Misurazione dell'energia elettrica
Un prodotto elettrico, in conformità con il suo scopo, consuma (genera) energia attiva consumata per svolgere un lavoro utile. A tensione, corrente e fattore di potenza costanti, la quantità di energia consumata (generata) è determinata dal rapporto Wp = UItcosφ = Pt
dove P = UIcosφ — potenza attiva del prodotto; t è la durata del lavoro.
L'unità di misura dell'energia nel SI è il joule (J). In pratica, per il watt NS ora si utilizza ancora un'unità di misura non sistematica (tu NS h). La relazione tra queste unità è la seguente: 1 Wh = 3,6 kJ o 1 W s = 1 J.
Nei circuiti a corrente intermittente, la quantità di energia consumata o generata viene misurata per induzione o elettronicamente mediante elettrometri.
Strutturalmente, il contatore a induzione è un motore microelettrico, ogni giro del rotore corrisponde a una certa quantità di energia elettrica. Il rapporto tra le letture del contatore e il numero di giri compiuti dal motore si chiama rapporto di trasmissione ed è indicato sul cruscotto: 1 kW NS h = N giri del disco.Il rapporto di trasmissione determina la costante del contatore C = 1 / N, kW NS h / giro; ° С=1000-3600 / N W NS s / giro.
In SI, la costante del contatore è espressa in joule, poiché il numero di giri è una quantità adimensionale. I contatori di energia attiva sono prodotti sia per reti monofase che trifase a tre e quattro fili.
Riso. 1... Schema per il collegamento di dispositivi di misurazione a una rete monofase: a - diretto, b - una serie di trasformatori di misura
Un contatore monofase (Fig. 1, a) di energia elettrica ha due avvolgimenti: corrente e tensione e può essere collegato alla rete secondo schemi simili agli schemi di commutazione dei wattmetri monofase. Per eliminare errori all'accensione del contatore e quindi errori nella misura dell'energia, si consiglia in ogni caso di utilizzare il circuito di commutazione del contatore indicato sul coperchio che ne copre le uscite.
Va notato che quando la direzione della corrente in una delle bobine del misuratore cambia, il disco inizia a ruotare nella direzione opposta. Pertanto, la bobina di corrente del dispositivo e la bobina di tensione devono essere accese, in modo che quando il ricevitore consuma energia, il contatore ruoti nella direzione indicata dalla freccia.
L'uscita di corrente, indicata con la lettera G, è sempre collegata all'alimentazione, e la seconda uscita del circuito di corrente, indicata con la lettera I. Inoltre, l'uscita della bobina di tensione, unipolare con l'uscita G del bobina di corrente, è anche collegato lateralmente sull'alimentatore.
Quando si accendono gli strumenti di misura tramite il trasformatore di misuraI trasformatori di corrente devono tenere conto contemporaneamente della polarità degli avvolgimenti dei trasformatori di corrente e dei trasformatori di tensione (Fig. 1, b).
I contatori sono prodotti sia per l'uso con qualsiasi trasformatore di corrente e trasformatore di tensione - universale, nella cui designazione del simbolo è aggiunta la lettera U, sia per l'uso con trasformatori i cui rapporti di trasformazione nominali sono indicati sulla loro targhetta.
Esempio 1. Un contatore universale con parametri Up = 100 V e I = 5 A viene utilizzato con un trasformatore di corrente con una corrente primaria di 400 A e una corrente secondaria di 5 A e un trasformatore di tensione con una tensione primaria di 3000 V e una tensione secondaria di 100 V.
Determinare la costante del circuito per la quale deve essere moltiplicata la lettura del contatore per trovare la quantità di energia consumata.
La costante del circuito si trova come prodotto del rapporto di trasformazione del trasformatore di corrente per il rapporto di trasformazione del trasformatore di tensione: D = kti NS ktu= (400 NS 3000)/(5 NS 100) =2400.
Come i wattmetri, i dispositivi di misurazione possono essere utilizzati con diversi convertitori di misurazione, ma in questo caso è necessario ricalcolare le letture.
Esempio 2. Un dispositivo di misurazione progettato per l'uso con un trasformatore di corrente con un rapporto di trasformazione kti1 = 400/5 e un trasformatore di tensione con un rapporto di trasformazione ktu1 = 6000/100 viene utilizzato in uno schema di misurazione dell'energia con altri trasformatori con tali rapporti di trasformazione: kti2 = 100/5 e ktu2 = 35000/100.Determinare la costante di circuito per la quale devono essere moltiplicate le letture del contatore.
Costante di circuito D = (kti2 NS ktu2) / (kti1 NS ktu1) = (100 NS 35.000) /(400 NS 6000) = 35/24 = 1,4583.
I contatori trifase progettati per misurare l'energia nelle reti a tre fili sono strutturalmente due contatori monofase combinati (Fig. 2, a, b). Hanno due bobine di corrente e due bobine di tensione. Di solito, tali contatori sono chiamati a due elementi.
Quanto detto sopra sulla necessità di osservare la polarità degli avvolgimenti del dispositivo e degli avvolgimenti dei trasformatori di misura utilizzati con esso nei circuiti di commutazione dei contatori monofase si applica interamente agli schemi di commutazione, contatori trifase.
Per distinguere gli elementi l'uno dall'altro nei contatori trifase, le uscite sono inoltre designate con numeri che indicano contemporaneamente la sequenza delle fasi della rete di alimentazione collegata alle uscite. Pertanto, alle conclusioni contrassegnate con i numeri 1, 2, 3, collegare la fase L1 (A), ai terminali 4, 5 - fase L2 (B) e ai terminali 7, 8, 9 - fase L3 (C).
La definizione delle letture dei contatori inclusi nei trasformatori è discussa negli esempi 1 e 2 ed è pienamente applicabile ai contatori trifase. Si noti che il numero 3, che si trova sul pannello del dispositivo di misurazione davanti al coefficiente di trasformazione come moltiplicatore, parla solo della necessità di utilizzare tre trasformatori e quindi non viene preso in considerazione nella determinazione del circuito costante.
Esempio 3… Determinare la costante di circuito per un contatore trifase universale utilizzato con trasformatori di corrente e tensione, 3 NS 800 A / 5 e 3 x 15000 V / 100 (la forma della registrazione ripete esattamente la registrazione sul pannello di controllo).
Determinare la costante del circuito: D = kti NS ktu = (800 x 1500)/(5-100) =24000
Riso. 2. Schemi per il collegamento di contatori trifase a una rete a tre fili: a-direttamente per misurare l'energia attiva (dispositivo P11) e reattiva (dispositivo P12), b - attraverso trasformatori di corrente per misurare l'energia attiva
È noto che quando si cambia fattore di potenza a correnti diverse I posso ottenere lo stesso valore di UIcos con potenza attivaφ, e, quindi, componente attiva della corrente Ia = Icosφ.
L'aumento del fattore di potenza comporta una riduzione della corrente I per una data potenza attiva e quindi migliora l'utilizzo delle linee di trasmissione e di altre apparecchiature. Con una diminuzione del fattore di potenza a potenza attiva costante, è necessario aumentare la corrente I consumata dal prodotto, il che porta ad un aumento delle perdite nella linea di trasmissione e in altre apparecchiature.
Pertanto, i prodotti con un basso fattore di potenza consumano energia aggiuntiva dalla fonte. ΔWp necessario per coprire le perdite corrispondenti al valore di corrente aumentato. Tale energia addizionale è proporzionale alla potenza reattiva del prodotto e, a condizione che i valori di corrente, tensione e fattore di potenza siano costanti nel tempo, è rilevabile dal rapporto ΔWp = kWq = kUIsinφ, dove Wq = UIsinφ — potenza reattiva (concetto convenzionale).
La proporzionalità tra l'energia reattiva di un prodotto elettrico e l'energia aggiuntiva generata dalla stazione viene mantenuta anche quando la tensione, la corrente e il fattore di potenza cambiano nel tempo. In pratica, l'energia reattiva viene misurata da un'unità esterna al sistema (var NS h e sue derivate — kvar NS h, Mvar NS h, ecc.) utilizzando appositi contatori strutturalmente del tutto simili ai contatori di energia attiva e che si differenziano solo per la commutazione circuiti degli avvolgimenti (vedi Fig. 2, a, dispositivo P12).
Tutti i calcoli coinvolti nella determinazione dell'energia reattiva misurata dai contatori sono simili ai calcoli precedenti per i contatori di energia attiva.
Va notato che l'energia consumata nell'avvolgimento di tensione (vedi Fig. 1, 2) non viene presa in considerazione dal contatore e tutti i costi sono a carico del produttore di elettricità e l'energia consumata dal circuito di corrente del dispositivo viene preso in considerazione dal contatore, ad es. i costi in questo caso sono attribuiti al consumatore.
Oltre all'energia, è possibile determinare alcune altre caratteristiche di carico utilizzando i misuratori di potenza. Ad esempio, in base alle letture dei contatori di energia reattiva e attiva, è possibile determinare il valore del carico tgφ medio ponderato: tgφ = Wq / Wp, Gdove vs — la quantità di energia presa in considerazione dal contatore di energia attiva per un dato periodo di tempo, Wq — lo stesso , ma preso in considerazione dal contatore di energia reattiva per lo stesso periodo di tempo. Conoscendo tgφ, dalle tavole trigonometriche trova cosφ.
Se entrambi i contatori hanno lo stesso rapporto di trasmissione e la stessa costante di circuito D, puoi trovare il carico tgφ per un dato momento.A tale scopo, per lo stesso intervallo di tempo t = (30 — 60) s, vengono letti contemporaneamente il numero di giri nq del contatore di energia reattiva e il numero di giri np del contatore di energia attiva. Allora tgφ = nq / np.
Con un carico sufficientemente costante, è possibile determinare la sua potenza attiva dalle letture del contatore di energia attiva.
Esempio 4… Un contatore di energia attiva con un rapporto di trasmissione di 1 kW x h = 2500 rpm è incluso nell'avvolgimento secondario del trasformatore. Gli avvolgimenti del contatore sono collegati tramite trasformatori di corrente con kti = 100/5 e trasformatori di tensione con ktu = 400/100. In 50 secondi il disco ha compiuto 15 giri. Determina la potenza attiva.
Circuito costante D = (400 NS 100)/(5 x 100) =80. Tenendo conto del rapporto di trasmissione, la costante del contatore C = 3600 / N = 3600/2500 = 1,44 kW NS s / giro. Tenendo conto dello schema costante C '= CD = 1,44 NS 80= 115,2 kW NS s / giro.
Pertanto, n giri dei dischi corrispondono al consumo di potenza Wp = C'n = 115,2 [15 = 1728 kW NS con. Pertanto, la potenza del carico P= Wp / t = 17,28 / 50 = 34,56 kW.