Aktīvās jaudas vērtība iekš vienfāzes ķēde maiņstrāva nosaka pēc formulas P \u003d UI cos phi, kur U ir uztvērēja spriegums, V, I ir uztvērēja strāva, A, phi ir fāzes nobīde starp spriegumu un strāvu.
No formulas var redzēt, ka jaudu maiņstrāvas ķēdē var noteikt netieši, ieslēdzot trīs ierīces: ampērmetru, voltmetru un fāzes mērītāju. Tomēr šajā gadījumā nevar cerēt uz lielāku mērījumu precizitāti, jo jaudas mērīšanas kļūda būs atkarīga ne tikai no visu trīs ierīču kļūdu summas, bet arī no mērījumu metodes kļūdas, ko rada ampērmetra un voltmetra darbības veids. ieslēgts. Tāpēc šo metodi var izmantot tikai tad, ja nav nepieciešama augsta mērījumu precizitāte.
Ja aktīvā jauda jāmēra precīzi, vislabāk ir izmantot elektrodinamiskās sistēmas vatmetrus vai elektroniskos vatmetrus. Aptuveniem mērījumiem var izmantot ferodinamiskos vatmetrus.
Ja spriegums ķēdē ir mazāks par vatmetra sprieguma mērīšanas robežu, slodzes strāva ir mazāka par mērīšanas ierīces pieļaujamo strāvu, tad ķēde vatmetra pievienošanai maiņstrāvas ķēdei ir līdzīga ķēdei vatmetra pieslēgšanai. vatmetrs uz ķēdi līdzstrāva. Tas ir, strāvas spole ir savienota virknē ar slodzi, un sprieguma tinums ir savienots paralēli slodzei.
Pievienojot elektrodinamiskos vatmetrus, jāpatur prātā, ka tie ir polāri ne tikai līdzstrāvas ķēdē, bet arī maiņstrāvas ķēdē. Lai nodrošinātu pareizu (skalas virzienā) instrumenta bultiņas novirzi no nulles, instrumentu paneļa tinumu sākums ir norādīts ar punktu vai zvaigznīti. Šādi marķētās skavas tiek sauktas par ģeneratora skavām, jo tās ir savienotas ar strāvas avotu.
Vatmetra fiksēto spoli var savienot virknē ar slodzi tikai pie slodzes strāvām 10 - 20 A. Ja slodzes strāva ir lielāka, tad vatmetra strāvas spole tiek ieslēgta caur mērīšanas transformators strāva.
Lai izmērītu jaudu maiņstrāvas ķēdē ar zemu jaudas koeficientu, jāizmanto īpaši zema kosinusa vatmetri. To skala norāda, kādām cos phi vērtībām tie ir paredzēti.
Kad 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.
Ja slodzes strāva ir lielāka par pieļaujamo vatmetra strāvu, tad vatmetra strāvas spole tiek ieslēgta caur mērstrāvas transformatoru (1. att., a).
Rīsi. 1. Shēmas vatmetra pievienošanai maiņstrāvas ķēdei ar lielu strāvu (a) un augstsprieguma tīklam (b).
Izvēloties strāvas transformatoru, ir jāpārliecinās, ka transformatora I1i nominālā primārā strāva ir vienāda vai lielāka par izmērīto strāvu tīklā.
Piemēram, ja strāvas vērtība slodzē sasniedz 20 A, tad varat ņemt strāvas transformatoru, kas paredzēts primārajai nominālajai strāvai 20 A ar nominālās strāvas transformācijas koeficientu Kn1 = I1i / I2i = 20/5 = 4.
Ja šajā gadījumā spriegums mērīšanas ķēdē ir mazāks par to, ko pieļauj vatmetrs, tad sprieguma spole tiek pievienota tieši slodzes spriegumam. Sprieguma spoles sākums ar džemperi / ir savienots ar strāvas spoles sākumu. Ir nepieciešams arī uzstādīt džemperi 2 (spoles sākums ir savienots ar tīklu). Sprieguma spoles gals ir savienots ar citu tīkla termināli.
Lai noteiktu faktisko jaudu izmērītajā ķēdē, vatmetra rādījums jāreizina ar strāvas transformatora nominālo transformācijas attiecību:
P = Pw x Kn1 = Pw x 4
Ja strāva tīklā var pārsniegt 20 A, tad jāizvēlas strāvas transformators ar primāro nominālo strāvu 50 A, savukārt Kn1 = 50/5 = 10.
Šajā gadījumā, lai noteiktu jaudas vērtību, vatmetra rādījumi jāreizina ar 10.
Mērot jaudu trīsfāzu ķēdēs ar diviem vatmetriem, ir iespējams ne tikai ietaupīt vienu vatmetru, bet arī aptuveni spriest par trīsfāzu elektriskā uztvērēja jaudas koeficienta vērtību, pamatojoties uz to rādījumiem.
Piemēram, ja slodze fāzēs ir aktīva un simetriska, tad abu vatmetru rādījumi būs vienādi. To var redzēt no vektoru diagrammas (1. att., c).
Strāvas sakrīt virzienā ar fāzes spriegumiem (uztvērējs ir savienots ar zvaigznīti): strāva IA ar spriegumu UA un strāva IB ar spriegumu UB, jo slodze ir aktīva. Leņķis ψ1 starp UAC un IA ir 30°, un leņķis ψ2 starp UBC un IB arī ir 30°.
Rīsi. 1. Shēma divu vatmetru pieslēgšanai trīs vadu tīklam (a, b) un vektoru diagrammas par spriegumiem un strāvām pie cos f=1 (c) un cos f=0,5 (d).
Jaudas vērtības, ko mēra ar vatmetriem, nosaka ar tām pašām izteiksmēm:
Рw1 = UACIAcosψ1 = UlIl cos30°,
Pw1 = UBCIBcosψ2 = UlIl cos30°
Ja slodze ir aktīva-induktīva un kosinuss phi ir 0,5, tas ir, leņķis φ = 60°, tad leņķis ψ1= 30° un leņķis ψ2 = 90° (1. att., d).
Vatmetra rādījumi būs šādi:
Pw1 = UlIl cos30°
Pw1 = UlIl cos90°
Ja viena vatmetra rādījumi kļūst vienādi ar nulli, tas nozīmē, ka kosinuss phi ir samazinājies līdz 0,5.
Diagramma arī parāda, ka, ja kosinuss phi tīklā kļūst mazāks par 0,5, tas ir, leņķis φ ir lielāks par 60°, tad leņķis ψ2 kļūst lielāks par 90°, un tas novedīs pie otrā vatmetra rādījumiem. kļūstot negatīvam, ierīces bultiņa sāks novirzīties citā virzienā (parasti mūsdienu vatmetros ir strāvas virziena slēdzis kustīgajā spolē). Kopējā jauda šajā gadījumā ir vienāda ar vatmetru rādījumu starpību.
Ja slodze ir simetriska, tad saskaņā ar divu vatmetru rādījumiem jūs varat precīzi aprēķināt cos φ vērtību, izmantojot formulu
cos φ = P/S = P/(√P2 + Q2),
kur P = Pw1 + Pw2 - trīsfāzu jaudas uztvērēja aktīvā jauda, W, Q = √3 (Pw1 + Pw2) - trīsfāzu jaudas uztvērēja reaktīvā jauda. Pēdējā izteiksme parāda, ka, reizinot divu vatmetru rādījumu starpību ar √3, tiks iegūta trīsfāzu jaudas uztvērēja reaktīvās jaudas vērtība.
No līdzstrāvas jaudas izteiksmes var redzēt, ka to var izmērīt, izmantojot ampērmetru un voltmetru ar netiešu metodi. Tomēr šajā gadījumā ir nepieciešams vienlaicīgi veikt divu instrumentu nolasījumus un aprēķinus, kas sarežģī mērījumus un samazina to precizitāti.
Jaudas mērīšanai līdzstrāvas un vienfāzes maiņstrāvas ķēdēs tiek izmantotas ierīces, ko sauc par vatmetriem, kuriem izmanto elektrodinamiskos un ferodinamiskos mērīšanas mehānismus.
Elektrodinamiskie vatmetri tiek ražoti augstas precizitātes klases (0,1 - 0,5) pārnēsājamu instrumentu veidā un tiek izmantoti precīziem līdzstrāvas un maiņstrāvas jaudas mērījumiem rūpnieciskās un paaugstinātās frekvencēs (līdz 5000 Hz). Ferodinamiskie vatmetri visbiežāk sastopami paneļu instrumentu veidā ar salīdzinoši zemu precizitātes klasi (1,5 - 2,5).
Šādus vatmetrus galvenokārt izmanto rūpnieciskās frekvences maiņstrāvai. Pie līdzstrāvas tiem ir būtiska kļūda serdeņu histerēzes dēļ.
Jaudas mērīšanai augstās frekvencēs tiek izmantoti termoelektriskie un elektroniskie vatmetri, kas ir magnetoelektrisks mērīšanas mehānisms, kas aprīkots ar aktīvās jaudas-līdzstrāvas pārveidotāju. Jaudas pārveidotājā tiek veikta reizināšanas darbība un iegūts izejas signāls, kas ir atkarīgs no produkta lietotāja interfeisa, t.i., no jaudas.
Rīsi. 8.3.
Ja neņemam vērā fāzes nobīdes starp strāvām un spriegumiem spolēs un uzskatām, ka slodze H ir tīri aktīva, rodas kļūdas un vatmetra spoļu jaudas patēriņa dēļ ķēdēm (8.3. att.):
kur un ir attiecīgi jauda, ko patērē vatmetra virknes un paralēlās ķēdes.
No formulām var redzēt, ka kļūdām var būt pamanāmas vērtības, tikai mērot jaudu mazjaudas ķēdēs, t.i., kad un ir samērīgas ar .
Ja maināt zīmi tikai vienai no strāvām, tad mainīsies vatmetra kustīgās daļas novirzes virziens.
Vatmetram ir divi skavu pāri (sērijveida un paralēlās ķēdes), un atkarībā no to iekļaušanas ķēdē indikatora novirzes virziens var atšķirties. Lai pareizi ieslēgtu vatmetru, viens no katra spaiļu pāra ir atzīmēts ar "*" (zvaigznīte) un tiek saukts par "ģeneratora termināli".
Jaudas mērīšana, izmantojot Halla efektu
Strāvas un potenciālu starpības vērtību reizinājumu, mērot jaudu, var iegūt, izmantojot Hall pusvadītāju pārveidotājus.
Ja speciālu pusvadītāju plāksni, caur kuru plūst strāva I (8.4. att.), ko ierosina E stiprības elektriskais lauks, ievieto magnētiskajā laukā ar stiprumu H (indukcija B), tad starp tās punktiem, kas atrodas uz taisnas līnijas perpendikulāri. uz plūstošās strāvas I un magnētiskā lauka virzieniem pastāv potenciālu starpība (Hall efekts), kas definēts kā
kur k ir proporcionalitātes koeficients.
Rīsi. 8.4.
Saskaņā ar Umova-Pointinga teorēmu mikroviļņu svārstību pārraidītās jaudas plūsmas blīvumu noteiktā lauka punktā nosaka šī lauka elektrisko un magnētisko stiprumu vektorreizinājums:
Tādējādi, ja strāva I ir elektriskās intensitātes E funkcija, tad, izmantojot Hola sensoru, var iegūt šādu sprieguma atkarību no pārraidītās jaudas:
kur g ir konstants koeficients, kas raksturo paraugu. Šādas jaudas mērīšanai viļņvadā tiek ievietota pusvadītāju plāksne (Hall plate - HRP), kā parādīts attēlā (8.5. att.).
Rīsi. 8.5.
Aplūkotajam jaudas skaitītājam ir šādas priekšrocības:
- var strādāt pie jebkuras slodzes, nevis tikai ar atbilstošu slodzi;
- lielais vatmetra ātrums ļauj to izmantot, mērot impulsa jaudu.
Tomēr Hall efekta vatmetru praktiskā ieviešana ir diezgan grūts uzdevums daudzu faktoru dēļ. Tomēr ir vatmetri, kas mēra pārraidīto impulsa jaudu līdz 100 kW ar kļūdu, kas nepārsniedz 10%.
Jaudas mērīšanas metodes augstās un mikroviļņu frekvencēs
Jauda vispārīgi ir fizisks lielums, ko nosaka laika vienībā paveiktais darbs. Jaudas mērvienība - vats (W) - atbilst jaudai, ar kādu tiek veikts viens džouls (J) darba vienā sekundē.
Līdzstrāvai un zemfrekvences maiņstrāvai tiešās jaudas mērīšana bieži tiek aizstāta ar elektriskā sprieguma efektīvās vērtības mērīšanu pie slodzes U, strāvas efektīvās vērtības, kas plūst caur slodzi I, un fāzes leņķi starp strāvu un spriegumu. Šajā gadījumā jaudu nosaka izteiksme:
Mikroviļņu diapazonā sprieguma un strāvas mērīšana kļūst sarežģīta. Mērierīču ieejas ķēžu izmēru samērojamība ar viļņa garumu ir viens no iemesliem sprieguma un strāvas mērīšanas neskaidrībai.
Mērījumus pavada ievērojamas frekvences kļūdas. Jāpiebilst, ka sprieguma un strāvas mērīšana viļņvada ceļos dažiem viļņu veidiem zaudē savu praktisko nozīmi, jo vadītājā nav gareniskās sastāvdaļas, un potenciālā starpība starp jebkura viļņvada sekcijas diametra galiem ir nulle. Tāpēc frekvencēs, sākot no desmitiem megahercu, priekšroka kļūst tiešā jaudas mērīšana un precīzāka, savukārt frekvencēs virs 1000 MHz šis ir vienīgais mērījumu veids, kas nepārprotami raksturo elektromagnētisko svārstību intensitāti.
Tiešai mikroviļņu jaudas mērīšanai tiek izmantotas metodes, kuru pamatā ir fundamentālie fizikālie likumi, tostarp pamatlielumu tiešā mērīšanas metode: masa, garums un laiks.
Neskatoties uz mikroviļņu jaudas mērīšanas metožu daudzveidību, tās visas ir saistītas ar elektromagnētisko mikroviļņu svārstību enerģijas pārvēršanu cita veida enerģijā, kas pieejama mērījumiem: termiskā, mehāniskā utt. Starp mikroviļņu jaudas mērīšanas ierīcēm ir vatmetri, kuru pamatā ir termiskās metodes. tiek izmantoti visplašāk. Tiek izmantotas arī vairākas citas metodes - ponderomotīve, zonde un citas.
Lielākajai daļai mikroviļņu jaudas mērītāju, ko sauc par vatmetriem, darbības princips ir balstīts uz to elementu temperatūras izmaiņu vai pretestības mērīšanu, kuros tiek izkliedēta pētīto elektromagnētisko svārstību enerģija. Instrumenti, kuru pamatā ir šī parādība, ietver kalorimetriskos un termistoru jaudas mērītājus. Vatmetri, kas izmanto ponderomotīves parādības (elektromehāniskos spēkus), un vatmetri, kas darbojas ar Halla efektu, ir kļuvuši plaši izplatīti. Pirmā no tām īpatnība ir absolūtās jaudas mērījumu iespēja, bet otrā ir jaudas mērīšana neatkarīgi no RF ceļa saskaņošanas.
Saskaņā ar iekļaušanas metodi pārraides ceļā izšķir caurejošā tipa un absorbējošā tipa vatmetrus. Caurlaides vatmetrs ir četru termināļu tīkls, kurā tiek absorbēta tikai neliela daļa no kopējās jaudas. Pārvades līnijas galā ir pieslēgts absorbējošā tipa vatmetrs, kas ir divu terminālu tīkls, un ideālā gadījumā tajā tiek absorbēta visa krītošā viļņa jauda. Caurlaidīgā tipa vatmetrs bieži ir balstīts uz absorbējoša tipa skaitītāju, kas savienots ar ceļu caur virziena savienotāju.
Kalorimetriskās jaudas mērīšanas metodes ir balstītas uz elektromagnētiskās enerģijas pārvēršanu siltumenerģijā slodzes pretestībā, kas ir skaitītāja neatņemama sastāvdaļa. Izdalītā siltuma daudzumu nosaka pēc datiem par temperatūras izmaiņām slodzē vai vidē, kurā tiek nodots siltums. Ir statiskie (adiabātiskie) un plūsmas (neadiabātiskie) kalorimetri. Pirmajā mikroviļņu jauda tiek izkliedēta termiski izolētā slodzē, bet otrajā tiek nodrošināta nepārtraukta kalorimetriskā šķidruma plūsma. Kalorimetriskie skaitītāji ļauj izmērīt jaudu no milivatiem līdz simtiem kilovatu. Statiskie kalorimetri mēra zemu un vidēju jaudas līmeni, savukārt plūsmas kalorimetri mēra vidējas un lielas jaudas līmeņus
Siltuma bilances nosacījumam kalorimetriskā slodzē ir šāda forma:
kur P ir slodzē izkliedētā mikroviļņu jauda; T un T 0 ir attiecīgi slodzes un vides temperatūra; c , m – kalorimetriskā ķermeņa īpatnējais siltums un masa; k ir siltuma izkliedes koeficients. Vienādojuma atrisinājums tiek attēlots kā
kur ir termiskā laika konstante.
Statiskā kalorimetra gadījumā mērīšanas laiks ir daudz mazāks par konstanti, un mikroviļņu jauda ir:
Statisko kalorimetru galvenie elementi ir termiski izolēta slodze un temperatūras mērīšanas ierīce. No izmērītā temperatūras paaugstināšanās ātruma un zināmās slodzes siltumietilpības ir viegli aprēķināt absorbēto mikroviļņu jaudu.
Ierīcēs tiek izmantoti dažādi augstfrekvences pieslēgumi cietā vai šķidrā dielektriskā materiālā ar zudumiem, kā arī augstas pretestības plāksnes vai plēves veidā. Temperatūras izmaiņu noteikšanai tiek izmantoti termopāri un dažādi termometri.
Aplūkosim statisko kalorimetru, kurā tiek samazinātas prasības siltumizolācijai un nav nepieciešams noteikt kalorimetriskā iepakojuma siltumietilpību (8.6. att.). Šajā shēmā tiek izmantota aizstāšanas metode. Tajā, lai kalibrētu ierīci 4, kas mēra temperatūras paaugstināšanos izmērītās jaudas izkliedes laikā, kas pievadīta rokai 1, tiek izmantota zināmā līdzstrāvas vai zemfrekvences strāvas jauda, kas tiek piegādāta rokai 2. Tiek pieņemts, ka sprauslas 3 temperatūra mainās tādā pašā veidā, ja ir vienādas mikroviļņu jaudas un līdzstrāvas vērtības. Statiskie kalorimetri ļauj izmērīt vairāku milivatu jaudu ar kļūdu, kas mazāka par .
No jaudas izteiksmes pie pastāvīgas strāvas P = IU var redzēt, ka to var izmērīt, izmantojot ampērmetru un voltmetru netiešā veidā. Bet šajā gadījumā ir nepieciešams izveidot vienlaicīgu nolasījumu divās ierīcēs un aprēķinus, kas sarežģī mērījumus un samazina to precizitāti.
Jaudas mērīšanai pastāvīgās un vienfāzes maiņstrāvas ķēdēs tiek izmantotas ierīces, ko sauc par vatmetriem, kuriem tiek izmantoti elektrodinamiskie un ferodinamiskie mērīšanas mehānismi.
Elektrodinamiskie vatmetri tiek ražoti pārnēsājamu lielu precizitātes klašu (0,1 - 0,5) ierīču veidā un tiek izmantoti skaidriem līdzstrāvas un maiņstrāvas jaudas mērījumiem rūpnieciskās un augstās frekvencēs (līdz 5000 Hz). Ferodinamiskie vatmetri biežāk sastopami salīdzinoši zemas precizitātes klases (1,5 - 2,5) vairogierīču veidā.
Šādus vatmetrus galvenokārt izmanto rūpnieciskās frekvences maiņstrāvai. Pie pastāvīgas strāvas tiem ir būtiska kļūda serdeņu histerēzes dēļ.
Jaudas mērīšanai augstās frekvencēs tiek izmantoti termoelektriskie un elektriskie vatmetri, kas ir magnetoelektrisks mērīšanas mehānisms, kas aprīkots ar aktīvās jaudas pārveidotāju nemainīgā strāvā. Jaudas pārveidotājā tiek veikta reizināšanas operācija ui = p un tiek iegūts izejas signāls, kas ir atkarīgs no reizinājuma ui, t.i., no jaudas.
Uz att. 1, a parāda iespēju izmantot elektrodinamisko mērīšanas mehānismu, lai izveidotu vatmetru un izmērītu jaudu.
Rīsi. 1. Vatmetra (a) un vektoru diagrammas (b) ieslēgšanas shēma
Fiksēto spoli 1, kas savukārt savienota ar slodzes ķēdi, sauc par maiņstrāvas vatmetra ķēdi, kustīgo spoli 2 (ar papildu rezistoru), kas savienota paralēli slodzei, sauc par paralēlo ķēdi.
Vatmetram, kas darbojas ar pastāvīgu strāvu:
Apsveriet elektrodinamiskā vatmetra darbību ar maiņstrāvu. Vektoru diagramma att. 1, b ir paredzēts slodzes induktīvajam raksturam. Paralēlās ķēdes strāvas vektors Iu atpaliek no vektora U par leņķi γ kustīgās spoles zināmas induktivitātes dēļ.
No šīs izteiksmes izriet, ka vatmetrs pareizi nosaka jaudu tikai 2 gadījumos: pie γ = 0 un γ = φ.
Stāvoklis γ = 0 var panākt, radot sprieguma rezonansi paralēlā ķēdē, piemēram, ieslēdzot atbilstošas jaudas kondensatoru C, kā parādīts ar pārtraukto līniju attēlā. 1, a. Bet sprieguma rezonanse būs tikai noteiktā noteiktā frekvencē. Ar frekvences konfigurāciju tiek pārkāpts nosacījums γ = 0. Ja γ nav vienāds ar 0, vatmetrs nosaka jaudu ar kļūdu β y, ko sauc par leņķisko kļūdu.
Nelielam leņķim γ (γ parasti ir mazāks par 40 - 50'), relatīvā kļūda
Pie stūriem φ tuvu 90°, leņķiskā kļūda var sasniegt milzīgas vērtības.
Otrā, specifiskā vatmetru kļūda ir kļūda, kas saistīta ar tās spoļu enerģijas patēriņu.
Mērot slodzes patērēto jaudu, ir iespējamas divas vatmetra ieslēgšanas shēmas, kas atšķiras ar tās paralēlās ķēdes iekļaušanu (2. att.).
Rīsi. 2. Shēmas vatmetra paralēlā tinuma ieslēgšanai
Ja neņemam vērā fāzes nobīdes starp strāvām un spriegumiem spolēs un uzskatām, ka slodze H ir tīri aktīva, ķēdēm rodas kļūdas β (a) un β (b) vatmetra spoļu enerģijas patēriņa dēļ. att. 2, a un b:
kur R i un Pu ir attiecīgi jauda, ko patērē vatmetra mainīgā un paralēlā ķēde.
No β (a) un β (b) formulām var redzēt, ka kļūdām var būt ievērojamas vērtības, tikai mērot jaudu mazjaudas ķēdēs, t.i., ja Pi un Pu ir samērīgi ar Рn.
Ja mainīsit simbolu tikai 1. no strāvām, tad mainīsies vatmetra kustīgās daļas atšķirības virziens.
Vatmetram ir divi skavu pāri (alternatīvas un paralēlas ķēdes), un atkarībā no to iekļaušanas ķēdē rādītāja atšķirības virziens var būt atšķirīgs. Lai pareizi pievienotu vatmetru, viens no katra skavu pāra ir apzīmēts ar zīmi "*" (zvaigznīte) un tiek saukts par "ģeneratora skavu".
Elektriķa skola