background image

ĆWICZENIE  NR 

15

 
 

POMIAR MOCY BIERNEJ PRĄDU 

TRÓJFAZOWEGO 

 

15.1. Cel ćwiczenia 

 

 Celem 

ćwiczenia jest poznanie właściwości układu dwuwatomierzowego do 

pomiaru mocy biernej odbiornika trójfazowego. 
 

15.2. Teoretyczne podstawy pomiaru 

 

Moc bierna układu trójfazowego jest sumą mocy biernych wszystkich faz 

 

f

f

f

Q

Q

Q

I

U

I

U

I

U

Q

3

2

1

3

3

3

2

2

2

1

1

1

sin

sin

sin

+

+

=

+

+

=

ϕ

ϕ

ϕ

 (15.1) 

 
Moc tę można zmierzyć za pomocą waromierzy , wykorzystując właściwości 
układów trójfazowych; moc bierną można również wyznaczyć za pomocą 
watomierzy. Watomierze do pomiaru mocy biernej mogą być stosowane, jeżeli 
trójfazowy układ napięć zasilających jest układem symetrycznym. Jeżeli ten 
warunek nie jest spełniony, watomierzy nie można stosować, gdyż wynik 
pomiaru jest wtedy obarczony dodatkowym błędem zależnym od stopnia 
asymetrii napięć trójfazowych. 
 W 

układzie symetrycznym w linii czteroprzewodowej  trójfazowej można  

zmierzyć moc bierną za pomocą jednego watomierza. Obwód napięciowy 
watomierza jest włączony na napięcie opóźnione o kąt 

π/2 względem napięcia, 

na które watomierz ten byłby włączony  przy pomiarze mocy czynnej. W 
trójfazowym symetrycznym układzie napięć takie naturalne przesunięcie 
fazowe występuje między napięciami międzyprzewodowymi i odpowiednimi 
napięciami fazowymi. 
 
 
 
 
 

L1

L2

L3

W

R

d

background image

 

229 

 
 
 
 
 

 

Rys15.1. Układ do pomiaru mocy biernej prądu trójfazowego  

metodą jednego watomierza 

 

Moc wskazywana przez watomierz  w układzie pomiarowym (rys.15.1) jest 
określona zależnością 
 

(

)

3

23

1

23

cos

I

U

I

U

P

W

</

=

.   

 

 

 

 

 

(15.2) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.15.2. Wykres wektorowy  napięć i prądów  dla układu połączeń z rysunku 15.1 

 

Z wykresu wektorowego (rys.15.2) wynika, że   
 

(

)

1

1

1

1

1

1

23

1

23

sin

sin

3

2

cos

2

Q

I

U

I

U

I

U

P

I

U

W

=

=

 −

=

=

</

ϕ

ϕ

π

ϕ

π

ϕ

 

 

Zatem moc wskazywana przez watomierz będzie równa 
 

U

1

I

1

U

23

U

2

I

2

U

3

I

3

ϕ

3

ϕ

2

ϕ

1

π

2

ϕ−

ϕ =ϕ =ϕ =ϕ

1

2

3

background image

 

230 

1

Q

P

W

=

 

Moc bierna jednej fazy jest określona zależnością  

3

1

W

P

Q

=

 

Moc  bierna całego układu 

W

W

P

P

Q

Q

3

3

3

3

1

0

=

=

=

 

    (15.3) 

 Jeżeli odbiornik nie jest symetryczny można wówczas zmierzyć moc bierną 
stosując układ trzech watomierzy (rys. 15.3). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 15.3. Układ do pomiaru  mocy biernej prądu 

 Trójfazowego w układzie trzech watomierzy 

 
Na podstawie poprzednich rozważań moc bierna odbiornika określona jest 
zależnością 
 

(

)

3

2

1

0

3

1

W

W

W

P

P

P

Q

+

+

=

 

 

 

 

 

 

(15.4) 

 
 Pomiarowy 

układ jednowatomierzowy lub trójwatomierzowy może być 

użyty do pomiaru mocy biernej w sieci trójprzewodowej lub 
czteroprzewodowej. W sieci trójfazowej o symetrycznym układzie napięć 
zasilających  dla której jest spełniony warunek 
 

L1

L2

L3

W

3

R

d1

R

d2

R

d3

W

2

W

1

background image

 

231 

0

3

2

1

=

+

+

I

I

I

   

 

 

 

 

 

 

(15.5) 

 

można zmierzyć moc bierną za pomocą dwóch watomierzy W

α

 

W

β

 

włączonych 

jak na rysunku 15.4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 15.4. Układ do pomiaru mocy biernej prądu trójfazowego za pomocą dwóch watomierzy: 

 a) układ połączeń, b) wykres wektorowy 

 
Moc bierna układu  
 

</

=

sin

1

12

0

I

U

Q

(

)

</

+

sin

3

32

1

12

I

U

I

U

(

)

3

32

I

U

   (15.6) 

 

Oznaczając 

(

)

α

=

</

1

12

I

U

  

 

(

)

β

=

</

3

32

I

U

 

otrzymuje się dla symetrycznego układu napięć zależności: 

 −

=

 −

=

2

cos

3

sin

2

cos

3

sin

3

1

3

32

1

3

1

12

π

β

β

π

α

α

I

U

I

U

I

U

I

U

    (15.7) 

L1

L2

L3

R

d1

R

d2

R

d3

,,0”

W

W

α

β

ϕ

ϕ

ϕ

U

2

U

12

U

32

-U

3

U

3

U

1

I

1

I

2

I

3

α

α−

π

π

2

2

β−

β

background image

 

232 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 15.5. Wykres wskazań watomierzy W

α  

i W

β

  

w funkcji kąta 

ϕ 

 

 Jeżeli dwa watomierze włączy się tak, aby obwód prądowy pierwszego z 
nich był w fazie pierwszej, drugiego w fazie trzeciej, obwód napięciowy 
pierwszego załączy się na napięcie –U

3

  , drugiego na napięcie  U

1

  , wówczas 

suma mocy wskazanych przez obydwa watomierze, pomnożona przez 

3

 

będzie równa mocy biernej układu trójfazowego 
 

(

)

β

α

P

P

Q

+

= 3

0

  

 

 

 

 

 

 

(15.8) 

 

 Dla 

układu pośredniego moc bierną odbiornika oblicza się ze wzoru 

)

(

3

0

β

α

P

P

K

K

Q

u

i

+

=

   

 

 

 

 

 

(15.9) 

gdzie: 
K

,

u

 - przekładnie przekładników prądowych i napięciowych.   

 

 
 
 
 

L1
L2
L3

R

d1

R

d2

R

d3

W

W

α

β

N

N M

M

n

n m

m

K

K

L

k

k

L

l

l

30

60

90

0

30

60

90

-0,5

0,5

-1

1 -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

P

α

P

α

P

αmax

P

β

P

β

P

βmax

ϕ

3

2

3

2

-

deg

background image

 

233 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 15.6. Pośredni układ połączeń do pomiaru mocy biernej prądu  

trójfazowego metodą dwóch watomierzy włączonych w fazy L

1

 i L

3

 

 

  

Jeżeli 

ϕ<

  30

0

  to watomierz W

β

  odchyli się w lewo. Należy wówczas 

zmienić kierunek prądu w jednym z obwodów watomierza, a odchylenie 
watomierza wziąć do sumy ze znakiem ujemnym. 

 Niepewnosć całkowitą  pomiaru mocy biernej w układzie z trzema 

watomierzami oblicza się z zależności 

 

2

3

2

3

2

2

2

2

2

1

2

1

0

P

P

P

a

Q

c

u

P

P

u

P

P

u

P

P

k

u





+





+





=

    (15.10) 

 

natomiast w układzie z dwoma watomierzami niepewnośc określona jest 
zależnością 
 

2

2

0

2

2

0

0

β

β

α

P

P

a

a

Q

c

u

P

Q

u

P

Q

k

u



+





=

    (15.11) 

 
gdzie:   
u

P1

,  u

P2

,  u

P3

, u

P

α

 

, u

P

β

   -  niepewności łączne pomiaru mocy  watomierzami, 

k

a

  - współczynnik rozszerzenia. 

 
 
 
 
 

L1

L1

L2

L2

L3

L3

R

d1

R

d1

R

d2

R

d2

R

d3

R

d3

W

W

W

W

α

α

β

β

N

N

M

M

n

n m

m

K

K

L

k

k

L

l

l

,,0”

background image

 

234 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 15.7. Bezpośredni i pośredni układ połączeń do pomiaru mocy biernej prądu trójfazowego 

układem dwóch watomierzy włączonych w fazy L2 i L3 

 

 W 

układach do pomiaru mocy biernej watomierze mogą być  włączone w 

dowolne fazy np. 2 i 3, 1 i 2 lub 1 i 3. 
 

Przeprowadzenie pomiaru mocy biernej w układzie z dwoma watomierzami 

daje, jak już wspomniano, poprawne wyniki tylko w przypadku symetrii 
napięcia zasilającego. Jeżeli ten warunek nie jest spełniony, wynik pomiaru 
obarczony jest błędem, którego wartość można obliczyć ze wzoru 

i

u

ρ

ρ

ϕ

δ

sin

100

2

max

±

=

    [%]   

 

 

 

(15.12) 

gdzie:  

ρ

u  

  - współczynnik niesymetrii napięciowej, równy stosunkowi składowej 

przeciwnej do składowej zgodnej napięcia układu  trójfazowego, 

ρ

i

    - współczynnik niesymetrii prądowej równy stosunkowi składowej 

przeciwnej do składowej zgodnej prądu układu trójfazowego, 

sin

ϕ

   - sinus równoważnego kąta fazowego odbiornika 

o

o

S

Q

=

ϕ

sin

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

L1

L1

L2

L2

L3

L3

R

d1

R

d1

R

d2

R

d2

R

d3

R

d3

W

W

W

W

α

α

β

β

N

N

M

M

n

n m

m

K

K

L

k

k

L

l

l

,,0’’

background image

 

235 

 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 15.8. Bezpośredni i pośredni układ połączeń do pomiaru mocy biernej prądu trójfazowego 

układem dwóch watomierzy włączonych w fazy L

1

 i L

2.

 

 

Jeżeli przyjąć, że współczynnik niesymetrii napięciowej jest równy 5% , a 

współczynnik niesymetrii prądowej wynosi 50% , wówczas przy sin

ϕ

=0,5; (cos

ϕ

=0,866) otrzymuje się dodatkowy błąd pomiaru mocy biernej równy 

%

10

5

,

0

05

,

0

5

,

0

200

sin

200

max

±

=

±

=

±

=

i

u

ρ

ρ

ϕ

δ

    

 Dla 

układu 3-watomierzowego pomiaru mocy biernej przy niesymetrii 

napięć, wzór na błąd pomiaru mocy będzie miał postać 

(

)

i

u

i

u

η

η

ρ

ρ

ϕ

δ

+

±

=

2

sin

100

max

 

 gdzie: 

η

u

 - współczynnik niezrównoważenia napięciowego, równy stosunkowi 

 

napięcia kolejności zerowej do napięcia kolejności zgodnej układu 
trójfazowego, 

η

i

    -  współczynnik niezrównoważenia prądowego równy  stosunkowi prądu 

kolejności zerowej do prądu kolejności zgodnej  układu trójfazowego. 
 

15.3. Wykonanie ćwiczenia 

 

15.3.1. Pomiar mocy biernej odbiornika przy pośrednim włączeniu  

watomierzy przy zadanej wartości napięcia 

 

Układ połączeń 

 
 

 

L1

L2

L3

R

d

W

W

α

β

N

N M

M

n

n m

m

K

K

L

k

k

L

l

l

A

1

A

2

Pp1

Pp2

Pn1

Pn2

A

3

V

12

V

23

V

31

Odb.

w

w

1

w

2

w

3

w

4

background image

 

236 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

Rys. 15.9. Układ do pomiaru mocy biernej odbiornika trójfazowego przy pośrednim włączeniu 

watomierzy w układzie przy zadanej wartości napięcia 

 

Oznaczenia 

 

P

p1

, P

p2

   - przekładniki prądowe, 

P

n1

, P

n2

  - przekładniki napięciowe, 

W

α

 

, W

β

 - watomierze elektrodynamiczne, 

V

12

, V

23 

, V

31 

- woltomierze, 

A

1

, A

2

,

 A

- amperomierze, 

Odb.  - odbiornik trójfazowy, 
w  - wyłącznik trójbiegunowy, 
w

1

, w

2

, w

3

,

w

4

  -  wyłączniki jednobiegunowe. 

Uwaga

: w czasie ćwiczenia należy wpisać obok podanych oznaczeń, 

określenia i wartości charakteryzujące użyte przyrządy. 
 
 
 
 

 Postępowanie podczas pomiaru 

 

 

1) Wyznaczyć kolejność faz laboratoryjnej sieci trójfazowej za pomocą 

wskaźnika kolejności faz WKF. 
 2) 

Zmontować układ do pomiaru mocy biernej odbiornika przy pośrednim 

włączeniu mierników przy zadanej wartości napięć (rys.15.9). Jako opornik 

Rd 

wykorzystać rezystancję watomierza zmieniającą zakres napięciowy,  np. ze 

background image

 

237 

100V na 200 V. Dokonać pomiaru mocy biernej odczytując i notując w tabeli 
wskazania mierników. Wyłączniki jednobiegunowe 

w

1

, w

2

, w

3

w

4

  zamknięte. 

Wyniki pomiaru podać w tabeli 15.1 (pozycja 1). 
 

Protokół wyników pomiaru 

 

P

α

 

=..;  P

β

 

= ...;  Q

= ...;  C

w

α

 

= ...w/dz;  C

w

β

  

= ....w/dz. 

 

                                                                                                           

Tabela 15.1 

Lp

U

12

  U

23

 

U

31

 

I

a1

 

I

1

 

I

2

 

I

a3

 

I

3

 

P

1

 

P

W

α

 

P

α

 

P

W

β

  P

β

 

Q

0

 

  A  A  A  A A A A A W W  W  W W var 
1. 
2. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) Zachowując układ połączeń z rys.15.9, wyregulować obciążenie 

odbiornika przez dołączenie dodatkowych rezystorów w taki sposób, aby 
watomierz 

W

α

 odchylał się w lewo, następnie zmienić fazę prądu w obwodzie 

prądowym tego watomierza i wykonać pomiar notując wyniki w tabelce 
(pozycja 2). 

 

Wzory i przykłady obliczeń 

 

 Podać wzory i przykłady obliczeń poszczególnych wielkości występujących 
w tabeli 15.1. Podać jednostki, w których poszczególne wielkości wyrażane są 
we wzorach:  

α

= ... , P

β

 

 = ... , Q

0  

= .. 

 

 

 

15.3.2. Pomiar mocy biernej odbiornika przy przerwach 

 w przewodach poszczególnych faz 

 

Postępowanie podczas pomiaru 

 

  

Zachowując układ połączeń jak na rys. 15.9 wykonać pomiar mocy biernej 

w przypadku wystąpienia przerwy w jednym z przewodów: 

background image

 

238 

a) przerwa w fazie 1 
- otworzyć wyłącznik 

w

1

  , wyłącznik  w

2

  - zamknięty; odczytać i zanotować 

wskazania mierników, 
- otworzyć wyłącznik 

w

2

 przy w

1

 zamkniętym; odczytać i zanotować  wskazania 

mierników, 
b) przerwa w fazie 2 
- otworzyć wyłącznik 

w

3

, wyłącznik 

w

- zamknięty; odczytać i zanotować  

 wskazania mierników, 
-otworzyć wyłącznik 

w

4

 przy zamkniętym w

3

 ; odczytać i zanotować  wskazania 

mierników w tabeli 15.2, w której  

w

1

...w

4  

oznaczają otwarte wyłączniki.

 

 

Protokół wyników pomiaru 

 

C

W

α

 

= ...w/dz , C

W

β

  

= ...w/dz 

 

Tabela 15.2 

 

U

12

 

U

23

 

U

31

 

I

a1

 

I

1

 

I

2

 

I

a3

 

I

3

 

P

W

α

 

P

α

 

P

W

β

 

P

β

 

Q

0

 

 

V  V  V  A A A A A W W W  W var 

w1 

w2 

w3 

w4 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wzory i przykłady obliczeń 

 

 Podać wzory i wykonać przykłady obliczeń oraz podać jednostki, w których 
poszczególne wielkości wyrażane są we wzorach   

P

α

 

= ... ,P

β

  

= ... ,Q

0  

= ...  

 

 1) 

Obciążenie symetryczne 

Q

= ... 

...

2

cos

...

2

cos

3

3

1

1

=

=

 −

=

=

 −

I

U

P

I

U

P

π

β

π

α

 

 

background image

 

239 

 

2)  Obciążenie niesymetryczne 

...

2

cos

...

2

cos

3

3

1

1

=

=

 −

=

=

 −

I

U

P

I

U

P

π

β

π

α

 

 

Wykresy 

 
Wykonać wykresy wektorowe napięć i prądów przy obciążeniu symetrycznym i 
niesymetrycznym. 
 

15.4. Uwagi o wynikach pomiaru  

 

15.5. Literatura 

 

 [1]  Chwaleba A., Poniński M, Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. WNT, 

Warszawa 1998. 

[2]  Kuśmierek Z.: Pomiary mocy i energii w układach 

elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 1994. 

[3]  Kuśmierek Z.: Wpływ asymetrii układu trójfazowego i wyższych 

harmonicznych na dokładność pomiaru mocy biernej. PAK, nr 4. 1980.