Вимірювання потужності та облік електричної енергії.

Схеми вимірювання

Методи вимірювання потужності істотно відрізняються один від одного залежно від виду і значення вимірюваної величини, частотного діапазону та параметрів кола, в якому здійснюється вимірювання. Слід відзначити, що специфічною є й сама вимірювана величина – потужність, що безпосередньо не впливає на вимірювальний перетворювач, в впливають напруга U, струм I та значення кута зсуву фаз φ між ними. У зв’язку з цим всі вимірювання потужності поділяються на дві групи – прямі та опосередковані.

При прямих вимірюваннях потужності результат вимірювання пропорційний до добутку вхідних величин – U, I та cos φ чи sin φ, окремі значення яких ні на одному із етапів перетворень не визначають. Прямі вимірювання реалізують за допомогою електродинамічних , феродинамічних та електронних аналогових та цифрових ватметрів і застосовують для вимірювань всіх видів потужності як на постійному, так й на змінному струмі.

При опосередкованих вимірюваннях потужності знаходять значення окремих вхідних величин U, I, cos φ, sin φ, а результат вимірювання отримують за допомогою обчислень за аналітичними виразами

; (7.1)

; (7.2)

(7.3)

Найчастіше опосередковані вимірювання реалізують за допомогою амперметра і вольтметра та застосовують для вимірювань потужності постійного струму Р і повної потужності змінного струму S.

На низьких частотах (до 10 кГц) використовують електродинамічні та феродинамічні ватметри, а на підвищених і високих частотах – електронні аналогові ватметри: ватметри з електростатичним вимірювальним механізмом і підсилювачами струму та напруги (до 100 кГц), термоелектричні ватметри (до 1 МГц), ватметри з перетворювачам Хола (до 100 МГц). Перерахованим електромеханічним та електронним ватметрам властива невисока точність – клас точності, яких 0,1 і нижче.

Вищу точність мають цифрові ватметри (похибка вимірювання найкращих сучасних цифрових ватметрів не перевищує ±0,01%).

Реактивну потужність однофазних споживачів вимірюють за допомогою ватметра, вольтметра і амперметра, які увімкнені за схемами опосередкованого вимірювання, з подальшим обчисленням реактивної потужності або за допомогою спеціальних приладів – варметрів. Для трифазних кіл у промислових умовах застосовують трифазні варметри – вимірювачі реактивної потужності.

В табл. 7.3 наведені схеми вимірювання активної потужності у колах постійного та змінного струму.

Таблиця 7.3

Схеми вимірювання активної потужності у колах

Найменування схеми	Схеми включення
Опосередкований метод вимірювання активної потужності у колі постійного струму а) опір навантаження менший, ніж внутрішній опір вольтметра; б) опір навантаження більш, ніж внутрішній опір вольтметра	метод «амперметра – вольтметра» а) б)   , де РPV, РPA – особисте споживання потужності вольтметра та амперметра відповідно, Вт	Схеми включення
Безпосереднє включення ватметра до кола постійного кола
Включення одного ватметра до трифазного три провідного кола змінного струму при симетричному характері навантаження, яке з’єднане «зіркою»	метод одного ватметра:
Найменування схеми	Схеми включення
Включення одного ватметра до трифазного три провідного кола змінного струму при симетричному характері навантаження, яке з’єднане «трикутником»	метод одного ватметра:
Включення ватметра до однофазного кола через вимірювальні трансформатори струму та напруги	метод одного ватметра, який включений через вимірювальні трансформатори струму та напруги:
Включення двох ватметрів до три фазного три провідного кола при несиметричному характері навантаження	метод двох ватметрів, які включені за cos – схемою а) б)   в)
Включення трьох ватметрів до три фазного чотирьох провідного кола змінного струму	метод трьох ватметрів:
Найменування схеми	Схеми включення
Включення двох ватметрів до трифазного три провідного кола через вимірювальні трансформатори струму та напруги	метод двох ватметрів, які включені за cos – схемою, через два вимірювальні трансформатори струму та напруги

В табл. 7.4 наведені схеми вимірювання активної потужності у колах змінного струму.

Таблиця 7.4

Схеми вимірювання реактивної потужності у колах

Найменування схеми	Схеми включення
Включення одного ватметра за sin – схемою до три фазного три провідного кола змінного струму при симетричному характері навантаження	метод одного ватметра, який включений за sin – схемою:

Найменування схеми	Схеми включення
Включення двох ватметрів за sin – схемою до три фазного три провідного кола змінного струму при симетричному та несиметричному навантаженні	*U метод двох ватметрів, які включені за sin – схемою: PW1 а)                   *I   L1       L2     *U     PW2 *I L3L3   б)     в)
Включення трьох ватметрів за sin – схемою до три фазного чотири провідного кола змінного струму при симетричному та несиметричному навантаженні	*U метод трьох ватметрів, які включені за sin – схемою:
Включення двох ватметрів за cos – схемою до три фазного три провідного кола змінного струму при симетричному та несиметричному навантаженні	метод двох ватметрів, які включені за cos – схемою
Найменування схеми	Схеми включення
	а)   б)   в)
Включення двох ватметрів, які включені за sin – схемою зі штучною нульовою точкою, до три фазного три провідного кола змінного струму при симетричному та несиметричному навантаженні	метод «двох ватметрів», які включені за sin – схемою зі штучною нульовою точкою
Однофазний ватметр з додатковими елементами	Варметр відрізняється від звичайного електродинамічного ватметра тим, що він має ускладнену схему кола напруги, в яке вмикають котушку індуктивності L з реактивним опором XL=ωL для одержання зсуву фаз 90о між напругою U та струмом кола напруги IUPW .
Найменування схеми	Схеми включення
	Кут повороту рухомої частини варметра, яка зашунтована резистором R дорівнює

Для вимірювань та обліку енергії постійного струму застосовують електродинамічні та феродинамічні лічильники електричної енергії. Їх будують на базі вимірювачів активної потужності з подальшим інтегруванням їх вихідного сигналу за виразом

(7.4)

де t₂ – t₁ – інтервал часу, протягом якого вимірюється енергія

У колах змінного струму промислової частоти вимірювання та облік енергії ведуть за допомогою індукційних лічильників електроенергії.

За принципом дії лічильники поділяють на дві основні групи: електромеханічні лічильники з індукційним вимірювальним механізмом та електронні лічильники з цифровим відліком.

В наш час застосовують такі типи лічильників:

- лічильники енергії постійного струму;

- лічильники активної енергії змінного струму – однофазні та трифазні;

- трифазні лічильники реактивної енергії змінного струму.

Лічильники електричної енергії вмикають до кіл безпосередньо або з використанням вимірювальних трансформаторів струму та напруги.

У позначеннях типів лічильників застосовують такі букви і цифри: С - лічильник; А – активної енергії; Р – реактивної енергії; О – однофазний; 3 і 4 – трифазний для три- або чотири провідної мережі; У – універсальний; И - індукційний; Ф – електронний; Д – з генератором імпульсів. Наприклад, напис на лічильнику СО-И449Т3 означає, що це лічильник активної енергії однофазний з індукційним вимірювальним механізмом, а буква Т означає, що він призначений для застосування у районах з вологим тропічним кліматом (допустима вологість повітря до 98%).

В табл. 7.5 наведені схеми вимірювання витрати електричної енергії у колах змінного струму.

Таблиця 7.5

Схеми вимірювання витрати електричної енергії у колах

Найменування схеми	Схеми включення
Безпосереднє включення однофазного індукційного лічильника активної енергії до однофазного кола змінного струму	Дійсна витрата активної електроенергії за звітний період: ,   де WП – показання лічильника на початку звітного періоду, кВт·год; WК – показання лічильника на прикінці звітного періоду, кВт·год;
Включення індукційного лічильника активної енергії до однофазного кола змінного струму через вимірювальні трансформатори струму та напруги	Дійсна витрата активної електроенергії за звітний період дорівнює:

Найменування схеми	Схеми включення
Включення індукційного лічильника активної енергії до однофазного кола змінного струму через вимірювальній трансформатор струму	Дійсна витрата актив ної електроенергії за звітний період дорівнює:
Включення трифазного індукційного лічильника активної енергії до трифазного три провідного кола змінного струму	Дійсна витрата активної електроенергії за звітний період дорівнює:
Включення трифазного індукційного лічильника активної енергії до трифазного чотири провідного кола змінного струму	Дійсна витрата активної електроенергії за звітний період дорівнює:

Найменування схеми	Схеми включення
Включення трифазного індукційного лічильника активної енергії до трифазного чотири провідного кола змінного струму через вимірювальні трансформатори струму N L3 L2 L1	Дійсна витрата активної електроенергії за звітний період дорівнює:
Включення трифазного індукційного лічильника активної енергії до трифазного три провідного кола змінного струму через вимірювальні трансформатори струму та напруги	Схема вимірювання наведена на рисунку нижче таблиці 7.5. Дійсна витрата активної електроенергії за звітний період дорівнює: