Для измерения косинус фи лучше всего иметь специальные приборы, предназначенные для непосредственного его измерения - фазометры.
Фазометр — электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями.
Если таких приборов нет, то измерять коэффициент мощности можно косвенным методом. Например, в однофазной сети косинус фи можно определить по показаниям амперметра, вольтметра и ваттметра:
cos фи = P / (U х I), где Р, U, I - показания приборов.
в цепи трехфазного тока cos фи = Pw / (√3 х Uл х Iл)
где Pw - мощность всей системы, Uл, Iл - линейные напряжение и ток, измеренные вольтметром и амперметром.
В симметричной трехфазной цепи значение косинус фи можно определить из показаний двух ваттметров Pw1 и Pw2 по формуле
Общая относительная погрешность рассмотренных методов равна сумме относительных погрешностей каждого прибора, поэтому точность косвенных методов невелика.
Численное значение косинус фи зависит от характера нагрузки. Если нагрузкой являются лампы накаливания и нагревательные приборы, то косинус фи = 1, если нагрузка содержит еще и асинхронные электродвигатели, то косинус фи < 1. При изменении нагрузки электродвигателя его косинус фи существенно изменяется (от 0,1 на холостом ходу до 0,86 - 0,87 при номинальной нагрузке), изменяется и косинус фи сетей.
Поэтому на практике в электрических сетях определяют так называемый средневзвешенный коэффициент мощности за какое-то определенное время, допустим, за сутки или месяц. Для этого в конце рассматриваемого периода снимают показания счетчиков активной и реактивной энергии Wa и Wv и определяют средневзвешенное значение коэффициента мощности по формуле
Это значение средневзвешенного коэффициента мощности желательно иметь в электрических сетях равным 0,92 - 0,95.
Использование фазометра для измерения коэффициента мощности
Измерить непосредственно фазовый сдвиг между напряжением и током нагрузки можно при помощи специальных измерительных приборов - фазометров.
Наибольшее распространение получили фазометры электродинамической системы, в которых неподвижная катушка включена последовательно с нагрузкой, а подвижные катушки - параллельно нагрузке, так, что ток одной из них отстает от напряжения на угол β1. Для этого последовательно с катушкой включена активно-индуктивная нагрузка, а ток другой опережает напряжение на некоторый угол β2, для чего включена активно-емкостная нагрузка, причем β1 + β2 = 90о
Рис. 1. Схема включения фазометра (а) и векторная диаграмма напряжений и токов (б).
Угол отклонения стрелки такого прибора зависит только от значения косинуса фи.
Для измерения фазового сдвига между двумя напряжениями часто применяют цифровые фазометры. В цифровых фазометрах прямого преобразования для измерения фазового сдвига его преобразуют в интервал времени и измеряют последний. Исследуемые напряжения подают на два входа прибора, на цифровом отсчетном устройстве прибора снимают показания числа импульсов, поступающих на счетчик прибора за один период исследуемых напряжений, которое соответствует фазовому сдвигу в градусах (или в долях градуса).
Из щитовых приборов, предназначенных для измерения, наиболее простой фазометр типа Д31, который может работать в однофазных сетях переменного тока с частотой 50, 500, 1000, 2400, 8000 Гц. Класс точности 2,5. Пределы измерений косинуса фи от 0,5 емкостного фазового сдвига до 1 и от 1 до 0,5 индуктивного фазового сдвига. Фазометры включают через измерительные трансформаторы тока с вторичным током 5 А и измерительные трансформаторы напряжения с вторичным напряжением 100 В.
Для измерения косинуса фи в трехфазной сети при симметричной нагрузке можно применять щитовые фазометры типа Д301. Класс их точности 1,5. Последовательные цепи включают на ток 5 А непосредственно, а также через трансформатор тока, параллельные цепи включают непосредственно на 127, 220, 380 В, а также через измерительные трансформаторы напряжения.