МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования
Брестский государственный технический университет
Кафедра автоматизации технологических процессов и производств
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
в лаборатории “Общая электротехника”
для студентов неэлектротехнических специальностей
очной и заочной форм обучения.
Часть 1.
Электрические цепи.
Брест 2014
УДК 621.313(076.1)
Методические указания по выполнению лабораторных работ в лаборатории “Общая электротехника” для студентов неэлектротехнических специальностей очной и заочной форм обучения. Часть 1. Электрические цепи.
Настоящие указания предназначены в качестве учебного пособия для студентов неэлектротехнических специальностей очной и заочной форм обучения при выполнении лабораторных работ по курсам “Электротехника”, “Электротехника и электроника”, “Электротехника, электрические машины и аппараты”, “Электротехника и электрооборудование” и т.п.
Пособие содержит руководства для выполнения лабораторных работ по разделу “Электрические цепи”. Описание каждой лабораторной работы содержит основы теории, указания по проведению эксперимента, принципиальные схемы, контрольные вопросы и рекомендуемую литературу.
Составители: И.М. Панасюк, ст. преподаватель,
А.С. Смаль, ст. преподаватель.
Рецензент: В.Н. Щепëрка, к.т.н., доцент, преподаватель высш. категории Брестского государственного политехнического колледжа филиала УО “Брестский государственный технический университет”.
Ó Брестский государственный технический университет 2014
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.0.
Тема: Электрические измерения и приборы.
Цель: Изучение устройства, принципа работы и методики использования электроизмерительных приборов различных систем.
Основные сведения.
Настройка, исследование и эксплуатация электротехнических устройств, качественный и количественный анализ их работы возможны при наличии ряда данных, характеризующих отдельные узлы, блоки, а также приборы в целом. Эти данные могут быть получены лишь с помощью сложной измерительной аппаратуры и специальных методов измерений. Специфика таких измерений заключается в необходимости определения большого числа параметров (напряжение, ток, мощность, частота, сопротивление и т.д.), имеющих широкие диапазоны возможных значений (напряжение – от единиц милливольт до десятков киловольт; ток – от единиц миллиампер до сотен ампер; мощность – от долей милливатта до сотен киловатт; частота – от долей герца до сотен мегагерц; сопротивление – от единиц ом до мегом и т.д.).
Измерение – определение значений физических величин опытным путём при помощи специальных технических средств и выражение этих значений в принятых единицах (на производстве чаще применяется более производительная операция измерений – контроль).
Электроизмерительный прибор (ЭИП) – средство электрических измерений, которое предназначено для выработки сигнала измерительной информации (сигнала, который функционально связан с измеряемой физической величиной) в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Измерительный преобразователь (ИП) – основная часть измерительного прибора, в которой сигнал преобразуется в вид, удобный для подачи на индикаторные или регистрирующие устройства. В зависимости от вида измеряемых величин ИП делят на две группы: преобразователи электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, усилители и т.д.) и преобразователи неэлектрических величин в электрические (термо- и тензорезисторы, индуктивные преобразователи и т.д.).
ЭИП, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называются аналоговыми.
ЭИП, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме, называются цифровыми.
ЭИП классифицируют по следующим признакам:
– методу измерения;
– роду измеряемой величины;
– роду тока;
– степени точности;
– принципу действия и т.д.
По методу измерения различают
· ЭИП непосредственной оценки, в которых измеряемую величину определяют по показаниям прибора в процессе измерения, и
· ЭИП сравнения, в которых измеряемая величина сравнивается с известной (как это производится в мостах или компенсаторах).
По роду измеряемой величины различают ЭИП служащие:
· для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, киловольтметры);
· для измерения тока (амперметры, микроамперметры, миллиамперметры);
· для измерения мощности (ваттметры, киловаттметры, мегаваттметры);
· для измерения энергии (счетчики электроэнергии); для измерения угла сдвига фаз (фазометры);
· для измерения частоты тока (частотомеры);
· для измерения сопротивления (омметры) и др.
По роду тока различают:
· ЭИП, используемые в цепях постоянного тока;
· ЭИП, используемые в цепях переменного тока ( как частный случай – в трёхфазных цепях);
· ЭИП, используемые в цепях как постоянного так и переменного тока.
По степени точности ЭИП, согласно ныне действующему стандарту, делят на девять классов точности (0,01; 0,02; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0), представляющих собой приведенную относительную погрешность, выраженную в процентах:
где δ = А – А0 – абсолютная погрешность измерения; А – показание проверяемого ЭИП; А0 – истинное значение измеряемой величины (показания эталонного прибора); Amax – максимальное значение измеряемой величины (предел измерения).
ЭИП, классов точности от 0,01 до 0,5 включительно используются для точных лабораторных исследований и называются прецизионными, ЭИП, классов точности от 1,0 до 4,0 включительно менее точные называют техническими, а остальные ЭИП – внеклассовые.
По принципу действия аналоговые электромеханические ЭИП делят на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические, тепловые, выпрямительные, термоэлектрические.
Принцип действия ЭИП магнитоэлектрической системы основан на воздействии магнитного поля постоянного магнита на подвижную катушку с током, помещённую в это поле. Устройство прибора такой системы с механической противодействующей силой показано на рисунке 1. Прибор состоит из неподвижной части, представляющей собой подковообразный магнит 3 с полюсными наконечниками NS. В пространстве между полюсными наконечниками неподвижно закреплён стальной цилиндрический сердечник 2, который необходим для создания в воздушном зазоре 1 между полюсными наконечниками и сердечником равномерного радиально направленного поля. В воздушном зазоре расположена подвижная катушка 4, выполненная из тонкого изолированного провода, намотанного на алюминиевый каркас прямоугольной формы (или без каркаса). Концы обмотки соединены со спиральными бронзовыми пружинами 5 (растяжками или подвесом), изолированно закреплёнными на стальных полуосях 001 рамки. С другой стороны пружины своими свободными концами соединены с двумя неподвижными проводами, подводящими ток к катушке, т.е. пружины являются токоведущими частями прибора. Их основное назначение – создание противодействующего момента в приборе и возвращение подвижной системы в первоначальное (нулевое) положение, когда прибор отключён от сети. Вращающий момент подвижной системы прибора создаётся в результате взаимодействия подвижной катушки, с протекающим по ней током, и магнитного поля в воздушном зазоре магнита и пропорционален электромагнитной силе, действующей на подвижную катушку.
Под действием вращающего момента катушка прибора поворачивается и стрелка отклоняется до тех пор, пока вращающий момент не станет равным противодействующему моменту.
Угол поворота стрелки прибора магнитоэлектрической системы пропорционален току, проходящему через обмотку катушки. Поэтому у этих приборов шкала равномерная, что делает их удобными в эксплуатации.
Направление отклонения стрелки приборов магнитоэлектрической системы зависит от направления измеряемого тока, поэтому при включении их в цепь переменного тока на подвижную катушку действуют быстроизменяющиеся по значению и направлению механические силы, среднее значение которых равно нулю. Следовательно, такие приборы пригодны только для измерений в цепях постоянного тока.
Успокоение подвижной системы прибора достигается тормозящим действием вихревых токов, наводимых в алюминиевой рамке катушки при перемещении её в магнитном поле постоянного магнита, так как магнитное поле рамки согласно правилу Ленца противодействует магнитному полю магнита, что мешает вращению рамки и быстро гасит её колебания.
Магнитоэлектрические приборы обладают следующими положительными свойствами: высокой чувствительностью и большой точностью измерений; незначительной собственной потребляемой мощностью; незначительной зависимостью работы приборов от внешних магнитных полей и температуры окружающей среды; равномерностью шкалы по всей её длине и большим диапазоном измерения значений тока (от 10–6 до 50 А) и напряжения (от 10–3 до нескольких сотен вольт при применении добавочных сопротивлений); хорошей апериодичностью, т.е. быстрым успокоением подвижной системы.
К отрицательным свойствам магнитоэлектрических приборов следует отнести слабую перегрузочную способность (токопроводящие пружины при перегрузках перегреваются, изменяя упругие свойства) и необходимость при измерениях в цепях переменного тока применять специальные преобразователи.
Принцип действия ЭИП электромагнитной системы основан на механизме втягивания подвижного ферромагнитного сердечника внутрь неподвижной катушки под действием её магнитного поля, создаваемого в катушке проходящим через неё измеряемым током.
Наиболее широко распространены электромагнитные приборы с плоской катушкой (рисунок 2). Прибор состоит из прямоугольной неподвижной катушки 5, через которую проходит измеряемый ток. Катушка имеет узкую щель, в которую может входить сердечник, выполненный в виде тонкого лепестка 2 из магнитомягкой стали и закрепленной эксцентрично на оси прибора. К этой же оси прикреплены указательная стрелка 1, спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент, и поршень 4 воздушного успокоителя 3, создающего демпфирующий момент. Концы оси прибора удерживаются в подшипниках. Ток I, проходя через витки катушки, создаёт магнитный поток, который, намагничивая стальной сердечник, втягивает его в катушку, причём тем сильнее, чем больше магнитная индукция поля катушки. При втягивании стального сердечника ось прибора поворачивается и стрелка отклоняется на некоторый угол.
При изменении направления тока в катушке электромагнитного прибора одновременно меняются на противоположные и магнитные полюсы ферромагнитного сердечника, вследствие чего направление вращающего момента подвижной части прибора не меняется. Поэтому приборы электромагнитной системы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов.
Основные достоинства приборов электромагнитной системы — простота и надёжность устройства, высокая перегрузочная способность (сечение провода для катушки может быть взято с запасом), дешевизна и возможность использования для измерений в цепях постоянного и переменного тока.
К недостаткам приборов электромагнитной системы можно отнести невысокий класс точности измерений, который обычно не выше 1,0 из-за влияния гистерезиса; относительно большое собственное потребление мощности (в катушках амперметров – до 1 Вт, а в вольтметрах с добавочными сопротивлениями – до 6 Вт); неравномерность шкалы (особенно сильно она сжата в начале); низкая чувствительность, из-за чего эти приборы непригодны для измерения малых токов и напряжений; зависимость показаний от внешних магнитных полей, так как собственное поле катушки расположено в воздушной среде и поэтому его индукция незначительна; ограниченность диапазона частот (не свыше 8000 Гц).
Магнитоэлектрические и электромагнитные ЭИП применяют для измерения тока и напряжения.
При измерении тока какой-либо ветви электрической цепи ЭИП (амперметр)включают последовательно с другими элементами ветви, а при измерении напряжения ЭИП (вольтметр) включают параллельно участку цепи, между выводами которого измеряется напряжение.
Однако приборы магнитоэлектрических систем производятся на токи не более 150 – 200 мА, так как при больших токах происходит недопустимый нагрев спиральных пружин (или растяжек), служащих, как отмечалось ранее, токоподводящими элементами системы. Для расширения пределов измерения этих ЭИП по току (амперметров) используют шунты (масштабные преобразователи), представляющие собой сопротивление RШ, включённое параллельно прибору (рисунок 3) для того, чтобы только определенная часть IA измеряемого тока I проходила через сам прибор, а остальная часть – IШ, оттекала в ветвь с шунтом. Необходимое сопротивление шунта: 
где RA – сопротивление ЭИП без шунта; N – число показывающее, во сколько раз должен быть увеличен предел измерений.
Для расширения пределов измерения значения напряжения последовательно с ЭИП (вольтметром) включают сопротивление RД (добавочный резистор), образующее делитель напряжения (рисунок 4). В результате падение напряжения U на измеряемом участке перераспределяется между прибором – UV и добавочным резистором – UД. Необходимое сопротивление добавочного резистора: 
где RV – сопротивление ЭИП без добавочного резистора; N – число показывающее, во сколько раз должен быть увеличен предел измерений.
 |
Для расширения пределов измерения ЭИП также используют измерительные (разделительные) трансформаторы. При расширении пределов измерения амперметров применяют трансформаторы тока (ТТ), представляющие собой двухобмоточные повышающие (w1<w2) трансформаторы, первичная обмотка которых с числом витков w1 включена последовательно с нагрузкой (клеммы Л1 и Л2), а ко вторичной с числом витков w2 – присоединён ЭИП (клеммы И1 и И2). Наглядная и принципиальная схемы включения ТТ нарисунке 5 а и б соответственно.
Расширить пределы измерения вольтметров позволяют трансформаторы напряжения (ТН), представляющие собой двухобмоточные понижающие (w1>w2) трансформаторы, работающие в режиме холостого хода (рисунок 6). Первичная обмотка с числом витков w1 ТН включена параллельно участку, на котором измеряется напряжение (клеммы A и X), а к вторичной с числом витков w2 – присоединён ЭИП (клеммы a и x). Для расширения пределов измерения ваттметров и фазометров необходимы оба типа измерительных трансформаторов как ТТ, так и ТН.
Принцип действия ЭИП электродинамической системы основан на взаимодействии проводников с токами. Известно, что два проводника с токами взаимно притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и взаимно отталкиваются при различном направлении токов.
Прибор этой системы (см. рисунок 7) состоит из двух катушек: неподвижной 2, состоящей из двух секций, которые соединены между собой последовательно, и подвижной 3, закрепленной на оси и вращающейся на ней внутри неподвижной катушки. Ток к подвижной катушке подводят через закреплённые на оси спиральные пружинки 1, которые одновременно создают пропорциональный углу закручивания противодействующий момент. При этом пружинки электрически изолированы от оси. На оси подвижной катушки закреплены также указательная стрелка 4 и крыло воздушного успокоителя 5. Для повышения класса точности прибора и его чувствительности обмотку подвижной катушки выполняют из тонкой изолированной проволоки на ток не более 0,5 А.
При прохождении токов по катушкам электродинамического прибора ток подвижной катушки I2 взаимодействует с магнитным потоком, созданным током неподвижной катушки, и создаётся вращающий момент.
Угол поворота подвижной части электродинамического прибора пропорционален произведению токов в его катушках и изменению их взаимной индуктивности при повороте подвижной части прибора. На характер изменения взаимной индуктивности можно воздействовать путём подбора формы катушек и их начального взаимного расположения.
Приборы электродинамической системы имеют высокую точность, что обусловлено отсутствием ферромагнитных сердечников, и могут использоваться для измерений в цепях постоянного и переменного тока. При измерениях в цепях переменного тока электродинамические приборы являются самыми точными. Их выполняют в основном в виде переносных приборов, имеющих классы точности 0,1; 0,2; 0,5. Высокая точность приборов обусловлена тем, что для создания вращающего момента подвижной части приборов используют магнитные потоки, действующие в воздухе, что исключает возможность возникновения погрешностей из-за вихревых токов, гистерезиса и т. д.
Недостатками приборов электродинамической системы являются зависимость их показаний от воздействия внешних магнитных полей (так как их собственное магнитное поле незначительно) и слабая перегрузочная способность (так как подвод тока к подвижной катушке осуществляется через тонкие спиральные пружинки). Кроме того, эти приборы потребляют довольно значительную мощность, поскольку ввиду слабости собственного магнитного поля приходится заметно увеличивать число витков неподвижной и подвижной катушек для того, чтобы создать достаточный вращающий момент.
Для устранения влияния посторонних магнитных полей на показания приборов и увеличения их вращающего момента электродинамические приборы снабжают ферромагнитными сердечниками, усиливающими собственные магнитные поля катушек. Наличие ферромагнитных сердечников усиливает магнитные поля катушек и, следовательно, вращающий момент подвижной части прибора. Сердечники выполняются из изолированных друг от друга пластин магнитомягких сталей и пермаллоя, что уменьшает погрешности от вихревых токов и надёжно защищает приборы от влияния посторонних магнитных полей. Электродинамические приборы, катушки которых имеют ферромагнитные сердечники, получили название ферродинамических. Эти приборы в отличие от электродинамических обладают меньшей точностью из-за влияния гистерезиса и вихревых токов, их высший класс точности 1,5. Ферродинамические приборы применяют, главным образом, для измерений в цепях переменного тока в качестве щитовых и самопишущих приборов (благодаря их большому вращающему моменту) в диапазоне частот от 10 до 1500 Гц.
Приборы электро- и ферродинамических систем используют также в качестве ваттметров и фазометров благодаря наличию двух независимых цепей. В этом случае неподвижная катушка (токовая обмотка I*-I) включается в цепь последовательно с нагрузкой, а подвижная (обмотка напряжения U * -U) – параллельно (рисунок 8), при этом последовательно с ней включается добавочный резистор RД.
 |
Работа ЭИП индукционной системы основана на использовании явления возникновения вращающегося (или бегущего) магнитного поля, т.е. на способности этих полей создавать вращающий момент, действующий на подвижное металлическое тело, помещённое в такое поле.
Индукционные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности и энергии в цепях переменного тока. Однако наиболее часто их используют для измерения энергии. Поэтому принцип действия индукционных приборов рассмотрим на примере работы счётчика электрической энергии переменного однофазного тока (рисунок 9).
В индукционном счётчике бегущее магнитное поле, создаваемое токами его катушек, индуцирует в алюминиевом подвижном диске вихревые токи. Взаимодействие бегущего магнитного поля с вихревыми токами создаёт вращающий момент, заставляющий диск вращаться в ту же сторону, в которую вращается поле. Противодействующий момент создаётся в результате взаимодействия поля постоянного магнита 8 с наводимыми им во вращающемся алюминиевом диске вихревыми токами.
Подвижная часть прибора представляет собой алюминиевый диск 5, укрепленный на оси 4. Неподвижная часть счётчика состоит из двух электромагнитов 1 и 6 с намагничивающими катушками 2 и 7 соответственно. Электромагнит 1 является трёхстержневым, а катушка 2 состоит из большого числа витков изолированного проводника малого сечения. Эта катушка включается параллельно измеряемой цепи и называется обмоткой напряжения. Ток IU, проходящий через катушку напряжения, и магнитный поток этой катушки Ф пропорциональны приложенному к цепи напряжению U. Так как индуктивность катушки 2 достаточно велика, то ток IU отстаёт по фазе от напряжения U практически на угол 
.
Электромагнит 6 имеет П-образную форму. Катушка 7, являющаяся катушкой электромагнита 6, состоит из небольшого числа витков изолированного проводника достаточно большого сечения. Эту катушку включают последовательно с измеряемой цепью и называют токовой обмоткой прибора. Ток I, проходящий через катушку 7 и являющийся током нагрузки, создаёт поток Ф1, который пропорционален току I, причём поток Ф1 отстаёт по фазе от тока I на некоторый угол, называемый углом потерь. Угол потерь весьма мал, так как поток Ф1 значительное расстояние проходит через воздух. Токи IU и I и соответственно созданные ими магнитные потоки Ф и Ф1 совпадают по фазе. Поток Ф1 дважды пересекает алюминиевый диск 5. Ток I и напряжение U сдвинуты по фазе на некоторый угол, значение которого зависит от характера нагрузки.
Катушка 2 расположена на среднем стержне электромагнита 1, поэтому магнитный поток этой катушки Ф разветвляется на потоки Ф2 и Ф3, один из которых Ф2, проходя по среднему стержню сердечника и участку 3 магнитной цепи, огибает диск и пересекает его. Потоки Ф3 не пересекают диска прибора, так как замыкаются по боковым стержням сердечника 1. Следовательно, поток Ф2 является рабочим. Потоки Ф3 используются в счётчике для создания необходимого угла сдвига фаз между рабочими потоками Ф1 и Ф2.
Вращающий момент диска, создаваемый магнитными потоками Ф1 и Ф2, пропорционален произведению максимальных значений этих потоков и синуса угла сдвига фаз между ними.
Вихревые токи, возникающие в диске при вращении его в поле постоянных магнитов, пропорциональны частоте вращения диска.
Таким образом, электроэнергия, учитываемая счётчиком, пропорциональна частоте вращения диска.
Счётчик электроэнергии имеет счётный механизм, который связан червячной передачей с осью диска. По показаниям счётного механизма определяют количество электроэнергии, которое израсходовал потребитель.
К достоинствам индукционных счетчиков следует отнести их большую надёжность в работе, значительную перегрузочную способность по току (~300%), незначительную чувствительность к внешним магнитным полям и большое значение вращающего момента.
Индукционные приборы пригодны для использования в сетях переменного тока только одной определённой частоты, что является в некоторой степени недостатком таких приборов. Другим недостатком можно считать зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды: с повышением температуры окружающей среды увеличивается сопротивление прибора, и уменьшаются вихревые токи, что приводит к уменьшению вращающего момента (примерно на 0,4% при нагревании на 1°С).
Принцип действия электростатического ЭИП основан на взаимодействии электрически заряженных электродов, разделённых воздушным диэлектриком. Конструктивно этот прибор (рисунок 10) представляет собой разновидность плоского конденсатора, так как в результате перемещения подвижной части механизма изменяется ёмкость системы. Электростатические силы взаимодействия заряженных электродов 2 создают вращающий момент, под действием которого подвижные электроды 1 втягиваются в пространство между неподвижными пластинами. Подвижные электроды 1 втягиваются до тех пор, пока вращающий момент не станет равен возвратному моменту, который создаётся возвратной пружиной 4.
ЭИП электростатической системы используются для измерения постоянных и переменных напряжений.
Электростатические вольтметры обладают следующими достоинствами: незначительное потребление энергии; высокая степень точности; широкий диапазон рабочих частот; независимость измерений от изменений температуры, частоты и формы кривой напряжения, а также от внешних магнитных полей; широкий диапазон измерения.
К недостаткам этих приборов можно отнести низкую чувствительность и влияние на показания ЭИП внешних электрических полей.
Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы ("мультиметры") и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также постоянного и переменного напряжения и тока. Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный, вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причём в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и даёт команды передачи данных для их обработки. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы – ленточные самописцы и электронные осциллографы (аналоговые и цифровые).
При практическом применении ЭИП необходимо определить их пригодность к предстоящему измерению той или иной величины. Данные о приборе указываются на их шкалах в виде условных обозначений, основные из которых приведены в таблице 1.
Таблица 1
Рядом со шкалой на лицевой стороне ЭИП указывают необходимые маркировочные признаки: единица измеряемой величины; класс точности; номер стандарта, в соответствии с которым прибор изготовлен; род тока и число фаз; система прибора; категория защищённости прибора от влияния внешних магнитных или электрических полей; группа прибора по условиям эксплуатации; рабочее положение прибора; испытательное напряжение прочности электрической изоляции токоведущих частей прибора; положение прибора относительно земного магнитного поля (если это влияет на его показания); номинальная частота тока (если она отличается от 50 Гц); год выпуска; тип (шифр); заводской номер и некоторые другие данные.
Итак, измерение электрических величин, таких как напряжение, сопротивление, ток, мощность и др., производятся с помощью различных средств – измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и диапазона значений измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. Измерения делятся на прямые и косвенные. Прямые измерения дают результаты непосредственного отсчёта (например, измерения тока амперметром, напряжения – вольтметром, мощности – ваттметром и т.д.). Косвенные измерения дают результат путём расчёта по данным, полученным прямым измерением (например, сопротивление участка цепи можно косвенно определить по закону Ома, выполнив прямые измерения тока и напряжения на этом участке).
Методы и средства электрических измерений (ЭИ) в цепях постоянного и переменного тока существенно различаются. В цепях переменного тока они зависят от частоты и характера изменения величин, а также от того, какие характеристики переменных электрических величин (мгновенные, действующие, максимальные или средние) измеряются. Для ЭИ в цепях постоянного тока наиболее широко применяют измерительные магнитоэлектрические приборы и цифровые измерительные устройства. Для ЭИ в цепях переменного тока – электромагнитные приборы, электродинамические приборы, индукционные приборы, электростатические приборы, выпрямительные электроизмерительные приборы, осциллографы, цифровые измерительные приборы. Некоторые из перечисленных приборов применяют для ЭИ как в цепях переменного, так и постоянного тока.
ЭИ тока и напряжения обычно выполняют прямым измерением, причём схемы включения приборов не зависят от рода тока в цепи (амперметр включается последовательно с нагрузкой, вольтметр – параллельно). Однако при этом следует обращать внимание на род тока цепи, в которой должен использоваться прибор (указывается на шкале). Также при значительном разбросе измеряемых величин целесообразно применять многопредельный ЭИП или дополнительные средства измерения: для амперметров – шунты в цепи постоянного тока (рисунок 3) и трансформаторы тока в цепи переменного тока (рисунок 5), для вольтметров – добавочные резисторы в цепи постоянного тока (рисунок 4) и трансформаторы напряжения в цепи переменного тока (рисунок 6).
Для измерения мощности в цепях постоянного и активной мощности переменного однофазного тока применяют электродинамические и ферродинамические ваттметры, схема включения которых была рассмотрена выше (рисунок 8). Для измерений мощности при больших токах и напряжениях ваттметры обычно включают через измерительные трансформаторы тока и напряжения.
 |
Находят применение также косвенные методы измерения мощности постоянного и однофазного переменного тока. Мощность постоянного тока можно определить с помощью двух приборов: амперметра и вольтметра (рисунок 11, а), а мощность однофазного переменного тока – с помощью трёх приборов: амперметра, вольтметра и фазометра (рисунок 11, б).
Активная мощность в цепи трёхфазного тока может быть измерена с помощью одного, двух и трёх ваттметров.
Метод одного ваттметра применяют при симметричной нагрузке. Активная мощность всей системы равна утроенной мощности потребления одной из фаз. При соединении нагрузки звездой с доступной нулевой точкой или, если при соединении нагрузки треугольником имеется возможность включить обмотку ваттметра последовательно с нагрузкой, можно использовать схемы включения, показанные на рисунках 12, а и 12, б соответственно.
Для измерения реактивной мощности токовые концы ваттметра включают в рассечку любой фазы, а концы обмотки напряжения – на две другие фазы (рисунок 13). Полная реактивная мощность определяется умножением показания ваттметра на корень из трёх.
Метод двух ваттметров используется при симметричной и несимметричной нагрузке фаз.
На рисунке 14 показаны равноценные варианты включения ваттметров для измерения активной мощности. Активная мощность для всех схем определяется как результат суммирования показаний ваттметров.
При измерении реактивной мощности можно применять схему, показанную на рисунке 15, а с искусственной нулевой точкой. Для создания нулевой точки необходимо выполнить условие равенства сопротивлений обмоток ваттметров и резистора R. Реактивная мощность вычисляется по формуле: 
где РW1 и РW2 – показания ваттметров.
По этой же формуле можно вычислить реактивную мощность при равномерной загрузке фаз и соединении ваттметров по какой-либо из схем на рисунке 14. Достоинство этого способа в том, что по одной и той же схеме можно определить активную и реактивную мощности. При равномерной загрузке фаз реактивная мощность может быть измерена по схеме на рисунке 15, б.
Метод трёх ваттметров применяется при любой нагрузке фаз. Активная мощность может быть измерена по одной из схем на рисунке 16. Мощность всей цепи определяется суммированием показаний всех ваттметров.
Реактивная мощность для трёх- и четырёхпроводной сети измеряется по схеме на рисунке 17 и вычисляется по формуле:
,
где РWA, РWB, РWC - показания ваттметров включённых, в фазы А, В, С. На практике обычно применяют одно-, двух- и трёхэлементные трёхфазные ваттметры соответственно методу измерения.
Последовательность выполнения работы.
1. Изучить устройства, принцип работы измерительных приборов различных систем и методики измерения параметров электрических цепей.
2. Провести ознакомительный осмотр измерительного прибора, указанного преподавателем, с целью определения его типа и основных паспортных (номинальных) данных.
3. Предложить способ расширения пределов измерения (до заданного значения) рассматриваемого прибора и составить соответствующую электрическую схему цепи.
4. Приступить к оформлению отчёта по лабораторной работе.
Содержание отчёта.
1. Результаты выполнения п. 2, а именно: назначение прибора и измеряемая им величина; цена деления шкалы прибора; устройство и принцип работы измерительной системы прибора; схема включения прибора в электрическую цепь; рабочее положение прибора; электрическая прочность изоляции; класс точности.
2. Результаты выполнения п. 3.
Контрольные вопросы.
1. Дайте определение электроизмер