6. Măsurarea puterii şi energiei electrice Măsurarea puterii in circuite de curent continuu

Observaţie:

Pe un principiu asemănător se poate transforma şi contorul monofazat de energie activă într-unul de energie reactivă.

b) Măsurarea puterii reactive în trifazat

Cazul cel mai frecvent întâlnit în practică este cel al reţelelor cu 4 fire şi de aceea ne vom referi numai la acesta.

Schema de măsură este dată în fig. 6.19, a unde Q₁, Q₂, Q₃ sunt VAR-metre de tipul celui din fig.6.18, c (sau un VAR-metru trifazat cu trei echipaje). Puterea reactivă (Q) absorbită de către receptor este dată de relaţia:

(6.59)

în care au semnificaţia din fig.6.19, b.

Pe acest principiu se construiesc VAR-metre trifazate cu trei echipaje, precum şi contoare de energie reactivă cu trei echipaje, aparate folosite mai ales la consumatorii cu cos mic (industria textilă, de exemplu). În fine, trebuie de menţionat că există VAR-metre şi contoare de energie reactivă pentru distribuţii cu trei fire, funcţionând pe scheme apropiate de schema Aron (fig.6.17, a), însă astfel de scheme nu au fost preluate de către contoarele electronice şi de aceea nu vor fi prezentate aici.


Fig.6.19 Măsurarea puterii reactive cu 3 instrumente:

a) schemă b) diagrama fazorială
Exemplu de contor de energie reactivă pe 4 fire

Contorul T-2CR43 al firmei AEM Timişoara

Caracteristici: curent şi tensiune ca la T-2CA43, clasa de precizie 2,5.

Observaţie:

Contoarele trifazate se construiesc şi în varianta cu conectare prin transformator de tensiune (TT) şi transformator de curent (TC) situaţie în care U_n şi l_n sunt tipic 100 V şi respectiv 5 A.

6.4.1.4. Despre etalonarea şi verificarea contoarelor electromecanice

Etalonarea contoarelor electromecanice constă în stabilirea constantei (C) şi a indicelui de clasă, iar verificarea constă în controlul periodic al indicelui de clasă.

a) Stabilirea indicelui de clasă de precizie

La AM cu ac indicator (şi la cele numerice), indicele de clasă (c) se determină prin raportarea erorii absolute la limita superioară de măsură, numită şi cap de scară(c.s).

La contoare neexistând cap de scară, eroarea absolută se raportează la valoarea "adevărată" (W_m) măsurată cu mijloace etalon, iar eroarea de bază (), ce serveşte la stabilirea indicelui de clasă, se determină cu o relaţie de forma:

[%] (6.60)

în care W_i este energia indicată de contor.

Această relaţie transcrisă în termeni de constantă a contorului (C) devine:

[%] (6.61)

relaţie în care C este constanta nominală înscrisă pe panoul contorului, iar C_m constanta acestuia determinată experimental la verificare.

Indicii de clasă de precizie (c) prevăzuţi de standarde pentru contoare electromecanice sunt: 0,5, 1 şi 2, iar stabilirea unui astfel de indice la orice contor se face respectând condiţia:

(6.62)

b) Verificarea contoarelor electromecanice

Operaţia de verificare constă, în principal, în verificarea preciziei adică a indicelui de clasă (c) operaţie care se face pe baza relaţiilor (6.60) şi (6.62). Condiţiile de verificare sunt stabilite prin norme şi standarde (de ex. STAS - 4198), aliniate la cele internaţionale (CEI 521, IEC - 1036).

Măsurarea energiei real consumate (W_m), care intră în expresia (6.60) se poate face:
1. Indirect, cu ajutorul unui wattmetru de precizie şi a unui cronometru de precizie metodă ce a fost utilizată până prin 1970 - '75, dar care a fost părăsită din cauza productivităţii şi a preciziei scăzute.

2. Cu ajutorul unui contor etalon, cum este, de exemplu, contorul INMB, model WEE 3-1 (precizie de bază 0,1 %), metodă ce s-a impus după 1970 (odată cu apariţia contoarelor electronice de precizie). Contorul etalon pe lângă precizie mult mai bună şi productivitate mai mare, permite măsurarea şi a altor mărimi de interes ( cos, frecvenţa etc.), precum şi automatizarea procesului de verificare.

Indiferent de metodă, eroarea de măsurare a lui W_m trebuie să fie de cel puţin 3-5 ori mai mică decât , condiţie îndeplinită de către WEE 3-1 chiar şi la verificarea contoarelor din clasa 0,5.
6.4.2. Măsurarea puterii şi energiei în trifazat cu AM electronice
Wattmetrele şi contoarele electronice trifazate pot fi cu multiplicator static sau cu , iar ca formă de prezentare sunt contoare (de tablou sau de laborator) ce au şi funcţionalitate de wattmetru, cu afişaj comun (tipic LCD).

6.4.2.1. Contoare trifazate cu multiplicatoare electronice

Se construiesc atât în varianta de laborator (serie mică) cât şi în cea de tablou (serie mare) şi sunt utilizabile fără modificări, în configuraţii cu 4 sau cu 3 fire.

a) Contoare trifazate de laborator

Acestea sunt la bază contoare cu 3 echipaje (multiplicatoare), pot funcţiona atât în configuraţie cu 4 fire (fig.6.15), cât şi în cea cu 3 fire (fig.6.16, b) şi pot măsura putere şi energie activă precum şi putere şi energie reactivă, adică sunt mai versatile decât contoarele electromecanice. Ca trăsătură de bază au precizie foarte bună (clasa 0,1) şi servesc la etalonarea şi verificarea contoarelor electromecanice, motiv pentru care se mai numesc şi contoare etalon. Precizia înaltă a acestor contoare se datorează multiplicatorului folosit: tip MAD.

Schema de principiu a unui astfel de contor este prezentată în fig.6.20, unde M₁, M₂, M₃ sunt multiplicatoare de tip MAD, un sumator de tensiuni, iar CTF un convertor tensiune-frecvenţă. Se observă că intrările de curent şi de tensiune la cele trei multiplicatoare se face prin transformatoare de măsură (există şi variante mai recente în care transformatoarele respective sunt înlocuite cu amplificatoare de izolaţie). Se observă de asemenea, că aparatul are şi funcţionalitate de wattmetru ca şi contorul electronic monofazat din fig.6.9, iar afişajul este comun.

Modul de lucru: conexiune cu 4 sau cu 3 fire (normală sau Aron) pentru receptoare în stea sau în triunghi, etc. poate fi selectat de către operator (taste) prin blocul de comandă (BC). Aparatul dispune şi de semnalizare a sensului de circulaţie a energiei: spre receptor sau invers (- sau +), însă din motive de claritate circuitul respectiv a fost omis din schemă. În fine, alimentarea aparatului se poate face de la reţea (BA) sau de la baterii.



Avantaje

Principalele avantaje ale acestui tip de contor sunt:

• precizie înaltă (clasa 0,05 sau 0,1);

• răspuns corect şi în regim nesinusoidal;

• răspuns corect şi în regim dezechilibrat;

• insensibilitate la vibraţii şi la poziţie;

• versatilitate mare (poate măsura P, Q, W, W_r, în toate configuraţiile de bază din trifazat, precum şi în monofazat);

• consum propriu foarte redus, ceea ce permite alimentarea mixtă (reţea şi baterie).

Exemple de realizare

1. Contorul etalon TVH 2 al firmei Landis-Gyr, care a lansat (în Europa) primele contoare electronice etalon (Ruegger M. - Compteur etalon statique TVH 2 pour mesures d’energie active et reactive, Revue Landis-Gyr, nr. 2, 1979). Acesta are schema similară cu cea din fig.6.20, cu deosebirea că afişarea valorii mărimilor măsurate se face pe AM numerice exterioare: P şi Q sunt afişate pe un voltmetru numeric, iar W şi W_r pe un numărător. Parametrii de calitate (precizie, etc.) sunt aceiaşi cu cei menţionaţi mai înainte.

2. Contorul etalon WEE 3-1 (INMB) poate măsura şi în monofazat (fig.6.9, c).

b) Contoare electronice trifazate de tablou

Acestea au cam aceeaşi schemă ca şi cele de laborator cu deosebirea că multiplicatoarele sunt cu transconductanţă variabilă (mai simple şi mai ieftine decât cele de tip MAD) şi au o precizie mai redusă (tipic cl.1).

Parametrii de calitate sunt cam aceiaşi ca şi la contoarele de laborator menţionate mai înainte, cu excepţia preciziei care e mai scăzută: clasa 0,5 (mai rar 0,2) şi clasa 1 (CEI 1036), din motive legate de optimizarea raportului performanţe/cost.

Ca arhitectură (exterioară şi gabarit) sunt asemănătoare cu cele trifazate de inducţie şi păstrează aceeaşi numerotare la plăcuţa de borne (ca în fig.6.15).

Exemplu de realizare

Contorul electronic trifazat de tablou Spectra A12E al firmei Schlumberger.

Acesta permite măsurarea energiei active şi reactive în ambele sensuri (+, -), puterilor P, Q şi S, a factorului de putere precum şi a altor mărimi legate de regimul de tarifare a energiei electrice vândute. Mai permite şi monitorizarea prin Master sau PC. Precizie: clasa 0.5 (CEI 678) sau clasa 1 (CEI 1036) la măsurarea energiei active şi clasa 1 la măsurarea energiei reactive.

Carcasa aparatului (fig.6.21) este similară cu cea a contoarelor cu inducţie standard. Pe figură avem:

• 
  A,B,C butoane pentru controlul puterilor maxime pe faze;
  
• 
  + şi – butoane pentru controlul sensului de circulaţie a energiei;
  
• 
  RS 232 - ieşire pentru conectare la un modem telefonic pentru integrare într-un sistem automat;
  
• 
  MDC – ieşire serială pentru magistrala de date care permite afişarea datelor măsurate direct pe PC-ul consumatorului.
  

În terminologia de prospect A, B, C se mai numesc şi maxigrade.





Observaţie

Contorul de tablou A12E poate lucra şi în regim de monitorizare tip master-slave, în asociere cu un aparat de telemăsură numit telemăsurător, aparat de tablou de acelaşi gabarit ca şi A12E.

Exemplu. Telemăsurătorul METS-MD-12, Schlumberger (1994). Aparatul (fig.6.22) este un telemăsurător multitarif programabil, fiind şi jurnal de date. Este utilizat la colectarea, prelucrarea, afişarea şi transmiterea

datelor de facturare de la 4 - 12 contoare. Datele de la contoare sunt recepţionate sub formă de impulsuri de frecvenţă proporţională cu energia (0,1 Wh/impuls, de ex.), emise de către contoare.

Aparatul METS-MD-12 se utilizează în staţii de distribuţie precum şi la marii consumatori alimentaţi din mai multe puncte (fig.6.23). METS-MD-12 poate urmări, simultan, atât energia "importată" cât şi cea "exportată". În afară de telemăsurare, METS-MD-12 permite şi arhivarea datelor măsurate într-o memorie nevolatilă şi deci păstrarea acestora şi în cazul defectării aparatului.

Fig.6.24 Citirea la distanţă a datelor prelucrate de către METS-MD-12
În fine, datele pot fi citite pe afişajul aparatului sau la distanţă pe un calculator IBM-PC, cuplat prin modem şi fir telefonic (fig.6.24).
6.4.2.2. Contoare trifazate cu procesor de semnal
Se construiesc în 2 variante: contoare de tablou şi mai ales contoare de teren (analizoare de energie), sunt mult mai versatile (şi mai uşor integrabile într-un sistem condus de PC) decât contoarele trifazate cu multiplicatoare statice. În plus, datorită microprocesorului, poate calcula şi alţi parametri care permit o exploatare mai raţională a reţelelor trifazate precum şi obţinerea de date utile la proiectarea unor reţele noi.

a) Parametri suplimentari ce pot fi obţinuţi de la un contor cu P

Experienţa a arătat că în exploatarea reţelelor trifazate, informaţii utile aduc şi unii parametri convenţionali numiţi mărimi echivalente ale reţelei sistemului trifazat. Aceste mărimi cărora le vom atribui indicele "" pot fi calculate de către P şi au următoarele definiţii:

Tensiunea echivalentă () a sistemului trifazat simetric:

(6.63)

relaţie în care U₁₂, U₂₃, U₃₁ reprezintă tensiunea dintre fazele cu indicii respectivi (fig. 6.17)

Curentul echivalent () a sistemului trifazat simetric:

(6.64)

relaţie în care

(6.65)

reprezintă puterea aparentă echivalentă a reţelei trifazate.

Factorul de putere echivalent

(6.66)

relaţie în care P este definit de (6.54).

De asemenea, s-au dovedit a fi utile (mai ales în studii de prognoză la proiectarea reţelelor) şi valorile medii pe termen lung (ore, zile, luni). Aici, aceste mărimi vor fi notate cu simbolurile mărimilor respective, dar supraliniate, pentru a le putea deosebi de mărimile cu indice precum şi de valoarea medie redresată. Dintre aceste mărimi medii menţionăm:

Puteri active medii pe fază:,şi ;

Puteri reactive medii pe fază: ,şi;

Puterea activă medie a reţelei trifazate: , se defineşte cu o relaţie de forma (6.54);

Puterea reactivă medie a reţelei trifazate: , care se defineşte cu o relaţie (6.59).

b) Contoare numerice trifazate de tablou

Schema de principiu:

Contoarele numerice trifazate (ca şi cele monofazate) au la bază un procesor de semnal () de 12 sau 16 biţi (TMS 32010, de ex.), într-o schemă de tipul celei din fig.6.13, cu deosebirea că aici intervin 3 intrări de curent şi 3 de tensiune, aşa cum se arată în fig.6.25. în schemă, MUX este un multiplicator analogic, iar celelalte notaţii au semnificaţia din fig.6.13.

Procesorul de semnal () calculează mărimile primare U, I, P cu relaţiile (6.51) şi (6.52) precum şi mărimile calculabile pe baza acestora: S, cos, Q, etc.

Ecuaţia de funcţionare ca wattmetru este de forma (6.45), iar la contor (6.49). În afară de calculul mărimilor de putere şi energie, P-ul asigură şi comenzile blocurilor componente ale aparatului (schimbarea automată a gamelor, schimbarea paginilor de afişare, comenzile convertoarelor, etc.), gestionează calendarul şi tarifele multiple precum şi legăturile cu exteriorul (RS 232, etc.).

Exemplu de contor de tablou cu P:

Contorul 3710 ACM al firmei canadiene Power Measurements Ltd. (1996). Acesta permite efectuarea tuturor măsurărilor standard în trifazat precum şi captarea formei curbei tensiunilor şi curenţilor de pe faze în vederea analizării (distorsiuni, analiză armonică) ulterioare a acestora pe un PC. De asemenea, dispune de interfaţă de comunicaţii (RS232 / RS485) precum şi de o ieşire de semnal unificat: 0... 20 mA.

c) Contoare de teren cu P

Acestea au la bază o schemă similară cu cea din fig.6.21, la care se adaugă unele funcţionalităţi suplimentare pentru prelucrarea pe termen lung, precum şi pentru analiza armonică a curentului şi tensiunii. În plus, fiind aparate de teren sunt prevăzute cu cleme şi cleşti ampermetrici, pentru a putea efectua măsurări cu reţeaua trifazată în funcţiune. În titulatura de catalog, astfel de aparate se mai numesc analizoare de energie, şi au apărut în ultimii ani într-un număr foarte mare pe piaţă. Practic, toate marile firme producătoare de aparate de măsură pentru electroenergetică, au scos şi câte cel puţin un model de analizor de energie.

Exemplu: Analizorul de energie PROWATT-3, CHAUVIN ARNOUX (Franţa):

Aparatul este în întregime programabil, are afişaj LCD pe pagină şi permite măsurarea valorilor momentane (U, I, P, Q, W, W_r) precum şi a celor medii prezentate mai înainte.

De asemenea, permite şi memorarea datelor măsurate precum şi înregistrarea unor funcţii, în special curbe de sarcină pe un înregistrator extern sau pe un PC (ieşire RS 232). Aparatul dispune şi de 4 ieşiri de semnal unificat (4 - 20 mA).

În fig.6.26 se arată panoul frontal al aparatului, iar în fig.6.27 modul de conectare a acestuia la reţea.

Observaţie:

Pe baza multiplicatorului de tip MAD şi a procesorului de semnal s-au construit o mare varietate de traductoare pentru mărimile U, I, P, Q, S, W şi W_r având la ieşire semnal unificat (4-20 mA), traductoare utilizabile în sistemele de măsurare-reglare din industria electroenergetică. Prezentarea acestora depăşeşte cadrul capitolului de faţă. Informaţii în această direcţie pot fi găsite în literatura.(a se vedea, de ex., Ionescu G. ş.a. – Traductoare pentru automatizări industriale vol. I – Bucureşti (ET)1985).

Fig.6.27 Conectarea analizorului PROWATT-3 la reţeaua trifazată