Схемы измерения электрических величин постоянного тока (рис. 1.4, а, б). При испытании малых электрических машин с большим отношением U/I при токах /, соизмеримых с током вольтметра Iv, применяется схема рис. 1.4, я, при которой напряжение на ИМ £/им отличается от измеренного Uна падение напряжения в амперметре AUa .
При малых отношениях Ufl применяется схема на рис. 1.4, б, в которой ток /им отличается от измеренного I на iv.
Для схемы на рис. 1.4, я
где AUa — падение напряжения в амперметре при предельном токе Αιρ (см. § 1.7).
Рис. 1.4. Измерения при постоянном токе:
а ~ для больших ί///; б - для малых U/J
Для схемы на рис. 1.4,6
где 1у — ток вольтметра при предельном напряжении ί/πρ (знак "плюс для генераторного, "минус" — для двигательного режима ИМ).
- Схема для измерения в цепях однофазного тока (рис. 1.5).
Для измерения используются вольтметры и амперметры, измеряющие среднеквадратические значения (СКЗ) I и U, и ваттметры, измеряющие активную мощность Р:
Р = UI cos φ. (1.2)
Коэффициент мощности
cos φ = P/UI. (1.3)
Рис. 1.5. Измерения при однофазном токе:
БИМ - блок измерения мощности; * — входные зажимы ваттметра Wи БИМ; Р у^, Яц/д ~ добавочные сопротивления вольтметра и ваттметра
Изменение фазы измеряемой величины при переключении подводящих концов не изменяет знаки показаний U и /, но такая перемена меняет знак показаний ваттметров (направление передачи мощности) , и для возможности отсчета при односторонней шкале предусматривается переключатель знака (+, —), поэтому входные зажимы I и U ваттметра имеют обозначение (* ).
Для расширения диапазона измерения и соблюдения техники безопасности при токах более 5—10 А и напряжениях более 220—380 В применяются трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) (рис. 1.6).
Включение трансформаторов не должно менять знака показаний ваттметров, что особенно важно в схеме двух ваттметров, в связи с этим при подключении приборов к вторичным обмоткам трансформаторов должны сохраняться знаки на выводах первичной и вторичной обмоток.
Измерительные цепи ТТ не должны размыкаться под нагрузкой, так как при этом из-за многократного увеличения потока будет повреждаться ТТ.
В тех случаях, когда потребляемая ИМ мощность мала, включение вольтметра и обмотки напряжения ваттметра производится так, как указано на рис. 1.5, чтобы потребляемая ими мощность не входила в показания ваттметра. Это важно, в частности, при измерении потерь холостого хода при низком cos φ.
Так, например, при U- 150 В, / = 5 А мощность, измеренная ваттметром при cosφ= 0,1, равна 75 Вт.
При токах вольтметра и обмотки напряжения ваттметра 7,5 мА потребляемая ими мощность составит 150(7,5 + 7,5)/1000 = 2,25 Вт, или 3% измеряемой мощности, что в большинстве случаев недопустимо.
В схеме на рис. 1.5 напряжение на зажимах ИМ будет меньше (двигательный режим) или больше (генераторный режим) измеренного на падение напряжения в амперметре и в токовой обмотке ваттметра.
Рис. 1.7. Измерение мощности одной фазы трехфазной обмотки: а - звезда; б - треугольник
Рис. 1.6. Блок измерения мощности с трансформаторами тока и напряжения: * - входные зажимы
При расчете потерь холостого хода Рх в случае низких номинальных напряжений падение напряжения в обмотках амперметра и ваттметра желательно учесть, а при построении кривой Рх - f(U2) можно внести поправки на указанное падение напряжения; при единичном (контрольном) измерении следует устанавливать U выше номинального на это падение напряжения.
Выпускаемые в настоящее время электронные ваттметры, амперметры и вольтметры полностью исключают необходимость поправок на собственное потребление. Если, однако, такой подбор приборов невозможен, то поправки на собственное потребление могут быть сделаны по методу, изложенному в [1.2].
1.3.3. Схемы для измерения в цепях трехфазного или m-фазного тока.
Для этих измерений могут применяться три или т схем, приведенных на рис. 1.5, каждая из которых измеряет мощность одной фазы по схеме рис. 1.7. Схема пригодна для любого нагружения фаз, в том числе и при наличии тока через нулевую точку. Общая мощность системы равна сумме мощностей фаз.
Присимметричной нагрузке трехфазной системы Р = ЗРф = 
можно ограничиться одним ваттметром, тремя ампер
метрами для контроля симметрии нагрузки, одним вольтметром с переключателем, позволяющим измерить все фазные и линейные напряжения.
При симметричной нагрузке и недоступной нулевой точке также можно применить схему с одним ваттметром, обмотка напряжения которого подключается одним концом к искусственной нулевой точке (рис. 1.8). Для измерения фазных напряжений вольтметр также подключается к отдельной искусственной нулевой точке.
Наибольшее распространение для измерения в трехфазных системах получила схема двух ваттметров (рис. 1.9), пригодная для всех случаев нагружения фаз и их соединений ( Λ , Δ), но при отсутствии тока через нулевую точку.
Общая мощность трехфазной системы равна в этом случае Рw = = Pwi + Pwh где Pw1, pW2 “ мощности, измеренные ваттметрами
Рис. 1.8. Измерение мощности симметричной трехфазной системы с искусственными нулевыми точками:
сопротивления вольтметра — RoV' ваттметра — RoW
Рис. 1.9. Измерение мощности трехфазной системы двумя ваттметрами
Pm ~Pw2 при cos φ =0· При cos φ =0,5 показания одного из ваттметров Рт обращаются в нуль и при дальнейшем уменьшении cos φ меняют знак (для выполнения отсчета необходимо повернуть переключатель знака). Мощность системы становится равной разности показаний ваттметров.
Указанное выше положение имеет место при симметричном включении входных зажимов ваттметров (рис. 1.9). Правильность сборки схемы можно проверить, проведя измерение с примерно известным cos φ =, например при нагрузке на активное сопротивление (cos φ == 1) или на АД (мощностью < 1 кВт) при холостом ходе (cos φ < 0,5).
Коэффициент мощности симметричной трехфазной системы может быть определен по формуле
(1.4)
Он может быть определен и по общему уравнению
(1.5)
где U, I — линейные значения напряжения и тока.
Проверка совпадения значений cos φ, рассчитанных по (1.4) и (1.5), используется для контроля правильности схемы.
Относительная погрешность измерения мощности двумя ваттметрами
где Ркл,т — основная погрешность, соответствующая классу точности примененных ваттметров; cos φ =PHOM - номинальный коэффициент мощности ваттметра; Unp, /пр - предельные значения U, /, cos φ =, измеренные в опыте.
Весьма удобными являются трехфазные ваттметры, в которых две измерительные системы воздействуют ка один указатель (стрелку).
Особое внимание должно уделяться измерению мощности при низких cos φ9 например при определении потерь холостого хода (XX) в АД. В этом случае, если применить ваттметр, градуированный при cos φ = 1, то при cos φ = 0,1, имеющем место в опыте XX, и при предельных значениях U и / отсчет составит лишь 1/10 шкалы. Относительная погрешность увеличится при этом в 10 раз. Поэтому для таких измерений необходимо применять малокосинусные ваттметры, градуированные при cos φ = ОД и дающие в приведенном выше примере полное отклонение указателя.
Рис. 1.10. Измерение реактивной мощности симметричной трехфазной системы
Если при таких измерениях приходится применять ТТ, то необходимо учитывать влияние их угловой погрешности.
Поправка на угловую погрешность ТТ определяется [0. 9] из уравнения
где Р, Ри — действительная и измеренная мощность; — измеренный arccos φ ("минус" — для отстающего тока, "плюс" — для опережающего тока).
Угловая погрешность δ в градусах приводится в паспортах ТТ. После корректировки значения Р должен быть по (1.5) откорректирован cos φ.
Учитывая, что в схеме двух ваттметров один работает с весьма низким cos φ (с углом φ + 30°), рекомендуется измерение потерь XX АД выполнять по схеме трех ваттметров. Предельная мощность, которая может быть при этом измерена без ТТ при U = 300 В и I = 10 А, при cos φ = 0,1 составляет 900 Вт.
Следует также иметь в виду, что при измерении мощности на повышенных частотах (до 500 Гц) ваттметрами с номинальной частотой 50 Гц дополнительная погрешность из-за углового сдвига в цепях напряжения ваттметра, вызванного индуктивностью обмотки, может быть значительной.
Несимметрия трехфазного напряжения, питающего ИМ, из-за появления обратно вращающегося поля в сильной мере влияет на потери, нагрев и шум.
Схема двух ваттметров является несимметричной и в некоторых случаях при низких напряжениях падение напряжения в обмотках ваттметров и амперметров может вызывать несимметрию напряжений на зажимах ИМ. В этом случае согласно [0.9] можно включить третий ваттметр по схеме рис. 1.10, что дает возможность измерения реактивной мощности, вар, симметричной трехфазной системы и sin^r.
При низких cos φ это дает возможность дополнительного контроля точности измерения.
Измерения в цепях несинусоидального тока
. При работе ЭМ в стационарном режиме в цепях переменного тока с сильно искаженной (несинусоидальной) формой кривой напряжения и тока могут определяться гармонический состав тока и напряжения, их средние, среднеквадратические (СКЗ) и амплитудные значения.
Измерения напряжения и тока. При несинусоидальной форме кривой приборы различных систем будут давать различные результаты измерения при одном и том же значении измеряемой величины.
Приборы электродинамической системы реагируют на СКЗ измеряемой величины. Приборы выпрямительной системы (магнитоэлектрические измерительные механизмы с выпрямителями на германиевых или кремниевых диодах) измеряют среднее значение измеряемой величины.
Обычно приборы электродинамической и выпрямительной систем используются для измерения СКЗ тока и напряжения, и поэтому их шкалы градуируются в этих же значениях. Так как СКЗ тока связано со средним значением равенством /ср = /скз/^ф> ясно, что выпрямительный прибор может быть градуирован в СКЗ тока (напряжения) только для заданной формы кривой. Если форма кривой отличается от заданной, в показаниях прибора появляется погрешность. Поэтому приборы выпрямительной системы могут практически применяться только для измерения синусоидальных напряжений и токов.
Термоэлектрические приборы представляют собой соединение одного или нескольких термопреобразователей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом. Ток в цепи измерительного механизма пропорционален квадрату СКЗ измеряемого тока и не зависит от формы его кривой.
Электростатические вольтметры реагируют на СКЗ измеряемого напряжения. Форма кривой напряжения на показания не влияет.
Электронные вольтметры (ЭВ) переменного тока представляют собой сочетание выпрямителя на полупроводниковых диодах, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма.
В зависимости от того, какое значение переменного напряжения измеряет ЭВ, различают вольтметры среднего, СКЗ и амплитудного значения.
ЭВ среднего значения строятся с использованием схем одно- или двухполупериодного выпрямителя на полупроводниковых диодах, работающих на линейном участке характеристики. Поэтому постоянная составляющая тока выпрямителя определяется выражением Iср = KUCр. При градуировке шкалы вольтметра в СКЗ напряжения в показаниях прибора появится дополнительная погрешность за счет несинусоидальности измеряемого напряжения.
В ЭВ СКЗ используются выпрямители с квадратичной вольт-амперной характеристикой вида ι = аи2 (и > 0). При периодическом входном напряжении u(t) постоянная составляющая выпрямленного тока двухполупериодного выпрямителя Iср = aU*K3. Шкала прибора при этом получается квадратичной с градуировкой в СКЗ напряжения. Такая зависимость справедлива для симметричных периодических сигналов u(t) практически любой формы кривой. Однако следует иметь в виду, что при сильно искаженной форме кривой (Кф > 5) может иметь место значительная дополнительная погрешность.
* Периодическое изменение какой-либо величины во времени с постоянной частотой, амплитудой, фазой и формой кривой следует рассматривать как стационарный процесс. Для определения параметров такого процесса (гармонического состава, частот и амплитуд отдельных гармонических составляющих) не требуется записывающей аппаратуры.
ЭВ амплитудного значения являются такие приборы, у которых показания соответствуют амплитуде измеряемого синусоидального напряжения или максимальному его значению при искаженной форме кривой. Шкала прибора может быть градуирована как в максимальных значениях напряжения UmaX9 так и в СКЗ. Для синусоиды
Измерение мощности. Для измерения мощности могут использоваться обычные ваттметры электродинамической системы. Дополнительная погрешность здесь невелика, тем более, что потери мощности от высших гармонических токов и напряжений резко уменьшаются с повышением порядка гармоник. Ваттметры электродинамической системы обладают свойством избирательности: подвижная часть прибора отклоняется в результате взаимодействия тбков одинаковой частоты. При синусоидальном напряжении и несинусоидальном токе в цепи ваттметр будет показывать только мощность первой гармоники.
Для определения спектрального состава кривых напряжения и тока исследуются их энергетические спектры (спектральный состав тока определяется по падению напряжения, мВ, на безындуктивных шунтах) путем частотного анализа формы кривой. Методика частотного анализа и технические характеристики анализаторов частот приведены в § 7.4.
Для измерения частоты несинусоидального периодического сигнала следует применять электронные частотомеры (со встроенным магнитоэлектрическим механизмом) и электронно-счетные (цифровые) частотомеры в режиме импульсных измерений, при условии, что измеряемый сигнал имеет не более двух экстремумов за период. Сведения о частотомерах приведены в π. 1.7.4.
1.3.5. Измерения в цепях пульсирующего тока. Пульсирующий ток (напряжение) содержит постоянную составляющую — среднее значение этих величин — и периодическую переменную составляющую, которая может быть представлена в виде ряда гармоник.
Такое напряжение и ток имеют место в коллекторных двигателях постоянного тока, работающих в схемах с выпрямителями или широтно-импульсными регуляторами.
Измерение постоянной составляющей проводится приборами постоянного тока (магнитоэлектрической системы).
Измерение напряжения и тока переменной составляющей проводится электронными вольтметрами с конденсаторным входом (напряжение) и электронными милливольтметрами на безындуктивных шунтах (ток).
Переменная составляющая тока может быть измерена амперметром через трансформатор тока с разомкнутым сердечником или воздушным, в которых постоянная составляющая не вызывает насыщения магнитной цепи.
Для определения гармонического состава измерения проводятся с помощью электронных анализаторов гармоник. Для измерения мощности переменной составляющей применяют электронные вольтметры и ваттметры, в том числе малокосинусные,
В установках большой мощности для измерения могут использоваться малокосинусные ваттметры, токовые обмотки которых включаются в цепь пульсирующего тока, а в цепь обмотки напряжения включается блокирующий конденсатор. Во избежание появления дополнительной погрешности напряжение на нем должно быть существенно меньше напряжения на обмотке.
