Устройство для определения активной мощности синусоидального тока в электрической цепи с комплексным сопротивлением

 

Использование: изобретение относится к электро- и радиоизмерениям. Сущность изобретения: устройство содержит исследуемое сопротивление, измерительный трансформатор с первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками, переключатель реверса, потенциометр, два диода, два резистора и два конденсатора. 2 ил.

Изобретение относится к электро- и радиоизмерениям, и может быть использовано для исследований и контроля работы различных электрических устройств, радиопередатчиков, промышленных установок для термообработки изделий токами высокой частоты.

Известны устройства для определения активной мощности на переменном токе в цепях с комплексным сопротивлением по произведению напряжения на нагрузке, тока и косинуса фазового угла сдвига (cos ϕ) между ними. При этом величины тока и напряжения измеряются непосредственно на нагрузке, а значение cos ϕ определяется косвенными измерениями, в частности по методу трех вольтметров. В этих устройствах предусматривается измерение трех составляющих напряжений: на испытываемой нагрузке, на последовательно соединенном с нагрузкой сопротивлении (активном или реактивном) и суммарного напряжения, составляющего геометрическую сумму предыдущих двух напряжений. Все три составляющие образуют треугольник напряжений, из которого искомый показатель определяется на основе измеренных величин по теореме косинусов [1].

Недостаток таких устройств состоит в том, что с уменьшением вспомогательного активного сопротивления, включенного последовательно с нагрузкой, точность измерений снижается. Если же увеличить это сопротивление, то измерениям сопутствуют значительные потери мощности. В случае последовательного включения с нагрузкой реактивного двухполюсника в таких устройствах приемлемые по точности результаты ограничены значениями cos ϕ, но меньшими чем 0,7.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является устройство, основанное на том же методе трех вольтметров с той лишь разницей, что вместо реактивного двухполюсника в измерительную схему включен трансформатор, разомкнутая вторичная обмотка которого одним концом подключена к сопротивлению нагрузки. Для определения коэффициента мощности здесь использованы составляющие транспортированного треугольника напряжений, регистрируемые на сопротивлении нагрузки, на вторичной обмотке трансформатора и между свободным концом вторичной обмотки трансформатора и концом сопротивления нагрузки, присоединенным к источнику питания. По величинам этих составляющих коэффициент мощности определяется по известным формулам, вытекающим из теоремы косинусов. Устройство позволяет расширить пределы измерений косинуса угла сдвига между током и напряжением в сторону меньших значений при изменении коэффициента взаимоиндукции между обмотками трансформатора до получения на вторичной стороне напряжений, соизмеримых с напряжениями на объекте измерений [2].

Недостатком устройства является его громоздкость, обусловленная регулируемой связью между обмотками трансформатора. Кроме того, при его использовании в результатах измерений имеет место завышенная величина погрешности, вносимой каждым из трех установленных в нем вольтметров.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерений.

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого подключена последовательно с испытываемым сопротивлением нагрузки к питающей сети, и между первичной обмоткой и испытываемым сопротивлением нагрузки присоединен конец вторичной обмотки, внешние зажимы для измерения тока и напряжений для определения коэффициента мощности по методу трех вольтметров, трансформатор выполнен с двумя фиксированными вторичными обмотками, одна из которых присоединена к амперметру, а другая через переключатель реверса обмотки - к потенциометру в цепи вторичного напряжения, при этом параллельно выходу потенциометра и цепи суммарного напряжения установлены два встречно-последовательно включенных выпрямителя, потенциальные точки которых выведены к внешним зажимам для присоединения нуль-гальванометра.

Соответствие изобретения критерию "существенные отличия" состоит в том, что при определении активной мощности на переменном токе в цепях с комплексным сопротивлением впервые применен метод компенсации напряжений в элементах силовой цепи.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, выполненное в соответствии с электрической схемой; на фиг. 2 - векторная диаграмма тока и напряжений.

К зажимам 1 и 2 питающей сети присоединены последовательно соединенные исследуемое сопротивление 3 и измерительный трансформатор 4 с общим контактом 5 в токе. Трансформатор 4 содержит первичную обмотку 6 и две вторичных обмотки 7 и 8. Вторичная обмотка 7 нагружена амперметром А, измеряющим ток в сопротивлении 3 нагрузки. Вторичная обмотка 8 через переключатель 9 реверса нагружена потенциометром 10. Напряжение с потенциометра 10 поступает на выпрямитель, состоящий из диода 11 и элементов 12 и 13 развязывающей RС-цепочки. Суммарное напряжение между зажимом 1 питающей сети и подвижным контактом потенциометра 10 выпрямляется диодом 14 и элементами 15 и 16 развязывающей RC-цепи. Разность потенциалов между отрицательными электродами диодов 11 и 14 выводится на гальванометр G, защищенный дополнительным сопротивлением 17 в его цепи, блокируемым выключателем 18 при достижении компенсации. Суммарное напряжение при компенсации и напряжение на исследуемом сопротивлении измеряются вольтметром В, переключаемым с помощью переключателя 19. Переключатель 9 обеспечивает в последовательном соединении испытываемого сопротивления 3 и вторичной обмотки 8 трансформатора 4 их встречное включение.

Устройство монтируется на приборной плате с внешними выводами 20 и 21, 22 и 23, 24 и 25, 26 и 27, 28 и 29, 30 и 31 для присоединения испытываемого сопротивления 3, вторичной обмотки 8 трансформатора 4, вторичной обмотки трансформатора 4, амперметра А, гальванометра G, вольтметра В соответственно.

На векторной диаграмме по вертикали отложен вектор тока I. Под углом ϕ к нему отложен вектор напряжения U₁₅ на испытываемом сопротивлении. Индексом U₅₁₀ обозначен вектор напряжения на подвижном контакте потенциометра 10 при встречном включении вторичной обмотки 8 трансформатора 4 и достижении компенсации. Индексом U₁₁₀ обозначен вектор суммарного напряжения, равного при компенсации абсолютному значению напряжению U₅₁₀.

Угол β, образованный между напряжениями на испытываемом сопротивлении и вторичной обмотке 8 трансформатора 4, составляет величину, дополнительную к углу ϕ до 90^о.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В соответствии с исходной формулой величина активной мощности синусоидального тока подчиняется зависимости P=U ^. I ^. cos ϕ , где Р - величина определяемой мощности; U - величина напряжения U₁₅ на исследуемом сопротивлении, измеряемая в схеме фиг. 1 вольтметром В в верхнем положении переключателя 19; I - величина тока в исследуемом сопротивлении, измеряемая в схеме фиг. 1 амперметром А; cos ϕ - коэффициент мощности, подлежащий определению в устройстве, построенном по схеме фиг. 1.

В отличие от известных устройств, позволяющих определять коэффициент мощности по показаниям трех вольтметров, предлагаемое устройство позволяет определить искомый параметр двумя вольтметрами или, как это показано на фиг. 1, с помощью одного вольтметра, коммутируемого переключателя 19. Именно это обстоятельство, состоящее в сокращении числа измерительных приборов, сопутствующих определению величины cos ϕ, является основным фактором повышения точности измерений при помощи предлагаемого устройства.

Этот результат достигается при равенстве абсолютных величин суммарного напряжения U₁₁₀ с напряжением U₅₁₀, снимаемым с подвижного контакта потенциометра 10. Для получения величины сравниваемых напряжений с наименьшей погрешностью с учетом их фазовых соотношений каждое из них выпрямляется, выпрямленные напряжения во встречно-последовательной схеме подаются на гальванометр, и изменением положения подвижного контакта потенциометра 10 добиваются нулевого показания гальванометра G. В своей сущности эта процедура представляет собой применение метода компенсации в заявленном устройстве, обеспечивающего наибольшую точность совпадения по величине сопоставляемых напряжений. Затем по достижении нулевого показания гальванометра переключатель 19 переводят в нижнее положение, в котором вольтметр В измеряет суммарное напряжение U₁₁₀, равное по величине напряжению U₅₁₀ на подвижном контакте потенциометра 10.

Таким образом, две из трех измеряемых величин определяются одним измерением как равные с точностью, обеспечиваемой классам измерительного прибора.

По достижении компенсации в режиме встречного включения вторичной обмотки 8 трансформатора 4 векторная диаграмма напряжений приобретает форму равнобедренного треугольника. Основание этого треугольника пропорционально напряжению U₁₅ на исследуемом сопротивлении 3. Длина его двух меньших сторон пропорциональна напряжению U₅₁₀ на подвижном контакте 10 потенциометра относительно общей точки 5 и суммарному напряжению U₁₁₀. Углы при основании треугольника напряжений составляют величину β.

Из соотношений в полученном таким образом треугольнике следует cosϕ = sinβ = = или cosϕ = где - δ = - отношение измеренных величин напряжения на исследуемом сопротивлении и суммарного напряжения.

Полученная величина cos ϕ завершает необходимый перечень параметров для определения активной мощности.

Для производства измерений с заявленным устройством предлагается следующий порядок действий.

Присоединить исследуемое сопротивление и измерительный трансформатор к зажимам 1 и 2 питающей сети и зажимам 20-25 приборной платы.

Присоединить к зажимам 26 и 27; 28 и 29 и 30 и 31 приборной платы соответственно амперметр, гальванометр и вольтметр.

После подачи напряжения из сети путем установки переключателя 19 в верхнее положение измерить напряжение на исследуемом сопротивлении.

Измерить величину тока нагрузки.

Обеспечить встречное включение вторичной обмотки 8 измерительного трансформатора. Для этого переключатель 19 переводят в нижнее положение и по показаниям вольтметра судят о правильности включения при произвольном положении переключателя 9. Если с перемещением подвижного контакта потенциометра 10 вправо показание вольтметра увеличивается, то включение неправильное и переключатель 9 переводят в противоположное положение.

Добиться компенсации в схеме. Для этого при разомкнутом положении выключателя 19 перемещением подвижного контакта добиваются нулевого показания стрелки гавальнометра. Затем окончательно достигают компенсации при замкнутых контактах переключателя 18.

Уточняют показание вольтметра при компенсации, определяют отношение δ, по которому по формуле рассчитывают величину cos ϕ.

По результатам измерений и рассчитанной величине cos ϕ окончательно определяют значение активной мощности в исследуемом сопротивлении.

Резюмируя изложенное, можно утверждать, что достоинством предлагаемого устройства является упрощение конструкции за счет установки в нем потенциометра и переключателя реверса вторичной обмотки трансформатора вместо трансформатора с регулируемой связью между его обмотками, повышение точности измерений за счет установки параллельно выходам потенциометра и цепи суммарного напряжения двух встречно-последовательно включенных выпрямителей, потенциальные точки которых выведены к внешним зажимам для присоединения гальванометра.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ С КОМПЛЕКСНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ, содержащее трансформатор, первичная обмотка которого подключена последовательно с испытуемым сопротивлением нагрузки к питающей сети, конец вторичной обмотки присоединен к общей точке испытуемого сопротивления нагрузки и первичной обмотки, и клеммы для подключения измерительных приборов, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции устройства и повышения точности измерений, трансформатор выполнен с двумя фиксированными вторичными обмотками, одна из которых присоединена к амперметру, а другая через переключатель реверса обмотки - к потенциометру, при этом параллельно выходу потенциометра и цепи суммарного напряжения включены два встречно последовательно соединенных выпрямителя, выходы которых подсоединены к клеммам для подключения нуль-гальванометра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2