Для измерения электрической мощности применяют следующие методы: амперметра — вольтметра; одного ваттметра; двух и трех ваттметров и с помощью переносных ваттметров.
Метод амперметра и вольтметра дает возможность измерить мощность постоянного тока (произведение тока на напряжение) или полную (кажущуюся) мощность переменного тока, равную активной мощности при cos φ = 1. Существуют две схемы подключения приборов (рис. 13).
Рис. 13. Схемы подключения вольтметра и амперметра для измерения мощности
Рис. 14. Схемы подключения приборов для замера мощности на постоянном токе и симметричной нагрузки на переменном токе
Измеренная по схеме на рис. 13, а мощность оказывается больше мощности нагрузки на величину мощности, потребляемой амперметром РА. При измерении по схеме на рис. 13, б мощность больше на величину мощности, потребляемой вольтметром. Первая схема используется при сравнительно больших сопротивлениях, вторая — при малых. Необходимо учитывать, что погрешность измерения мощности методом амперметра — вольтметра больше суммы приведенных погрешностей обоих приборов.
Метод одного ваттметра применяют для измерения мощности в цепи постоянного тока или (активной мощности) однофазного переменного тока (ваттметр включается по схеме, изображенной на рис. 14, а.) При подключении приборов необходимо соблюдать полярность. В схемах на переменном токе это обеспечивается согласным подключением генераторных зажимов (на приборах они обозначаются звездочками) к источнику питания.
Метод одного ваттметра также применим при измерении активной мощности в цепях трехфазного тока при полной симметрии нагрузок, т. е. когда звезда фазных (и линейных) напряжений симметрична и токи нагрузок во всех фазах равны по значению (рис. 14, б) и фазовому сдвигу. Примером симметричной нагрузки является асинхронный двигатель, где za=zb= zс. Если нагрузка соединена треугольником, для измерения мощности можно использовать схему, изображенную на рис. 14, в, где сопротивлении резисторов rд должны быть равны сопротивлению параллельной цепи ваттметра. Мощность трех фаз получают умножением полученного результата на 3, т. е. Р3ф = 3Рф.
Метод двух ваттметров используется при простои симметрии фаз, когда звезда фазных (и линейных) напряжений симметрична, а токи нагрузки по значению и фазе не равны между собой. Включая ваттметры, необходимо соблюдать полярность в соответствии с рис. 15, а. Токовая цепь первого ваттметра включена в фазу А с подсоединением генераторного зажима со стороны питания, а цепь напряжения включена между фазами А и В. Токовая цепь второго ваттметра включена в фазу С также с подсоединением генераторного зажима со стороны питания, а цепь напряжения включена между фазами В и С. Токовые цепи ваттметров можно включить в любые из двух фаз, но цепи напряжения должны быть подсоединены между фазами, где включены токовые цепи, и свободной фазой.
Рис. 15. Схемы измерения мощности переменного тока при простой симметрии фаз
Сумма показаний двух ваттметров равна мощности трехфазной системы:
Метод трех ваттметров (рис. 15,б) самый громоздкий и применяют его только при полной несимметрии, т. е. когда звезда фазных (и линейных) напряжений искажена и токи нагрузки по значению и фазе не равны между собой. Сумма показаний трех приборов равна мощности трехфазной системы:
Переносные ваттметры имеют несколько пределов измерения по току и напряжению, чем расширяется диапазон измеряемых мощностей. Такие ваттметры снабжаются переключателями полярности, что дает возможность изменять полярность прибора без изменения схемы его подключения. Последнее особенно важно при подключении ваттметра в цепях трехфазного переменного тока, где одним и тем же прибором можно измерять несколькими методами, Шкала переносного ваттметра условна. Для определения измеряемой мощности необходимо показания прибора умножить на. коэффициенты трансформатора тока (КА) и трансформатора напряжения (К) при принятых пределах измерения.
Для измерения активной мощности можно также применять трехфазные ваттметры, состоящие из двух или трех однофазных ваттметров.
Энергию электрического тока измеряют счетчиками электрической энергии, которые включают в цепь подобно ваттметрам. Для учета активной энергии в четырехпроводной сети с нулевым проводом применяют схему, аналогичную схеме измерения мощности тремя ваттметрами. Общий расход энергии определяется как сумма показаний трех счетчиков. В трехпроводной сети применяют схему с двумя однофазными счетчиками, включенными по схеме двух ваттметров (рис. 15, а). При этом надо иметь в виду, что при cos φ < 0,5 у одного из счетчиков диск будет вращаться в сторону, противоположную нормальному вращению, и показания счетного механизма будут уменьшаться. Это необходимо учитывать при суммировании показаний приборов.
При несимметрии токов (но когда питательные напряжения симметричны и равны между собой) применяют два счетчика, включенных по схеме с искусственной нейтралью (рис. 16). В этом случае общая энергия определяется алгебраической суммой показаний обоих счетчиков. Для образования искусственной нейтрали сопротивление резистора r должно равняться сопротивлению параллельных цепей счетчика.
В трех фазных счетчиках конструктивно объединены три или два однофазных счетчика, обмотки которых включаются по одной из приведенных схем (рис. 15, а; рис. 16). Вращающие моменты отдельных элементов воздействуют на общую подвижную часть (диск), которая и вращается пропорционально суммарной мощности нагрузки трехфазной системы.
Реактивную мощность можно измерять теми же ваттметрами, что и активную, изменив порядок подключения: токовую цепь включают в одну фазу, напряжение подают от двух других фаз (рис. 17, а).
Рис. 16. Схема включения счетчиков с искусственной нейтралью
Рис. 17. Схемы измерения реактивной мощности
Чтобы измерить реактивную мощность электродинамическим ваттметром в цепи однофазного переменного тока, необходимо ток в параллельной ветви сдвинуть относительно напряжения па угол 90°. Для этого последовательно с катушкой напряжения включают дополнительно катушку индуктивности, а параллельно катушке напряжения — активное сопротивление r0 (рис. 17, б).
Рис. 18. Схемы измерения реактивной энергии двухэлементным счетчиком (а) и специальным трехфазным (б)
Рис. 19. Включение измерительных трансформаторов тока и напряжения в схему измерения
При известных данных параллельной катушки напряжения (rи, хи) и дополнительной индуктивности (rд; хд) необходимое активное сопротивление определяется из выражения
Метод двух счетчиков, включенных по схеме (рис. 16), при измерении реактивной энергии не применим, так как для образования искусственной нейтрали нужно иметь катушку индуктивности с такими же соотношениями r/x, как и в параллельной цепи счетчика, что весьма затруднительно. Поэтому для измерения реактивной энергии часто применяют двухэлементные индукционные счетчики (рис. 18, а). Здесь необходимый сдвиг в 60° между рабочим током параллельной цепи и приложенным к ней напряжением обеспечивается включением резисторов r. Сумма показаний двух приборов равна суммарной реактивной мощности трехфазной системы.
Для измерения реактивной энергии используют также специальные трехфазные счетчики, фиксирующие суммарную мощность системы Наибольшее распространение получили счетчики с дополнительной последовательной обмоткой (рис. 18, б). Эти приборы имеют по два вращающихся диска посаженных на общую ось; общий момент равен сумме моментов дисков. Особенностью такого счетчика является наличие дополнительной (третьей) последовательной обмотки, разделенной на две равные части. Каждая часть обмотки расположена на магнитопроводах обоих движущихся элементов. Из схемы включения (рис. 18, б) видно, что дополнительная обмотка включена встречно основным последовательным обмоткам (полярность обмоток указана звездочками).
Рис. 20. Схемы подключения приборов для определения коэффициента мощности
Во всех приведенных схемах измерения мощности и энергии могут применяться трансформаторы тока и напряжения. Их подсоединение в схему цепи однофазного переменного тока показано на рис. 19. Для определения измеряемой мощности необходимо показания прибора умножить на коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения.
Коэффициент мощности в цепях переменного тока измеряют как приборами непосредственной оценки, так и по показаниям приборов, не предназначенных для этого. Прибором непосредственной оценки является электродинамический фазометр, представляющий собой логометр с одной неподвижной катушкой, включенной в последовательную цепь, и двух подвижных, помещенных на одной оси и скрепленных под определенным углом.
Фазометр включается в цепь подобно ваттметру:градуируется в единицах, пропорциональных коэффициенту мощности при определенной частоте. Этот однофазный фазометр можно включать в цепь трехфазного тока по схеме, показанной на рис. 20, а. Применяют также электромагнитные трехфазные фазометры (рис. 20, б).
Можно определить коэффициент мощности косвенным способом, используя показания ваттметра, амперметра и вольтметра (рис. 20, в). Угол сдвига вычисляется по формуле cos φ = P/UI.
Средневзвешенный коэффициент мощности можно определить, используя показания счетчиков активной и реактивной мощности. По этим показаниям сначала определяют тангенс угла tg α= Q/Р, усредненный за определенный промежуток времени, затем по тангенсу и по табл. 2 находят cos φ.
Используя схему двух ваттметров (рис. 15 а), коэффициент мощности вычисляют по формуле
где P1 и Р2 — показания ваттметров.
