7) Заполнить табл. 2.9 и провести сравнение измерений и расчета мощности (см. п. 2, 5 и 6), сделать выводы.
Таблица 2.9
Результаты измерения мощности
| Способы определения активной мощности | Результаты измерений и вычислений | |||
| U л, В | U ф, В | I ф, А | P, Вт | |
| Измерение одним прибором | ||||
| Измерение двумя приборами | ||||
| Расчет | – | – | – |
Построение векторной диаграммы начинается с изображения векторов фазных напряжений 
, 
, 
, модули которых определяются из соотношения
. (2.41)
Векторы фазных токов 
, 
, 
отстают на угол j от векторов соответствующих фазных напряжений. На диаграмме строятся векторы линейных напряжений
(2.42)
. (2.43)
На векторной диаграмме выделяются векторы токов и напряжений, участвующих в создании вращающих моментов включенных ваттметров, отмечаются углы b 1 и b 2.
При несимметричной нагрузке на векторной диаграмме необходимо учесть смещение нейтрали.
8) Собрать электрическую цепь по схеме, представленной на рис. 2.13, для измерения реактивной мощности двигателя одним ваттметром (обратить внимание на отсутствие соединения генераторных зажимов обмоток ваттметра).
   |
Рис. 2.13. Измерение реактивной Рис. 2.14. Измерение реактивной
мощности одним ваттметром мощности двумя ваттметрами
9) Провести измерения линейного напряжения UBC и тока IA , снять показание прибора Pw. Вычислить реактивную мощность:
. (2.44)
10) Построить векторную диаграмму, выделить (согласно рис. 2.13) векторы 
и 
, определить угол g между данными векторами, убедившись, что 
.
Учитывая, что 
, получить расчетное значение реактивной мощности Q.
11) Собрать электрическую цепь по схеме, представленной на рис. 2.14, измерить аналогичные параметры двумя ваттметрами и определить мощность двигателя по их показаниям:
. (2.45)
12) Построить векторную диаграмму, выделить (согласно рис. 2.14) векторы и 
, 
и , определить углы g между этими векторами.
Учитывая, что
; (2.46)
, (2.47)
получить расчетное значение реактивной мощности Q.
13) Заполнить табл. 2.10 и провести сравнение измерений и расчета мощности Q (см.п. 10 – 12), сделать выводы.
Таблица 2.10
Результат измерения реактивной мощности
| Способы определения реактивной мощности | U л,В | I л,A | Q, вар | |
| опыт | расчет | |||
| Схема с одним ваттметром | ||||
| Схема с двумя ваттметрами |
2.4.3. Контрольные вопросы
1) Доказать возможность измерения активной мощности двумя ватт-метрами.
2) Доказать, что ваттметрами можно измерять реактивную мощность симметричной трехфазной цепи.
3) Начертить возможные варианты схем включения двух ваттметров для измерения активной мощности цепи.
4) Начертить возможные варианты схем включения двух ваттметров для измерения реактивной мощности цепи.
5) В каком случае показания ваттметров будут одинаковыми при измерении активной мощности цепи?
2.5. Лабораторная работа 7
ПОВЕРКА ОДНОФАЗНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СЧЕТЧИКА
Цель работы: изучение методики поверки однофазного электронного счетчика.
2.5.1. Основные теоретические положения
Поверка заключается в сравнении расчетного значения относительной погрешности счетчика d с допускаемой относительной погрешностью d доп при различных значениях тока I и cos j.
Значение d определяется по формуле:
%, (2.48)
где W – значение электрической энергии, соответствующее показаниям
поверяемого счетчика;
W 0 – действительное значение энергии, прошедшей через счетчик.
Значение d доп определяется классом точности счетчика и задается таблицей для различных значений тока.
2.5.2. Порядок выполнения работы
1) Собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рис. 2.15. После проверки преподавателем включить установку и прогреть счетчик при его номинальных вторичных параметрах U2 ном = 220 В и I 2ном = 5 А в течение 5 мин.
2) Установить ток в цепи I = 0,5 А, что соответствует 10 % от номинального вторичного тока, а фазометром – cos j = 1.
Определить энергию, потребляемую в цепи нагрузкой R на высокой
стороне:
, (2.49)
где N – число импульсов, подсчитанных с помощью счетчика импульсов СТ за время измерения t и, определенное по электронному секундомеру T;
A – передаточное число счетчика электрической энергии, имп./кВт∙ч.
 |
Рис. 2.15. Схема для поверки электронного счетчика
Вначале запускается счетчик импульсов, и на любом числе Инач включается секундомер. Спустя время t и секундомер выключается, фиксируется число импульсов Икон и время t и. Подсчитывается число прошедших импульсов
N = Икон – Инач. (2.50)
Рекомендуемые интервалы для выбора времени t и приведены в табл. 2.11.
Таблица 2.11
Время измерения для различных значений тока нагрузки
Отношение
| ||||
| Время измерения t и, с | 540 – 600 | 240 – 300 | 150 – 180 | 90 – 120 |
При отсутствии в схеме счетчика импульсов СТ и секундомера Т величина W в определяется по разности показаний счетчика за время tи, определенное по часам.
3) Вычислить энергию, потребляемую на низкой стороне:
, (2.51)
где K сч = KU·KI – коэффициент счетчика;
; (2.52)
. (2.53)
Номинальные параметры и значение передаточного числа А указываются на щитке счетчика.
4) Определить расчетное значение энергии в Вт·с:
. (2.54)
5) Для заданных U = 220 В, I = 0,5 А и cos j = 1 вычислить действительное значение мощности активной нагрузки R:
. (2.55)
Сверить полученное значение с показанием ваттметра.
6) Рассчитать действительное значение энергии:
. (2.56)
7) По формуле (2.48) вычислить относительную погрешность d измерения энергии электронным счетчиком.
8) Провести опыты, описанные в п. 2 – 7 при I = 1; 2,5; 5 А, что составляет 20, 50 и 100% от номинального.
9) Повторить эксперимент при cos j = 0,5.
10) Заполнить табл. 2.12.
11) Построить графики d (I/I2 ном) для каждого значения cos j, на которых отметить область допустимых значений d доп (I/I2 ном) для однофазного электронного счетчика Ф-442 класса точности 2 в соответствии с табл. 2.13. Сделать
выводы по поверке.
Таблица 2.12
Результаты измерений
| Параметры | Отношение  %
| |||||||
| cos j = 1 | cos j = 0,5 | |||||||
| t и, с | ||||||||
| N, имп. | ||||||||
| W в, кВт·ч | ||||||||
| W н, кВт·ч | ||||||||
| W, Вт·с | ||||||||
| W 0, Вт·с | ||||||||
| d, % |
Таблица 2.13
Допустимые погрешности электронного счетчика Ф-442
| Отношение
| 2 – 5 | 5 – 10 | 10 – 20 | 20 – 100 |
| Относительная погрешность d доп,% | ±3,8 | ±2,5 | ±2,2 | ±2,0 |
2.5.3. Контрольные вопросы
1) Начертить блок-схему электронного счетчика и объяснить назначение его основных элементов.
2) Охарактеризовать метод поверки электронного счетчика.
3) Какие погрешности вносят трансформаторы тока и напряжения в определение энергии W н, на низкой стороне измерительных преобразователей.
4) Пояснить понятия "передаточное число", "постоянная счетчика",
"порог чувствительности счетчика".
2.6 Лабораторная работа 8
Измерение полных сопротивлений электронными приборами
Цель работы: знакомство с работой электронного прибора ВМ 507 для измерения полных сопротивлений.
2.6.1. Основные теоретические положения
Электронные аналоговые приборы представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы применяются при измерении практически всех электрических величин. Их использование расширяет функциональные возможности средств измерений и обеспечивает высокий уровень метрологических характеристик. Широкое применение нашли электронные приборы для измерения сопротивления и фазы.
Наибольшее распространение получили омметры, схемы которых изображены на рис. 2.16,а,б, где ИСН – источник стабилизированного напряжения со значением на выходе U o; У – усилитель постоянного тока; ОУ – операционный усилитель; ИМ – измерительный механизм; Rx – измеряемое сопротивление; R o – образцовое сопротивление; U x – напряжение, функционально связанное с измеряемым сопротивлением Rx.
В омметрах, построенных по схеме рис. 2.16,а, используется усилитель с большим внутренним сопротивлением. Угол поворота подвижной части ИМа определяется так:
a = k Ux = k Uo Rx / (Ro+Rx), (2.57)
где k – коэффициент усиления.
 |
а
 |
б
Рис. 2.16. Структурные схемы измерения сопротивления:
а – с операционным усилителем; б – с усилителем постоянного тока
 |
Рис. 2.17. Структурная схема измерения угла сдвига фаз
В омметрах, построенных по схеме рис. 2.16,б, в цепь обратной связи включено Ro. Величина коэффициента усиления k и входное сопротивление операционного усилителя выбираются большими, поэтому потенциалы входов У, определяемые как Ux/k, и входной ток практически равны нулю. Следовательно, токи, проходящие через Ro и Rx, равны и справедливо соотношение:
Uo/Rx = Ux/Ro, (2.58)
откуда следует, что угол поворота подвижной части
a = Su Uo Ro / Rx, (2.59)
где Su – чувствительность ИМ.
При измерении угла сдвига фаз электронными приборами наибольшее распространение получил метод преобразования фазового сдвига во временной интервал. Структурная схема такого метода представлена на рис. 2.17.
Синусоидальные сигналы u1 и u2, сдвиг по фазе j между которыми измеряется, подаются на входы усилителей-ограничителей (УО), которые преобразуют их в симметричные сигналы прямоугольной формы (рис.2.18, а, б). Сигналы, полученные с выходов управляемых мультивибраторов, показаны на
рис. 2.18, в, г. Они формируют сигналы длительностью Т/2 и сдвинутые друг относительно друга на время DТ, пропорциональное сдвигу по фазе j. Эти импульсы поступают в дифференцирующую распределительную цепь (ДРЦ), на выходе которой получают остроконечные импульсы одинаковой формы
(рис. 2.18, д). Выходные мультивибраторы формируют прямоугольные импульсы длительностью (Т/2 + DТ) и (Т/2 - DТ) (рис. 2.18, е). Показания магнитоэлектрического микроамперметра, включенного по схеме вычитания токов, пропорциональны среднему значению (постоянной составляющей) разности токов (рис. 2.18, ж) выходных мультивибраторов (ВМ) за период сигнала.
Вращающий момент М для выпрямительных приборов определяется по выражению:
, (2.60)
где I cp – среднее значение тока на периоде Т.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
и)
Рис. 2.18. Временные диаграммы работы измерителя угла сдвига фаз
В данном случае показания микроамперметра будут зависеть от скважности импульсов (DТ/(Т/ 2 )). При DТ = (Т/ 2) имеем j = DТ = (Т/2) =p = 180° или в общем случае:
(2.61)
Электронный прибор ВМ507 позволяет производить измерение полных сопротивлений (импеданса) в диапазоне частот 5 Гц – 500 кГц. Измеряемое сопротивление Z определяется в виде модуля Z и угла сдвига фаз j. Значения этих величин отсчитываются по стрелочным приборам на передней панели прибора. Диапазон Z составляет от 1 Ом до 10 МОм, а диапазон j –
от –90 до +90°. Прибор может быть использован для прямого измерения L и С.
2.6.2. Прямое измерение емкости и индуктивности.
При измерении полного сопротивления, имеющего емкостной или индуктивный характер (когда добротность Q > 10; 
< 0,1), прибор показывает значение 
или Z = wL.
Если подобрать частоту генератора f = 10/2p = 1,592, то значение
w = 2pf = 1, следовательно, измеренное значение Z = L или Z = 1/C.
При измерении индуктивности или емкости важно правильно выбирать шкалу отсчета L или С и ее номинальное значение (отмеченное кружком). Так при измерении индуктивности следует пользоваться данными табл. 2.14, где определенной частоте и диапазону Z соответствует номинальное значение шкалы для измерения индуктивности. Например, если выбран диапазон Z = 100 Ом, то при частоте 15,92 кГц отсчет индуктивности L выполняется по шкале
100 Ом, номинальному значению шкалы соответствует значение 1 мГн.
При измерении емкости следует пользоваться данными табл. 2.15. Здесь определенной частоте и диапазону Z соответствует номинальное значение шкалы для измерения емкости. Отсчет значения С производится по шкале, обратной Z. Например, если кнопками выбран диапазон Z = 3 Ом, то при частоте 1,592 кГц отсчет значения С выполняется по шкале 10 кОм, причем номинальному значению шкалы соответствует значение емкости С = 100 мкФ.
2.6.3. Порядок выполнения работы
1) Произвести калибровку прибора. Для этого отсоединить провода от входа прибора Zx. Нажать кнопку "Калибровка 1 кОм" (CAL 1 kW), затем выбрать и нажать кнопку предела измерения 3 кОм. Ручку "Калибровка"
(CALIBRATION Z) установить в крайнее левое положение. При этом ко входу прибора подключается внутреннее образцовое сопротивление 1 кОм.
Частота внутреннего генератора устанавливается 1,592 кГц путем выбора диапазона 500 Гц – 5 кГц и установки выделенного значения (красная риска).
Подключить прибор к напряжению сети и нажать кнопку "Сеть" (MAINS). Зажигается контрольная лампа. Приблизительно через 1 мин стрелка прибора Z устанавливается в окрестности значения 9 по шкале 10 Ом, а стрелка прибора j находится около нуля. После включения дать прибору прогреться
10 – 15 мин до установления устойчивого значения стрелки прибора Z.
Путем плавного поворота ручки "Калибровка" устанавливается значение Z = 1 кОм, а ручкой "Ноль" (Zero j) устанавливается значение j = 0.
Кнопка "Калибровка" выключается, ко входу прибора подсоединяется входной кабель, прибор готов к измерениям.
2) Произвести измерения предложенных преподавателем неизвестных сопротивлений. По таблицам для расчета активно-индуктивных сопротивлений определить L (см. табл. 2.14), емкостных – С (см. табл. 2.15). По данным частоты генератора (f) и измеренным значениям модуля (Z) и начальной фазы (j) произвести проверочный расчет индуктивности и емкости. Данные измерения и расчета занести в табл. 2.16.
3) Выбрать из табл. 2.16 активно-индуктивное и емкостное сопротивления. Соединить их последовательно. Рассчитать частоту резонанса напряжений из условия:
. (2.62)
Таблица 2.14
Измерение индуктивности
| Диапазон | W | kW | ||||||||||
| Z | ||||||||||||
           Шкала
| 3 W | 10 W | 3 W | 10 W | 3 W | 10 W | 3 kW | 10 kW | 3 kW | 10 kW | 10 kW | 3 kW |
| 159 Гц | мГн | мГн | мГн | мГн | мГн | Гн | Гн | Гн | Гн | Гн | Гн | Гн |
| 1,59 кГц | мкГн | мГн | мГн | мГн | мГн | мГн | мГн | Гн | Гн | Гн | Гн | Гн |
| 15,9 кГц | мкГн | мкГн | мкГн | мГн | мГн | мГн | мГн | мГн | мГн | Гн | Гн | Гн |
Таблица 2.15
Измерение емкости
| Диапазон | W | kW | ||||||||||
| Z | ||||||||||||
           Шкала
| 3 kW | 10 kW | 3 kW | 10 kW | 3 kW | 10 kW | 3 W | 10 W | 3 W | 10 W | 10 W | 3 W |
| 159 Гц | мкФ | мкФ | мкФ | мкФ | мкФ | мкФ | нФ | нФ | нФ | нФ | нФ | мкФ |
| 1,59 кГц | нФ | мкФ | мкФ | мГн | мкФ | мкФ | пФ | нФ | нФ | нФ | нФ | Гн |
| 15,9 кГц | мкФ | мкФ | мкФ | мкФ | мкФ | мкФ | нФ | нФ | нФ | мкФ | мкФ | мкФ |
Таблица 2.16
Результаты измерения и расчета полных сопротивлений
| f, | Z, | j, | Измерение | Расчет | ||
| Гц | Ом | град | L, мГн | C, мкФ | L, мГн | C, мкФ |
Плавно изменяя частоту вблизи значения f 0, исследовать частотные характеристики Z(f) и j(f) в диапазоне частот, соответствующих изменению угла сдвига фаз от –60 до +60°. Результат измерения занести в табл. 2.17. Построить зависимости Z(f) и j(f). Подобрать f 0эксп и сравнить с f 0расч.
