MASURAREA PUTERII ELECTRICE SI A ENERGIEI ACTIVE ĨN CIRCUITE DE CURENT CONTINUU SI CURENT ALTERNATIV MONOFAZATE

MASURAREA PUTERII ELECTRICE SI A ENERGIEI ACTIVE ĨN CIRCUITE DE CURENT CONTINUU SI CURENT ALTERNATIV MONOFAZATE

SCOPUL LUCRARII

Lucrarea are drept scop prezentarea metodelor de masurare ale puterii in circuite de curent continuu si in circuite de curent alternativ monofazate, punerea in evidenta a metodelor de masurare a energiei electrice, prezentarea contorului de inductie monofazat .

2. CONSIDERATII TEORETICE

2.1. MASURAREA PUTERII ĨN CIRCUITE DE CURENT CONTINUU

Puterea absorbita de un receptor, conectat intr-un circuit de c.c. se defineste ca produsul intre tensiunea la bornele sale U_R si curentul pe care il absoarbe de la sursa de alimentare I_R:

(3.1)

Puterea debitata de un generator se defineste ca produsul intre tensiunea la bornele sale U_G si curentul debitat I_G:

(3.2)

Din definitiile date puterilor : absorbita de un receptor si debitata de un generator, rezulta metodele de masurare ale puterii in curent continuu:

a)      metoda indirecta a ampermetrului si voltmetrului;

b)      metoda directa a wattmetrului.

2.1.1. Metoda indirecta a ampermetrului si voltmetrului

Considerand montajul din fig 3.1 a, se calculeaza:

puterea debitata de generator

(3.3)

puterea consumata de receptor

(3.4)

Se constata ca in calculul acestor puteri P_R si P_G se scad sau se adauga puterile consumate de aparate.

Se constata ca in calculul acestor puteri P_R si P_G se scad sau se adauga puterile consumate de aparate.

2.1.2. Metoda directa de masurare a puterii cu wattmetrul

Aceasta masurare se executa analog cu masurarea puterii in curent alternativ, ca la 2.2.1 si 2.2.2.

2.2. MASURAREA PUTERII ĨN CIRCUITE MONOFAZATE DE CURENT ALTERNATIV

Consideram un dipol electric avand aplicata la borne tensiunea u si fiind parcurs de curentul i. Se poate defini puterea instantanee la borne prin relatia:

(3.5)

Puterea activa consumata de receptor sau debitata de un generator se defineste ca valoarea medie a puterii instantanee pe o perioada:

Pentru un circuit monofazat care functioneaza in regim permanent sinusoidal:

Se definesc urmatoarele marimi:

puterea activa

puterea reactiva

puterea aparenta (3.8) unde U = valoarea efectiva a tensiunii

I = valoarea efectiva a curentului

j = defazajul dintre curent si tensiune

Pentru masurarea puterii active se utilizeaza:

wattmetre clasice (electrodinamice, termice);

multiplicatoare statice (bazate pe efectul Hall, efectul Gauss, multiplicator cu diode semiconductoare, multiplicator cu transconductanta variabila);

metoda indirecta a celor 3 aparate (voltmetru, ampermetru, cosfimetru);

metoda indirecta cu ajutorul osciloscopului catodic.

Metoda folosita cel mai des pentru masurarea puterii in curent alternativ monofazat este metoda de masurare cu wattmetrul electrodinamic. Acesta permite citirea directa a puterii din circuitul masurat.

Wattmetrul electrodinamic are la baza un instrument electrodinamic cu camp radial , care are capetele bobinei fixe inseriate in circuitul de masura si astfel dimensionate incat sa permita trecerea curentului I. Bobina mobila este conectata in serie cu o rezistenta aditionala, la bornele ansamblului aplicandu-se tensiunea U (fig.3.2.a).

Bobina fixa numita si bobina de curent are dimensiuni mari, este impartita in 2 parti egale, fiind bobina cu sarma groasa si avand rezistenta electrica foarte mica.

Bobina mobila numita si bobina de tensiune are dimensiuni mult mai mici, este foarte usoara, are spire de diametru mic si este plasata in interiorul bobinei de curent.

Acul indicator al aparatului este fixat de axul acestei bobine si se roteste odata cu bobina de tensiune (fig.3.2.a).

Deviatia acului este data de relatia:

(3.9)

unde k este constanta ce depinde de forma constructiva a bobinelor .

Rezulta ca deviatia a este proportionala cu puterea activa data de tensiunea aplicata bobinei de tensiune si curentul ce parcurge bobina de curent a wattmetrului.

Daca bobinele se leaga in circuit cu capetele inversate, acul indicator deviaza invers. Pentru a evita acest neajuns, capetele de inceput ale celor doua bobine se noteaza la exterior cu semn distinctiv si se numesc borne polarizate (fig.3.2.b si c).

OBSERVATIE Datorita faptului ca deviatia wattmetrului este direct proportionala cu factorul de putere, se poate ca in cazul folosirii neatente a aparatului in montajele din laborator, circuitele de curent si de tensiune sa fie supraincarcate, dar deviatia acului indicator sa nu depaseasca valoarea maxima. De aceea, in acelasi montaj cu wattmetru se foloseste un ampermetru si un voltmetru pentru a urmari parametrii din circuit, pentru a nu depasi limita superioara a intervalului de masurare al circuitelor wattmetrului.

Ĩn functie de modul de conectare a bobinei de tensiune a wattmetrului se disting doua montaje: aval si amonte.

2.2.1. Montajul pentru masurarea puterii electrice cu wattmetrul

Schema de montaj este prezentata in figura 3.3.

Puterea debitata de generator, prin analogie cu relatia (3.3) este:

(3.10)

unde P_W - puterea indicata de wattmetru

PREZENTAREA CONTORULUI DE INDUCTIE

Energia electrica reprezinta integrala puterii electrice, intr-un anumit interval de timp.

(3.11)

unde P reprezinta puterea activa a receptorului

Energia reactiva este exprimata prin relatia:

unde Q reprezinta puterea reactiva.

Aparatele care se folosesc pentru masurarea energiei electrice au unul sau mai multe sisteme active, care sa produca un cuplu activ proportional cu puterea activa sau reactiva si un dispozitiv integrator care permite integrarea acestor marimi.

Masurarea energiei electrice se efectueaza cu ajutorul contoarelor.

Clasificarea contoarelor se face in functie de:

a)      circuitul in care se conecteaza :

contoare de c.c.

contoare de c.a.

b)      principiul de functionare:

de inductie

statice (electronice)

electrodinamice

Ĩn circuitele de curent continuu se folosesc in special contoarele electrodinamice. Ĩn circuitele de curent alternativ se utilizeaza contoarele de inductie, realizate pe baza instrumentelor de inductie pentru masurarea energiei active precum si pentru masurarea energiei reactive.

Parametrii nominali ai contorului monofazat sunt:

tensiunea nominala U_n [V];

curentul nominal I_n [A];

curentul de suprasarcina I_ss [A];

frecventa nominala f_n [Hz];

constanta contorului C_c [ rot/kWh];

curentul de pornire I_p = 0.5% I_n;

clasa de precizie C.

Din punct de vedere constructiv, contorul monofazat de inductie se compune dintr-un dispozitiv wattmetric, al carui cuplu este proportional cu puterea activa si dintr-un mecanism integrator (sistem de roti dintate), care permite obtinerea energiei intr-un anumit interval de timp.

Dispozitivul wattmetric de inductie este alcatuit din 2 electromagneti de curent alternativ - unul de curent, cu infasurarea parcursa de curentul absorbit de receptor si altul de tensiune cu infasurarea alimentata cu tensiunea de la bornele receptorului si un disc de aluminiu (fig.3.7).

Curentii alternativi prin bobina de curent I si prin bobina de tensiune I_V produc fluxuri magnetice utile, variabile in timp F_I si F_V. Fluxurile magnetice F_I si F_V strabat discul de aluminiu si induc in acesta tensiuni electromotoare prin transformare. Aceste tensiuni determina aparitia in disc a unor panze de curenti turbionari indusi.

Ca urmare a interactiunii dintre fluxuri si panzele de curenti turbionari indusi in disc, apar forte Laplace care produc un cuplu activ si imprima discului o miscare de rotatie.

Momentul cuplului activ este:

(3.13)

Sensul de rotatie a discului este dinspre polul parcurs de fluxul defazat inainte F_I, catre polul cu fluxul defazat in urma.

Sub actiunea cuplului activ, discul incepe sa se roteasca si intersecteaza liniile campurilor magnetice din intrefierurile electromagnetilor de curent si de tensiune. Ĩn disc se induc tensiuni electromotoare prin miscare, care produc curenti. Din interactiunea dintre curentii indusi prin miscare in disc si fluxurile care I-au produs apar cupluri suplimentare care se opun miscarii.

Cuplul de autofranare in campul electromagnetului de curent este:

(3.14)

unde w_r - viteza unghiulara de rotatie a discului

Cuplul de autofranare in campul electromagnetului de tensiune este:

Discul contorului de inductie se va roti sub actiunea unui cuplu rezultant:

(3.16)

Ĩn constructia contorului se iau masuri de compensare a cuplului de autofranare.

Observatie. Contoarele sunt realizate pana la tensiuni de 650V si curenti de 100A.

Schema de conectare directa a contorului intr-un circuit monofazat este prezentata in figura 3.8.

3. MONTAJUL SI APARATURA NECESARA

3.1. Masurarea puterii in curent continuu

Se executa montajul urmator:

In care A - ampermetru de c.c.

V - voltmetru de c.c.

K - comutator cu 2 pozitii

R_h - reostat cu cursor

Daca k este pe pozitia 1 avem montajul amonte, iar daca k este pe pozitia 2 avem montajul aval.

3.2. Masurarea puterii in curent alternativ cu ajutorul wattmetrului electrodinamic

Se executa montajul din figura 3.7.

In care A - ampermetru de c.a.

V - voltmetru de c.a.

W - wattmetru electrodinamic

C - condensator, bobina variabila

h₁ - becuri

3.3. Masurarea energiei electrice cu ajutorul contorului

Se considera montajul din figura 3.13, in care:

ATR₁,ATR₂ - autotransformatoare reglabile

A - ampermetru de c.a.

W - wattmetru monofazat

V - voltmetru de c.a.

C - contor monofazat

Se observa ca sunt folosite 2 surse separate:

curentul este obtinut cu ajutorul autotransformatorului ATR₁ ( care aduce tensiunea in gama de 12V) sau se poate folosi un generator de semnal sinusoidal cu frecventa f = 50Hz;

tensiunea este furnizata de ATR₂ astfel incat avem un curent mic necesar voltmetrului, bobinelor de tensiune a wattmetrului si contorului.

Se aplica timp de 30 minute tensiune astfel incat contorul sa fie parcurs de curent un timp suficient de mult pentru a obtine stabilitate in functionare.

4. DESFASURAREA LUCRARII

Se executa montajul din figura 3.6. Se trece comutatorul in pozitiile 1 si 2 pentru a realiza montajele amonte, respectiv aval. Se citesc indicatiile aparatelor si se determina P_G si P_R. Se fac masuratori pentru 5 rezistente diferite. Rezultatele se trec in tabelul 3.1.

Tabelul 3.1.

Se executa montajele din figura 3.7. a si b si se citesc indicatiile aparatelor. Se inchid pe rand comutatoarele k₁ - k₄ pentru fiecare montaj. Rezultatele se trec in tabelul 3.2.

Tabelul 3.2.

5. Continutul referatului

Se vor completa tabelele de mai sus si se vor face observatii si interpretari asupra rezultatelor masuratorilor.

Se va raspunde la urmatoarele intrebari :

1. Cum se calculeaza constanta wattmetrului in circuite monofazate de c.a?

Pe baza carei energii are loc deplasarea acului indicator al wattmetrului?

3. Daca impedanta receptorului este foarte mare, ce metoda de masurare este indicata sa se foloseasca? Dar daca este foarte mica?

4. Care este rolul condensatorului C din figura 3.6. si ce valoare trebuie sa aiba el? De ce?

5. Care sunt elementele componente ale contorului de inductie?

6. Sa se precizeze in baza carui efect se produce miscarea de rotatie a discului contorului?

Ce inseamna caracteristica de mers in gol a contorului?