Меню

Измерение электрической мощности крутящим моментом

Измерение электрической мощности

· Измерение мощности в цепи постоянного тока

Мощность РН, выделяемая в нагрузке с сопротивлением RН, может быть измеренакосвенным методомс помощью амперметра и вольтметра, как показано на рис. 2.13, так как РН = UI.

Рис. 2.13. Схема измерения мощности постоянного тока
косвенным методом

Более точно мощность можно измерить непосредственно электродинамическим ваттметром, как показано на рис. 2.14.

Ваттметр состоит из неподвижной катушки с малым сопротивлением, включенной как и амперметр, последовательно с нагрузкой RН и называемой токовой обмоткой, и подвижной катушки с большим добавочным сопротивлением, включенной параллельно нагрузке и называемой об моткой напряжения.

Рис. 2.14. Схема измерения мощности ваттметром

Вращающий момент подвижной катушки ваттметра пропорционален произведению токов в проводниках обеих катушек:

где I – ток в неподвижной токовой катушке, практически равный току нагрузки;
IU = U/RU – ток в подвижной катушке напряжения (причем IU > RН).

где С – коэффициент пропорциональности.

Таким образом, вращающий момент ваттметра пропорционален мощности Р и его шкала отградуирована непосредственно в ваттах или киловаттах.

· Измерение активной мощности в однофазной цепи синусоидального тока

Дляизмерения мощности в однофазной цепи синусоидального тока в основном используются электродинамические ваттметры, которые включают так же, как и при измерениях в цепи постоянного тока (см. рис. 2.14).

Ток IU в подвижной катушке пропорционален напряжению U и практически совпадает с ним по фазе, а ток I в неподвижной токовой обмотке равен току нагрузки. Поэтому вращающий момент ваттметра

МВР = CUIcosj = CP, (2.17)

где j – угол сдвига фаз между U и I; С – коэффициент пропорциональности.

Зажимы токовой обмотки и обмотки напряжения ваттметра, помеченные звездочками (*) и называемыегенераторными,следует включать в электрическую цепь со стороны источника питания, как показано на рис. 2.14.

· Измерение активной мощности в трехфазной цепи

Дляизмерения активной мощности в трехфазной цепипеременного тока применяется несколько способов измерения мощности в зависимости от характера трехфазной нагрузки.

Присимметричной нагрузке активную мощность в трехфазной цепи можно измерить путемзамера мощности в одной фазе с помощью ваттметра, включаемого по схеме с трехфазной нагрузкой соединенной звездой (рис. 2.15,а) и трехфазной нагрузкой соединенной треугольником (рис. 2.15,б).

Рис. 2.15. Схема измерения активной мощности трехфазной нагрузки двумя ваттметрами

а) – трехфазная нагрузка соединенная звездой;
б) – трехфазная нагрузка соединенная треугольником

После измерения мощности в одной из фаз РФ, соединенных звездой (U) или треугольником (D) показания ваттметра умножают на три, так как при симметричной нагрузке мощности всех трех фаз одинаковы:

где РYсим и РDсим – активная мощность в трехфазной симметричной нагрузке соединенной звездой и треугольником, соответственно.

В трехпроводной трехфазной цепи при любой нагрузке (симметричной или несимметричной) и любом способе соединения электроприемников (звездой или треугольником) общую активную мощность трехфазной нагрузки можно измерять с помощьюдвух ваттметров (см. рис. 2.16).

При этом алгебраическая сумма активных мощностей РW1 и РW2 2-х ваттметров W1 и W2 равна активной мощности РY,D в трехпроводной трехфазной цепи при соответствующем способе соединения фаз (Y или D):

Суммарная мощность двух ваттметров вычисляется с учетом знака мощностей этих ваттметров, как алгебраическая сумма. Практически, для отсчета отрицательной мощности по показаниям ваттметра необходимо изменить направление тока в обмотке напряжения, для чего переключатель направления тока на корпусе ваттметра надо переключить с «+» на «».

Рис. 2.16. Схема измерения активной мощности
в симметричной трехфазной нагрузке

а) – трехфазная нагрузка соединенная звездой;
б) – трехфазная нагрузка соединенная треугольником

Измерить активную мощность в четырехпроводной трехфазной цепи при несимметричной нагрузке соединенной звездой можно тремя ваттметрами, как показано на рис.2.17.

Поскольку, в этом случае каждый из ваттметров измеряет активную мощность одной фазы, то мощность в четырехпроводной трехфазной цепи:

где PA, PB, PC – активные мощности фаз А, В, С, соответственно.

Рис. 2.17. Схема измерения активной мощности тремя ваттметрами
в четырехпроводной трехфазной сети при несимметричной нагрузке

Применяются также ваттметры трехфазного тока. При измерении мощности в трехфазных цепях высокого напряжения и с большими токами ваттметры включаются через измерительные трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.

Дата добавления: 2016-04-11 ; просмотров: 2574 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

§102. Измерение мощности и электрической энергии

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.

Читайте также:  Потребление мощности светодиодных светильников

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.

Рис. 336. Схема для измерения мощности

Рис. 336. Схема для измерения мощности

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 Iв1 и Iв2, индуцируемыми ими в алюминиевом диске (так же, как и в обычном индукционном измерительном механизме, см. § 99).

Читайте также:  Как мультиметром узнать мощность резистора

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 энергииРис. 337. Ферродинамический счетчик электрической энергии

Рис. 338. Индукционный счетчик электрической энергииРис. 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.

Источник



Измерение крутящего момента и мощности

Одним из основных параметров многих теплотехнических объек­тов, преобразующих энергию рабочего тела во вращательное движение (или с помощью вращения передающих энергию рабочему телу), является мощность, которая определяется лишь косвенным путем, по измерению крутящего момента и угловой скорости вращения ротора. Электродвигатели, турбинные двигатели, турбостартеры, газовые и гидравлические турбины являются источниками мощности, а такие объекты, как компрессоры, насосы, генераторы поглощают мощность. В связи с этим и измерение крутящего момента на валу может быть осуществлено двумя методами: с поглощением и без поглощения мощности. При измерении крутящего момента с погло­щением мощности используются тормозные устройства со свободно подвешенным статором; реактивный момент на статоре тормоза равен приложенному к ротору крутящему моменту. Измерения без поглощения мощности осуществляются по балансирному моменту на статоре электродвигателя, редуктора или же с помощью торсиометров и других специальных измерителей.

При измерении крутящего момента Мкрс помощью тормозных устройств измеряемая мощность подводится к ротору тормоза. За счет взаимодействия ротора со статором на последнем возникает реактивный момент, равный Мкр. Для осуществления измерения статору придается дополнительная степень свободы — он устанавли­вается на подшипниках относительно неподвижной части конструкции. Рычаг известной длины, жестко связанный со статором, нагру­жает динамометр; такие устройства называются балансирными. По типу осуществления отбора мощности тормоза могут быть механическими, электрическими или гидравлическими. Наибольшее рас­пространение получили последние, обладающие рядом преимуществ перед электрическими или механическими тормозами. Поглощение мощности РТ в гидротормозе (рис. 128) происходит частично вслед­ствие выполнения работы, затрачиваемой на перемещение жидкости, частично вследствие трения ротора о жидкость. В качестве рабочей жидкости обычно применяют воду из-за ее большой теплоемкости, постоянства вязкости и дешевизны. Для получения больших тормоз­ных мощностей иногда применяется масло с повышенной вязкостью.

Рис. 128. Гидротормоз: а — принципиальная схема; б — типичная нагрузочная характеристика

1 — статор; 2 — диск; 3— подача воды; 4 — кран слива воды; 5 — измеритель силы.

На рис. 128, б приведена типовая нагрузочная характеристика гидро­тормоза. Здесь характеризует степень заполнения водой внутрен­ней полости тормоза. При mах поглощаемая мощность возрастает с увеличением оборотов вала по кубической параболе ОА. Точка А соответствует максимальному крутящему моменту, на который рас­считаны вал и муфта, дальнейшее увеличение поглощаемой мощности может осуществляться лишь при постоянном Мкр. Точка Б соответ­ствует максимальной мощности, которую способен поглотить гидро­тормоз при максимально возможной прокачке воды; эта мощность может быть отобрана на разных скоростях вращения при разных (прямая БВ). Точка В определяется максимальной скоростью вра­щения, при которой обеспечивается прочность диска. Минимальной загрузке водой соответствует кубическая парабола ОГ, определяю­щая минимум мощности, которую способен поглотить данный тормоз. Изменяя загрузку и прокачку воды, можно получить любой режим, выражаемый точкой внутри площади, ограниченной линиями ОАБВГО. Во время работы тормоза вода нагревается. Необходимое для работы гидротормоза количество воды определяется по уравнению энергетического баланса где мощность, поглощаемая тормозом; С — теплоёмкость воды; — допустимая температура воды на выходе из тормоза,

Читайте также:  Мощность электросушилки ветерок 2

при­нимаемая 335К; — температура воды на входе в гидро­тормоз.

При снятии характеристик турбин и отдельных ступеней компрес­сора важно учитывать моменты сил трения, возникающие в подшип­никах исследуемой машины. Измерить момент трения можно различ­ными способами; часто для этого подшипники турбины или компрес­сора устанавливаются в стакане, имеющем возможность поворачи­ваться в неподвижном корпусе станины. В этом случае момент сил трения с наружных обойм подшипников передается стакану и с по­мощью рычага приводится к динамометру.

Измерение крутящего момента без поглощения мощности произ­водится по балансирному моменту или с помощью торсиометра. Для измерения балансирного момента используются либо приводные электродвигатели, либо редукторы (мультипликаторы). На рис.129 показана схема балансирного электродвигателя. Балансирный мо­мент МБ, приложенный к статору двигателя, равняется крутящему моменту МКР на валу с учетом небольшого момента трения в подшип­никах двигателя

Так как момент трения всегда направлен против движения, то при качании статора его знак меняется, что затрудняет внесение по­правки. Если принимать МБКР, то ошибка в измерении будет равна 2МТР.

Для того чтобы момент трения не сказывался на точ­ности измерения, статор подвешивают на опоре, как показано на рис. 130. При этом момент трения за счет уменьшения давления на опоры получается небольшим и им можно пренебречь.

Рисунок 129Схема балансирного электродвигателя

Рисунок 130 Схема балансирного электродвигателя с подвеской через вал ротора

Рисунок 131 Схема измерения МКР с помощью балансирного редуктора

1-мультипликатор; 2- опора; 3 – измеритель силы

Балансирный редуктор представляет собой шестеренчатый ре­дуктор, к корпусу которого приложен момент МБ равный разности между моментами на входном и выходном валах (рис. 131). При из­мерении МКР с помощью балансирного редуктора (мультипликатора) следует учитывать энергию, расходуемую на преодоление сил трения в зубчатых зацеплениях; в этом случае МБ зависит от механического к. п. д. передачи . Если выразить МВЫХ черезМКРи передаточное отношение зубчатой передачи i, то получим , , откуда величина измеряемого момента МБ равна

Знак плюс берется в случае, когда входной и выходной валы редук­тора вращаются в разные стороны, а минус — при одностороннем вращении. Механический к.п.д. может быть учтен динамическим тарированием или вычислен по измерению количества тепла, отво­димого с маслом, которое поступает на смазку шестерен и подшип­ников редуктора.

В зависимости от измеряемой мощности и габаритов балансирных устройств усилие F на силовом рычаге может быть измерено любым динамометром из числа рассмотренных в этой главе. Для измерения относительно небольших сил (обычно не более 1 Н) широко исполь­зуются компенсационные схемы с электромагнитным уравновешива­нием. Примером может служить схема, в которой в качестве инди­катора отклонения подвижной части служат фотоэлементы (рис. 132).

Компенсационная схема измерения МКР с электромагнитным уравновешиванием: 1 – рычаг; 2 – фотоэлемент; 3 –осветитель; 4 – подвижная катушка; 5 – постоянный магнит; 6 – демпфер

Рисунок 133. Схема измерения момента трения в подшипнике электромагнитным методом: 1 — нагрузочное кольцо; 2 — поворотная катушка; 3 — постоянный магнит; 4 — зер­кальце; 5 —осветитель; 6 — фотоэлемент

На одном конце рычага, прикрепленного к балансирному корпусу, имеется пластина с прорезью, помещенная между фотоэлементом и лампочкой. При отклонении рычага от равновесного состояния на фотодатчике возникает сигнал, который после усиления передается на подвижную катушку, укрепленную на противоположном плече рычага и движущуюся в поле постоянного магнита. Измеряемый момент непрерывно уравновешивается моментом электромагнитных сил катушки, ток в которой связан с моментом линейной зависи­мостью и служит измерительным сигналом. Приведенная погрешность такой системы может быть до ±0,2%.

Электромагнитный метод также находит применение при из­мерении очень малых моментов, например при измерении мо­мента трения в миниатюрных подшипниках. На рис.133 испытываемый вращающийся подшипник помещен в обойму, свя­занную с поворотной катушкой, находящейся в поле постоян­ного магнита. К обойме прикреплено зеркальце, поворот кото­рого изменяет освещенность фотоэлемента, управляющего напря­жением на сетке усилительной лампы. Катушка включена в анод­ный контур лампы; величина тока, создающего магнитное поле, препятствующее повороту катушки, линейно зависит от измеряемого момента.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник