Pomiar mocy czynnej, biernej i pozornej

1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z różnymi metodami pomiaru mocy w obwodach prądu przemiennego.

2. Wprowadzenie:

Wykonując pomiary z wykorzystaniem watomierza, musimy wyznaczyć jego stałą CP.

Wyniesie ona:

CP = Pn/amax = UnIncos(ϕn)/amax [W/dz]

gdzie: amax – liczba działek; Un – zakres napięciowy watomierza; In – zakres prądowy watomierza; cos(ϕn) – znamionowa wartość kosunusa przesunięcia fazowego między napięciem i prądem (zazwyczaj wynosi 1)

Zmierzona wartość mocy wynosi:

P = Cp a

gdzie a – wychylenie wskazówki w działkach.

Dla małych mocy mierzonych należy wyeliminować błąd pomiaru ∆p poprzez jego odjęcie od wielkości zmierzonej.

Podb = P - ∆p

Błąd ∆p b będzie wynosił:

- dla dokładnie mierzonego prądu:

∆p = Iodb(UIW + UA) = I2odb(RIW + RA)

- dla dokładnie mierzonego napięcia: ∆p = Uodb(IUW + IV) = U2odb/(RUW + RV) gdzie: UIW – spadek napięcia na cewce prądowej watomierza; UA – spadek napięcia na cewce amperomierza; RIW - rezystancja cewki prądowej watomierza; RA –

rezystancja wewnętrzna amperomierza; IUW prąd cewki napięciowej watomierza; IV – prąd cewki napięciowej woltomierza; RUW – rezystancja cewki napięciowej watomierza; RV – rezystancja wewnętrzna woltomierza.

W jednofazowych obwodach prądu przemiennego mamy do czynienia z dwoma mocami: mocą czynną P pobieraną przez rezystancyjną część obwodu i mocą bierną Q pobieraną przez indukcyjną i pojemnościową część obwodu. Ta ostatnia w zależności od przewago indukcyjności lub pojemności może być dodatnia (charakter indukcyjny) lub ujemna (charakter pojemnościowy).

Ponieważ w zapisie zespolonym moce czynna i bierna są względem siebie przesunięte o kąt π/2, ich suma przyjmuje postać mocy pozornej S.

Ogólnie poszczególne moce możemy w postaci skutecznej opisać wzorami: S = U I

P = U I cosϕ

Q = U I sinϕ

2

2

S = P + Q

gdzie:

U i I – wartości skuteczne napięcia i prądu;

ϕ - kąt przesunięcia fazowego między U i I

S

Q

ϕ

.

P

Rys. 1 Trójkąt mocy prądu przemiennego (dla Q>0)

Trójkąt mocy przedstawiono na rys 1.

Moce prądu przemiennego możemy mierzyć na wiele sposobów, wśród których najprostszy jest pomiar wykorzystujący watomierz, woltomierz i amperomierz. Układ pomiarowy przedstawiono na rys. 2.

A

W

I

~220 V

V

U

Z odb

Rys. 2. Układ pomiarowy do pomiaru mocy prądu przemiennego w obwodzie 1-fazowym W układzie tym moc pozorną obliczamy bezpośrednio ze wzoru

S = U I

na podstawie pomiarów napięcia i prądu (woltomierz i amperomierz). Moc czynną P

mierzymy bezpośrednio watomierzem. Ze wzoru:

cosϕ = P/S = P/(U I )

wyznaczamy współczynnik mocy cosϕ.

Moc bierną możemy wyznaczyć przeliczając kąt ϕ, a następnie wyznaczając sinϕ, ale prościej jest wykorzystać zależności trójkąta mocy i wyznaczyć ją ze wzoru: 2

2

Q = S − P

Czasami do pomiaru mocy biernej stosuje się specjalny przyrząd, tzw. varomierz, podłączany identycznie jak watomierz, ale przyrząd ten jest stosunkowo rzadko stosowany.

Inną metodą pomiaru mocy czynnej są: metoda trzech woltomierzy i metoda trzech amperomierzy.

Metoda trzech woltomierzy wykorzystuje zjawisko pozostawania prądu i napięcia w fazie na odbiorniku rezystancyjnym. Stosujemy ją szczególnie w obwodach małej mocy, w

których pomiar watomierzem obciążony jest dużym błędem. Pomiaru dokonuje się w układzie jak na rys. 3.

Dokonujemy pomiaru napięć: zasilania - U, na znanej rezystancji wzorcowej Rw – URw i na impedancji obciążenia Z – Uobc.

Napięcie zmierzone na impedancji obciążenia składa się z dwu składowych: składowej RobcI – napięcia na rezystancji obciążenia, oraz składowej XobcI – napięcia na reaktancji obciążenia. Rozkład napięć przedstawiono na rys. 4. Napięcie na rezystancji obciążenia jest w fazie z napięciem na rezystorze wzorcowym. Stosując twierdzenie kosinusów można zapisać:

U2 = U2Rw + U2obc – 2URwUobccos(180o – ϕ)

co daje:

cos(ϕ) = (U2 - U2Rw - U2obc)/(2URwUobc)

Moc czynna:

P = UobcI cos(ϕ) = (UobcURw cos(ϕ))/Rw

i ostatecznie:

U 2 − U 2 − U 2

Rw

obc

P =

2 Rw

VRw

Rw

URw

~220 V

U

V

Vobc

Z Uobc

Rys. 3. Obwód do pomiaru mocy metodą trzech woltomierzy.

U

Xobc I

Uobc

ϕ

U

R

Rw

obc I

Rys. 4. Wykres wektorowy napięć w układzie pomiaru mocy metodą trzech woltomierzy Podobnie dla układu trzech amperomierzy , przedstawionym na rys. 5, moc wyniesie:

I 2 − I 2 − I 2

Rw

obc

P =

⋅ R

w

2

I

A

IRw

Iobc

ARw

Aobc

~220 V

R

Z

w

Rys. 5. Obwód do pomiaru mocy metodą trzech amperomierzy

3. Pomiary

a) Pomiar mocy prądu przemiennego watomierzem.

Pomiarów dokonujemy w obwodzie jak na rys. 2. Jako obciążenie stosujemy dławik. Dla 4 kolejnych napięć zasilania (50, 100, 150 i 200V) dokonujemy pomiarów mocy czynnej, prądu i napięcia. Na ich podstawie wyznaczamy moc pozorną, bierną i współczynnik mocy cos(ϕ). Wyniki umieszczamy w tabeli 1.

Tabela 1.

U

I

CP

P

S

Q

cos(ϕ)

V

A

W/dz

dz

W

VA

var

-

50

100

150

200

Na podstawie wyników pomiarów rysujemy trójkąty mocy. Porównujemy współczynniki mocy dla poszczególnych pomiarów.

b) Pomiar mocy metodą trzech woltomierzy.

Pomiarów dokonujemy w obwodzie jak na rys. 3. Badamy ten sam dławik jak w punkcie b). Nastawiamy tak napięcie zasilania, aby na woltomierzu Vobc wystąpiły napięcia badane podczas pomiarów mocy watomierzem (50, 100, 150 i 200V). Wyniki pomiarów i obliczeń umieszczamy w tabeli 2.

Wyniki pomiarów porównujemy z wynikami uzyskanymi podczas pomiarów bezpośrednich watomierzem. Dla przynajmniej jednego pomiaru rysujemy wykres wektorowy według przykładu przedstawionego na rys. 4.

Tabela 2. Rw = ............... Ω

U

URw

Uobc

cos(ϕ)

ϕ

P

S

Q

V

V

V

-

O

W

VA

var

50

100

150

200

c) Pomiar mocy metodą trzech amperomierzy (opcjonalnie)

Pomiarów dokonujemy w obwodzie jak na rys. 5. Badamy ten sam dławik jak w punkcie a. Pomiarów dokonujemy dla 4 wartości prądu zasilania. Wyniki pomiarów i obliczeń umieszczamy w tabeli 3.

Wyniki pomiarów porównujemy z wynikami uzyskanymi podczas pomiarów bezpośrednich watomierzem. Dla przynajmniej jednego pomiaru rysujemy wykres wektorowy.

Tabela 3. Rw = ............... Ω

I

IRw

Iobc

cos(ϕ)

ϕ

P

S

Q

A

A

A

-

O

W

VA

var