2. Электрические измерения в цепях синусоидального тока

   1. Общие замечания

При изучении этого раздела необходимо предварительно проработать материал методических указаний для студентов заочной формы обучения «Электроизмерительные приборы», где рассмотрены устройство и принцип действия амперметров, вольтметров, ваттметров и фазометров, применяемых для измерений соответствующих электрических величин в цепях однофазного и трехфазного синусоидального тока. Это в основном стрелочные приборы электромагнитной и электродинамической системы, используемые при выполнении измерений в учебной лаборатории переменного тока кафедры «Электромеханические комплексы и системы» ПГУПСа.

Данная методичка указана в списке литературы настоящего пособия под номером [3].

2. Измерения тока и напряжения в цепях синусоидального тока. Расширение пределов измерения

Рассмотрим материал этого раздела применительно к однофазным цепям. Измерения тока и напряжения в цепях синусоидального тока мало чем отличаются от измерений в цепях постоянного тока. Как известно [3], при измерениях в цепях постоянного тока верхний предел измерений амперметров можно увеличить с помощью встроенных или внешних шунтов, а верхний предел вольтметров – с помощью дополнительных резисторов, включаемых последовательно с измерительной цепью вольтметра [3].

В цепях синусоидального тока для этих целей используются измерительные трансформаторы тока и измерительные трансформаторы напряжения [8], [9].

На рисунке 25 показана схема включения амперметра и вольтметра в однофазную цепь синусоидального тока с помощью измерительных трансформаторов. При этом измерительные трансформаторы напряжения применяют в цепях с напряжением выше 1000 В, а трансформаторы тока как в низковольтных, так и высоковольтных цепях (в зависимости от ожидаемой величины измеряемого тока).

Рис. 25

Поскольку измерительные трансформаторы вносят дополнительные погрешности в результаты измерений, то для обеспечения более высокой точности выбирают измерительные трансформаторы с классом точности [3] выше, чем класс самих измерительных приборов.

При включении амперметров и вольтметров через измерительные трансформаторы соответственно тока и напряжения цены деления шкалы определяются с учетом коэффициентов трансформации K_I трансформатора тока и K_U трансформатора напряжения [8].

Измерение токов и напряжений в цепях трехфазного тока практически не отличаются от аналогичных измерений в цепях однофазного тока, в том числе и при использовании измерительных трансформаторов для расширения пределов измерения.

3. Измерение мощности и коэффициента мощности в цепях однофазного тока

Когда речь идет об измерении мощности в цепях переменного, в частности синусоидального однофазного тока, то имеется в виду, как правило, активная мощность Р, которую можно непосредственно измерить однофазным ваттметром электродинамической системы [3].

Однако в ряде случаев необходимо также получить с помощью измерений информацию и о величине реактивной Q и полной (кажущейся) S мощности [1]. Очевидно для получения такой информации включения в цепь только одного прибора (ваттметра) недостаточно.

Рассмотрим вначале схему включения ваттметра в однофазную высоковольтную цепь через измерительные трансформаторы напряжения и тока (рис. 26).

Как известно генераторные зажимы вольтметровой и токовой цепей ваттметра обозначаются звездочками (или точками) [3]. При использовании измерительных трансформаторов необходимо следить за правильным включением (рис. 26) начал и концов обмоток трансформаторов и генераторных зажимов обмоток ваттметра (Л₁, Л₂ – зажимы первичной, а и₁, и₂ – зажимы вторичной обмоток трансформатора тока).

Рис. 26

В дальнейшем будем показывать схемы включения измерительных приборов без измерительных трансформаторов, полагая, что в случае необходимости они могут быть предусмотрены в соответствии со схемами на рисунках 25 и 26.

Рассмотрим две схемы включения трех приборов: A, V, W и A, V, φ (рис. 27а и 27б), позволяющие получить информацию о мощностях: активной Р, реактивной Q, полной S, а также о величине коэффициента мощности cosφ.

На рисунке 27а в цепь синусоидального тока с активно-реактивным приемником, комплексное сопротивление которого Z = r + jx = ze^jφ, причем в общем случае реактивное сопротивление x = x_L – x_C [1], включены амперметр А, вольтметр V и ваттметр W.

Рис. 27

Амперметр и вольтметр показывают действующие (средние квадратичные за период Т) значения тока I и напряжения U на входе цепи, а ваттметр показывает активную (среднюю за период) мощность P = UIcosφ [Вт].

Используя показания амперметра и вольтметра, можно получить величину полной (кажущейся) мощности S = UI [ВА]. Из треугольника мощностей [1], используя теорему Пифагора, можно вычислить величину реактивной мощности [вар]. И наконец, используя показания всех трех приборов, можно определить коэффициент мощности

где – угол сдвига по фазе между током I и напряжением U на входе цепи.

Аналогичную информацию можно получить, заменив в рассмотренной схеме (рис. 27а) ваттметр W на фазометр φ (рис. 27б). Как известно [3], схема включения фазометра электродинамической системы аналогична схеме включения ваттметра. Фазометр показывает угол φ сдвига между током I и напряжением, подаваемом на вольтметровую обмотку прибора (на схеме рисунка 27б – это напряжение U на входе цепи).

По показаниям амперметра А и вольтметра V определяется полная мощность S = UI. На фазометре шкала в градусах угла φ обычно совмещена со шкалой cosφ. Это позволяет непосредственно измерить коэффициент мощности [1]. Косвенным путем можно получить величину активной мощности P = UIcosφ и реактивной мощности .

Таким образом для получения полной информации о величинах тока, напряжения, активной, реактивной и полной мощности, а также коэффициента мощности cosφ [1], необходимо включить в однофазную цепь три электроизмерительных прибора из четырех (амперметр, вольтметр, ваттметр, фазометр).

На схемах рисунков 27а и 27б использованы амперметр и вольтметр в комбинации либо с ваттметром, либо с фазометром.

Очевидно, возможны и редко применяемые схемы, в которых использованы ваттметр и фазометр в комбинации либо с амперметром, либо с вольтметром. Действительно по показаниям ваттметра и фазометра можно определить полную мощность . Поэтому достаточно включить дополнительно или амперметр или вольтметр, чтобы измерить соответственно величину напряжения или тока, то есть получить всю недостающую информацию.