Μέτρηση ηλεκτρικής ενέργειας
Ένα ηλεκτρικό προϊόν, σύμφωνα με τον σκοπό του, καταναλώνει (παράγει) ενεργή ενέργεια που καταναλώνεται για την εκτέλεση χρήσιμης εργασίας. Σε σταθερή τάση, ρεύμα και συντελεστή ισχύος, η ποσότητα της ενέργειας που καταναλώνεται (παράγεται) προσδιορίζεται από τον λόγο Wp = UItcosφ = Pt
όπου P = UIcosφ — ενεργή ισχύς του προϊόντος. t είναι η διάρκεια της εργασίας.
Η μονάδα ενέργειας του SI είναι το τζάουλ (J). Στην πράξη, μια μη συστηματική μονάδα μέτρησης εξακολουθεί να χρησιμοποιείται για την ώρα NS (tu NS h). Η σχέση μεταξύ αυτών των μονάδων είναι η εξής: 1 Wh = 3,6 kJ ή 1 W s = 1 J.
Στα κυκλώματα διακοπτόμενου ρεύματος, η ποσότητα της ενέργειας που καταναλώνεται ή παράγεται μετριέται με επαγωγή ή ηλεκτρονικά με ηλεκτρόμετρα.
Δομικά, ο μετρητής επαγωγής είναι ένας μικροηλεκτρικός κινητήρας, κάθε περιστροφή του ρότορα αντιστοιχεί σε μια ορισμένη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας. Η αναλογία μεταξύ των ενδείξεων του μετρητή και του αριθμού των στροφών που πραγματοποιεί ο κινητήρας ονομάζεται σχέση μετάδοσης και υποδεικνύεται στο ταμπλό: 1 kW NS h = N στροφές του δίσκου.Η σχέση μετάδοσης καθορίζει τη σταθερά μετρητή C = 1 / N, kW NS h / στροφές. ° С=1000-3600 / N W NS s / rev.
Στο SI, η σταθερά του μετρητή εκφράζεται σε τζάουλ, αφού ο αριθμός των στροφών είναι ένα αδιάστατο μέγεθος. Οι μετρητές ενεργής ενέργειας παράγονται τόσο για μονοφασικά όσο και για τριφασικά δίκτυα τριών και τεσσάρων συρμάτων.
Ρύζι. 1... Σχέδιο σύνδεσης συσκευών μέτρησης σε μονοφασικό δίκτυο: α — απευθείας, β — σειρά μετασχηματιστών μέτρησης
Ένας μονοφασικός μετρητής (Εικ. 1, α) ηλεκτρικής ενέργειας έχει δύο περιελίξεις: ρεύμα και τάση και μπορεί να συνδεθεί στο δίκτυο σύμφωνα με σχήματα παρόμοια με τα σχήματα μεταγωγής των μονοφασικών βατόμετρων. Για την εξάλειψη σφαλμάτων κατά την ενεργοποίηση του μετρητή και συνεπώς σφαλμάτων στη μέτρηση της ενέργειας, συνιστάται σε όλες τις περιπτώσεις να χρησιμοποιείτε το κύκλωμα μεταγωγής του μετρητή που υποδεικνύεται στο κάλυμμα που καλύπτει τις εξόδους του.
Πρέπει να σημειωθεί ότι όταν αλλάξει η κατεύθυνση του ρεύματος σε ένα από τα πηνία του μετρητή, ο δίσκος αρχίζει να περιστρέφεται προς την άλλη κατεύθυνση. Επομένως, το πηνίο ρεύματος της συσκευής και το πηνίο τάσης πρέπει να είναι ενεργοποιημένα, έτσι ώστε όταν ο δέκτης καταναλώνει ρεύμα, ο μετρητής να περιστρέφεται προς την κατεύθυνση που υποδεικνύεται από το βέλος.
Η έξοδος ρεύματος, που συμβολίζεται με το γράμμα G, συνδέεται πάντα με την πλευρά τροφοδοσίας και η δεύτερη έξοδος του κυκλώματος ρεύματος, που συμβολίζεται με το γράμμα I. Επιπλέον, η έξοδος του πηνίου τάσης, μονοπολική με την έξοδο G του τρέχον πηνίο, συνδέεται επίσης στο πλάι στο τροφοδοτικό.
Όταν ενεργοποιείτε τα όργανα μέτρησης μέσω του μετασχηματιστή μέτρησηςΟΜετασχηματιστές ρεύματος πρέπει ταυτόχρονα να λαμβάνουν υπόψη την πολικότητα των περιελίξεων των μετασχηματιστών ρεύματος και των μετασχηματιστών τάσης (Εικ. 1, β).
Οι μετρητές κατασκευάζονται τόσο για χρήση με οποιουσδήποτε μετασχηματιστές ρεύματος και μετασχηματιστές τάσης — γενικά, στην ονομασία συμβόλου του οποίου προστίθεται το γράμμα U, όσο και για χρήση με μετασχηματιστές των οποίων οι ονομαστικοί λόγοι μετασχηματισμού αναγράφονται στην πινακίδα τους.
Παράδειγμα 1. Ένας γενικός μετρητής με παραμέτρους Up = 100 V και I = 5 A χρησιμοποιείται με έναν μετασχηματιστή ρεύματος με πρωτεύον ρεύμα 400 A και δευτερεύον ρεύμα 5 A και έναν μετασχηματιστή τάσης με κύρια τάση 3000 V και δευτερεύουσα τάση 100 V.
Προσδιορίστε τη σταθερά του κυκλώματος με την οποία πρέπει να πολλαπλασιαστεί η ένδειξη του μετρητή για να βρεθεί η ποσότητα της ενέργειας που καταναλώνεται.
Η σταθερά του κυκλώματος βρίσκεται ως το γινόμενο του λόγου μετασχηματισμού του μετασχηματιστή ρεύματος από τον λόγο μετασχηματισμού του μετασχηματιστή τάσης: D = kti NS ktu= (400 NS 3000)/(5 NS 100) =2400.
Όπως τα βατόμετρα, οι συσκευές μέτρησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν με διαφορετικούς μετατροπείς μέτρησης, αλλά σε αυτήν την περίπτωση είναι απαραίτητος ο επανυπολογισμός των ενδείξεων.
Παράδειγμα 2. Μια συσκευή μέτρησης σχεδιασμένη για χρήση με μετασχηματιστή ρεύματος με λόγο μετασχηματισμού kti1 = 400/5 και μετασχηματιστή τάσης με λόγο μετασχηματισμού ktu1 = 6000/100 χρησιμοποιείται σε ένα σχήμα μέτρησης ενέργειας με άλλους μετασχηματιστές με τέτοιους λόγους μετασχηματισμού: kti2 = 100/ 5 και ktu2 = 35000/100.Προσδιορίστε τη σταθερά του κυκλώματος με την οποία πρέπει να πολλαπλασιαστούν οι ενδείξεις του μετρητή.
Σταθερά κυκλώματος D = (kti2 NS ktu2) / (kti1 NS ktu1) = (100 NS 35.000) /(400 NS 6000) = 35/24 = 1,4583.
Οι τριφασικοί μετρητές που έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση της ενέργειας σε δίκτυα τριών καλωδίων είναι δομικά δύο συνδυασμένοι μονοφασικοί μετρητές (Εικ. 2, α, β). Έχουν δύο πηνία ρεύματος και δύο πηνία τάσης. Συνήθως, τέτοιοι μετρητές ονομάζονται δύο στοιχείων.
Όλα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω σχετικά με την ανάγκη παρακολούθησης της πολικότητας των περιελίξεων της συσκευής και των περιελίξεων των μετασχηματιστών μέτρησης που χρησιμοποιούνται μαζί της στα κυκλώματα μεταγωγής μονοφασικών μετρητών ισχύουν εξ ολοκλήρου για συστήματα μεταγωγής, τριφασικούς μετρητές.
Για τη διάκριση των στοιχείων μεταξύ τους στους τριφασικούς μετρητές, οι έξοδοι ορίζονται επιπλέον με αριθμούς που υποδεικνύουν ταυτόχρονα την ακολουθία των φάσεων του δικτύου τροφοδοσίας που συνδέονται με τις εξόδους. Έτσι, στα συμπεράσματα που σημειώνονται με τους αριθμούς 1, 2, 3, συνδέστε τη φάση L1 (A), στους ακροδέκτες 4, 5 — φάση L2 (B) και στους ακροδέκτες 7, 8, 9 — φάση L3 (C).
Ο ορισμός των ενδείξεων του μετρητή που περιλαμβάνονται στους μετασχηματιστές συζητείται στα Παραδείγματα 1 και 2 και είναι πλήρως εφαρμόσιμος στους τριφασικούς μετρητές. Σημειώστε ότι ο αριθμός 3, ο οποίος βρίσκεται στον πίνακα της συσκευής μέτρησης μπροστά από τον συντελεστή μετασχηματισμού ως πολλαπλασιαστής, μιλά μόνο για την ανάγκη χρήσης τριών μετασχηματιστών και επομένως δεν λαμβάνεται υπόψη κατά τον προσδιορισμό του σταθερού κυκλώματος.
Παράδειγμα 3… Προσδιορίστε τη σταθερά κυκλώματος για έναν γενικό τριφασικό μετρητή που χρησιμοποιείται με μετασχηματιστές ρεύματος και τάσης, 3 NS 800 A / 5 και 3 x 15000 V / 100 (η μορφή της εγγραφής επαναλαμβάνει ακριβώς την εγγραφή στον πίνακα ελέγχου).
Προσδιορίστε τη σταθερά του κυκλώματος: D = kti NS ktu = (800 x 1500)/(5-100) =24000
Ρύζι. 2. Σχέδια σύνδεσης τριφασικών μετρητών σε δίκτυο τριών καλωδίων: α-απευθείας για μέτρηση ενεργού (συσκευή P11) και άεργου (συσκευή P12), β — μέσω μετασχηματιστών ρεύματος για μέτρηση ενεργού ενέργειας
Είναι γνωστό ότι κατά την αλλαγή συντελεστής ισχύος σε διαφορετικά ρεύματα μπορώ να λάβω την ίδια τιμή UIcos με ενεργή ισχύφ και, επομένως, την ενεργή συνιστώσα του ρεύματος Ia = Icosφ.
Η αύξηση του συντελεστή ισχύος έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρεύματος I για μια δεδομένη ενεργή ισχύ και επομένως βελτιώνει τη χρήση των γραμμών μεταφοράς και άλλου εξοπλισμού. Με μείωση του συντελεστή ισχύος σε σταθερή ενεργή ισχύ, είναι απαραίτητο να αυξηθεί το ρεύμα που καταναλώνω από το προϊόν, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση των απωλειών στη γραμμή μεταφοράς και σε άλλο εξοπλισμό.
Επομένως, προϊόντα με χαμηλό συντελεστή ισχύος καταναλώνουν πρόσθετη ενέργεια από την πηγή. ΔWp που απαιτείται για την κάλυψη απωλειών που αντιστοιχούν στην αυξημένη τιμή ρεύματος. Αυτή η πρόσθετη ενέργεια είναι ανάλογη με την άεργο ισχύ του προϊόντος και, με την προϋπόθεση ότι οι τιμές του ρεύματος, της τάσης και του συντελεστή ισχύος είναι σταθερές με την πάροδο του χρόνου, μπορεί να βρεθεί από την αναλογία ΔWp = kWq = kUIsinφ, όπου Wq = UIsinφ — άεργος ισχύς (συμβατική ιδέα).
Η αναλογία μεταξύ της άεργου ενέργειας ενός ηλεκτρικού προϊόντος και της πρόσθετης παραγόμενης ενέργειας του σταθμού διατηρείται ακόμη και όταν η τάση, το ρεύμα και ο συντελεστής ισχύος αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου. Στην πράξη, η άεργος ενέργεια μετράται από μια μονάδα έξω από το σύστημα (var NS h και τα παράγωγά της — kvar NS h, Mvar NS h, κ.λπ.) χρησιμοποιώντας ειδικούς μετρητές που είναι δομικά εντελώς παρόμοιοι με τους μετρητές ενεργής ενέργειας και διαφέρουν μόνο στη μεταγωγή κυκλώματα των περιελίξεων (βλ. Εικ. 2, α, συσκευή P12).
Όλοι οι υπολογισμοί που αφορούν τον προσδιορισμό της άεργης ενέργειας που μετράται από τους μετρητές είναι παρόμοιοι με τους παραπάνω υπολογισμούς για τους μετρητές ενεργής ενέργειας.
Πρέπει να σημειωθεί ότι η ενέργεια που καταναλώνεται στο τύλιγμα τάσης (βλ. Εικ. 1, 2) δεν λαμβάνεται υπόψη από τον μετρητή και όλα τα έξοδα βαρύνουν τον παραγωγό ηλεκτρικής ενέργειας και η ενέργεια που καταναλώνεται από το κύκλωμα ρεύματος της συσκευής λαμβάνεται υπόψη από τον μετρητή, δηλαδή το κόστος σε αυτή την περίπτωση αποδίδεται στον καταναλωτή.
Εκτός από την ενέργεια, ορισμένα άλλα χαρακτηριστικά φορτίου μπορούν να προσδιοριστούν χρησιμοποιώντας μετρητές ισχύος. Για παράδειγμα, σύμφωνα με τις ενδείξεις των μετρητών άεργου και ενεργού ενέργειας, μπορείτε να προσδιορίσετε την τιμή του σταθμισμένου μέσου φορτίου tgφ: tgφ = Wq / Wp, Gwhere vs — η ποσότητα ενέργειας που λαμβάνεται υπόψη από τον μετρητή ενεργής ενέργειας για ένα δεδομένο χρονική περίοδος, Wq — το ίδιο, αλλά λαμβάνεται υπόψη από τον μετρητή άεργου ενέργειας για την ίδια χρονική περίοδο. Γνωρίζοντας το tgφ, από τριγωνομετρικούς πίνακες βρείτε το cosφ.
Εάν και οι δύο μετρητές έχουν την ίδια σχέση μετάδοσης και σταθερά κυκλώματος D, μπορείτε να βρείτε το φορτίο tgφ για μια δεδομένη στιγμή.Για το σκοπό αυτό, για το ίδιο χρονικό διάστημα t = (30 — 60) s, διαβάζονται ταυτόχρονα ο αριθμός των στροφών nq του μετρητή άεργου ενέργειας και ο αριθμός των στροφών np του μετρητή ενεργού ενέργειας. Τότε tgφ = nq / np.
Με ένα αρκετά σταθερό φορτίο, είναι δυνατός ο προσδιορισμός της ενεργού ισχύος του από τις ενδείξεις του μετρητή ενεργού ενέργειας.
Παράδειγμα 4… Ένας μετρητής ενεργής ενέργειας με σχέση μετάδοσης 1 kW x h = 2500 rpm περιλαμβάνεται στη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή. Οι περιελίξεις του μετρητή συνδέονται μέσω μετασχηματιστών ρεύματος με kti = 100/5 και μετασχηματιστών τάσης με ktu = 400/100. Σε 50 δευτερόλεπτα ο δίσκος έκανε 15 στροφές. Προσδιορίστε την ενεργό ισχύ.
Σταθερό κύκλωμα D = (400 NS 100)/(5 x 100) =80. Λαμβάνοντας υπόψη τη σχέση μετάδοσης, η σταθερά μετρητή C = 3600 / N = 3600/2500 = 1,44 kW NS s / rev. Λαμβάνοντας υπόψη το σταθερό σχήμα C '= CD = 1,44 NS 80= 115,2 kW NS s / rev.
Έτσι, n στροφές των δίσκων αντιστοιχούν στην κατανάλωση ισχύος Wp = C'n = 115,2 [15 = 1728 kW NS με. Επομένως, η ισχύς φορτίου P= Wp / t = 17,28 / 50 = 34,56 kW.