Измерение электрической энергии кратко

Обновлено: 02.07.2024

Рис.16.1. Однофазный ваттметр: а —внешний вид; б —схема включения в электрическую цепь переменного тока.

сопротивлением г_д — параллельно нагрузке и называется катушкой напряжения. Начало катушек отмечено звездочкой *I и *U, конец токовой катушки 5 А, а конец обмотки напряжения —150V. Так как направление отклонения указательной стрелки ваттметра зависит от взаимного направления токов в катушках, то выводы *I и *U подключаются к источнику тока, а выводы 5 А и 150V—к нагрузке. Ввиду того что выводы *I и *U подключаются к одному и тому же проводу, их можно соединить между собой проводником, что и делается на практике при измерении мощности в цепи постоянного тока и активной мощности в цепи переменного тока.

Измерение энергии.Различают следующие способы контроля расхода электроэнергии: 1. Косвенный способ. В этом случае измеряют косвенные параметры, а расход электроэнергии определяют расчетом. Так например, расход электроэнергии в цепях постоянного тока определяется по формуле:

W = U I t(16.1),

где U - напряжение на приемнике электроэнергии I - ток в приемнике t- время прохождения тока.

Т.о. для измерения расхода электроэнергии параллельно приемнику нужно включить вольтметр и измерить напряжение U, последовательно приемнику включить амперметр и измерить силу тока I . Время - t измеряется с помощью хронометра. Сняв показания с вольтметра, амперметра и хронометра расход электроэнергии определяют по формуле (16.1). В цепях переменного тока расход электроэнергии определяется по формуле (16.2)

W = U I t cosφ(16.2)

Т.о. для косвенного измерения расхода электроэнергии в данном случае, кроме вольтметра, амперметра и хронометра нужно включить фазометр для измерения коэффициента мощности cosφ.

2. Непосредственный способ. Этот способ используется в цепях переменного тока. В этом случае для измерения расхода электроэнергии используется индукционный счетчик электрической энергии. Счетчик представляет собой суммирующий прибор. Основное отличие его от стрелочного прибора состоит в том, что угол поворота его подвижной части не ограничиваемый пружиной, нарастает и показания счетчика суммируются. Каждому обороту подвижной части счетчика соответствует определенное количество израсходованной энергии. Счетчик включается в Рис. 16.2 электрическую цепь также как ваттметр (рис. 16, 1), т.е. его токовая обмотка (3) включается последовательно с нагрузкой и контролирует силу тока в нагрузке, а обмотка напряжения (2) включается параллельно нагрузке и контролирует напряжение на нагрузке. Время контролируется за счет количества оборотов диска.

Измерение мощности.В цепях постоянного тока мощность можно измерить косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра

Р = UI,

но более точный результат дает измерение мощности электродинамическим ваттметром, которым измеряется мощность независимо от рода тока. Внешний вид (а) и схема включения ваттметра (б) показаны на рис.16. Ваттметр имеет четыре зажима для подключения подвижной и неподвижной катушек в цепь. Неподвижная катушка включается в цепь последовательно и называется токовой катушкой, а подвижная катушка вместе с добавочным

Рис.16.1. Однофазный ваттметр: а —внешний вид; б —схема включения в электрическую цепь переменного тока.

W = U I t(16.1),

где U - напряжение на приемнике электроэнергии I - ток в приемнике t- время прохождения тока.

W = U I t cosφ(16.2)

Измерение мощности. В цепях постоянного тока мощность измеряют электро- или ферродинамическим ваттметром. Мощность может быть также подсчитана перемножением значений тока и напряжения, измеренных амперметром и вольтметром.

В цепях однофазного тока измерение мощности может быть осуществлено электродинамическим, ферродинамическим или индукционным ваттметром. Ваттметр 4 (рис. 336) имеет две катушки: токовую 2, которая включается в цепь последовательно, и напряжения 3, которая включается в цепь параллельно.

Ваттметр является прибором, требующим при включении соблюдения правильной полярности, поэтому его генераторные зажимы (зажимы, к которым присоединяют проводники, идущие со стороны источника 1) обозначают звездочками.

Для расширения пределов измерения ваттметров их токовые катушки включают в цепь при помощи шунтов или измерительных трансформаторов тока, а катушки напряжения — через добавочные резисторы или измерительные трансформаторы напряжения.

Измерение электрической энергии. Способ измерения . Для учета электрической энергии, получаемой потребителями или отдаваемой источниками тока, применяют счетчики электрической энергии. Счетчик электрической энергии по принципу своего действия аналогичен ваттметру. Однако в отличие от ваттметров вместо спиральной пружины, создающей противодействующий момент, в счетчиках предусматривают устройство, подобное электромагнитному демпферу, создающее тормозящее усилие, пропорциональное частоте вращения подвижной системы. Поэтому при включении прибора в электрическую цепь возникающий вращающий момент будет вызывать не отклонение подвижной системы на некоторый угол, а вращение ее с определенной частотой.

Число оборотов подвижной части прибора будет пропорционально произведению мощности электрического тока на время, в течение которого он действует, т. е. количеству электрической энергии, проходящей через прибор. Число оборотов счетчика фиксируется счетным механизмом. Передаточное число этого механизма выбирают так, чтобы по показаниям счетчика можно было отсчитывать не обороты, а непосредственно электрическую энергию в киловатт-часах.

Наибольшее распространение получили ферродинамические и индукционные счетчики; первые применяют в цепях постоянного тока, вторые — в цепях переменного тока. Счетчики электрической энергии включают в электрические цепи постоянного и переменного тока так же, как и ваттметры.

Ферродинамический счетчик (рис. 337) устанавливают на э. п. с. постоянного тока. Он имеет две катушки: неподвижную 4 и подвижную 6. Неподвижная токовая катушка 4 разделена на две части, которые охватывают ферромагнитный сердечник 5 (обычно из пермаллоя). Последний позволяет создать в приборе сильное магнитное поле и значительный вращающий момент, обеспечивающий нормальную работу счетчика в условиях тряски и вибраций. Применение пермаллоя способствует уменьшению погрешности счетного механизма 2 от гистерезиса магнитной системы (он имеет весьма узкую петлю гистерезиса).

Чтобы уменьшить влияние внешних магнитных полей на показания счетчика, магнитные потоки отдельных частей токовой катушки имеют взаимно противоположное направление (астатическая система). При этом внешнее поле, ослабляя поток одной части, соответственно усиливает поток другой части и оказывает в целом небольшое влияние на результирующий вращающий момент, создаваемый прибором. Подвижная катушка 6 счетчика (катушка напряжения) расположена на якоре, выполненном в виде диска из изоляционного материала или в виде алюминиевой чаши. Катушка состоит из отдельных секций, соединенных с пластинами коллектора 7 (эти соединения на рис. 337 не показаны), по которому скользят щетки из тонких серебряных пластин.

Ферродинамический счетчик работает принципиально как двигатель постоянного тока, обмотка якоря которого подключена параллельно, а обмотка возбуждения — последовательно с потребителем электроэнергии. Якорь вращается в воздушном зазоре между полюсами сердечника. Тормозной момент создается в результате взаимодействия потока постоянного магнита 1 с вихревыми токами, возникающими в алюминиевом диске 3 при его вращении.

Для компенсации влияния момента трения и уменьшения благодаря этому погрешности прибора в ферродинамических счетчиках устанавливают компенсационную катушку или в магнитном поле неподвижной (токовой) катушки помещают лепесток из пермаллоя, который имеет высокую магнитную проницаемость при малой напряженности поля. При небольших нагрузках этот лепесток усиливает магнитный поток токовой катушки, что приводит к увеличению вращающего момента и компенсации трения. При увеличении нагрузки индукция магнитного поля катушки увеличивается, лепесток насыщается и его компенсирующее действие перестает возрастать.

При работе счетчика на э. п. с. возможны сильные толчки и удары, при которых щетки могут отскакивать от коллекторных пластин. При этом под щетками будет возникать искрение. Для его предотвращения между щетками включают конденсатор С и резистор R1. Компенсация температурной погрешности осуществляется с помощью термистора Rт (полупроводникового прибора, сопротивление которого зависит от температуры). Он включается совместно с добавочным резистором R2 параллельно подвижной катушке. Чтобы уменьшить влияние тряски и вибраций на работу счетчиков, их устанавливают на э. п. с. на резинометаллических амортизаторах.

Индукционный счетчик имеет два электромагнита (рис. 338,а), между которыми расположен алюминиевый диск 7. Вращающий момент в приборе создается в результате взаимодействия переменных магнитных потоков Ф1 и Ф2, созданных катушками электромагнитов, с вихревыми токами I_в1 и I_в2, индуцируемыми ими в алюминиевом диске (так же, как и в обычном индукционном измерительном механизме, см. § 99).

В индукционном счетчике вращающий момент М должен быть пропорционален мощности P=UIcos?. Для этого катушку 6 одного из электромагнитов (токовую) включают последовательно с нагрузкой 5, а катушку 2 другого (катушку напряжения) — параллельно нагрузке. В этом случае магнитный поток Ф1 будет пропорционален току I в цепи нагрузки, а поток Ф2 — напряжению U, приложенному к нагрузке. Для обеспечения требуемого угла сдвига фаз ? между потоками Ф1 и Ф2 (чтобы sin? = cos?) в электромагните катушки напряжения предусмотрен магнитный шунт 3, через который часть потока Ф2 замыкается

Рис. 337. Ферродинамический счетчик электрической энергии

Рис. 338. Индукционный счетчик электрической энергии

помимо диска 7. Угол сдвига фаз между потоками Ф1 и Ф2 точно регулируется изменением положения металлического экрана 1, расположенного на пути потока, ответвляющегося через магнитный шунт 3.

Тормозной момент создается так же, как в ферродинамическом счетчике. Компенсация момента трения осуществляется путем создания небольшой несимметрии в магнитной цепи одного из электромагнитов с помощью стального винта.

Для предотвращения вращения якоря при отсутствии нагрузки под действием усилия, созданного устройством, компенсирующим трение, на оси счетчика укрепляется стальной тормозной крючок. Этот крючок притягивается к тормозному магниту 4, благодаря чему предотвращается возможность вращения подвижной системы без нагрузки.

При работе же счетчика под нагрузкой тормозной крючок практически не влияет на его показания.

Чтобы диск счетчика вращался в требуемом направлении, необходимо соблюдать определенный порядок подключения проводов к его зажимам. Нагрузочные зажимы прибора, к которым подключают провода, идущие от потребителя, обозначают буквами Я (рис. 338,б), генераторные зажимы, к которым подключают провода от источника тока или от сети переменного тока,— буквами Г.

Понятно что весь цикл будет посвящён системам переменного тока, но быстро пробежимся и по цепям постоянного тока, так как это может нам пригодиться при разработке источников питания постоянного тока. Возьмем к примеру классический понижающий преобразователь с ШИМ:

Рис 1. Понижающий преобразователь с ШИМ
Нашей задачей является обеспечение стабилизированного выходного напряжения. Кроме того, на основании информации с датчика тока возможно контролировать режим работы дросселя L1, не допуская его насыщения, а также реализовывать токовую защиту преобразователя. И честно говоря, вариантов установки датчиков особо и нет.
Датчик напряжения в виде резистивного делителя R1-R2, который единственный способен работать на постоянном токе, устанавливается на выходе преобразователя. Как правило специализированная микросхема преобразователя имеет вход обратной связи, и прилагает все усилия для того, чтобы на этом входе (3) оказался определённый уровень напряжения, прописанный в документации на микросхему. Например 1,25В. Если наше выходное напряжение с этим уровнем совпадает — все хорошо — мы напрямую подаем выходное напряжение на этот вход. Если нет, то устанавливаем делитель. Если нам надо обеспечить выходное напряжение в 5В, то делитель должен обеспечивать коэффициент деления 4, т. е. Например R1 = 30к, R2 = 10к.
Датчик тока обычно устанавливается между источником питания и преобразователем и на микросхему. По разности потенциалов между точками 1 и 2, и при известном сопротивлении резисторы Rs возможно определить текущее значение тока нашего дросселя. Устанавливать датчик тока между источников и нагрузкой не самая хорошая идея, так как конденсатор фильтра будет отрезан резистором от потребителей импульсных токов. Установка резистора в разрыв общего провода тоже нге сулит ничего хорошего — будет два земляных уровня с которыми возиться то еще удовольствие.
Проблемы падения напряжения можно избежать путем использования бесконтактных датчиков тока — например датчиков холла:

Рис 2. Бесконтактный датчик тока
Однако есть более хитрый способ измерения тока. Ведь на транзисторе точно также падает напряжение и через него течет тот же самый ток что и индуктивность. Следовательно, по падению напряжения на нем можно также определить текущее значение тока. Честно говоря, если посмотреть на внутреннюю структуру микросхем преобразователей, например, от Texas Instruments — то такой способ встречается так же часто как и предыдущие. Точность такого способа конечно не самая высокая, но для работы токовой отсечки этого вполне достаточно.

Рис 3. Транзистор в качестве датчика тока
Аналогично поступаем в других схемах подобных преобразователей, будь то повышающий или инвертирующий.
Однако необходимо отдельно упомянуть о трансформаторных прямоходовом и обратноходовом преобразователях.

Рис 4. Подключение датчиков тока в обратноходовых преобразователях
В них точно также может использоваться либо внешнее сопротивление, либо транзистор в его роли.
На этом с подключением датчиков в преобразователи постоянного тока мы закончили. Если у вас есть предложения по другим вариантам — с удовольствием дополню ими статью.

1.2 Подключение датчиков в однофазные цепи переменного тока

В цепях переменного тока у нас гораздо больший выбор возможных датчиков. Рассмотрим несколько вариантов.
Самый простой — использование резистивного делителя напряжения и токового шунта.

Рис 5.Подключение резисторных датчиков
Однако, у нее усть пара существенных недостатков:
Во-первых, либо мы обеспечим значительную амплитуду сигнала с токового шунта, выделив большое количество мощности на нем, либо будем довольствоваться малой амплитудой сигнала и впоследствии усиливать его. А во-вторых, резистор создает разность потенциалов между нейтралью сети и нейтралью прибора. Если прибор изолирован — то это не имеет значения, если же у прибора есть вывод заземления, то мы рискуем остаться без сигнала с датчика тока, так как закоротим его. Пожалуй стоит попробовать датчики, работающие на других принципах.
Например, воспользуемся трансформаторами тока и напряжения, либо датчиком тока на эффекте холла и трансформатором напряжения. Здесь гораздо больше возможностей по работе с оборудованием, так как нулевой провод не имеет потерь, а главное — в обоих случаях присутствует гальваническая развязка измерительного оборудования, что часто может пригодиться. Однако, необходимо учитывать, что трансформаторные датчики тока и напряжения имеют ограниченную частотную характеристику и если мы захотим измерить гармонический состав искажений, то у нас это не факт что выйдет.

Рис 6.Подключение трансформаторных и бесконтактных датчиков тока и напряжения

1.3 Подключение датчиков в многофазные цепи сетей переменного тока

В многофазных сетях наши возможности по подключению датчиков тока немного меньше. Связано это с тем, что токовый шунт использовать совсем не получится, так как разность потенциалов между шунтами фаз будет колебаться в пределах сотен вольт и мне не известен ни один контроллер общего применения, аналоговые входы которого способны выдержать такое издевательство.
Один способ использовать токовые шунты конечно есть — для каждого канала необходимо сделать гальванически развязанный аналоговый вход. Но гораздо проще и надежнее использовать другие датчики.
В своем анализаторе качества я использую резистивные делители напряжения и выносные датчики тока на эффекте холла.

Рис 7.Датчики тока в трехфазной сети
Как видно из рисунка, мы используем четырехпроводное подключение. Разумеется вместо датчиков тока на эффекте холла можно взять трансформаторы тока или петли Роговского.
Вместо резистивных делителей можно использовать трансформаторы напряжения, причем как для четырехпроводной так и для трехпроводной системы.
В последнем случае первичные обмотки трансформаторов напряжения подключаются треугольником, а вторичные звездой, общая точка которых является общей точкой измерительной цепи

Рис 8.Использование трансформаторов напряжения в трехфазной сети

2 Действующее значение тока и напряжения

На данном моменте мы прервемся. В следующей части рассмотрим другие три вопроса данной серии и будем плавно переходить к созданию непосредственно самого устройства.

В комментарии приглашается progchip666, для замечаний и дополнений по материалу, а также smart_alex как ранее интересовавшийся вопросом измерения тока и напряжения именно с помощью Arduino.

Читайте также: