применяют ферродинамические ваттметры.

Рис. 4. Электронный выпрями тельный ваттметр.

.3 Измерение мощности в цепях повышенной и высокой частот

В цепях повышенной и высокой частот проводят прямые и косвенные измерения мощности. В ряде случаев косвенные измерения предпочтительнее, так как проще измерять напряжение, ток и сопротивление, чем мощность. При прямых измерениях в основном используют электронные ваттметры. В некоторых электронных ваттметрах используют электродинамические измерительные механизмы с предварительным усилением тока и напряжения либо с предварительным выпрямлением этих величин.

В электронных ваттметрах в качестве измерительного механизма может быть использован и электростатический электрометр с усилителями напряжения и тока, а также магнитоэлектрические механизмы с квадраторами. Квадраторы выполняют на электронных лампах, преобразователях и др. нелинейных элементах, работа которых осуществляется на квадратичном участке вольтамперной характеристики.

Операция перемножения ui в квадраторах заменяется операциями суммирования и возведения в квадрат. В диапазоне частот до сотен мегагерц используют ваттметры с датчиками Холла. На сверхвысоких частотах измерение мощности осуществляется преобразованием мощности в тепло (калориметрические методы), свет (фотометрические методы) и т. д.

.4 Измерение мощности электронным выпрямительным ваттметром

Принципиальная схема электронного ваттметра с квадратором, выполненным на полупроводниковых диодах, представлена на рис.4. Ваттметр имеет два резистора в цепи тока, сопротивления которых R1=R2 много меньше сопротивления нагрузки, и два, резистора сопротивлениями R3, R4 в цепи напряжения. Резисторы R3, R4 выполняют роль делителя напряжения, поэтому сопротивление R3+R4 много больше сопротивления нагрузки Z.

Падение напряжения на резисторах R2=R1 пропорционально току нагрузки k1i, падение напряжения на резисторе R3 делителя пропорционально напряжению на нагрузке, т. е. к2и. Как из схемы, напряжения u1 и u2 на диодах Д1 и Д2 будут соответственно:

u1=k2u+k1i; u2=k2u-k1i

При идентичных характеристиках диода и работе на квадратичном Участке вольтамперной характеристики токи i1 и i2 пропорциональны квадратам напряжений: i1=βu21; i2= βu22

Ток и цепи прибора

i=(i1-i2) R/Rn.

Постоянная составляющая тока, измеряемая магнитоэлектрическим прибором, при

u=Umsin и i=Im sin(± ф) пропорциональна активной мощности

ln=kp,

где Р измеряемая мощность.

Электронные ваттметры, включающие в свою схему диоды, обладают невысокой точностью (определяющим является неидентичность характеристик диодов), погрешностью измерения ±1,5-6%, малой чувствительностью, большей мощностью потребления, частотным диапазоном, ограничивающимся десятками килогерц.

.5 Измерение мощности термоэлектрическим ваттметром

Частотный диапазон может быть расширен до 1 МГц, если квадратор построить на бесконтактных термопреобразователях. Термоэлектрический ваттметр отличается от выпрямительного тем, что вместо диодов включаются нагреватели бесконтактных термопар, а разность термо-ЭДС на холодных концах, измеряемая магнитоэлектрическим милливольтметром, пропорциональна средней мощности потребления нагрузки. Термоваттметры используют при измерении мощности в цепях с несинусоидальным током и напряжением; при измерении мощности в цепях с большим сдвигом фаз между напряжением и током, при определении частотной погрешности электродинамических ваттметров.

1.6 Измерение мощности ваттметром с преобразователем Холла

Представляет собой четырёхполюсник, выполненный в виде тонкой полупроводниковой монокристаллическоё пластинки.

Токовыми выводами Т-Т преобразователь Холла подключается к внешнему источнику постоянного или переменного тока, потенциальными выводами X-Х (холловскими), между которыми возникает ЭДС в момент, когда на пластину воздействует магнитное поле, - к измерителю напряжения. Выводы Х-Х присоединяются к боковым граням в эквипотенциальных точках при отсутствии внешнего магнитного поля. ЭДС Холла равна

ex=kxBix

Рис. 5. Ваттметр с преобразователем.

где кх - коэффициент, значение которого зависит от материала, размеров и формы пластинки, а также от температуры окружающей среды и значения магнитного поля; В - магнитная индукция. ЭДС Холла будет пропорциональна мощности, если одну из входных величин, например магнитную индукцию В, сделать пропорциональной напряжению и, а другую - ток ix - току через нагрузку.

Для реализации ваттметра преобразователь Холла помещают в зазор электромагнита (рис.5) намагничивающая катушка L которого питается током, пропорциональным току нагрузки, а через Т-Т проходит ток, пропорциональный напряжению, приложенному к нагрузке Z. Значение тока ограничивается добавочным резистором Rдоб. Направления магнитных силовых линий вектора индукции В в магнитном поле сердечника магнитопровода показаны на рис. 8.5 пунктиром. ЭДС Холла ех=kui=кр регистрируется магнитоэлектрическим милливольтметром (к - коэффициент пропорциональности).

Ваттметры с преобразователем Холла позволяют измерять мощности в диапазоне частот до сотен мегагерц.

Достоинства этих ваттметров - безынерционность, простота конструкции, долговечность, надежность, а недостаток - зависимость параметров от температуры.

.7 Измерение мощности с осциллографом

К косвенным методам измерения мощности относят и осциллографический метод, который рекомендуется применять тогда, когда цепь питается напряжением синусоидальной формы, при высоких частотах, маломощных источниках напряжения, работе электронных схем в ключевом режиме, наличии в цепи нелинейных элементов и т.д. В частности, при работе электронных схем в импульсном режиме посредством осциллографа измеряют мгновенные значения напряжения U(t) и тока i(t) на исследуемом участке схемы за время, равное периоду следования импульсов (особенно тщательно проводят измерения за время нарастания и спада импульса). По полученным данным строят эпюры напряжения и тока. Эпюру мгновенного значения мощности p(t) строят по произведению ординат кривых напряжения u(t) и тока i(t) для каждого момента времени действия импульса. По кривой мгновенных значений мощности за период определяют максимальное значение мгновенной мощности за период определяют максимальное значение мгновенной мощности, среднее значение мощности Р и импульсную мощность Р. Для определения среднего значения мощности Р и импульсной мощности Рц вычисляют площадь, ограниченную кривой мгновенной мощности за период, и зятем строят прямоугольник равной площади.

Если основание прямоугольника равно длительности импульса, то его высота представляет собой значение импульсной мощности Р, если же основание прямоугольника равно периоду следования импульсов, то высота прямоугольника равна значению средней мощности.

.8 Измерение мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока ваттметрами

В цепях постоянного тока для измерения мощности применяются лишь электродинамические ваттметры, а в цепях однофазного тока применяются как электродинамические ваттметры (в качестве лабораторных приборов классов 0,2 и 0,5) так и ферродинамические и индукционные ваттметры (в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5).

Рассмотрим свойства, общие всем ваттметрам, на примере электродинамического ваттметра.

При использовании электродинамического измерительного механизма в качестве ваттметра его катушки включаются по схеме, изображенной на рис.6. Обе половины неподвижной катушки включены последовательно в цепь тока I, а подвижная катушка включена параллельно нагрузке на напряжение U. Добавочное сопротивление Кдоб служит для расширения предела измерения ваттметра по напряжению. Поэтому неподвижную катушку часто называют последовательной, а подвижную катушку - параллельной.

Рис. 6

α= cI1I2 cos/W*dM/dα,

где

с - конструктивная постоянная;

W - удельный противодействующий момент;

М - взаимная индуктивность между последовательной и параллельной катушками.

Если ваттметр включен в цепь постоянного тока, то

I1=I; I2 = U/R2; =0,

Где R2 = r2 + Rдоб

тогда α = cIU/R2W * dM/dα = КР*dM/dα,

где постоянная =c/R2W.

Если же ваттметр включен в цепь переменного тока, то необходимо учесть фазовые сдвиги в соответствии с рис.7. Вследствие небольшой индуктивности цепи подвижной катушки ток I2 в ней отстаёт от напряжения U на весьма небольшой угол σ. Сдвиг по фазе ф между током в последовательной катушке (I1=I) и напряжением определяется характером нагрузки.

Рис. 7

Так как \|/ =ф-σ, то

α = cIUcos(ф-σ)/z2W*dM/dα,

где

z - модуль комплексного сопротивления цепи параллельной катушки. Подставляя z2 = R2/cosσ в 12-2, получим:

α = cIUcosσcos(ф- σ)/R2W*dM/dα.

Если величиной σ можно пренебречь, то

α = KUI cosфdM/dα = KPdM/dα.

.9 Измерение энергии в цепях постоянного тока

Измерение энергии постоянного тока чаще всего осуществляется электродинамическими счётчиками рис.8, представляющими собой электродвигатель постоянного тока, в котором поле создаётся неподвижными катушками А-А, а якорем служат катушки В, включаемые в цепь через коллектор 1.

Рис. 8

Катушки А-А включаются в цепь нагрузки последовательно, а якорь В с катушкой К, назначение которой будет пояснено ниже, и добавочным сопротивлением Кдоб включается в цепь параллельно.

На оси подвижной части расположен алюминиевый диск 2, вращающийся меду полюсами постоянного магнита 3. Вращение подвижной части через червячную передачу 4 передается счётному механизму.

Вращающий момент электродинамического счётчика пропорционален произведению токов в подвижной и неподвижной катушках:

Мвр= с I1I2,

Где I1=I- ток в последовательной катушке;

I2=U/R2 - ток в якоре, определяемый напряжением U и сопротивлением R2 всей цепи якоря;

С - конструктивная постоянная, зависящая от взаимного расположения и числа витков катушек.

Следовательно, вращающий момент, равный

MBp=cIU/R2 =КР,

Пропорционален мощности Р, потребляемой нагрузкой. Под действием этого вращающего момента подвижная часть начинает вращаться со все возрастающей скоростью.

Благодаря вращению диска 2 в магнитном поле постоянного магнита в нём индуктируются токи IД, которые, взаимодействуя с потоком Ф постоянного магнита, создают противодействующий (тормозной) момент Мтор.

Выражение для Мтор можно получить исходя из следующих соображений. Токи в диске IД равны:

IД =Ед/Rд,

Где Ед=-Ф dα/dt

э.д.с., индуктируемая в диске при его вращении в поле Ф с угловой скоростью dα/dt;

Rq - сопротивление диска для токов IД.

Тормозной момент Мтор равен:

Мтор = ФIД = Ф2/КД*dα/dt =с2*dα/dt,

Т.е. пропорционален скорости диска.

Установившаяся скорость диска определяется равенством вращающегося и тормозного моментов.

КР = с2*dα/dt.

Таким образом, установившаяся скорость счётчика пропорциональна мощности. Интегрируя выражение за промежуток времени (t2-t1) измерения энергии найдём:

Интеграл - это энергия We, израсходованная в нагрузке за время (t2-t1).

Интеграл  представляет собой угол, на который поворачивается якорь счётчика за время t2-t1, т.е.

где N - полное число оборотов якоря за время (t2-t1). Таким образом,

или

Где

Называется постоянной счётчика.

Таким образом, полное число оборотов якоря, отсчитываемое счётным механизмом, пропорционально электрической энергии.

Номинальная постоянная счётчика всегда указывается на щитке счетчика. Так, например, если на щетке указано, что 1 квт * час равен 200 оборотам, то

Сн= 1000* 3600/200 = 18000 вт*сек/об.

Погрешностью счётчика будет:

у = С-Сн/Сн*100[%]

Погрешность счётчика определяется в основном трением в опорах, коллекторе и счётном механизме. При малых нагрузках, когда потребляемая мощность невелика, момент трения соизмерим с вращающим моментом и подвижная часть вращается медленнее, чем это должно быть, счётный механизм показывает меньше, чем нужно, и возникает большая отрицательная погрешность.

Для уменьшения погрешности от трения прибегают к компенсации момента трения дополнительным, так называемым компенсационным моментом. Этот момент создаётся дополнительной неподвижной катушкой К рис. 8, включённой в параллельную цепь счётчика. Положение этой катушки относительно подвижной части счётчика можно подобрать так, что создаваемый ею дополнительный вращающий момент будет равен моменту трения при номинальном напряжении.

Так как компенсационный момент определяется напряжением U, то при повышении последнего может оказаться, что этот момент станет больше момента трения и диск счётчика будет вращаться даже при отсутствии тока I в нагрузке, т.е. появится "самоход" счётчика. Для борьбы с самоходом на оси укрепляется железная проволочка 5, которая приближаясь (при вращении якоря) к магниту, притягивается им, благодаря чему подвижная часть счётчика останавливается.

2. Конструкции приборов для измерения мощности и энергии

.1 Конструкции ваттметров

Как правило электродинамические ваттметры из-за их относительной сложности и довольно высокой стоимости изготовляют только в качестве лабораторных переносных приборов высших классов точности 0,5; 0,2; 0,1. Электродинамические переносные ваттметры выпускают в виде многопредельных приборов, имеющих обычно 2 предела по току и несколько пределов по напряжению.

Рассмотрим два типа многопредельных ваттметров: шестипредельный ваттметр Д57 класса 0,1 и шестипредельный ваттметр Д566 класса 0,2.

Однофазный ваттметр типа Д57 выпускают в 4 модификациях, имеющих различные пределы по току 0,5/1а; 2/4а; 2,5/5а; 5/10а. Все четыре модификации имеют три предела по напряжению: 75, 150 и 300 в. Номинальная область частот этих приборов 40-60 гц. В схеме прибора предусмотрены температурная и частотная компенсации.

Измерительные катушки, применяемые в приборе, круглые. Рамка - бескаркасная, намотанная алюминиевым проводом. Неподвижные катушки выполнены на пластмассовых каркасах медным проводом.

Особенностью ваттметра Д57 является двухстрочная шкала. Её длина равна 600 мм. Для отсчёта в двухстрочной шкале в приборе применён специальный световой указатель в виде двух одинаковых проекционных систем, расположенных симметрично относительно оси подвижной части. Благодаря применению оптической системы отсчета указатель находится в одной плоскости со шкалой, что полностью устраняет погрешность от паралакса. Отсчёт показаний производится с высокой точностью.

На рис. 9, а приведена принципиальная схема ваттметра Д57, а на рис. 9, б - схема оптического отсчётного устройства.

Рис. 9

Ваттметр типа Д57 применяется в качестве образцового приборапри точных лабораторных измерениях.

На рис.10,а представлен внешний вид, а на рис.10,6 - принципиальная схема ваттметра типа Д566. Ваттметр Д 566 имеет 6 модификаций на различные пределы по току. Все модификации шестипредельные: два предела по току и три по напряжению. Номинальная область частот 45-500 гц, расширенная - до 1500 гц. Рамки приборов выполнены алюминиевым проводом, а неподвижные катушки медным. В ваттметрах Д566 применены щёточные переключатели поворотного типа. Всего переключателей 2. Один переключает пределы по напряжению, а второй пределы по току и одновременно может изменять направление тока в неподвижных катушках.

Рис. 10

Ток в рамках ваттметров Д57 и Д566 равен 30 ма (за исключением 15 ма лля Д566/16).

Ваттметр используется в качестве лабораторного прибора и при испытаниях и настройке сложных и точных электротехнических устройств.

2.2 Особенности конструкции однофазных счетчиков

электрический мощность ток ваттметр

Выше уже упоминались некоторые особенности конструкции счетчиков, вытекающие из общих принципов их работы. Мощность цепи переменного тока, как известно равняется:

Р = UIcosф,

где

ф - угол сдвига фаз между током и напряжением.

Для того чтобы вращающий момент счётчика оказался пропорционален мощности необходимо соблюдение условия cosф=sin\|/. Это условие соблюдается при \|/ = 90°-ф, т.к. sin (90°-ф) = соsф.

При ф=0 (ток в нагрузке совпадает по фазе с напряжением) это условие превращается в \|/=90°, т.е. при отсутствие сдвига фаз между током и напряжением сдвиг фаз между рабочими потоками и напряжения должен составлять 90°. Это условие выполняется за счет специальной конструкции электромагнитов напряжения и тока.

Рис. 11

На рис. 11 изображены электромагнит напряжения электросчетчика СО-5 и его векторная диаграмма. Общий магнитный поток Фu0, создаваемый током Iu, разделяется на рабочий поток Фu и нерабочий ФL,так как он вызывает потерине только в сердечнике, но и в специально-вводимом короткозамкнутом витке и в диске. Из векторной диаграммы видно, что рабочий поток Фu отстаёт по фазе от напряжения на угол β>90°. Такая величина Р необходима для достижения 90- градусного сдвига фаз между Фu и ФL.

Указанное значение β может быть достигнуто только при условии, что нерабочий поток ФL много больше рабочего потока Фu (обычно в 3-5 раз). А также благодаря введению специального короткозамкнутого витка, создающего добавочные потери на пути рабочего потока напряжения. Напряжение U, приложенное к обмотке электромагниту напряжения, уравновешивается ЭДС ЕU0, индуктируемой полным потоком Фu0, и активным падением напряжения

Ua = Iu ru,

где ru - активное сопротивление обмотки.

Электродвижущая сила ЕU0 состоит из двух составляющих Еu и El, индуктируемых соответственно рабочим и нерабочим потоками.

На рис. 12 а и б изображены электромагнит тока счётчика СО-5 и его векторная диаграмма. Через обмотку электромагнита пропускается ток нагрузки I. Намагничивающая сила этой обмотки создаёт переменный ФI0, который разделяется на две составляющие ФI- рабочий поток и ФS- нерабочий поток. Полный поток ФI0 будет создавать е.д.с. Ео, идущую на покрытие потерь в магнитопроводе, диске и короткозамкнутых витках и отстающую о ФI0 на 90°. Ток Iа, идущий на покрытие этих потерь, в сумме с намагничивающим током IН даёт полный ток I. Для определения полного падения напряжения на зажимах катушки тока необходимо к реактивной составляющей падения напряжения Ею прибавить активную составляющую потерь в меди Ua. При разложении полного магнитного потока электромагнита тока на составляющие необходимо учесть, что нерабочий поток замыкается помимо диска и поэтому имеет на своём пути меньшие активные потери, чем рабочий поток, который дважды пересекает диск. Вследствие этого рабочий поток отстаёт от полного тока на больший угол, чем нерабочий ток, как это и показано на рис. 7-5. Угол α1 между полным током и рабочим потоком тока носит название угла потерь и имеет большое значение в работе счётчика. В частности, для регулировки сдвига фаз между рабочими потоками тока и напряжения во многих конструкциях счётчиков используется изменение угла потерь при помощи изменения сопротивления, на которое замыкается специальная обмотка, помещаемая на сердечнике электромагнита тока. Такая регулировка имеется и в счётчике СО-5 и показана на рис 12.

Рис. 12

Полная векторная диаграмма индукционного счётчика получается наложением друг на друга векторных диаграмм электромагнитов напряжения и тока. На рис.9 представлена упрощённая векторная диаграмма счётчика для случая, когда ф=0 (нагрузка у потребителя чисто активная) и вектор тока совпадает по направлению с вектором напряжения. На упрощённой векторной диаграмме показаны только векторы тока I и напряжения U, векторы полного и рабочего потоков Фu0 и Фu и вектор рабочего потока тока ФI. В случае, когда угол ф≠0 (нагрузка не чисто активная), векторная диаграмма принципиально остаётся такой же, только вектор тока и связанные с ним векторы полного и рабочего магнитных потоков тока соответственно повернутся на угол ф по отношению к вектору напряжения.

Рис. 13

Достижения условия \|/=90° возможно только за счёт того, что большая часть общего потока электромагнита напряжения не пересекает диск счётчика и, следовательно, не используется для создания вращающего момента прибора.

Другой особенностью конструкции счётчиков является необходимость создания дополнительного компенсационного момента, не зависящего от величины тока. Наиболее общим приёмом создания такого момента является разделение рабочего магнитного потока напряжения на две части, смещённые по фазе и разделённые в пространстве.

Для достижения этого используются различные конструктивные приёмы. Так, например, в счётчике СО-5 короткозамкнутый виток, показанный на рис. 11, выполняется несимметрично. В результате та часть рабочего потока, которая пересекает участок короткозамкнутого витка, имеющий меньшее сопротивление, будет отставать по фазе больше, чем другая часть потока, сопротивление на пути которой больше, а потери соответственно меньше. Разница в фазах этих потоков приведёт к тому, что появится дополнительный компенсационный момент, значение которого будет пропорционально квадрату напряжения.

Другой распространённый способ создания компенсационного момента заключается в том, что асимметрично основному полюсу сердечника электромагнита напряжения помещается добавочный полюс, положение которого большей частью можно изменять в процессе регулировки счётчика. Вихревые потоки трансформаторного происхождения, наводимые в диске рабочим потоком напряжения Фu, намагничивают добавочный полюс. Создавая в нём магнитные потоки. Взаимодействие этого потока с основным рабочим потоком напряжения создаёт, как в обычном двухпоточном индукционном механизме, вращающий момент, который, как и в предыдущим случае, пропорционален квадрату напряжения. В счётчике СО-5 по первому способу создаётся постоянный нерегулируемый компенсационный момент.

Второй способ используется для создания дополнительного компенсационного момента и значение и знак которого изменяются в процессе регулировки.

Компенсационный момент компенсирует не только момент трения. Но и нелинейность характеристики материала сердечника электромагнита тока при малых значениях индукции. В результате этого компенсационный момент всегда больше момента трения. Поэтому, даже когда ток в нагрузке равен нулю, диск сердечника будет вращаться, хотя и очень медленно. Это явление носит название "самоход". Нормативными документами на счётчики (ГОСТ 6570-60 и рекомендации Международной организации законодательной метрологии) самоход у счетчиков не допускается.

Для ликвидации самохода применяются различные антисамоходные устройства, которые создают тормозящий момент, действующий не постоянно, а только при определённом диска счётчика. Эти устройства выполняются либо в виде стального крючка, укреплённого на оси счетчика и притягивающегося к железной пластинке, намагниченной полями рассеяния электромагнита напряжения, либо в виде отверстия в диске, при пересечении этим отверстием рабочего потока напряжения часть потока, проходящего через это отверстие, оказывается сдвинутой на меньший угол, т.к. потери на его пути меньше, и поэтому создается тормозной момент. Антисмоходный момент выбирается таким, чтобы он в сумме с моментом трения превосходил компенсационный момент. Тогда будет обеспечено отсутствие самохода.

Однако наряду с требованием отсутствия самохода к счетчикам предъявляется ещё и требование обеспечения необходимого порога чувствительности. Порогом чувствительности или просто чувствительностью счётчика называется минимальное значение тока, при котором диск счетчика начинается безостановочно вращаться. Порог чувствительности счётчика должен быть не более 0,5% IН для счётчика класса точности 2,0 и не более 1% IН для счетчиков класса 2,5 ГОСТ (6570-60). Очевидно, что для обеспечения необходимого порога чувствительности нужно, чтобы компенсационный момент в сумме с вращающим моментом при токе чувствительности превышал бы момент трения в сумме с антисамоходным моментом. Это условие выполняется тем надёжнее, чем меньше доля компенсационного момента, приходящаяся на компенсацию нелинейности сердечника, и, следовательно, чем меньше антисамоходный момент.

В качестве примера конструкции счётчика рассмотрим конструкцию счетчика СО-5. Счетчик СО-5 является модификацией счётчика СО-2 и выпускается Московским заводом экспонометрических приборов. Вильнюсский завод электросчётчиков выпускает счётчик СО-2М, также являющийся модификацией счетчика СО-2. Конструктивно все названные счётчики мало отличаются друг от друга, поэтому сказанное о счётчике СО-5 относится и к остальным счётчикам. Семейство счётчиков СО-2 изготовляется в количестве несколько миллионов штук и является наиболее распространённым типом счётчиков.

Общий вид счётчика показан на рис.14. Измерительный механизм счётчика СО-5 монтируется на стальной штампованной стойке. К стойке крепятся электромагниты тока и напряжения, тормозной магнит, верхняя и нижняя опоры подвижной части и счётный механизм. Стойка с измерительным механизмом помещается в пластмассовый корпус, состоящий из цоколя и кожуха. В смотровом окне кожуха располагается щиток прибора, в прорезях которого видны цифры барабанчиков счётного механизма и диск счётчика. На щиток наносятся паспортные данные счётчика: предостаточное число, номер ГОСТ, заводской номер счётчика, год изготовления и т.д. В нижней части цоколя, называемой клеммовой коробкой, располагаются зажимы, служащие для подключения счётчика в цепь. Клеммовая коробка закрывается пластмассовой клеммовой крышкой.

Рис. 14

Тормозной магнит счётчика двухпоточного типа - его магнитный поток дважжды пересекает диск. Магнит отлит из высокоэрцитивного сплава ЮНД-4. Магнит прикреплён к стальному ярму, на которое замыкается его магнитный поток. Между полюсами магнита расположена пластина из специального сплава с отрицательным температурным коэффициентом магнитной проницаемости. Эта пластина служит для уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды на погрешности счётчика. Тормозной магнит имеет возможность перемещаться вдоль радиуса диска счётчика. При этом меняется плечо, к которому прикладывается тормозное усилие, создаваемое магнитом, и соответственно меняется тормозной момент. Счётчик регулируется таким образом, чтобы действительная постоянная счётчика оказалась равной номинальной постоянной с заданной степенью точности. Эта регулировка осуществляется изменением значения тормозного момента. Нижняя опора подвижной части счётчика выполнена в виде стального шарика из хромистой стали, завальцованного в специальный держатель, прикреплённый к оси диска. Шарик вращается по сферическому подпятнику из агата или корунда, такая пара обеспечивает малый момент трения и сравнительно высокую износостойкость. Опоры такого типа выдерживают 5-7 млн. оборотов без существенного износа. Это соответствует примерно 8 годам работы счётчика в обычных условиях.

Верхняя опора выполнена в виде латунной втулки, надетой на ось диска, сквозь которую проходит тонкая стальная игла, закреплённая в специальном держателе, укреплённом на стойке. Так как рабочее положение оси счётчика вертикальное, то основная нагрузка приходится на нижнюю опору. Верхняя опора уравновешивает только относительно небольшие боковые силы, которые вызываются, во-первых ,тем, что при сложении усилий, действующих на диск от вращающего момента и тормозного магнитов, кроме момента возникает ещё и сила. т.к. усилия не параллельны, и, во-вторых, несбалансированностью диска. В связи с тем, что боковые усилия не велики, износ верхнего подпятника незначителен и обеспечивает достаточно долгий срок службы.

Подвижная часть счётчика выполнена в виде алюминиевого диска толщиной 1,2-1,5 мм диаметром около 90 мм. Диск крепится к алюминиевой оси толщиной 2,5 мм. На ось надевается стальной крючок, являющийся антисамоходным устройством, а латунный червяк, служащий для передачи вращения диска счётному механизму. Вес подвижной части счётчика СО-5-17 г. Счётный механизм рис.15 является интегрирующим элементом счётчика и осуществляет подсчёт числа оборотов диска. В счётчике СО-5 применен барабанный счётный механизм с горизонтальной осью 3 барабанчиков. Цифровые барабанчики 2 выполнены в виде цилиндров на боковой поверхности которых нанесено по 10 цифр. Барабанчики связаны между собой неполнозубным цевочным зацеплением 4 таким образом, что одному обороту барабанчика младшего рада соответствует поворот следующего барабанчика на 1/10 часть оборота. Благодаря цевочному зацеплению поворот барабанчиков осуществляется дискретно: в момент окончания целого оборота барабанчиком происходит поворот следующего за ним слева барабанчика на 1/10 оборота, т.е. на одну цифру. В счётном механизме установлено пять барабанчиков. Первый барабанчик учитывает десятые доли киловаттчаса, цифры на остальных барабанчиках соответствуют целым киловаттчасам. Барабанчики связаны с осью диска трёхступенчатым редуктором, первая ступень которого 1 является червяк-шестерня, две остальные ступени - зубчатые передачи 6. Коэффициент передачи редуктора выбирается таким, чтобы показания барабанчиков получались в киловаттчасах без каких-либо дополнительных множителей. Конструкция счётчика СО-5 отображает специфику массового производства. В счётчике применяется много штампованных деталей, широко использованы пластмассы, в частности литьё под давлением из полимерных пластмасс. Литьём из полимеров изготовляются барабанчики и трибки 5 счётного механизма, каркас катушки электромагнита напряжения, корпус верхнего подшипника и ряд других деталей. По метрологическим характеристикам счётчик СО-5 относится к классу точности 2,5 по ГОСТ 6570-60; его чувствительность не ниже 1% номинального тока. Максимальный ток, до которого гарантируется точность счётчика, составляет 300% IН.

Рис. 15

.3 Современные приборы (технические характеристики и особенности)

Однофазные счетчики учета активной энергии прямого включения СЭБ-2АК.01.2 и СЭБ-2АК.05.2

Микропроцессорные электросчетчики являются модификацией СЭБ-2А, сохраняют все предыдущие положительные качества и приобретают новые: возможность программировать счетчик электронной карточкой, а это открывает дополнительные функциональные возможности.

Предназначены: для учета потребляемой активной электроэнергии переменного тока частотой 50Гц в двухпроводных сетях и предварительной оплаты за потребляемую электроэнергию с помощью электронной SMART-карты для дома, супермаркета, офиса, производства.

СЭБ-2АК.05.2 выпускаются с SMD-монтажем и имеют меньшие габариты.

Эксплуатация: Автономно или в составе автоматизированной системы контроля и управления электроэнергией (АСКУЭ).

Счетчики соответствуют ГОСТ 30207-94 (МЭК 1036-90). Счетчики зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под №15953-98, сертификат соответствия № РОСС RU.ME34. В 01295 и допущены к применению в Российской Федерации.

Технические особенности:

·        внутренний тарификатор;

·        встроенный микроконтроллер;

·        жидкокристаллический индикатор отображает количество потребленной электроэнергии,

·        текущий тариф, категорию потребителя, часы- календарь, превышение лимита потребляемой мощности;

·        электронная пломба;

·        энергонезависимая память;

·        устройство чтения SMART-карт;

·        интерфейс связи RS-485;

·        телеметрический выход;

·        программирование счетчика с компьютера по каналу RS-485 или посредством SMART-карты.

Технические характеристики

Однофазные счетчики учета активной энергии прямого включения СЭО-1.01.0 и СЭО-1.11.0

Предназначен для учета потребляемой активной электроэнергии переменного тока частотой 50Гц в двухпроводных сетях для дома, супермаркета, офиса, производства.

Эксплуатация: Автономно или в составе автоматизированной системы контроля и управления электроэнергией (АСКУЭ) с использованием телеметрического выхода.

Счетчики соответствуют ГОСТ 30207-94 (МЭК1036-90).

Счетчики зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под №18149-99, сертификат № РОСС RU.ME34.B01017 и допущены к применению в Российской

Федерации.

Технические особенности:

·        • жидкокристаллический индикатор отображает количество потребленной электроэнергии в кВт*ч с точностью до тысячных долей;

·        индикация наличия тока в цепи нагрузки;

·        отсутствует самоход;

·        телеметрический выход, используется SMD-монтаж;

·        - в СЭО-1.01.0 качестве датчика тока используется трансформатор тока; - в СЭО-1.11.0 качестве датчика тока используется шунт.

Технические характеристики

Трехфазный ваттметр - счетчик ЦЭ7008/1

Трехфазный ваттметр-счетчик ЦЭ7008/1 предназначен для использования в составе измерительных установок для поверки и регулировки счетчиков электрической энергии класса точности 0,1 и менее точных.

ЦЭ7008/1 обеспечивает определение значений погрешностей счетчиков электрической энергии, имеющих телеметрический выход с передаточным числом до от 0,1 до 360 000 импульсов на 1 Вт ч (вар-ч).

ЦЭ7ОО8 производит измерение активной и реактивной мощности в диапазонах с номинальными значениями информативных параметров:

·   сила тока(1н), А - 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2,5; 5; 6,25;

·   напряжение фазное(ин), В - 57,73; 127; 220;

·   напряжение линейное(ин), В -100; 220; 380;

·   коэффициент мощности -1,0;

Предел допускаемого значения основной относительной погрешности измерения мощности Ад при поверке счетчиков класса точности 0,1 приведены в таблице:

Пределы допускаемого значения основной относительной погрешности 41 измерения мощности σд при поверке счетчиков электрической энергии класса точности 0,2 и менее точных приведены в таблице:

ЦЭ7008/1 производит измерение силы тока в диапазонах от 5 до 120% от 1н.Предел допускаемого значения основной приведенной погрешности измерения силы переменного тока равен °0,2%.

ЦЭ7008/1 производит измерение напряжения в диапазонах от 20 до 120% от Uh. Предел допускаемого значения основной приведенной погрешности измерения напряжения переменного тока равен °0,2%.

ЦЭ7008/1 производит измерение частоты напряжения в диапазоне от 45 до 65 Гц. Относительная погрешность измерения частоты не более °0,5%.

ЦЭ7008/1 производит измерение угла ф сдвига фаз между током и напряжением, подаваемыми на измерительный элемент, в диапазоне от 0° до 360°. Предел допускаемого значения абсолютной погрешности измерения угла ф равен °1°.

Нормальная область частоты входных сигналов напряжения и тока - (45-65) Гц.

Управление ЦЭ7008/1 производится оператором при помощи пульта на передней панели (клавиатура из 16 кнопок и символьный индикатор 4x20) или ПК (по интерфейсу RS232).

Габаритные размеры не более, мм - 480x510x280. Масса, не более 20 кг.

Список литературы

1. Писаревский. Электрические измерения и приборы, Москва

. А.М. Туричин. Электрические измерения. Государственное энергетическое издательство, Ленинград

. Журнал "Физические измерения"

. Спектор "Электрические измерения физических величин. Методы измерения"

. Сведения о приборах с сайта завода им. Фрунзе