1. POMIARY MOCY W OBWODACH JEDNOFAZOWYCH 1. Definicje Moc P w obwodzie prądu stałego jest określana jako iloczyn napięcia U i natężenia prądu I P=UI (1) Iloczyn chwilowych wartości napięcia u(t) i natężenia prądu i(t) w obwodzie prądu przemiennego określa moc chwilową p(t) p(t) = u(t) i(t) . (2) Jeżeli napięcie i prąd są sinusoidalnie zmienne, to: u ( t ) U m sin( t ) 2 U sin( t ) , (3) i( t ) I m sin( t ) 2 I sin( t ) , a moc chwilową można przedstawić zależnością p( t ) U I cos U I cos( 2t ) . (4) (5) Dla określenia stanu energetycznego obwodu stosowane są parametry mocy chwilowej. Wzór (5) dowodzi, że w obwodzie prądu przemiennego moc chwilowa p(t) oscyluje - z częstotliwością dwukrotnie większą od częstotliwości f źródła zasilającego obwód - wokół wartości P=UIcos nazywanej mocą czynną. Amplituda tych oscylacji jest równa S = U I, i jest nazywana mocą pozorną. Moc czynna jest definiowana operacją uśrednienia p(t) w okresie T: T T 1 1 (6) P p( t )dt u ( t ) i( t )dt UI cos . T0 T0 Moc bierna Q dla sinusoidalnych przebiegów napięcia i prądu przedstawia zależność Q U I sin . (7) Wymienione moce wiąże ze sobą zależność S2 P 2 Q 2 . (8) Zależność (2) obowiązuje również dla odkształconych przebiegów napięć i prądów. Przebiegi te traktuje się jako sumy wielu przebiegów sinusoidalnych (harmonicznych): u ( t ) U mn sin( n1 t un ) , (9) n 1 i( t ) U mn sin( n 1 t in ) , (10) n 1 a wówczas parametry mocy wynikają ze wzorów: S UI U n 1 2 n I n 1 2 n , (11) 1 P p( t ) dt Pn U n I n cos n T0 n 1 n 1 T n 1 n 1 Q Q n U n I n sin n , , (12) (13) Okazuje się jednak, że obliczone z powyższych równań moce S, P i Q nie spełniają równania (8). Z tej przyczyny klasyczna teoria mocy - opracowana przez Budeanu - wprowadza pojęcie mocy zniekształceń K, przedstawioną zależnością 2 K U kn 2 k I 2n U 2n I 2k 2U k U n I k I n cos( k n ) , (14) dzięki której jest spełniona zależność: S2 P 2 Q 2 K 2 (15) Jednak teorii Budeanu nie można zinterpretować fizycznie, co jest jej poważną wadą. W związku z tym, problem wyznaczania mocy w obwodach z przebiegami odkształconymi jest nadal przedmiotem prac badawczych. Stosunek mocy czynnej P do mocy pozornej S nazywany jest współczynnikiem mocy PF (power factor) P PF . (16) S Jeżeli przebiegi napięcia i prądu są sinusoidalne to współczynnik mocy PF jest równy cosinusowi kąta przesunięcia fazowego między napięciem i prądem (zw. też cosφ). 2. Przyrządy do pomiaru mocy Przyrządy do pomiaru mocy występują w praktyce w postaci mierników mocy lub przetworników mocy (rys.1). Mają dwa obwody wejściowe: napięciowy WE1 i prądowy WE2. Podane na oba wejścia wielkości podlegają mnożeniu analogowemu, zgodnie ze wzorem (1) lub (2). Po dokonaniu filtracji otrzymuje się sygnał proporcjonalny do wartości średniej mocy chwilowej p(t) (wzór (6)). Sygnał ten jest dostępny na wyjściu WY przyrządu. Woltomierz lub miliamperomierz Wyjście cyfrowe (RS232, RS485) [i(t)] Obwód wejściowy Interfejs WE 2 WY ( , U_,I_,...) Przetwornik analogowo cyfrowy [u(t)] Obwód wejściowy Filtr WE 1 Mnożnik analogowy Przyrząd do pomiaru mocy Rys. 1. Schemat blokowy przyrządu do pomiaru mocy czynnej . W miernikach elektromechanicznych sygnałem wyjściowym jest odchylenie wskazówki. Do pomiaru mocy są stosowane konstrukcje elektromechaniczne typu elektrodynamicznego i ferrodynamicznego. Na rys. 2. Przedstawiono te konstrukcje. Obwód prądowy watomierza elektrodynamicznego stanowi zespół dwóch nieruchomych cewek 3 wiodący prąd i1. Cewki te mogą być łączone szeregowo lub równolegle, wynikiem tego uzyskuje się zmianę zakresu obwodu prądowego watomierza w stosunku 1:2, np. jeżeli prąd znamionowy cewki Icewki = 2,5A, to przy połączeniu szeregowym In1=Icewki = 2,5 A, a przy połączeniu równoległym – In2 = 2 Icewki = 5A. Na obwód napięciowy watomierza składają się: cewka ruchoma 6, spiralne sprężynki 7 i oporniki dodatkowe (nie przedstawione na rysunku), których wybór ustala zakres obwodu napięciowego watomierza. Zakresy napięciowe watomierzy elektrodynamicznych mieszczą się w granicach od kilkudziesięciu do kilkuset woltów. 0 0 3 1 8 8 i1 3 7 1 2 3 7 4 9 6 6 3 9 i1 i2 5 a i2 b Rys. 2. Szkice konstrukcji miernika elekrodynamicznego (a) i ferrodynamicznego (b); 1 – podzielnia z podziałką, 2 – magnetowód, 3 – cewki obwodu prądowego (nieruchome), 4 – koncentrator pola magnetycznego, 5 – szczelina powietrzna, 6 – cewka obwodu napięciowego (ruchoma, obrotowa), 7 – sprężynki spiralne, 8 – wskazówka, 9 – oś układu ruchomego. Na cewkę ruchomą 6 działa moment obrotowy Mt, wywołany dynamicznym oddziaływaniem pola magnetycznego, wytworzonego prądem i1 płynący w cewkach 3, na prąd i2 cewki ruchomej. Wartość chwilową tego momentu określa wzór dM1, 2 , (17) M t i1 i 2 d w którym: i1 2 I1 sin( t i1 ) , i 2 2 I 2 sin( t i 2 ) . Moment Mt zmienia w czasie swoją wartość i kierunek w takt zmian iloczynu prądów i 1 i i2. Jednak organ ruchomy, ze względu na swoją dużą bezwładność, nie nadąża za zmianami momentu Mt i w konsekwencji uśrednia jego wartość. Ostateczne odchylenie organu ruchomego, obserwowane przez obserwatora jako przemieszczenie wskazówki, jest wynikiem zrównania się średniego momentu napędowego M i przeciwdziałającego mu momentu zwrotnego (skręcającego) Mz sprężynek spiralnych 7 T dM1, 2 1 , (18) M M t dt I1 I 2 cos( i1 i 2 ) T0 d Mz k z . (19) Jeżeli prąd I2 jest proporcjonalny do napięcia U - występującego na odbiorniku energii elektrycznej, to różnica faz (ψi1-ψi2) prądów i1 i i2 jest przesunięciem fazowym φ między napięciem U i prądem I odbiornika, a odchylenie wskazówki miernika elektrodynamicznego jest proporcjonalne do mocy czynnej odbiornika P 1 dM1, 2 1 s u U I cos P , (20) k z d cw gdzie: kz – współczynnik sprężystości sprężyn, M1,2 – współczynnik indukcyjności wzajemnej między cewkami, su – czułość układu, cw – stała watomierza. Jeżeli ponadto współczynnik indukcyjności wzajemnej M1,2 nie zmienia się ze zmianą odchylenia cewki ruchomej, to charakterystyka przetwarzania f(P) miernika jest liniowa, a 4 jego podziałka równomierna. Watomierze elektrodynamiczne są budowane w klasach dokładności 0,1; 0,2 i 0,5. Błędy dodatkowe watomierzy elektrodynamicznych są powodowane zmianami: temperatury, częstotliwości i wynikiem oddziaływania zewnętrznych pól magnetycznych. Watomierze ferrodynamiczne są podobne do watomierzy elektrodynamicznych. Dodatkowo wyposażone są w obwód magnetyczny (rys. 2b - 2 i 4), którym skupia się pole magnetyczne w szczelinie powietrznej 5 z umieszczą w niej cewką ruchomą 6. Dzięki temu moment napędowy cewki jest większy niż w mierniku elektrodynamicznym. Konstrukcja ta jest mniej wrażliwa na wpływ zewnętrznych pól magnetycznych. Jednak obwód magnetyczny wywołuje histerezę charakterystyki przetwarzania i wprowadza błąd fazowy, a podziałka miernika jest nieliniowa. Stąd watomierze ferrodynamiczne zwykle są stosowane w obwodach prądu przemiennego, a najwyższa osiągana dokładność odpowiada klasie 0,5. Górna granica częstotliwości nie przekracza 500Hz. Zamiana miejscami przewodów na jednym z wejść watomierza wywołuje zmianę kierunku prądu w obwodzie i w konsekwencji zmianę kierunku odchylenia wskazówki watomierza. W celu ułatwienia poprawnego włączenia watomierza do obwodu pomiarowego jeden z zacisków każdego wejścia oznacza się za pomocą znaku graficznego, np. (patrz: schemat na rys. 4). Zacisk ten jest nazywany początkiem obwodu. W analogowych przetwornikach mocy wartości napięcia i prądu, po wstępnym przetworzeniu w obwodach wejściowych (rys. 1), są mnożone w układzie zw. mnożnikiem analogowym. Sygnałem wyjściowym mnożnika jest najczęściej napięcie stałe U lub prąd stały I. Włączenie miernika (woltomierza lub miliamperomierza) do wyjścia przetwornika mocy czyni z niego watomierz. Miernik wyjściowy może być zarówno analogowy, np. magnetoelektryczny, jak i cyfrowy. Dołączając do wyjścia mnożnika przetwornik analogowo-cyfrowy (a/c) uzyskuje się sygnał pomiarowy w postaci cyfrowej (rys.1). Jego transmisja do komputera pozwala rozszerzyć funkcje pomiarowe przyrządu, w tym automatyzować pomiary. We współczesnej technice pomiarowej stosowane są również próbkujące przetworniki mocy. Różnią się one w istotny sposób od wymienionych przetworników analogowych. Przykład podstawowej struktury blokowej próbkującego przetwornika mocy przedstawiono na rys. 3. WE 2 [i(t)] Układ próbkująco pamiętający Przetwornik analogowo cyfrowy Obwód wejściowy Układ próbkująco pamiętający Przetwornik analogowo cyfrowy WY [u(t)] Obwód wejściowy (Wyjście cyfrowe) WE 1 Mikroprocesor Przetwornik próbkujący mocy Rys. 3. Schemat blokowy próbkującego przetwornika mocy. Wielkości wejściowe, po wstępnym przetworzeniu, zostają poddane operacji próbkowania. Uzyskany w określonym czasie, np. w okresie T, zbiór próbek jest cyfrową (dyskretną) reprezentacją wartości wielkości wejściowych. Następnie, na zapamiętanych zbiorach próbek, przeprowadza się w mikroprocesorze operację mnożenia przez siebie próbek napięcia uk i prądu 5 ik zebranych w tej samej chwili tk – w konsekwencji uzyskując zbiór wartości chwilowych mocy p(t). Po obliczeniu ich wartość średniej w okresie T uzyskuje się moc czynną P T 1 1 N (21) P p( t ) dt (u k i k ) , T0 N k 1 gdzie: N – liczba zebranych próbek w okresie T, k – numer próbki. Metoda próbkowania sygnałów stwarza możliwość pomiaru nie tylko mocy czynnej ale również mocy pozornej, mocy biernej, współczynnika mocy i wielu innych parametrów sygnałów wejściowych. Metoda stanowi podstawę działania współczesnych systemów pomiarowych. Przyrządy do pomiaru mocy charakteryzują następujące parametry: rodzaj przebiegów czasowych wielkości wejściowych (napięcia i prądu) – stałe, okresowo zmienne, sinusoidalne, niesinusoidalne (odkształcone), wartości znamionowe wielkości wejściowych - Un, In - największa wartość wielkości wejściowej dopuszczana przy długotrwałym działaniu przyrządu, maksymalne dopuszczalne wartości wielkości wejściowych – wartość wielkości wejściowej dopuszczana przy krótkotrwałym działaniu przyrządu; umożliwia przeciążenie określonego obwodu wejściowego w dopuszczalnych granicach, a w konsekwencji pomniejszenie błędu pomiaru mocy (np. Umax=2Un, Imax=1,5In), zakres pomiaru mocy Pn; jeżeli producent przyrządu nie podał zakresu mocy to można go obliczyć ze wzoru: Pn U n I n , np. przy Un=100V, In=2A, to Pn=200W, rezystancje i indukcyjność obwodów wejściowych, decydujące o poborze mocy przez watomierz i błędzie metody pomiaru mocy; klasa dokładności watomierza - określa błędy podstawowe watomierza (graniczne, dopuszczalne) błędy dodatkowe watomierza; wynikają z różnicy pomiędzy przyjętym umownie stanem odniesienia wielkości wpływowych a stanem tych wielkości w momencie wykonywania pomiaru mocy. Wielkościami wpływowymi nazywamy wielkości, które nie są celem pomiaru a mają znaczący wpływ na wskazania miernika, jak np. częstotliwość, temperatura; zamiast wartości błędu dodatkowego producent może podać dopuszczalne granice wartości wielkości wpływowych, np.: (40...50...500)Hz, (15...23...40)0C. 2. Metody i układy pomiarowe Pomiary mocy są wykonywane w oparciu o definicje mocy podane w punkcie 1. Jeżeli wynik pomiaru mocy jest odczytywany przez obserwatora na polu odczytowym przyrządu, to taki pomiar jest nazywany pomiarem bezpośrednim. Natomiast jeżeli wartość mocy jest obliczana na podstawie wyników pomiarów innych wielkości, np. napięcia i prądu, to pomiar mocy jest nazywany pomiarem pośrednim. Metoda pośrednia Metoda pośrednia z wykorzystaniem woltomierza i amperomierza jest stosowana wtedy, gdy napięcie i prąd obiektu pomiaru mają zbyt małe wartości w stosunku do zakresów dostępnych watomierzy(rys. 3). Metoda jest więc stosowana w obwodach prądu stałego przy pomiarach obiektów o małej mocy. Wartość mocy oblicza się ze wzoru (1) na podstawie wskazań woltomierza UV i amperomierza IA: P=UV IA. Szczegółowa analiza układów przedstawionych na 6 rys. 3 wskazuje, że obliczona wartość P mocy nie jest równa dokładnie mocy odbiornika. Różnica między obliczoną mocą P a wartością poprawną jest zależna od sposobu połączenia układu pomiarowego (rys. 3a lub 3b) i nazywana jest błędem bezwzględnym metody mP. Błąd metody pomiaru mocy można znacznie ograniczyć przez wprowadzenie do wyniku pomiaru poprawki. I tak, wartości poprawne mocy odbiornika Podb należy obliczać za wzorów U2 dla układu z rys. 3a: Podb U o I o U V (I A I V ) P V P ( m P) a , (23) RV a dla układu z rys. 3b: Podb U o I o U V U A I A P m P b . (24) Poprawkę należy stosować wtedy, gdy jej wartość jest porównywalna z innymi błędami wpływającymi na dokładność pomiaru. UA + Uo UZ - IV + Io UA + + A V IA Io Uo UZ - UV a Odbiornik A IA Odbiornik + IV + V UV b Rys. 3. Układy do pomiaru mocy metodą pośrednią za pomocą woltomierza i amperomierza, a – przy poprawnym pomiarze napięcia odbiornika, b - przy poprawnym pomiarze prądu odbiornika. Obliczona ze wzorów (23) lub (24) moc Podb jest obarczona niepewnością wynikającą głównie z błędów aparaturowych użytych przyrządów. Metoda woltomierza i amperomierza jest również stosowana w obwodach prądu przemiennego do pomiaru mocy pozornej S, zarówno przy przebiegach sinusoidalnych jak i odkształconych. Metoda bezpośrednia W metodzie bezpośredniej pomiaru mocy w obwodach prądu stałego jak i przemiennego wykonuje się za pomocą odpowiedniego miernika mocy. Miernik wskazujący moc czynną nazywany jest watomierzem. Miernik wskazujący moc bierną, nazywany waromierzem, jest stosowany tylko w obwodach prądu przemiennego. Na rys. 4a przedstawiono sposób włączenia watomierza do obwodu jednofazowego. W celu zapewnienia poprawnej pracy watomierza jego obwód prądowy (I-I) należy włączyć szeregowo do przewodu fazowego, przy tym początek obwodu, oznaczony symbolem *, musi być włączony od strony zasilania. Obwód napięciowy watomierza (U-U) należy włączyć równolegle do odbiornika (1-PEN) lub zasilania (2-PEN), przy czym początek obwodu musi być włączony do przewodu fazowego. Nie zachowanie tych reguł spowoduje to, że wskazówka watomierza nie będzie odchylać się na podziałkę. 230 V, 50 Hz PEN (2) A * (3) I W IWU IV Uo U UA UWI IA (1) I V UV Odbiornik L Autotransformator *U Io 7 a UV=UWU UWI IA=IWI Uo=UV=UWU UA IV Uo IWU o Io=IA=IWI o Io W W b c Rys. 4. Układ do pomiaru mocy w obwodzie jednofazowym, a – schemat układu pomiarowego, b – wykres wektorowy napięć i prądów istotnych przy pomiarze mocy, gdy obwód napięciowy jest załączony na zaciski odbiornika [PEN-(1)], c - wykres wektorowy napięć i prądów istotnych przy pomiarze mocy, gdy obwód napięciowy jest załączony na zaciski zasilania [PEN-(2)]. Jeżeli celem pomiaru jest wyłącznie pomiar mocy czynnej, to woltomierz i amperomierz służą tylko do kontroli napięcia i prądu, a ich dokładność mogą być znacznie mniejsza od dokładności watomierza. Jeżeli jednak ma być mierzona moc pozorna i współczynnik mocy, to dokładności woltomierza i amperomierza muszą być odpowiednio dobrane. Wskazanie watomierza Pw zależy od konfiguracji połączeń układu pomiarowego. Obwód napięciowy watomierza (U-U) oraz woltomierz V są połączone równolegle i mogą być włączone między przewód ochronno-neutralny PEN sieci i punkt 1, tj. na napięcie odbiornika, lub punkt 2, tj. na napięcie zasilania. Nie zaleca się włączania napięciowych obwodów pomiarowych między przewód PEN i punkt 3. Moc czynną wskazywaną przez wielozakresowy watomierz analogowy oblicza się ze wzoru PW W c W , (25) w którym cw - stała watomierza. Moc PW wskazywana przez watomierz jest większa od mocy odbiornika o moc traconą w przyrządach pomiarowych. W przypadku, gdy obwody napięciowe układu pomiarowego są załączone na napięcie odbiornika (1-PEN), poprawną wartość mocy odbiornika Podb oblicza się odejmując od wskazania watomierza moc traconą w woltomierzu i obwodzie napięciowym watomierza 1 1 . (26) Podb PW ( m P) (1) PW U o I WU U o I V PW U 2V R R V WU Poprawną wartość mocy biernej odbiornika Qodb wynika ze wzoru Q odb U V I A 2 PW2 , a poprawną wartość mocy pozornej odbiornika z zależności (27) 8 Sodb U V I A 2 PW2 Po2 . (28) Jeżeli obwody napięciowe układu pomiarowego są załączone do zacisków zasilania (2-PEN), to poprawną wartość mocy odbiornika oblicza się ze wzorów: Podb PW ( m P) ( 2) PW (U A I o U WI I o ) PW I 2A R A R WI , Q odb U V I A 2 PW2 2 f L A L WI I 2A , 2 2 Sodb Podb Q odb . (29) (30) (31) Znajomość mocy czynnej Podb i mocy pozornej Sodb pozwala obliczyć współczynnik mocy P (32) PF cos odb . Sodb 3. Program ćwiczenia Zestawionym układem pomiarowym z poprawnie mierzonym napięciem zmierzyć moc czynną i współczynnik mocy odbiorników jednofazowych (żarówek), w tym: 1. Na podstawie pomiarów próbnych oszacować wartości błędów metody pomiaru mocy i prądu; przeanalizować potrzebę uwzględnienia poprawek na wskazania watomierza i amperomierza. 2. W czasie pomiarów zwrócić uwagę na wahania wartości prądu i mocy; określić stosunek tych wahań do wartości błędów granicznych stosowanych mierników. W przypadku ich znaczących wartości uwzględnić je w obliczeniu niepewności pomiaru w postaci błędu odczytu. 3. Z obrazu oscyloskopowego ocenić kształty przebiegów napięcia i prądu. Przebiegi odkształcone przedstawić rysunkiem z opisem ich parametrów (amplitudy, okres, czas trwania, itp.) 4. Na podstawie porównania wskazań stosowanych w układzie pomiarowym dwóch różnych typów amperomierzy (elektromagnetycznego i z przetwornikiem wartości średniej) ocenić ich przydatność w pomiarach prądów sinusoidalnych i odkształconych. . 4. Przykład opracowania wyniku pomiaru Wyznaczono współczynnik mocy odbiornika z pomiarów: P=65,3W, U=236V, I=482mA. Niepewności standardowe stosowanych przyrządów były następujące: ur(P)=0,65%, ur(U)=0,84%, ur(I)=0,44%. Określ niepewność względną pomiaru PF oraz zapisz wynik pomiaru na poziomie ufności 0,95. Podb P 65,3W 0,5741 . Sodb U I 236V 0.482A Z równania pomiaru wynika wzór na obliczenie względnej niepewności standardowej łącznej pomiaru PF Wartość współczynnika mocy: PF u r (PF) u 2r (P) u 2r ( U) u 2r (I) . Dla przykładu będzie: u r (PF) (0,65%) 2 (0,84%) 2 (0,44%) 2 1,15% 9 Niepewność rozszerzona dla p=0,95 ma współczynnik rozszerzenia k=2, więc Ur(PF) =k ur(PF)= 2 1,15% = 2,30% Niepewność rozszerzona bezwzględna: U(PF)=(Ur(PF) PF)/100%=(2,30% 0,5741)/100%=0,013 Wynik pomiaru: PF=0,5740,013 p=0,95 ; niepewność względna pomiaru: 2,3%. Tab. 1. Pomiary mocy źródeł światła pomiar napięcia Rodzaj źródła Uz V UV V pomiary prądu I*(1) ur(U) % mA pomiar mocy cw Pw ur(P) pw (poprawka) W/dz W % W I dI Iz ; cA % mA mA/dz A IA ur(I) Pz w dz mA % W dz Pp U(P) p=0,95 W PF U(PF) p=0,95 ............ ............ ............ ............ ............ ............ * (1) I - prąd zmierzony amperomierzem z przetwornikiem wartości średniej (multimetr V 640). W przypadku pomiaru prądu odkształconego występuje błąd dodatkowy dI, którego wartość można oszacować przez porównanie wskazań miernika z wynikiem pomiaru amperomierzem elektromagnetycznym: dI = [(I*- IA) / IA ] 100% Wzory: poprawka na wskazania watomierza pw = -U2 (1/RV + 1/RW); poprawna wartość mocy Pp PW p w ; współczynnik mocy odbiornika PF=Pp/(UV IA). Obliczenia niepewności pomiaru mocy - jak dla pomiarów bezpośrednich. Obliczenia niepewności pomiaru współczynnika mocy: u r PF u 2r P u 2r U u 2r I , U r PF k u r PF - gdzie dla p = 0,95 - k = 2 . Tab. 2. Pomiary oscyloskopem prądu odkształconego (pobieranego przez żarówkę gazowaną) Wartość maksymalna impulsu: Im = Um/ R lmax cu Um R Im dz V/dz V mA Względny czas trwania impulsu: ( t imp T/2 Czas trwania impulsu timp lt ct timp dz ms ms/dz )100% ........%, gdzie T jest okresem. A1 – amperomierz z przetwornikiem wartości średniej, A2 – amperomierz elektromagnetyczny. 230V 50Hz A1 Zasilacz * A2 * W 0...230V V R=10 Trnasformator 230V / 6V CH1 Oscyloskop CH2 Układ do pomiaru mocy źródeł światła