Потребляемая мощность — мощность, которую потребляет прибор при включении его в цепь. В результате этого меняется режим работы цепи, что в конечном счете приводит к увеличению погрешности измерения.
Время установления показаний — промежуток времени, который проходит с момента изменения измеряемой величины до момента, когда указатель займет положение, соответствующее новому значению измеряемой величины. Время установления показаний для большинства типов показывающих приборов не превышает 4 с.
Надежность электроизмерительных приборов — способность их сохранять заданные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Количественной мерой надежности является среднее время безотказной работы.
Каждый электроизмерительный прибор на шкале имеет следующие обозначения: единицы измеряемой величины (ампер, вольт, ом и т. д.); тип прибора; род тока (постоянный или переменный); класс точности; система прибора; рабочее положение (вертикальное или горизонтальное); испытательное напряжение на пробой изоляции; номер стандарта, которому соответствует прибор; заводской номер изготовления; год выпуска.
Измерение постоянного и переменного тока
Для измерения тока I через какой-либо элемент электрической цепи последовательно с ним включают измеритель тока — амперметр.
Измерение больших постоянных токов (свыше 100 А) обычно осуществляется амперметрами магнитоэлектрической системы с использованием шунтов — резисторов малого сопротивления, подключаемых параллельно измерительному механизму.
Ток Iп через измерительный механизм связан с измеряемым током I соотношением
где RK - сопротивление обмотки ИМ,
RШ – сопротивление шунта.
Сопротивление шунта подбирается из соотношения
где п = I/Iп — коэффициент шунтирования.
Для измерения переменных токов в диапазоне до 100 А используют электромагнитные, электродинамические и выпрямительные приборы, работающие в частотном диапазоне до десятков килогерц, и термоэлектрические приборы в диапазоне частот до сотен мегагерц. Измерение больших переменных токов осуществляется теми же приборами, но с использованием измерительных трансформаторов тока ТТ. В этом случае для определения значения измеряемого тока IХ необходимо показание прибора IА умножить на коэффициент трансформации KI=Ix/IА (KI указывается в паспорте трансформатора).
Измерение постоянного и переменного напряжения
При измерении ЭДС и напряжения на каком-либо участке электрической цепи измеритель напряжения (вольтметр) включают параллельно этому участку.
Значения постоянных напряжений от десятков милливольт до сотен вольт измеряют приборами магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем, электронными аналоговыми и цифровыми вольтметрами, компенсаторами постоянного тока с использованием резистивных делителей напряжения и добавочных резисторов.
Для измерения постоянных напряжений до нескольких киловольт применяют в основном электростатические вольтметры.
Малые переменные напряжения (до единиц вольт) измеряют с помощью приборов выпрямительной системы, аналоговыми и цифровыми электронными вольтметрами.
Для измерения переменных напряжений от единиц до сотен вольт в диапазоне частот до десятков килогерц используют приборы электромагнитной, электродинамической и выпрямительной систем.
Для измерения больших значений переменных напряжений (свыше 1000 В) используют те же приборы, но с применением измерительных трансформаторов напряжения. В этом случае для определения значения измеряемого напряжения Ux необходимо показание прибора Uv умножить на коэффициент трансформации Ku = Ux/Uv (КU указывается в паспорте трансформатора).
Кроме преобразования переменного напряжения трансформаторы напряжения обеспечивают изоляцию вторичной цепи от первичной, находящейся под высоким напряжением.
Измерение мощности в цепях постоянного тока
В цепях постоянного тока измерение мощности ваттметром производят в основном методом амперметра — вольтметра. Измерив амперметром ток I и вольтметром напряжение U, вычисляют мощность по формуле Р = UI .
Измерение мощности в однофазных цепях переменного тока
Полную мощность S приемника измеряют, как правило, методом амперметра — вольтметра по формуле
S = UI,
где U и I — действующие значения напряжения и тока.
Активную мощность P=UI cos φ и реактивную мощность Q=UI sin φ приемников измеряют с помощью ваттметров.
Измерение активной мощности ваттметром в однофазных цепях производят по схеме рис. 11.9. Токовую обмотку включают в цепь последовательно с приемником R, т. е. в цепь тока I, а обмотку напряжения – параллельно приемнику R на напряжение U.
Рис. 11.9. Схема включения ваттметра в однофазную цепь
при измерении мощности
Измерение мощности в трехфазных цепях
Полная мощность при симметричном приемнике может быть измерена методом амперметра — вольтметра и вычислена по формуле
S = 
UI,
где U и I— действующие значения линейных напряжения и тока.
При несимметричном приемнике полная мощность определяется как |S| = |S1+S2+ S3|,
где S1, S2 и S3 — полные мощности фаз приемника.
Измерение активной и реактивной мощности в трехфазных цепях производят с помощью трех, двух и одного ваттметров, используя различные схемы включения.
При измерении активной мощности в четырехпроводной цепи включают три ваттметра (рис. 11.10). Активная мощность приемника определяется по сумме показаний трех ваттметров:
P = P1 + P2 + P3.
При симметричном приемнике активную мощность определяют с помощью одного ваттметра, измеряя мощность одной фазы. Активная мощность всего приемника равна в этом случае утроенному показанию ваттметра: Р=ЗРф.
Рис. 11.10. Схема включения ваттметров при измерении активной мощности
в четырехпроходной цепи
Широко распространено измерение активной мощности в трехфазной цепи методом двух ваттметров. Этот метод справедлив только для трехпроводной цепи (см. раздел 5 пособия).
Можно определить реактивную мощность по показаниям ваттметров, включенных по схеме двух ваттметров (см. раздел 5) при симметричном приемнике. Реактивная мощность пропорциональна алгебраической разности показаний, умноженной на , т.е. Q = (αW1-αW2),
где αW1 и αW2 – показания ваттметров.
Цифровые измерительные приборы
Цифровой измерительный прибор — это прибор, в котором входной сигнал преобразуется в дискретный и представляется в цифровой форме. Цифровые приборы работают на принципе преобразования измеряемого непрерывного сигнала в электрический код. В общем случае цифровой измерительный прибор содержит входное устройство ВхУ, аналого-цифровой преобразователь АЦП, цифровое отсчетное устройство ЦОУ и устройство управления УУ.
Рис. 11.11. Структурная схема цифрового измерительного прибора
Входное устройство предназначено для обеспечения большого входного сопротивления, изменения пределов измерения и определения полярности входного сигнала.
Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговую величину в дискретный сигнал в виде электрического кода, пропорционального измеряемой величине х. Результат измерения регистрируется на табло цифрового отсчетного устройства.
Работой прибора управляет устройство управления путем выработки и подачи командных сигналов во все узлы.
Достоинства цифровых измерительных приборов: малые погрешности измерения (0,1 ...0,001%) в широком диапазоне измеряемых величин; высокое быстродействие; выдача результатов измерений в цифровом виде и возможность документальной регистрации их с помощью цифрового печатающего устройства; возможность ввода измерительной информации в ЭВМ и измерительные информационные системы.
По виду измеряемых величин цифровые измерительные приборы подразделяются на вольтметры, омметры, частотомеры, фазометры и др.
12. ЭЛЕКТРОПРИВОД МАШИН И МЕХАНИЗМОВ
Электрический привод состоит из электрического двигателя, передаточного механизма (редуктора) и средств управления и автоматизации.
Работа системы электропривод-рабочий механизм связана с действием различных сил и их моментов. Моменты, которые приводят систему в движение, называются вращающими Мвр. Другие моменты тормозят систему и называются моментами сопротивления Мс.
Уравнение моментов на валу двигателя имеет вид
Мвр = Мс + Мд,
где Мд= J 
- динамический момент, возникающий при изменении скорости инерционных масс, момент инерции которых равен J (ω – угловая скорость вала двигателя, рад/c, t – время, с).
В электроприводе двигатель может работать в двигательном и тормозном режимах, развивая на валу вращающий или тормозящий момент.
Момент М и механическая мощность Р, развиваемые двигателем, связаны соотношением
Р = М·ω.
Если выразить мощность двигателя в кВт, а вместо угловой скорости ω использовать частоту вращения n (об/мин.), то связь между мощностью двигателя Р (кВт) и моментом М (Н·м) выражается соотношением
М = 9550 
.
Рабочие механизмы создают моменты сопротивления Мс, которые обычно зависят от скорости. Момент сопротивления вентиляторов, центробежных насосов, компрессоров и других механизмов пропорционален квадрату частоты вращения. Такие механизмы называют механизмами с «вентиляторным моментом».
Существуют три основных режима работы электродвигателей: продолжительный (S1 – символ режима), кратковременный (S2) и повторно-кратковременный (S3).
Продолжительным называют режим, в котором двигатель работает столько времени, что он успевает нагреться до установившейся температуры. Различают продолжительный режим с постоянной и изменяющейся нагрузкой. В режиме постоянной нагрузки (рис.12.1 а) работают двигатели центробежных насосов внутрипромысловой перекачки нефти, закачки воды в пласт, погружных центробежных насосов.
На практике нагрузка не всегда остается постоянной и изменяется по величине (продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой, рис.12.1 б). В таком режиме работают двигатели станков-качалок, буровых насосов, привода долота. Для двигателей станков-качалок характерен резкопеременный, циклически изменяющийся график нагрузки. Нагрузка двигателя бурового насоса по мере углубления скважины в процессе бурения плавно нарастает. График нагрузки электропривода долота характеризуется изменением нагрузки, зависящей от твердости породы.
Рис.12.1 а Рис.12.1 б
В кратковременном режиме рабочий режим работы двигателя tp настолько мал, что за это время температура двигателя не достигает установившегося значения, а за время остановки она успевает уменьшиться до температуры окружающей среды. В кратковременном режиме работают двигатели задвижек на трубопроводах и других механизмов.
В повторно-кратковременном режиме (ПКР) регулярно чередуются кратковременные периоды работы (tр) с кратковременными периодами пауз (t0), причем в период нагрузки температура двигателя не достигает установившегося значения, а в период паузы температура не успевает опуститься до уровня температуры окружающей среды (рис.12.2).
Рис.12.2
Основной величиной, характеризующей повторно-кратковременный режим, является относительная продолжительность включения ПВ, под которой понимают отношение времени рабочего режима tp к продолжительности цикла (tц = tр + t0 ):
ПВ% = 
.
Значения относительной продолжительности включения ПВ стандартизированы и составляют 15, 25,40 и 60%. Например, для двигателя с ПВ 40% следует, что этот двигатель может работать с номинальной нагрузкой 4 минуты, а последующие 6 минут должен быть выключен.
Примером работы в повторно-кратковременном режиме являются электродвигатели буровой лебедки, подъемных кранов и других механизмов. Для графика нагрузки электродвигателя буровой лебедки характерно снижение нагрузки от цикла к циклу.
Правильный выбор мощности двигателя имеет экономическое значение. При работе двигатель должен быть полностью загружен. Полнота его загрузки оценивается соответствием мощности нагрузки на валу двигателя, определяемой рабочим механизмом, его номинальной расчетной мощности, при которой он может работать не перегреваясь.
При работе электродвигателя в продолжительном режиме с постоянной нагрузкой мощность двигателя Рд подбирается по мощности Р рабочего механизма:
Рд ≥ Р.
При работе двигателя в продолжительном режиме с переменной нагрузкой мощность рассчитывается или по средним потерям, или, чаще, по среднеквадратичным значениям тока, момента или мощности.
При расчете мощности с использованием метода эквивалентного тока изменяющиеся по значению токи нагрузки заменяют эквивалентным неизменяющимся током Iэкв, который выделяет в двигателе ту же теплоту, что и изменяющиеся токи. Двигатель будет выбран правильно, если Iном ≥ Iэкв, где Iном – номинальный ток двигателя.
При расчете мощности по эквивалентному моменту Мэкв должно выполняться условие: Мном > Мэкв, где Мном – номинальный момент двигателя.
При выборе мощности для повторно-кратковременного режима, характеризуемого относительной продолжительностью включения ПВ%, следует иметь в виду, что если ПВ% > 60%, тогда двигатель выбирается как для продолжительного режима, если ПВ% < 10% - как для кратковременного режима.
На практике возможны случаи, когда двигатель включают в работу, режим которой характеризуется большей относительной продолжительностью включения, например, вместо ПВ%=25% работают с ПВ%=60%. В этом случае двигатель должен развивать меньшую мощность для исключения перегрева.
Пересчет мощности с одного ПВ% на другое производится по формуле
Р60 = Р25 
.
Методы эквивалентных момента и мощности не применимы для двигателей постоянного тока последовательного возбуждения, где момент не пропорционален току.
Выбранный двигатель проверяют по перегрузочной способности и пусковому моменту (если пуск происходит под нагрузкой). В продолжительном режиме у асинхронного двигателя механическая перегрузка лимитируется критическим моментом Мкр. В каталогах приводятся данные о кратности перегрузки Км:
Км = 
.
Механический перегрузки двигателя нет, если
Ммах ≤ 0,85КмМном,
где Ммах – максимально возможный момент нагрузки;
0,85 – коэффициент запаса.
В продолжительном режиме у двигателя постоянного тока нагрузка лимитируется допустимым током.
Если максимальный момент нагрузки двигателя больше, чем он может развить, то выбирают двигатель большей мощности.
13. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ