ЕРВ

Однією з важливих величин, які доводиться вимірювати у колах змінного струму, як це вже було з’ясовано у попередній главі, є коефіцієнт потужності, котрий часто ототожнюють з величиною косинуса кута зсуву фази струму відносно фази напруги. Для оперативних вимірювань коефіцієнта потужності необхідні прилади, що безпосередньо вимірюють величину кута зсуву фаз і косинуса цього кута. Саме такими приладами є фазометри.

Фазометри виготовляють для вимірів як у колах однофазного змінного струму, так і у симетричних колах трифазного струму. Для вимірювань у несиметричних колах трифазного струму фазометри непридатні через невизначеність самого поняття зсуву фаз для таких кіл. Фазометри виготовляють на основі логометричних електродинамічних, феродинамічних чи електромагнітних вимірювальних механізмів. Виробляють також і електронні фазометри.

На енергетичних підприємствах найчастіше використовують трифазні електродинамічні і феродинамічні фазометри як стаціонарні прилади повсякчасного користування. В лабораторних умовах найчастіше користуються електродинамічними переносними фазометрами.

Задля прямого вимірювання кута зсуву фаз між напругою і струмом частіше за все користуються електродинамічними фазометрами. Стаціонарні фазометри зразу градуюють у значеннях косинуса кута зсуву фаз.

Переносні лабораторні фазометри часто мають дворядну шкалу. В одному ряді позначено величину кутів зсуву фаз у електричних градусах, у іншому — косинуси кутів зсуву.

Найпростіші за будовою електродинамічні фазометри. Схему одного з таких фазометрів, ввімкненого для вимірювання косинуса кута зсуву фаз, зображено на рис. 1, а.

Розміщення обмоток його вимірювального механізму зображено на рис. 1, б. Фазометр має нерухомі котушки W₁ котрими проходить струм контрольованої ділянки електричного кола І, та дві обмотки-рамки рухомої частини приладу, закріплені на осі разом зі стрілкою-покажчиком. Дросель з індуктивністю L і, конденсатор С і резистор r зсувають струми I₁ та I₂, що проходять по обмотках-рамках Р₁ і Р₂ так, щоб кут зсуву між струмами I₁ та I₂ був близьким до 90° (електричних, тобто щоб один струм був зсунутий відносно іншого майже на чверть періоду синусоїди).

Якщо взаємне положення рамок і стрілки приладу буде таке, як показано на рисунку, то кут відхилення стрілки від середнього положення буде відповідати куту зсуву фаз струму I у контрольованій ділянці кола від напруги U, прикладеної до цієї ділянки. Такий прилад, маючи позначку одиниці косинуса зсуву фаз посередині шкали, може вимірювати косинуси кутів зсуву фази струму як у бік відставання від прикладеної напруги (при індуктивному характері опору навантаження Z_H), так і у бік випередження струмом цієї напруги (при ємнісному характері опору навантаження Z_H). В останньому випадку відхилення стрілки від середнього її положення буде протилежним тому, що було при індуктивному характері опору навантаження. У подібних фазометрах, що їх виробляють в Україні, межі вимірювання косинуса зсуву фаз найчастіше бувають від одиниці до 0, 5 (у кутових одиницях — це від нуля до 60 електричних градусів). Шкалу фазометра зображено на рис. 1, в.

РРисунок 1. Однофазний електродинамічний фазометр: а – принципова схема; б – будова вимірювального механізму; в – шкала

Іноді виробники фазометрів вважають доцільним виконувати у фазометрів дільниці шкали, що відповідають різним напрямам зсуву фаз, неоднаковими. Наприклад, частину шкали, що відповідає куту відставання струму від напруги, роблять приблизно на 80 % довжини всієї шкали (для показання косинусів кутів зсуву фаз від 1,0 до 0,2), а ділянку, що відповідає випереджувальним кутам зсуву, роблять на лишку (близько 20%) довжини шкали. Цього можна досягти при виробництві приладів шляхом виконання кута між рамками, відмінним від 90°, та несиметричним закріпленням стрілки приладу відносно рамок на осі фазометра.

Зауважимо, що у фазометрах, як і в усіх приладах з логометричними вимірювальними механізмами, положення стрілки відносно шкали при вимкнених приладах може бути довільним, бо ці прилади не мають пружин, які б завжди повертали стрілку приладу на певне місце, а мають “безмоментні” струмопідводи (їх у таких приладах три, умовно зображених на схемі біля рамок у вигляді хвилястих ліній), що створюють незначний момент протидії, сумірний з моментом від сил тертя кернів у підп’ятниках.

На показання фазометрів суттєво впливає зміна частоти напруги. Це пояснюється тим, що ця зміна впливає у різних напрямах на величини струмів I₁ та I₂, що проходять рамками Р₁ і Р₂ (наприклад, зменшення частоти зменшує величину струму, що проходить крізь ємність С, і збільшує струм, що проходить через індуктивність L). Тому на відміну від більшості інших приладів, яким гарантована робота при коливаннях величини частоти на ±10 %, порівняно з номінальною частотою (щоправда, з можливістю появи додаткової похибки, не більшої як допустима класом точності приладу), для таких фазометрів встановлено границі допустимої зміни робочої частоти напруги, що не перевищує ±1 % від значення номінальної частоти.

Для того щоб зменшити величину додаткової похибки фазометрів, що виникла в результаті відхилення величини частоти напруги від її номінального значення, ряд фазометрів має схему, дещо відмінну від тієї, що ми розглянули. Таку поліпшену схему наведено на рис. 2. На відміну від схеми попередньо розглянутого фазометра, в цій схемі обмотку однієї з рамок виконано з двох частин Р₁ і Р₂ двома паралельними проводами. При цьому кінець обмотки однієї з частин з’єднується разом з початком обмотки іншої частини (на схемі початок обмотки кожної із вказаних частин помічено крапкою). Вільні кінці частин обмотки приєднано до індуктивності L і ємності С. Завдяки такому з’єднанню частин обмотки і тому, що фаза струму у вітці з індуктивністю L майже на 90° зсунута у бік відставання від фази напруги, а фаза струму в галузці з ємністю С майже на 90° зсунута у бік випередження відносно фази напруги, магніторушійні сили обох частин рамки Р₁ і Р₂ додаються

Якщо ж частота напруги U з якоїсь причини змінюється (наприклад, зменшується), то величина струму, що проходить у вітці з індуктивністю, збільшиться (бо зменшиться реактивний опір індуктивності). У той самий час величина струму у вітці з ємністю зменшиться (внаслідок збільшення реактивного опору ємності). Загальна величина магніторушійної сили, створеної обома частинами рамки, майже не зміниться.

Рисунок 2. Схема однофазного електродинамічного фазометра з компенсацією впливу зміни частоти напруги на показання приладу

Відносно ж величини струму у рамці Р₃ яку ввімкнено послідовно з активним резистором R, що має опір у багато разів більший, ніж опір обмотки самої рамки, то величина цього струму практично не залежить від величини частоти.

Таким чином, зміна частоти напруги не викликає у такому приладі зміни величини магнітної дії рамок, а отже й зміни показань фазометра.

Звичайно, цей висновок справедливий при незначних змінах величини частоти напруги. Але, в усякому разі, фазометри, виконані за цією схемою, можуть успішно працювати у межах свого класу точності при змінах величини частоти напруги до ±5 % від номінальної.

Для визначення величини коефіцієнта потужності у однофазних колах, крім способу прямого вимірювання з допомогою фазометра, іноді користуються способом посереднього вимірювання за допомогою трьох приладів — амперметра, вольтметра і ватметра, увімкнутих за схемою, зображеною на рис. 3. При цьому коефіцієнт потужності (cos φ) визначають розрахунком з виразу

де Р — потужність, виміряна ватметром, Вт;

U — напруга, виміряна вольтметром, В;

I — струм, виміряний амперметром, А.

Рисунок 3. Схема вмикання електровимірювальних приладів для посереднього визначення величин коефіцієнта потужності

Слід зауважити, що точність посереднього вимірювання коефіцієнта потужності значно нижча, ніж при прямому вимірюванні. Причинами цього є складність точного одночасного зняття показань із трьох приладів, необхідність зважати на похибки всіх трьох приладів, можливість появи додаткової кутової похибки ватметра, якщо вимірювання виконують звичайним ватметром при коефіцієнті потужності меншому, ніж 0,5, та можливість похибки при розрахунку. Саме тому посередні вимірювання коефіцієнта потужності на енергетичних підприємствах використовувати недоцільно. Такі вимірювання іноді застосовують в лабораторних умовах, де є можливим використання вимірювальних приладів підвищених класів точності (наприклад, класів 0,2 або 0,5) і проведення багаторазового вимірювання.

Енергобудівні та енергопостачальні підприємства оперують електричною енергією трифазного струму і постачають її, головним чином, промисловим споживачам при однакових лінійних напругах, бо навантаження на лінії передач і електричні станції створюються в основному трифазними електродвигунами чи трифазними перетворювачами, що симетрично навантажують усі три фази ліній електропостачання. При цих умовах величини кута зсуву фаз чи косинуса цього кута можна вимірювати фазометрами, будова якого навіть простіша за будову однофазних фазометрів.

Схему трифазного електродинамічного фазометра, ввімкненого для вимірювання коефіцієнта потужності у трифазному симетричному колі, зображено на рис. 4. Незважаючи на те, що цей фазометр трифазний, конструктивне виконання його таке саме, як однофазного (див. рис. 1). Фазометр має послідовні котушки, ввімкнені лише у коло струму першої фази. Одні кінці обмотки рамок Р₁ і Р₂ приєднано до цієї фази, а інші — через додаткові опори r_Д1 і r_Д2 до фаз 2 і 3.

Рисунок 4. Схема ввімкнення фазометра для вимірювання коефіцієнта потужності у трифазному симетричному колі

Відміна трифазного електродинамічного фазометра від однофазного в тому, що у нього кут між рамками становить 60° і відсутні елементи, які б створювали зсув фази струму в рамках відносно фази напруг, прикладених до їхніх кіл. У трифазному фазометрі струми рамок можуть бути в фазі з напругами, прикладеними до цих кіл, бо самі ці напруги знаходяться між собою під кутом у 60° (електричних).

Наявність ввімкнених послідовно з рамками додаткових активних опорів значної величини і відсутність у їх колах Додаткових реактивних опорів робить трифазні фазометри практично незалежними від величини частоти напруги у мережі. За аналогічними схемами побудовано і трифазні феродинамічні фазометри. Щодо електромагнітних фазометрів, то вони мають складну технологію виготовлення нерухомих обмоток та трудомісткі при складанні. Тому електромагнітні фазометри нині не виготовляються і тут не розглядатимуться.

Звичайно у трифазних симетричних колах можна розрахувати величину коефіцієнта потужності за показами трифазного ватметра, вольтметра і амперметра:

де Р– потужність, визначена ватметром, Вт;

Uл – лінійна напруга, що є між проводами мережі, В;

Iл – лінійний струм, що проходить проводами мережі, А.

Зауваження щодо точності визначення коефіцієнта потужності таким посереднім способом будуть такі самі, що й до визначення коефіцієнта потужності на однофазному струмі. Хіба що стосовно трифазних кіл ще додається похибка від появи деякої (хоч і невеликої) несиметрії напруг чи струмів.

Щодо визначення коефіцієнта потужності у несиметричних трифазних колах, то його середнє значення за деякий проміжок часу визначають посереднім способом за показаннями активного і реактивного лічильників електричної енергії.