Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ Лабораторный практикум
Электронное издание
Красноярск СФУ 2012 1
УДК 537.72 (07) ББК 31.221я 73 Э454 Составители: В.С. Куликовский, О.А. Ковалева
Э454 Электрические измерения: лаб. практикум [Электронный ресурс] / сост. В.С. Куликовский, О.А. Ковалева. – Электрон. дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – Систем. требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM; Windows 98/XP/7; Adobe Reader V8.0 и выше. – Загл. с экрана.
В лабораторном практикуме представлены девять лабораторных работ, приведены темы для самостоятельной работы и варианты заданий. Предназначен для студентов, обучающихся по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика, электротехнологии», специальность 140604.65 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов». УДК 537.72 (07) ББК 31.221я 73 © Сибирский федеральный университет, 2012 Учебное издание Подготовлено к публикации редакционно-издательским отделом БИК СФУ Подписано в свет 20.03.2012 г. Заказ 6885. Тиражируется на машиночитаемых носителях. Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79 Тел/факс (391)206-21-49. E-mail
[email protected] http://rio.sfu-kras.ru
2
Методические указания к лабораторной работе 1 «Подготовка и проведение измерений с помощью электронного мультиметра» Цель работы: - изучение методов измерения с помощью электронного мультиметра. Указания по проведению эксперимента: Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. Общий вид блока представлен на рис. 1.1. В нём установлены 2 серийно выпускаемых мультиметра MY60, MY62 или MY64. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четыре предохранителя защиты токовых цепей мультиметров. Для обеспечения надёжной длительной работы мультиметров необходимо соблюдать следующие правила: • Не превышайте допустимых перегрузочных значений, указанных в заводской инструкции для каждого рода работы • Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливайте переключатель пределов измерения на наибольшую величину. • Перед тем, как повернуть переключатель для смены рода работы (не для изменения предела измерения!), отключайте щупы от проверяемой цепи. • Не измеряйте сопротивление в цепи, к которой подведено напряжение. • Не измеряйте ёмкость конденсаторов, не убедившись, что они разряжены. • Будьте внимательны при измерении тока мультиметрами МY62 и МY64. Предохранитель 0,2 А этих мультиметров может перегореть от источников напряжения, имеющихся в данном стенде. Мультиметр МY60 защищён предохранителем 2 А, который не может перегореть от токов, создаваемых источниками данного стенда. 10 А
1А
0,2 А
-.000 ON/OF
Cx 10A
mA
COM
TEMP VΩ
my-62
3
Рис. 1.1 До подключения мультметра к цепи необходимо выполнить следующие операции: • выбор измеряемой величины и установка рода тока: - V, ~ V, - A, ~ A или Ω • выбор диапазона измерений соответственно ожидаемому результату измерений; • правильное подсоединение зажимов мультиметра к исследуемой цепи.
Присоединение мультиметра как вольтметра
Присоединение мультиметра как амперметра
Присоединение мультиметра как омметра
4
Содержание отчета: - отчет должен содержать полное наименование и цель работы; - перечень применяемых приборов с указанием их характеристик; - результаты измерений и вычислений; - короткие выводы.
Методические указания к лабораторной работе 2 «Подготовка и проведение измерений с помощью виртуальных приборов (коннектора)» Цель работы: - изучение методов измерения с помощью виртуальных приборов. Указания по проведению эксперимента: Коннектор входит только в копмютеризованный вариант комплекта и предназначен для ввода измеряемых токов и напряжений в компьютер на плату PCI-6023(24) для измерений с помощью программы «ВП ТОЭ». Он содержит делители напряжений для ввода напряжений, шунты для ввода токов, блоки гальванической развязки измеряемых сигналов, разъем для вывода из компьютера сигналов управления электронным ключом и разъем для подключения плоского кабеля связи коннектора с компьютером. Общий вид лицевой панели коннектора показан на рис. 1.2.
5
КОННЕКТОР 100
+
0
+ 500
Кнопки переключения делителей напряжения
20
5В
1
В
V1 100
+
20 5 мА
A1
+ 500
5В
V0 100
Кнопки переключения шунтов
20
A2 100
+
20 5 мА
Кнопка переключения измеряемого тока (I1 или I2)
Светодиоды сигнализации измеряемого тока (I1 или I2)
A3
+
A4
УПРАВЛЕНИЕ КЛЮЧОМ
К КОМПЬЮТЕРУ
Рис. 1.2 Изображенные на лицевой панели измерительные приборы V0, V1, A1…A4 включаются в цепь как обычные вольтметры и амперметры. Коннектор имеет два канала для ввода напряжений в компьютер и два канала для ввода токов. Однако, в цепь можно включить четыре амперметра и кнопками переключения измеряемого тока выбирать вводимое в компьютер значение I1 или I2, I3 или I4. О выбранном токе сигнализирует светодиод на лицевой панели коннектора и надпись на виртуальном амперметре на экране дисплея. Кнопки переключения делителей напряжения и шунтов предназначены для выбора пределов измерения, как в обычных измерительных приборах. Порядок работы с виртуальными амперметрами и вольтметрами: При работе с виртуальными приборами придерживайтесь следующего порядка. 6
• Соберите цепь согласно схеме опыта, включив в нее вместо реальных амперметров и вольтметров виртуальные приборы, изображенные на лицевой панели коннектора. • Включите виртуальные приборы двойным щелчком левой кнопки мыши на ярлыке «ВП ТОЭ». В результате откроется блок «Приборы I» (рис. 1.3), в котором содержатся вольтметры и амперметры. Часть из них активизирована по умолчанию (т. е. включены пределы измерения). Расположение приборов в окне этого блока можно изменить, щелкнув левой кнопкой мыши на обозначении прибора и выбрав в открывшемся перечне нужный прибор. К одному и тому же каналу коннектрора, таким образом, можно подключить несколько виртуальных приборов для одновременного измерения, например, действующего, амплитудного, среднего и др. значений одного и того же напряжения (тока). • Активизируйте нужные виртуальные приборы, щелкнув в соответствующих окнах на кнопках «Откл». Для отключения прибора щелкните в окне предела измерения. Чем больше каналов задействовано в виртуальных измерениях тока и напряжения, тем ниже частота сканирования и меньше значений вводится в компьютер за период измерения. Период измерения, в течение которого производится ввод данных в компьютер, по умолчанию равен 0,1 с. Его можно изменить, открыв меню, как показано на рисунке 1.3 и выбрав мышью строку «Период измерения». • Выберите род измеряемой величины, щелкнув в окне «Действующее» и выбрав из открывшегося списка нужное значение. (Для цепи постоянного тока это, скорее всего, «Среднее»). В этом окне пункт «Действ. перем.» означает действующее значение сигнала, из которого исключена постоянная составляющая. • Выберите пределы измерения амперметров и вольтметров, нажав соответствующие кнопки на коннекторе (рисунок 1.2). Выбранные пределы отображаются автоматически в соответствующих окнах виртуальных приборов. Когда измеряемый сигнал превышает допустимый для данного канала уровень, окно с показанием виртуального прибора начинает мигать красным цветом, а в верхней части панели включается надпись «Перегрузка! Перейдите на больший предел». Она гаснет, как только предел измерения становится больше измеряемой величины. • При снижении измеряемой величины ниже значения следующего (более низкого) предела измерения включается надпись «Перейдите на меньший предел». Через некоторое время она гаснет самостоятельно, но окно данного виртуального прибора продолжает мигать, предупреждая о том, что данное измерение желательно сделать точнее. • Для того, чтобы закрыть окно виртуальных приборов, необходимо щелкнуть по клавише «Выкл».
7
Рис. 1.3 Виртуальный псевдоаналоговый прибор: Для наблюдения динамики изменения измеряемой величины более удобным является стрелочный прибор. Поэтому в комплексе «ВП ТОЭ» имеется псевдоаналоговый стрелочный прибор, который может дублировать показания любого из рассмотренных выше цифровых приборов (рис. 1.4).
Рис. 1.4
8
Он открывается щелчком мыши на строке «Аналоговый прибор» в меню блока «Приборы I» и подключается к любому из восьми приборов х1…х8. На нем имеется также окно выбора типа шкалы и клавиша «Инерционный – Безинерционный», с помощью которой можно замедлить или ускорить движение стрелки. Шкала прибора перенастраивается автоматически при выходе стрелки за ее пределы. Показание стрелки дублируется в цифровом виде в специальном окне прибора. Содержание отчета: - отчет должен содержать полное наименование и цель работы; - перечень применяемых приборов с указанием их характеристик; - результаты измерений и вычислений; - короткие выводы. Методические указания к лабораторной работе 3 «Измерение токов и напряжений в электрической цепи. Вычисление погрешностей» Цель работы: - В простейшей электрической цепи, изображённой на рис. 3.1, произвести измерения напряжения, токов, сопротивлений и мощности. - оценить достоверность произведенных измерений. I=I 7 I5
I4
R3
R2
R1 U R1
I6
U R2
U R3
I
Рис. 3.1 Указания по проведению эксперимента: • Соберите цепь согласно схеме (рис. 3.2), включив в нее вместо реальных измерительных приборов V0, A1, A2, A3, A4 соответствующие пары клемм специализированного коннектора.
9
A1
15 B
A4
A3
A2 V0 R1 150 Ом
R2 220 Ом
R3 470 Ом
Рис. 3.2 • Для проведения измерений воспользуйтесь специализированным набором виртуальных приборов. Для этого приведите компьютер в рабочее состояние и откройте программу «ВП TOЭ». Два прибора V0 и A1 (или А2) включатся автоматически. Включите амперметр А3 (или А4), щелкнув мышью на кнопке “Откл”. Установите кнопками коннектора пределы измерения. Выберите из меню виртуальных приборов род измеряемой величины, щелкнув мышью на окошке “Действующее” и выбрав из выпадающего меню “Среднее”, при необходимости измените пределы измерения. • Для оценки достоверности полученных результатов измерения проверьте соотношение I1 = I2 + I3 + I4. При удовлетворительном результате проверки запишите результаты измерений и проверки в табл. 3.1. Вычислите погрешности. Таблица 3.1 U, B
I1, мА
I2, мА
I3, мА
I4, мА
I2+I3+I4,мА
Погрешность: (I1 – ΣI) / ΣI * 100% = • Измерьте сопротивление каждого из трех резисторов. Для этого откройте блок «Приборы II», в верхнем приборе этого блока щелкните на окошке «Отключен» и выберите из появившегося меню «Активное сопротивление». В нижнем левом окошке установите А2. (При этом на коннекторе кнопкой переключения измеряемого тока должен быть выбран прибор А2, иначе в окошке будет надпись А1!) В верхнем правом окошке появится значение сопротивления R1 как результат деления U0 на I2. Сравните это значение с номинальным значением резистора, указанном на миниблоке, и при удовлетворительном результате запишите в табл. 3.2. Вычислите погрешность и аналогично измерьте сопротивления резисторов R2 и R3, заменив А2 на А3 и затем на А4. 10
Таблица 3.2 R1, Ом
R2, Ом
R3, Ом
Номинальные значения Измеренные значения Погрешность: (RИЗМ – RНОМ) / RИЗМ * 100% • Измерьте мощность, потребляемую каждым резистором, и суммарную мощность, потребляемую от источника питания. Для этого в этом же приборе или в другом выберите из меню прибор «Активная мощность» и установите в левом нижнем окне измеряемую величину А1. Прибор покажет значение P = U0 × I1 (суммарную мощность, потребляемую цепью от источника). Запишите её в табл. 3.3. Аналогично измерьте мощности, потребляемые каждым из сопротивлений: P1 = U0 × I2, P2= U0 × I3, P3 = U0 × I4. Запишите их в таблицу и проверьте соотношение: P = Р1 + Р2 + Р3, вычислите погрешность.
P , Вт
Р1, Вт
Р2, Вт
Р3, Вт
Таблица 3.3 Р1+Р2+Р3, Вт
Погрешность: (PΣ – ΣР) / ΣР * 100% = Содержание отчета: - отчет должен содержать полное наименование и цель работы; - перечень применяемых приборов с указанием их характеристик; - схемы, с помощью которых производились измерения; - результаты измерений и вычислений; - короткие выводы. Методические указания к лабораторной работе 4 «Измерение активной мощности однофазного переменного тока с помощью щитового ваттметра» Цель работы: - ознакомиться с методами измерения активной мощности однофазного переменного тока.
11
Методические указания содержат: - Схемы включения однофазного ваттметра - Перечень аппаратуры - Указания по проведению эксперимента Указания по проведению эксперимента: • Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. • Соедините гнезда защитного заземления " " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1. • Соедините аппаратуру в соответствии с одной из схем включения (рис. 4.1). • Установите мощность каждой фазы осветительной нагрузки А1, например, 45 Вт. • Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки. • Измерьте ваттметром Р1 потребляемую осветительной нагрузкой А1 активную электрическую мощность. • По завершении эксперимента отключите трехфазный источник питания G1 нажатием на кнопку «красный гриб».
а) непосредственно в сеть
12
б) через трансформатор тока
в) через трансформатор тока и напряжения Рис. 4.1. Схемы включения однофазного ваттемтра Перечень аппаратуры Обозначение G1 А1
Наименование Тип Трехфазный источник питания 201.2 Осветительная нагрузка 340
А2
Трансформатор тока
403.1
АЗ
Трансформатор напряжения
405
Р1
Однофазный ваттметр
521
Параметры ~400 В /16 А 220 В / 3x0...45 Вт 1,0/1,0 А/ Uраб = ~ 660 В/ Sн = 5 ВА 380/380(220) В/ Sн = 5 ВА 0...200 В т / Uн = ~ 220 В / I н = 1,0 А
Содержание отчета: - отчет должен содержать полное наименование и цель работы; - перечень применяемых приборов с указанием их характеристик; - схемы, согласно которых производились измерения; 13
- результаты измерений и вычислений; - короткие выводы. Методические указания к лабораторной работе 5 «Измерение активной мощности трехфазного переменного тока в трехпроводных сетях с помощью щитового ваттметра» Цель работы: - ознакомиться с методами измерения активной мощности трехфазного переменного тока. Методические указания содержат: - Схемы включения трехфазного ваттметра - Перечень аппаратуры - Указания по проведению эксперимента Указания по проведению эксперимента: • Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. • Соедините гнезда защитного заземления " " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1. • Соедините аппаратуру в соответствии с одной из схем включения (рис. 5.1). • Установите мощность каждой фазы осветительной нагрузки А1, например, 45 Вт. • В трехфазной трансформаторной группе А4 переключателем установите желаемое номинальное вторичное напряжение трансформатора, например, 220 В. • Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки. • Измерьте ваттметром Р2 потребляемую осветительной нагрузкой А1 активную электрическую мощность. • По завершении эксперимента отключите трехфазный источник питания G1 нажатием на кнопку «красный гриб».
14
а) непосредственно в трехпроводную сеть
б) через трансформаторы тока в трехпроводную сеть
15
в) через трансформаторы тока и напряжения в трехпроводную сеть Рис. 5.1. Схемы включения трехфазного ваттметра Перечень аппаратуры Обозначение G1 А1 А2, А5
Наименование Трехфазный источник питания Осветительная нагрузка Трансформатор тока
Тип 201.2 340 403.1
АЗ, А6, А7
Трансформатор напряжения
405
А4
Трёхфазная трансформаторная 347.1 группа
Р2
Трехфазный ваттметр
522
16
Параметры ~ 4 0 0 В /16 А 220 В / 3x0...45 Вт 1,0/1,0 А/ Uраб = ~ 660 В/ Sн = 5 ВА 380/380(220) В/ Sн = 5 ВА 3x80 В*А; 230 В/242,235, 230, 226, 220, 133, 127 В 0...600 В т / Uн = ~ 3 8 0 В / I н = 1,0 А
Содержание отчета: - отчет должен содержать полное наименование и цель работы; - перечень применяемых приборов с указанием их характеристик; - схемы, согласно которых производились измерения; - результаты измерений и вычислений; - короткие выводы. Методические указания к лабораторной работе 6 «Измерение реактивной мощности трехфазного переменного тока в трехпроводных сетях с помощью щитового варметра» Цель работы: - ознакомиться с методами измерения реактивной мощности трехфазного переменного тока. Методические указания содержат: - Схемы включения трехфазного варметра - Перечень аппаратуры - Указания по проведению эксперимента Указания по проведению эксперимента: • Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. • Соедините гнезда защитного заземления " " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1. • Соедините аппаратуру в соответствии с одной из схем включения (рис. 6.1). • Установите мощность каждой фазы осветительной нагрузки А8, например, 45 Вар. • В трехфазной трансформаторной группе А4 переключателем установите желаемое номинальное вторичное напряжение трансформатора, например, 220 В. • Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки. • Измерьте ваттметром Р2 потребляемую осветительной нагрузкой А8 активную электрическую мощность. • По завершении эксперимента отключите трехфазный источник питания G1 нажатием на кнопку «красный гриб». 17
а) непосредственно в трехпроводную сеть
б) через трансформаторы тока в трехпроводную сеть
18
в) через трансформаторы тока и напряжения в трехпроводную сеть Рис. 6.1. Схемы включения трехфазного варметра Перечень аппаратуры Обозначение G1 А1
Наименование Тип Трехфазный источник питания 201.2 Осветительная нагрузка 340
А2, А5
Трансформатор тока
403.1
АЗ, А6, А7
Трансформатор напряжения
405
А4
Трёхфазная трансформаторная 347.1 группа
А8
Индуктивная нагрузка
324.2
Р2
Трехфазный ваттметр
522
19
Параметры ~ 4 0 0 В /16 А 220В / 3x0...45 Вт 1,0/1,0 А/ Uраб = ~ 660 В/ Sн = 5 ВА 380/380(220) В/ Sн = 5 ВА 3x80 В*А; 230 В/242,235, 230, 226, 220, 133, 127 В 220 В; 50 Гц 3x0...40 ВАр 0...600 В т / Uн = ~380В/ I н = 1,0 А
Содержание отчета: - отчет должен содержать полное наименование и цель работы; - перечень применяемых приборов с указанием их характеристик; - схемы, согласно которых производились измерения; - результаты измерений и вычислений; - короткие выводы. Методические указания к лабораторной работе 7 «Измерение активной электрической энергии однофазного переменного тока помощью индукционного счетчика» Цель работы: - ознакомиться с методами измерения активной электрической энергии однофазного переменного тока Методические указания содержат: - Схемы включения счетчика - Перечень аппаратуры - Указания по проведению эксперимента Указания по проведению эксперимента: • Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. • Соедините гнезда защитного заземления " " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1. • Соедините аппаратуру в соответствии с одной из схемой включения счетчика (рис. 7.1). • Установите мощность каждой фазы осветительной нагрузки А8, например, 45 Вт. • Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки. • Следите за счетчиком Р4. При правильном включении счетчика его диск будет вращаться вправо по стрелке. • Снимите показания счетчика с интервалом времени, например, 15 минут и определите потребленную за это время осветительной нагрузкой А1 активную электрическую энергию.
20
• По завершении эксперимента отключите трехфазный источник питания G1 нажатием на кнопку «красный гриб».
а) индукционного счетчика
б) электронного счетчика Рис. 7.1. Схема включения однофазного счетчика электрической энергии
21
Перечень аппаратуры Обозначение G1 А1 Р4
Наименование Тип Трехфазный источник питания 201.2 Осветительная нагрузка Счетчик электрической энергии
340 517
Параметры ~ 4 0 0 В /16 А 220 В / 3x0...45 Вт Индукционный / Однофазный / активной энергии / 220 В / 5-40 А
Содержание отчета: - отчет должен содержать полное наименование и цель работы; - перечень применяемых приборов с указанием их характеристик; - схемы, согласно которых производились измерения; - результаты измерений и вычислений; - короткие выводы. Методические указания к лабораторной работе 8 «Измерение активной электрической энергии трехфазного переменного тока в трехпроводных и четырехпроводных сетях с помощью индукционного и электронного счетчиков» Цель работы: - ознакомиться с методами измерения активной электрической энергии трехфазного переменного тока в трехпроводных и четырехпроводных сетях с помощью индукционного и электронного счетчиков Методические указания содержат: - Схемы включения счетчиков - Перечень аппаратуры - Указания по проведению эксперимента Указания по проведению эксперимента: • Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
22
• Соедините гнезда защитного заземления " " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1. • Соедините аппаратуру в соответствии с одной из схем включения счетчиков (рис. 8.1). • Установите мощность каждой фазы осветительной нагрузки А1, например, 45 Вт. • Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки. • Следите за счетчиком Р7 (Р9). При правильном включении счетчика Р7 (Р9) его диск будет вращаться вправо по стрелке (будет периодически мигать светодиод). • Снимите показания счетчика Р7 (Р9) с интервалом времени, например, 15 минут и определите потребленную за это время осветительной нагрузкой А1 активную электрическую энергию. • По завершении эксперимента отключите трехфазный источник питания G1 нажатием на кнопку «красный гриб».
а) трехэлементного индукционного счетчика непосредственно в четырехпроводную сеть
23
б) трехэлементного индукционного счетчика через трансформаторы тока в четырехпроводную сеть
в) электронного счетчика непосредственно в четырехпроводную сеть
24
г) электронного счетчика через трансформаторы тока в четырехпроводную сеть
д) электронного счетчика через три трансформатора тока и напряжения в трехпроводную сеть 25
е) электронного счетчика через два трансформатора тока и напряжения в трехпроводную сеть
26
ж) электронного счетчика через два трансформатора тока и три трансформатора напряжения в трехпроводную сеть
з) двухэлементного индукционного счетчика непосредственно в трехпроводную сеть 27
и) двухэлементного индукционного счетчика через трансформаторы тока в трехпроводную сеть
к) двухэлементного индукционного счетчика через трансформаторы тока и напряжения в трехпроводную сеть Рис. 8.1. Схема включения трехфазных счетчиков активной электрической энергии 28
Перечень аппаратуры Обозначение G1 А1
Наименование Тип Трехфазный источник 201.2 питания Осветительная нагрузка 340
А2, А5, А9
Трансформатор тока
АЗ, А6, А7
Трансформатор напряжения
А4
Трёхфазная трансформаторная группа
403.1 405 347.1
Р7
Счетчик электрической 516 энергии
Р9
Счетчик электрической 514 энергии
Параметры ~400 В /16 А 220 В / 3x0...45 ВАр 1,0/1,0 А/ Uра6 = ~ 660 В/ Sн = 5 ВА 380/380(220) В/ Sн = 5 ВА 3x80 В·А; 230В/242,235, 230, 226,220, 133, 127 В Индукционный / трехфазный / активной энергии / 380 В/5-10 А Электронный / трехфазный / активной энергии / 380 В / 1-6 А
Содержание отчета: - отчет должен содержать полное наименование и цель работы; - перечень применяемых приборов с указанием их характеристик; - схемы, согласно которых производились измерения; - результаты измерений и вычислений; - короткие выводы.
29
Методические указания к лабораторной работе 9 «Измерение реактивной электрической энергии трехфазного переменного тока в трехпроводных и четырехпроводных сетях с помощью индукционного и электронного счетчиков» Цель работы: - ознакомиться с методами измерения реактивной электрической энергии трехфазного переменного тока в трехпроводных и четырехпроводных сетях с помощью индукционного и электронного счетчиков Методические указания содержат: - Схемы включения счетчиков - Перечень аппаратуры - Указания по проведению эксперимента Указания по проведению эксперимента: • Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. • Соедините гнезда защитного заземления " " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1. • Соедините аппаратуру в соответствии с одной из схем включения счетчиков (рис. 9.1). • Установите мощность каждой фазы осветительной нагрузки А8, например, 40 Вар. • Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки. • Следите за счетчиком Р10 (Р11). При правильном включении счетчика Р10 (Р11) его диск будет вращаться вправо по стрелке (будет периодически мигать светодиод). • Снимите показания счетчика Р10 (Р11) с интервалом времени, например, 15 минут и определите потребленную за это время индуктивной нагрузкой А8 реактивную электрическую энергию. • По завершении эксперимента отключите трехфазный источник питания G1 нажатием на кнопку «красный гриб».
30
а) трехэлементного индукционного счетчика непосредственно в трех- или четырехпроводную сеть
б) трехэлементного индукционного счетчика через три трансформатора тока в трех- или четырехпроводную сеть
31
в) трехэлементного индукционного счетчика через два трансформатора тока в трехпроводную сеть
32
г) трехэлементного индукционного счетчика через два трансформатора тока и напряжения в трехпроводную сеть
д) электронного счетчика непосредственно в трех- или четырехпроводную сеть
33
е) электронного счетчика через три трансформатора тока в трех- или четырехпроводную сеть
ж) электронного счетчика через три трансформатора тока и напряжения в трехпроводную сеть
34
з) электронного счетчика через два трансформатора тока и напряжения в трехпроводную сеть Рис. 9.1. Схемы включения трехфазных счетчиков реактивной электрической энергии
35
Перечень аппаратуры Обозначение Наименование G1 Трехфазный источник питания
Тип 201.2
А2, А5, А9
Трансформатор тока
403.1
АЗ, А6, А7
Трансформатор напряжения
405
А4
Трёхфазная трансформаторная группа
347.1
А8
Индуктивная нагрузка
324.2
Р10
Счетчик электрической энергии
519
Р11
Счетчик электрической энергии
515
Параметры ~400 В /16 А 1,0/1,0 А/ Uраб - ~ 660 В/ Sн = 5 ВА 380/380(220) В/ Sн = 5 ВА 3x80 ВА; 230 В/242,235, 230, 226, 220, 133, 127 В 220 В/3x0...40 ВАр Индукционный / трехфазный / реактивной энергии / 380 В / 5 А Электронный / трехфазный / реактивной энергии / 380 В / 1-6 А
Содержание отчета: - отчет должен содержать полное наименование и цель работы; - перечень применяемых приборов с указанием их характеристик; - схемы, согласно которых производились измерения; - результаты измерений и вычислений; - короткие выводы. Темы для самостоятельного изучения 1.Вероятностный подход к оценке измерений. 2.Обработка результатов измерений. 3.Электромагнитные приборы для измерения силы тока, напряжения. 4.Электронные аналоговые приборы. 5.Мосты переменного тока для измерения сопротивления, индуктивности, добротности, емкости и угла потерь конденсаторов, уравнение равновесия моста. 6.Измерение силы тока и напряжения амперметрами и вольтметрами. 36
Косвенные измерения. 7.Измерение мощности и энергии в цепях постоянного и переменного, однофазного тока амперметром и вольтметром. 8.Измерение постоянного магнитного потока индукционно-магнитным способом. Измерение переменного магнитного потока индукционным способом. Измерение магнитной индукции тесламетрами на эффекте Холла. 9.Определение характеристик магнитных материалов. Статические и динамические характеристики магнитных материалов. 10.Измерение температур. Диапазоны измерения температур. Термометры сопротивления, термоэлектрические термометры, кварцевые термометры. Примеры измерения. Варианты заданий для самостоятельной работы Вариант I. Дайте ответы на вопросы 1. Приведите классификацию измерений, методов и средств измерений. Какими характеристиками и параметрами должны обладать средства измерений? 2. Приведите схему омметра, показания которого зависят от напряжения источника питания. Объясните его работу. Какая точка шкалы, нуль или бесконечность, является контрольной для омметра с последовательной схемой и омметра с параллельной схемой? 3. Приведите схему и опишите, как производится измерение ваттметровым методом потерь в стали и их разделение. Решите следующие задачи: 1. Магнитоэлектрический прибор со шкалой на 100 делений имеет сопротивление рамки 20 Ом и чувствительность к току 2 дел/мА. Рассчитать величину сопротивления шунта, который нужно включить, чтобы данный прибор стал амперметром на 150 А, величину добавочного сопротивления, включение которого превратит прибор в вольтметр на 300 В, цену деления вновь полученных приборов. 2. Вольтметром класса точности 0,5 с пределами измерений 15; 75; 150 В на каждом из пределов измеряли напряжение 12 В. Определить максимально возможные относительные погрешности каждого из измерений. Сделайте вывод по этой задаче с точки зрения выбора пределов измерений приборов. 3. По катушке, присоединенной к сети постоянного тока с напряжением 120 В, проходит ток 20 А. По той же катушке, присоединенной к сети переменного тока с напряжением 220 В, частотой 50 Гц протекает ток 27,5 А. Определить индуктивность катушки, считая активное сопротивление катушки неизменным.
37
Вариант 2 . Дайте ответы на ВОПРОСЫ 1. Почему погрешности приборов непосредственной оценки выражают в виде приведенных (относительных) величин, а поправки - в виде абсолютных величин? Каков практический смысл этого? Докажите, что относительная погрешность измерения будет значительно больше приведенной погрешности прибора, если значения измеряемой величины находятся в начале шкалы прибора. Покажите это на примерах. 2. Докажите, что с помощью двух однофазных ваттметров можно измерить активную мощность в цепи трехфазного тока при любой нагрузке фаз. Начертите схему и векторную диаграмму. 3. Укажите признаки, по которым разделяются цифровые измерительные приборы. Из каких обязательных узлов состоит цифровой прибор и каково назначение этих узлов? Решите следующие задачи: 1. Вольтметр имеет четыре предала измерения: 15; 75; 150; 300 В. Номинальный ток прибора 30 мА, сопротивление рамки вольтметра 10 Ом. Определить добавочные сопротивления, начертить схему прибора. 2. При измерении сопротивления изоляции проводов двухпроводной линии на землю вольтметром с сопротивлением 30 кОм были получены следующие показания приборов: напряжение сети 220 В, напряжение между первым проводом и землей 20 В, между вторым проводом и землей 50 В. Определить величину сопротивления и качество изоляции. Составить схему измерения. 3. На щитке счетчика указано: 220 В, 5 А, 1 кВтч - 2500 оборотов диска. Определить номинальную и действительную постоянные счетчика и поправочный коэффициент, если в процессе проверки счетчика при неизменных по величине напряжении 210 В и токе 4 А диск счетчика сделал 100 оборотов за 165 с. Вариант 3. Дайте ответы на ВОПРОСЫ, 1.Перечислите меры электрических величин и приведите их краткую характеристику. 2.Опишите назначение и особенности работы трансформатора напряжения. Приведите векторную диаграмму, объясните ее построение. От каких факторов зависят погрешности трансформатора напряжения, и каков их характер? 3.Привадите классификацию, начертите структурные схемы и дайте характеристики измерительных преобразователей не электрических величин.
38
Решите следующие задачи: 1. Вычислите возможную наибольшую относительную погрешность определения тока в неразветвленной части цепи, если измеряются токи в двух параллельных ветвях амперметрами класса точности 2,5 на номинальный ток 50 А. Показания приборов 30 А и 25 А. Составьте схему измерения. 2. Определите емкость конденсатора с большими потерями по показаниям амперметра, вольтметра и частотомера, которые оказались равными 24 А, 120 В, 1728 Вт и 50 Гц. 3. Для измерения мощности трехфазной симметричной цепи, равной 500 кВт, с линейным напряжением 6 кВ и Cos ϕ = 0,8 воспользовались двумя одинаковыми ваттметрами, имеющими следующие номинальные данные: 150 В, 5 А со шкалой на 150 делений. Определите показания каждого ваттметра; подберите (при необходимости) трансформаторы тока и напряжения. Начертите схему. Вариант 4. Дайте ответы на ВОПРОСЫ 1. Опишите устройство измерительного механизма электромагнитной системы, перечислите его достоинства и недостатки в сравнении с приборами магнитоэлектрической системы. Каким образом добиваются, чтобы шкала электромагнитного прибора была близка к равномерной? 2. Опишите назначение и особенности работы трансформатора тока. Приведите векторную диаграмму, объясните ее построение. От каких факторов зависят и каков характер погрешностей трансформатора тока? 3. Опишите принцип действия, основные узлы, область применения электромеханических осциллографов. Решите следующие задачи: 1. Для измерения напряжения 220 В взяты два вольтметра, соединенные последовательно. Первый вольтметр на 150 В с внутренним сопротивлением. 12 кОм, второй - на 120 В с внутренним сопротивлением 10 кОм. Определим показания каждого вольтметра и возможные наибольшие погрешности показаний, если оба вольтметра класса 0,5. Вычислите мощность, потребляемую приборами при данном измерении. 2. Для расширения предела измерения вольтметра электростатической системы применил схему конденсаторного делителя напряжения (см. рис.1). Определите величины емкостей С1 , если вольтметр на напряжение 10 кВ должен использоваться для измерения напряжений до 11О кВ. Емкость −4 вольтметра Сυ = 2,2 ⋅10 мкФ, емкость С 2 = 1,5 ⋅ 10 −4 мкФ,
39
С1
С2
V
С3
СV Рис 1.
3. В цепь трехфазного тока через измерительные трансформаторы тока 200/5 и напряжения 10000/100 включены следующие приборы: амперметр, показания которого 4 А, вольтметр, показания которого 100 В, и два ваттметра, показания которых равны 150 Вт и 250 Вт. Определите ток, напряжение и мощность первичной цепи, и ее коэффициент мощности. Начертите схему включения приборов и векторную диаграмму. Вариант 5. Дайте ответы на вопросы 1. Опишите устройство измерительного механизма магнитоэлектрической системы. Выведите формулу для угла отклонения его подвижной части. Перечислите достоинства и недостатки приборов данной системы. Укажите область применения магнитоэлектрических измерительных механизмов. 2. В чем заключается разница уравновешивания мостов постоянного и переменного тока? Приведите какую-либо схему моста для измерения индуктивности, выведите условия его равновесия и покажите, будет ли зависеть равновесие моста от частоты источника питания. 3. Как получается кривая намагничивания и петля гистерезиса баллистическим методом? Чем отличаются, друг от друга петли гистерезиса, снятые на постоянном и переменном токе?
40
Решите следующие задачи: 1. Амперметр, градуированный на номинальный ток 5А, снабжен шунтом с шунтирующим множителем 1000. Падение напряжения в цепи амперметра 75 мВ. Определите сопротивление шунта. Определите также как будут меняться пределы измерения амперметра, если к нему поочередно присоединять ряд других шунтов с шунтирующими множителями 200; 400; 600; 2000. Найдите сопротивления этих шунтов. 2. Имея ваттметр, вольтметр и амперметр, требуется измерить взаимную индуктивность двух катушек. Была собрана соответствующая схема. При одном варианте последовательного соединения катушек приборы показали 4 А, 20 В, 48 Вт, а при другом варианте последовательного соединения катушек прибора показали 3 А, 27 В, 27 Вт. Частота источника питания 50 Гц. Начертите схему измерения и определите взаимную индуктивность. . 3. В трехфазную сеть трехфазного тока через трансформаторы тока 400/5 и трансформаторы напряжения 10000/100 включены амперметры, вольтметры и два однофазных ваттметра на 5 А, 150 В со шкалой на 150 делений. Определите мощность нагрузки и показания ваттметров в делениях шкалы при различных значениях Cosϕ нагрузки: Cos ϕ =1; 0,8; 0,5 (индуктивного характера), если показания амперметров 3,5 А и вольтметров 105 В. Начертите схему включения приборов. Для всех трех случаев построить векторную диаграмму ваттметров. Вариант 6. Дайте ответы на вопросы. 1. Назовите общие детали и узлы измерительных приборов и приведите их краткую характеристику. Какие требования предъявляются к успокоению приборов, прочности изоляции и перегрузочной способности? 2. опишите наиболее распространенные методы измерения заземления. Приведите схемы измерения. 3. укажите назначения, виды и принципы построения информационноизмерительных схем. Решите следующие задачи: 1.Найдите величину систематической относительной погрешности амперметра магнитоэлектрической системы с номинальный током 1А и сопротивлением 1,2 Ом при температуре 18°С, используемого для измерения тока 50 А и работающего в помещении с температурой 46°С. Обмотка рамки медная, температурная компенсация отсутствует. 2. Милливольтметр с пределом измерения 75 мВ и внутренним сопротивлением 10 Ом был использован в качестве измерителя тока на пределы измерения 15; 30; 75; 150 А и 15; 30 и 75 мА. Рассчитайте сопротивление шунтов для всех пределов измерения и составьте схему прибора.
41
3. В трехпроходную сеть трехфазного тока включены амперметры. на 5 А, вольтметры на 100 В и два однофазных ваттметра на 5 А и 150 В со шкалой на 150 делений через трансформаторы тока 200/5 и трансформаторы напряжения 6000/100. Определите мощность нагрузки и показания ваттметров в делениях шкалы, если показания вольтметров по 95 В, амперметров 4,2 А, а коэффициент мощности нагрузки 0,8. Начертите схему включения приборов. Вариант 7. Дайте ответы на вопросы 1. Начертите принципиальную схему компенсатора постоянного тока, и кратко опишите его работу. Какие требования предъявляются к компенсаторам постоянного тока? 2. Опишите устройство и принцип действия счетчиков электрической энергии индукционной системы. Перечислите органы регулирования однофазного индукционного счетчика и укажите их функции. 3. Опишите принцип действия и основные свойства электронных вольтметров. Решите следующие задачи: 1. Милливольтметр магнитоэлектрической системы имеет три клеммы: одну слева и две справа; одна из этих клемм с обозначением 10 Ом, 45 мВ служит для присоединения шунтов и измерения тока до 4,5 мА, вторая с обозначением 1000 Ом, 3 В - для присоединения добавочных сопротивлений и для измерения напряжения до 3 В. Определите, сопротивления шунтов для этого прибора, чтобы им можно было измерить токи до 1,5; 15; 30 А. Каковы должны быть величины добавочных сопротивлений для этого прибора, чтобы им можно было измерить напряжение до 15 и 150 В? 2. При измерении изоляции двухпроводной сети на землю вольтметром с сопротивлением 30 кОм были получены следующие показания: напряжение сети 220 В, напряжение между первым проводом и замлей 20 В, между вторым проводом и землей 100 В. Определите величину сопротивления изоляции, сделайте заключение о ее качестве. Начертите схему намерения. 3. В сеть трехфазного тока с равномерной нагрузкой фаз через трансформаторы тока 300/5 и трансформаторы напряжения 6000/100 включены амперметр, вольтметр в два ваттметра. Определите активную мощность, коэффициент мощности, ток и напряжение на нагрузке, если показания амперметра 4 А, вольтметра 100 В, первого ваттметра 400 Вт, второго 200 Вт. Начертим схему включения приборов и векторную диаграмму.
42
Вариант 8. Дайте ответы на вопросы 1. Перечислите требования, предъявляемые к электроизмерительным приборам ГОСТом. Приведите и объясните обязательные условные обозначения, наносимые на шкалу электроизмерительного прибора. 2. Начертите схему и наложите порядок измерения сопротивлений двойным мостом. Выведите условия равновесия двойного моста. Почему при измерении двойным мостом измеряемые сопротивления должны иметь четыре зажима? 3. Опишите устройство феррометра, его теорию и назначение. Как с помощью феррометра снимается основная кривая намагничивания и петля гистерезисного цикла? Решите следующие задачи: 1. Два сопротивления соединены последовательно и включены в сеть. Напряжение сети и напряжение на первом сопротивлении измеряется двумя вольтметрами класса точности 1,5 с номинальным напряжением 250 В, их показания соответственно равны 220 В и 140 В. Определите напряжение на втором сопротивлении и допускаемую при этом наибольшую возможную относительную погрешность. 2. Милливольтметр, рассчитанный на ток 100 мА, хотят использовать в качестве амперметра для измерения тока до 10 А и до 25 А. Шкала милливольтметра имеет 100 делений; сопротивление рамки прибора равно 0,5 Ом. Определите сопротивление шунтов для обоих пределов измерения, цену деления прибора, а также величину измеряемого тока, если стрелка прибора при применении первого шунта отклонилась на 30 делений, а при применении второго шунта - на 60 делений. 3. Включенные в цепь трехфазного тока через трансформаторы напряжения 6000/100 и тока 1000/5 приборы показывает: амперметр - 3,6 А, вольтметр 105 В, ваттметры 42 Вт и 350 Вт. Начертите схему измерения и определите истинные значения тока, напряжения, мощности и коэффициента мощности. Вариант 9. Дайте ответы на ВОПРОСЫ 1. Какое влияние оказывает внешние магнитные поля и температура окружающей среды на показания приборов различных систем? Какие меры защиты применяют от влияния указанных факторов? 2. Опишите устройство измерительного механизма электродинамической системы. Выведите формулу для угла отклонения его подвижной части. Перечислите достоинства и недостатки приборов данной системы. Укажите область их применения. 43
4. Приведите схемы и опишите, как производится измерение индуктивности и емкости методом амперметра и вольтметра, и при помощи моста переменного тока. Решите следующие задачи: 1. На основе магнитоэлектрического прибора с сопротивлением рамки 1 Ом со шкалой на 150 деланий и ценой деления 0,001 А/дел. построен прибор на пределы измерения по току: 1,5; 3; 15 А и по напряжению 1,5; 3; 15 В. Определите постоянные прибора по току и напряжению для всех пределов измерений, сопротивления отдельных секций шунта и добавочного сопротивления. 2. Определите сопротивление приемника энергии методом амперметра и вольтметра, если известно, что Показание вольтметра 120 В, показание амперметра 5А, сопротивление вольтметра 10000 Ом, сопротивление амперметра 0,01 Ом. Задачу решить для двух случаев: а) не учитывая тока, проходящего через вольтметр; б) с учетом этого тока. 3. Для проверки трехфазного счетчика активной энергии, на щитке которого указано 3x127 В, 3x5 А, I кВт. ч. - 2000 оборотов диска, воспользовались двумя одинаковыми однофазными ваттметрами с номинальными данными 150 В, 5А со шкалой на 150 делений. В течение трех минут ваттметры давали постоянные отклонения L1 = L2 = 110 делений. За это время диск сделал 111 оборотов. Определите номинальную и действительную постоянные счетчика и его погрешность. Вариант 10. Дайте ответы на вопросы 1. Укажите способы расширения пределов измерения у показывающих приборов. Дайте краткую характеристику каждого из этих способов. В приборах каких систем они применяются? 2. Какие методы измерения и контроля изоляции электроустановок вам известны? Опишите эти методы и приведите схемы. 3. Приведите схемы измерения реактивной мощности в цепи трехфазного тока при равномерной и неравномерной нагрузке фаз и объясните, как с помощью приведенных схем определяется величина реактивной энергии. Решите следующие задачи: 1. К источнику постоянного тока с ЭДС 100 В а внутренним сопротивлением 1 Ом присоединен вольтметр, сопротивление которого 30 Ом. Затем к источнику присоединили вольтметр, сопротивление которого 3000 Ом. Определите показания вольтметров и погрешность измерения ЭДС в обоих случаях. 2. Для измерения индуктивности катушки были включены амперметр, вольтметр, ваттметр и частотомер, показания которых соответственно равны: 44
220 В, 11 А, 640 Вт и 50 Гц. Определите активное сопротивление катушки и индуктивность. Приведите схему измерения. 3. Для определения расхода энергии предприятия включили два счетчика в трехфазную сеть через измерительные трансформаторы напряжения 10000/100 и тока 500/5. В начале месяца первый счетчик показывал 48212 кВт.ч., а второй 15836 кВт.ч. Через месяц счетчики соответственно показали 53974 кВт.ч и 17327 кВт.ч. Определите месячный расход активной и реактивной энергии, и средневзвешенный коэффициент мощности.
45
ОГЛАВЛЕНИЕ Методические указания к лабораторной работе 1………………………………...3 Методические указания к лабораторной работе 2………………………………...5 Методические указания к лабораторной работе 3………………………………...9 Методические указания к лабораторной работе 4……………………………….11 Методические указания к лабораторной работе 5……………………………….14 Методические указания к лабораторной работе 6……………………………….17 Методические указания к лабораторной работе 7……………………………….20 Методические указания к лабораторной работе 8……………………………….22 Методические указания к лабораторной работе 9……………………………….30 Варианты заданий для самостоятельной работы………………………………...37
46