background image

 

Seria ćwiczeń I 

Ćwiczenie 3 

TEMAT: POMIARY MOCY PRĄDU STAŁEGO I 

PRZEMIENNEGO 

W UKŁADZIE JEDNOFAZOWYM 

1. CEL ĆWICZENIA 

Celem  ćwiczenia  jest  poznanie  metod  bezpośredniego  i  pośredniego  pomiaru  mocy  prądu  stałego  i 

przemiennego jednofazowego 

2. PODSTAWY TEORETYCZNE 

2.1. Wprowadzenie 

Moc chwilowa prądu elektrycznego zmiennego określana jest zależnością 

 

p = ui 

(1) 

Dla przebiegów okresowych napięcia oraz prądu przebieg mocy p(t) jest również okresowy, a jego wartość 
średnia w ciągu okresu T wyraża się wzorem 

 

T

0

dt

)

t

(

p

T

1

)

t

(

p

P

 

(2) 

i nazywana jest mocą czynną P. Jednostką mocy czynnej jest wat [W]. 

Dla  przebiegów  sinusoidalnie  zmiennych  moc  czynna  dostarczona  do  układu  elektrycznego  w  każdej 

chwili jest równa iloczynowi skutecznych wartości napięcia, prądu i cos lub też iloczynowi wartości sta-
łych napięć i prądów dla układów stałoprądowych. 
 

2.2. Metody techniczne pomiaru mocy prądu stałego 

Zgodnie z definicją, wartość mocy przy stałym prądzie i stałym napięciu wyrażana jest równaniem 

 

P = U

 

·

 

(3) 

Pomiary  mocy przy prądzie stałym wymagają zastosowania watomierza (pomiar bezpośredni) lub am-

peromierza  i  woltomierza  (pomiar  pośredni).  Przy  pomiarach  przeprowadzanych  za  pomocą  watomierza 
często  konieczne  jest  zastosowanie  dodatkowo  amperomierza  i  woltomierza  w  celu  kontroli  napięć  i  prą-
dów,  aby  nie  dopuścić  do  przeciążenia  cewek  watomierza.  Pomiar  mocy  za pomocą woltomierza i ampe-
romierza (metoda techniczna) można przeprowadzić w jednym z dwóch układów pokazanych na rysunku 1. 
Celem pomiaru jest określenie mocy pobieranej przez odbiornik o rezystancji R

x

 

 

P

0

 = U

·

 

I

x

 

(4) 

background image

 

 

 

 

Rys. 1. Układy

 

do

 

pośredniego

 

pomiaru  mocy

 

prądu  stałego:

 

a)

 

układ

 

„poprawnie”  mierzonego  prądu,  b) 

układ „poprawnie” mierzonego napięcia 

Moc pobrana przez odbiornik o rezystancji R

x

 obliczana jest na podstawie wskazań przyrządów pomia-

rowych. W układzie „poprawnie” mierzonego prądu obowiązują wzory: 

 

P = U

·

 

I

A

 = I

x

 (U

A

 + U

x

(5) 

 

0

A

x

x

A

2
x

x

A

x

x

P

P

I

U

R

I

)

U

R

I

(

I

P

 

(6) 

gdzie: 

P

0

 - moc pobierana przez odbiornik o rezystancji R

x

P

A

 - moc tracona na rezystancji R

A

 amperomierza. 

Z powyższego wynika, że moc obliczona ze wskazań przyrządów jest większa od mocy faktycznie po-

bieranej przez odbiornik o moc traconą w amperomierzu. 

Metoda  ta  obarczona  jest  błędami,  przy  czym  dla  układu  „poprawnie”  mierzonego  prądu  błąd  bez-

względny pomiaru wynosi 

 

A

A

0

0

P

)

P

P

(

P

P

P

P

 

(7) 

a błąd względny 

 

%

100

R

R

R

I

R

I

P

P

P

x

A

x

2
x

A

2
x

0

A

0

 

(8) 

Błąd względny dla układu jak na rysunku 1a, jak wynika ze wzoru (8), jest zależny od ilorazu rezystan-

cji R

użytego amperomierza i rezystancji R

x

 badanego odbiornika; błąd ten można pominąć, jeśli spełniony 

będzie warunek R

A

 << R

x

Dla układu - jak na rysunku 1b - „poprawnie” mierzonego napięcia zmierzona moc będzie wyrażona za 

pomocą zależności: 

 

)

I

I

(

U

I

U

P

x

V

V

A

V

 

(9) 

V

0

V

V

x

x

P

P

U

I

I

U

P

 

gdzie: 

P

0

 - moc pobierana przez odbiornik o rezystancji R

x

P

V

 - moc tracona w woltomierzu. 

Również  w  tym  przypadku  moc  obliczona  ze  wskazań  przyrządów  jest  większa  od  mocy  zużywanej 

przez odbiornik; tym razem o wartość mocy pobieranej przez woltomierz. 
Błąd bezwzględny pomiaru mocy w tym przypadku wynosi 

a

b) 

background image

 

 

V

0

V

0

0

0

P

P

P

P

P

P

P

 

(10) 

a błąd względny 

 

%

100

R

R

R

U

R

U

P

P

P

V

x

V

2
x

x

2
V

0

V

0

 

(11) 

Błąd  względny  dla  układu  „poprawnie”  mierzonego  napięcia  jest  zależny  od  ilorazu rezystancji R

ba-

danego odbiornika i rezystancji R

V

 użytego woltomierza (11). Błąd ten można pominąć, jeśli spełniony bę-

dzie warunek R

V

 >> R

x

Przez porównanie błędów względnych dla obydwu układów można określić wartość graniczną rezystan-

cji odbiornika determinującą w danych warunkach zastosowanie jednego z wyżej przedstawionych układów 

x

A

V

x

R

R

R

R

 

stąd 

 

V

A

gr

R

R

R

 

(12) 

gdy

 

,

R

R

R

V

A

x

 

stosuje się układ „poprawnie” mierzonego prądu, 

gdy

 

,

R

R

R

V

A

x

 

stosuje się układ „poprawnie” mierzonego napięcia. 

 
 

2.3. Pomiary mocy czynnej w układach jednofazowych 

W  obwodach  jednofazowych prądu zmiennego moc czynna pobierana przez odbiornik mierzona jest w 

watach i wyraża się wzorem 

 

P

0

 = U

·

 

I

·

 

cos 

(13) 

gdzie: 
 P

0

 - moc czynna odbiornika, 

U

0

 - napięcie na zaciskach odbiornika, 

  I

0

 - prąd płynący przez odbiornik, 

   - kąt przesunięcia fazowego między

 

I

a

U

 

odbiornika. 

Pomiaru  mocy  czynnej  dokonuje się za pomocą watomierza z ustrojem elektrodynamicznym lub ferro-

dynamicznym  bądź  też  za  pomocą amperomierza i woltomierza, ale tylko w przypadku obciążenia czysto 
rezystancyjnego (gdy cos = 1). 

Stałą watomierza oblicza się ze wzoru 

 

dz

W

cos

I

U

P

C

max

n

n

n

max

n

W

 

 

 

(14) 

gdzie: 
 

P

n

 - moc znamionowa watomierza, 

 

U

n

 - napięcie znamionowe watomierza, 

 

I

n

 - prąd znamionowy watomierza, 

cos

n

  - znamionowy współczynnik mocy watomierza (na ogół cos

n

 = 1), 

  

max

 - całkowita ilość działek skali watomierza. 

Watomierz należy dostosować napięciowo i prądowo do wartości przewidywanych, gdyż w przeciwnym 

razie  grozi  to  przeciążeniem  jego  cewek  -  prądowej  lub  napięciowej.  Pełne  odchylenie  watomierza, a tym 

background image

 

samym najdokładniejszy pomiar tym przyrządem, uzyskuje się wtedy, gdy wszystkie wartości rzeczywiste 
będą równe znamionowym lub gdy przy niepełnej znamionowej jednej wielkości (np. I) przekroczy się dru-
gą wielkość (np. U) w dopuszczalnych granicach, bowiem wszy-stkie watomierze można przeciążyć napię-
ciowo i prądowo ok. 20% w stosunku do wartości znamionowych. 

W idealnym watomierzu rezystancja obwodu napięciowego R

UW

 powinna być nieskończenie duża, a re-

zystancja  cewki  prądowej  równa  zeru;  wtedy  przyrząd  taki  nie  pobierałby  żadnej mocy. Ponieważ w rze-
czywistości  jest  inaczej,  przyrząd  pobiera  pewną  moc,  czyniąc  pomiar  mniej dokładnym. Przy pomiarach 
małych  mocy  niedokładność  tę  powinno  się  uwzględniać,  obliczając  poprawki  oraz  stosując  jeden  z  dwu 
wyżej opisanych układów - „poprawnie” mierzonego napięcia lub „poprawnie” mierzonego prądu. 

2.3.1. Pomiar mocy czynnej prądu przemiennego watomierzem 

w układzie „poprawnie” mierzonego prądu 

Układ  „poprawnie”

 

mierzonego  prądu  przedstawia  rysunek  2.

 

Watomierz

 

w

 

tym  układzie  mierzy  moc 

czynną pobieraną przez odbiornik oraz przez cewkę prądową watomierza i amperomierz. Moc ta wyrażona 
jest wzorem 

 

P = P

0

 + P 

(15) 

przy czym 

)

R

R

(

I

P

P

P

A

WI

2
A

A

WI

 

gdzie: 
  P

WI

 - moc pobierana przez cewkę prądową watomierza, 

 

P

A

 - moc pobierana przez amperomierz, 

  R

WI

 - rezystancja cewki prądowej watomierza, 

 

R

A

 - rezystancja wewnętrzna amperomierza, 

I

A

 = I

x

 - prąd płynący przez odbiornik R

x

 

 

Rys. 2. Układ do pomiaru mocy czynnej w układzie „poprawnie” mierzonego prądu 

Trudności

 

w

 

obliczaniu

 

poprawek

 

wynikające  z  konieczności

 

uwzględnienia

 

induk-cyjności  przyrządów, 

które nie zawsze są znane, sprawiają, że układ ten jest rzadziej stosowany. 
 

 

2.3.2.  Pomiar mocy czynnej prądu przemiennego watomierzem 

w układzie „poprawnie” mierzonego napięcia 

Układ 

„poprawnie” 

mierzonego 

napięcia 

przedstawia 

rysunek 

3. 

Watomierz 

w tym układzie mierzy moc czynną pobieraną przez odbiornik oraz cewki napięciowe watomierza i wolto-
mierza. Moc ta wyrażona jest wzorem 

 

P = P

x

 + P 

(16) 

gdzie: 

UW 

background image

 

 

UW

2
x

V

2
x

R

U

R

U

P

 

(17) 

R

V

 - rezystancja wewnętrzna woltomierza, 

R

UW

 - rezystancja obwodu napięciowego watomierza. 

 

 

Rys. 3. Pomiar mocy czynnej w układzie „poprawnie” mierzonego napięcia 

Prąd  płynący  przez  cewkę  prądową  watomierza  I

A

  jest  sumą  geometryczną  trzech  prądów:  I

x

  -  prądu 

płynącego  przez  odbiornik,  I

V

  -  prądu  płynącego  przez  cewkę  woltomierza  oraz  I

UW

  -  prądu  płynącego 

przez cewkę napięciową watomierza 

 

UW

V

x

A

I

I

I

I

 

(18) 

Poniżej  przedstawiono  wykresy  wskazowe  tego  układu  przy  obciążeniach  czynno-indukcyjnym  i  czynno-
pojemnościowym i przy założeniu, że prądy I

V

 oraz I

UW

 są w fazie z napięciem U

x

 

          

 

Rys. 4. Wykresy wskazowe dla pomiaru mocy w układzie „poprawnie” mierzonego napięcia: a) przy obcią-

żeniu czynno-indukcyjnym, b) przy obciążeniu czynno-pojemnościowym 

Na podstawie ww. wykresów można stwierdzić, że 

 

I = I

 

·

 

cos + I

·

 

cos(

x

  ) = I

A

 

(19) 

natomiast na podstawie wzoru (13) 

 

x

x

x

x

I

U

P

cos

 

(20) 

Ponieważ kąt (

x

  ) jest bardzo mały z powodu, że I jest małe w stosunku do I, można przyjąć, że cos 

(

x

  )  1 

W układzie tym występują następujące błędy metody: 

–  błąd pomiaru mocy 

 

%

100

P

P

P

P

x

x

 

(21) 

–  błąd pomiaru prądu 

background image

 

 

%

100

I

cos

I

100

I

I

I

I

x

x

x

 

(22) 

 

 

3. REALIZACJA PRAKTYCZNA ĆWICZENIA - POMIARY 

3.1. Program badań - zadania do realizacji 

a)  Wykonać  pomiary  mocy  prądu  stałego  metodą  techniczną  (układami  „poprawnie”  mierzonego  prądu  i 

„poprawnie” mierzonego napięcia) dla trzech wartości obciążenia R

x

 (rys. 1). 

b) Obliczyć wartość rzeczywistą mocy pobranej przez przyrządy dla obydwu ukła-dów. 
c)  Obliczyć względny i bezwzględny błąd pomiaru. 
d) Wyniki pomiarów i obliczeń z pkt. a, b i c zamieścić w tabelach 1 i 2. 

Tabela 1. Wyniki pomiarów dla układu „poprawnie” mierzonego prądu 

I · 10

3

 

R

P

P

P 

P 

Lp. 



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela 2. Wyniki pomiarów dla układu „poprawnie” mierzonego napięcia 

I  10

3

 

I

V

 · 10

3

 

R

P

P

P 

P 

Lp. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e)  Przeprowadzić 

pomiar 

mocy

 

czynnej 

prądu 

przemiennego

 

watomierzem

 

w

 

ukła- 

dzie  „poprawnie”  mierzonego  napięcia  dla  trzech  wartości  obciążenia  R

x

  według  schematu  jak  na  ry-

sunku 3. 

f)  Obliczyć wartość mocy pobranej przez odbiornik w układzie z pkt. e (rys. 3). 
g)  Obliczyć błąd pomiaru mocy dla układu z pkt. e (rys. 3). 
h) Wyniki pomiarów i obliczeń z pkt. e, f i g zamieścić w tabeli 3. 

Tabela 3. Wyniki pomiarów mocy w układzie 1-fazowym 

I  10

3

 

R

R

uw 

C

w

 

α

w

 

P

P 

P 

Uwagi 

Lp. 

 

 

W/dz 

dz 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

VW

 – rez. 

napięcio-
wej cewki 
watomie-
rza 

R

V

 – rez. 

woltomie-
rza 

background image

 

4. PYTANIA I ZAGADNIENIA DO WERYFIKACJI 

WIEDZY ĆWICZĄCYCH 

1.  Co to jest moc elektryczna i jakie jej rodzaje rozróżnia się? 
2.  Jakie błędy występują w procesie pomiaru mocy? 
3.  Jakie są kryteria doboru układu połączeń mierników przy pomiarach pośrednich mocy? 
4.  Co to jest stała watomierza? 

LITERATURA 

[1]  Metrologia elektryczna - ćwiczenia laboratoryjne. Części 1 i 2. Praca zbiorowa pod red. Z. Biernackiego. Wyd. 

Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2000. 

[2]  A. Chwaleba, M. Poniński, A. Siedlecki: Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa 1998, 2001. 

[3]  Laboratorium  elektrotechniki  i  elektroniki.  Praca  zbiorowa  pod  red.  Z.  Biernackiego.  Politechnika  Często-

chowska, Częstochowa 1981. 

[4]  K.  Bielański,  Z.  Biernacki,  W.  Bronikowski,  T.  Pabjańczyk:  Laboratorium  metrologii  elektrycznej  i  elektro-

nicznej. Części I i II. Politechnika Częstochowska, Częstochowa 1978, 1981. 

[5]  Z.  Biernacki,  W.  Bronikowski,  R.  Janiczek:  Laboratorium  miernictwa  elektroenergetycznego.  Politechnika 

Częstochowska, Częstochowa 1978, 1981. 

[6]  L.  Kiełtyka:  Laboratorium  podstaw metrologii elektrycznej. Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 

1994.