Aktyvios galios vertė in vienfazė grandinė kintamoji srovė nustatoma pagal formulę P \u003d UI cos phi, kur U yra imtuvo įtampa, V, I yra imtuvo srovė, A, phi yra fazės poslinkis tarp įtampos ir srovės.
Iš formulės matyti, kad galią kintamosios srovės grandinėje galima nustatyti netiesiogiai, įjungus tris įrenginius: ampermetrą, voltmetrą ir fazinį matuoklį. Tačiau šiuo atveju negalima tikėtis didesnio matavimo tikslumo, nes galios matavimo paklaida priklausys ne tik nuo visų trijų prietaisų paklaidų sumos, bet ir nuo matavimo metodo paklaidos, atsiradusios dėl ampermetro ir voltmetro būdo. įjungtas. Todėl šis metodas gali būti naudojamas tik tada, kai nereikia didelio matavimo tikslumo.
Jeigu aktyvioji galia reikia tiksliai išmatuoti, geriausia naudoti elektrodinaminės sistemos vatmetrus arba elektroninius vatmetrus. Apytiksliems matavimams galima naudoti ferodinaminius vatmetrus.
Jei įtampa grandinėje yra mažesnė už vatmetro įtampos matavimo ribą, apkrovos srovė mažesnė už leistiną matavimo prietaiso srovę, tada vatmetro prijungimo prie kintamosios srovės grandinės grandinė yra panaši į vatmetro prijungimo grandinę. vatmetras į grandinę nuolatinė srovė. Tai yra, srovės ritė yra nuosekliai sujungta su apkrova, o įtampos apvija yra prijungta lygiagrečiai su apkrova.
Jungiant elektrodinaminius vatmetrus reikia turėti omenyje, kad jie yra poliniai ne tik nuolatinės srovės, bet ir kintamosios srovės grandinėje. Siekiant užtikrinti teisingą (skalės link) prietaiso rodyklės nuokrypį nuo nulio, prietaisų skydelio apvijų pradžia pažymėta tašku arba žvaigždute. Tokiu būdu pažymėti spaustukai vadinami generatoriaus spaustukais, nes yra prijungti prie maitinimo šaltinio.
Stacionarioji vatmetro ritė gali būti nuosekliai jungiama su apkrova tik esant 10 - 20 A apkrovos srovėms. Jei apkrovos srovė didesnė, tada vatmetro srovės ritė įjungiama per matavimo transformatorius srovė.
Norint išmatuoti galią kintamosios srovės grandinėje su mažu galios koeficientu, reikia naudoti specialius mažo kosinuso vatmetrus. Jų skalė rodo, kokioms cos phi reikšmėms jie skirti.
Kai cos fi<1, то для исключения перегрузки электродинамического ваттметра нужно включать контрольные амперметр и вольтметр. Например, ваттметр с номинальным током Iи=5 А может показать полное отклонение при токе I = 5 А и cos фи =1 и при токе I =6,25 Аиcos фи =1 (так кaк I = Iн / cos фи). Во втором случае ваттметр будет перегружен.
Jei apkrovos srovė didesnė už leistiną vatmetro srovę, tai vatmetro srovės ritė įjungiama per matavimo srovės transformatorių (1 pav., a).
Ryžiai. 1. Vatmetro prijungimo prie kintamosios srovės grandinės su didele srove (a) ir aukštos įtampos tinklo (b) schemos.
Renkantis srovės transformatorių, būtina užtikrinti, kad transformatoriaus I1i vardinė pirminė srovė būtų lygi arba didesnė už išmatuotą srovę tinkle.
Pavyzdžiui, jei srovės vertė apkrovoje siekia 20 A, tuomet galite paimti srovės transformatorių, skirtą 20 A pirminei vardinei srovei, kurio vardinis srovės transformacijos koeficientas Kn1 = I1i / I2i = 20/5 = 4.
Jei šiuo atveju įtampa matavimo grandinėje yra mažesnė nei leidžia vatmetras, tada įtampos ritė yra tiesiogiai prijungta prie apkrovos įtampos. Įtampos ritės pradžia su trumpikliu / yra prijungta prie srovės ritės pradžios. Taip pat reikia sumontuoti trumpiklį 2 (ritės pradžia prijungta prie tinklo). Įtampos ritės galas yra prijungtas prie kito tinklo gnybto.
Norint nustatyti faktinę galią išmatuotoje grandinėje, vatmetro rodmenis reikia padauginti iš srovės transformatoriaus vardinio transformacijos santykio:
P = Pw x Kn1 = Pw x 4
Jei srovė tinkle gali viršyti 20 A, tuomet reikėtų rinktis srovės transformatorių, kurio pirminė vardinė srovė yra 50 A, o Kn1 = 50/5 = 10.
Tokiu atveju, norint nustatyti galios vertę, vatmetro rodmenis reikia padauginti iš 10.
Matuojant galią trifazėse grandinėse dviem vatmetrais, galima ne tik sutaupyti vieną vatmetrą, bet ir pagal jų rodmenis apytiksliai įvertinti trifazio elektros imtuvo galios koeficiento reikšmę.
Pavyzdžiui, jei apkrova fazėse yra aktyvi ir simetriška, tada abiejų vatmetrų rodmenys bus vienodi. Tai matyti iš vektorinės diagramos (1 pav., c).
Srovės kryptimi sutampa su fazinėmis įtampomis (imtuvas sujungtas žvaigždute): srovė IA su įtampa UA ir srovė IB su įtampa UB, nes apkrova yra aktyvi. Kampas ψ1 tarp UAC ir IA yra 30°, o kampas ψ2 tarp UBC ir IB taip pat yra 30°.
Ryžiai. 1. Dviejų vatmetrų prijungimo prie trijų laidų tinklo schema (a, b) ir vektorinės įtampų ir srovių diagramos, kai cos f=1 (c) ir cos f=0,5 (d).
Vatmetrais išmatuotos galios vertės nustatomos tomis pačiomis išraiškomis:
Рw1 = UACIAcosψ1 = UlIl cos30°,
Pw1 = UBCIBcosψ2 = UlIl cos30°
Jei apkrova aktyvi-indukcinė ir kosinusas phi yra 0,5, tai yra kampas φ = 60°, tai kampas ψ1= 30°, o kampas ψ2 = 90° (1 pav., d).
Vatmetro rodmenys bus tokie:
Pw1 = UlIl cos30°
Pw1 = UlIl cos90°
Jei vieno iš vatmetro rodmenys tampa lygūs nuliui, tai reiškia, kad kosinuso phi sumažėjo iki 0,5.
Taip pat iš diagramos matyti, kad jei kosinusas phi tinkle tampa mažesnis nei 0,5, tai yra kampas φ yra didesnis nei 60°, tada kampas ψ2 tampa didesnis nei 90°, ir tai lems rodmenis. kai antrasis vatmetras taps neigiamas, prietaiso rodyklė pradės nukrypti į kitą pusę (dažniausiai šiuolaikiniai vatmetrai turi srovės krypties jungiklį judančioje ritėje). Bendra galia šiuo atveju yra lygi vatmetrų rodmenų skirtumui.
Jei apkrova yra simetriška, tada pagal dviejų vatmetrų rodmenis galite tiksliai apskaičiuoti cos φ vertę naudodami formulę
cos φ = P/S = P/(√P2 + Q2),
kur P = Pw1 + Pw2 - trifazio galios imtuvo aktyvioji galia, W, Q = √3 (Pw1 + Pw2) - trifazio galios imtuvo reaktyvioji galia. Paskutinė išraiška rodo, kad dviejų vatmetrų rodmenų skirtumą padauginus iš √3, bus gauta trifazio galios imtuvo reaktyviosios galios reikšmė.
Iš nuolatinės srovės galios išraiškos matyti, kad ją galima išmatuoti naudojant ampermetrą ir voltmetrą netiesioginiu metodu. Tačiau šiuo atveju būtina vienu metu atlikti dviejų prietaisų rodmenis ir skaičiavimus, kurie apsunkina matavimus ir sumažina jų tikslumą.
Galiai matuoti nuolatinės ir vienfazės kintamosios srovės grandinėse naudojami prietaisai, vadinami vatmetrais, kuriems naudojami elektrodinaminiai ir ferodinaminiai matavimo mechanizmai.
Elektrodinaminiai vatmetrai gaminami nešiojamų aukštų tikslumo klasių (0,1–0,5) prietaisų pavidalu ir naudojami tiksliam nuolatinės ir kintamos srovės galios matavimui pramoniniu ir aukštu dažniu (iki 5000 Hz). Ferodinaminiai vatmetrai dažniausiai randami plokščių prietaisų pavidalu, kurių tikslumo klasė yra palyginti žema (1,5–2,5).
Tokie vatmetrai daugiausia naudojami pramoninio dažnio kintamajai srovei. Esant nuolatinei srovei, jie turi didelę paklaidą dėl šerdies histerezės.
Galiai aukštais dažniais matuoti naudojami termoelektriniai ir elektroniniai vatmetrai, kurie yra magnetoelektrinis matavimo mechanizmas su aktyviosios galios į nuolatinės srovės keitiklį. Galios keitiklyje atliekama daugybos operacija ir gaunamas išvesties signalas, priklausantis nuo produkto vartotojo sąsajos, ty nuo galios.
Ryžiai. 8.3.
Jei neatsižvelgsime į fazių poslinkius tarp srovių ir įtampų ritėse, o apkrovą H laikysime grynai aktyvia, paklaidos ir dėl vatmetro ritių elektros energijos suvartojimo grandinėms (8.3 pav.):
kur ir yra atitinkamai vatmetro nuosekliosios ir lygiagrečios grandinės suvartojama galia.
Iš formulių matyti, kad klaidos gali turėti pastebimas vertes tik matuojant galią mažos galios grandinėse, t.y. kai ir yra proporcingos .
Jei pakeisite tik vienos iš srovių ženklą, pasikeis judančios vatmetro dalies nuokrypio kryptis.
Vatmetras turi dvi poras spaustukų (nuosekliosios ir lygiagrečios grandinės), ir priklausomai nuo jų įtraukimo į grandinę, indikatoriaus nuokrypio kryptis gali skirtis. Norint tinkamai įjungti vatmetrą, vienas iš kiekvienos gnybtų poros yra pažymėtas „*“ (žvaigždute) ir vadinamas „generatoriaus terminalu“.
Galios matavimas naudojant Hall efektą
Srovės ir potencialų skirtumo verčių padauginimas matuojant galią gali būti gaunamas naudojant Hall puslaidininkinius keitiklius.
Jei speciali puslaidininkinė plokštelė, kuria teka srovė I (8.4 pav.), sužadinta E stiprio elektrinio lauko, patalpinta į magnetinį lauką, kurio stiprumas H (indukcija B), tai tarp jos taškų, gulinčių ant tiesės statmenai. iki tekančios srovės I ir magnetinio lauko krypčių yra potencialų skirtumas (Halės efektas), apibrėžtas kaip
kur k yra proporcingumo koeficientas.
Ryžiai. 8.4.
Pagal Umov-Poynting teoremą, mikrobangų svyravimų perduodamos galios srauto tankį tam tikrame lauko taške lemia šio lauko elektrinių ir magnetinių stiprių vektorinė sandauga:
Taigi, jei srovė I yra elektros intensyvumo E funkcija, tada naudodami Hall jutiklį galite gauti tokią įtampos priklausomybę nuo perduodamos galios:
čia g yra imtį apibūdinantis pastovus koeficientas. Tokiai galiai išmatuoti į bangolaidį įdedama puslaidininkinė plokštelė (Hall plate – HRP), kaip parodyta (8.5 pav.).
Ryžiai. 8.5.
Aptariamas galios matuoklis turi šiuos privalumus:
- gali dirbti bet kokiu krūviu, o ne tik suderintu;
- didelis vatmetro greitis leidžia jį naudoti matuojant impulsinę galią.
Tačiau praktinis Hall efekto vatmetrų įgyvendinimas yra gana sudėtinga užduotis dėl daugelio veiksnių. Tačiau yra vatmetrų, kurie matuoja perduodamą impulsų galią iki 100 kW su ne didesne kaip 10% paklaida.
Galios matavimo aukštais ir mikrobangų dažniais metodai
Galia bendrais bruožais yra fizikinis dydis, kurį lemia per laiko vienetą atliktas darbas. Galios vienetas – vatas (W) – atitinka galią, kuria per vieną sekundę atliekamas vienas džaulis (J).
Esant nuolatinei ir žemo dažnio kintamajai srovei, tiesioginės galios matavimas dažnai pakeičiamas efektyviosios elektros įtampos verte, kai apkrova U, efektyviąja srovės, tekančios per apkrovą I, verte ir fazės kampu tarp srovės ir įtampos. Šiuo atveju galia nustatoma pagal išraišką:
Mikrobangų diapazone tampa sunku išmatuoti įtampą ir srovę. Matavimo prietaisų įvesties grandinių matmenų suderinamumas su bangos ilgiu yra viena iš įtampos ir srovės matavimo dviprasmiškumo priežasčių.
Matavimus lydi reikšmingos dažnio paklaidos. Reikia pridurti, kad kai kurių bangų tipų įtampos ir srovės matavimas bangolaidžio takeliuose praranda praktinę prasmę, nes laidininke nėra išilginio komponento, o potencialų skirtumas tarp bet kurio bangolaidžio skersmens galų yra lygus nuliui. Todėl dažniais, pradedant nuo dešimčių megahercų, tiesioginis galios matavimas tampa geresnis ir tikslesnis, o dažniais, viršijančiais 1000 MHz, tai yra vienintelis matavimo tipas, kuris vienareikšmiškai apibūdina elektromagnetinių virpesių intensyvumą.
Tiesioginiam mikrobangų galios matavimui naudojami pagrindiniais fizikiniais dėsniais pagrįsti metodai, įskaitant tiesioginio pagrindinių dydžių: masės, ilgio ir laiko matavimo metodą.
Nepaisant mikrobangų galios matavimo metodų įvairovės, visi jie susiję su elektromagnetinių mikrobangų virpesių energijos pavertimu kitos rūšies energija, kurią galima matuoti: šiluminę, mechaninę ir kt. Tarp mikrobangų galios matavimo prietaisų yra vatmetrai, pagrįsti šiluminiais metodais. yra plačiausiai naudojami. Taip pat naudojama nemažai kitų metodų – ponderomotyvinis, zondinis ir kt.
Daugumos mikrobangų galios matuoklių, vadinamų vatmetrais, veikimo principas pagrįstas temperatūros pokyčių arba elementų varžos matavimu, kuriuose išsisklaido tirtų elektromagnetinių virpesių energija. Prietaisai, pagrįsti šiuo reiškiniu, apima kalorimetrinius ir termistorių galios matuoklius. Plačiai paplito vatmetrai, naudojantys ponderomotyvinius reiškinius (elektromechanines jėgas) ir vatmetrai, veikiantys pagal Holo efektą. Pirmojo iš jų ypatumas yra absoliučios galios matavimo galimybė, o antrasis – galios matavimas, neatsižvelgiant į RF kelio atitikimą.
Pagal įtraukimo į perdavimo kelią metodą išskiriami praeinančio ir sugeriančio tipo vatmetrai. Praėjimo vatmetras yra keturių galų tinklas, kuriame sugeriama tik nedidelė visos galios dalis. Perdavimo linijos gale yra prijungtas absorbuojančio tipo vatmetras, kuris yra dviejų galų tinklas, ir idealiu atveju jame sugeriama visa krentančios bangos galia. Praeinančio tipo vatmetras dažnai yra pagrįstas sugeriančio tipo skaitikliu, prijungtu prie kelio per kryptinę jungtį.
Kalorimetrinės galios matavimo metodai yra pagrįsti elektromagnetinės energijos pavertimu šilumine energija apkrovos varžoje, kuri yra neatskiriama skaitiklio dalis. Išskiriamas šilumos kiekis nustatomas pagal duomenis apie temperatūrų pokyčius apkrovoje arba aplinkoje, kurioje perduodama šiluma. Yra statiniai (adiabatiniai) ir srauto (neadiabatiniai) kalorimetrai. Pirmajame mikrobangų galia išsklaidoma termiškai izoliuotoje apkrovoje, o antrajame - nuolatinis kalorimetrinio skysčio srautas. Kalorimetriniai matuokliai leidžia išmatuoti galią nuo milivatų iki šimtų kilovatų. Statiniai kalorimetrai matuoja mažos ir vidutinės galios lygius, o srauto kalorimetrai – vidutinės ir didelės galios lygius
Šilumos balanso sąlyga kalorimetrinėje apkrovoje yra tokia:
čia P – apkrovoje išsklaidyta mikrobangų galia; T ir T 0 yra atitinkamai apkrovos ir aplinkos temperatūra; c , m – kalorimetrinio kūno savitoji šiluma ir masė; k yra šilumos sklaidos koeficientas. Lygties sprendinys pavaizduotas kaip
kur yra šiluminė laiko konstanta.
Statinio kalorimetro atveju matavimo laikas yra daug trumpesnis už konstantą, o mikrobangų galia yra:
Pagrindiniai statinių kalorimetrų elementai yra termiškai izoliuota apkrova ir temperatūros matavimo prietaisas. Sugertą mikrobangų galią nesunku apskaičiuoti pagal išmatuotą temperatūros kilimo greitį ir žinomą apkrovos šiluminę galią.
Prietaisuose naudojami įvairūs aukšto dažnio išvadai kietoje arba skystoje dielektrinėje medžiagoje su nuostoliais, taip pat didelės varžos plokštės ar plėvelės pavidalu. Temperatūros pokyčiams nustatyti naudojamos termoporos ir įvairūs termometrai.
Apsvarstykite statinį kalorimetrą, kuriame sumažinami šilumos izoliacijos reikalavimai ir nereikia nustatyti kalorimetrinės pakuotės šiluminės talpos (8.6 pav.). Šioje schemoje naudojamas pakeitimo metodas. Jame kalibruoti prietaisą 4, kuris matuoja temperatūros kilimą sklaidant išmatuotą galią, tiekiamą į svirtį 1, naudojama žinoma nuolatinės srovės arba žemo dažnio srovės, tiekiamos į svirtį 2, galia. antgalio 3 temperatūra kinta taip pat, kai yra vienodos mikrobangų galios ir nuolatinės srovės vertės. Statiniai kalorimetrai leidžia išmatuoti kelių milivatų galią su mažesne nei .
Iš nuolatinės srovės P = IU galios išraiškos matyti, kad ją galima išmatuoti naudojant ampermetrą ir voltmetrą netiesioginiu būdu. Tačiau šiuo atveju būtina sukurti tuo pačiu metu dviejų prietaisų rodmenis ir skaičiavimus, kurie apsunkina matavimus ir sumažina jų tikslumą.
Galiai matuoti nuolatinės ir vienfazės kintamosios srovės grandinėse naudojami prietaisai, vadinami vatmetrais, kuriems naudojami elektrodinaminiai ir ferodinaminiai matavimo mechanizmai.
Elektrodinaminiai vatmetrai gaminami nešiojamų aukštų tikslumo klasių (0,1–0,5) prietaisų pavidalu ir yra naudojami aiškiam nuolatinės ir kintamosios srovės galios matavimui pramoniniu ir aukštu dažniu (iki 5000 Hz). Ferodinaminiai vatmetrai dažniau randami palyginti žemos tikslumo klasės (1,5–2,5) ekrano įtaisų pavidalu.
Tokie vatmetrai daugiausia naudojami pramoninio dažnio kintamajai srovei. Esant pastoviai srovei, jie turi didelę paklaidą dėl šerdies histerezės.
Galiai aukštais dažniais matuoti naudojami termoelektriniai ir elektriniai vatmetrai, kurie yra magnetoelektrinis matavimo mechanizmas su aktyviosios galios keitikliu į nuolatinę srovę. Galios keitiklyje atliekama daugybos operacija ui = p ir gaunamas išėjimo signalas, priklausantis nuo sandaugos ui, t.y. nuo galios.
Ant pav. 1 parodyta galimybė naudoti elektrodinaminį matavimo mechanizmą vatmetrui sukurti ir galiai matuoti.
Ryžiai. 1. Vatmetro (a) ir vektorinės diagramos (b) įjungimo schema
Fiksuota ritė 1, savo ruožtu prijungta prie apkrovos grandinės, vadinama kintamo vatmetro grandine, judanti ritė 2 (su papildomu rezistoriumi), sujungta lygiagrečiai apkrovai, vadinama lygiagrečia grandine.
Vatmetrui, veikiančiam nuolatine srove:
Apsvarstykite elektrodinaminio vatmetro veikimą kintama srove. Vektorinė diagrama pav. 1, b sukurtas atsižvelgiant į indukcinį apkrovos pobūdį. Lygiagrečios grandinės srovės vektorius Iu atsilieka nuo vektoriaus U kampu γ dėl tam tikro judančios ritės induktyvumo.
Iš šios išraiškos matyti, kad vatmetras teisingai nustato galią tik 2 atvejais: esant γ = 0 ir γ = φ.
Būklė γ = 0 gali būti pasiektas sukuriant įtampos rezonansą lygiagrečioje grandinėje, pavyzdžiui, įjungiant atitinkamos talpos kondensatorių C, kaip parodyta punktyrine linija Fig. 1, a. Bet įtampos rezonansas bus tik tam tikru konkrečiu dažniu. Esant dažnio konfigūracijai, pažeidžiama sąlyga γ = 0. Kai γ nėra lygus 0, vatmetras nustato galią su β paklaida y, kuri vadinama kampine paklaida.
Mažam kampui γ (γ paprastai yra mažesnis nei 40 - 50'), santykinė paklaida
Kampuose φ arti 90°, kampo paklaida gali pasiekti didžiules reikšmes.
Antroji, specifinė, vatmetrų klaida yra klaida dėl jos ritių energijos suvartojimo.
Matuojant apkrovos sunaudotą galią, galimos dvi vatmetro įjungimo schemos, kurios skiriasi lygiagrečios grandinės įtraukimu (2 pav.).
Ryžiai. 2. Vatmetro lygiagrečios apvijos įjungimo schemos
Jei neatsižvelgsime į fazių poslinkius tarp srovių ir įtampų ritėse ir laikysime, kad apkrova H yra grynai aktyvi, grandinėms atsiranda klaidos β (a) ir β (b) dėl vatmetro ritių energijos suvartojimo. pav. 2, a ir b:
kur R i ir Pu yra atitinkamai vatmetro kintamos ir lygiagrečios grandinės suvartojama galia.
Iš β (a) ir β (b) formulių matyti, kad paklaidos gali turėti pastebimas reikšmes tik matuojant galią mažos galios grandinėse, ty kai Pi ir Pu yra proporcingi Рn.
Jei pakeisite tik 1-osios srovių simbolį, pasikeis judančios vatmetro dalies skirtumo kryptis.
Vatmetras turi dvi poras spaustuvų (alternatyvios ir lygiagrečios grandinės), ir priklausomai nuo jų įtraukimo į grandinę, rodyklės skirtumo kryptis gali skirtis. Kad vatmetras būtų tinkamai prijungtas, vienas iš kiekvienos spaustukų poros pažymėtas ženklu "*" (žvaigždute) ir vadinamas "generatoriaus spaustuku".
Elektriko mokykla