ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТРЕХПРОВОДНЫХ ТРЕХФАЗНЫХ СЕТЯХ

Если трехфазная цепь трехпроводная, то независимо от схемы соединения нагрузки, будь то звезда или треугольник и независимо от того, равномерная нагрузка или нет, мощность, потребляемую системой, можно измерить двумя однофазными ваттметрами. Токовые обмотки ваттметров включаются в две любые фазы, а обмотки напряжения – между третьей (незанятой) фазой и той фазой, в которую включена токовая обмотка данного ваттметра. Возможные схемы включения ваттметров показаны на рис. 3.3.

а) б) в)

Рис.3.3. Схемы включения ваттметров в трехпроводных сетях

При использовании показанных на рисунке схем включения ваттмеров общая мощность равна алгебраической сумме их показаний.

Построим векторную диаграмму токов и напряжений, действующих на измерительные системы приборов, включенных по схеме (рис.3.3 а). Нагрузку считаем симметричной, соединенной звездой, активно-индуктивного характера с разностью фаз между током и напряжением в каждой фазе j.Показания ваттметра, включенного в цепь переменного тока, пропорциональны произведению трех величин: току, напряжению и косинусу угла между током и напряжением. Из векторной диаграммы (рис.3.4.) видно, что в рассматриваемом случае показание ваттметров соответственно равны

Здесь берем напряжение Ucb, равное - Ubc, так как генераторный конец обмотки напряжения второго ваттметра подключен к фазе С, а не к В. Сумма показаний ваттметров равна

Рис.3.4 Рис.3.5

На рис. 3.5 построена векторная диаграмма, иллюстрирующая работу схемы включения ваттметров, приведенную на рис.3.3.б.

Для симметричного режима векторы линейных напряжений образуют равносторонний треугольник ABC. Линии, соединяющие центр тяжести этого треугольника с его вершинами, можно рассматривать как фазные напряжения приемника, соединенного звездой. При активно-индуктивной нагрузке токи отстают по фазе от напряжений на угол φ.

Первый ваттметр включен на напряжение Uac (заметим, Ūac=-Ūca) и через него протекает ток Īa. Измерительная система второго ваттметра находится под действием напряжения `Ubc и тока `Ib.

Из рассмотрения векторной диаграммы, можно установить, что ваттметр, включенный в опережающую фазу, показывает пропорционально cos(j-30°) при индуктивном характере нагрузки, а показания ваттметра, включенного в отстающую фазу, пропорционально cos(j+30°) при индуктивном и пропорционально cos(j-30°) при емкостном характере нагрузки. При равномерной активной нагрузке (j=0) показания обоих ваттметров одинаковы и равны половине общей измеряемой мощности. При любой другой (не активной) нагрузке, даже если она равномерна, показания ваттметров различны.

В случае включения нагрузки треугольником векторы линейных токов получаются как геометрические разности векторов токов фазовых и для симметричной системы углы в 30° будут между фазовыми и линейными токами. Например, линейные токи Īв и Īс в последовательных обмотках ваттметров схемы (рис.3.3.в) можно выразить через соответствующие фазовые токи

Īв=Īвс–Īав Īс=Īса–Īвс.

Фазовые токи отстают от фазовых напряжений на угол j. Угол между вектором тока Īв и вектором напряжения Ūва, приложенного к цепи первого ваттметра, равен b1=60°–30°–j=30°–j.

Угол между вектором тока`Iс и вектором напряжения`Uсa, приложенного к параллельной цепи второго ваттметра, b2=30°+j. Тогда первый ваттметр покажет мощность P1=Uл*Iл*Cosb1, а второй ваттметр P2=Uл*Iл*Cosb2.

Для получения мощности P всей трехфазной цепи необходимо алгебраически, то есть с учетом знаков, сложить показания ваттметров.

В зависимости от значения угла сдвига фаз в цепи показания одного ваттметра отличаются от показаний другого, причем показания одного ваттметра всегда положительны, а показания второго могут стать отрицательными. При сдвиге фаз более 60° (работа многих электрических машин в режиме холостого хода) cos(j+30°) – величина отрицательная, стрелка второго ваттметра отклонится в обратную сторону от нуля. Для отчета отрицательных значений мощности переключают зажимы одной из обмоток ваттметра (токовой или обмотки напряжения), и общая мощность в этом случае равна разности показаний ваттметров.

При выборе ваттметров нужно учесть, что их измерительные цепи включены на линейные токи и на линейные напряжения. Для симметричных трехфазных цепей при соединении звездой линейные токи равны фазовым, а линейные напряжения в раз больше фазовых. При соединении треугольником равны фазовые и линейные напряжения, а линейные токи в раза больше фазовых. Активная мощность симметричной трехфазной цепи связана с линейными величинами соотношением

и всегда равна сумме мощностей во всех фазах.

Шкалы многопредельных приборов калибруются в относительных делениях, например, могут иметь α_m=100 делений. Значения измеряемой величины, приходящиеся на одно деление шкалы, называют ценой деления или постоянной прибора. Она равна:

С= предел измерения в Вт/число делений шкалы.

Переносные приборы обычно выполняются на несколько пределов измерения. Для ваттметров пределы измерения указываются по току и по напряжеию. В большинстве случаев ваттметры калибруются для значения cosφ=1 и поэтому их предел измерения в Ваттах определяется путем перемножения номинальных значений тока и напряжения. Например, для ваттметра со шкалой, имеющей α_m делений, постоянная прибора С равна:

C=(Iном*Uном)/ α _m Вт/дел.

Если стрелка ваттметра отклонилась на α делений, значение измеряемой этим ваттметром мощности, равно P=C*α. При выборе типа ваттметра пределы измерения должны быть не меньше значений тех токов и напряжений, на которые они будут включены. С точки зрения точности результатов измерений желательно, чтобы предел измерения превышал значение измеряемой величины не более, чем на 25%, во всяком случае, стремятся, чтобы отсчет показаний производился во второй половине шкалы. В противном случае приходится выбирать прибор более высокого класса точности.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО ТЕМЕ 3

1. Какие преимущества многофазных электрических сетей по сравнению с однофазными?

2. Какой пространственный сдвиг между обмотками статора в синхронном генераторе трехфазного напряжения?

3. В каких случаях используются трехпроводные, а в каких четырехпроводные трехфазные системы?

4.Какой вид имеет векторная диаграмма для электродвижущих сил действующих в трехфазной систем?

5.В каких случаях используется соединение потребителей энергии по схеме «звезда», а в каких по схеме «треугольника»?

6.Как связаны между собой линейные и фазные напряжения и токи при равномерных нагрузках в фазах?

7. Какие приборы используются для измерения мощности в трехфазной цепи?

8. Как осуществляется компенсация реактивной мощности в трехфазных электрических сетях?

9. Как включаются ваттметры для измерения мощности в трехпроводных трехфазных электрических системах?

10. Напишите аналитические формулы для полной ,активной и реактивной мощностей в трехфазной системе?