20 Вимірювання потужності в однофазних та трифазних ланцюгах
Значення активної потужності в однофазному ланцюзі змінного струмувизначають за формулою P = UI cos фі, де U - напруга приймача, I, - струм приймача, А, фі - фазовий зсув між напругою і струмом.
З формули видно, що потужність ланцюга змінного струму можна визначити непрямим шляхом, якщо включити три прилади: амперметр, вольтметр і фазометр. Однак у цьому випадку не можна розраховувати на велику точність вимірювання, так як похибка вимірювання потужності залежатиме не тільки від суми похибок всіх трьох приладів, а й від похибки методу вимірювання, викликаної способом включення вольтметра і амперметра. Тому цей метод можна застосовувати лише у випадку, коли не потрібна велика точність вимірів.
Якщо активну потужність потрібно виміряти точно, то найкраще застосувати ватметри електродинамічної системи або електронні ватметри. При грубих вимірах можуть бути використані феродинамічні ватметри.
Якщо напруга в ланцюгу менше межі вимірювань ватметра за напругою, струм навантаження менше допустимого струму вимірювального приладу, то схема включення ватметра в ланцюг змінного струму аналогічна схемі включення ватметра в ланцюг постійного струму. Тобто струмову котушку включають послідовно з навантаженням, а обмотку напруги – паралельно до навантаження.
При підключенні електродинамічних ватметрів слід враховувати, що вони полярні у ланцюгу постійного, а й у ланцюга змінного струму. Щоб забезпечити правильне (у бік шкали) відхилення стрілки приладу від нуля, початку обмоток на панелі приладу позначені точкою або зірочкою. Затискачі, помічені таким чином, називають генераторними, оскільки саме їх підключають до джерела енергії.
Нерухому котушку ватметра можна включати послідовно з навантаженням тільки при струмах навантаження 10 - 20 А. Якщо струм навантаження більше, то струмову котушку ватметра включають через вимірювальний трансформатор струму.
Для вимірювання потужності ланцюга змінного струму з низьким коефіцієнтом потужності слід застосовувати спеціальні низькокосинусні ватметри. На їх шкалі зазначено, для яких значень cos фі вони призначені.
Коли cos фі<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.
Включення ватметра в ланцюг змінного струму, при струмі навантаження більше допустимого
Якщо струм навантаження більший за допустимий струм ватметра, то струмову котушку ватметра включають через вимірювальний трансформатор струму (рис. 1, а).
Рис. 1. Схеми включення ватметра в ланцюг змінного струму з великим струмом (а) і високовольтну мережу (б).
При виборі трансформатора струму необхідно стежити за тим, щоб номінальний первинний струм трансформатора I 1 і дорівнював вимірюваному струму в мережі або більше нього.
Наприклад, якщо значення струму в навантаженні досягає 20 А, можна брати трансформатор струму, розрахований на первинний номінальний струм 20 А з номінальним коефіцієнтом трансформації по струму Kн1 = I 1 і / I 2 і = 20/5 = 4.
Якщо при цьому у вимірювальному ланцюзі напруга менше допустимого ватметром, то котушку напруги включають безпосередньо на напругу навантаження. Початок котушки напруги за допомогою перемички / підключають до початку струмової котушки. Також обов'язково встановлюють перемичку 2 (початок котушки підключають до мережі). Кінець котушки напруги підключають до іншого затискача мережі.
Для визначення дійсної потужності вимірюваного ланцюга необхідно показання ватметра помножити на номінальний коефіцієнт трансформації трансформатора струму: P = Pw х Kн 1 = Pw х 4
Якщо струм у мережі може перевищувати 20 А, слід обрати трансформатор струму з первинним номінальним струмом 50 А, при цьому Kн 1 = 50/5 = 10.
У цьому випадку для визначення значення потужності показання ватметра треба множити на 10.
Вимірювання потужності у трифазних ланцюгах можна здійснювати за допомогою одного (рис. 3.8),
двох (рис. 3.9) чи трьох вимірювальних приладів.
Активну потужність симетричного навантаження у трифазних ланцюгах можна вимірювати одним ватметром (рис. 3.8). Тоді 
і вся потужність дорівнює:
Якщо навантаження несиметричне, необхідно в кожну фазу включити по ватметру і сума їх показань дасть сумарну потужність всього ланцюга. У разі трифазного ланцюга без нульового
дроти достатньо використовувати два ватметри (рис. 3.9), тоді сума їх показань дасть сумарну потужність навантажень:
Доведемо, що сума двох показань ватметрів є потужністю, що споживається трифазною.
8.4.1 Налаштування мультиметра
Цей розділ описує деталі установки мультиметра.
Опції виміру
Для вибору типу виміру:
1. Натисніть одну з таких кнопок:
Ammeter- Вимірює струм, що протікає через ланцюг у гілці між двома вузлами. Увімкніть мультиметр послідовно з ланцюгом для вимірювання струму, що протікає, як і реальний амперметр (як показано на діаграмі нижче).
Для вимірювання струму іншого вузла в ланцюзі, увімкніть інший мультиметр послідовно в цей ланцюг та активізуйте схему знову. Коли використовується амперметр, внутрішній опір дуже низький (1 Ом). Для зміни опору, клацніть на Набір.«Внутрішні установки – діалогове вікно Multimeter Settings».
Voltmeter- Вимірювання напруги між двома вузлами. Виберіть V і підключіть клеми вольтметра паралельно до навантаження (як показано на діаграмі нижче).
При використанні як вольтметр мультиметр має високий вхідний опір 1 Гом, яке може бути змінене клацанням по Набір.«Внутрішні установки – діалогове вікно Multimeter Settings».
Ohmmeter- Ця опція вимірювання опору між двома вузлами. Вузли і все, що лежить між ними, відноситься до мережі компонентів. Для вимірювання опору виберіть цю опцію та підключіть клеми мультиметра паралельно до компонентів мережі (як показано на діаграмі нижче).
Щоб вимір вийшов точним, переконайтеся, що:
Немає джерела у мережі компонентів
Компонент чи мережу компонентів заземлені
Немає нічого в паралелі з компонентом чи мережею компонентів.
Омметр генерує струм 10 нА, який може бути змінений після клацання по Набір.«Внутрішні установки – діалогове вікно Multimeter Settings» . Якщо змінити підключення омметра, активізуйте схему знову, щоб прочитати результат.
Decibels- Вимірює падіння напруги в децибелах між двома вузлами схеми. Для вимірювання в децибелах виберіть цю опцію та підключіть клеми мультиметра паралельно до навантаження (як показано на діаграмі нижче).
Стандарт для розрахунків у децибелах встановлено 774.597 mV, але це може бути змінено клацанням по Set. «Внутрішні установки – діалогове вікно Multimeter Settings». Втрати в децибелах обчислюються так:
Режим роботи (AC чи DC)
Кнопка із синусоїдою для вимірювань середньоквадратичних (RMS) напруг або струмів сигналів змінної напруги. Сигнал будь-якого DC компонента буде усунений, тому тільки сигнал AC компонента буде вимірюватися.
Кнопка вимірювання постійного струму та напруги для DC сигналу.
Примітка: Для вимірювання RMS напруги схеми з AC і DC компонентами підключіть AC вольтметр, як і DC вольтметр до відповідних вузлів і виміряйте AC і DC напругу.
Наступна формула може використовуватися для розрахунку RMS напруги, коли AC і DC компоненти є в схемі. Це не універсальна формула і повинна використовуватися тільки в поєднанні з Multisim.
Внутрішні установки – діалогове вікно Multimeter Settings
Ідеальні прилади не вносять змін у вимірювані ланцюги. Ідеальний вольтметр повинен мати нескінченний опір, тому струм через нього не повинен протікати, коли він підключений до ланцюга. Ідеальний амперметр не повинен вносити опір у ланцюг. Реальні прилади не відповідають цьому ідеалу, тому їх показання будуть дуже близькі до теоретичних, розрахункових значень для схеми, але ніколи не будуть абсолютно точними.
Мультиметр Multisim використовує дуже маленькі і дуже великі числа, які наближаються до нуля і нескінченності для розрахунку неідеальних значень у схемі. Для спеціальних випадків, однак, поведінка вимірювача може бути змінена зміною цих значень для моделювання впливу на схему (значення мають бути вищими за 0).
Наприклад, якщо вимірюється напруга у схемі з дуже великим опором, збільшіть опір вольтметра. Якщо струм, що вимірюється в ланцюгу з дуже маленьким опором, зменшіть опір амперметра ще більше.
Примітка: Дуже маленький опір амперметра у високоомному ланцюгу може спричинити математичну помилку округлення.
Для відображення внутрішніх установок за замовчуванням:
1. Натисніть Набір.З'явиться діалогове вікно Multimeter Settings.
2. Змініть потрібні опції.
3. Щоб зберегти ваші зміни, клацніть на ОК.Для скасування клацніть на Cancel.
8.5 Функціональний генератор
Функціональний генератор - джерело напруги сигналів синусоїдальної, трикутної та прямокутної форми. Це дає зручний та реалістичний спосіб подати стимулюючі сигнали у схему. Форма сигналу може змінюватися, яке частота, амплітуда, шпаруватість і постійна складова (DC offset) можуть управлятися. Частотний діапазон функціонального генератора досить великий для подачі зручних AC і аудіо і радіочастотних сигналів.
Функціональний генератор має три висновки для підключення до схеми. Загальний висновок має опорний рівень сигналу.
Function Generatorна панелі Instrumentsта клацніть, щоб помістити іконки в робочій області. Значок використовується для з'єднання функціонального генератора зі схемою. Двічі клацніть на іконці, щоб відкрити панель, яка використовується для введення установок та перегляду результатів вимірювання.
Щоб співвіднести сигнал із землею, підключіть загальний висновок до землі компонента. Позитивний висновок (+) дає позитивний сигнал щодо загального нейтрального висновку. Негативний (-) висновок, негативний сигнал.
Примітка: Якщо ви не знайомі з підключенням та налаштуванням інструментів, див. «Додавання інструментів до схеми» та «Використання інструментів».
8.5.1 Налаштування функціонального генератора
Вибір форми сигналу
Ви можете вибрати один із трьох різних типів форми сигналу як вихід.
Для вибору форми сигналу клацніть Sine-, Triangular- або Square-waveкнопки.
Для встановлення часових параметрів установки/спаду прямокутного сигналу:
1. Натисніть кнопку Square-wave.Кнопка Set Rise/Fall Time стає активним.
2. Натисніть кнопку Set Rise/Fall Timeдля відображення діалогового вікна Set Rise/Fall Time.
3. Введіть потрібний час Rise/Fall Timeі клацніть по Accept.
Опції сигналу
Frequency (1Hz - 999 MHz)- кількість циклів за секунду, що генерується сигналу.
Duty Cycle (1% - 99%)-відношення активного стану до пасивного (on-period to off-period) для трикутної та прямокутної форми сигналу. Опція не застосовується до
синусоїдального сигналу.Amplitude (1mV – 999 kV)- керує напругою сигналу, що вимірюється від його DC рівня до піку. Якщо провід, що підводить, з'єднаний із загальним і позитивним або негативним висновком приладу, вимірювання від піку до піку сигналу - подвійна амплітуда. Якщо вихід йде від позитивного та негативного висновків, вимір від піку до піку - вчетверенна амплітуда.
Offset (-999 kV та 999 kV)- керує рівнем DC, щодо якого змінний сигнал змінюється. Offset в положенні 0 сигнал проходить по осі x осцилографа (за умови, що Y POS встановлено в 0). Позитивне значення піднімає рівень DC нагору, тоді як негативне значення опускає вниз. Offset використовує одиниці, задані для Amplitude.
8.6 Ваттметр
Ваттметр вимірює потужність. Він використовується для вимірювання величини активної потужності, що виробляється падінням напруги та струмом, що протікає через висновки у схемі. Результат відображається у ватах. Ваттметр також показує коефіцієнт потужності, що обчислюється по зсуву між напругою та струмом та їх твору. Коефіцієнт потужності - це косинус фазового кута між напругою та струмом.
Для використання інструмента клацніть по кнопці Wattmeterна панелі Instrumentsі клацніть, щоб помістити іконку в робочій області. Іконка використовується для підключення Wattmeterзі схемою. Двічі клацніть по іконці, щоб відкрити панель приладу, яка використовується для введення установок та перегляду результатів.
8.6.1 Підключення ватметра
Приклад підключення ватметра показаний нижче. Детально підключення інструментів, включаючи ватметр, описано в Додавання інструментів до схеми.
Примітка: Якщо ви не знайомі з підключенням та налаштуванням інструментів, див. «Додавання інструментів до схеми» та «Використання інструментів» перед використанням цих інструментів.
8.7 Осцилограф
Для використання інструмента клацніть по кнопці Oscilloscopeна панелі Instrumentsі клацніть на місці, де слід помістити іконку в робочій області. Значок використовується для підключення осцилографа до схеми. Двічі клацніть на іконці, щоб відкрити панель приладу, яка використовується для введення установок та перегляду результатів вимірювань.
Двоканальний осцилограф відображає величину і зміну частоти електричного сигналу. Він показує графік одного або двох сигналів одночасно або дозволяє порівнювати сигнали.
Примітка: Якщо ви вибрали збереження результатів у файлах .lvm або .tdm, з'явиться діалог Data resampling settings.«Збереження файлів». Крім збереження кнопкою Saveосцилографа, ви можете зберегти результати
симуляції у вікні Grapher.«Збереження файлів».Примітка: Якщо ви не знайомі з підключенням та налаштуванням інструментів, див. «Додавання інструментів до схеми» та «Використання інструментів».
8.7.1 Установки осцилографа
Тимчасова база
Установка часової бази управляє масштабом горизонталі осцилографа або осі X, коли порівнюються величина сигналу та часу (Y/T).
Щоб отримати дисплей, що добре зчитується, налаштуйте тимчасову базу у зворотному відношенні до установок частоти функціонального генератора або джерела змінної напруги - чим вище частота, тим менше (менша величина) тимчасова база.
Наприклад, якщо ви хочете побачити один цикл сигналу 1 кГц, тимчасова база має бути близько 1 мілісекунди.
Становище X
Ця установка керує початковою точкою сигналу на осі X. Коли положення 0 сигнал починається з лівого краю дисплея. Позитивне значення (наприклад, 2.00) зсуває початкову точку праворуч. Негативне значення (наприклад -3.00) зсуває початкову точку вліво.
Осі (Y/T, A/B та B/A)
Осі дисплея осцилографа можуть перемикатися між показом відношення значення/час (Y/T) та показом відношення каналів (A/B та B/A). Останні установки відображають співвідношення частот і фаз, відомі як фігури Лісаж, або вони можуть показувати петлю гістерези. Коли порівнюється вхід каналу А і (A/B), масштаб осі X визначається установкою вольт/поділ для каналу B (і навпаки).
Заземлення
Немає потреби заземлювати осцилограф, якщо схема, до якої він підключений, заземлена.
Установки Channel A та Channel B
Масштаб
Ця установка визначає масштаб осі Y. Також вона керує масштабом осі X, якщо вибрано A/B або B/A.
Щоб отримати дисплей, який потрібно читати, встановіть масштаб відповідно до очікуваної напруги в каналі. Наприклад, вхідний AC сигнал 3 вольта заповнює дисплей осцилографа вертикально, коли вісь Y встановлена в 1 V/Div (1 вольт/розподіл). Якщо встановити масштаб масштабування, форма сигналу зменшиться. Якщо зменшити масштаб, верхня частина сигналу вийде за рамки дисплея.
Становище Y
Ці установки керують вихідною точкою по осі Y. Коли положення Y встановлено в 0.00, початкова точка перетинає вісь X. Збільшення положення Y до 1.00, наприклад, змістить 0 (початкову точку) вгору на перший поділ над віссю X. Зменшення положення Y до -1.00 , Змістить її вниз до першого поділу нижче осі X.
Зміна установки положення Y для каналів А і можуть допомогти розглянути форму сигналів для порівняння.
Підключення входів (AC, 0 та DC)
При виборі підключення AC відображається лише змінна складова сигналу. Підключення AC схоже до додавання конденсатора послідовно з входом осцилографа. Як і реальному осцилографі під час використання підключення AC, перший цикл відображається не точно. Коли постійна складова сигналу розраховується та видаляється при першому циклі, форма сигналу стає точною. При підключенні DC відображається сума змінної та постійної складової сигналу. Вибір 0 відображає пряму лінію в точці вихідної установки Y.
Примітка: Не розміщуйте конденсатор послідовно з входом осцилографа. Через осцилограф не проходитиме струм, і аналізи будуть розглядати конденсатор, як неправильно включений. Натомість виберіть підключення AC.
Тригер
Ці установки визначають умови, при яких сигнал спочатку відображається на дисплеї осцилографа.
Trigger Edge (фронт зовнішнього сигналу)
Щоб почати відображати сигнал у його позитивному напрямку або наростаючий сигнал, натисніть кнопку "Ascending edge".
Щоб почати відображати сигнал у його негативному напрямку або сигнал, що спадає, клацніть по кнопці "descending edge".
Trigger Level (рівень перемикання)
Рівень перемикання - це точка на осі Y осцилографа, яка повинна перетнутися з рівнем сигналу перед його відображенням на дисплеї.
Trigger Signal (перемикаючий сигнал)
Перемикач може бути внутрішнім, з посиланням на вхідний сигнал каналу А або В, або зовнішнім, з посиланням на сигнал на виведенні зовнішньої синхронізації. Якщо цей сигнал "плоский", або якщо сигнал має бути відображений якомога раніше, виберіть Auto.
Використовуйте кнопку Sing.,щоб забезпечити тригеру осцилографа єдиний прохід до зустрічі з точкою перемикання. Коли крива досягне кінця екрана осцилографа, крива не зміниться, поки ви знову не клацніть по кнопці Sing.
Використовуйте кнопку Nor.щоб осцилограф оновлював кожного разу зображення при досягненні рівня перемикання.
Використовуйте кнопку Noneякщо вам не потрібно використовувати перемикання.
| Вперед |
|---|
Для включення ватметра його генераторні затискачі (затискачі, позначені *I і *V), з'єднуються коротко одним провідником. Для правильного показання ватметра обидва генераторні затискачі повинні бути приєднані до одного дроту з боку генератора джерела струму, а не навантаження. Потім іншим дротом включається послідовно в ланцюг нерухома котушка; при цьому в залежності від межі струму цей провід підключається до затискача 1А - при струмі, що не перевищує 1А, або 5А при струмі, що не перевищує 5А.
Потім включається паралельно ланцюга рамки; для цього попередньо до затиску підключається один із додаткових опорів (залежно від межі напруги: 30V – до 30В, 150V – до 150В та 300V – 300В).
У передній паз кришки приладу встановлюється робоча шкала так, щоб лицьова сторона приладу була звернена до шкали з межею вимірювання, рівним добутку межі струму на межу напруги.
Досліди з ватметром
Нижче описано лише окремі досліди, що характеризують можливості демонстраційного ватметра.
Досвід 1. Вимірювання потужності ланцюга однофазного змінного струму з активним навантаженням.
Для виконання цього досвіду збирають електричний ланцюг за схемою, наведеною малюнку 3.
При проведенні досвіду доцільно мати можливість плавної зміни напруги, тому слід дроти А, Б підключити до затискачів регульованої напруги шкільного розподільного щита або скористатися шкільним регулятором напруги (або іншим трансформатором), що допускає плавне або ступінчасте регулювання напруги.
Рис. 6 Схема електричного ланцюга у досліді 1.
Як навантаження слід увімкнути повзунковий реостат опором до 20 Ом (з допустимим струмом 5А).
Ваттметр включають ланцюг через додатковий опір 150V і через затиск 5А (див. схему).
Зупинивши повзунок реостата так, що в ланцюг включається всі опори реостата, встановлюється напруга на навантаження 50В, і спостерігають показання ватметра, вольтметра і амперметра. Потім підвищують напругу навантаження, встановлюючи послідовно 60, 80, 100В спостерігаючи кожен раз показання всіх приладів.
Результати цього досвіду підтверджують, що потужність дорівнює добутку напруги на силу струму.
Досвід 2. Вимірювання потужності в ланцюзі трифазного струму з активним симетричним навантаженням.
За допомогою одного демонстраційного ватметра можна зробити досвід вимірювання активної потужності трифазного струму при рівномірному навантаженні всіх фаз (тобто коли в кожну фазу включені однакові навантаження).
Для цього досвіду збирають електричний ланцюг, як показано малюнку 7.
У кожну фазу як навантаження включають по одній електричній лампі однакового опору.
Вимірювальні прилади використовуються ті самі, що й у попередньому досвіді.
Межі ватметра (по струму та напрузі) встановлюються залежно від напруги та потужності електричних ламп.
Р 
іс. 7 Схема електричного ланцюга у досліді 2.
За показаннями приладів встановлюють, що потужність однієї фази дорівнює добутку фазної напруги струм у фазі.
Враховуючи повну симетрію ланцюга трифазного струму, наведеного на малюнку 4, вираховують потужність всього ланцюга, помноживши показання ватметра на 3.