background image

P

OLITECHNIKA  

Ś

WIĘTOKRZYSKA

K

IELCACH

W

YDZIAŁ  

E

LEKTROTECHNIKI,  

A

UTOMATYKI

I  

I

NFORMATYKI

L

ABORATORIUM  

M

ETROLOGII ELEKTRYCZNEJ

I

NSTRUKCJA  

L

ABORATORYJNA

T

EMAT  

Ć

WICZENIA:

POMIAR MOCY CZYNNEJ I BIERNEJ W UKŁADZIE

TRÓJFAZOWYM DWOMA WATOMIERZAMI PRZY

ROŻNYCH WARTOŚCIACH WSPÓŁCZYNNIKA MOCY

background image

POMIAR  MOCY  CZYNNEJ  I  BIERNEJ  W  UKŁADZIE  TRÓJFAZOWYM  DWOMA  WATOMIERZAMI  PRZY  ROŻNYCH  WARTOŚCIACH
WSPÓŁCZYNNIKA MOCY

2

POMIAR  MOCY  CZYNNEJ  I  BIERNEJ  W  UKŁADZIE  TRÓJFAZOWYM  DWOMA
WATOMIERZAMI PRZY ROŻNYCH WARTOŚCIACH WSPÓŁCZYNNIKA MOCY

Cel ćwiczenia

Poznanie  właściwości  układu  dwóch  watomierzy  do  pomiaru  mocy  czynnej  i  biernej  w  obwodach
trójfazowowych.

Wstęp teoretyczny

Układ dwóch watomierzy, tzw. układ Arona (rys. 1.) umożliwia poprawny pomiar mocy w sieci
trójfazowej bez przewodu neutralnego przy symetrycznym napięciu zasilającym i przy dowolnym
obciążeniu. Moc całkowita obwodu jest sumą wskazań obu watomierzy.

Rys. 1. Sposoby włączenia dwóch watomierzy do pomiaru mocy czynnej w układzie

 

Arona.

Rys. 2. Wykres wektorowy układu Arona z rys. 1. a).

Wykres  wychyleń  (rys.  3.)  w  zależności  od  kąta  przesunięcia  fazowego 

ϕ  można  przedstawić

w oparciu o podstawowy wzór dla układu Arona. Moc czynną układu dwóch watomierzy z rys. 1.
a) wyznacza się ze wzorów:

P = P

w

α

 + P

w

β

P =U

12

 ·I

1

 · cos

α +U

32

 ·I

3

 · cos

β

( 1 )

gdzie:

α

 - kąt między wektorami 

U

12

 a I

1

,

β

 - kąt między wektorami 

U

32

 a I

3

.

Dla równomiernego obciążenia wszystkich  trzech  faz  i  symetrii napięć  zasilających,  wzór
(1) przyjmie postać

P = P

w

α

 + P

w

β

 =U

12

 ·I

1

 · cos(30

o

+

ϕ) +U

32

 ·I

3

 · cos(30

o

-

ϕ)

( 2 )

background image

POMIAR  MOCY  CZYNNEJ  I  BIERNEJ  W  UKŁADZIE  TRÓJFAZOWYM  DWOMA  WATOMIERZAMI  PRZY  ROŻNYCH  WARTOŚCIACH
WSPÓŁCZYNNIKA MOCY

3

Rys. 3. Wykres wskazań poszczególnych watomierzy oraz ich sumy.

Chcąc  zmierzyć  moc  bierną  za  pomocą  dwóch  watomierzy,  należy  włączyć  ich  cewki
napięciowe  na  napięcia  o  niezmiennej  wartości  skutecznej,  lecz  przesunięte  w  fazie  o  kąt
90°  względem  napięć,  na  jakie  cewki  napięciowe  połączone  były  przy  pomiarze  mocy
czynnej.
Napięciem  opóźnionym  o  90°  (rys.  4)  względem  napięcia 

U

12

,  i 

U

23

  jest  odpowiednio

napięcie fazowe 

U

1

 i -U

3

.

Rys 4. Układ bezpośredni do pomiaru mocy biernej dwoma watomierzami oraz wykres wektorowy
przy obciążeniu indukcyjnym.

Ponieważ przesunięte napięcia są napięciami fazowymi, należy stworzyć sztuczne zero, tak dobierając
R, aby była zachowana równość rezystancji w gałęziach utworzonej gwiazdy.

R

w1

= R

w1

=R

(3)

Gdzie:

R

w1 

i R

w1

~ rezystancje obwodów napięciowych watomierzy

.

Wykres wychyleń watomierzy w ultładzie do pomiaru mocy biernej można przedstawić w oparciu o
wzory:

(4)

background image

POMIAR  MOCY  CZYNNEJ  I  BIERNEJ  W  UKŁADZIE  TRÓJFAZOWYM  DWOMA  WATOMIERZAMI  PRZY  ROŻNYCH  WARTOŚCIACH
WSPÓŁCZYNNIKA MOCY

4

Przy symetrii zasilania i obciążenia otrzymuje się

(5)

Poszczególne  wskazania  watomierzy  mnoży  się  przez 

,  aby  zachować  warunek  niezmienności

wartości skutecznej napięcia.
Podstawiając  we  wzorze  (2)  i  (5)  za    różne  wartości  kątów,  uzyskuje  się  następujące  wychylenia
poszczególnych watomierzy w procentowych wartościach iloczynu U

f

I

f

.

Tabela 1

ϕ

P

1

P

2

Q

1

Q

2

o

%

%

%

%

-90

-60

-30

0

30

60

90

50,0

86,6

100,0

86,6

50,0

0,0

-50,0

-50,0

0,0

50,0

89,6

100,0

86,6

50,0

-86,6

-50,0

0,0

50,0

89,6

100,0

86,6

-86,6

-100,0

-86,6

-50,0

0,0

50,0

89,6

Zadanie praktycznego uzyskania charakterystycznych wychyleń watomierzy wymaga,  wprowadzenia
do  układu  pomiarowego  przesuwnika  fazy  oraz  rozdzielenia  obwodu  napięciowego  i  prądowego
watomierzy.

Określenie charakteru obciążenia

W  celu  ustalenia  charakteru  obciążenia  indukcyjnego  w  układzie  Arona  (pomiar  mocy

czynnej)  określa  się  przy  wartościach  współczynnika  mocy  cos

ϕ  =0.5.  Jeden  z  watomierzy  nie

wykazuje wtedy wychylenia, ponieważ wektory napięcia przyłożonego do cewki napięciowej i prądu
przepływającego  przez  cewkę  prądową  są  przesunięte  o  90°.  Zwierając  cewkę  prądową  tego
watomierza, otrzymamy krótkotrwałe ujemne wychylenie wskazówki watomierza.

Po  zmianie  charakteru  obciążenia  przesuwnikiem  fazy  na  cos

ϕ  =0.5pojemnościowe,  drugi

watomierz  nie  będzie  wychylał  się.  Zwierając  cewkę  prądową  tego  watomierza,  otrzymamy
krótkotrwałe dodatnie wychylenie wskazówki watomierza , tzn. w prawą stronę.

Podsumowanie

Układ  Arona  znalazł  szerokie  zastosowanie  w  praktyce,  ponieważ  pozwala  za  pomocą  tylko

dwóch watomierzy mierzyć moc czynną w trójfazowych, trójprzewodowych układach, niezależnie od
warunków  obciążenia  oraz  przy  symetrii  i  asymetrii  napięć  zasilających.  Jedynym  wymaganym
warunkiem poprawności działania tego układu jest spełnienie następującej zależności

 

(6)

Należy  w  tym  miejscu  podkreślić,  iż  w  sieciach  energetycznych,  mimo  braku  przewodu  zerowego,
warunek ten nie zawsze jest spełniony. W przypadku uziemienia punktu zerowego i źródła sieci może
płynąć  prąd  zerowy  przez  uziemiony  punkt  zerowy  sieci  i  pojemności  cząstkowe  przewodów

background image

POMIAR  MOCY  CZYNNEJ  I  BIERNEJ  W  UKŁADZIE  TRÓJFAZOWYM  DWOMA  WATOMIERZAMI  PRZY  ROŻNYCH  WARTOŚCIACH
WSPÓŁCZYNNIKA MOCY

5

względem  ziemi.  Nawet  w  przypadkach,  gdy  nie  ma  wyraźnie  uziemionego  punktu  zerowego  sieci,
warunek 

  może  nie  być  spełniony.  Taki  przypadek  może  zajść  wtedy,  gdy  pomiaru

mocy  dokonujemy  między  dwoma  nieobciążonymi  symetrycznie  odgałęzieniami  od  toru  głównego.
Pojemności  cząstkowi  względem  ziemi  obu  odgałęzień  są  połączone  w  gwiazdę  i  w  tym  przypadku
prawie zawsze między punktami gwiazdowymi istnieje prąd wyrównawczy.
Opierając  się  jedynie  na  formalnym  stwierdzeniu,  że  przewodu  zerowego  nie  ma  .widzimy,  że
stosowanie  metody  dwóch  watomierzy  w  sieciach  energetycznych  prowadzić  może  do  poważnych
błędów.

Przebieg   pomiaru

1. 

Pomiar mocy czynnej.

Połączyć układ według schematu.

Rys,  5,  Schemat  układu  pomiarowego  do  pomiaru  mocy  dwoma  watomierzami  przy  różnym
współczynniku mocy.

Przy połączeniu zwrócić uwagę na prawidłową kolejność faz, zgodną dla obwodu napięciowego

i prądowego. Pomiary należy wykonać dla następujących charakterystycznych wychyleń przy 

ϕ=0°,

ϕ=±30°, ϕ=±60°, ϕ=±90°. Dla określenia charakteru obciążenia należy posłużyć się metodą zwarcia
cewki  prądowych  watomierzy.  Pomiar  należy  rozpocząć  od  wartości  cos

ϕ<1,  wówczas  obydwa

watomierze  wskazują  dodatnie  i  jednakowe  wartości.  Następnie,  posługując  się  przesuwnikiem
fazowym  ustalić  następne  punkty  pomiaru  zgodnie  z  założeniem.  Sprawdzić  wartości  cos

ϕ  drogą

rachunkową.

Tabela pomiarowa

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

I

1

I

2

I

3

U

12

U

32

P

1

P

2

P

1

+P

2

o

A

A

A

V

V

α

C

W

α

C

W

W

- 90
- 60
- 30

0

30
60
90

background image

POMIAR  MOCY  CZYNNEJ  I  BIERNEJ  W  UKŁADZIE  TRÓJFAZOWYM  DWOMA  WATOMIERZAMI  PRZY  ROŻNYCH  WARTOŚCIACH
WSPÓŁCZYNNIKA MOCY

6

2.  Pomiar mocy biernej.

Rys. 6. Schemat układu do pomiaru mocy biernej dwoma watomierzami. przy różnych wartościach
współczynnika mocy.

Przy  połączeniu  zwrócić  uwagę  na  prawidłową  kolejność  faz,  zgodną  dla  obwodu

napięciowego  i  prądowego.  Pomiary  należy  wykonać  dla  następujących  charakterystycznych
wychyleń przy 

ϕ=0°, ϕ=±30°, ϕ=±60°, ϕ=±90°. Dla określenia charakteru obciążenia należy posłużyć

się  metodą  zwarcia  cewki  prądowych  watomierzy.  Pomiar  należy  rozpocząć  od  wartości  cos

ϕ<1,

wówczas  w  układzie  do  pomiaru  mocy  biernej  -  pierwszy  wskaże  wartość  dodatnią,    a  drugi
ujemną.  Następnie  posługując  się  przesuwnikiem  fazowym  ustalić  następne  punkty  pomiaru
zgodnie z założeniem. Sprawdzić wartości cos

ϕ drogą rachunkową.

Tabela pomiarowa.

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

I

1

I

2

I

3

U

3

U

1

Q

1

Q

2

 (Q

1

+Q

2

)

o

A

A

A

V

V

α

C

Var

α

C

Var

Var

- 90
- 60
- 30

0

30
60
90

Pytania kontrolne

1.

 Dla Jakiego obwodu trójfazowego układ Arona może być zastosowany i dlaczego?

2.

 Kiedy w praktyce występuje wartość cosϕ=0,5i jakie to ma znaczenie dla pomiaru mocy w

układzie Arona?

3.

 Omówić dokładność metody Arona w zależności od występujących w praktyce wartości cosϕ.

4.

 Wyprowadzić wzór określający wskazania watomierzy w układzie Arona do pomiaru mocy

czynnej i biernej,