Электрлік қуат пен энергияның шығынын өлшеу

6.1 Қуатты өлшеу

Қуатты өлшеу дегеніміз электр қуатының мәнін табу. Қуатты өлшегенде оның бірнеше құраушыдан тұратындығын ұмытпау керек: активтік, реактивтік және толық қуат. Кей кезде қуатты өлшеуге оның коэффициентін өлшегенді жатқызады. Тұрақты токтың қуатын өлшеу дегеніміз тұрақты токтың тізбегіндегі электрлік активтік қуатты өлшеу деген. Егер қосалқы әдіспен қуатты өлшесек, онда кернеу мен токты табу керек. Шынында, электр қуат ток пен кернеудің көбейтіндісіне тең. Егер токты және кернеуді өлшеп, олардың мәнін тапсақ, онда тұрақты токтың активтік қуаты

P₌ = U₌ I ₌.                                                (6.1)

Айнымалы кернеу мен токтың тиімді мәнін (эфф. знач) өлшеу арқылы толық қуатты табуға болады. Ол

S = U_w I_w.                                                  (6.2)

Токты және кернеуді (айнымалы) түзеткіш сұлба арқылы өлшеуге болады. Қуатты тапқан кезде оның кернеудің көзінің қуаты ма, не жүктеменің алған қуаты ма, соны ажырата білу керек.  Кез келген өлшеуіш құрал өзінің пайдалану қуаты болады, сондықтан қуаттың аз шамасын өлшеген кезде осы жағдайды еске алу керек. Ол ескертпе: U_, I – кернеу мен токтың өлшенген мәндері; P_B – вольтметрдің пайдаланған қуаты; R_B – оның ішкі кедергісі. P_I=I² R_I – амперметрдің пайдаланған қуаты; R_I – оның ішкі кедергісі.

Тұрақты токты және кернеуді өлшеу үшін шунтты не қосымша кедергісі бар магнитоэлектрлік жүйедегі аспаптар қолданады. Ал, айнымалы ток пен кернеуді өлшеу үшін электромагниттік және электродинамикалық жүйелердегі аспаптар қолданады. Қуатты өлшеудің ең оңайы электродинамикалық өлшеуіш механизмнің негізінде жасалған ваттметрмен өлшеу (6.1 сурет).

6.1 Сурет – Ваттметрді қосу сұлбасы

Қуатты өлшегенде ваттметрдің шкаласының теңдеуі мына түрде болады: -тұрақты ток үшін

 – айнымалы токта

мұндағы пропорциялық коэффициент.

Дәлдік класы 0,5 Д539 ваттметрдің шкаласы біркелкі, 150 бөлісі бар ол 150 В арналған; Сонда паралелдік тізбектегі номиналдық ток 3 мА, біртізбекке қосылған орауыштың шыдайтын тоғы 5А, ал кедергісі: R_а = 0,002 Ом. Кейде ваттметрді косинустық депте атайды, себебі ол  кезінде өлшемденеді. Ваттметрдің тұрақтылық коэффициенті

.                                              (6.5)

Мұндағы I_H, U_H - номиналдық ток пен кернеу;

Айнымалы токтың желісіндегі қуатты өлшеу үшін әртүрлі әдістер қолданады. Оңай әдіс-бір ваттметрдің әдісі. Бұл әдіспен активтік қуатты бірден табуға болады. Активтік қуат-электрлік пайдалы қуат. Бұл қуат әдетте әрекет жасайтын активтік қуат, қыздырады, механикалық әсер береді, электр-құрылғыларын қимылдатады. Тұрақты токтың тізбегінде не айнымалы токтың активтік жүктемесінде (сos =1) активтік қуат болады P=UI. Айнымалы токтың тізбегіндегі кез келген жүктемеде, тек қана токтың активтік құрамы  ғана жұмыс істейді, тек сол ғана пайдалы

Бір ваттметр әдісі екіжелілі тұрақты токтың қуатын өлшеуге, бірфазалық айнымалы токтың активтік қуатын өлшеуге арналған. Симметриялық жүктелген 3 фазалық 3 не 4 сымды жүйелердің активті қуатын өлшеу 10.2 суретте келтірілген.

6.2 Сурет – Бір ваттметрлік әдіс. Симметриялық жүктелген желілердің активтік қуатын өлшеу: а) 3 фазалы 4 сымды электр желісі, б) 3 фазалы 3 сымды электр желісі

Симметриялық жүктелген кезде қуат барлық фазаларда бірдей, сондықтан, көбінесе қуатты бір фазада өлшеп алады да, одан кейін алынған нәтижені 3-ке көбейтеді. Не 3-ке көбейту аспаптың шкаласын өлшемдеу кезінде ескеріледі. 3 сымды жүйеде ваттметрдің кернеулік тізбегін қосымша кедергі R₀ арқылы қосу үшін әдейі жасанды нөлдік нүкте жасалады (6.2 б сурет).

Жүктеменің толық не жартылай ассиметриялық қосылу кезінде қуатты өлшеу үшін 3 ваттметрлік әдіс қолданады. Бұл әдіс симметриялы не симметриясыз жүктелген 3 фазалық желілерде активтік қуатты өлшеу үшін арналған.

3 фазалық желілердің толық активтік қуаты 3 фазаның қуаттарының қосындысына тең

.              (6.6)

Бұл қуатты табу үшін әр фазада қуатты 3 ваттметрмен бір кезде өлшейді (10.3 сурет). Бұл жағдайда ваттметрлерді бірден, не жартылай жанамалы не толық жанамалы ретінде қосуға болады.

6.3 Сурет – 3 ваттметрлік әдіс. Қалай болса солай жүктемеленген электр тораптарының активтік қуатын өлшеу

6.3 а суретте көрсетілгендей, 4 сымды жүйелерде ваттметрлер қосымша кедергі арқылы нөлдік сымға қосылады. 3 сымды жүйелерде үш кернеудің тізбектері қосымша кедергілер арқылы жасанды нөлдік нүктемен қосылады. 3-10кВ тың айнымалы токтың электротораптарында қуатты өлшеу үшін кең тараған екі аспаптың әдісі – Аронның сұлбасы қолданады.

6.4 Сурет – Арон сұлбасы: а) 2ваттметрлік әдіспен активтік қуатты өлшеу; б) қуаттық коэффициенттің өлшенген қуаттарға қатысы P₁/P₂

Активтік қуат былай табылады.

Мұндағы ₁ – PW₁ ваттметрдің көрсеткіші (бөліс саны);

Симметриялық жүктелген торапта Арон сұлбасы арқылы активтік екі қуатты өлшегеннен кейін, қуаттың коэффициентін табуға болады

не 6.4 б-дағы диаграмма арқылы табылады. Барлық кезде Р₁ и Р₂ таңбаларын ескеру керек.

Кернеудің датчигі үлгілі кедергімен токты бөлуден тұрады. Токтың датчигі токты кернеуге түрлендіргіш электрондық трансформатордан тұрады. Одан кейін бұл сигналдардың мәні көбейтіліп бір-біріне лездік қуат табылады. Бұл қуат интегралдық «қуат-жиілік» түрлендіргішке келеді. Бұл түрлендіргіштер ресейдің өндірістерінде шығарылады.

Егер электрондық сағыныштың оңай түрін алсақ, тек қана импульстарды санау керек болса, не ақпаратты дисплейге шығару керек болса, не авария болған кезде қорғау керек болса бұл жүйе MOTOROLA ФИРМАСЫНЫҢ МС68НС05К11 микроконтроллерінің арқасында жасауға болады.

6.2 Электрлік энергияның шығынын өлшеу

Энергияның шығыны деп электр пайдаланушыларға белгілі бір уақытта (сағ., сөтке, ай, жыл,) берілген қосынды қуатты айтады. Ол былайша жазылады

Электрэнергияның шығынын әлбетте электрсанағыш арқылы өлшейді. Олар электрмеханикалық, электрондық не сандық түрде болады.

Электрмеханикалық санағыш интегралдық аспап болып индукциялық жүйеге жатады. Ол жылжымалы және жылжымалы емес бөліктерден тұрады. Оның жылжымалы емес бөлігі екі электрмагниттен тұрады: біреуі токтық, біреуі айналдырма момент алуға арналған кернеулік. Тұрақты магнит қарама-қарсы момент алу үшін қолданады. Санағыштың жылжымалы бөлігі алюминийден жасалған дөңгелектен тұрады. Ол дөңгелектің диаметрі 90 мм, қалыңдығы 1,2-1,5 мм, дөңгелек алюминийден жасалған оське бекітіледі.

Электрмагниттер – орамасы бар электротехникалық болаттан тұратын магниттік жүйелер. Токтық ораманың сымдары санағыштың номиналдық тоғына байланысты жуандау келеді. Оның орам саны да аз, электр желісімен бір тізбекке қосылады. Кернеулік орама диаметрі 0,08-0,12 мм жіңішке сымдардан жасалады, оның орамының саны 8-12 мыңнан асады және ол электр желісіне параллелдік түрде қосылады.

Электрмагниттерден пайда болған магниттік ағындар  және  дөңгелекті тесіп өтіп, онда жасанды токтарды тудырады. Бұл токтармен айнымалы магниттік ағындар әсерлескенде дөңгелекте айналдырма момент пайда болады

                                      (6.10)

мұндағы К_а – конструкциялық коэффициент.

Тежеуіш момент тұрақты магниттен пайда болады

                                                         (6.11)

мұндағы  – конструкциялық коэффициент;

n – дөңгелектік жылдамдығы.

Орнықты болған кезде , энергияның шығынын былайша жазуға болады

                                                              (6.12)

мұндағы N – дөңгелектің толық айналу саны;

С_Н – санағыштың номиналдық тұрақтысы, Вт.С/айналым. Санағыштың номиналдық тұрақтысы С_z беріліс санымен табылады. Беріліс сан С_z электрлік санағыштың дөңгелегінің өлшем бірлігіне тең айналым саны. Әр электр санағыштың бетінде "1кВт·сағ = С_z  айналым" деген жазу бар. Ол С_z 1кВт·сағ кететін айналым саны деген, тағы да айтқанда, көрсеткіштің 1кВт·сағ өзгергендегі айналымның саны. Санағыштың номинальдық тұрақтысының мәнін нормалағанда сандық қатардың мүшелерін, не ондық; не еселік бөліктерін алады. Мысалы: 120,150;  187,5, 240; 300;  375,480;  600;  750;  960 сияқты С_z білгеннен кейін С_Н табуға болады

.                                          (6.13)

Санағыштарға келесі метрологиялық сипаттамалар бекітілген: номиналдық кернеу – бұл кернеу санағыштың параметрлерін нормалағандағы басты кернеу. Ол 1 фазалық санағыштарға 127 және 220В тең, ал 3 фазалық санағыштарға 127,220,380 В тең. Кей кезде, ол 100 В тең, егер кернеулік орамаға өлшеуіш трансформаторды қоссақ; номиналдық ток - бұл ток санағыштың параметрлерін нормалаудың негізі болып саналады. Ол 1 не 3 фазалық санағыштарда 5 не 10А тең; басты қателік – белгілі жүктемеде санағыштың электр энергиясын өлшегендегі салыстырмалы қателігі

мұнда - шындық тұрақты, оны ваттметр мен секундомермен өлшейді

Мұндағы:  – t cек. уақытында санағыштың дөңгелегінің айналымының бүтін саны;

Санағыштың дөңгелегінің айналым санын оның шетіне салынған қара таңба арқылы білеміз. Ол таңба санағыштың қаптамасындағы орналасқан көрсету әйнегінде көрінеді. Аспаптың қалқаншасы көрсету әйнегіне жақын орналасады, онда санағыштың дөңгелегі мен санауыш механизмінің санды барабаны көрінеді. Қалқаншаға санағыштың паспорттық белгілері жазылған: беріліс саны, ГОС-тың номері, зауыттың номері, жасалған жылы т.б. Санағыштың қаптамасының төменгі жағында оны электр желісіне қосуға арналған қыспақтар орналасқан (6.5 сурет).

6.5 Сурет – Санағыштың жалпы көрінісі

Рұқсат берілген салыстырмалы қателікке байланысты электрсанағыштар әртүрлі дәлдік класпен шығарылады. Мысалы  1 фазалық СО – 5И индукциялық санағыш 2,5 дәлдік класына жатады, ГОСТ 65 70-60 оның сезімталдығы номиналдық токтың  -нан кем емес. Оның санауының дәлдігі өлшейтін токтың шамасымен номиналдық токтан  асқанда да сақталады.

Санағыштарды жеке жасалған сұлбалар арқылы қосады (6.6 сурет).

6.6 Сурет – Санағышты қосудың электрлік сұлбасы

3 фазалық электр тізбектеріндегі электр энергиясын есепке алу үшін 2 не 3 элементті санағыштарды қолданады. Бұл санағыштар екі не үш  1 фазалық механизмдердің жинағы болып саналады. Олардың айналдыру моменті бір жылжымалы бөлікке әсер етеді. Жалпы айналдыру момент бөлек элементтердің айналдыру моменттерінің қосындысы болып саналады. Конструкция жағынан 2 элементті санағыштар 1 не 2 дөңгелекті болып жасалуы мүмкін (6.7 сурет).

6.7 Сурет – 3 фазалық санағышты қосу сұлбасы

РУ-8-10 кВ та электр энергиясының шығынын өлшеу үшін дәлдік класы 1,0 санағыштар қолданады, бірақ олар желіге өлшеуіш трансформатор арқылы қосылады (6.8 сурет).

6.8 Сурет – 3 фазалық санағышты жоғары кернеулі РУ қосу

Қазіргі кезде электр энергиясының шығынын өлшеу үшін электрондық санағыштар қолданады. Соның бірі көпфункциялық микропроцессорлық электрондық санағыш "Альфа".

Олар келесі жағдайларды қамтамасыз етеді:

а)     0,2 және 0,5 дәлдік класпен 4 нарықтық зонада эл. шығынын өлшеу;

б)    Активтік және реактивтік энергиялар мен қуаттарды екі бағытта өлшеу;

в)     Ертеңгі және кешкі сағаттардағы қуаттың максималдық шамасын өлшеу;

г)     Жүктеменің графигін жазу және санағыштың жанында сақтау;

д)    Өлшеудің нәтижелерін сандық байланыс каналдарға жіберу.

Егер элементтік базаны және ақпаратты өңдеу алгоритмін керекті түрде алса электрондық санағыштардың дәлдік класы өте жоғары болуы мүмкін. Олардың арқасында статистикалық зерттеулер жүргізуге болады: жүктеменің пайдаланатын орташа қуатын және оның дисперсиясына жиналған энергия туралы ақпаратты сақтау. Олар электрмеханикалық санағыштарға қарағанда жеңіл, көлемі аз, онан кейін сандық дисплейді қолданғанда көрсеткішті байқау пайдаланушыларға оңтайлы (6.9 сурет).

6.9 Сурет – Электрондық санағыштың жалпы көрінісі

Қолданған оқулықтар тізімі:

1.     Аманқулова М.У., Иванов Э.А. Электроэнергетикадағы ақпараттық өлшеу техникасы. – Алматы,: АЭЖБИ, 1998. – 70 б.

2.     Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин.- М.: Высшая школа, 1989.

3.     Туричин А.М. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. – Л.: Энергия, 1975. – 576 с.

4.     Әміров Ж. Қ., Иванов Э. А., Жанғозин Ә. Ж., Рысбаев М. Т. Метрология, стандарттау және сапамен меңгеру. – Алматы.: ҚР ІІМА, 2000. – 190 б.

5.     Шишмарёв В. Ю., Шанин В. И. Электрорадиоизмерения. – М.: АСАDEMA, 2004. – 336с.