как измерить косинус фи на практике
Как измерить коэффициент мощности
Фазометр — электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями.
в цепи трехфазного тока cos фи = P w / ( √ 3 х Uл х Iл)
В симметричной трехфазной цепи значение косинус фи можно определить из показаний двух ваттметров P w 1 и P w 2 по формуле
Общая относительная погрешность рассмотренных методов равна сумме относительных погрешностей каждого прибора, поэтому точность косвенных методов невелика.
Численное значение косинус фи зависит от характера нагрузки. Если нагрузкой являются лампы накаливания и нагревательные приборы, то косинус фи = 1, если нагрузка содержит еще и асинхронные электродвигатели, то косинус фи
Поэтому на практике в электрических сетях определяют так называемый средневзвешенный коэффициент мощности за какое-то определенное время, допустим, за сутки или месяц. Для этого в конце рассматриваемого периода снимают показания счетчиков активной и реактивной энергии Wa и Wv и определяют средневзвешенное значение коэффициента мощности по формуле
Использование фазометра для измерения коэффициента мощности
Рис. 1. Схема включения фазометра (а) и векторная диаграмма напряжений и токов (б).
Угол отклонения стрелки такого прибора зависит только от значения косинуса фи.
Из щитовых приборов, предназначенных для измерения, наиболее простой фазометр типа Д31, который может работать в однофазных сетях переменного тока с частотой 50, 500, 1000, 2400, 8000 Гц. Класс точности 2,5. Пределы измерений косинуса фи от 0,5 емкостного фазового сдвига до 1 и от 1 до 0,5 индуктивного фазового сдвига. Фазометры включают через измерительные трансформаторы тока с вторичным током 5 А и измерительные трансформаторы напряжения с вторичным напряжением 100 В.
Для измерения косинуса фи в трехфазной сети при симметричной нагрузке можно применять щитовые фазометры типа Д301. Класс их точности 1,5. Последовательные цепи включают на ток 5 А непосредственно, а также через трансформатор тока, параллельные цепи включают непосредственно на 127, 220, 380 В, а также через измерительные трансформаторы напряжения.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Онлайн журнал электрика
Статьи по электроремонту и электромонтажу
Как измерить коэффициент мощности
Для измерения косинуса фи идеальнее всего иметь особые приборы, созданные для конкретного его измерения — фазометры.
Фазометр — это электроизмерительный прибор, созданный для измерения углов сдвига фаз между 2-мя изменяющимися временами электронными колебаниями.
Если таких устройств нет, то определять коэффициент мощности можно косвенным способом. К примеру, в однофазной сети косинус фи можно найти по свидетельствам амперметра, вольтметра и ваттметра:
cos фи = P / (U х I), где Р, U, I — показания устройств.
в цепи трехфазного тока cos фи = Pw / (√3 х Uл х Iл)
где Pw — мощность всей системы, Uл, Iл — линейные напряжение и ток, измеренные вольтметром и амперметром.
В симметричной трехфазной цепи значение косинус фи можно найти из показаний 2-ух ваттметров Pw1 и Pw2 по формуле:
Общая относительная погрешность рассмотренных способов равна сумме относительных погрешностей каждого прибора, потому точность косвенных способов невелика.
Численное значение косинус фи находится в зависимости от типа нагрузки. Если нагрузкой являются лампы накаливания и нагревательные приборы, то косинус фи = 1, если нагрузка содержит к тому же асинхронные электродвигатели, то косинус фи о
Рис. 1. Схема включения фазометра (а) и векторная диаграмма напряжений и токов (б).
Угол отличия стрелки такового прибора зависит только от значения косинуса фи.
Для измерения фазового сдвига между 2-мя напряжениями нередко используют цифровые фазометры. В цифровых фазометрах прямого преобразования для измерения фазового сдвига его конвертируют в интервал времени и определяют последний. Исследуемые напряжения подают на два входа прибора, на цифровом отсчетном устройстве прибора снимают показания числа импульсов, поступающих на счетчик прибора за один период исследуемых напряжений, которое соответствует фазовому сдвигу в градусах (либо в толиках градуса).
Из щитовых устройств, созданных для измерения, более обычный фазометр типа Д31, который может работать в однофазных сетях переменного тока с частотой 50, 500, 1000, 2400, 8000 Гц. Класс точности 2,5. Пределы измерений косинуса фи от 0,5 емкостного фазового сдвига до 1 и от 1 до 0,5 индуктивного фазового сдвига. Фазометры включают через измерительные трансформаторы тока с вторичным током 5 А и измерительные трансформаторы напряжения с вторичным напряжением 100 В.
Для измерения косинуса фи в трехфазной сети при симметричной нагрузке можно использовать щитовые фазометры типа Д301. Класс их точности 1,5. Поочередные цепи включают на ток 5 А конкретно, также через трансформатор тока, параллельные цепи включают конкретно на 127, 220, 380 В, также через измерительные трансформаторы напряжения.
ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ
Блог технической поддержки моих разработок
Коэффициент мощности (cos φ). Понятие, физический смысл, измерение.
Коэффициент мощности (cos φ) это параметр, характеризующий искажения формы тока, потребляемого от электросети переменного тока. Важный показатель потребителя электроэнергии. Во многом он определяет требования к питающей сети. От него зависят потери в проводах и на внутреннем сопротивлении сети.
В цепях постоянного тока мощность, впрочем, как и все остальные параметры, не меняет своего значения в течение определенного отрезка времени. Поэтому, при постоянном токе, существует единственное понятие электрической мощности как произведение значений тока и напряжения.
При переменном токе значения тока и напряжения постоянно меняются с течением времени. Мощность тоже меняется. Поэтому вводится понятие мгновенной мощности.
Мгновенная мощность.
Мгновенная мощность это произведение значения мгновенного напряжения цепи на значение мгновенного тока. На практике мощность связана с выделением тепла, механической работой и т.п. А эти явления имеют инерционный характер. Поэтому понятие мгновенной мощности не имеет практического значения, а используется для расчетов и понимания происходящих процессов.
Действующие значения тока и напряжения.
Для оценки и расчетов цепей переменного тока используются действующие значения тока и напряжения.
Действующее значение переменного тока определяется как величина такого эквивалентного постоянного тока, который проходя через то же активное сопротивление, что и переменный ток, выделяет на нем за период то же количества тепла. Математически действующее значение определяется как среднеквадратичное за период.
Вольтметры и амперметры переменного тока показывают именно действующие значения. Все операции по тепловым расчетам происходят так же, как и на постоянном токе, только с использованием действующих значений. Но это не всегда правильно.
Полная мощность.
Полная мощность вычисляется как произведение действующих значений тока и напряжения цепи.
В случае синусоидальной формы тока и напряжения, а также отсутствия фазового сдвига, вся полная мощность выделяется на нагрузке. Расчеты для переменного тока соответствуют анализу цепей постоянного тока, только используются действующие значения тока и напряжения.
Реактивная мощность.
Как только в цепи переменного тока появляются реактивные элементы ( индуктивность и емкость) все меняется. Реактивные элементы обладают способностью накапливать энергию и отдавать ее в цепь обратно. Появляется реактивная мощность.
Реактивная мощность не выделяется на нагрузке, не создает полезной работы. Она накапливается на реактивных элементах нагрузки ( конденсаторах, катушках индуктивности), а затем возвращается обратно в питающую сеть. Понятно, что возвращается она с потерями на проводах, на внутреннем сопротивлении питающей сети и т.п. Поэтому в любой энергосистеме стремятся уменьшить реактивную мощность до минимума.
Реактивная мощность может быть как положительной (для индуктивных цепей), так и отрицательной (для емкостной составляющей).
Единица измерения – вольт-ампер реактивный (ВАР).
Активная мощность.
На нагрузке остается активная мощность. Она и совершает полезную работу. Активная мощность это среднее значение мгновенной мощности за период.
Основные соотношения между параметрами.
Полная мощность в цепях переменного тока равна квадратному корню из суммы квадратов активной и реактивной мощностей.
Активная мощность вычисляется как:
I и U это действующие значения тока и напряжения.
cos φ – это косинус угла сдвига между напряжением питающей сети и током, потребляемым нагрузкой. Это соотношение верно только для синусоидальной формы тока и напряжения. При cos φ = 1 активная мощность на нагрузке равна полной. Вся энергия питающей сети используется для полезной работы. Происходит это только на чисто активной нагрузке, без реактивной составляющей.
cos φ и есть коэффициент мощности (КМ) для переменных цепей с током и напряжением синусоидальной формы.
Но многие потребители энергии не только сдвигают фазу, но искажают форму тока. Примером может служить блок питания с бестрансформаторным входом. Это эквивалентная схема подключения его к питающей сети.
В подобных устройствах напряжение питающей сети выпрямляется и сглаживается на конденсаторе большой емкости. Полученное постоянное напряжение с малым уровнем пульсаций используется для дальнейшего преобразования.
Для питающей сети эта схема представляет нагрузку активно-емкостного характера. Но диоды выпрямительного моста имеют нелинейную характеристику. В начале и в конце периода они закрыты и нагрузка отключена. А в середине периода диоды открываются и кроме активной нагрузки подключают к сети значительную емкость сглаживающего фильтра. В результате ток имеет искаженную форму, показанную на рисунке.
Коэффициент мощности (КМ) в переменных цепях с искаженной формой тока определяется как отношение активной мощности к полной.
Следующие диаграммы иллюстрируют, как КМ влияет на работу потребителей электроэнергии.
На этом рисунке показаны осциллограммы чисто активной нагрузки. Фазового сдвига нет, cos φ = 1, вся энергия из сети переходит в активную мощность на нагрузке.
На втором рисунке крайний, самый плохой вариант.
Значимость КМ можно показать простейшими расчетами.
Два потребителя электроэнергии с одинаковой активной (полезной) мощностью. У первого cos φ = 1, а у второго 0,5. Это означает, что второй потребитель потребляет от сети ток в два раза больше, чем первый. Т.к. зависимость потерь в проводах от тока имеет квадратичный характер (P = I 2 * R), то потери на активном сопротивлении проводов во втором случае будут в 4 раза больше. Потребуются провода большего сечения.
Для мощных нагрузок, длинных линий электропередач высокий КМ особенно важен.
Измерение коэффициента мощности.
Для измерения cos φ используются специальные приборы – фазометры. Они применяются в сетях с потребляемым током синусоидальной формы, без искажения.
Для измерения КМ у нагрузок, искажающих ток, обычно пользуются следующей методикой.
Схема измерения коэффициента мощности.
Необходимо вычислить полную мощность, как произведение показаний вольтметра и амперметра.
Теперь надо активную мощность (показания ваттметра) разделить на полную.
При отсутствии ваттметра можно использовать счетчик электроэнергии.
Для этого необходимо замерить время 10 калибровочных импульсов (миганий светодиода на корпусе счетчика). Вычислить время периода одного импульса (разделить на 10). Зная коэффициент счетчика (обычно 3200 импульсов на кВт) можно посчитать активную мощность нагрузки. С учетом того, что счетчики электроэнергии имеют класс точности 1.0, измерение получится довольно точным.
Коррекция коэффициента мощности.
Для увеличения КМ существуют специальные устройства – корректоры коэффициента мощности (ККМ). Они бываю пассивными и активными.
Для пассивной коррекции КМ в цепь питания последовательно включают дроссель. Такое решение часто применяется для трансформаторных станций катодной защиты. Но это от безвыходности. Других решений для трансформаторных станций не существует. Дроссель требуется громадных размеров, не меньше чем силовой трансформатор станции. Размеры, вес, цена станции увеличиваются практически в 2 раза, а коэффициент мощности удается поднять только до 0,85.
Активные корректоры повышают КМ до 0,95 – 0,99.
Пример активного ККМ 2000 Вт для инверторной станции катодной защиты серии «ТИЭЛЛА».
Схемотехнике активных ККМ я посвящу отдельную статью.
Прибор для измерения коэффициента мощности (cos фи) нагрузки
На просторах интернета и в радиотехнической литературе о реактивной энергии теории много, а схем приборов, измеряющих коэффициент мощности, практически нет. За исключением «Фазометра в журнале Радиолюбитель 2009г. №12» на цифровой логике и стрелочном индикаторе.
Принцип измерения основан на фиксации моментов появления положительной полуволны напряжения и тока, вычислении разницы в радианах и табличная конвертация в коэффициент мощности.
Прибор питается от блока питания Tr1, VDS1, VR1 по обычной схеме. Кроме того со вторичной обмотки трансформатора Tr1 подается переменное напряжение на оптрон ОС1. При положительной полуволне на порту RA5 будет высокий уровень.
Самый легкий вариант получения синусоиды тока: использование трансформатора тока или встречно-параллельные диоды. Эти схемки показаны отдельно, в пунктирных рамочках. Диоды обязательно должны соответствовать по току, обратному и прямому напряжению, мощности. Вариант с импортным трансформатором показан в рабочей схеме, ввиду его непростого подключения.
Печатная плата выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.
Осциллограммы, снятые с ножек портов RA5 и RA4, различных видов нагрузки показаны ниже.
Печатка и НЕХ-файл прилагаются. Работа с разными нагрузками, в том числе двигатель с компенсирующими конденсаторами, на видео.
Форум сайта mypractic.ru
Обсуждение и вопросы по темам сайта.
Измерение коэффициента мощности
Измерение коэффициента мощности
Сообщение Эдуард » 04 ноя 2016, 18:57
Коэффициент мощности это параметр, характеризующий искажения формы потребляемого от сети переменного тока. Крайне важный показатель для любого потребителя электроэнергии. От него зависят потери на активном сопротивлении проводов сети.
Если мы подключим к сети переменного тока активное сопротивление, то форма напряжения на нем и форма тока будут совпадать. Все расчеты в такой цепи определяются действующими значениями тока и напряжения. Амперметры и вольтметры переменного тока также измерят действующие величины. Математически они определяются как среднеквадратичное значение тока или напряжения за период и эквивалентны значениям постоянного тока или напряжения по количеству выделяемого тепла. Все просто.
Но давайте подключим реактивный элемент к цепи переменного тока, например конденсатор. Форма тока и напряжения на нагрузке перестанут совпадать. (Я промоделировал в SwCAD).
Конденсатор будет накапливать энергию, и отдавать ее назад в сеть. По диаграмме видно, что средние значения тока и напряжения на конденсаторе равны 0. На конденсаторе не остается энергии. Все, что получил, все вернул. Появилась реактивная мощность. Она не совершает полезной работы. Она накапливается на реактивных элементах, и возвращается в сеть питания. Возвращается по питающим проводам, от чего на их активном сопротивлении выделяется мощность потерь. Поэтому необходимо стремиться к увеличению коэффициента мощности. В идеале, для активной нагрузки он равен 1.
Как только форма тока нагрузки перестает быть синусоидальной, все меняется. Большинство современных потребителей электроэнергии переменного тока имеют выпрямительно-конденсаторную нагрузку и искажают форму тока. Вот эквивалентная схема таких нагрузок.
Напряжение сети выпрямляется, затем сглаживается на конденсаторе. Сама нагрузка имеет активно-емкостной характер, но выпрямительные диоды имеют нелинейную характеристику. В результате ток потребляется только в середине периода и имеет сильно искаженную форму.
Как измерить коэффициент мощности.
Для измерения в цепях с синусоидальным током, т.е. для измерения cos ϕ существуют специальные приборы – фазометры.
Для измерения коэффициента тока в цепях с искажением формы тока нагрузки используют следующую методику.
Надо собрать несложную схему.
Вольтметр и амперметр переменного тока есть у всех. А вот ваттметр активной мощности найти не так просто. Его можно заменить счетчиком электроэнергии. Современные электросчетчики имеют класс точности 1, т.е. измерения получатся по точности не хуже чем с ваттметром.
Для вычисления активной мощности нужно замерить время, например, 10 калибровочных импульсов (миганий светодиода на передней панели электросчетчика). Дальше, вычислить время периода для одного импульса, т.е. разделить на 10. Зная передаточный коэффициент счетчика (обычно 3200 импульсов на 1 кВт ч) можно вычислить активную мощность на нагрузке.
P = 3600 / 3200 / Tимп
- P – активная мощность (кВт);
Tимп – период калибровочных импульсов (сек);
3200 – коэффициент счетчика;
3600 – количество секунд в часе.
Все зависит от того, насколько точно будет измерено время периода калибровочных импульсов.