В случае изменяющихся во времени сигналов переменного тока обычно нужна определять некоторые их свойства, связанные с моментальными значениями сигнала. В большинстве случаев лучше знать среднеквадратические (действенные) значения электрических величин переменного тока. Вместе с этим могут представлять энтузиазм и другие величины, к примеру наибольшее либо среднее абсолютное значение.
Среднеквадратическое (действенное) значение напряжения (либо силы) переменного тока определяется как корень квадратный из усредненного по времени квадрата напряжения (либо силы тока):
где Т – период сигнала U(t).
Наибольшее значение – это наибольшее секундное значение сигнала, а среднее абсолютное значение – абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний = 0,707и = 0,637.
Практически все приборы для измерения напряжения и силы переменного тока демонстрируют значение, которое предлагается рассматривать как действенное значение входного сигнала. Но в дешевеньких устройствах часто по сути измеряется среднее абсолютное либо наибольшее значение сигнала, а шкала градуируется так, дабы показание соответствовало эквивалентному действенному значению в предположении, что входной сигнал имеет синусоидальную форму. Точность таких устройств очень мала, если сигнал не синусоидальный.
Приборы, способные определять настоящее действенное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на одном из 3-х принципов: электронного умножения, дискретизации сигнала либо термического преобразования. Приборы, основанные на первых 2-ух принципах, обычно, реагируют на напряжение, а термические электроизмерительные приборы – на ток. При использовании дополнительных резисторов и шунтов такими устройствами можно определять ток и напряжение в довольно широких границах.
Строительство в квадрат и усреднение по времени входного сигнала в некотором приближении осуществляются электронными схемами с усилителями и нелинейными элементами для выполнения таких математических операций, как нахождение логарифма и антилогарифма аналоговых сигналов. Приборы такового типа могут иметь погрешность порядка 0,009%.
Сигнал переменного тока преобразуется в цифровую форму при помощи быстродействующего АЦП. Дискретизированные значения сигнала возводятся в квадрат, суммируются и делятся на число дискретных значений в одном периоде сигнала. Погрешность таких устройств составляет 0,01–0,1%.
Для оценки величины переменного тока и напряжения применяют понятия действующего, амплитудного и среднего значений. Для этой цели применяют приборы разных систем, но при использовании устройств магнитоэлектрической системы нужна использование дополнительных преобразователей из переменного тока в неизменный.
При измерении токов выше 250…300 А амперметры электромеханической системы конкретно в цепь не врубаются из-за сильного воздействия на показания устройств магнитного поля токоподводящих проводов и значимого нагрева шин. Расширение спектра измеряемых токов и напряжений делается в главном с помощью измерительных трансформаторов. Для защиты устройств от наружных магнитных и электрических поле применяется экранирование. На переменном токе нужно учесть и частотную составляющую погрешности измерений.
Наивысшую точность измерения действенных значений напряжения и тока обеспечивают термические электроизмерительные приборы. В них применяется термический преобразователь тока в виде маленького откачанного стеклянного баллончика с нагревателем (длиной 0,5–1 см), к средней части которой прикреплен спай термопары в виде малеханькой бусинки, обеспечивающей термический контакт и электроизоляцию термопары с токопроводом. При повышении температуры, пропорциональным действенному значению тока в нагревателе, на выходе термопары появляется термо-ЭДС. Такие преобразователи применимы для измерения силы переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц.
На рис. показана принципная схема термического электроизмерительного устройства с 2-мя подобранными по характеристикам термическими преобразователями тока. При подаче на вход схемы напряжения переменного тока Vас на выходе термопары преобразователя ТС1 появляется напряжение неизменного тока, усилитель А делает неизменный ток в нагревательной проволочке преобразователя ТС2, при котором термопара выдает напряжение неизменного тока, потом устройство определяет выходной неизменный ток.
Рис. Термический электроизмерительный устройство для измерения действенных значений напряжения и силы переменного тока.
При помощи дополнительного резистора описанный измеритель тока можно перевоплотить в вольтметр. Термические электроизмерительные приборы конкретно определяют токи от 2 до 500 мА, потому для измерения токов большей силы нужно применять резисторные шунты.
Измерение в цепях переменного тока
Для измерения силы тока в цепях синусоидального тока промышленной частоты применяют приемущественно электромагнитные амперметры, а для более четких измерений — электродинамические амперметры. При огромных значениях переменного тока амперметры включают через измерительные трансформаторы тока. Для измерения малых переменных токов (ниже 10-ов миллиампер) служат выпрямительные милли- и микроамперметры.
При несинусоидальных токах действующие значения определяют электромагнитными либо электродинамическими устройствами.
Измерение напряжения в цепях переменного тока производят электромагнитными и выпрямительными вольтметрами. Для более четких измерений используют электродинамические, электростатические и выпрямительные вольтметры. Переменные синусоидальные напряжения выше 600 В определяют обычно электромагнитными вольтметрами с внедрением измерительных трансформаторов напряжения.
Измерение активной мощности в однофазовой цепи переменного тока производят электродинамическим ваттметром. Ваттметр PW (рис. 17.11) имеет две катушки. При всем этом недвижную катушку, выполненную из маленького числа витков толстого медного провода, включают последовательно с нагрузкой ZH, а подвижную катушку с огромным числом витков — параллельно нагрузке. Для ограничения тока в подвижной катушке последовательно с ней включают высокоомный резистор Ra.
При сравнимо низких частотах можно считать, что ток /2 совпадает по фазе с напряжением U(рис. 1 Л,б). Угол отличия подвижной части ваттметра а будет пропорционален активной мощности, потребляемой в нагрузке, сопротивлением ZH:
Тут принято, что индуктивное сопротивление подвижной катушки не достаточно по сопоставлению с сопротивлением резистора Ra.
Стоимость деления ваттметра находится в зависимости от избранных пределов тока /тах, напряжения Umax и от делений шкалы остах.
Электродинамический ваттметр — полярный устройство, т.е. направление отличия подвижной части находится в зависимости от относительного направления / и U в катушках. Для правильного отличия подвижной части устройства исходные зажимы катушек (генераторные зажимы), обозначенные звездочкой, должны соединяться так, как показано на рис. 17.11, а.
Рис. 17.11. Схема включения ваттметра в электрическую цепь (а), векторная диаграмма цепи (б) и условное обозначение счетчика энергии (в)
Активную энергию 1C = J Pdt определяют в однофазовых цепях си-
нусоидального тока при помощи индукционных счетчиков активной энергии (см. § 17.4.9).
Схема включения однофазового счетчика не отличается от схемы включения ваттметра (см. рис. 17.11, а). Но так как счетчик является интегрирующим устройством, его условное обозначение представлено на рис. 17.11, в.
Измерение мощности и энергии в трехфазных цепях переменного тока. В трехфазных цепях активную мощность определяют также при помощи электродинамических и ферродинамических ваттметров.
В четырехпроводных цепях для этих целей включают три ваттметра (рис. 17.12) PW^—PW^, любой из которых определяет активную мощность соответственной фазы. Активная мощность всей цепи
Рис. 17.12. Схема включения ваттметров для измерения активной мощности в четырехпроводной цепи
В трехпроводных цепях зависимо от вида приемника (симметричный либо несимметричный) включают соответственно один либо два ваттметра. При симметричном (Za = Zb = Zc) приемнике (рис. 17.13, а) активная мощность цепи равна
где Рф — активная мощность одной фазы.
При несимметричном приемнике (Za ^Zb^ Zc) более обширное использование отыскал способ 2-ух ваттметров (рис. 17.13,6).
Активная мощность трехпроводной цепи (см. гл. 3) может быть представлена выражением
Это выражение определяет одну из вероятных схем включения обмоток ваттметров в измерительную цепь: токовая обмотка 1-го из ваттметров включена в линейный провод А (ток 1А), а его обмотка напряжения — между проводами Ли В (напряжение UAB, генераторный зажим * — к полосы А); токовая обмотка другого ваттметра — в линейный провод С (ток /с), а его обмотка напряжения — между линейными проводами С и В (напряжение UCB, генераторный режим * — к полосы С). Углы аи(3 равны: а = UABlA; Р = ЦСВ1С. Ак-
Рис. 17.13. Измерение активной мощности в трехпроводной цепи одним ваттметром для симметричного приемника (о), 2-мя ваттметрами для несимметричного приемника (б)
тивная мощность приемника равна алгебраической сумме показаний обоих ваттметров.
Показание каждого из ваттметров в отдельности в схеме на рис. 17.13, б физического смысла не имеет. Для отсчета отрицательного показания ваттметра на его корпусе предусмотрен переключатель направления тока в обмотке напряжения.
Активную энергию определяют в трехфазных цепях при помощи двух- и трехэлементных индукционных счетчиков.
В промышленных установках активную мощность приемников определяют средством двух- и трехэлементных электродинамических ваттметров.
