Электрические измерения. Лабораторный практикум

С. В. Хавроничев

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

С. В. Хавроничев

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ Учебное пособие Допущено учебно-методическим объединением Совета директоров средних специальных учебных заведений Волгоградской области в качестве учебного пособия для образовательных учреждений среднего профессионального образования Волгоградской области

РПК «Политехник» Волгоград 2006

УДК 621.317 (076.5) Х 12 Рецензенты: к. т. н. Н. П. Хромов, А. В. Мельситов Хавроничев С. В. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ: Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2006. – 53 с. ISBN 5–230–04727–5 Разработано в соответствии с курсом «Электрические измерения» для студентов направления 1000(140200) «Энергетика» по специальности 1004 (140212) «Электроснабжение (по отраслям)». Приведены описания семи лабораторных работ по измерению различных электрических величин при помощи электроизмерительных приборов, а также расширению их пределов измерения при помощи измерительных преобразователей. Предназначено в помощь студентам для подготовки, выполнения и защиты лабораторных работ. Ил. 27. Табл. 13. Библиогр.: 4 назв. Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

ISBN 5–230–04727–5 ©

Волгоградский государственный технический университет, 2006

Сергей Викторович Хавроничев

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ Учебное пособие Редактор Просондеев М. И. Темплан 2006 г., поз. № 17. Подписано в печать 23. 06. 2006 г. Формат 60×84 1/16. Бумага листовая. Гарнитура ”Times“. Усл. печ. л. 3,31. Усл. авт. л. 3,12. Тираж 50 экз. Заказ № Волгоградский государственный технический университет 400131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28. РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета 400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие предназначено для подготовки студентов к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электрические измерения» (специальность 1004 «Электроснабжение» (по отраслям) и разработано в соответствии с «Требованиями к разработке методических указаний для студентов по проведению лабораторных работ и практических занятий», утвержденных НМЦ СПО Минобразования России в 2000 г. В учебном пособии приведены описания семи лабораторных работ, которые составлены в соответствии с обязательным минимумом содержания дисциплины, определенным Государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования по специальности 1004 «Электроснабжение (по отраслям)» утвержденного 04 апреля 2002 г. (рег. № 04-1004-Б). В описании каждой лабораторной работы приведены: 1) краткие сведения из теории, необходимые для подготовки студентов к выполнению лабораторной работы; 2) программа выполнения работы с указанием последовательности выполняемых измерений; 3) указания по оформлению отчета; 4) контрольные вопросы для подготовки к выполнению работы; В ходе выполнения лабораторных работ студенты должны: • научиться читать и собирать схемы подключения различных электроизмерительных приборов и измерительных преобразователей для производства измерений основных электрических величин; • ознакомиться с устройством, принципом действия и внешним видом средств измерений, предназначенных для измерения в электроустановках; • научиться практически производить измерения основных электрических величин; • получить представление о погрешностях, возникающих при измерении различных электрических величин и научиться рассчитывать их. Учебное пособие составлено применительно к лаборатории ТОЭ и электрических измерений, рассчитанной на одну учебную группу. В ее состав входят 10 универсальных стендов. Лабораторные занятия проводятся «цикловым методом», т. е. студенты учебной группы разбиваются на подгруппы по 3–4 человека, которые выполняют одновременно две различные работы на разных лабораторных стендах. На следующем учебном занятии производится смена рабочих мест.

Коллоквиум по проверке готовности студентов к выполнению лабораторной работы проводится в начале каждого занятия. Приведенные в учебном пособии теоретические сведения охватывают минимум материала, необходимый для подготовки и выполнения лабораторной работы, поэтому в ходе подготовки работы необходимо изучить материал, приведенный в указанной литературе. Перед выполнением работы в лаборатории необходимо внимательно ознакомиться с измерительными приборами, установленными на стенде, и с объектами измерения. Перед началом выполнения каждого пункта программы работы необходимо выбрать нужный для данного измерения прибор и соответствующие пределы измерения. Результаты измерений необходимо заносить в заготовленные в ходе подготовки к работе таблицы. После снятия показаний, относящихся к данной серии измерений (выполнение определенного пункта задания), необходимо показать их преподавателю. После этого можно разобрать электрические цепи и отключить измерительные приборы.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 1. Лабораторную работу можно выполнять только на исправном стенде. 2. Выполнять лабораторную работу на одном стенде должны не менее двух человек одновременно. 3. Перед началом работы на стенде необходимо убедиться, что все выключатели стенда находятся в положении «Выключено». 4. При сборке электрических цепей особое внимание следует обратить на исправность изоляции соединительных проводов, наличие изолирующих держателей на штырях. Об обнаруженных неисправностях необходимо сообщить лаборанту. 5. Категорически запрещается включать стенд без разрешения преподавателя. 6. При проведении опытов на испытательной панели стенда, находящейся под напряжением, все переключения и регулировки с помощью переключателей и реостатов должны производиться одним человеком и только одной рукой. Вторая рука должна быть свободной и не должна касаться аппаратуры стенда. 7. На лабораторном стенде, находящемся под напряжением, запрещается производить какие-либо переключения при помощи соединительных проводов. Перед любым изменением исследуемой цепи питание лабораторного стенда должно быть отключено. 8. При обнаружении каких-либо повреждений или неисправностей электрического оборудования стенда, а также при появлении дыма, искрения или специфического запаха перегретой изоляции необходимо немедленно обесточить стенд и сообщить об этом преподавателю или лаборанту. 9. В случае поражения человека электрическим током следует немедленно обесточить стенд, выключив питание стенда, и сообщить об этом преподавателю. 10. При потере сознания и дыхания необходимо освободить пострадавшего от стесняющей одежды и делать искусственное дыхание до прибытия врача.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

РАСШИРЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Цель работы: научиться использовать измерительный механизм магнитоэлектрической системы в качестве амперметра или вольтметра. 1. Краткие сведения из теории Принцип действия измерительного механизма магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и подвижной катушки (рамки) по которой протекает ток. В результате этого взаимодействия, создается вращающийся момент, воздействующий на подвижную часть механизма. Угол поворота подвижной части измерительного механизма магнитоэлектрической системы пропорционален измеряемому току, поэтому измеряемый ток может быть определен по углу поворота подвижной части измерительного механизма: α = S1·I,

(1.1)

а I = CI·α,

(1.2)

где α – угол поворота подвижной части; S1 – коэффициент пропорциональности (чувствительность по току); СI – постоянная по току. По углу поворота подвижной части можно определить также напряжение на зажимах измерительного механизма. Так как ток протекает по рамке под действием напряжения, приложенного к зажимам измерительного механизма, то U = I·R = CI·α·R = CU·α,

(1.3)

где СU – постоянная по напряжению. Непосредственно измерительным механизмом магнитоэлектрической системы можно измерить токи до 30 мА, а напряжения в несколько десятков милливольт. Для того чтобы расширить пределы измерения по току применяют шунты (рис. 1.1). Шунт представляет собой

проводник малого сопротивления, включаемый последовательно в цепь измеряемого тока с помощью токовых зажимов “А” и “Б”. Параллельно шунту с помощью потенциальных зажимов “а” и “б” присоединяется измерительный механизм. Измеряемый ток I, дойдя до точки “а”, разветвляется на две части: Iш – ток, проходящий через шунт, и Iи – ток, проходящий через измерительный механизм. +

а

I

б

IШ

A А

PA

Б

Rш

IИ Rнаг

ИМ Rи _

Рис. 1.1. Схема для расширения пределов измерения измерительного механизма по току.

Чем меньше сопротивление шунта, тем больший ток проходит через него и тем меньший через измерительный механизм: Iш / Iи = Rи / Rш,

(1.4)

где Rш – сопротивление шунта; Rи – сопротивление измерительного механизма. Отсюда Iш = Iи · Rи / Rш, а измеряемый ток: I = Iи + Iш = Iи + Iи · Rи / Rш = Iи · (1 + Rи / Rш ).

(1.5)

Чтобы каждый раз не производить эти вычисления, шкала прибора обычно сразу градуируется в значениях измеряемого тока. Очевидно, что эта градуировка будет верна только для определенного шунта (с определенным сопротивлением Rш). Отношение измеряемого тока к току в измерительном механизме называется коэффициентом расширения пределов измерения амперметром n: n = I / Iи.

(1.6)

Зная этот коэффициент и сопротивление измерительного механизма, можно определить сопротивление шунта, необходимого для получения требуемого предела измерения:

Rш = Rи / (n – 1)

(1.7)

Для расширения пределов измерения по напряжению применяются добавочные сопротивления. Добавочные сопротивления включаются последовательно с измерительным механизмом (рис. 1.2). При этом падения напряжения распределяются между измерительным механизмом и добавочным сопротивлением пропорционально величинам их сопротивлений: (1.8) Uи / Uд = Rи / Rд + PV RР

Uи

ИМ

Rи

V I

Uд

Rд

_ Рис. 1.2. Схема для расширения пределов измерения измерительного механизма по напряжению.

Отношение величины напряжения, до которой необходимо расширить предел измерения, к падению напряжения на сопротивлении измерительного механизма называется коэффициентом расширения пределов измерения вольтметром m: (1.9) m = U / Uи Если предел измерения по напряжению необходимо расширить в m раз, то (1.10) U = Uи · m = Uи + Uд = I · (Rи + Rд), Откуда величина добавочного сопротивления равна: Rд = Rи · (m - 1).

(1.11)

2. Программа работы 1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для выполнения работы и записать их основные технические данные. 2. Рассчитать сопротивление шунта Rш для имеющегося на рабочем месте измерительного механизма с целью расширения его предела измерения по току до 1 А. 3. Изготовить из манганиновой проволоки необходимый шунт, подключить его параллельно к измерительному механизму и с учетом

шунта определить цену деления полученного амперметра по существующей шкале измерительного механизма. 4. Собрать схему (см. рис. 1.1) и предъявить ее для проверки преподавателю. 5. Включить схему в сеть постоянного тока напряжением U = 24 В и плавно изменяя ток записать показания полученного и образцового амперметра (5–6 показаний). 6. Вычислить для каждого измерения абсолютную и относительную погрешности, приняв за действительные значения показания образцового амперметра. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 1.1. Таблица 1.1 Опытные данные № п/п

показания полученного амперметра, А

показания образцового амперметра, А

Расчетные данные ΔΙ, А

δI, %

7. Рассчитать величину добавочного сопротивления для расширения предела измерения измерительного механизма по напряжению до 20 В. 8. Установить на магазине сопротивлений необходимое добавочное сопротивление, подключить его последовательно с измерительным механизмом и с учетом добавочного сопротивления определить цену деления полученного вольтметра по существующей шкале измерительного механизма. 9. Собрать схему (см. рис. 1.2) и предъявить ее для проверки преподавателю. 10. Включить схему в сеть постоянного тока напряжением U = 24 В и плавно изменяя напряжение записать показания полученного и образцового вольтметра (5–6 показаний). 11. Вычислить для каждого измерения абсолютную и относительную погрешности, приняв за действительные значения показания образцового вольтметра. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 1.2. Таблица 1.2 N

Опытные данные

Расчетные данные

п/п

показания полученного вольтметра, В

показания образцового вольтметра, В

ΔU, В

δU, %

3. Содержание отчета 1. Технические данные оборудования и измерительных приборов, используемых в работе. 2. Схемы произведенных измерений (2 схемы). 3. Расчет шунта и добавочного сопротивления. 4. Таблицы с опытными и расчетными данными. 5. Ответы на контрольные вопросы. 6. Выводы по работе. 4. Контрольные вопросы для подготовки к работе 1. В каких измерительных механизмах и для каких целей применяются шунты? 2. В каких измерительных механизмах и для каких целей применяются добавочные сопротивления? 3. Какие данные необходимо иметь для подбора шунта? 4. Какие данные необходимо иметь для подбора добавочного сопротивления? 5. Как рассчитать шунт? 6. Как рассчитать добавочное сопротивление?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

РАСШИРЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПРИБОРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Цель работы: научиться расширять пределы измерений приборов переменного тока с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения. 1. Краткие сведения из теории В цепях переменного тока для расширения пределов измерения приборов по напряжению применяются измерительные трансформаторы напряжения. Они используются для подключения вольтметров, частотомеров и обмоток напряжения ваттметров, счетчиков и других приборов. Схема включения трансформатора напряжения показана на рис. 2.1.

∼U

ZНАГ

А

X

а

PV

TV

х

V Hz

PF

* PW *

Рис. 2.1. Схема включения измерительных приборов через трансформатор напряжения.

Так как вторичная обмотка трансформатора напряжения замкнута на большие сопротивления обмоток напряжения приборов, то ток во вторичной обмотке мал, т. е. трансформатор напряжения работает в режиме, близком к режиму холостого хода. Это дает право пренебречь незначительными падениями напряжений в обмотках трансформатора, которые составляют около 1 % от соответствующих номинальных напряжений обмоток, и принять (2.1) U1 ≈ Е1 и U2 ≈ Е2 Тогда (2.2) КU = U1 / U2 ≈ E1 / E2 = w1 / w2, где КU – коэффициент трансформации трансформатора напряжения. Применение трансформаторов напряжения вносит дополнительную погрешность в измерения, которая зависит от нагрузки во вторичной цепи трансформатора. В цепях переменного тока для расширения пределов измерения приборов по току применяются измерительные трансформаторы тока. Они используются для подключения амперметров и токовых обмоток ваттметров, счетчиков и других приборов. Схема включения трансформатора тока показана на рис. 2.2. ∼U

ZНАГ TA

Л1 И1

Л2 И2 *

РA A

*

PW

Рис. 2.2. Схема включения измерительных приборов через трансформатор тока.

Так как вторичная обмотка трансформатора тока замкнута на малые сопротивления токовых обмоток приборов, то трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания. Если пренебречь магнитодвижущей силой холостого хода, которая составляет 0,5–1 % от магнитодвижущей силы первичной обмотки, то I1 · w1 = I2 · w2 и КI = I1 / I2 = w2 / w1 ,

(2.3)

где КI – коэффициент трансформации трансформатора тока. Применение трансформаторов тока вносит дополнительную погрешность в измерения, которая зависит от нагрузки вторичной обмотки трансформатора. Если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора тока, то вследствие исчезновения размагничивающего магнитного потока вторичной обмотки, поток трансформатора возрастает и, следовательно, возрастает ЭДС вторичной обмотки до опасной величины. С другой стороны, с увеличением потока возрастают потери в стали трансформатора, что приводит к чрезмерному нагреву сердечника и порче изоляции обмоток. Поэтому запрещается работать с трансформатором тока, вторичная обмотка которого разомкнута. При любом измерении с помощью измерительных трансформаторов полученное значение величины отличается от истинного. Точность измерения оценивается относительной погрешностью измерения: (2.4) δ (%) = (А' – А)·100 / А, ' где А – измеренное значение измеряемой величины; А – действительное значение измеряемой величины. 2. Программа работы 1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для выполнения работы и записать их основные технические данные. 2. Собрать схему (рис. 2.3) и предъявить ее для проверки преподавателю. 3. Вычислить коэффициент трансформации трансформатора тока при номинальных первичных токах I1 = 0,5; 1; 2 А и номинальном вторичном токе I2 = 5 А. 4. Включить схему в сеть переменного тока напряжением 220 В. При трех различных значениях нагрузки (1, 2 и 3 лампы накаливания), измерить ток амперметром прямого включения и амперметром, включенным через измерительный трансформатор тока. TA РA1 Л1 Л2 A

И2

И1 PA2 A

∼ U=220 В

RНАГ

Рис.2.3. Схема для расширения пределов измерения амперметра переменного тока.

5. Принимая за действительное значение тока величину, измеренную амперметром прямого включения, а за измеренное – определенную по показанию амперметра, включенного через трансформатор тока, вычислить погрешность при измерении тока δi. 6. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 2.1. Таблица 2.1 № п/п 1. 2. 3.

Опытные данные I1, А I2, А

Расчетные данные I′ 1= I2⋅КI, А

К1

δI, %

7. Собрать схему (рис. 2.4) и предъявить ее для проверки преподавателю. а

А

∼ U=220 В

PV1

V

V

X

PV2

х

Рис. 2.4. Схема для расширения пределов измерения вольтметра переменного тока.

8. Вычислить коэффициент трансформации трансформатора напряжения при номинальном первичном напряжении U1 = 380/ 3 В и номинальном вторичном напряжении U2 = 100; 100/ 3 ; 100/3 В. 9. Включить схему и измерить линейное напряжение сети лаборатории вольтметром на 150 В, включенным через измерительный

трансформатор напряжения при различных коэффициентах трансформации, и вольтметром прямого включения. 10. Принимая за действительное значение напряжения величину, измеренную вольтметром прямого включения, а за измеренное – определенную по показанию вольтметра, включенного через трансформатор напряжения, вычислить погрешность при измерении напряжения δU. 11. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 2.2. Таблица 2.2 № п/п 1. 2. 3.

Опытные данные U 2, В U1, В

Расчетные данные δU, % U1′=U2⋅КU, В

КU

12. Собрать схему (рис. 2.5) и предъявить ее для проверки преподавателю.

РA

А

A TV

а

∼ U=220 В

Л1

TA

* Л2 И2

И1

РW1

*

* *

х

R PW2

X Рис. 2.5. Схема для расширения пределов измерения однофазного ваттметра.

13. Включить схему в сеть переменного тока напряжением 220 В. При трех различных значениях нагрузки (1, 2 и 3 лампы) измерить мощность ваттметром прямого включения и ваттметром, включенным через измерительные трансформаторы тока и напряжения. 14. Принимая за действительные значение мощности величину, измеренную ваттметром прямого включения, а за измеренные – определенную по показанию ваттметра, включенного через измерительные трансформаторы, вычислить погрешность при измерении мощности δР.

15. Результаты измерения и расчетов записать в табл. 2.3.

Таблица 2.3. № п/п 1. 2. 3.

Опытные данные I, А P1, Вт P2, Вт

КI

КU

Расчетные данные P1′=KI ⋅KU⋅P2, Вт

δР, %

3. Содержание отчета 1. Технические данные оборудования и измерительных приборов, используемых в работе. 2. Схемы произведенных измерений (3 схемы). 3. Расчет тока, напряжения и мощности с учетом коэффициента трансформации измерительных трансформаторов и погрешностей при измерении. 4. Таблицы с опытными и расчетными данными. 5. Ответы на контрольные вопросы. 6. Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы для подготовки к работе 1. В каких режимах работают трансформатор тока и трансформатор напряжения? 2. Что произойдет, если разомкнуть вторичную обмотку трансформатора тока, когда по его первичной обмотке протекает ток? 3. Как определяется цена деления электроизмерительных приборов при включении их через измерительные трансформаторы?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ Цель работы: научиться измерять сопротивления различными методами. 1. Краткие сведения из теории Величины сопротивлений, встречающиеся в практике, лежат в пределах от 10-6 до 10+12 Ом. В практике электрических измерений все сопротивления подразделяются на три группы: • малые сопротивления – от 1 Ома и ниже; • средние сопротивления – от 1 до 105 Ом; • большие сопротивления – от 105 Ом и выше. Широкое применение получили следующие методы измерения сопротивлений: мостовой метод; метод амперметра и вольтметра; метод омметра.

1.1. Мостовой метод Метод применяется для измерения малых, средних и больших сопротивлений, когда необходима большая точность измерения. Наиболее часто используются мосты постоянного тока (рис. 3.1). Магазины резисторов R1, R2, R3 и измеряемый резистор Rх образуют плечи моста, в одну диагональ которого включен источник питания, в другую – гальванометр. б R1

Rx Ix

I1

а

I2

I3

i3

R2 SA

в

R3

г E

Рис. 3.1. Принципиальная схема моста постоянного тока.

Измерение сопротивлений мостом основано на принципе уравновешивания его плеч. Подбирая сопротивление плеч так, чтобы в цепи гальванометра не было тока, добиваются равновесия моста. При равновесии моста потенциалы точек б и г одинаковы, следовательно, I1R1 = I2R2 и IхRх = I3R3, (3.1) а т. к. I1 = Iх и I2 = I3, то Rх = R3 · R1/ R2. (3.2) Обычно плечо R3 называют плечом сравнения, а плечи R1 и R2 – плечами отношения. В лабораторной работе используется мост постоянного тока типа ММВ. Он предназначен для технических измерений сопротивления в пределах от 0,05 до 5·104 Ом и имеет пять диапазонов измерений (0,05– 5 Ом; 0,5–50 Ом; 5–500 Ом; 50–5000 Ом; 500–50000 Ом). Прибор смонтирован в пластмассовом корпусе. Плечи отношения в нем создаются калиброванной манганиновой проволокой (реохордом), разделенной движком на два плеча. Плечо сравнения выполнено в виде магазина сопротивлений с многопозиционным переключателем. Для перемещения движка реохорда имеется рукоятка со шкалой отношений от 0,5 до 50. Точность измерений 2–5 %. Порядок работы с мостом 1. Установить прибор в горизонтальное положение. 2. Проверить, стоит ли стрелка гальванометра на нуле; при необходимости с помощью корректора установить ее на нуль шкалы. 3. Подключить измеряемое сопротивление. 4. Поставить в соответствующее положение переключатель сопротивлений сравнительного плеча, нажать на кнопку и поворотом движка реохорда установить стрелку гальванометра на нуль шкалы. 5. Подсчитать величину измеряемого сопротивления умножением отсчетов по шкале реохорда и переключателя диапазонов.

1.2. Метод амперметра и вольтметра Метод применяется для измерения малых и средних сопротивлений. Точность измерения при этом методе определяется точностью используемых приборов. Измерение сопротивлений по методу амперметра и вольтметра возможно по одной из двух схем включения приборов (рис. 3.2). В схеме рис. 3.2, а вольтметр измеряет падение напряжения на резисторе Rх, а амперметр – ток I, равный сумме токов, проходящих по резистору и по обмотке вольтметра. (3.3) I = Iх + Iv = U/Rх + Iv При этом действительная величина измеряемого сопротивления

Rх =

U U = I − IU 1− U RU

а)

(3.4)

pА А

I

Rp

pV

Iv

V

б)

Rx

Ix

UA A Rp

pA

pV V

I

Rx Ux

Рис. 3.2. Схемы для измерения сопротивлений амперметром и вольтметром: а – измерение малых сопротивлений; б– измерение средних сопротивлений.

В схеме рис. 3.2, б амперметр измеряет ток I проходящий по резистору RХ, а вольтметр измеряет падение напряжения равное сумме падений напряжений на измеряемом резисторе и на амперметре U U = IR Х + IR A = U Х + U A (3.5) В этом случае действительная величина измеряемого сопротивления RХ =

U − UA U UХ = U = U − RA I I I

(3.6)

Если величину измеряемого сопротивления вычислить непосредственного по показаниям приборов, как это обычно и делается в практике, и считать, что RХ =

U , I

то при этом в обоих случаях будет допущена погрешность.

(3.7)

Величина абсолютной погрешности в первом случае R 2Х ΔR Х1 = , RХ − RU

(3.8)

а во втором

ΔR Х 2 = R A . (3.9) Относительные погрешности при этом соответственно равны δ1 % =

R RХ ⋅ 100 и δ 2 % = A ⋅100 RХ RХ − RU

(3.10)

Таким образом, при измерении методом амперметра и вольтметра появляется погрешность, величина которой зависит как от величины измеряемого сопротивления RХ, так и от сопротивлений приборов RА и RU. Поэтому для получения наименьшей относительной погрешности при выборе схемы измерения следует руководствоваться следующими соображениями. Если измеряемое сопротивление RХ ≤ 2 Ом, то применяется схема рис. 3.2, а, т. к. при этом можно пренебречь током, проходящим в вольтметре. Если же измеряемое сопротивление RХ > 2 Ом, то применяется схема рис. 3.2, б, так как при этом можно пренебречь падением напряжения на обмотке амперметра.

1.3. Метод омметра Метод применяется для измерения больших и средних сопротивлений, когда не требуется большая точность измерения. Омметрами с последовательной схемой (рис. 3.3, а) пользуются для измерения больших сопротивлений, а омметрами с параллельной схемой (рис. 3.3, б) – для измерения средних сопротивлений. Токи в цепи омметров определяются соответственно уравнениями: U U = С1α I= = С1α; I = (3.11) Rх ⋅Rи R х + R u +R д R + д

Rх + Rи

Углы поворота подвижной части соответственно равны: α=

U 1 U 1 ⋅ ⋅ ; α= R ⋅R C1 C1 R х + R и + R д Rд + х и Rх + Rи

Следовательно, при постоянном отношении

(3.12) U угол поворота C1

подвижной части зависит только от сопротивления Rх, значения которого наносятся на шкале омметра. Напряжение источника питания не

остается неизменным, поэтому омметры имеют приспособление для поддержания постоянства

U . Таким приспособлением является магC1

нитный шунт, позволяющий изменить магнитную индукцию в воздушном зазоре измерительного механизма, а следовательно, и постоянную по току СI . Rx I

Rи

а) +

им

SА u

Rд

_ б)

Rx

SА I

+

u

Rи

им Iи

Rд

_ Рис. 3.3. Схемы омметра с однорамочным измерительным механизмом: а – последовательная схема; б – параллельная схема.

В лабораторной работе используется омметр типа М371. Он предназначен для непосредственного измерения сопротивлений в диапазонах: 0–100 Ом; 0–1000 Ом; 0–10000 Ом. Для питания схемы омметра используется внутренний источник постоянного тока напряжением 1,5 В. При измерении на пределе 0–100 Ом к зажимам «1,4 В» необходимо подключить наружный источник тока большой емкости, например, батарею «Девиз». Класс точности прибора 1,5. Порядок работы с омметром 1. Установить корректором стрелку на «∞»шкалы.

2. Закоротить зажимы «-» и «х 1» или «-» и «х10», или «-» и «х100» (в зависимости от предела измерений) и рукояткой «Установка нуля» установить стрелку на нуль шкалы. 3. К соответствующим зажимам подключить измеряемое сопротивление и снять отсчет по шкале прибора. Примечание: точность показаний прибора зависит от напряжения источника питания, питающего схему. Поэтому в приборе имеется регулирующее сопротивление, рукоятка которого расположена на правой боковой стенке корпуса прибора.

Если напряжение источника равно тому, при котором производилась градуировка омметра, то при замыкании зажимов «-» и «х1» или «-» и «х10», или «-» и «х100» стрелка устанавливается на нуль шкалы. Если напряжение отличается от того, при котором производилась градуировка омметра, и при замыкании указанных выше зажимов стрелка не устанавливается на нуль шкалы, то, изменяя величину регулирующего сопротивления, нужно поставить стрелку на нуль шкалы. Тогда показания прибора будут соответствовать действительным значениям измеряемой величины. Разновидностью омметра является мегомметр. Им измеряют большие сопротивления (сопротивления изоляции электрических сетей, обмоток электрических машин, трансформаторов и т. д.). Мегомметр представляет собой омметр на основе магнитоэлектрического логометра, показания которого не зависят от напряжения источника питания. В лабораторной работе используется мегомметр типа М4100 с номинальным напряжением 500 В и двумя пределами измерения: 0–1000 кОм и 0 – ∞ Мом. Он состоит из измерительного механизма (магнитоэлектрического логометра) и генератора постоянного тока с ручным приводом. Для привода генератора имеется рукоятка. Прибор смонтирован в пластмассовом корпусе. Правила пользования мегомметром 1. Проверить исправность мегомметра. Для этой цели присоединить проводники к зажимам Л (линия) и З (земля) и, медленно вращая рукоятку генератора, замкнуть проводники между собой. При этом прибор должен дать показание «нуль сопротивления». Затем проводники развести в стороны и вращать рукоятку с нормальной скоростью. При этом прибор должен дать показание «бесконечно большое сопротивление». 2. Установить мегомметр на твердом основании. К зажимам Л и З с помощью проводов подключить измеряемое сопротивление изоляции. Вращая рукоятку генератора со скоростью 120 об/мин. снять показание по шкале. Отсчет по шкале производится после того, как стрелка займет устойчивое положение.

3. При вращении рукоятки генератора нельзя касаться зажимов мегомметра и токоведущих частей цепи, подключенных к зажимам. 4. Измерения сопротивлений можно производить только в обесточенных электроустановках и сетях. Измерение сопротивления изоляции в установках выше 1000 В должно производиться двумя лицами. 5. При работе с мегомметрами, напряжение у которых 1000 В и выше, измерения необходимо делать стоя на диэлектрическом коврике и в диэлектрических перчатках. 2. Программа работы 1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для выполнения работы и записать их основные технические данные. 2. При помощи моста ММВ измерить сопротивление обмоток статора асинхронного двигателя. Измерения произвести трижды. Определить среднее значение измеряемой величины. 3. Измерить сопротивления обмоток асинхронного двигателя омметром М371. Измерения произвести трижды. Определить среднее значение измеряемой величины. 4. Измерить сопротивления обмоток асинхронного двигателя методом амперметра и вольтметра, для чего: • выбрать схему измерения (см. рис. 3.2); • собрать выбранную схему и предъявить ее для проверки преподавателю; • включить схему в сеть постоянного тока напряжением 24 В и трижды произвести измерение сопротивления каждой обмотки асинхронного двигателя. Определить среднее значение каждой измеряемой величины. 5. Измерить сопротивление резистора R мостом, омметром и с помощью амперметра и вольтметра. 6. Приняв за действительное значение сопротивления величину, полученную при измерении мостом ММВ, а за измеренные величины – сопротивления, полученные при измерении омметром М371 и методом амперметра и вольтметра, вычислить погрешность измерения сопротивления δ %. 7. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 3.1. 8. Измерить при помощи мегомметра М 4100 сопротивление изоляции обмоток асинхронного электродвигателя, кабеля и электропроводки. 9. Результаты измерения записать в табл. 3.2. Таблица 3.1 № п/п

Метод измерения

Среднее значение сопротивления

Погрешность

резистора

обмоток статора асинхронного двигателя RА Ом 1. 2. 3.

RВ Ом

RС Ом

R Ом

δА

δВ

δС

δR

%

%

%

%

Мостом постоянного тока Омметром Амперметром и вольтметром

Таблица 3.2. N п/п

Сопротивление изоляции, МОм

Наименование электрооборудования А-В

А-С

В-С

А-0

В-0

С-0

1. 2. 3.

3. Содержание отчета 1. Технические данные оборудования и измерительных приборов, используемых в работе. 2. Схема произведенных измерений. 3. Расчет среднего значения измеряемого сопротивления и погрешностей при измерении. 4. Таблицы с опытными и расчетными данными. 5. Ответы на контрольные вопросы. 6. Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы для подготовки к работе 1. Какие существуют методы измерения сопротивлений? 2. Какие факторы оказывают влияние на выбор схемы измерения сопротивлений методом амперметра и вольтметра? 3. Для чего в омметрах имеется регулирующее сопротивление? 4. Почему стрелка у мегомметра в неработающем состоянии находится в безразличном состоянии?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Цель работы: научиться измерять активную мощность в цепях переменного тока. 1. Краткие сведения из теории 1.1. Измерение мощности постоянного тока и активной мощности однофазного переменного тока Мощность цепи постоянного тока определяется по формуле: P = U⋅ I (4.1) Следовательно, измеряя ток амперметром и напряжение вольтметром, можно определить мощность цепи. Для измерения активной мощности переменного тока кроме амперметра и вольтметра нужен еще фазометр. Это следует из выражения P = U ⋅ I ⋅ cos ϕ (4.2) Однако оба эти метода не удобны. На практике мощность измеряют с помощью ваттметра. В цепях постоянного тока применяются электродинамические ваттметры, а в цепях переменного тока – электродинамические и ферродинамические ваттметры. 1.2. Измерение активной мощности в трехфазных цепях Измерение активной мощности в трехфазных цепях может производиться с помощью однофазных ваттметров. При этом может быть использован метод одного, двух и трех ваттметров. Метод одного ваттметра Этот метод применяется для измерения активной мощности в трехфазных цепях при равномерной нагрузке фаз. При измерении могут встретиться несколько случаев: а) трехфазная цепь имеет нулевой провод или приемник имеет доступную нулевую точку. При этом для измерения мощности трехфазной цепи достаточно одного ваттметра, измеряющего мощность одной фазы (рис. 4.1). Мощность трехфазной цепи определяют по формуле: P = 3PW ;

(4.3)

б) трехфазная цепь имеет соединение треугольником или звездой с недоступной нулевой точкой. Для измерения мощности трехфазной цепи однофазным ваттметром в этом случае нужно создать искусст-

венную нулевую точку. Она создается с помощью активных сопротивлений, рассчитанных на номинальный ток параллельной цепи ваттметра (рис. 4.2). Активные сопротивления выбираются равными сопротивлению цепи обмотки напряжения ваттметра

*

А

PW

*

N′

В

С Рис. 4.1. Схема измерения активной мощности трехфазной цепи одним однофазным ваттметром при доступной нулевой точке.

* PW

A *

B C

R

R

N

Рис. 4.2. Схема измерения активной мощности трехфазной цепи одним однофазным ваттметром при недоступной нулевой точке.

Очевидно, что при таком включении к зажимам параллельной обмотки ваттметра приложено фазное напряжение Uф, а по последовательной обмотке проходит ток Iф и, следовательно, ваттметр измеряет активную мощность одной фазы. Мощность трехфазной цепи равна P = 3PW . (4.4) Метод двух ваттметров Этот метод применяется для измерения активной мощности в трехфазных трехпроводных цепях как при равномерной, так и при неравномерной нагрузках независимо от способа соединения приемников энергии. В качестве измерительных приборов могут быть использованы два однофазных ваттметра или один двухэлементный ваттметр. Для измерения мощности трехфазной цепи по методу двух ваттметров однофазные ваттметры могут быть включены по одной из трех схем, изображенных на рис. 4.3. Общая измеряемая мощность трехфазной цепи определяется в этом случае как алгебраическая сумма показаний обоих ваттметров P = PW1 + PW2 (4.5) При измерении активной мощности в трехфазной цепи двумя ваттметрами возможны некоторые частные случаи: а) один из приборов показывает нуль. Это бывает при активноиндуктивной нагрузке, когда угол сдвига фаз между током и напряжением φ = 60° (cos φ = 0,5). В этом случае активная мощность трехфазной цепи измеряется только одним ваттметром. б) один из приборов показывает отрицательное показание. Это бывает при активно-индуктивной нагрузке, когда угол сдвига фаз между током и напряжением φ>60° (cos φ < 0,5). Для производства отсчета необходимо переключить зажимы одной из обмоток ваттметра. Активная мощность трехфазной цепи в этом случае определяется разностью показаний ваттметров

P = PW2 − PW1 ;

(4.6)

в) оба прибора дают одинаковые показания. Это бывает при чисто активной нагрузке (cos φ = 1). Метод трех ваттметров Этот метод применяется для измерения активной мощности в трехфазных цепях с нейтральным проводом при неравномерной нагрузке фаз. В качестве измерительных приборов могут быть использованы три однофазных ваттметра или один трехэлементный ваттметр.

Ваттметры включаются по схеме, изображенной на рис. 4.4. Каждый из ваттметров (элементов) измеряет мощность одной из фаз. а)

*

A

PW1 *

*

B

PW2 *

C *

PW1

A

б)

*

B

в)

PW2

*

C A B

PW1

* *

C

* * PW2

*

Рис.4.3. Варианты схем включения двух однофазных ваттметров для измерения активной мощности в трехфазной цепи. *

A

PW1 *

B

*

PW2 *

*

PW3

C *

N Рис.4.4. Схема измерения активной мощности в трехфазной четырехпроводной цепи тремя однофазными ваттметрами.

Активная мощность трехфазной цепи определяется суммой показаний трех ваттметров P = PW1 + PW2 + PW3 . (4.7)

2. Программа работы 1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для выполнения работы и записать их основные технические данные. 2. Собрать схему (рис.4.5) и предъявить ее для проверки преподавателю. * * RA A PA Pϕ PW ϕ A RB * V PV * B N' ∼ 220/127 В

RC

C

SA M Рис.4.5. Схема измерения активной мощности трехфазной цепи одним однофазным ваттметром при доступной нулевой точки.

3. Включить схему в сеть переменного тока напряжением 220/127 В. Измерить ток, напряжение, активную мощность и коэффициент мощности фазы А при следующих нагрузках: • асинхронный двигатель + 2 лампочки по 60 Вт в каждой фазе; • асинхронный двигатель + 2 лампочки по 60 Вт и 1 лампочка 100 Вт в каждой фазе; • асинхронный двигатель + 2 лампочки по 60 Вт и 2 лампочки по 100 Вт в каждой фазе; • 2 лампочки по 60 Вт и 2 лампочки по 100 Вт в каждой фазе. 4. Для каждой нагрузки определить: • расчетную активную мощность трехфазной цепи Ррасч по показаниям амперметра, вольтметра и фазометра; • активную мощность трехфазной цепи по показанию ваттметра; • погрешность измерения активной мощности δр трехфазной цепи, приняв за действительное значение расчетную величину. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 4.1.

5. Собрать схему (рис. 4.6) и предъявить ее для проверки преподавателю. 6. Включить схему в сеть переменного тока напряжением 220/127 В. При тех же нагрузках, которые указаны в пункте 3, измерить ток, напряжение, мощность ваттметрами PW1 и PW2 и коэффициент мощности. Таблица 4.1 № пп

Опытные данные Uф Pw В Вт

Iф А

Pрасч. Вт

cosϕ –

Расчетные данные Р Вт

δр %

1. 2. 3. 4.

Для каждой нагрузки определить расчетную активную мощность трехфазной цепи Ррасч., активную мощность трехфазной цепи Р по показаниям ваттметров PW1 и PW2 и погрешность измерения мощности δр. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 4.2. Таблица 4.2 Опытные данные № пп

Iф

Uф

PW1

PW2

А

В

Вт

Вт

Расчетные данные соsϕ --

Ррасч.

Р

Вт

Вт

δр %

1. 2. 3. 4.

A

A

PA

B

* PW1 *

V PV *

Pϕ RA

∼ 220/127 В C

ϕ*

RB

PW2 *

RC *

SA

М

N′

Рис.4.6. Схема измерения активной мощности трехфазной трехпроводной цепи по методу двух ваттметров.

3. Содержание отчета 1. Технические данные оборудования и измерительных приборов, используемых в работе. 2. Схемы произведенных измерений (2 схемы). 3. Расчет мощностей и погрешностей измерений. 4. Таблицы с опытными и расчетными данными. 5. Ответы на контрольные вопросы. 6. Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы для подготовки к работе 1. Какие методы применяются для измерения активной мощности в трехфазной цепи при равномерной нагрузке? 2. Какие методы применяются для измерения активной мощности в трехфазной цепи при неравномерной нагрузке? 3. Какие показания будут иметь ваттметры при измерении мощности в трехфазной цепи методом двух ваттметров при углах сдвига фаз между током и напряжением: φ < 60°; φ = 60°; φ > 60°; φ = 0?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИЗМЕРЕНИЕ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Цель работы: научиться измерять реактивную мощность в цепях переменного тока. 1. Краткие сведения из теории Измерение реактивной мощности в трехфазных цепях может быть осуществлено с помощью обычных однофазных ваттметров, включенных в цепь по особым схемам. При этом, так же как и при измерении активной мощности трехфазной цепи, может быть использован метод одного, двух и трех ваттметров. Кроме того, реактивная мощность в трехфазных цепях измеряется с помощью двух- или трехэлементных электродинамических или ферродинамических варметров, элементы которых, практически ничем не отличающиеся от элементов обычных ваттметров, включаются в трехфазную цепь также по особым схемам. Особенность измерительных схем состоит в том, что параллельная обмотка каждого однофазного ваттметра (элемента варметра) подключается с учетом кругового чередования фаз к тем линейным проводам, в разрыв которых не включена его последовательная (токовая) обмотка. При таком включении угол между вектором тока последовательной обмотки и вектором напряжения параллельной обмотки ваттметра становится равным (90º - φ), а показание ваттметра – пропорциональным реактивной мощности фазы. Такие схемы включения называют схемами с замененными напряжениями. При измерении реактивной мощности по схемам с замененными напряжениями система напряжений в цепи должна быть симметричной.

1.1. Метод одного ваттметра Метод одного ваттметра применяется в трехфазных трех- или, четырехпроводных цепях при равномерной нагрузке фаз. На рис. 5.1, а приведена схема включения ваттметра для измерения реактивной мощности в трехфазной трехпроводной симметричной цепи. С учетом векторной диаграммы (рис. 5.1) показание ваттметра равно:

PW = U BCIA cos(900 − ϕ ) = U Л I Лsinϕ.

(5.1)

Для получения реактивной мощности всей цепи необходимо умножить показание ваттметра на 3 , т. е.

Q = 3PW = 3U Л I Лsinϕ .

(5.2)

1.2. Метод двух ваттметров Метод двух ваттметров применяется в трехфазных трехпроводных цепях как при равномерной, так и при неравномерной нагрузке фаз. а) *

А

PW

*

N

В

б)

С UA

IA ϕ 90° - ϕ UBC

UC

UB

Рис. 5.1. Использование однофазного ваттметра для измерения реактивной мощности в трехфазной трехпроводной симметричной цепи: а – схема включения; б – векторная диаграмма.

При измерении по схеме, показанной на рис. 5.2, а, для получения реактивной мощности всей цепи необходимо алгебраическую сумму показаний ваттметров умножить на 3 /2, т. е.

3 3 (5.3) (2U Л I Лsinϕ ) = 3U Л I Лsinϕ. (PW1 + PW2 ) = 2 2 При измерении по схеме, показанной на рис. 5.2, б, создается искусственная нулевая точка. Сопротивление резистора R подбирается равным сопротивлению параллельной цепи каждого ваттметра. Для получения реактивной мощности всей цепи в этом случае необходимо алгебраическую сумму показаний ваттметров умножить на 3 : Q=

Q = 3 (PW1 + PW2 ) = 3 ( 3U ф IФsinϕ ) = 3Uф IФsinϕ .

(5.4)

Отечественной промышленностью выпускаются двухэлементные варметры, в которых элементы включаются по схеме рис. 5.2, б и при градуировке учтена величина 3 . * PW1 а) A

*

B

* *

C

PW2

PW1 б)

*

A

R

*

B C

* *

PW2

Рис. 5.2. Использование двух однофазных ваттметров для измерения реактивной мощности в трехфазной трехпроводной цепи: а – при равномерной нагрузке; б – при любой нагрузке.

1.3. Метод трех ваттметров Метод трех ваттметров применяется в трехфазных трех- или четырехпроводных цепях как при равномерной, так и неравномерной нагрузке фаз. На рис. 5.3 показано включение трех ваттметров для измерения реактивной мощности в трехфазной четырехпроводной цепи. Для получения реактивной мощности трехфазной цепи необходимо алгебраическую сумму показаний ваттметров поделить на 3 :

Q=

PW1 + PW2 + PW3 3

=

3U Л I Лsinϕ = 3U Л I Л sinϕ . 3

(5.5)

* PW1 A

*

*

PW2

B C

* PW3

* *

N

Рис. 5.3. Использование трех однофазных ваттметров для измерения реактивной мощности в трехфазной четырехпроводной цепи.

Вместо трех ваттметров можно использовать один трехфазный трехэлементный варметр, элементы которого включаются по схеме рис.5.3. Математическая операция деления на 3 в нем учтена при градуировке.

2. Программа работы 1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для выполнения работы и записать их основные технические данные. 2. Собрать схему (рис. 5.4) и предъявить ее для проверки преподавателю. 3. Включить схему в сеть переменного тока напряжением 220/127 В. Измерить ток, напряжение, мощность ваттметрами PW1 и PW2 и коэффициент мощности при следующих нагрузках: • асинхронный двигатель + 2 лампочки по 60 Вт в каждой фазе;

• асинхронный двигатель + 2 лампочки по 60 Вт и 1 лампочка 100 Вт в каждой фазе; • асинхронный двигатель + 2 лампочки по 60 Вт и 2 лампочки по 100 Вт в каждой фазе; • 2 лампочки по 60 Вт и 2 лампочки по 100 Вт в каждой фазе. *

PA A

PW1

A

PV

*

B

Рϕ

*

*

C ∼ 220/127 В

RA RB

V

PW2

RC

* * SA

М Рис.5.4. Схема измерения реактивной мощности трехфазной трехпроводной цепи по методу двух ваттметров.

4. Для каждой нагрузки определить расчетную реактивную мощность трехфазной цепи Qрасч., реактивную мощность трехфазной цепи Q по показаниям ваттметров PW1 и PW2 и погрешность измерения реактивной мощности δQ. 5. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 5.1 Таблица 5.1 № п.п.

Iф А

Uф В

Опытные данные PW1 PW2 Вт Вт

соsϕ --

1. 2. 3. 4.

3. Содержание отчета

Расчетные данные Qрасч. Q δQ вар вар %

1. Технические данные оборудования и измерительных приборов, используемых в работе. 2. Схема произведенных измерений. 3. Расчет мощностей и погрешностей измерений. 4. Таблица с опытными и расчетными данными. 5. Ответы на контрольные вопросы. 6. Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы для подготовки к работе 1. Какие методы применяется для измерения реактивной мощности в трехфазной цепи при равномерной нагрузке? 2. Какие методы применяется для измерения реактивной мощности в трехфазной цепи при неравномерной нагрузке? 3. В чем заключается особенность измерительных схем для измерения реактивной мощности?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Цель работы: научиться измерять активную электрическую энергию в однофазных и трехфазных цепях переменного тока. 1. Краткие сведения из теории Учет электроэнергии осуществляется при помощи счетчиков ваттчасов, которые являются интегрирующими приборами, измеряющими электрическую энергию в ватт-часах или кратных им единицах. Счетчики, указывающие активную электроэнергию, называются счетчиками активной энергии. В настоящее время для измерения активной электроэнергии применяются индукционные или статические (электронные) счетчики. Индукционным называется счетчик, в котором магнитное поле неподвижных токопроводящих катушек влияет на подвижный элемент из проводящего материала, обычно это диск, по которому текут токи, индуцированные магнитным полем катушек. Статическим называется счетчик, в котором ток и напряжение воздействуют на твердотельные (электронные) элементы для создания на выходе импульсов, число которых пропорционально измеряемой активной энергии. Технические требования к индукционным счетчикам регламентированы ГОСТ 6570–75, а к статическим счетчикам – ГОСТ 30206–94 (классы точности 0,2S и 0,5S) и ГОСТ 30207–94 (классы точности 1 и 2). Обозначение индукционных счетчиков активной энергии: СО – однофазные непосредственного включения или трансформаторные активной энергии; СОУ – однофазные трансформаторные со вторичным или смешанным счетным механизмом активной энергии; СА3 – трехфазные непосредственного включения или трансформаторные трехпроводные активной энергии; СА4 – то же, четырехпроводные; СА4У – трехфазные трансформаторные со вторичным или смешанным счетным механизмом трех- и четырехпроводные активной энергии. В обозначениях счетчиков буквы и цифры обозначают: С – счетчик; О – однофазный; А – активной энергии; У – со вторичным или смешанным счетным механизмом; 3 или 4 – для трех- или четырехпроводной сети.

1.1. Измерение активной энергии в однофазных цепях Измерение электрической энергии в однофазных цепях переменного тока производится с помощью однофазных счетчиков. В лабораторной работе используется однофазный индукционный счетчик типа СО. Счетчики относятся к интегрирующим приборами, т. к. они дают показания с непрерывно нарастающим итогом. Угол поворота подвижной части в счетчиках не ограничен и она вращается с частотой вращения, пропорциональной мощности цепи. При этом количество оборотов подвижной части за некоторый промежуток времени пропорционально измеряемой энергии. Для регистрации измеряемой энергии каждый счетчик имеет счетный механизм, представляющий, по существу, счетчик оборотов подвижной части. Активная энергия, измеренная счетчиком за время t, равна W = P ⋅ t = C⋅ n ⋅ t = CN.

(6.1)

Следовательно, число оборотов диска счетчика N за время t пропорционально измеряемой энергии. Коэффициент пропорциональности С=W/N

(6.2)

называется действительной постоянной счетчика, которая определяет энергию, учитываемую счетчиком в цепи за время одного оборота диска. Так как эта величина переменная, то для определения энергии, регистрируемой счетчиком, используется номинальная постоянная счетчика Сном, которая подсчитывается по передаточному числу, указанному на щитке каждого счетчика. Передаточное число – это число оборотов диска, приходящиеся на единицу учитываемой счетчиком энергии. Например: 1 кВтч = 2000 оборотов диска. Величина, обратная передаточному числу счетчика, называется номинальной постоянной счетчика. Для счетчика с указанным выше передаточным числом она равна:

С ном

= 3600 ⋅1000/2000 = 1800 Вт ⋅ с/оборот.

Зная Сном и число оборотов диска счетчика за время t, энергию, регистрируемую счетчиком, определяют по формуле

W = Cном N

(6.3) На практике энергия, измеряемая счетчиком за определенный промежуток времени, находится как разность показаний счетчика в конце и начале этого промежутка. Точность измерения энергии оценивается относительной погрешностью измерения

δ %=

Wсч - W 100, W

(6.4)

где Wсч – энергия, зарегистрированная счетчиком за определенный промежуток времени; W – действительная энергия, израсходованная за то же время в цепи, определяемая по образцовому счетчику или ваттметру и секундомеру. На рис. 6.1 показана схема подключения однофазного счетчика. PI

*

*

Г

∼U

Н

Г

Н к нагрузке

N Рис. 6.1. Схема включения однофазного счетчика.

1.2. Измерение активной энергии в трехфазных цепях Трехфазные индукционные счетчики активной энергии имеют в одном корпусе два или три измерительных механизма (вращающих элемента), подобных измерительному механизму однофазного счетчика. Двухэлементные счетчики используются для учета активной энергии в трехфазных трехпроводных цепях переменного тока. Трехэлементными счетчиками учитывается активная энергия в трехфазных четырехпроводных цепях переменного тока.

Как в двухэлементных, так и в трехэлементных счетчиках диски вращающих элементов укрепляются на одной оси. Это позволяет получить общий вращающий момент подвижной части счетчика, равный алгебраической сумме вращающих моментов отдельных элементов. Таким образом, независимо от количества применяемых вращающих элементов в счетчиках устанавливается один счетный механизм. Включение вращающих элементов счетчиков для учета активной энергии производится по схемам включения ваттметров для измерения активной мощности. Генераторные зажимы токовых обмоток счетчиков обозначаются буквой Г, а зажимы, к которым подключается нагрузка, – буквой Н. Зажимы обмоток напряжения счетчиков, предназначенных для включения в трехфазные трех- или четырехпроводные цепи, обозначаются цифрами 1, 2, 3 и 0. Промышленностью выпускаются счетчики трех разновидностей: счетчики непосредственного включения, трансформаторные счетчики и счетчики трансформаторные универсальные. Трансформаторные счетчики предназначены для включения через измерительные трансформаторы, имеющие определенные, изначально заданные коэффициенты трансформации. Трансформаторные универсальные счетчики предназначены для включения через измерительные трансформаторы, имеющие любые коэффициенты трансформации. В трехфазных трехпроводных цепях для измерения активной энергии используются двухэлементные счетчики активной энергии типа САЗ или САЗУ. В трехфазных четырехпроводных цепях для измерения активной энергии используются трехэлементные счетчики активной энергии типа СА4 или СА4У. Включение вращающих элементов счетчиков для учета активной энергии производится по схемам включения, представленным на рис. 6.2 и 6.3. PI

*

* *

*

Г A B C

Н

2

3 Г

Н

НАГРУЗКА

1

Рис. 6.2. Схема включения двухэлементного трехфазного счетчика типа САЗ.

В случае измерения активной энергии в трехфазной четырехпроводной цепи с применением измерительных трансформаторов тока и измерительных трансформаторов напряжения показания счетчика необходимо умножить на номинальный коэффициент трансформации КIном применяемого измерительного трансформатора тока и номинальный коэффициент трансформации КUном применяемого трансформатора напряжения: W = Wсч КIном КUном

(6.5)

При этом генераторные зажимы токовых обмоток счетчика Г должны быть подключены к зажимам И1 измерительных трансформаторов тока, а зажимы обмоток напряжения счетчика 1, 2 и 3 – к зажимам «а» измерительных трансформаторов напряжения.

* *

Г

1

*

Н Г

*

2

НГ

3

Н

НАГРУЗКА

A

РI

*

*

B C N Рис. 6.3. Схема включения трехэлементного трехфазного счетчика типа СА4

2. Программа работы 1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для выполнения работы и записать их основные технические данные.

2. Собрать схему (рис. 6.4) и предъявить ее для проверки преподавателю. 3. При отсутствии тока в последовательной обмотке счетчика (ключ SА разомкнут) и номинальном напряжении на его параллельной обмотке убедиться в отсутствии вращения диска, т. е. в отсутствии у счетчика самохода. 4. Вычислить номинальную постоянную счетчика Сном.. 5. Измерить активную энергию, израсходованную в однофазной цепи за время t = 300 сек., для чего: • включить схему в сеть переменного тока напряжением U = 220 В; • изменяя сопротивление нагрузки Rнагр .по амперметру установить ток равный 50 % от номинального тока счетчика; • измерить число оборотов диска N за время t = 300 сек., ток в цепи I, напряжение U, активную мощность Р; • вычислить энергию W за время t = 300 сек., используя показание ваттметра, и энергию Wсч регистрируемую счетчиком за это же время, используя Сном и N. P

1 Г

Н

* РW

Н SA

*

Г

РА A

V РV

∼ 220

Rнагр

Рис.6.4. Схема измерения активной энергии в однофазной цепи.

6. Приняв за действительное значение энергии величину, подсчитанную по показанию ваттметра за время t = 300 сек., а за измеренное значение – энергию, регистрируемую за то же время счетчиком, вычислить относительную погрешность измерения энергии δw. 7. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 6.1. Таблица 6.1 Нагрузка в % от

t

Опытные данные N I U

P

Cном

Расчетные данные W Wсч

δw

номинальной

c

oбор.

А

В

Вmс обор

Вm

Вmс

Вmс

%

50 % Iном

8. Собрать схему (рис. 6.5) и предъявить ее для проверки преподавателю. 9. Определить номинальную постоянную трехфазного счетчика Cном

10. Измерить активную энергию, израсходованную в трехфазной цепи за время t = 600 сек., для чего: • включить схему в сеть переменного тока напряжением 220/127 В.; • замкнуть ключ SA и изменяя сопротивление нагрузки RA, RB, RС по амперметрам РА1, РА2, РА3 установить неравномерную нагрузку; • измерить за время t = 600 сек число оборотов диска трехфазного счетчика активной энергии N, токи IА, I В, IС и напряжения UА, UВ, UC; • вычислить: активную мощность трехфазной цепи Р (используя показания ваттметров PW1 и PW2); активную энергию за время t = 600 сек, регистрируемую счетчиком САЗ (Wсч) и по показаниям двух ватметров (W). 11. Приняв за действительные значения активной энергии величину, подсчитанную по показаниям двух ваттметров за время t = 600 сек, а за измеренные значения – энергию, регистрируемую трехфазным счетчиком активной энергии за время t = 600 сек, вычислить погрешность измерения активной энергии (δW). PI САЗ

*

*

*

* Г

1 Н

PA1

Г

PA2 A

A

2

Н

a

PA3

b

A

* *

*

SA

c

PW1 PW2

PV V

M

Рис.6.5. Схема измерения активной энергии в трехфазной цепи.

12. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 6.2. Таблица 6.2 t

N

IА

IВ

сек.

обор.

А

А

Р Вт

C ном Вт·с/об

Опытные данные IС UА А

В

Расчетные данные W Вт·с

UВ

UС

PW1

PW2

В

В

Вт

Вт

Wсч Вт·с

δW %

3. Содержание отчета 1. Технические данные оборудования и измерительных приборов, используемых в работе. 2. Схемы произведенных измерений. 3. Расчет номинальных постоянных счетчиков, энергии и погрешностей измерений. 4. Таблицы с опытными и расчетными данными. 5. Ответы на контрольные вопросы. 6. Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы для подготовки к работе 1. Как определить номинальную постоянную счетчика? 2. В каких случаях применяются двухэлементные и трехэлементные счетчики активной энергии? 3. Какие виды трехфазных счетчиков активной энергии выпускаются? 4. Как измерить энергию при подключении счетчиков через измерительные трансформаторы тока и напряжения?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ИЗМЕРЕНИЕ РЕАКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ. Цель работы: научиться измерять реактивную электрическую энергию в трехфазных цепях переменного тока. 1. Краткие сведения из теории В соответствии с «Правилами учета электрической энергии» основной целью учета электроэнергии является получение достоверной информации о производстве, передаче, распределении и потреблении электрической энергии на оптовом и розничном рынке электроэнергии. Учет активной и реактивной энергии при этом производится различными приборами учета. Учет реактивной электроэнергии должен обеспечивать возможность определения количества реактивной электроэнергии, полученной потребителем от электроснабжающей организации или переданной ей, если по этим данным производятся расчеты или контроль соблюдения заданного режима работы компенсирующих устройств. Учет электроэнергии осуществляется при помощи счетчиков ваттчасов, которые являются интегрирующими приборами, измеряющими электрическую энергию в ватт-часах или кратных им единицах. Счетчики, учитывающие интегрированную реактивную мощность (далее реактивная электроэнергия) за учетный период, называются счетчиками реактивной энергии. В настоящее время для измерения реактивной электроэнергии применяются индукционные счетчики. Индукционным называется счетчик, в котором магнитное поле неподвижных токопроводящих катушек влияет на подвижный элемент из проводящего материала, обычно это диск, по которому текут токи, индуцированные магнитным полем катушек. Технические требования к индукционным счетчикам регламентированы ГОСТ 6570 – 75. Обозначение индукционных счетчиков реактивной энергии: СР4 – трехфазные непосредственного включения или трансформаторные трех- и четырехпроводные реактивной энергии; СР4У – трехфазные трансформаторные со вторичным или смешанным счетным механизмом трех- и четырехпроводные реактивной энергии. В обозначениях счетчиков буквы и цифры обозначают: С – счетчик; Р – реактивной энергии; У – со вторичным или смешанным счетным механизмом; 4 – для трех- или четырехпроводной сети.

Трехфазные индукционные счетчики реактивной энергии имеют в одном корпусе три измерительных механизма (вращающих элемента), подобных измерительному механизму однофазного счетчика. Генераторные зажимы токовых обмоток счетчиков обозначаются буквой Г, а зажимы, к которым подключается нагрузка, – буквой Н. Зажимы обмоток напряжения счетчиков, предназначенных для включения в трехфазные трех- или четырехпроводные цепи, обозначаются цифрами 1, 2, 3 и 0. Промышленностью выпускаются счетчики трех разновидностей: счетчики непосредственного включения, трансформаторные счетчики и счетчики трансформаторные универсальные. Трансформаторные счетчики предназначены для включения через измерительные трансформаторы, имеющие определенные, ранее заданные коэффициенты трансформации. Трансформаторные универсальные счетчики предназначены для включения через измерительные трансформаторы, имеющие любые коэффициенты трансформации. Трехфазные трехэлементные счетчики для учета реактивной энергии типов СР4 и СР4У применяются в трехфазных трехпроводных и трехфазных четырехпроводных цепях переменного тока. Включение вращающих элементов счетчика производится по правилам включения на замененные напряжения обычных ваттметров в случае применения их для измерения реактивной мощности в трехфазных цепях. Схемы с замененными напряжениями дают правильные результаты при любых токах, как симметричных, так и ассиметричных, однако симметрия напряжений, как в первом, так и во втором случае должна быть обязательной. На рис. 7.1 приведена схема расположения зажимов и присоединения к ним обмоток счетчика типа СР4 непосредственного включения при измерении им реактивной энергии в трехфазной трехпроводной цепи. В случае измерения реактивной энергии в трехфазной четырехпроводной цепи с применением измерительных трансформаторов тока и измерительных трансформаторов напряжения показания счетчика необходимо умножить на номинальный коэффициент трансформации КIном применяемого измерительного трансформатора тока и номинальный коэффициент трансформации КUном применяемого трансформатора напряжения: W = Wсч · КIном · КUном

(7.1)

При этом генераторные зажимы токовых обмоток счетчика Г должны быть подключены к зажимам И1 измерительных трансформаторов тока, а зажимы обмоток напряжения счетчика 1, 2 и 3 – к зажимам «а» измерительных трансформаторов напряжения.

Рис. 7.1. Схема включения счетчика типа СР4 в трехфазную трехпроводную цепь.

2. Программа работы 1. Ознакомиться с аппаратурой и приборами, необходимыми для выполнения работы и записать их основные технические данные. 2. Собрать схему (рис. 7.2) и предъявить ее для проверки преподавателю. 3. Определить номинальную постоянную трехфазного счетчика реактивной (Cном.) энергии. 4. Измерить реактивную энергию, израсходованную в трехфазной цепи за время t = 900 сек., для чего: • включить схему в сеть переменного тока напряжением 220/127 В.; • замкнуть ключ SA1 и изменяя сопротивление нагрузки RA, RB, RС по амперметрам А1, А2. А3 установить неравномерную нагрузку; • измерить за время t = 900 сек число оборотов диска трехфазного счетчика реактивной энергии N, токи IА, I В, IС и напряжения UА, UВ, UC

• вычислить: реактивную мощность трехфазной цепи Q (используя показания ваттметров PW1 и PW2); реактивную энергию Wсч.р за время t = 900 сек, регистрируемую счетчиком СР4. и Wp по по показаниям ваттметров. 5. Приняв за действительные значения реактивной энергии величину, подсчитанную по показаниям двух ваттметров за время t = 900 сек, а за измеренные значения – энергию, регистрируемую трехфазным счетчиком реактивной энергии за время t = 900 сек, вычислить погрешность измерения реактивной энергии (δWр).

СР 4

*

* *

PA3

PA2 A

A

* 1 Н Г

Г

PA1

* * 3

2 Н Г

Н

a A

b SA1

c

PW1 * *

PW2

*

PV V

* A

B

M

C

Рис. 7.2. Схема измерения реактивной энергии в трехфазной цепи

6. Результаты измерений и расчетов записать в табл. 7.1.

Таблица 7.1 t сек.

N обор.

Q вар

IА А

IВ А

C ном Вт·с/об

Опытные данные IС UА А В

Расчетные данные Wр вар·с

UВ В

UС В

Wсч.р Вар·с

PW1 Вт

PW2 Вт

δWр %

3. Содержание отчета 1. Технические данные оборудования и измерительных приборов, используемых в работе. 2. Схема произведенных измерений. 3. Расчет номинальной постоянной счетчика, энергии и погрешности измерения. 4. Таблица с опытными и расчетными данными. 5. Ответы на контрольные вопросы. 6. Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы для подготовки к работе 1. Каков принцип действия индукционного счетчика реактивной энергии? 2. Как обозначаются зажимы счетчиков реактивной энергии? 3. В чем особенность включения обмоток счетчика реактивной энергии по сравнению с обмотками счетчика активной энергии? 4. Как соблюсти полярность при подключении счетчика реактивной энергии через измерительные трансформаторы тока и напряжения?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Электрические измерения (с лабораторными работами): Учебник для техникумов / Р. М. Демидова-Панферова, В. Н. Малиновский, В. С. Попов и др.; Под ред. В. Н. Малиновского. – М.: Энергоиздат, 1982. – 392 с. 2. Электрические измерения и электроизмерительные приборы / Под ред. В. И. Котура. – М.: Энергоиздат, 1086. – 412 с. 3. Нефедов В. И., Сигов А. С., Битюков В. К. и др. / Под. Ред. Сигова А. С. Электрорадиоизмерения: Учебник. – М.: «Форум» «Инфра-М», 2004. – 384 с. 4. Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е. М. Душина. – М.: Энергоиздат, 1987. – 642 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ..…………………………………………………………………………… Техника безопасности при выполнении лабораторных раб ……………………… Лабораторная работа № 1 Расширение пределов измерения измерительных механизмов магнитоэлектрической системы……………….............................................................. Лабораторная работа № 2 Расширение пределов измерения приборов переменного тока с помощью измерительных трансформаторов……..………………………………………………… Лабораторная работа № 3 Измерение сопротивлений различными методами………………………….………… Лабораторная работа № 4 Измерение активной мощности в цепях переменного тока ………………………… Лабораторная работа № 5 Измерение реактивной мощности ……………………………………….…………… Лабораторная работа № 6 Измерение активной энергии в цепях переменного то ……………………………...... Лабораторная работа № 7 Измерение реактивной энерг ………………………………………………………….... Список литературы ……………………………………….……………………………

3 5 6 11 17 25 32 38 46 51

ДЛЯ ЗАМЕТОК

ДЛЯ ЗАМЕТОК

ДЛЯ ЗАМЕТОК