Måleteknik Effektmåling

Transkript

1 Måleteknik Effektmåling Formål: Formålet med øvelsen er at indøve brugen af wattmetre til enfasede og trefasede målinger. Der omtales såvel analog som digitale wattmeter, men der foretages kun målinger med et digitalt wattmeter. Indledning: Indenfor elektroteknikken er man ofte interesseret i at vide, hvor store effekter der afsættes i komponenter, eller leveres af apparater og maskiner, da temperaturen i de fleste kredsløbselementer afgør levetiden. En overtemperatur på 6-8 C kan reducere levetiden til den halve. Det er derfor nødvendigt at vide hvor mange μw. der afsættes i en elektronikkomponent eller hvor mange MW, der afgives fra en transformer. Hvad er effekt: Effekt er energi pr. tidsenhed: Her er effekten P [W], der måles som energien W [J] i en periode på tiden T [s], altså en middelværdi: Her er v spændingen og i strømmen, for DC er: med V en DC-spænding og I en DC-strøm. For AC er:

2 målt som faseværdier. Hvor Vrms og Irms er effektivværdieme af vekselspændingen og φ er fasevinklen mellem strøm og spænding. Ved trefasede systemer bliver: φ er stadig vinklen mellem fasespænding og fasestrøm. I disse tilfælde er P altid en middelværdi, der kan dog i visse reguleringstilfælde regnes med øjeblikseffekter, men det er udenfor emnet her. Instrumenttyper: Til måling af effekt skal der benyttes et instrument, der kan måle sammenhørende værdier af strøm og spænding: A: Mekanisk/magnetisk instrument B: Mekanisk/termisk instrument C: Elektronisk instrument A. Mekanisk / magnetisk instrument Til denne kategori hører de elektrodynamiske instrumenter, der er konstrueret som vist på nedenstående skitse. Ewen Ritchie Side 2(9) 14/09/2008

3 Fig.1. Mekanisk/magnetisk dynamometer wattmeter Instrumentet minder om et drejespoleinstrument, hvor den permanente magnet, hvis konstante felt Φ=BA, er erstattet af en elektromagnet, hvis felt Φ=f(Ii,N) (amperevindinger) bliver afhængigt af strømmen gennem spolen og antallet af vindinger. Dette betyder at udslaget for det elektrodynamiske instrument bliver: hvor i er strømmen i henholdsvis den stationære som den bevægelige spole. Instrumentet har et forholdsvist stort effektforbrug og kan kun måle indenfor et lille frekvensområde, typisk mellem 45 og 65 [Hz]. B. Termiske Wattmetre Måleprincippet i de termiske wattmetre er, at målestrømmene il og b ledes gennem termoomformere, som igen er forbundet til et drejespoleinstrument. Man udnytter at strømmen opvarmer en leder, hvor temperaturen t=f(i), og denne temperatur omdannes til en spænding v=f(temp). Instrumentet er velegnet til at måle effekter ved frekvenser op til 20 khz samt til at måle strømme og spændinger, som er sammensatte AC-DC funktioner. Intrumenteksempel: ERIC MAREK UC6 C. Elektroniske wattmeter Da måling af effekt drejer sig om at multiplicere en strøm med en,. spænding p=v i eller rettere om middelværdien: Ewen Ritchie Side 3(9) 14/09/2008

4 er det nærliggende at konstruere wattmeteret på grundlag af en enhed, der kan multiplicere og en der kan integrere. På et instrument af typen ERIC MAREK udlæses resultatet på et drejespoleinstrument. På et VOLTECH PM 100 er der digital udlæsning. I dette instrument er indbygget faciliteter så instrumentet kan måle spænding, strøm, effekt, reaktiv effekt, cos til vinkelen mellem strømmen og spændingen, max-værdier, frekvens og energi, desuden kan instrumentet analysere hannoniske værdier i strømme og spændinger. Måling med wattmetre Et wattmeter viser hvor P er middelværdien af effekten i periodetiden T, V er spændingens effektivværdi, I er strømmens effekttivværdi, og cos$ er altid cosinus til vinklen mellem fasespænding og fasestrøm. Generelt skal det bemærkes at wattmetrets stromspole ikke må gennemløbes afstørre strøm end det påstemplede tilsvarende gælder for spændingsspolen at der ikke må ligge højere spænding herover end angivet. Derfor skal man altid kunne måle såvel strøm som spænding. Grunden til denne bemærkning er, at cosφ kan være lav, og dermed vil udslaget være lille, og svage sjæle kan da forledes til at skifte til et område beregnet til en mindre strøm eller spænding. Fuld udslag på et wattmeter haves, når der er fuld spænding på spændingsspolen, fuld strøm på strømspo)en og cosφ er 1. F.eks. 240V området og 5A området giver fuldt udslag på 1200 W ved c cosφ = I. Med den samme indstilling vil 250V og 5A ved cosφ=o, l give et udslag på 0, l04 gange fuldt udslag, og på grund af spændingens og strømmens størrelse kan områderne ikke ændres, og det er ikke muligt at få større udslag. Visse instrumenter tillader dog en overbelastning af strømspolen -læs om det i manualen. Koblingen af wattmeteret ses på nedenstående figur: Fig. 2. Kobling af wattmeter. a. for måling af rigtig strøm. b. for måling af rigtig spænding. Ligesom ved drejespoleinstrumenter vil der løbe en strøm gennem spolerne, dvs. at der blive en fejlvisning. I fig. 2a måles der rigtig strøm, spændingen der måles bliver lidt for stor, idet der bliver et spændingsfald over strømspolen fra ad til a2. I fig. 2b måles der rigtig spænding, men her bliver strømmen gennem al og a2 for stor, da der vil løbe en lille strøm ned gennem spændingsspolen fra V 1 til V 2. Ewen Ritchie Side 4(9) 14/09/2008

5 Måling på 3-faset effect Måling på 3-faset effekt kan deles op i to kategorier: A. Måling på symmetriske belastninger B. Måling på usymmetriske belastninger A. Måling på symmetriske belastninger Disse målinger kan foretages som måling på en fase, hvorefter der multipliceres med 3. Hvis der ikke er el nulpunkt (referencenul) til rådighed, skal der etableres et kunstigt nulpunkt. Eksempel på kunstigt nul kan ses på fig. 3b. Z er en belastningsimpedans og Rs er en evt. seriemodstand. Fig.3. Måling af effekt ved symmetriske belastning. a mellem fase og nulpunktet i et Y-koblet system. b ved etablering af et kunstigt nulpunkt i et å-koblet system. B. Måling på usymmetrisk net Da den samlede effekt er summen af de tre deleffekter, kan målingen foretages som 3 gange l- fasede målinger (mellem fase og nul) og derefter summere. Også her kan det blive nødvendigt at etablere et kunstigt nulpunkt. De fleste 3-fasede belastninger må regnes som usymmetriske og uden nulleder. Dvs. at der kun er ført 3 ledere frem. Effekten kan da males med en 2-wattmetermetode kaldet Arons kobling, som vist på fig. 4. Fig 4. 3-faset effekt målt med Arons kobling. Ewen Ritchie Side 5(9) 14/09/2008

6 At metoden bliver rigtig ses af følgende: Hvilket giver som med sinusformede spændinger og strømme giver følgende middelværdi af effekten Hvor alle strømme og spændinger er netværdier, husk: Vinklerne Φl og Φ3 er målt mellem netspænding og netstrøm som vist på fig. 5. Fig. 5. Fase-strømme, netstrømme. fasespændinger og netspændinger I et tre faset system. Læg mærke til at det er vinklerne Φ1 og Φ3 der måles, når der anvendes Arons kobling. I stedet for at anvende 2 wattmetre kan man anvende en wattmeteromskifter, som egentlig er en amperemeteromskifter, hvor kontaktafbrydelser foregår efter at en ny kontakt er etableret. Dette betyder, at strømmen ved omskiftning aldrig afbrydes. Se fig. 6. Fig. 6. Wattmeter/amperemeter omskifter. Ewen Ritchie Side 6(9) 14/09/2008

7 Udover at man kun skal anvende et wattmeter, har benyttelse af omskifteren også den fordel, at wattmeteret er udkoblet, når omskifteren står i stilling O. Dette kan have betydning ved start af motorer, idet mange af disse har en startstrøm på 6 til 8 gange fuldlaststrømrnen, og det er wattmeteret måske ikke indstillet til. Ved uheld koster en ny omskifter ca. 200 kr, hvorimod et nyt wattmeter kan koste mellem 6.000kr og kr. Et godt argument for at benytte en omskifter, som altid skal sættes i nulstilling ved start. Beregning Q/impedans, resistans, induktans og fasevinkel. Ved øvelserne skal der beregnes impedans. resistans. induktans og fasevinkel ud fra de målte effekter, strømme og spændinger. Hertil anvendes som I husker fra kredsløbsteorien følgende ligninger: ØVELSE I EFFEKTMÅLING: Formål: At indøve brugen af et wattmeter At indøve anvendelse af en wattmeteromskifter At prøve at arbejde på et tre-faset net med 3*400V At foretage beregninger ud fra optagne målinger. Personsikkerhed: Arbejd aldrig alene ved netti/sluttede laboratorieopstillinger. Din sikkerhed er dit eget ansvar. Din sikkerhed kan komme til at afhænge af, at din kammerat ved, hvor strømmen kan afbrydes. Afbryd altid spændingsforsyningen, når der skal foretages ændringer I måleopstillingens hovedkreds. Overskuelighed med og opryddelighed omkring måleopstillingen øger sikkerheden. Wattmetre: Wattmetres strøm/spændingsspoler tåler aldrig, at der påtrykkes en højere strøm/spænding end strøm/spændingsomskifteren er indstillet til. Aflæs derfor altid strømmen og spændingen inden effekten måles. Ewen Ritchie Side 7(9) 14/09/2008

8 Måleopstilling: Principielt ser opstillingen for l-faset måling altid ud som vist i fig. 7. Med da wattmeteret I skal bruge indeholder såvel amperemeter som voltmeter, og vi ønsker at I skal bruge en wattmeteromskifter for at sikre mod startstrømmen, skal I anvende opstillingen som vist i fig. 8. Fig. 7. Opstilling til enfaset effektmåling, hvor der ikke er amperemeter og voltmeter inkluderet i wattmeteret. Fig.S. Opstilling i laboratoriet til effektmåling, hvor der anvendes amperemeteromskifter, og hvor amperemeter og voltmeter er internt i wattmetret. 1. Måling på enfaset belastning Målingerne foretages med et Voltech PM1OO Power Analyzer. Som spændingsforsyning anvendes en l-faset variotransformer. Belastningen er her en induktans på ca. 500 mh (en spole) og en resistans på 160 Ω (en skydemodstand). Der måles: Effekten som funktion af strømmen: P=f(I) Spændingen som funktion af strømmen: U=f(I). o For strømmen 0<I<påstemplet værdi Derefter beregnes og tegnes følgende kurver: Impedansen Z=f(I) Resistansen R=f(I) Ewen Ritchie Side 8(9) 14/09/2008

9 Induktansen L=f(l) Fasevinklen φ=f(i) på et kurveblad med standardiserede akser, dvs. der anvendes akseinddelinger efter: 1:1*10 n, 1: 1*10 n eller 1:5*10 n 2.Måling på 3-faset motor Til disse målinger anvendes igen Voltech PM100 Power Analyzer og en wattmeteromskifter. Som spændingsforsyning anvendes nu en trefaset variotransformer. Benyt wattmeteromskifteren på alle 3 faser. For den udleverede motor optages og tegnes der kurver for: Effekten som funktion af spændingen: P=f(U) Strømmen som funktion af spændingen: I=f(U) For spændingen 0<U<I,2+Un (Motorens påstemplede mærkespænding) Tilstræb at holde temperaturen i motorens viklinger så konstant som muligt, ved at starte med den største strøm, her strømmen for U=l,2Un. 3. Fourieranalyse Wattmeteret Voltech PM 100 har en facilitet til Fourier analyse af en spænding eller en strøm. Når der regnes på induktanser, forudsætter man at L er en konstant. Dette er en sandhed med modifikationer, det gælder kun så længe at man har liniaritet i den magnetiske kreds. Prøv at serieforbinde en mindre induktans med en modstand på fa Ohm (Spole på 1.2 H med en intern modstand på ea.73 Ω i serie med en modstand på 270Ω, findes i en lille grå kasse ). Påtryk en ganske lille spænding (max 20 V). Voltech PM 100 tilsluttes som Wattmeter og under MODES vælges Harmonic mode V/A/W, derefter Barchart og V, hvorefter et søjlediagram med tal for størrelsen på harmoniske spænding eller strøm kan komme frem når man afslutter menuvalgene. Prøv at ændre på spændingen (sænk spændingen fra de 20 V), betragt faconen på spændingen og på strømmen og foretag en FFT-analyse igen. Ewen Ritchie Side 9(9) 14/09/2008