Messung elektrischer Energie
Ein elektrisches Produkt verbraucht (erzeugt) entsprechend seinem Zweck aktive Energie, die für die Ausführung nützlicher Arbeit verbraucht wird. Bei konstanter Spannung, Strom und Leistungsfaktor wird die Menge der verbrauchten (erzeugten) Energie durch das Verhältnis Wp = UItcosφ = Pt bestimmt
wobei P = UIcosφ – Wirkleistung des Produkts; t ist die Dauer des Jobs.
Die SI-Einheit der Energie ist das Joule (J). In der Praxis wird für die Watt-NS-Stunde (tu NS h) noch eine nichtsystematische Maßeinheit verwendet. Die Beziehung zwischen diesen Einheiten ist wie folgt: 1 Wh = 3,6 kJ oder 1 W s = 1 J.
In intermittierenden Stromkreisen wird die Menge der verbrauchten oder erzeugten Energie durch Induktion oder elektronisch durch Elektrometer gemessen.
Strukturell ist der Induktionszähler ein mikroelektrischer Motor, jede Umdrehung des Rotors entspricht einer bestimmten Menge elektrischer Energie. Das Verhältnis zwischen den Zählerständen und der Anzahl der Umdrehungen des Motors wird als Übersetzungsverhältnis bezeichnet und auf dem Armaturenbrett angezeigt: 1 kW NS h = N Umdrehungen der Scheibe.Das Übersetzungsverhältnis bestimmt die Zählerkonstante C = 1 / N, kW NS h / U; ° С=1000-3600 / N W NS s / rev.
Im SI wird die Zählerkonstante in Joule ausgedrückt, da die Anzahl der Umdrehungen eine dimensionslose Größe ist. Wirkenergiezähler werden sowohl für Einphasen- als auch für Drei- und Vierleiter-Drehstromnetze hergestellt.
Reis. 1... Schema zum Anschluss von Messgeräten an ein einphasiges Netzwerk: a – direkt, b – eine Reihe von Messtransformatoren
Ein einphasiger Zähler (Abb. 1, a) für elektrische Energie hat zwei Wicklungen: Strom und Spannung und kann nach Schemata an das Netzwerk angeschlossen werden, die den Schaltschemata von einphasigen Wattmetern ähneln. Um Fehler beim Einschalten des Zählers und damit Fehler bei der Energiemessung auszuschließen, wird in jedem Fall empfohlen, den Schaltkreis des Zählers zu verwenden, der auf der Abdeckung seiner Ausgänge angegeben ist.
Es ist zu beachten, dass sich die Scheibe in die andere Richtung zu drehen beginnt, wenn sich die Stromrichtung in einer der Spulen des Messgeräts ändert. Daher müssen die Stromspule des Geräts und die Spannungsspule eingeschaltet sein, damit sich der Zähler in die durch den Pfeil angegebene Richtung dreht, wenn der Empfänger Strom verbraucht.
Der Stromausgang, mit dem Buchstaben G bezeichnet, ist immer mit der Versorgungsseite verbunden, und der zweite Ausgang des Stromkreises, mit dem Buchstaben I bezeichnet. Außerdem ist der Ausgang der Spannungsspule unipolar mit dem Ausgang G des Stromspule, wird ebenfalls seitlich am Netzteil angeschlossen.
Beim Einschalten der Messgeräte über den Messtransformator müssen Stromwandler gleichzeitig die Polarität der Wicklungen der Stromwandler und Spannungswandler berücksichtigen (Abb. 1, b).
Messgeräte werden sowohl für den Einsatz mit beliebigen Stromwandlern und Spannungswandlern – universell, in deren Symbolbezeichnung der Buchstabe U hinzugefügt wird – als auch für den Einsatz mit Transformatoren hergestellt, deren Nennübersetzungsverhältnisse auf dem Typenschild angegeben sind.
Beispiel 1. Ein Universalzähler mit den Parametern Up = 100 V und I = 5 A wird mit einem Stromwandler mit einem Primärstrom von 400 A und einem Sekundärstrom von 5 A und einem Spannungswandler mit einer Primärspannung von 3000 V und a verwendet Sekundärspannung von 100 V.
Bestimmen Sie die Stromkreiskonstante, mit der der Zählerstand multipliziert werden muss, um die verbrauchte Energiemenge zu ermitteln.
Die Schaltungskonstante ergibt sich als Produkt aus dem Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers und dem Übersetzungsverhältnis des Spannungswandlers: D = kti NS ktu= (400 NS 3000)/(5 NS 100) =2400.
Messgeräte können wie Wattmeter mit unterschiedlichen Messumformern verwendet werden, allerdings ist in diesem Fall eine Neuberechnung der Messwerte erforderlich.
Beispiel 2. Ein Messgerät, das für die Verwendung mit einem Stromwandler mit einem Übersetzungsverhältnis kti1 = 400/5 und einem Spannungswandler mit einem Übersetzungsverhältnis ktu1 = 6000/100 ausgelegt ist, wird in einem Energiemessschema mit anderen Transformatoren mit solchen Übersetzungsverhältnissen verwendet: kti2 = 100/5 und ktu2 = 35000/100.Bestimmen Sie die Schaltungskonstante, mit der die Zählerstände multipliziert werden müssen.
Schaltungskonstante D = (kti2 NS ktu2) / (kti1 NS ktu1) = (100 NS 35.000) /(400 NS 6000) = 35/24 = 1,4583.
Dreiphasenzähler zur Energiemessung in Dreileiternetzen sind strukturell zwei kombinierte Einphasenzähler (Abb. 2, a, b). Sie verfügen über zwei Stromspulen und zwei Spannungsspulen. Normalerweise werden solche Zähler als Zweielementzähler bezeichnet.
Alles, was oben über die Notwendigkeit gesagt wurde, die Polarität der Wicklungen des Geräts und der Wicklungen der damit verwendeten Messtransformatoren in den Schaltkreisen von Einphasenzählern zu beachten, gilt ausschließlich für Schaltschemata von Dreiphasenzählern.
Um die Elemente bei Drehstromzählern voneinander zu unterscheiden, sind die Ausgänge zusätzlich mit Zahlen gekennzeichnet, die gleichzeitig die Reihenfolge der an den Ausgängen angeschlossenen Phasen des Versorgungsnetzes angeben. Schließen Sie daher an die mit den Nummern 1, 2, 3 gekennzeichneten Anschlüsse die Phase L1 (A), an die Klemmen 4, 5 die Phase L2 (B) und an die Klemmen 7, 8, 9 die Phase L3 (C) an.
Die Definition der in Transformatoren enthaltenen Zählerstände wird in den Beispielen 1 und 2 erläutert und ist vollständig auf dreiphasige Zähler anwendbar. Beachten Sie, dass die Zahl 3, die auf dem Bedienfeld des Messgeräts vor dem Transformationskoeffizienten als Multiplikator steht, nur von der Notwendigkeit der Verwendung von drei Transformatoren spricht und daher bei der Bestimmung der Konstantschaltung nicht berücksichtigt wird.
Beispiel 3… Bestimmen Sie die Stromkreiskonstante für ein universelles Drehstrommessgerät mit Strom- und Spannungswandlern, 3 NS 800 A / 5 und 3 x 15000 V / 100 (die Form der Aufzeichnung entspricht genau der Aufzeichnung auf dem Bedienfeld).
Bestimmen Sie die Schaltungskonstante: D = kti NS ktu = (800 x 1500)/(5-100) =24000
Reis. 2. Schemata zum Anschluss von Drehstromzählern an ein Dreileiternetz: a-direkt zur Messung der Wirkenergie (Gerät P11) und Blindenergie (Gerät P12), b — über Stromwandler zur Messung der Wirkenergie
Das ist beim Wechsel bekannt Leistungsfaktor Bei verschiedenen Strömen kann ich mit der Wirkleistung φ den gleichen Wert von UIcos erhalten, und daher ist die Wirkkomponente des Stroms Ia = Icosφ.
Eine Erhöhung des Leistungsfaktors führt zu einer Verringerung des Stroms I bei gegebener Wirkleistung und verbessert somit die Auslastung von Übertragungsleitungen und anderen Geräten. Bei einer Verringerung des Leistungsfaktors bei konstanter Wirkleistung ist es notwendig, den vom Produkt verbrauchten Strom I zu erhöhen, was zu einer Erhöhung der Verluste in der Übertragungsleitung und anderen Geräten führt.
Daher verbrauchen Produkte mit niedrigem Leistungsfaktor zusätzliche Energie aus der Quelle. ΔWp erforderlich, um Verluste entsprechend dem erhöhten Stromwert zu decken. Diese zusätzliche Energie ist proportional zur Blindleistung des Produkts und kann, sofern die Werte von Strom, Spannung und Leistungsfaktor über die Zeit konstant sind, durch das Verhältnis ΔWp = kWq = kUIsinφ ermittelt werden, wobei Wq = UIsinφ – Blindleistung (konventionelles Konzept).
Die Proportionalität zwischen der Blindenergie eines elektrischen Produkts und der zusätzlich erzeugten Energie der Station bleibt auch dann erhalten, wenn sich Spannung, Strom und Leistungsfaktor im Laufe der Zeit ändern. In der Praxis wird die Blindenergie von einer Einheit außerhalb des Systems (var NS h und ihre Ableitungen – kvar NS h, Mvar NS h usw.) mithilfe spezieller Zähler gemessen, die strukturell den Wirkenergiezählern völlig ähnlich sind und sich nur in der Schaltung unterscheiden Schaltungen der Wicklungen (siehe Abb. 2, a, Gerät P12).
Alle Berechnungen zur Bestimmung der von den Zählern gemessenen Blindenergie ähneln den oben genannten Berechnungen für Wirkenergiezähler.
Es ist zu beachten, dass die in der Spannungswicklung (siehe Abb. 1, 2) verbrauchte Energie vom Zähler nicht berücksichtigt wird und alle Kosten vom Stromerzeuger und die verbrauchte Energie vom Stromkreis des Geräts getragen werden wird vom Zähler berücksichtigt, d. h. die Kosten werden in diesem Fall dem Verbraucher zugerechnet.
Neben der Energie können mit Leistungsmessgeräten noch einige weitere Belastungsmerkmale ermittelt werden. Beispielsweise können Sie anhand der Messwerte von Blind- und Wirkenergiezählern den Wert der gewichteten durchschnittlichen tgφ-Last bestimmen: tgφ = Wq / Wp, Gwobei vs – die vom Wirkenergiezähler für einen gegebenen Wert berücksichtigte Energiemenge Zeitspanne, Wq – gleich, aber vom Blindenergiezähler für die gleiche Zeitspanne berücksichtigt. Wenn Sie tgφ kennen, ermitteln Sie cosφ aus trigonometrischen Tabellen.
Wenn beide Zähler das gleiche Übersetzungsverhältnis und die gleiche Schaltungskonstante D haben, können Sie die tgφ-Last für ein bestimmtes Moment ermitteln.Dazu werden für das gleiche Zeitintervall t = (30 – 60) s gleichzeitig die Drehzahl nq des Blindenergiezählers und die Drehzahl np des Wirkenergiezählers abgelesen. Dann ist tgφ = nq / np.
Bei ausreichend konstanter Belastung ist es möglich, die Wirkleistung aus den Messwerten des Wirkenergiezählers zu ermitteln.
Beispiel 4… In der Sekundärwicklung des Transformators ist ein Wirkenergiezähler mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 kW x h = 2500 U/min enthalten. Die Zählerwicklungen sind über Stromwandler mit kti = 100/5 und Spannungswandler mit ktu = 400/100 verbunden. In 50 Sekunden machte die Scheibe 15 Umdrehungen. Bestimmen Sie die Wirkleistung.
Konstantschaltung D = (400 NS 100)/(5 x 100) =80. Unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses beträgt die Zählerkonstante C = 3600 / N = 3600/2500 = 1,44 kW NS s / U. Unter Berücksichtigung des konstanten Schemas C '= CD = 1,44 NS 80= 115,2 kW NS s / Umdrehung.
Somit entsprechen n Umdrehungen der Scheiben der Leistungsaufnahme Wp = C'n = 115,2 [15 = 1728 kW NS mit. Daher beträgt die Lastleistung P= Wp / t = 17,28 / 50 = 34,56 kW.