Прибор для измерения активной мощности называется. Измерение электрической мощности: приборы и методы

Какие приборы используются для измерения электрической мощности. Как работает ваттметр. Какие существуют методы измерения мощности в электрических цепях. Чем отличается измерение мощности на постоянном и переменном токе.

Основные приборы для измерения электрической мощности

Для измерения электрической мощности используются следующие основные приборы:

• Ваттметр — основной прибор для прямого измерения активной мощности
• Амперметр и вольтметр — для косвенного измерения мощности
• Варметр — для измерения реактивной мощности
• Счетчик электроэнергии — для измерения потребленной энергии за период времени

Давайте подробнее рассмотрим принцип работы и особенности применения этих приборов.

Как работает ваттметр

Ваттметр — это электроизмерительный прибор для прямого измерения активной мощности в цепях постоянного и переменного тока. Принцип его работы основан на электродинамическом эффекте.

Основные элементы конструкции ваттметра:

• Неподвижная токовая катушка
• Подвижная катушка напряжения
• Пружина, противодействующая вращению подвижной катушки
• Стрелочный указатель
• Шкала, проградуированная в ваттах

Принцип действия ваттметра заключается в следующем:

1. Токовая катушка включается последовательно в цепь нагрузки
2. Катушка напряжения подключается параллельно нагрузке
3. Взаимодействие магнитных полей катушек создает вращающий момент
4. Угол поворота подвижной части пропорционален измеряемой мощности
5. Стрелка отклоняется и показывает значение мощности на шкале

Методы измерения электрической мощности

Существует несколько основных методов измерения электрической мощности:

1. Прямой метод с использованием ваттметра

Это наиболее простой и распространенный способ измерения мощности. Ваттметр включается непосредственно в измеряемую цепь и показывает значение активной мощности.

2. Косвенный метод амперметра и вольтметра

При этом методе измеряется ток амперметром и напряжение вольтметром, а мощность вычисляется по формуле:

P = U * I (для постоянного тока)

P = U * I * cosφ (для переменного тока)

Где U — напряжение, I — ток, cosφ — коэффициент мощности.

3. Метод трех приборов

Применяется в трехфазных цепях и использует два ваттметра и один вольтметр. Позволяет измерить активную и реактивную мощность.

4. Компенсационный метод

Используется для прецизионных измерений мощности. Основан на компенсации измеряемой мощности известной мощностью.

Особенности измерения мощности на постоянном и переменном токе

Измерение мощности на постоянном и переменном токе имеет некоторые отличия:

Измерение на постоянном токе:

• Мощность равна произведению напряжения на ток (P = U * I)
• Можно использовать косвенный метод с амперметром и вольтметром
• Не нужно учитывать коэффициент мощности

Измерение на переменном токе:

• Необходимо учитывать коэффициент мощности cosφ
• Формула мощности: P = U * I * cosφ
• Требуются специальные ваттметры для переменного тока
• Возможно измерение активной, реактивной и полной мощности

Измерение электрической энергии

Для измерения электрической энергии, потребленной за определенный период времени, используются счетчики электроэнергии. Принцип их работы основан на подсчете количества оборотов диска, вращающегося под действием электромагнитного поля.

Основные виды счетчиков электроэнергии:

• Индукционные (электромеханические)
• Электронные (цифровые)
• Гибридные

Современные электронные счетчики позволяют не только учитывать потребленную энергию, но и измерять различные параметры сети, такие как напряжение, ток, частота, коэффициент мощности и др.

Выбор метода измерения мощности

Выбор конкретного метода измерения мощности зависит от нескольких факторов:

• Тип тока (постоянный или переменный)
• Требуемая точность измерений
• Диапазон измеряемых мощностей
• Характер нагрузки (активная, реактивная)
• Условия проведения измерений

Для большинства практических задач достаточно использования стандартных ваттметров. Однако в некоторых случаях, например, при проведении высокоточных лабораторных исследований, могут потребоваться более сложные методы измерения мощности.

Заключение

Измерение электрической мощности — важная задача в электротехнике и энергетике. Существует множество приборов и методов для ее решения, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения. Правильный выбор метода измерения позволяет получить точные результаты и эффективно контролировать потребление электроэнергии.

Как называется прибор для измерения мощности

Ваттметр (ватт + др.-греч. μετρεω — «измеряю») — измерительный прибор, предназначенный для определения мощности электрического тока или электромагнитного сигнала.

Содержание

Классификация [ править | править код ]

По назначению и диапазону частот ваттметры можно разделить на три категории — низкочастотные (и постоянного тока), радиочастотные и оптические. Ваттметры радиодиапазона по назначению делятся на два вида: проходящей мощности, включаемые в разрыв линии передачи, и поглощаемой мощности, подключаемые к концу линии в качестве согласованной нагрузки. В зависимости от способа функционального преобразования измерительной информации и её вывода оператору ваттметры бывают аналоговые (показывающие и самопишущие) и цифровые.

Ваттметры низкой частоты и постоянного тока [ править | править код ]

НЧ-ваттметры используются преимущественно в сетях электропитания промышленной частоты для измерения потребляемой мощности, могут быть однофазные и трехфазные. Отдельную подгруппу составляют варметры — измерители реактивной мощности. Цифровые приборы обычно совмещают возможность измерения активной и реактивной мощности.

Аналоговые НЧ-ваттметры электродинамической или ферродинамической системы имеют в измерительном механизме две катушки, одна из которых подключается последовательно нагрузке, другая параллельно. Взаимодействие магнитных полей катушек создает вращающий момент, отклоняющий стрелку прибора, пропорциональный произведению силы тока, напряжения и косинуса или синуса разности фаз (для измерения соответственно активной или реактивной мощности).

Цифровые НЧ-ваттметры имеют в качестве входных цепей два датчика — по току и по напряжению, подключаемые соответственно последовательно и параллельно нагрузке, датчики могут быть на основе измерительных трансформаторов, термисторов, термопар и другие. Информация с датчиков через АЦП передается на вычислительное устройство, в котором рассчитываются активная и реактивная мощность, далее итоговая информация выводится на цифровое табло и, при необходимости, на внешние устройства (для хранения, печати данных и так далее).

• ПРИМЕРЫ: MI 2010А, СР3010, ЩВ02

Ваттметры поглощаемой мощности радиодиапазона [ править | править код ]

Ваттметры поглощаемой мощности образуют весьма большую и широко используемую подгруппу ваттметров радиодиапазона. Видовое деление этой подгруппы связано в основном с применением различных типов первичных преобразователей (приемных головок). В серийно выпускаемых ваттметрах используются преобразователи на базе термистора, термопары и пикового детектора; значительно реже, в экспериментальных работах, применяются датчики, основанные на других принципах — пондеромоторном, гальваномагнитном и т. д. При работе с ваттметрами поглощаемой мощности следует помнить, что из-за неидеального согласования входного сопротивления приемных головок с волновым сопротивлением линии, часть энергии отражается и реально ваттметр измеряет не падающую мощность, а поглощаемую, которая отличается от падающей на величину, равную K_P×P_пад

, где K_P — коэффициент отражения по мощности.

Термисторные (болометрические) ваттметры состоят из приемного преобразователя на базе термистора (или болометра) и измерительного моста с источником низкочастотного переменного тока для подогрева термистора. Принцип действия термисторного преобразователя состоит в зависимости сопротивления термистора от температуры его нагрева, которая, в свою очередь зависит от рассеиваемой мощности сигнала, подаваемого на него. Измерение осуществляется методом сравнения мощности измеряемого сигнала, рассеиваемой в термисторе и разогревающей его, с мощностью тока низкой частоты, вызывающей такой же нагрев термистора. В процессе измерения полная мощность, рассеиваемая на термисторе (при подаче на него одновременно измеряемого сигнала и тока подогрева) и, соответственно, сопротивление термистора поддерживается одинаковым с помощью измерительного моста, который уравновешивается изменением тока подогрева. В первых моделях термисторных ваттметров уравновешивание осуществлялось вручную, в современных ваттметрах уравновешивание автоматическое, показания выводятся в цифровом виде. К недостаткам термисторных ваттметров относится их малый динамический диапазон — максимальная мощность рассеивания — несколько милливатт, это ограничение преодолевается использованием аттенюаторов, делящих мощность, но вносящих при этом дополнительную погрешность.

Калориметрические ваттметры отличаются от термисторных тем, что для поглощения измеряемой мощности используется отдельная нагрузка, от которой тепло передается на термисторный преобразователь через рабочую среду — дистиллированную воду или специальную жидкость. Жидкая среда циркулирует со строго заданной скоростью потока, омывая по очереди входную нагрузку, преобразователь и охлаждающий теплообменник.

Термоэлектрические ваттметры в качестве первичного преобразователя используют термопару (или блок термопар) прямого или косвенного нагрева. При измерении горячий спай термопары нагревается под воздействием подводимой мощности измеряемого сигнала, при этом вырабатывается термо-э.д.с. Измерительная информация в виде сигнала постоянного тока поступает на электронный блок (аналоговый или цифровой), где обрабатывается и поступает на показывающее устройство.

Ваттметры с пиковым детектором просты в устройстве, в отличие от других видов ваттметров способны измерять не только мощность непрерывного сигнала, но и пиковую мощность радиоимпульсов, однако, из-за низкой точности измерения в настоящее время применяются редко. По принципу действия такой ваттметр представляет собой выпрямительный вольтметр переменного тока, имеющий на входе нагрузку с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, и с отcчетным устройством, проградуированным в значениях мощности.

Ваттметры проходящей мощности радиодиапазона [ править | править код ]

В ваттметрах проходящей мощности в качестве первичного преобразователя, обычно используется направленный ответвитель — устройство, позволяющее ответвлять от основного тракта передачи очень небольшую долю энергии. Отведенная часть энергии подается на вторичный преобразователь, например, детекторную или термисторную головку, откуда сигнал измерительной информации подается на функциональный преобразователь и, далее, на показывающее устройство.

На относительно низких частотах (в ДВ- и СВ-диапазонах), использование направленных ответвителей затруднительно, в этом случае в качестве первичных преобразователей можно использовать датчики силы тока и напряжения в линии, измерительная информация с которых далее обрабатывается в функциональном преобразователе (перемножение значений с учетом разности фаз). Датчиками могут служить, например, трансформатор напряжения и трансформатор тока. Такой способ измерения используется обычно в специализированных приборах для контроля мощности, выдаваемой в антенну радиопередатчиком. На сверхвысоких частотах, в волноводных трактах, для измерения проходящей мощности может использоваться пондеромоторный метод или датчики, встраиваемые в стенку волновода — термисторные, термоэлектрические, гальваномагнитные.

Оптические ваттметры [ править | править код ]

• ПРИМЕРЫ: ОМК3-69, ОМ3-65

Наименования и обозначения [ править | править код ]

• Измеритель мощности — другое название ваттметров радио- и оптического диапазонов
• Киловаттметр — прибор для измерения мощности больших значений (единицы сотни киловатт)
• Милливаттметр — прибор для измерения мощности малых значений (меньше 1 ватта)
• Варметр — прибор для измерения реактивной мощности
• Ваттварметр — прибор, позволяющий измерять активную и реактивную мощность

Для обозначения типов электроизмерительных (низкочастотных) ваттметров традиционно используется отраслевая система обозначений, в которой приборы маркируются в зависимости от системы (основного принципа действия):

• Дхх — приборы электродинамической системы
• Цхх — приборы выпрямительной системы
• Фхх, Щхх — приборы электронной системы
• Нхх — самопишущие приборы

Ваттметры радио- и оптического диапазонов маркируются по ГОСТ 15094:

• М1-хх — калибраторы, установки или приборы для поверки ваттметров (радиодиапазона)
• М2-хх — ваттметры проходящей мощности (радиодиапазона)
• М3-хх — ваттметры поглощаемой мощности (радиодиапазона)
• М5-хх — преобразователи приемные (головки) ваттметров
• ОМ3-хх — оптические ваттметры поглощаемой мощности

Каким прибором измеряют мощность? Вопрос достаточно актуальный, так как в настоящее время электрическая сеть имеется повсюду. Без электричества не работает практически ничего. Неудивительно, что это привело к огромной популярности приборов, измеряющих показатели таких сетей. Важный факт — измерение мощности можно провести только в ваттах. Однако в некоторых случаях возникает потребность перевода ватта в киловатт. Чаще всего это делается для удобства расчетов.

Общее описание электрических сетей

Мощность — это один из трех основных параметров, который характеризует электрическую сеть. Данный параметр отражает то количество работы, которую выполняет сила тока за одну единицу времени. Здесь важно понимать, что общая мощность всех включенных приборов в сеть не должна превышать ту, которая подается поставщиком. Если это произойдет, то возможны негативные последствия, начиная с выхода из строя оборудования и заканчивая коротким замыканием и последующим пожаром. Для того чтобы избежать таких неприятностей, были изобретены измерители мощности, которые называются ваттметрами.

Тут важно понимать, что в цепи постоянного тока измерить этот параметр можно и без использования данного прибора. Для этого используют умножение. Перемножаются значения напряжения и силы тока в цепи. Однако обойтись тем же самым методом в цепи переменного тока не получится. Именно для таких сетей и были изобретены измерительные приборы и инструменты.

Использование аппаратуры

Основными источниками, использующими эти агрегаты, стали мастерские, занимающиеся ремонтом электрических приборов. Активно используют ваттметры и в электроэнергетической промышленности, а также машиностроении. Еще одной довольно распространенной моделью стали бытовые приборы. Основными покупателями таких изделий стали любители электроники, владельцы компьютеров или просто люди, желающие экономить на электроэнергии.

Один небольшой факт. В некоторых случаях приходится проводить преобразование ватт в киловатты. Чаще всего это делается в промышленных отраслях, где мощность настолько велика, что, если измерять ее в Вт, то значения будут слишком велики. При переводе единиц измерений есть такое правило: 1000 ВТ — это 1 кВт.

Чаще всего устройства применяются для таких целей, как:

• определение мощности отдельного агрегата;
• тестирование всей электрической цепи или ее отдельных частей;
• контроль работоспособности устройств;
• учет потребления электроэнергии всеми подключенными устройствами.

Краткое описание типов приборов

Здесь важно начать с того, что, прежде чем начать измерять мощность, обычно измеряют силу тока и напряжение. Основываясь на выбранном способе измерения, последующем преобразовании и выводе полученных данных, различают такие виды измерительных приборов и инструментов, как цифровые и аналоговые.

Аналоговые типы приборов отличаются тем, что они имеют полукруглую шкалу, а также движущуюся стрелку. Они также разделяются на две более мелких группы — самопишущие и показывающие. Эти приборы отражают мощность лишь активного участка цепи. Измерение прибор ведет в ваттах (Вт).

Цифровые измерители мощности (ваттметры) могут использовать для измерения и активной и реактивной мощности. К тому же у этого аппарата функционал намного шире, так как на его табло выводится показатель не только мощности, а также силы тока, напряжения и расхода энергии во времени. Еще одно преимущество заключается в том, что вывод всех значений можно производить удаленно, то есть на компьютер оператора.

Суть работы аналоговых приборов

Если говорить об устройствах аналогового типа для измерения мощности, то наиболее точными и часто используемыми стали приспособления электродинамической системы.

Принцип действия этого измерителя мощности основывается на работе двух катушек. Одна из них характеризуется тем, что она не двигается, ее сопротивление мало, как и число витков. А вот обмотка, наоборот, довольно толстая. Второй же экземпляр противоположен первому. То есть катушка движется, толщина обмотки низкая, а вот число витков довольно велико, из-за чего сопротивление также повышено. Подключение этого прибора осуществляется параллельно нагрузке. Для того чтобы избежать возникновения короткого замыкания между внутренними катушками устройства, прибор снабжается добавочным сопротивлением.

Суть работы цифровых приспособлений

Принцип действия этих измерителей мощности сложнее, чем у предыдущего типа. Причиной тому стало то, что мощность измеряется не напрямую. Основа работы устройства лежит в том, что сначала производятся предварительные измерения силы тока и напряжения. Для того чтобы их провести, нужно последовательно нагрузке подключить датчик тока, а параллельно — датчик напряжения. Выполнены эти агрегаты могут быть на базе термисторов или измерительных трансформаторов.

Мгновенные значения, полученные посредством аналого-цифрового преобразователя, передаются на микропроцессор, имеющийся у измерителя. В этом моменте производятся необходимые расчеты, благодаря которым можно получить значение активной и реактивной мощности. Итоговые результаты всех измерений выдаются на дисплей этого прибора, а также на дисплей тех устройств, которые подключены к нему. Оптическая мощность не измеряется этими видами приборов.

Бытовые приспособления

На сегодняшний день довольно распространенным и удобным прибором в быту стал ваттметр, при помощи которого можно измерить расход электрической энергии в доме. Данная модель является портативной версией устройства, при помощи которой измеряется мощность на отдельном участке. Благодаря этому становится возможным посчитать материальные расходы, которые уйдут на электроэнергию, если оставить работать сеть с такими же параметрами.

Данное приспособление довольно удобно, если необходимо распланировать расход средств, а также поможет провести оптимизацию некоторых участков домашней цепи.

Бытовые ваттметры

Этот агрегат относится к цифровой группе приборов. По своему внешнему виду он сильно напоминает адаптер или же переходник, который обладает дисплеем индикаторного типа. Кроме того, на корпусе расположено несколько кнопок, управляющих работой устройства. Основное предназначение этого прибора — регистрация и вывод на экран результатов потребления мощности любым бытовым прибором, который подключается к сети через него. Таких параметров довольно много, и это не только потребляемая мощность. Если ввести конкретный тариф, то устройство может даже показать количество материальных средств, которые будут уплачены за работу именно этого прибора. Оно может также фиксировать мощность излучения.

Функции прибора

Кроме обычных показателей этот прибор способен также зафиксировать такие значения, как пиковая мощность и пиковое значение силы тока. Кроме этого имеется и несколько других функций. Устройство показывает также текущее время, может работать как обычные часы реального времени. Еще одна возможность использования аппарата — звуковая сигнализация, которая сработает, если прибор начнет потреблять большее количество мощности, чем пользователь задаст вручную.

Кнопки, имеющиеся на приборе, могут быть использованы для того, чтобы вручную настраивать функции работы устройства. Имеется возможность выставить максимально допустимую мощность излучения, выставить стоимость киловатта за час и т.д.

В плане эксплуатации этот прибор очень прост. Для его работы необходимо подключить его к сети, то есть воткнуть в розетку. Далее необходимо подключить вилку исследуемого прибора к этому бытовому ваттметру. Отображение всех параметров подключенного устройства начнется автоматически.

Из основных параметров этого прибора можно выделить то, что к нему можно подключить практически любую бытовую технику. Общая максимальная мощность приборов не должна превышать показателя в 3600 Вт. Также нельзя превышать показатель силы тока в 16 А.

Мощность цепи электрического тока можно определить косвенным методом, измерив ток и напряжение (рис. 5) и найдя их произведение

Приемник энергии

Рис. 5. Схема для измерения мощности амперметром и вольтметром.

Этот способ обладает рядом недостатков, заключающихся:

1) в необходимости при каждом измерении производить вычисление, требующее затраты времени;

2) в значительной относительной погрешности при измерении мощности, равной сумме относительных погрешностей измерения напряжения и измерения тока;

3) в невозможности производить измерение при изменяющихся значениях тока и напряжения вследствие невозможности произвести одновременный отсчет по двум приборам и др.

Электродинамический ваттметр. Для непосредственного измерения мощности в цепи электрического тока применяется электродинамический ваттметр.

Электродинамический ваттметр (рис. 6) представляет собой измерительный механизм электродинамической системы. Неподвижная последовательная катушка или катушка тока ваттметра соединяется последовательно с приемниками энергии. Подвижная параллельная катушка или катушка напряжения, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением, образует параллельную цепь ваттметра, которая присоединяется параллельно приемникам энергии.

Рис. 6. Схема устройства и соединений электродинамического ваттметра

Угол поворота подвижной части ваттметра

где I ─ ток последовательной катушки;

I_u ─ ток параллельной катушки ваттметра.

Так как вследствие применения добавочного резистора параллельно цепи ваттметра имеет практически постоянное сопротивление r_u , то

Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи. Шкала ваттметра, как следует из уравнения (2), равномерна.

Приборы для измерения количества электричества. Электрические счетчики

Электрические счетчики представляют собой интегрирующие приборы, предназначенные для измерения электрической энергии и количества протекающего электричества за некоторый промежуток времени.

Счетчики, так же как и показывающие приборы, делятся на системы. Наибольшее распространение получили счетчики электрической энергии индукционной системы для цепей переменного тока и электродинамической системы для цепей постоянного тока.

Основное отличие счетчиков от показывающих приборов заключается в том, что угол поворота подвижной части их не ограничивается пружиной, а имеет нарастающее значение, причем каждому обороту подвижной части счетчика соответствует определенное значение измеряемой величины.

Для регистрации электрической энергии или количества электричества каждый счетчик имеет счетный механизм, представляющий собой, по существу, счетчик оборотов, соединенный с подвижной частью зубчатой передачей.

Индукционные счетчики активной энергии однофазного тока.

На рис. 7 дана схема устройства и соединения индукционного счетчика отечественного производства типа СО.

Счетчик состоит из последовательного А и параллельного Б электромагнитов, алюминиевого диска Д, укрепленного на оси, и постоянного тормозного магнита М.

При включении счетчика в цепь переменного тока по его последовательной обмотке (цепи) будет проходить ток потребителей энергии, вследствие чего в последовательном электромагните возникает магнитный поток Ф_I. Напряжение U на обмотке параллельного электромагнита вызовет в ней ток I_u, и в сердечнике электромагнита будет поддерживаться магнитный поток Ф_u, состоящий из двух частей: рабочего Ф_up и вспомогательного Ф_uB. Магнитный поток последовательного электромагнита и рабочий поток параллельного электромагнита, пронизывая диск, индуктируют в нем вихревые токи (рис. 7). Вращающий момент, возникающий от взаимодействия вихревых токов с магнитными потоками, заставит вращаться диск Д счетчика.

Следовательно, числом оборотов диска счетчика можно измерять электрическую энергию.

Рис. 7. Схема устройства и соединения индукционного счетчика.

Рис. 8. Схема устройства счетного механизма.

Число оборотов диска счетчика или пропорциональная ему электрическая энергия регистрируется счетным механизмом (рис. 8). Движение диска счетчика через червячную передачу и шестерни передается пяти роликам, на боковых поверхностях которых нанесены цифры от 0 до 9. Ролики свободно надеты на ось А. Первый (см. рис. 8 – правый) ролик скреплен с шестерней и при движении диска счетчика беспрерывно вращается. Один оборот его вызывает поворот второго ролика на 1/10 часть оборота. Один оборот второго ролика вызывает поворот третьего ролика также на 1/10 часть оборота и т. д. Ролики прикрываются алюминиевым щитком с отверстиями, через которые видно только по одной цифре на каждом ролике. Таким образом, прочитанное через отверстия в щитке числовое значение даст величину энергий, зарегистрированную счетчиком за весь период его работы, начиная с момента, когда показания его соответствовали нулевому значению.

Для нахождения энергии, израсходованной за какое-то время, нужно из показания счетчика в конце измерения вычесть показания, снятые вначале. На щитке счетчика всегда указывается передаточное число счетчика С, т. е. число оборотов диска счетчика, соответствующее единице энергии, регистрируемой счетчиком, – например, 1 кВт • ч равен 4 000 оборотов диска.

Индукционные счетчики активной энергии в цепях трехфазного тока

Для измерения электрической энергии в четырехпроводных цепях применяются трехэлементные счетчики. Схема включения такого счетчика (рис. 9) принципиально та же, что и ваттметра. Как показывает название, такой счетчик имеет три электромагнитные системы, которые воздействуют или на три диска, укрепленных на одной оси (например, счетчик типа СА4-ТЧ), или на два диска, также укрепленных на одной оси (например, счетчик типа СА4-И45, в котором на один диск воздействуют две системы, на второй – одна). Счетчик имеет один счетный механизм. Устройство каждой электромагнитной системы трехэлементного счетчика ничем не отличается от устройства электромагнитной системы однофазного счетчика.

Рис. 9. Схема устройства и соединения трехэлементного

трехдискового счетчика типа СА4-ТЧ

Наиболее распространенными приборами для измерения электрической энергии в трехпроводных цепях трёхфазного тока являются двухэлементные счетчики.

Двухэлементный счетчик имеет две электромагнитные системы, которые воздействуют на два диска, укрепленных на одной оси (например, счетчик типа САЗ-И43, рис. 10).

Рис. 10. Схема устройства и соединения двухэлементного двухдискового счетчика типа САЗ-И43

Какой прибор используется для измерения электрической мощности. Измерение мощности и энергии

Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного тока, равна среднему по времени произведению мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если напряжение и ток изменяются синусоидально, то мощность Р можно представить в виде P = UI cosφ, где U и I – эффективные значения напряжения и тока, а φ – фазовый угол (угол сдвига) синусоид напряжения и тока. Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах, то мощность будет выражена в ваттах. Множитель cosφ, называемый коэффициентом мощности, характеризует степень синхронности колебаний напряжения и тока.

С экономической точки зрения, самая важная электрическая величина – энергия. Энергия W определяется произведением мощности на время ее потребления. В математической форме это записывается как:

Если время измеряется в секундах, напряжение – в вольтах, а ток – в амперах, то энергия W будет выражена в ватт-секундах, т.е. джоулях. Если же время измеряется в часах, то энергия – в ватт-часах. На практике электроэнергию удобнее выражать в киловатт-часах.

С помощью приборов различных систем производят измерения активной (), реактивной () и полной () мощности в цепях постоянного тока, однофазного и трехфазного переменного тока, мгновенные значения мощности, а также количества электричества в широких пределах. При этом диапазон измеряемых мощностей может составлять от долей мкВт до десятков ГВт.

При косвенных измерениях мощности в цепях постоянного тока используют метод вольтметра и амперметра . В этом случае приборы могут быть включены по двум схемам.

Рис. 9.3 Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и амперметра при малых и больших сопротивлениях нагрузки.

Метод прост, надежен, экономичен, но обладает рядом существенных недостатков:

· необходимость снимать показания по двум приборам;

· необходимостью производить вычисления;

· невысокой точностью за счет суммирования погрешностей приборов.

Компенсационный метод применяется тогда, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряется ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Для измерения мощности используют электродинамические приборы.

Рис. 9.4 Схема включения электродинамического ваттметра через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

В широком диапазоне частот применяются цифровые ваттметры . Они осуществляют автоматический выбор пределов измерений, самокалибровку, имеют внешний интерфейс.

Для измерения мощности в трехфазных цепях используют методы одного, двух и трех ваттметров .

Первый вариант используют для систем с равномерной нагрузкой фаз, одинаковыми углами сдвига фаз между током и напряжением. При этом нагрузка может быть включена по схеме звезды, треугольника.

При асимметричной нагрузке используют методы двух ваттметров. При этом нужно вычислять суммарную мощность с учетом схемы включения приборов. При использовании схемы с тремя ваттметрами для определения потребляемой мощности производят суммирование показаний.

Для измерения мощности в цепях повышенной частоты применяют как прямые, так и косвенные методы с использованием термоэлектрических преобразователей, датчиков Холла, электронные и цифровые ваттметры. Для измерения энергии используют электромеханические и электронные счетчики.

При измерении мощности, частоты сдвига фаз широко используют измерительные механизмы электродинамической системы, так как эти приборы имеют сложную функциональную зависимость:

(9.4)

Если пропускать ток через последовательно включённые катушки, то можно использовать ток и напряжение при включении в цепь одной из катушек, можно обеспечить дополнительный сдвиг фаз. При этом можно измерить активную и реактивную мощность.

Измерение мощности. В цепях постоянного тока мощность можно измерить косвенным методом с по­мощью амперметра и вольтметра

Р = UI ,

но более точный резуль­тат дает измерение мощности электродинамическим ваттметром, которым измеряется мощность независимо от рода тока. Внешний вид (а) и схема включения ваттметра (б) показаны на рис.16. Ваттметр имеет четыре зажима для подключения подвижной и неподвижной катушек в цепь. Неподвижная катушка включается в цепь последовательно и называется токовой катушкой, а под­вижная катушка вместе с добавочным

Рис.16.1. Однофазный ваттметр: а -внешний вид; б -схема включения в электрическую цепь переменного тока.

сопротивлением г д — па­раллельно нагрузке и называется катушкой напряжения. Начало катушек отмечено звездочкой *I и *U, конец токо­вой катушки 5 А, а конец обмотки напряжения -150V. Так как направление отклонения указательной стрелки ваттметра зависит от взаимного направления токов в катушках, то выводы *I и *U подключаются к источнику тока, а выводы 5 А и 150V-к на­грузке. Ввиду того что выводы *I и *U подключаются к одному и тому же проводу, их можно соединить между собой проводником, что и делается на практике при измерении мощности в цепи по­стоянного тока и активной мощности в цепи переменного тока.

Измерение энергии. Различают следующие способы контроля расхода электроэнергии: 1. Косвенный способ. В этом случае измеряют косвенные параметры, а расход электроэнергии определяют расчетом. Так например, расход электроэнергии в цепях постоянного тока определяется по формуле:

W = U I t (16.1),

где U — напряжение на приемнике электроэнергии I — ток в приемнике t — время прохождения тока.

Т.о. для измерения расхода электроэнергии параллельно приемнику нужно включить вольтметр и измерить напряжение U , последовательно приемнику включить амперметр и измерить силу тока I . Время — t измеряется с помощью хронометра. Сняв показания с вольтметра, амперметра и хронометра расход электроэнергии определяют по формуле (16.1). В цепях переменного тока расход электроэнергии определяется по формуле (16.2)

W = U I t cosφ (16.2)

Т.о. для косвенного измерения расхода электроэнергии в данном случае, кроме вольтметра, амперметра и хронометра нужно включить фазометр для измерения коэффициента мощности cosφ.

2. Непосредственный способ. Этот способ используется в цепях переменного тока. В этом случае для измерения расхода электроэнергии используется индукционный счетчик электрической энергии. Счетчик представляет собой суммирующий прибор. Основное отличие его от стрелочного прибора состоит в том, что угол поворота его подвижной части не ограничиваемый пружиной, нарастает и показания счетчика суммируются. Каждому обороту подвижной части счетчика соответствует определенное количество израсходованной энергии. Счетчик включается в Рис. 16.2 электрическую цепь также как ваттметр (рис. 16, 1), т.е. его токовая обмотка (3) включается последовательно с нагрузкой и контролирует силу тока в нагрузке, а обмотка напряжения (2) включается параллельно нагрузке и контролирует напряжение на нагрузке. Время контролируется за счет количества оборотов диска.

Ваттметр состоит из двух катушек: неподвижной 1, состоящей из небольшого числа витков толстой проволоки, и подвижной 2, состоящей из большого числа витков тонкой проволоки. При включении ваттметра ток нагрузки проходит через неподвижную катушку, последовательно включенную в цепь, а подвижная катушка включается параллельно потребителю. Для уменьшения потребляемой мощности в параллельной обмотке н уменьшения веса подвижной катушки последовательно с ней включается добавочное сопротивление 3 из манганина. В результате взаимодействия магнитных полей подвижной и неподвижной катушек возникает момент вращения, пропорциональный токам обеих катушек:

т. е. вращающий момент прибора пропорционален мощности, потребляемой в цепи.

Чтобы стрелка прибора отклонялась от нуля вправо, необходимо ток через катушку пропускать в определенном направлении.

Для этого два зажима, указывающие начала обмоток, обозначаются знаком * и электрически соединяются. На шкале ваттметра указываются номинальный ток и номинальное напряжение прибора. Так, например, если на шкале прибора обозначено 5 А и 150 В, то прибор может измерять мощность до 750 Вт. Шкалы некоторых ваттметров градуированы в делениях. Если, например, ваттметр на 5 А и 150 В имеет 150 делений, то цена деления, или постоянная ваттметра, равна 750: 150 = 5 Вт/дел.

Кроме электродинамических ваттметров, для измерения мощности в цепях постоянного тока употребляются также ваттметры ферродинамической системы.

2. Однофазный переменный ток. При включении электродинамического ваттметра в цепь переменного тока магнитные поля подвижной н неподвижной катушек, взаимодействуя между собой, вызовут поворот подвижной катушки. Мгновенный момент вращения подвижной часги прибора пропорционален произведению мгновенных значений токов в обеих катушках прибора. Но вследствие быстрых изменений токов подвижная система не сможет следовать за этими изменениями и момент вращения прибора будет пропорционален средней или активной мощности Следовательно, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о величине активной мощности, потребляемой цепью.

Для измерения мощности переменного тока пользуются также ваттметрами индукционной системы. На фиг. 362 показана схема включения индукционного ваттметра с вращающимся маг-нитным полем. Последовательная обмогка 1-1, состоящая из небольшого числа витков толстой проволоки, располагается на двух противоположных полюсных выступах и включена последовательно в цепь. Параллельная обмотка 2-2 ваттметра, состоящая из большого числа витков тонкой проволоки, располагается на двух отдельных полюсных выступах. Последовательно с обмоткой 2-2 включается индуктивное сопротивление 3, служащее для полу-

Чения угла сдвига 90° между ее напряжением и током. Тем самым при чисто активной нагрузке получаем сдвиг на угол 90° между токами в последовательной и параллельной обмотках, что является необходимым условием создания вращающегося магнитного поля. При включении прибора это поле, пересекая алюминиевый цилиндр 4, индуктирует в нем вихревые токи, которые, взаимодействуя с полем, создают вращающий момент, воздействующий на подвижную часть прибора. Угол поворота ее при любой нагрузке будет пропорционален активной мощности, потребляемой цепью:

Принципиальная схема индукционного ваттметра с бегущим полем была дана на фиг. 335.

При измерении ваттметром мощности в сетях низкого напряжения с большими токами применяют трансформаторы тока. Для уменьшения разности потенциалов между обмотками ваттметра первичная и вторичная цепи трансформатора тока имеют общую точку. Вторичная обмотка трансформатора не заземляется, так как это означало бы заземление одного провода сети.

Для определения мощности сети Р 1 в этом случае нужно показание ваттметра P 2 умножить на коэффициент трансформации трансформатора тока :

В сетях высокого напряжения при измерении мощности используются измерительные трансформаторы напряжения н тока (фиг. 363).

Так, например, если к ваттметру установлены трансформатор напряжения 6000/100 В и трансформатор тока 150/5 А, а ваттметр показал 80 Вт, то мощность сети будет:

При включении ваттметров (счетчиков) через измерительные

Трансформаторы нужно присоединять эти приборы так, чтобы по обмоткам их проходили токи в том же направлении, как если бы они были непосредственно включены в сеть.

Кроме ваттметра, мощность однофазного переменного тока можно определить по показаниям трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра согласно формуле:

3. Трехфазный переменный ток. При равномерной нагрузке трехфазной системы для измерения мощности пользуются одним однофазным ваттметром, включенным по схеме, показанной на фиг. 364 (а — для соединения звездой; б — для соединения треугольником). По последовательной обмотке ваттметра в этом случае протекает фазный ток, а параллельная обмотка включена к фазному напряжению. Поэтому ваттметр покажет мощность одной фазы. Для получения мощности трехфазной системы нужно показание однофазного ваттметра умножить на три.

При неравномерной нагрузке в четырехпроводной сети трехфазного тока для измерения мощности применяется схема трех ваттметров (фиг. 365). Каждый однофазный ваттметр измеряет мощность одной фазы. Для получения мощности трехфазной системы необходимо взять сумму показаний трех ваттметров.

При переменной нагрузке трудно получить одновременный отсчет показаний трех ваттметров. Кроме того, три однофазных ваттметра занимают много места. Поэтому часто применяют один трехэлементный трехфазный ваттметр, представляющий собой соединение в одном приборе трех однофазных ваттметров.

У трехэлементного электродинамического ваттметра три подвижные параллельные катушки насажены на одну ось, связанную со стрелкой, и общий момент, полученный в результате сложения механических усилий каждой катушки, будет пропорционален мощности, потребляемой в трехфазной сети. В других конструкциях подвижные катушки, расположенные в разных местах, связаны между собой гибкими лентами и передают суммарное усилие на ось со стрелкой.

Активную мощность трехфазной сети при равномерной нагрузке можно определить

При помощи трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра по формуле:

Мощность трехпроводной трехфазной сети при любой нагрузке (равномерной или неравномерной), независимо от способа соединения потребителя (звездой или треугольником), может быть измерена по схеме двух ваттметров.

По первому закону Кирхгофа сумма мгновенных значений токов всех трех фаз равна нулю:

Полученное уравнение показывает, что один из ваттметров надо включить так, чтобы по его токовой катушке протекал ток первой фазы, а катушка напряжения находилась бы под разностью напряжений первой и второй фаз; другой ваттметр следует включить так, чтобы по его токовой катушке протекал ток третьей фазы, а катушка напряжения находилась бы под разностью напряжений третьей и второй фаз.

Сложив показания обоих ваттметров, получим мощность всех трех фаз.

На фиг. 366 показаны три варианта схемы двух ваттметров.

Из схем на фнг. 366 видно, что последовательные обмотки ваттметров включают в любые два линейных провода сети. Начала параллельных обмоток каждого ваттметра подключаются к тому же проводу, в который включена последовательная обмотка ваттметра. Концы параллельных обмоток подключаются к третьему линейному проводу.

При равномерной активной нагрузке (=1) показания ваттметров равны между собой. При не равном единице, показания ваттметров не будут равны. При равном = 0,5, один из ваттметров покажет нуль. При меньшем 0,5, стрелка этого прибора начнет отклоняться влево. Чтобы получить показание прибора, необходимо переключить концы его последовательной или параллельной обмотки.

Для измерения активной мощности трехфазной системы по показаниям двух ваттметров нужно складывать их показания или вычитать из показания одного ваттметра показание другого ваттметра, которое было отрицательным. Схема измерения мощности двумя ваттметрами с помощью измерительных трансформаторов напряжения и тока дана на фиг. 367.

Удобнее измерять мощность при помощи трехфазного ваттметра, в котором совмещены два прибора, включенные по схеме двух ваттметров и действующие на одну общую ось, с которой связана стрелка.

В сетях высокого напряжения трехфазный ваттметр включается при помощи измерительных трансформаторов напряжения и тока.

Измерители мощности и энергии тока

Для измерения мощности в цепях постоянного тока можно пользоваться косвенным методом двух приборов: амперметра, включенного последовательно нагрузке, и вольтметра, включенного параллельно ей. Для определения мощности необходимо перемножить показания амперметра и вольтметра.

Значительно чаще мощность в сетях переменного тока измеряют непосредственно с помощью ваттметра. Этот прибор имеет две катушки, одна из которых (токовая) включается последовательно нагрузке, другая (катушка напряжения) — параллельно.

Рис.1. Схемы включения ваттметров для измерения мощности трехфазного тока: а — при равномерной нагрузке; б — при соединении приемников энергии треугольником и равномерной нагрузке фаз; в — при неравномерной нагрузке фаз.

Для измерения мощности в сетях однофазного переменного тока применяют одноэлементные приборы ферродинамической системы типа Д307 и переносные типа Д568. Прибор имеет две катушки. Катушка напряжения, имеющая большое число витков, расположена внутри неподвижной катушки тока и укреплена на оси. На оси закреплена и указательная стрелка прибора. Взаимодействие токов последовательной и параллельной катушек создает вращающий момент, поворачивающий ось со стрелкой. Отклонения стрелки пропорциональны активной мощности приемника. Изменение направления тока (т. е. фазы) на 180° в одной из обмоток ваттметра вызывает отклонение стрелки в противоположную сторону. Поэтому зажимы катушек (токовой и напряжения), которые соединены вместе и присоединены к источнику, называют генераторами и обозначают звездочкой.

Для измерения мощности в цепях трехфазного тока с равномерной нагрузкой фаз пользуются одноэлементным ваттметром, включенным в одну из фаз по схеме, показанной на рис. 1,а,б. В этом случае показания прибора необходимо утроить.

Прибор нужно включать так, чтобы по последовательной обмотке протекал фазный ток, а параллельная обмотка была включена на фазное напряжение.

При режиме неравномерной нагрузки фаз мощность в трехпроводных системах можно измерить двумя ваттметрами, включенными как показано на рис. 1,в. В этом случае мощность, учитываемая каждым из ваттметров, равна:

При складывании показаний обоих ваттметров:
Таким образом, мощность в трехпроводных трехфазных системах можно измерять при помощи двух ваттметров или одного двухэлементного ваттметра, т. е. прибора, состоящего из двух однофазных ваттметров, работающих на общую ось и заключенных в одном корпусе. Принципиальная схема трехфазного ваттметра и схема включения его в сеть через измерительные трансформаторы тока и напряжения показаны на рис. 2.

Рис. 2. Схема включения ваттметра в сеть (380 В, 50 Гц) с измерительными трансформаторами тока и напряжения

Для измерения активной мощности в четырехпроводных цепях трехфазного тока пользуются тремя ваттметрами, каждый из которых измеряет активную мощность одной фазы. Активную мощность цепи определяют как сумму показаний всех ваттметров.

Наша промышленность выпускает трехфазные переносные ваттметры типов Д85, Д542, Д124 и т. д. и щитовые Д304, Д305, Д335, Д345, Д349, Д1503 и т. д. На судах отечественной постройки устанавливают ваттметры типов Д164 и Д174.

Последовательные обмотки этих ваттметров включают через трансформатор тока со вторичной обмоткой на 5 А и через промежуточный трансформатор тока 5/0,3 типа И1820. Параллельные обмотки на напряжение 127 и 220 В включают непосредственно, а на 380 В — через измерительный трансформатор напряжения 380/127 В; класс точности 2,5. Такие приборы позволяют измерять мощность до 4000 кВт.

Измерение энергии электрического тока

Для измерения энергии электрического тока применяют счетчики. В обозначениях счетчиков буквы и цифры означают: С — счетчик; А — активной энергии; Р — реактивной энергии; О — однофазный; 3 или 4 — для трех- или четырехпроводной сети; У — универсальный; И — индукционной измерительной системы; Т — тропическое исполнение; 670, 672 и т. д. — конструктивное исполнение.

Необходимо отметить только, что двух- и трехэлементные счетчики для измерений в трех- и четырехпроводных системах трехфазного тока имеют два диска.

Электрические счетчики постоянного тока (СА — ампер-часов, СВ — вольт-часов, СКВТ — киловатт-часов) электро- и ферродинамической систем выпускают для непосредственного включения или для включения со вспомогательными частями.

Счетчики электроэнергии на судах не устанавливают, а расходуемую энергию учитывают по среднесуточной загрузке судовой электростанции.

Какой прибор используется для измерения электрической мощности? – Tokzamer

Методы измерения мощности в электрических цепях

Очень часто при проектировании электрических схем радиолюбители сталкиваются с проблемой измерения мощности, которую потребляют радиокомпоненты. Специалисты в метрологической сфере рекомендуют два метода, позволяющих вычислить и грамотно рассчитать ее значение. В этом случае нужно разобрать подробнее физический смысл величины, а также ее составляющих, от которых она зависит.

Общие сведения

При проектировании устройств нужно уметь правильно рассчитывать мощность электроэнергии электрооборудованием. Это необходимо, прежде всего, для долговечной работы устройства. Если изделие работает на износ, то оно способно выйти из строя сразу или в течение некоторого времени.

Такой вариант считается недопустимым, поскольку существуют виды техники, которые должны работать без отказов (аппарат искусственного дыхания, контроль уровня метана в шахте и так далее), так как от этого зависит человеческая жизнь. К основным характеристикам электрической энергии относятся следующие: мощность, сила тока, напряжение (разность потенциалов) и электропроводимость (сопротивление) материалов.

Мощность потребителя

Мощность не следует путать с электрической энергией. Единицей измерения первой является ватт (Вт), название которой произошло от фамилии известного физика Джеймса Уатта. Физическим смыслом 1 Вт является расход электрической энергии за единицу времени, равной 1 секунде (1 Вт = расход 1 джоуля за 1 секунду). Существуют производные единицы измерения: милливатт (1 мВт = 0,001 Вт), киловатт (1 кВт = 1000 Вт), мегаватт (1 МВт = 1000 кВт = 1000000 Вт), гигаватт (1 ГВт = 1000 МВт = 1000000 кВт = 1000000000 Вт) и так далее. Для измерения электрической энергии применяются специальные счетчики, а ее единицей измерения является Вт*ч.

Ватт можно связать с некоторыми физическими величинами: 1 Вт = 1 Дж/с = (1 кг * sqr (м)) / (c * sqr (c)) = 1 Н * м / с = 746 л. с. Последнее числовое значение называется электрической лошадиной силой. Ваттметр — измеритель электрической мощности. Однако ее величину можно определить и другим способом. Для этого следует разобрать физические величины, от которых она зависит.

Сила тока

Количество электрического заряда, который проходит через токопроводящий материал за единицу времени, называется силой электрического тока.(18) электронов.

Ток в научной интерпретации классифицируется на постоянный и переменный. Первый вид не изменяет своего направления за единицу времени, но его амплитудные значения могут изменяться. Направление и амплитуда переменного тока изменяется по определенному закону (синусоидальный и несинусоидальный). Основным параметром считается его частота. Определяется тип переменного тока с помощью осциллографа.

Электрическое напряжение

Из курса физики известно, что каждое вещество состоит из атомов, которые обладают нейтральным зарядом. Они состоят из субатомных частиц. К ним относятся следующие: протоны, электроны и нейтроны. Первые имеют положительный заряд, вторые — отрицательный, а третьи — не заряжены вообще.

Суммарный заряд протонов компенсирует заряд всех электронов. Однако под действием внешних сил это равенство нарушается, и электрон «вырывается» из атома, который уже обладает положительным зарядом. Он притягивает электрон с соседнего атома, и процесс повторяется до тех пор, пока энергия не будет минимальной (меньше энергии «вырывания» электрона).

При межатомном взаимодействии образуется электромагнитное поле с отрицательной или положительной составляющими. Разность между двумя точками противоположных по знаку составляющих называется электрическим напряжением. Работа электромагнитного поля по перемещению точечного электрического заряда из точки А в точку В называется разностью потенциалов. Физический смысл напряжения (U): разность потенциалов в 1 В между двумя точечными зарядами в 1 Кл, на перемещение которых тратится энергия электромагнитного поля, равная 1 Дж.

Единицей измерения является вольт (В). Определить значение разности потенциалов можно с помощью вольтметра, который подключается параллельно. Производными единицами измерения считаются следующие: 1 мВ = 0,001 В, 1 кВ = 1000 В, 1 МВ = 1000 кВ = 1000000 В и так далее.

Сопротивление электрической цепи

Электропроводимость материала зависит от нескольких факторов: электронной конфигурации, типа вещества, геометрических параметров и температуры. Сведения об электронной конфигурации вещества можно получить из периодической таблицы Д. И. Менделеева. Согласно этой информации вещества бывают:

1. Проводниками.
2. Полупроводниками.
3. Диэлектриками.

К первой группе следует отнести все металлы, электролиты (растворы, проводящие ток) и ионизированные газы. Носителями электрического заряда в металлах являются электроны. В растворах их роль выполняют ионы, которые бывают положительными (анионы) и отрицательными (катионы). Свободными носителями заряженных частиц в газах считаются свободные электроны и положительно заряженные ионы.

Полупроводники проводят электричество только при определенных условиях. Например, при воздействии на него внешних сил. Под их действием кулоновские связи электрона с ядром уменьшаются. При этом отрицательно заряженная частица «вырывается». На ее месте образуется «дырка», обладающая положительным зарядом. Она притягивает соседний электрон, вырывая его с атома. В результате этого осуществляется движение электронов и дырок. Изоляторы или диэлектрики вообще не проводят электричество. К ним относятся материалы без свободных носителей заряда, а также инертные газы.

В проводниках при повышении температурных показателей происходит рост величины сопротивления. При этом происходит разрушение и искажение кристаллической решетки. Заряженные частицы сталкиваются (взаимодействуют) с атомами и другими частицами материала. В результате их движение замедляется, но потом снова возобновляется под действием электромагнитного поля. Процесс этого «взаимодействия» называется электрической проводимостью вещества. Однако в полупроводниках при повышении температуры эта величина уменьшается. К геометрии материалов следует отнести следующие: длину и площадь поперечного сечения.

Сопротивление измеряется в Омах (Ом) при помощи омметра, который подсоединяется параллельно к участку цепи или радиодетали. Существуют производные единицы измерения: 1 кОм = 1000 Ом, 1 МОм = 1000 кОм = 1000000 Ом.

Методы измерения

Мощность можно определить двумя способами: косвенным и прямым. В первом случае это делается при помощи амперметра и вольтметра, а также осциллографа. Измеряются значения напряжения и тока, а затем по формулам вычисляется мощность. Этот способ имеет один недостаток: величина мощности получается с некоторой погрешностью.

При использовании прямого метода используется специальный прибор-измеритель. Он называется ваттметром и показывает мгновенное значение мощности. У каждого из способов есть свои достоинства и недостатки. Какой из методов наиболее оптимален, определяет сам радиолюбитель. Если проектируется какое-либо изделие, которое отличается надежностью, то следует применять прямой метод. В других случаях рекомендуется воспользоваться косвенным методом.

Косвенный способ

Мощность в цепях постоянного и переменного токов определяется различными способами. Для каждого случая существуют свои законы и формулы. Однако мощность можно не рассчитывать, поскольку она указана на электрооборудовании. Расчет применяется только при проектировании устройств.

Для цепей постоянного тока нужно воспользоваться формулой: P = U * I. Ее можно вывести из закона Ома для участка или полной цепи. Если рассматривается полная цепь, то формула принимает другой вид с учетом ЭДС (е): P = e * I. Основные соотношения для расчета:

1. Для участка электрической цепи: P = I * I * R = U * U / R.
2. Для полной цепи, в которой подключен электродвигатель или выполняется зарядка аккумулятора (потребление): P = I * e = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).
3. В цепи присутствует генератор или гальванический элемент (отдача): P = I * (e + (I * Rвн)).

Эти соотношения невозможно применять для цепей переменного тока, поскольку он подчиняется другим физическим законам. При измерении мощности в цепях переменного тока следует учитывать ее составляющие (активная, реактивная и полная). Если в цепи присутствует только резистор, то мощность считается активной. При наличии емкости или индуктивности — реактивной. Полная — сумма активной и реактивной составляющих.

Для вычисления первого типа физической величины применяется формула такого вида: Ра = I * U * cos (a). Значения тока и напряжения являются среднеквадратичными, а cos (a) — косинус угла между ними. Для определения реактивной мощности нужно воспользоваться следующей формулой: Qр = I * U * sin (a). Если нагрузка в цепи является индуктивной, то значение будет больше 0. В противном случае — меньше 0. Полная мощность Р определяется по следующему соотношению: P = Pa + Qp.

Прямое определение величины

Для определения значения мощности в цепях переменного и постоянного тока применяются ваттметры. В них используются электродинамические или ферроидальные механизмы. Приборы с электродинамическим механизмом выпускаются в виде переносных приборов. Они обладают высоким классом точности. Измерители мощности рекомендуется применять при выполнении точных расчетов для цепей постоянного и переменного тока с частотой до 5 кГц.

Ферродинамические приборы изготавливаются в виде электронных узлов, которые вставляются в измерительные стенды или щитовые. Основное их назначение — контроль приблизительных параметров потребления мощности электрооборудованием. Они обладают низким классом точности и применяются для измерения значений мощности переменного тока. При постоянном токе погрешность увеличивается, поскольку это обусловлено искажением петли гистерезиса ферромагнитных сердечников.

По диапазону частот приборы можно разделить на две группы: низкочастотные и радиочастотные. Ваттметры низких частот применяются в сетях промышленного питания переменного тока. Радиочастотный тип рекомендуется применять для точных измерений при проектировании различной техники. Они делятся на две категории по мощности:

1. Проходящие.
2. Поглощающие.

Первый вид подключается в разрыв линии, а второй — в ее конец в качестве нагрузки согласования. Кроме того, приборы для измерения мощности бывают аналоговыми и цифровыми.

При измерении мощности на высоких частотах применяются электронные и термоэлектронные ваттметры. Главным узлом считается микроконтроллер и преобразователь активной мощности. Последний преобразовывает переменный ток в постоянный. После этого происходит перемножение в микроконтроллере силы тока и напряжения. Результатом является сигнал на выходе, который зависит от I и U.

Ваттметр состоит из двух катушек. Первая из них подключается последовательно в цепь нагрузки, а другая (подвижная с резистором) — параллельно. В цифровых моделях роль катушек выполняют датчики тока и напряжения. Прибор имеет две пары зажимов. Одна пара применяется для последовательной цепи, а другая — для параллельной. Для правильного включения ваттметра выполняется обозначение * одной из двух пар зажимов.

Таким образом, для измерения мощности электрического тока применяются два метода. Первый из них является косвенным, а второй — прямым. Последний рекомендуется применять при проектировании сложной техники.

Ваттметр для дома — лучшие модели

Чтобы узнать, сколько потребляют электроприборы энергии, можно использовать формулы. Однако фактическое значение мощности может отличаться от расчётного. Например, стиральная машинка будет «брать» больше тока при отжиме, когда барабан крутится максимально быстро. Та же ситуация и с другими потребителями – холодильником или телевизором.

Чтобы получить информацию о том, какую мощность в среднем потребляют все электроприборы, не тратя время на расчёты, используют ваттметры. Приборы отличаются друг от друга принципом работы и наличием дополнительных опций.

Понятие о мощности и методы расчёта

В бытовой сети течёт переменный ток 220 В (в промышленной – 380), но большинство электроприборов потребляет постоянный. Для этого к каждому такому устройству прилагается блок питания (он может быть встроен в корпус потребителя).

Мощность – физическая величина, измеряемая в Ваттах (Вт) или Киловаттах (кВт). Для каждого электроприбора параметр вычисляется с помощью двух формул.

Для переменного тока

Такие потребители как обычные электрические лампочки, инструмент с мотором (дрель, болгарка, станки для заточки), работают от переменного тока. Чтобы узнать потребляемую ими мощность, нужно произведение напряжения и силы тока умножить ещё и на коэффициент cos φ. Это связано с тем, что электрические компоненты (катушки или обмотки мотора) влияют на значение силы тока, изменяя его в разные моменты времени. Поэтому без приборов измерить мощность не получится.

Для постоянного тока

Расчёт производится по формуле: следует умножить силу тока (в Амперах, А) на напряжение (Вольт, В). Пример: устройство потребляет 0,1 А и рассчитано на 15 В. Тогда потребляемая мощность будет равна 0,1х15=1,5 Вт. Узнать информацию о силе тока и напряжении можно на корпусе блока питания, самом устройстве или в технической документации, которую всегда предоставляет завод-изготовитель.

Что такое ваттметр

Представляет собой измерительный прибор, собранный (как правило) в едином корпусе и подключаемый между розеткой и потребителем энергии.

При включении пользователь сможет узнать:

• фактическую силу тока в цепи;

• значение напряжения;

• частоту – для переменного тока;

• какая потребляется мощность.

При желании можно узнать коэффициент Power Factor (он же cos φ). Большинство приборов показывает и время, в течение которого производились измерения, что поможет при необходимости сделать расчётную таблицу или построить графики изменения величин.

Разновидности

Основной критерий – род тока – постоянный или переменный. Универсальные бытовые приборы, позволяют работать с любыми потребителями.

Нужно вставить ваттметр в розетку, а в само устройство – ту технику, параметры которой нужно установить. Ваттметры применяют при тестировании и ремонте электросети или для вычисления, какой прибор слишком много «берёт» энергии.

Чем измерительные устройства отличаются друг от друга:

• точностью – большинство аппаратов достаточно точны, но информацию о классе (о проценте погрешности) можно узнать в паспорте изделия;
• диапазоны измерений – на потребители какой мощности рассчитаны измерительные устройства. Простые ваттметры могут не «потянуть» стиральную машинку или крупный станок;
• дополнительные функции – подсветка экрана, возможность дистанционного управления и программирования, наличие встроенной памяти.

Если необходимо производить замеры на улице, то следует выяснить, при какой температуре воздуха допускается работа ваттметра.

Для чего необходим в бытовых условиях

Использовать ваттметр потребуется, чтобы оптимизировать затраты на электроэнергию. Особенно это важно для крупных квартир и загородных домов. Большое количество потребителей не позволит точно определить, какие из них слишком прожорливы и требуют замены.

Интеллектуальные ваттметры, обладающие дополнительными функциями, позволят не только производить замеры, но и управлять конкретным прибором. Например, электрическим котлом. Это можно делать дистанционно или путём программирования измерительного устройства.

Модели, часто используемые в быту

Условно измерительные устройства делят на бытовые и «интеллектуальные». Первая группа – относительно простые аппараты с минимумом дополнительных функций. Вторая категория «умных» ваттметров позволяет не только определять параметры потребляемой энергии, но и передавать значения на смартфоны, отключать или снова включать потребители и даже измерять концентрацию углекислого газа в помещении.

ROBITON PM-1

Стандартный прибор, объединяющий в едином корпусе розетку для потребителя, сетевую вилку, экран для вывода информации и три клавиши управления.

Прибор определяет:

• мощность нагрузочного устройства;
• количество потребляемой энергии;
• полную стоимость киловатт*часов за расчётное время.

Основные плюсы – недорогой и достаточно точный прибор для применения в быту.

Минус – сложная процедура обнуления значений.

HiDANCE 3680W AC Power Meter

Более совершенный ваттметр позволяет использовать дополнительные полезные функции: определить коэффициент мощности для тестируемого прибора – Power Factor (он же cos φ). Также демонстрирует все остальные параметры – силу тока и мощность.

Плюсы: аккуратная сборка, достаточная функциональность, крупный дисплей.

Минус – после сброса необходимо вновь вводить цену за квт*час.

Espada TSL 1500WB

Электронный ваттметр для бытовых и коммерческих нужд. Главное отличие от аналогов – есть возможность учёта дневного и ночного тарифов. Есть подсветка экрана. Дополнительно – функция сигнализации о превышении максимально допустимых силы тока или мощности.

Плюсы: простой и понятный интерфейс, надёжность, крупный экран, небольшая погрешность измерений.

Минус – затруднена смена источника питания.

TP-Link HS110

«Умный» ваттметр от известной компании, производящей электронику и сетевое оборудование. Управление и мониторинг осуществляется удалённо. Можно использовать для подключения ПК, смартфон и другие устройства. Пользователь сможет не только произвести измерения значений мощности, силы тока и напряжения, но и отключить потребитель энергии, а если потребуется – включить вновь.

Плюсы: удобство работы, сравнительно низкая цена.

Минус – в доме должна быть стабильная интернет-связь.

Edimax SP 2101W

Ваттметр предназначен для постоянной работы с одним потребителем. Представляет собой «интеллектуальную» розетку, которая может работать по определённой программе или управляться владельцем вручную. Если возникнет аварийная ситуация, то пользователю автоматически отправится сообщение.

Плюсы: отлично подходит для систем типа «умный дом», ёмкая память сохранит результаты измерений 12 месяцев.

Минусы – высокая цена.

МЕГЕОН 71016

Ваттметр с информативным ЖК-экраном и подсвечивающими элементами. Расчёт показаний производится в режиме реального времени. Дополнительная функция – показывает концентрацию СО2 в воздухе.

Плюсы: малый размер, можно вставлять трехштырьковые евророзетки, аккуратная сборка.

Минус: высокая цена при покупке в обычном магазине.

Energenie EGM-PWM

Ваттметр со стильным чёрным корпусом объединяет в себе измерительный прибор и систему для анализа поведения потребителя. Самостоятельно выстраивает диаграммы, графики. Есть порт для подключения к ПК или другому устройству.

Плюсы: несложное управление, возможна работа с отопительным оборудованием.

Минус – высокая цена.

Итоги

Для бытовых нужд можно выбрать любой функциональный ваттметр, исходя из собственных финансовых возможностей. Приобретение «интеллектуальных» приборов будет оправдано, если в доме есть значительное количество потребителей, которые нуждаются в дистанционном управлении. Или для коммерческих организаций, стремящихся оптимизировать расходы на электроэнергию.

Читайте также другие полезные статьи:

Видео-обзор ваттметра ROBITON PM-1

Ваттметры — виды и применение, схема подключения, особенности использования

Каждый потребитель, питаемый от электрической сети, потребляет какую-то мощность. Мощность характеризует в данном случае скорость выполнения электрической сетью работы, необходимой для функционирования того или иного прибора либо цепи, которая от этой сети питается. Разумеется, сеть должна быть в состоянии обеспечить данную мощность и не быть при этом перегруженной, иначе может случиться авария.

Для измерения потребляемой мощности в цепях переменного тока используют специальные приборы — ваттметры. Ваттметры показывают текущую потребляемую мощность, а некоторые из них способны даже подсчитать количество энергии в киловатт-часах, израсходованной за определенное время, пока потребитель работал. В данной статье мы рассмотрим несколько основных видов ваттметров.

Ваттметры находят применение в самых разных сферах промышленности и быта, особенно в электроэнергетике и в машиностроении. Кроме того ваттметры часто полезны в быту.

Их используют для определения мощности различной бытовой техники, для расчета приблизительной стоимости электроэнергии в месяц, для диагностики приборов, для тестирования сетей, да и просто в качестве наглядных индикаторов. Есть щитовые ваттметры, ваттметры в виде сетевых адаптеров, цифровые и аналоговые ваттметры.

Принцип работы данных приборов в общем виде прост: измеряются напряжение питания и потребляемый ток, а мощность определяется как произведение данных величин с учетом коэффициента мощности исследуемой цепи. Коэффициент мощности определяется по разности фаз между током и напряжением. Цифровые ваттметры отображают показания на дисплее или записывают их в цифровой форме, а аналоговые — показывают стрелкой на шкале.

Электродинамические измерительные приборы

Приборы, основанные на принципе взаимодействия двух магнитных полей, создаваемых токами, текущими в двух различных катушках по устройству и принципу действия называют электродинамическими.

Одна из этих катушек укреплена неподвижно, а вторая, помещенная внутри первой, может поворачиваться вокруг своей оси и удерживается в некотором начальном положении спиральными пружинами. По отклонению подвижной катушки можно непосредственно судить о силе протекающего по катушкам тока.

В зависимости отданных прибора и способа его включения с помощью этого прибора можно измерять либо силу тока в цепи (амперметр), либо напряжение на зажимах цепи (вольтметр), либо мощность, потребляемую в цепи (ваттметр).

Т. к. направление электрического тока, протекающего через обе катушки электродинамического измерительного прибора изменяется одновременно, то направление силы взаимодействия между катушками остается неизменным при изменении направления подводимого к прибору тока. Поэтому такие измерительные приборы пригодны для измерения как переменного, так и постоянного токов.

К аналоговым устройства относятся ваттметры электродинамической системы. Их работа основана на взаимодействии пары катушек, первая из которых неподвижна, а вторая — подвижна, то есть может отклоняться в сторону. Неподвижная катушка связана с током, а подвижная — с напряжением.

Неподвижная катушка имеет небольшое число витков и включается в цепь измерения мощности последовательно, в то время как подвижная катушка имеет значительно большее количество витков и включается через резистор параллельно исследуемому прибору.

Чем больший ток проходит по неподвижной катушке — тем сильнее ее магнитное поле отклоняет подвижную катушку, связанную со стрелкой. Шкала прибора отградуирована в ваттах. Как вы уже поняли, здесь автоматически учитываются и ток, и напряжение, и коэффициент мощности цепи.

Схема подключения ваттметра:

Схема подключения ваттметра с крышки прибора Д5065:

Мощность трехфазной системы может быть измерена с помощи трех ваттметров, включенных в каждую из фаз. Однако задача может быть решена и проще.

При равномерной нагрузке измерения мог быть проведены с помощью одного ваттметра. При неравномерной нагрузке и трехпроводной системе — двумя ваттметрами (или одним ваттметром специальной конструкции, так называемым двухэлементным). При неравномерной нагрузке и четырехпроводной системе — тремя ваттметрами или одним трехэлементным.

Иногда для измерения реактивной мощности применяют синусные ваттметры, у которых отклонение подвижной части пропорционально не косинусу, а синусу угла сдвига фаз между током и напряжением.

Устройство ваттметров для измерения реактивной мощности такое же, как и для активной. Разница лишь в том, что в синусных ваттметрах искусственно создается сдвиг фаз на 90° между напряжением и током в параллельной цепи. Включаются синусные ваттметры или, каких иногда называют, варметры по тем же измерительным схемам, что и ваттметры для измерения активной мощности.

При неравномерной нагрузке в четырехпроводной линии последовательные обмотки трех ваттметров включают в линейные провода, а параллельные цепи подключают к линейным проводам и нулевому проводу. Мощность трехфазной цепи определяется как сумма показаний ваттметров. Возможно применение одного трехэлементного ваттметра.

Цифровые ваттметры

Цифровой ваттметр работает совершенно иначе. Ток измеряется косвенным путем по закону Ома посредством оценки падения напряжения на калиброванном шунте, а напряжение — по схеме цифрового вольтметра. Датчиком тока может быть не обязательно шунт, но и трансформатор тока.

Измеренные схемой мгновенные параметры тока и напряжения обрабатываются микропроцессором, который вычисляет на основе этих данных потребляемую мощность, а также величину суммарной электроэнергии, которая была израсходована потребителем за время проведения замеров. Результат отображается на цифровом дисплее прибора.

Аналоговые приборы часто можно встретить в виде щитовых, модульных изделий, а цифровые — в виде профессионального оборудования и портативных устройств.

Бытовой ваттметр

Очень распространенный пример простого цифрового ваттметра — бытовой ваттметр в виде сетевого адаптера — переходника. Он предназначен для наблюдения мощности потребления, а также для оперативной оценки стоимости электроэнергии в домашних условиях. Ваттметр вставляется в ту розетку, от которой обычно питается прибор, потребление которого необходимо узнать. Затем в розетку ваттметра втыкается вилка самого прибора.

По нажатии соответствующей кнопки, ваттметр начинает отсчет времени и запись количества потребленной с этого момента электроэнергии, то есть той энергии, которая была отдана через его розетку. Тут же считается стоимость электроэнергии, если предварительно задана цена киловатт-часа. Пока прибор работает а ваттметр измеряет мощность, стоимость на дисплее периодически обновляется. Ваттметры такого типа способны измерять мощности до 3600 Вт.

Стоит вставить прибор в розетку и воткнуть в него вилку — на дисплее тут же начинается отсчет времени и в режиме реального времени отображается потребляемая мощность. При помощи кнопок можно переключить отображаемый параметр с мощности — на ток, на напряжение, посмотреть пиковую мощность, минимальную мощность и т. д.

Кроме того на дисплее можно увидеть частоту переменного тока в розетке. Задав стоимость киловатт-часа электроэнергии, при помощи бытового ваттметра можно оценить стоимость электроэнергии, потребляемой холодильником, компьютером, вентилятором, кондиционером, обогревателем, водонагревателем и т. д.

Профессиональные ваттметры

Профессиональные ваттметры отличаются расширенным функционалом и повышенным классом точности. Данные приборы позволяют тестировать более простые измерительные приборы, а сами способны измерять мощности в значительно более широком диапазоне величин токов, напряжений и частот нежели бытовые.

Профессиональный ваттметр стоит дороже, как любой стационарный прибор подобного класса, просто в силу повышенных требований к точности и качеству измерений. Зачастую профессиональные ваттметры не критичны к форме тока, они могут измерять переменный и постоянный, синусоидальной, прямоугольный, пульсирующий и пилообразный токи, вычислять при этом мощность потребления с указанием коэффициента мощности и характера нагрузки (активная, индуктивная, емкостная, смешанная). Выпускаются как для работы с однофазными цепями, так и для трехфазных.

Аналоговый ваттметр в составе профессионального лабораторного измерительного комплекта К540:

Щитовые ваттметры

Для осуществления замеров и индикации активной и реактивной мощности в сетях трехфазного или однофазного переменного тока, полезны щитовые встраиваемые ваттметры. Значение текущей мощности индикатор показывает в виде цифр на своем дисплее, который может иметь обычно до четырех разрядов для обеспечения достаточно высокой точности. Прибор имеет вид своеобразной измерительной головки, монтируемой в корпус.

Привычное применение ваттметров данного вида — индикаторные панели различных электротехнических устройств, работающих в сетях с частотой 50 Гц, то есть такие, где ваттметр установлен стационарно и больше не снимается. Возможно сопряжение ваттметра с электронными схемами, которые корректируют работу цепи в которой он установлен в зависимости от динамики активной или реактивной мощности потребления.

Измерение электрической мощности и энергии

Довольно часто возникает необходимость измерять мощность, потребляемую из сети, или же генерируемую в сеть. Это необходимо для учета потребляемой или генерируемой энергии, а также для обеспечения нормальной работы энергосистемы (избежание перегрузок). Измерять мощность можно несколькими способами – прямым и косвенным. При прямом измерении применяют ваттметр, а при косвенном амперметр и вольтметр.

Измерение мощности в цепи постоянного тока

Из-за отсутствия реактивной и активной составляющей в цепях постоянного тока для измерения мощности ваттметр применяют очень редко. Как правило, величину потребляемой или отдаваемой энергии измеряют косвенным методом, с помощью последовательно включенного амперметра измеряют ток I в цепи, а с помощью параллельно подключенного вольтметра измеряют напряжение U нагрузки. После чего применив простую формулу P=UI и получают значение мощности.

Чтоб уменьшить погрешность измерений из-за влияний внутренних сопротивлений устройств, приборы могут подключать по различным схемам, а именно при относительно малом сопротивлении нагрузки R применяют такую схему включения:

А при большом значении R такую схему:

Измерение мощности в однофазных цепях переменного тока

Главным отличием цепей переменного тока от сетей постоянного тока, пожалуй, заключается в том, что в переменном напряжении существует несколько мощностей – полная, активная и реактивная . Полную измеряют зачастую тем же косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра и значение ее равно S=UI.

Замер же активной P=UIcosφ и реактивной Q=UIsinφ производится прямым методом, с помощью ваттметра. Для измерения ваттметр в цепь подключают по следующей схеме:

Где токовую обмотку необходимо подключить последовательно с нагрузкой R_н, и, соответственно, обмотку напряжения параллельно нагрузке.

Замер реактивной мощности в однофазных сетях не производится. Такие опыты зачастую ставятся только в лабораториях, где ваттметры включают по специальным схемам.

Измерение мощности в трехфазных цепях переменного тока

Как и в однофазных сетях, так же и в трехфазных полную энергию сети можно измерять косвенным методом, то есть с помощью вольтметра и амперметра по схемам показанным выше. Если нагрузка трехфазной цепи будет симметричной, то можно применить такую формулу:

U_л – напряжение линейное, I- фазный ток.

Если же фазная нагрузка не симметрична, то производят суммирование мощностей каждой из фаз:

При измерении активной энергии в четырехпроводной цепи при использовании трех ваттметров, как показано ниже:

Общей энергией потребляемой из сети будет сумма показаний ваттметров:

Не меньшее распространение получил и метод измерения двумя ваттметрами (применим только для трехпроводных цепей):

Сумму их показаний можно выразить следующим выражением:

При симметричной нагрузке применима такая же формула как и для полной энергии:

Где φ – сдвиг между током и напряжением (угол фазового сдвига).

Измерение реактивной составляющей производят по той же схеме (смотри рисунок в)) и в этом случае она будет равна разности алгебраической между показателями приборов:

Если сеть не симметрична, то для измерения реактивной составляющей применяют два или три ваттметра, которые подключают по различным схемам.

Процесс измерения активной и реактивной мощности

Счетчиками индукционными или электронными производят измерения активной мощности цепи переменного напряжения. Они подключаются по тем же схемам что и ваттметры. Учет реактивной энергии в однофазных потребителей в нашей стране не ведется. Ее учет производят в трехфазных цепях крупных промышленных предприятий, потребляющих большие объемы электроэнергии. Счетчики активной энергии имеют маркировку СА, реактивной СР. Также широкое применение получают электронные счетчики электроэнергии.

Измерители мощности. Измерительные приборы и инструменты

Каким прибором измеряют мощность? Вопрос достаточно актуальный, так как в настоящее время электрическая сеть имеется повсюду. Без электричества не работает практически ничего. Неудивительно, что это привело к огромной популярности приборов, измеряющих показатели таких сетей. Важный факт — измерение мощности можно провести только в ваттах. Однако в некоторых случаях возникает потребность перевода ватта в киловатт. Чаще всего это делается для удобства расчетов.

Общее описание электрических сетей

Мощность — это один из трех основных параметров, который характеризует электрическую сеть. Данный параметр отражает то количество работы, которую выполняет сила тока за одну единицу времени. Здесь важно понимать, что общая мощность всех включенных приборов в сеть не должна превышать ту, которая подается поставщиком. Если это произойдет, то возможны негативные последствия, начиная с выхода из строя оборудования и заканчивая коротким замыканием и последующим пожаром. Для того чтобы избежать таких неприятностей, были изобретены измерители мощности, которые называются ваттметрами.

Тут важно понимать, что в цепи постоянного тока измерить этот параметр можно и без использования данного прибора. Для этого используют умножение. Перемножаются значения напряжения и силы тока в цепи. Однако обойтись тем же самым методом в цепи переменного тока не получится. Именно для таких сетей и были изобретены измерительные приборы и инструменты.

Использование аппаратуры

Основными источниками, использующими эти агрегаты, стали мастерские, занимающиеся ремонтом электрических приборов. Активно используют ваттметры и в электроэнергетической промышленности, а также машиностроении. Еще одной довольно распространенной моделью стали бытовые приборы. Основными покупателями таких изделий стали любители электроники, владельцы компьютеров или просто люди, желающие экономить на электроэнергии.

Один небольшой факт. В некоторых случаях приходится проводить преобразование ватт в киловатты. Чаще всего это делается в промышленных отраслях, где мощность настолько велика, что, если измерять ее в Вт, то значения будут слишком велики. При переводе единиц измерений есть такое правило: 1000 ВТ — это 1 кВт.

Чаще всего устройства применяются для таких целей, как:

• определение мощности отдельного агрегата;
• тестирование всей электрической цепи или ее отдельных частей;
• контроль работоспособности устройств;
• учет потребления электроэнергии всеми подключенными устройствами.

Краткое описание типов приборов

Здесь важно начать с того, что, прежде чем начать измерять мощность, обычно измеряют силу тока и напряжение. Основываясь на выбранном способе измерения, последующем преобразовании и выводе полученных данных, различают такие виды измерительных приборов и инструментов, как цифровые и аналоговые.

Аналоговые типы приборов отличаются тем, что они имеют полукруглую шкалу, а также движущуюся стрелку. Они также разделяются на две более мелких группы — самопишущие и показывающие. Эти приборы отражают мощность лишь активного участка цепи. Измерение прибор ведет в ваттах (Вт).

Цифровые измерители мощности (ваттметры) могут использовать для измерения и активной и реактивной мощности. К тому же у этого аппарата функционал намного шире, так как на его табло выводится показатель не только мощности, а также силы тока, напряжения и расхода энергии во времени. Еще одно преимущество заключается в том, что вывод всех значений можно производить удаленно, то есть на компьютер оператора.

Суть работы аналоговых приборов

Если говорить об устройствах аналогового типа для измерения мощности, то наиболее точными и часто используемыми стали приспособления электродинамической системы.

Принцип действия этого измерителя мощности основывается на работе двух катушек. Одна из них характеризуется тем, что она не двигается, ее сопротивление мало, как и число витков. А вот обмотка, наоборот, довольно толстая. Второй же экземпляр противоположен первому. То есть катушка движется, толщина обмотки низкая, а вот число витков довольно велико, из-за чего сопротивление также повышено. Подключение этого прибора осуществляется параллельно нагрузке. Для того чтобы избежать возникновения короткого замыкания между внутренними катушками устройства, прибор снабжается добавочным сопротивлением.

Суть работы цифровых приспособлений

Принцип действия этих измерителей мощности сложнее, чем у предыдущего типа. Причиной тому стало то, что мощность измеряется не напрямую. Основа работы устройства лежит в том, что сначала производятся предварительные измерения силы тока и напряжения. Для того чтобы их провести, нужно последовательно нагрузке подключить датчик тока, а параллельно — датчик напряжения. Выполнены эти агрегаты могут быть на базе термисторов или измерительных трансформаторов.

Мгновенные значения, полученные посредством аналого-цифрового преобразователя, передаются на микропроцессор, имеющийся у измерителя. В этом моменте производятся необходимые расчеты, благодаря которым можно получить значение активной и реактивной мощности. Итоговые результаты всех измерений выдаются на дисплей этого прибора, а также на дисплей тех устройств, которые подключены к нему. Оптическая мощность не измеряется этими видами приборов.

Бытовые приспособления

На сегодняшний день довольно распространенным и удобным прибором в быту стал ваттметр, при помощи которого можно измерить расход электрической энергии в доме. Данная модель является портативной версией устройства, при помощи которой измеряется мощность на отдельном участке. Благодаря этому становится возможным посчитать материальные расходы, которые уйдут на электроэнергию, если оставить работать сеть с такими же параметрами.

Данное приспособление довольно удобно, если необходимо распланировать расход средств, а также поможет провести оптимизацию некоторых участков домашней цепи.

Бытовые ваттметры

Этот агрегат относится к цифровой группе приборов. По своему внешнему виду он сильно напоминает адаптер или же переходник, который обладает дисплеем индикаторного типа. Кроме того, на корпусе расположено несколько кнопок, управляющих работой устройства. Основное предназначение этого прибора — регистрация и вывод на экран результатов потребления мощности любым бытовым прибором, который подключается к сети через него. Таких параметров довольно много, и это не только потребляемая мощность. Если ввести конкретный тариф, то устройство может даже показать количество материальных средств, которые будут уплачены за работу именно этого прибора. Оно может также фиксировать мощность излучения.

Функции прибора

Кроме обычных показателей этот прибор способен также зафиксировать такие значения, как пиковая мощность и пиковое значение силы тока. Кроме этого имеется и несколько других функций. Устройство показывает также текущее время, может работать как обычные часы реального времени. Еще одна возможность использования аппарата — звуковая сигнализация, которая сработает, если прибор начнет потреблять большее количество мощности, чем пользователь задаст вручную.

Кнопки, имеющиеся на приборе, могут быть использованы для того, чтобы вручную настраивать функции работы устройства. Имеется возможность выставить максимально допустимую мощность излучения, выставить стоимость киловатта за час и т.д.

В плане эксплуатации этот прибор очень прост. Для его работы необходимо подключить его к сети, то есть воткнуть в розетку. Далее необходимо подключить вилку исследуемого прибора к этому бытовому ваттметру. Отображение всех параметров подключенного устройства начнется автоматически.

Из основных параметров этого прибора можно выделить то, что к нему можно подключить практически любую бытовую технику. Общая максимальная мощность приборов не должна превышать показателя в 3600 Вт. Также нельзя превышать показатель силы тока в 16 А.

Измерение мощности в электрических цепях постоянного и переменного токов: способы и формулы

На чтение 9 мин. Просмотров 5.2k. Опубликовано 23.02.2019

Очень часто при проектировании электрических схем радиолюбители сталкиваются с проблемой измерения мощности, которую потребляют радиокомпоненты. Специалисты в метрологической сфере рекомендуют два метода, позволяющих вычислить и грамотно рассчитать ее значение. В этом случае нужно разобрать подробнее физический смысл величины, а также ее составляющих, от которых она зависит.

Общие сведения

При проектировании устройств нужно уметь правильно рассчитывать мощность электроэнергии электрооборудованием. Это необходимо, прежде всего, для долговечной работы устройства. Если изделие работает на износ, то оно способно выйти из строя сразу или в течение некоторого времени.

Такой вариант считается недопустимым, поскольку существуют виды техники, которые должны работать без отказов (аппарат искусственного дыхания, контроль уровня метана в шахте и так далее), так как от этого зависит человеческая жизнь. К основным характеристикам электрической энергии относятся следующие: мощность, сила тока, напряжение (разность потенциалов) и электропроводимость (сопротивление) материалов.

Мощность потребителя

Мощность не следует путать с электрической энергией. Единицей измерения первой является ватт (Вт), название которой произошло от фамилии известного физика Джеймса Уатта. Физическим смыслом 1 Вт является расход электрической энергии за единицу времени, равной 1 секунде (1 Вт = расход 1 джоуля за 1 секунду). Существуют производные единицы измерения: милливатт (1 мВт = 0,001 Вт), киловатт (1 кВт = 1000 Вт), мегаватт (1 МВт = 1000 кВт = 1000000 Вт), гигаватт (1 ГВт = 1000 МВт = 1000000 кВт = 1000000000 Вт) и так далее. Для измерения электрической энергии применяются специальные счетчики, а ее единицей измерения является Вт*ч.

Ватт можно связать с некоторыми физическими величинами: 1 Вт = 1 Дж/с = (1 кг * sqr (м)) / (c * sqr (c)) = 1 Н * м / с = 746 л. с. Последнее числовое значение называется электрической лошадиной силой. Ваттметр — измеритель электрической мощности. Однако ее величину можно определить и другим способом. Для этого следует разобрать физические величины, от которых она зависит.

Сила тока

Количество электрического заряда, который проходит через токопроводящий материал за единицу времени, называется силой электрического тока. Сокращенно величину называют силой тока или током. Она обозначается литерами «I» или «i» и имеет направление (векторная величина).(18) электронов.

Ток в научной интерпретации классифицируется на постоянный и переменный. Первый вид не изменяет своего направления за единицу времени, но его амплитудные значения могут изменяться. Направление и амплитуда переменного тока изменяется по определенному закону (синусоидальный и несинусоидальный). Основным параметром считается его частота. Определяется тип переменного тока с помощью осциллографа.

Электрическое напряжение

Из курса физики известно, что каждое вещество состоит из атомов, которые обладают нейтральным зарядом. Они состоят из субатомных частиц. К ним относятся следующие: протоны, электроны и нейтроны. Первые имеют положительный заряд, вторые — отрицательный, а третьи — не заряжены вообще.

Суммарный заряд протонов компенсирует заряд всех электронов. Однако под действием внешних сил это равенство нарушается, и электрон «вырывается» из атома, который уже обладает положительным зарядом. Он притягивает электрон с соседнего атома, и процесс повторяется до тех пор, пока энергия не будет минимальной (меньше энергии «вырывания» электрона).

При межатомном взаимодействии образуется электромагнитное поле с отрицательной или положительной составляющими. Разность между двумя точками противоположных по знаку составляющих называется электрическим напряжением. Работа электромагнитного поля по перемещению точечного электрического заряда из точки А в точку В называется разностью потенциалов. Физический смысл напряжения (U): разность потенциалов в 1 В между двумя точечными зарядами в 1 Кл, на перемещение которых тратится энергия электромагнитного поля, равная 1 Дж.

Единицей измерения является вольт (В). Определить значение разности потенциалов можно с помощью вольтметра, который подключается параллельно. Производными единицами измерения считаются следующие: 1 мВ = 0,001 В, 1 кВ = 1000 В, 1 МВ = 1000 кВ = 1000000 В и так далее.

Сопротивление электрической цепи

Электропроводимость материала зависит от нескольких факторов: электронной конфигурации, типа вещества, геометрических параметров и температуры. Сведения об электронной конфигурации вещества можно получить из периодической таблицы Д. И. Менделеева. Согласно этой информации вещества бывают:

1. Проводниками.
2. Полупроводниками.
3. Диэлектриками.

К первой группе следует отнести все металлы, электролиты (растворы, проводящие ток) и ионизированные газы. Носителями электрического заряда в металлах являются электроны. В растворах их роль выполняют ионы, которые бывают положительными (анионы) и отрицательными (катионы). Свободными носителями заряженных частиц в газах считаются свободные электроны и положительно заряженные ионы.

Полупроводники проводят электричество только при определенных условиях. Например, при воздействии на него внешних сил. Под их действием кулоновские связи электрона с ядром уменьшаются. При этом отрицательно заряженная частица «вырывается». На ее месте образуется «дырка», обладающая положительным зарядом. Она притягивает соседний электрон, вырывая его с атома. В результате этого осуществляется движение электронов и дырок. Изоляторы или диэлектрики вообще не проводят электричество. К ним относятся материалы без свободных носителей заряда, а также инертные газы.

В проводниках при повышении температурных показателей происходит рост величины сопротивления. При этом происходит разрушение и искажение кристаллической решетки. Заряженные частицы сталкиваются (взаимодействуют) с атомами и другими частицами материала. В результате их движение замедляется, но потом снова возобновляется под действием электромагнитного поля. Процесс этого «взаимодействия» называется электрической проводимостью вещества. Однако в полупроводниках при повышении температуры эта величина уменьшается. К геометрии материалов следует отнести следующие: длину и площадь поперечного сечения.

Сопротивление измеряется в Омах (Ом) при помощи омметра, который подсоединяется параллельно к участку цепи или радиодетали. Существуют производные единицы измерения: 1 кОм = 1000 Ом, 1 МОм = 1000 кОм = 1000000 Ом.

Методы измерения

Мощность можно определить двумя способами: косвенным и прямым. В первом случае это делается при помощи амперметра и вольтметра, а также осциллографа. Измеряются значения напряжения и тока, а затем по формулам вычисляется мощность. Этот способ имеет один недостаток: величина мощности получается с некоторой погрешностью.

При использовании прямого метода используется специальный прибор-измеритель. Он называется ваттметром и показывает мгновенное значение мощности. У каждого из способов есть свои достоинства и недостатки. Какой из методов наиболее оптимален, определяет сам радиолюбитель. Если проектируется какое-либо изделие, которое отличается надежностью, то следует применять прямой метод. В других случаях рекомендуется воспользоваться косвенным методом.

Косвенный способ

Мощность в цепях постоянного и переменного токов определяется различными способами. Для каждого случая существуют свои законы и формулы. Однако мощность можно не рассчитывать, поскольку она указана на электрооборудовании. Расчет применяется только при проектировании устройств.

Для цепей постоянного тока нужно воспользоваться формулой: P = U * I. Ее можно вывести из закона Ома для участка или полной цепи. Если рассматривается полная цепь, то формула принимает другой вид с учетом ЭДС (е): P = e * I. Основные соотношения для расчета:

1. Для участка электрической цепи: P = I * I * R = U * U / R.
2. Для полной цепи, в которой подключен электродвигатель или выполняется зарядка аккумулятора (потребление): P = I * e = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).
3. В цепи присутствует генератор или гальванический элемент (отдача): P = I * (e + (I * Rвн)).

Эти соотношения невозможно применять для цепей переменного тока, поскольку он подчиняется другим физическим законам. При измерении мощности в цепях переменного тока следует учитывать ее составляющие (активная, реактивная и полная). Если в цепи присутствует только резистор, то мощность считается активной. При наличии емкости или индуктивности — реактивной. Полная — сумма активной и реактивной составляющих.

Для вычисления первого типа физической величины применяется формула такого вида: Ра = I * U * cos (a). Значения тока и напряжения являются среднеквадратичными, а cos (a) — косинус угла между ними. Для определения реактивной мощности нужно воспользоваться следующей формулой: Qр = I * U * sin (a). Если нагрузка в цепи является индуктивной, то значение будет больше 0. В противном случае — меньше 0. Полная мощность Р определяется по следующему соотношению: P = Pa + Qp.

Прямое определение величины

Для определения значения мощности в цепях переменного и постоянного тока применяются ваттметры. В них используются электродинамические или ферроидальные механизмы. Приборы с электродинамическим механизмом выпускаются в виде переносных приборов. Они обладают высоким классом точности. Измерители мощности рекомендуется применять при выполнении точных расчетов для цепей постоянного и переменного тока с частотой до 5 кГц.

Ферродинамические приборы изготавливаются в виде электронных узлов, которые вставляются в измерительные стенды или щитовые. Основное их назначение — контроль приблизительных параметров потребления мощности электрооборудованием. Они обладают низким классом точности и применяются для измерения значений мощности переменного тока. При постоянном токе погрешность увеличивается, поскольку это обусловлено искажением петли гистерезиса ферромагнитных сердечников.

По диапазону частот приборы можно разделить на две группы: низкочастотные и радиочастотные. Ваттметры низких частот применяются в сетях промышленного питания переменного тока. Радиочастотный тип рекомендуется применять для точных измерений при проектировании различной техники. Они делятся на две категории по мощности:

1. Проходящие.
2. Поглощающие.

Первый вид подключается в разрыв линии, а второй — в ее конец в качестве нагрузки согласования. Кроме того, приборы для измерения мощности бывают аналоговыми и цифровыми.

При измерении мощности на высоких частотах применяются электронные и термоэлектронные ваттметры. Главным узлом считается микроконтроллер и преобразователь активной мощности. Последний преобразовывает переменный ток в постоянный. После этого происходит перемножение в микроконтроллере силы тока и напряжения. Результатом является сигнал на выходе, который зависит от I и U.

Ваттметр состоит из двух катушек. Первая из них подключается последовательно в цепь нагрузки, а другая (подвижная с резистором) — параллельно. В цифровых моделях роль катушек выполняют датчики тока и напряжения. Прибор имеет две пары зажимов. Одна пара применяется для последовательной цепи, а другая — для параллельной. Для правильного включения ваттметра выполняется обозначение * одной из двух пар зажимов.

Таким образом, для измерения мощности электрического тока применяются два метода. Первый из них является косвенным, а второй — прямым. Последний рекомендуется применять при проектировании сложной техники.

Практическая работа по МДК 02.01 Измерение мощности переменного тока

Практическая работа: Измерение мощность в цепи переменного тока и методы её измерения.

 

Цель работы:Изучение методов измерения активной, реактивной и полной мощностей в цепи переменного тока. Ознакомление с принципом действия и применением электродинамических ваттметра и фазометра.

 

Теоретические замечания.

 

Потребляемая в цепи мощность равна произведению напряжения на зажимах этой цепи на силу тока. При переменном токе это справедливо только для мгновенной мощности p:

(1)

Периодически изменяющаяся мощность p мало удобна для оценки энергетического состояния цепи переменного тока. Поэтому основной энергетической характеристикой цепи переменного тока является средняя (активная) мощность, которая равна:

 (2)

Мощность P принято измерять в ваттах (Вт).

Множитель cosφ в выражении (2) называется коэффициентом мощности, так как при неизменных напряжении и токе в цепи активная мощность в зависимости от cosφ меняется от нуля до максимального значения. Наибольшее значение активной мощности называется полной (или кажущейся) мощностью, которая в отличие от активной мощности измеряется в вольт-амперах (ВА).

 (3)

Мерой реактивной энергии является реактивная мощность.

 (4)

Единицей реактивной мощности является ВАр (Вольт-Ампер реактивный).

Из (2),(3) и (4) следует, что

P=Scosφ ; Q=Ssinφ ; P²+Q²=S².

Полная мощность легко рассчитывается по показаниям вольтметра и амперметра, а активная и реактивная мощности могут быть измерены непосредственно с помощью специальных приборов. Можно фазометром измерить величину фазового сдвига φ, а затем вычислить Р и Q.

Рассмотрим подробно работу электродинамического ваттметра, предназначенного для непосредственного измерения активной мощности (принцип действия ферродинамического ваттметра аналогичен).

Измерительный механизм ваттметра электродинамической системы состоит из неподвижной катушки, содержащей малое число витков толстого провода (токовая катушка), и подвижной катушки, имеющей большое число витков тонкого провода (катушка напряжения). Из теории работы электродинамических приборов известно, что мгновенный вращающий момент, действующий на подвижную систему, прямо пропорционален произведению токов в катушках: m=k i₁i₂

Через первую катушку, включенную последовательно с нагрузкой, проходит ток цепи:

i₁=i=I_msinωt

Катушка напряжения через безреактивное добавочное сопротивление включается параллельно нагрузке, поэтому

Среднее за период значение вращающего момента равно

Равновесие подвижной части наступает при M_ср=M_тор=Dα (D – коэффициент, определяемый упругостью пружин). Следовательно, угол поворота подвижной системы

прямо пропорционален активной мощности.

Коэффициент пропорциональности k₁ зависит от величины добавочного сопротивления r_д, которое различно при разных пределах измерения ваттметра по напряжению. Кроме того, этот коэффициент окажется другим, если ток i₁ будет в несколько раз отличаться от тока iцепи (например, при использовании трансформатора тока для расширения пределов измерения ваттметра по току). Величина коэффициента пропорциональности учитывается при определении цены деления ваттметра.

Мощность, приходящаяся на одно деление шкалы ваттметра, называется ценой деления при заданных пределах измерения по напряжению U_Ни току I_Н. Цена деления C_w определяется по формуле:  , здесь n – число делений на шкале ваттметра.

рис 1.

Ваттметр включается по четырехзажимной схеме рис.1. Два токовых зажима обозначаются I^* и I. При помощи этих зажимов токовая катушка ваттметра включается в схему последовательно с нагрузкой (положительным считается направление тока от I^* к I).Параллельно нагрузке ваттметр подключается при помощи второй пары зажимов U^* и U (положительным считается направление тока в параллельной цепи ваттметра от U^* к U).

Зажим U^* можно подключать как к клемме I^* , так и к клемме I , стрелка ваттметра все равно будет отклоняться вправо. В первом случае ваттметр измеряет суммарную мощность, потребляемую нагрузкой и токовой катушкой ваттметра P +P_I , во втором – нагрузкой и параллельной ветвью ваттметра P +P_U. Так как P_I < P_U , ошибка при измерении мощности, потребляемой нагрузкой, будет меньше в первом случае, когда соединены клеммы помеченные звездочками U^* и I^* (так называемые генераторные зажимы ваттметра).

В цепи трехфазного переменного тока при симметричной системе напряжений электродинамическим ваттметром можно непосредственно измерить не только активную, но и реактивную мощности. В самом деле, линейное напряжение U_ВС отстает от фазного U_Aна угол 90°. Если через токовую обмотку ваттметра пропустить фазный ток I_А, параллельную цепь его подключить к линейному напряжению U_ВС (U^* – в, U – с), то показания прибора будут определяться соотношением:

,

то есть ваттметр будет показывать мощность в  раз большую реактивной мощности фазы А.

Электродинамический фазометр представляет собой логометр той же системы, то есть имеет две подвижных катушки. Неподвижная (токовая) катушка включается последовательно в цепь с приемником энергии. Последовательно с одной из подвижных катушек включается безреактивное добавочное сопротивление r_д , последовательно с другой – реактивная катушка с сопротивлением x_Lд. Подвижные катушки вместе с добавочными сопротивлениями образуют две параллельные ветви, которые включены также параллельно сопротивлению нагрузки. В первой из подвижных катушек ток I₁ совпадает по фазе с напряжением U,а в другой – ток I₂ отстает от напряжения на 90°. Известно, что угол поворота подвижной системы электродинамического логометра определяется соотношением:

В нашем случае 

Параллельные цепи прибора обладают постоянным сопротивлением при неизменной частоте тока, следовательно,

то есть угол поворота подвижной системы фазометра зависит от величины сдвига фаз между напряжением на нагрузке и током в ней. Поэтому на шкале фазометра могут быть нанесены значения угла φ(или cosφ).

Фазометр включается в цепь по 4-х зажимной схеме аналогично ваттметру.

 

Задание для самостоятельной работы.

 

1. Схему включения ваттметра в цепь (рис.1) перечертите в тетрадь. Укажите на схеме в тетради зажимы I^* , I, U^*и U. Как определить цену деления ваттметра?

2. Начертите схему включения ваттметра при измерении мощности в цепи постоянного тока. Укажите полярность подключения источника тока, последовательной и параллельной цепей ваттметра, приемника тока.

3. Как изменятся показания ваттметра, если изменить полярность включения одной из его катушек?

4. Определите показания всех приборов в схеме (рис.2).

рис.2

 

Чему равны полная и реактивная мощности цепи? Постройте векторную диаграмму для иллюстрации работы этой цепи. Укажите знак угла сдвига фаз между напряжением и током.

5. В цепи переменного тока напряжение и ток изменяются по законам:

 ,

Рассчитайте полную, активную и реактивную мощности цепи.

6. Напряжение на катушке 200В, частота тока 50Гц. Активная мощность, потребляемая катушкой 640 Вт, а ток в ней 4А. Определите активное сопротивление катушки и ее индуктивность.

 

Задание 1.

Ознакомьтесь с ваттметром W, при помощи омметра найдите его последовательную и параллельную цепи. В отчете запишите технические характеристики ваттметра; род измеряемого тока, класс точности, категорию защиты от внешних нолей, пределы измерения по току и напряжению.

Определите цену деления для некоторых пределов измерения лабораторного ваттметра (пределы указаны преподавателем).

 

Задание 2.

 

Соберите цепь по схеме (рис.3).

рис.3

 

Установите пределы измерения по току и напряжению у ваттметра согласно номинальным данным амперметра и вольтметра.

Регулятором напряжения установите необходимое напряжение, а реостатом R_Н – нужный ток порядка 1 А. Показания приборов занесите в таблицу 1.

Вычислите полную и активную мощность, сравните их.

Последовательно с реостатом включить катушку индуктивности. Изменяя сопротивление реостата и индуктивность катушки (при помощи сердечника) установите ток предыдущего задания. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Вместо катушки включите батарею конденсаторов. Меняя сопротивление реостата и емкость батарей установите ток предыдущего задания. Оставляя неизменным ток, снимите показания с тремя различными ёмкостями конденсаторов. Данные занесите в табл. 1. Сделайте соответствующие выводы.

Таблица 1.

Задание 3.

Соберите цепь по схеме рис. 4.

рис.4

 

Необходимо проделать те же опыты и в той же последовательности, как и в предыдущем задании. Вычислите значение активной мощности и полной мощности. Результаты занесите в табл. 2

Таблица 2.

Сравните результаты определения мощности в каждом задании, сделайте выводы.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

 

1.Что характеризуют полная, активная и реактивная мощности при работе цепи переменного тока?

2. Почему обозначение единиц для измерения полной, активной и реактивной мощностей различно (ВА, Вт и ВАр)?

3. Как устроен и работает электродинамический ваттметр? Как он включается в цепь для измерения активной и реактивной мощностей?

4. Каково назначение указания генераторных зажимов ваттметра?

5. Как определить цену деления ваттметра и измеренную мощность?

6. Как определить зажимы последовательной и параллельной ветвей?

7. Как следует измерять многопредельным ваттметром малую и большую мощность?

8. Что такое коэффициент мощности?

9. Отчего зависит точность показаний электродинамического ваттметра?

10. Как устроен и работает электродинамический фазометр? Что влияет на точность его показаний?

 

 

Измерение мощности низкочастотных и высокочастотных колебаний

В диапазоне частот 1…10 кГц при измерениях электрической мощности используют ваттметры электродинамической системы.

Как и у всех приборов электродинамической системы, принцип действия ваттметра основан на том, что угол поворота а рамки (со стрелкой) измерительного механизма пропорционален произведению токов, умноженному на косинус угла φ между ними:

α = k I1I2 cosφ,                                                                                 (12.4)

где k  — постоянный для данного прибора коэффициент.

Пусть требуется измерить активную мощность, потребляемую некоторой нагрузкой ZH к которой приложено среднее квадратическое значение гармонического напряжения UH и через нее протекает ток со средним квадратическим значением IH
сдвинутый по фазе на угол φ по отношению к напряжению.

     Схема включения катушек ватт­метра показана на рис. 12.1. Непод­вижную катушку, сопротивление  которой должно быть мало, вклю­чают последовательно с  нагрузкой, а цепь рамки, состоящую из обмотки рамки и добавочного резистора Rдоп, — параллельно нагрузке.

 

 

 

 

 

                                                                                                              

 

 

 

 

 

Рисунок 12.1

 

Если Rдоп >>  ZH , то ток в неподвижной катушке I1 ≈ IH , а в подвиж­ной —
I2 ≈UH /RДОБ. Поэтому угол отклонения стрелки α с учетом фор­мулы (12.4) будет пропорционален активной мощности в нагрузке Р:

α  ≈ (k IH UH / RДОБ) cosφ ≈ kP                                                (12.5)

 

Ваттметры электродинамической системы можно применять для измерения электрической мощности в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Для измерения мощности низкочастотных и высокочастотных колебаний применяют ваттметры на интегральных аналоговых перемножителях.

Интегральный перемножитель реализует передаточную функцию

pВЫХ = ka u1 u2,                                                             (12.6)

где ka  — масштабный коэффициент; u1 u2— напряжения.

Рассмотрим упрощенную структурную схему аналогового инте­грального перемножителя двух напряжений, в основу работы которо­го заложен метод перемножения с воспроизведением квадратичной зависимости (рис. 12.2). В этой схеме: + — сумматор; – — вычитаю­щее устройство; Кв — устройство возведения в квадрат; :4 — делитель напряжения на четыре. Фактически выходная величина перемножите­ля пропорциональна квадрату значения, приложенного к входу. В технике измерения мощностей данную схему называют квадратором.

При перемножении двух напряжений выполняют операции:

• суммирование — u1 + u2,   ;

• вычитание — u1 —  u2;

• возведение в квадрат — (u1 + u2)2, (u1 —  u2)2;

• вычитание квадратов — (u1 + u2)2- (u1 —  u2)2 = 4 u1 u2,;

• деление напряжения на четыре — 4 u1 u2 / 4 = u1 u2 ;

 

Рисунок 12.2. Упрощенная структурная схема аналогового перемножителя

При использовании перемножителя сигналов в схеме ваттметр на выходе последнего следует включать низкочастотный фильтр.

Если входные перемножаемые напряжения u1 = Um cosωt и  u2 = Im R cos (ωt – φ), где R — эталонное сопротивление, то сигнал на выходе перемножителя:

Рвых = ka Um Im
R (cosωt) [cos(ωt- φ)].   Приняв коэффици­ент ka = 1, R = 1 Ом и учитывая формулу произведения косинусов, по­лучим Рвых = 0,5Um Im cos φ + 0,5Um Im cos (2ωt- φ). Выделенная фильтром постоянная составляющая пропорциональна измеряемой мощности

Р0 = 0.5Um Im cos φ = UI  cos φ                                                     (12.7)

где U, I— средние квадратические значения напряжения и тока.

В перемножителях применяют идентичные, со стабильными па­раметрами нелинейные элементы, имеющие квадратичные вольтамперные характеристики. Более высокую точность измерения мощ­ности по методу прямого умножения сигналов обеспечивает операция интегрирования, которую применяют в прецизионных измерительных преобразователях активной мощности промышленной частоты.

По уровню измеряемой электрической мощности все измери­тели мощности делятся на ваттметры малой (до 10 мВт), средней (10 мВт… 10 Вт) и большой мощностей (свыше 10 Вт).

Похожие материалы:

Как измерить электрическую мощность

Основы измерения мощности

Измерение мощности постоянного тока относительно просто, поскольку уравнение просто ватт = вольт x ампер. Для измерения мощности переменного тока коэффициент мощности (PF) представляет сложность, поскольку ватт = вольт x ампер x коэффициент мощности. Это измерение мощности переменного тока называется активной мощностью, истинной мощностью или реальной мощностью. В системах переменного тока умножение вольт на ампер = вольт-ампер, также называемый полной мощностью.

Потребляемая мощность измеряется путем ее расчета во времени с использованием как минимум одного полного цикла.Используя методы оцифровки, мгновенное напряжение умножается на мгновенный ток, затем накапливается и интегрируется за определенный период времени, чтобы обеспечить измерение. Этот метод обеспечивает точное измерение мощности и истинное среднеквадратичное значение для любой формы сигнала, синусоидального или искаженного, включая гармонический состав вплоть до полосы пропускания прибора.

Измерение однофазной и трехфазной мощности

Преобразование Блонделя утверждает, что общая мощность измеряется на один ваттметр меньше, чем количество проводов в системе.Таким образом, для однофазной двухпроводной системы потребуется один ваттметр, для однофазной трехпроводной системы потребуется два ваттметра (Рисунок 1), для трехфазной трехпроводной системы потребуется два ваттметра и один трехфазная, четырехпроводная система потребует три ваттметра.

Рис. 1. Метод двух ваттметров позволяет измерять мощность при прямом подключении к системе 3P3W. Pt = P1 + P2

В этом контексте ваттметр — это устройство, которое измеряет мощность с использованием одного входа тока и одного входа напряжения.Многие анализаторы мощности и DSO имеют несколько входных пар ток / напряжение, способных измерять ватт, фактически действуя как несколько ваттметров в одном приборе. Таким образом, можно измерить трехфазную 4-проводную мощность с помощью одного правильно подобранного анализатора мощности.

В однофазной двухпроводной системе (рис. 2) напряжение и ток, измеренные ваттметром, равны полной мощности, рассеиваемой нагрузкой. Напряжение измеряется между двумя проводами, а ток измеряется в проводе, подающем питание на нагрузку, часто называемом горячим проводом.Напряжение обычно можно измерить непосредственно анализатором мощности до 1000 В RMS. Более высокие напряжения потребуют использования ТН (трансформатора напряжения) в системе переменного тока для понижения напряжения до уровня, который может быть измерен прибором. Как правило, токи могут быть измерены непосредственно анализатором мощности до 50 А, в зависимости от прибора. Более высокие токи потребуют использования трансформатора тока (трансформатор тока) в системе переменного тока. Существуют разные типы CT. Некоторые размещаются прямо в линию. В других есть окно, через которое проходит токоведущий кабель.Третий вид — зажимной. Для постоянного тока обычно используется шунт. Шунт помещается в линию, и прибор измеряет низкий уровень сигнала в милливольтах.

Рис. 2. Однофазная двухпроводная система использует трансформатор тока и трансформатор напряжения.

В однофазной трехпроводной системе (рис. 3) полная мощность представляет собой алгебраическую сумму двух показаний ваттметра. Каждый ваттметр подключен от одного из проводов под напряжением к нейтрали, и ток измеряется в каждом проводе под напряжением.Общая мощность рассчитывается как Pt = P1 + P2.

Рисунок 3. Два ваттметра подключаются к однофазной трехпроводной системе (1P3W).

В трехфазной четырехпроводной системе (рис. 4) каждый из трех ваттметров измеряет напряжение от горячего провода до нейтрали, а каждый ваттметр измеряет ток в одном из трех горячих проводов. Полная мощность для трех фаз — это алгебраическая сумма трех измерений ваттметра, поскольку каждый измеритель, по сути, измеряет одну фазу трехфазной системы.Pt = P1 + P2 + P3

Рис. 4. В этой трехфазной четырехпроводной системе используются три ваттметра.

В трехфазной трехпроводной системе (рис. 5) два ваттметра измеряют фазный ток в любых двух из трех проводов. Каждый ваттметр измеряет линейное напряжение между двумя из трех линий электропитания. В этой конфигурации общая мощность в ваттах точно измеряется алгебраической суммой двух значений ваттметра.Pt = P1 + P2. Это верно, если система сбалансирована или несбалансирована.

Если нагрузка несимметрична, что означает, что фазные токи разные, общая мощность будет правильной, но общая ВА и коэффициент мощности могут быть ошибочными. Однако анализаторы мощности могут иметь специальную схему подключения 3V3A для обеспечения точных измерений в трехфазных, трехпроводных системах со сбалансированной или несимметричной нагрузкой. Этот метод использует три ваттметра для контроля всех трех фаз. Один ваттметр измеряет напряжение между фазами R и T, второй ваттметр измеряет напряжение между фазами S и T, а третий ваттметр измеряет напряжение между фазами R и S.Фазные токи измеряются каждым ваттметром. Метод двух ваттметров все еще используется для расчета полной мощности. Pt = P1 + P2. Однако общая VA рассчитывается как (√3 / 3) (VA1 + VA2 + VA3). Все три напряжения и тока используются для точных измерений и расчетов несимметричной нагрузки.

Рис. 5. Трехфазная трехпроводная система использует метод трех ваттметров для достижения точных измерений при несимметричной нагрузке.

Измерение коэффициента мощности

Часто необходимо измерять коэффициент мощности, и это значение должно поддерживаться как можно ближе к единице (1,0)
В системе электроснабжения нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больше тока, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности для такое же количество передаваемой полезной мощности. Более высокие токи увеличивают потери энергии в системе распределения и требуют более крупных проводов и другого оборудования. Из-за затрат на более крупное оборудование и потери энергии электрические компании обычно взимают более высокую плату с промышленных или коммерческих потребителей, демонстрирующих низкий коэффициент мощности.

На рис. 6 показано напряжение запаздывания по току на 44,77 °, что дает коэффициент мощности 0,70995. Полная мощность S1 составляла 120,223 ВА. Однако реальная мощность, или реальная мощность, P1 составляла всего 85,352 Вт.

Рис. 6. Экран анализатора мощности показывает разность фаз между напряжением и током.

Если энергопотребляющие устройства имеют хорошие коэффициенты мощности, то и вся энергосистема будет такой же, и наоборот. Когда коэффициент мощности падает, часто приходится использовать устройства коррекции коэффициента мощности, что требует значительных затрат.Эти устройства обычно представляют собой конденсаторы, поскольку большая часть потребляющих мощность нагрузок является индуктивной.

Ток отстает от напряжения в катушке индуктивности; это известно как запаздывающий коэффициент мощности. Ток приводит к напряжению в конденсаторе; это известно как ведущий коэффициент мощности. Двигатель переменного тока является примером индуктивной нагрузки, а компактная люминесцентная лампа — примером емкостной нагрузки.

Для определения общего коэффициента мощности в трехфазной 4-проводной системе требуются три ваттметра.Каждый измеритель измеряет ватты, а также измерения в вольтах и ​​амперах. Коэффициент мощности рассчитывается путем деления общей мощности каждого счетчика на общее количество вольт-ампер.

В трехфазной трехпроводной системе коэффициент мощности следует измерять с использованием метода трех ваттметров вместо метода двух ваттметров, если нагрузка несимметрична, то есть если фазные токи разные. Поскольку метод двух ваттметров позволяет выполнять измерения только для двух ампер, любые различия в показаниях усилителя на третьей фазе вызовут неточности.

Измерение мощности бытовой техники

Типичным приложением для измерения мощности является резервное питание для бытовых приборов, основанных на стандартах Energy Star или IEC62301. Оба стандарта определяют требуемую точность мощности, разрешение и другие параметры измерения мощности, такие как гармоники. В стандарте IEC62301 есть еще 25 стандартов, которые определяют конкретные параметры испытаний для различных устройств. Например, IEC60436 определяет методы измерения производительности электрических посудомоечных машин.

Режим ожидания определяется как режим с наименьшим энергопотреблением, который не может быть отключен пользователем и который может сохраняться в течение неопределенного времени, когда приложение подключено к основному источнику электроэнергии и используется в соответствии с инструкциями производителя. Мощность в режиме ожидания — это средняя мощность в режиме ожидания, измеренная в соответствии со стандартом.

Существует три основных метода измерения энергопотребления в режиме ожидания или других подобных приложениях.Если значение мощности стабильно, можно использовать мгновенные показания прибора в любой момент времени. Если значение мощности нестабильно, возьмите среднее значение показаний прибора с течением времени или измерьте общее потребление энергии. Ватт-часы можно измерить за определенный период времени, а затем разделить на это время.

Измерение общего энергопотребления и деление на время дает наиболее точные значения как при постоянной, так и при колеблющейся мощности, и это метод, обычно используемый при использовании анализаторов мощности нашей компании.Но для измерения общего энергопотребления требуется более сложный инструмент, потому что мощность должна постоянно измеряться и суммироваться.

Инструменты для измерения мощности

Мощность обычно измеряется с помощью цифрового анализатора мощности или цифрового запоминающего осциллографа с встроенным программным обеспечением для анализа мощности. Большинство современных анализаторов мощности полностью электронные и используют дигитайзеры для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. Анализаторы более высокого уровня используют методы цифровой обработки сигналов для выполнения вычислений, необходимых для определения значений.

DSO с анализом мощности используют специальное микропрограммное обеспечение для выполнения точных измерений мощности. Однако они несколько ограничены, поскольку основаны на выборочных данных из оцифрованных форм волн. Их датчики тока и напряжения делают их хорошо подходящими для работы на уровне плат и компонентов, где абсолютная точность не является обязательной, а частота сети относительно высока.

Анализаторы мощности обычно могут измерять среднеквадратичное значение до 50 А непосредственно при уровнях напряжения до 1000 В среднеквадратичное значение, поэтому большинство тестируемых продуктов можно подключать напрямую.С другой стороны, DSO потребует использования пробников напряжения и тока для измерения мощности.

ТТ

рассчитываются по соотношению входного и выходного тока, например 20: 5. Другими важными параметрами ТТ являются точность, фазовый сдвиг и частотный диапазон для измерения мощности переменного тока. ТН используются для понижения фактического напряжения до уровня, приемлемого для прибора измерения мощности. Например, если тестируемый продукт рассчитан на 480 В переменного тока, а прибор ограничен до 120 В переменного тока, то требуется от 4 до 1 ТН.

DSO обычно не обеспечивает точность анализатора мощности и не может напрямую принимать входные сигналы высокого тока и напряжения, но может измерять мощность на гораздо более высоких частотах до 500 МГц с помощью соответствующих пробников. Он также обеспечивает другие преимущества перед анализаторами мощности в определенных приложениях, включая специальные пробники для простоты подключения, фазовую компенсацию пробника и до восьми многоканальных входов.

Типичным приложением для DSO может быть любой тип измерения на уровне платы, например, при разработке печатных плат для импульсного источника питания.Параметры, которые обычно измеряются и анализируются с помощью DSO или анализатора мощности, включают, помимо прочего, потери мощности переключения, потребляемую мощность устройства, уровень шума переключения, гармоники, выходную мощность и стабильность выхода.

При использовании DSO необходимое оборудование будет включать датчики дифференциального напряжения и датчик тока (рисунок 7). Токовый пробник подключается к одному из основных токоведущих проводов, как показано на рисунке. Часто напряжения компонентов не относятся к уровню земли.Поэтому для изоляции заземления DSO от заземления компонентов требуется датчик дифференциального напряжения. В дополнение к анализатору мощности или DSO, трансформаторам тока и трансформатору тока, если необходимо, другими вспомогательными компонентами для измерения мощности являются зонды, зажимы и провода. Когда все необходимые инструменты и компоненты будут под рукой, следующим шагом будет определение того, какие именно инструменты необходимы и как эти инструменты должны быть подключены к нагрузке.

Рис. 7. Используйте пробники напряжения и токовый пробник с осциллографом для измерения напряжения и тока.

Анализаторы мощности

обычно являются предпочтительным инструментом для измерения мощности бытовых приборов и других измерений мощности с относительно высокими уровнями напряжения, низкими частотами и высокими требованиями к точности. Однако для измерений на уровне платы обычно используется DSO.

Используя информацию, представленную выше, можно выбрать и подключить правильные инструменты и инструменты для различных приложений измерения мощности. Информация, полученная с помощью этих инструментов, затем может быть использована для оптимизации конструкции, соответствия стандартам и предоставления информации на паспортной табличке.

измерений мощности | Спектр

Введение

Измерения мощности в сети обычно требуются для оценки характеристик устройств или цепей. Модульные дигитайзеры могут выполнять такие измерения мощности. Дигитайзеры — это измерительные приборы, реагирующие на напряжение. Они также могут измерять ток с помощью подходящих токовых пробников или токовых шунтов. Затем измерение тока и напряжения приводит к вычислению мощности на основе произведения полученных форм тока и напряжения.Мощность — это скорость передачи энергии в цепи, которая описывается рядом атрибутов, таких как реальная, полная, реактивная и мгновенная мощность. В этом примечании к применению будет рассмотрено выполнение основных измерений мощности в цепях и устройствах переменного тока с использованием модульного дигитайзера.

Основные измерения мощности

Мгновенная мощность рассчитывается как произведение приложенного напряжения и тока. Реальная мощность (P) — это среднее или среднее значение мгновенной мощности, измеренной в ваттах.Цепи, содержащие реактивные элементы (катушки индуктивности или конденсаторы), могут накапливать энергию и обратный поток мощности, так что мощность течет от нагрузки обратно к источнику. Это реактивная мощность (R), измеряемая в единицах реактивной мощности вольт-амперах или вар. Векторная сумма реальной и реактивной мощности называется полной или полной мощностью, как показано на рисунке 1.

Полная мощность (S) может быть вычислена как произведение действующего или среднеквадратичного напряжения и действующего или среднеквадратичного тока. Единицы полной мощности — вольт-амперы (ВА).Угол (), заключенный между векторами реальной и полной мощности Θ, представляет собой разность фаз между формами сигналов тока и напряжения. Косинус этого угла, отношение реальной мощности к полной мощности называется коэффициентом мощности (pf).

pf = cos (Θ) = PS

Если устройство является чисто резистивным, формы сигналов тока и напряжения совпадают по фазе, полная и активная мощность равны, а коэффициент мощности равен единице. По мере увеличения реактивной составляющей коэффициент мощности уменьшается.

Измерение напряжения линии

Для измерения напряжения требуются пробники. Обычный осциллограф, пробники с высоким сопротивлением можно использовать с дигитайзером. Возможность масштабирования данных вертикального напряжения для учета пробников очень полезна. Поскольку для большинства измерений мощности требуются измерения линейного (сетевого) напряжения, лучше всего проводить эти измерения по-разному, чтобы избежать проблем с заземлением, связанных с несимметричными пробниками. Дигитайзер должен принимать два входных сигнала датчиков и вычислять разницу.В качестве альтернативы, напряжение на горячей и нейтральной линиях может быть получено отдельно и вычтено с помощью вычислений формы сигнала. Если имеется дифференциальный зонд, его также можно использовать.

Измерительная линия тока

Самый удобный метод измерения тока — это использовать соответствующий токовый пробник. Убедитесь, что любой токовый пробник, который вы используете, имеет элементы управления отдельно от измерительного прибора. Выходной сигнал датчика тока можно подавать на канал дигитайзера с соответствующим масштабированием для отображения сигналов от датчика в единицах тока.

Выбор дигитайзера

Большинство измерений линейной частоты выполняется на основных частотах от 50 до 400 Гц, поэтому требования к полосе пропускания дигитайзера не очень высоки. Если есть интерес к проведению испытаний на кондуктивную эмиссию, то будет полезна возможность учесть до 40-й гармоники основной гармоники мощности без значительных потерь. Это поставит требования к полосе пропускания примерно на 20 кГц или больше.

Дигитайзер должен иметь достаточное разрешение по амплитуде для воспроизведения гармоник высших порядков линии электропередачи, будет достаточно от 12 до 16 бит.

Количество каналов зависит от того, предназначены ли односторонние или дифференциальные измерения. Дифференциальные измерения объединяют два канала для каждого измерения. Для однофазного линейного измерения четыре входных канала дают два дифференциальных канала. Для трехфазных измерений на каждой фазе требуется шесть или более каналов. Если предположить, что три канала дифференциального напряжения и три несимметричных канала тока, то потребуется девять каналов. Поскольку большинство дигитайзеров предлагают от одного до шестнадцати каналов в двоичной последовательности (1/2/4/8/16), вам следует выбрать следующее большее количество каналов для выполнения задачи измерения.

Частота дискретизации, как и полоса пропускания, должна в четыре или пять раз превышать требуемую полосу пропускания.

В таблице 1 приведены некоторые рекомендации по выбору дигитайзеров спектра или дигитайзеров моделей NETBOX

Таблица 1: Дигитайзер и дигитайзер спектра Семейства NETBOX, наиболее совместимые с измерениями мощности в линии

Семейство моделей	Интерфейс	каналов	Вход канала	Пропускная способность	Максимальная частота дискретизации
M2i.47xx	PCIe, PCI	8, 16	несимметричный	0,5 МГц	1,33 Мвыб / с
M2i.46xx	PCIe, PCI	2, 4, 8	Односторонний Дифференциальный	0,1, 0,5, 1,5 МГц	0,2, 1, 3 Мвыб / с
M2i.49xx	PCIe, PCI	2, 4, 8	Односторонний Дифференциальный	5, 15, 30 МГц	10, 30, 60 Мвыб / с
DN2.46x	LXI, LAN	4, 8, 16	Односторонний Дифференциальный	0,1, 0,5, 1,5 МГц	0,2, 1, 3 Мвыб / с
DN2,49x	LXI, LAN	4, 8, 16	Односторонний Дифференциальный	5, 30 МГц	10, 60 Мвыб / с

Пример измерения однофазной мощности

В следующем примере измеряется мощность, необходимая небольшому охлаждающему вентилятору с сетевым питанием.Измерения проводились с использованием дигитайзера NETBOX модели DN2.496.04 с 4 аналоговыми каналами, разрешением 16 бит, частотой дискретизации 60 Мвыб / с и полосой пропускания 30 МГц. Токовый пробник Tektronix модели P6042 и пара пассивных пробников осциллографа использовались для регистрации осциллограмм тока и напряжения. Были измерены линейный ток и линейное напряжение. Линейное напряжение измерялось дифференциально, так что ни горячий, ни нейтральный провод линии электропередачи не был заземлен.

На рис. 2 показаны результаты измерения, полученные с помощью программного обеспечения Spectrum SBench 6, которое используется для управления и обработки полученных данных.

Входное напряжение измеряется по-разному с помощью двух пассивных пробников, подключенных к каналам Ch3 и Ch4. Каналы объединены и отображаются как канал Ch3 в верхней центральной сетке. Показания масштабируются, чтобы отразить затухание зондов. Ток, отражающий выходной сигнал токового пробника, появляется в канале Ch0 в нижней центральной сетке. Эти данные также масштабируются по чувствительности токового щупа, поэтому они читаются в вертикальных единицах ампер. Пиковое и эффективное (среднеквадратичное) значения как тока, так и напряжения отображаются в информационной панели слева от рисунка.

Мгновенная мощность вычисляется с использованием аналогового вычисления SBench 6 для умножения сигналов тока и напряжения. Мощность отображается в крайней левой сетке. Пиковое значение и среднее значение мощности также перечислены на панели «Информация». Среднее значение мгновенной мощности представляет реальную мощность и записывается как 6,6 Вт.

Полная мощность вычисляется как произведение действующих значений линейного тока и напряжения. На основании измеренных значений (121.5 В и 63,2 мА) полная мощность составляет 7,68 ВА.
Это позволяет нам вычислить коэффициент мощности как 0,86. Наблюдая за горизонтально увеличенным изображением формы волны тока и напряжения в двух крайних правых сетках, мы можем видеть, что форма волны напряжения (вверху справа) опережает форму волны тока, указывающую на индуктивную характеристику. Курсоры, отмечающие пересечение нуля с положительным наклоном, показывают, что форма сигнала напряжения опережает сигнал тока на 1,44 мс. Это соответствует сдвигу фазы на 31 градус.Это также можно рассчитать как cos-1 (pf) или 30,68 градуса. Расчет на основе коэффициента мощности более точен, поскольку он не страдает от неопределенностей размещения курсора.

Линейные гармоники

Получив кривые тока и напряжения, мы можем расширить анализ до частотной области. На рисунке 3 показаны средние спектры сигналов линейного тока (внизу слева) и линейного напряжения (вверху слева):
Спектр линейного напряжения имеет больше, гармоники высшего порядка.Гармоники нечетного порядка являются наиболее заметными. Текущий спектр имеет более низкую общую гармоническую составляющую, но в нем также преобладают нечетные гармоники.

Трехфазное питание

Трехфазная электрическая энергия — это тип многофазной системы распределения электроэнергии переменного тока для производства, передачи и распределения электроэнергии. Он используется для питания больших двигателей и других тяжелых электрических нагрузок. Трехфазная система обычно более экономична, чем эквивалентная однофазная или двухфазная система при аналогичных уровнях напряжения, поскольку в ней используется меньше проводящего материала для передачи электроэнергии.Однофазный источник питания переменного тока требует двух проводов, трехфазный источник может передавать в три раза больше мощности, используя только один дополнительный провод. Это означает, что увеличение стоимости передачи на 50% дает увеличение передаваемой мощности на 200%.

Терминология трехфазного подключения

Трехфазные соединения, такие как трехфазные двигатели, показанные на Рисунке 4, подключаются либо по схеме WYE (верхняя схема), либо по схеме ТРЕУГОЛЬНИК (нижняя схема).

Напряжения Van, Vbn и Vcn в соединении WYE называются фазными напряжениями.Напряжения, обозначенные как Vab, Vbc и Vac, являются линейными напряжениями. Токи Ia, Ib и Ic являются фазными токами. Общая мощность, рассеиваемая нагрузкой, является суммой произведений тока и напряжения отдельных фаз в соединении WYE. Обратите внимание, что жирным шрифтом обозначены векторные операции:

Pt = Ia * Van + Ib * Vbn + Ic * Vcn

Обычно мощность рассчитывается с использованием линейных напряжений, а не фазных напряжений.

На рисунке 5 показана векторная диаграмма фазного напряжения, фазного тока и линейных напряжений.Расчет напряжения выполняется векторно.

Величины линейных напряжений в сбалансированной системе равны трехкратному фазному напряжению. Обратите внимание, что фазные напряжения опережают линейные на 30 градусов. Это результат векторного вычитания, используемого для вычисления линейных напряжений из фазных напряжений.
Высоковольтные дифференциальные пробники используются для измерения линейного и фазного напряжений, они применяют к сигналу ослабление 100: 1. Результирующие фазные напряжения на входе дигитайзера равны 1.Пиковое значение 69 В (3,38 Впик-пик). Эти напряжения масштабируются в 100 раз за счет использования датчика ÷ 100. В результате фазные напряжения будут сообщены как 169 Впик (338 Впик-пик). Это 120 В среднеквадратического значения. Линейные напряжения в √3 раз превышают фазное напряжение или 208 В (среднеквадратичное значение). Это номинальное трехфазное напряжение в США.

Мы можем проверить вышесказанное, измеряя фазные напряжения на дигитайзере, а затем вычисляя линейные напряжения. Это показано на Рисунке 6:

.

Каналы Va, Vb и Vc — это измеренные фазные напряжения.Vab, Vbc и Vca — вычисленные линейные напряжения (номинально 586 Vpk-pk). Разность фаз между фазным напряжением и напряжением соседней линии составляет 30 градусов, что подтверждается измерением курсора на графике масштабирования в крайней левой сетке. Линейное напряжение Vab отстает от фазного напряжения Va на 1,38 мс из периода 16,67 мс. Разность фаз между линейными напряжениями составляет 120 градусов.

Векторы тока на Рисунке 5 показаны с общей разностью фаз от фазных напряжений.Этот угол,, представляет реактивные компоненты, которые могут быть включены в обмотки двигателя. В нашем эксперименте используется чисто резистивная нагрузка, равная 0 градусов.

Измерения трехфазной мощности

На рисунке 7 мы показываем фазные напряжения (Va, Vb и Vc), фазные токи (Ia, Ib и Ic) и рассеиваемую фазную мощность (Pa, Pb и Pc) для нагрузки, подключенной по схеме WYE (где у нас есть доступ как к фазному, так и к линейному напряжению). Умножьте фазное напряжение на соответствующий фазный ток, и получите мгновенную мощность в каждой фазе.Среднее значение мгновенной мощности — это активная составляющая мощности. Сумма всех трех показаний фазной мощности — это полная активная мощность нагрузки.

Это измерение называется измерением мощности с помощью трех ваттметров. Чтобы выполнить это измерение с использованием внешних дифференциальных пробников для измерения напряжений, потребуется шесть каналов. Если используются несимметричные пробники, количество каналов увеличивается до девяти. Гибкость, позволяющая указать до 16 каналов в конфигурации дигитайзера, является основным преимуществом этого типа измерений.

Фазные напряжения показаны в верхнем ряду рисунка 7. Фазные токи показаны в центральном ряду. Мощность фазы отображается в нижнем ряду. Сумма всех трех форм сигнала фазной мощности отображается в крайней левой сетке с надписью «Общая мощность». Обратите внимание, что общая мощность относительно постоянна. Параметры, отображаемые на панели «Информация» слева, считывают средние значения отдельных форм сигналов фазовой мощности вместе с общей мощностью. Сумма средних значений трех измерений фазной мощности равна средней полной мощности.Измеренный результат для полной мощности 850,9 Вт

Метод двух ваттметров

Альтернативным методом является метод двух ваттметров, который требует измерения только двух линейных напряжений и двух фазных токов. В математической форме:

PT (t) = Vac (t) ia (t) + Vbc (t) ib (t)

Это можно вывести следующим образом:

Это можно проверить, используя следующий математический вывод:

PT = Va (t) ia (t) + Vb (t) ib (t) + Vc (t) ic (t)

, но, используя текущий закон Кирхгофа: ia + ib + ic = 0 или + ic = — ia — ib

PT (t) = Va (t) ia (t) — Vc (t) ia (t) — Vc (t) ib (t) + Vb (t) ib (t)

PT (t) = Vac (t) ia (t) + Vbc (t) ib (t)

Где: Va — Vc ≡ ac и Vb — Vc ≡ bc

Вот пример применения метода двух ваттметров, который может быть реализован с использованием четырехканального дигитайзера Spectrum вместе с двумя датчиками дифференциального напряжения и двумя датчиками тока.

Как и в примере вычисления полной мощности на основе отдельных фазных напряжений и токов, в этом методе используются два линейных напряжения (Vac и Vbc) и два фазных тока (Ia и Ib). Напряжения в линии отображаются в верхнем ряду, фазные токи — в среднем ряду, а отдельные кривые мощности — в нижнем ряду. Как и прежде, общая мощность отображается в крайней левой сетке с пометкой «Общая мощность». Средние или средние значения каждой формы сигнала мощности показаны в информационной сетке слева.Опять же, номинальная мощность 851 Вт.

Заключение

Были рассмотрены основные концепции измерения мощности переменного тока, включая определение мгновенной, реальной, полной и реактивной мощности. Дигитайзеры с подходящим количеством каналов могут использоваться для измерения одно- и многофазных систем питания с использованием подходящих датчиков напряжения и тока. Универсальность дигитайзера, простота связи и быстрая передача информации делают его идеальным для измерения мощности переменного тока.Дигитайзеры спектра малы и компактны и доступны в различных форм-факторах, поэтому их можно использовать в самых разнообразных испытательных установках. Например, продукты DigitizerNETBOX спроектированы таким образом, что ими можно управлять через Ethernet, что дает им возможность работать удаленно или, фактически, в любом месте локальной сети (LAN). Карты PXI доступны для приложений, в которых набор модульных приборов будет работать вместе как часть полной тестовой системы. Карты PCI и PCIe могут быть установлены непосредственно в большинство современных ПК, превращая их в мощные автономные испытательные станции.

Ссылки

Что такое коэффициент мощности? — Пауэрсайд

Представьте, что вы заказываете еду в новом ресторане в городе. Вы садитесь и выберите что-нибудь из меню, и официант принесет вам тарелку с едой. Если еда отличная, и вы едите все, это эффективный способ утолить голод. Однако он становится менее эффективным, если вам не нравится часть еды или это несъедобно. Эта часть еды еще приготовлена, приготовлена, и подается вам, но в конечном итоге возвращается на кухню несъеденным.Ты мог бы рассчитать пропорцию съеденной еды по сравнению с размером общее блюдо, которое расскажет вам, насколько эффективен этот ресторан при встрече твои нужды.

В общем, если учесть долю любого расходный материал, соответствующий потребностям, по сравнению с той пропорцией, которая вместо этого возвращен к источнику, неиспользованный, у вас есть мера того, насколько эффективно система отвечает что нужно. Когда вы применяете это к электрической цепи, где расходный материал электроэнергии, мерой эффективности является коэффициент мощности.

Эффективная электрическая цепь — это такая цепь, в которой нагрузка использует большую часть подаваемая мощность для работы. В то время как неэффективная электрическая цепь — это та, которая потребляет электрические власть, но использует ее часть для непродуктивных вещей. Во время каждого цикл переменного тока, схема забирает эту мощность и возвращает ее в источник питания. Сила Фактор — это соотношение электрической мощности, потребляемой нагрузкой, по сравнению с к общему количеству мощности, подаваемой в цепь.Этот расчет говорит вы насколько эффективны электрические цепь подает питание для выполнения работы.

Знай свои силы

·

Активная мощность

Активно сила — это имя, данное мощности, потребляемой электрической цепью, выполняющей что-то полезное, например, питание уличные фонари или работающая производственная линия. Измерение активной мощности выражается в ваттах (Вт) или кратных им величинах, например киловатты (кВт) и мегаватты (МВт).Устройство, работающее от электроэнергии, имеет рейтинг на основе активных потребляемая мощность, такая как электрическая лампочка мощностью 60 Вт или дуговая печь мощностью 500 кВт.

·

Реактивная мощность

Реактивный мощность — это термин, используемый для описания энергии, потребляемой электрической схемой для выполнения непродуктивных действий, например зарядка конденсатора или создание магнитного поля в асинхронном двигателе. Его единица измерения реактивная вольт-амперная (ВАР). В электрической цепи, устройства, производящие или потребляющие реактивную мощности, такие как шунтирующие реакторы и конденсаторы, имеют рейтинг VAR.

·

Полная мощность

Видимо мощность — это общая мощность, проходящая через электрическую цепь, как активная, так и реактивная. Это важная ценность для рассмотрения при проектировании и расчете электрической схемы. Измерение полной мощности — вольт-ампер (ВА). Вы часто будете видеть устройства используется для выработки или преобразования электроэнергии номинальной мощностью в кВА или МВА. Примеры может включать трансформатор на 50 кВА или дизельный генератор на 1000 кВА.

Как вы измеряете коэффициент мощности?

Вы можете подключить устройства мониторинга к критическим точкам в электрической цепи, чтобы измерить напряжение и ток. Эти места включают выходы генератора, трансформатор соединения, а также большие, прерывистые или непредсказуемые нагрузки. Такой мониторинг устройство может использовать измеренные значения напряжения и тока для расчета активных, реактивная, полная мощность, и коэффициент мощности. Более современные устройства, такие как анализатор мощности PQube 3, могут записывать эти данные с течением времени и формировать регулярные отчеты.

Ведущий и отстающий коэффициент мощности

Вернувшись в ресторан, в идеальном мире официант обслужит основное блюдо и гарниры одновременно. Это самый эффективный метод доставки еды. Если гарниры приходят на ваш стол очень рано или поздно, это снизит вашу удовлетворенность услугой. Чем раньше сторона блюда свинцовые, или чем позже они отстают от основного блюда, тем менее приемлемо ситуация становится.Примерно так же и переменный ток в электрической цепи может опережать, отставать или соответствовать напряжению, и это влияет на коэффициент мощности.

В идеальном электрическом цепь, где сопротивление нагрузки только резистивное, ток и напряжение проходит через нагрузку одновременно. Когда это происходит, полная мощность равна к активной мощности а коэффициент мощности равен один. Это также известно как единичный коэффициент мощности. Власть Фактор также иногда описывается как опережающий или запаздывающий.С ведущий коэффициент мощности, ток опережает напряжение, а схема вырабатывает реактивную мощность. Это до к сопротивлению электрического цепь в основном емкостная, например, в подземных кабелях. С отстающий коэффициент мощности, наоборот, ток отстает от напряжения. Эта электрическая схема потребляемая реактивная мощность, вызвано преимущественно индуктивной нагрузкой, такой как асинхронный двигатель.

Таким образом, мощность Коэффициент просто выражается как отношение активной мощности к полной мощности.Чем ближе это соотношение к единице, более очевидное мощность активна мощность, подаваемая на нагрузку, и тем эффективнее электрическая цепь является. Чем больше коэффициент мощности опережает или отстает, чем больше отклонение от единичного коэффициента мощности, и тем больше мощность требования к электрическому схема.

Треугольник мощности и коэффициент мощности в цепях переменного тока

Мы видели в нашем руководстве по электроэнергии, что цепи переменного тока, которые содержат сопротивление и емкость, или сопротивление и индуктивность, или и то, и другое, также содержат активную мощность и реактивную мощность.Итак, чтобы рассчитать общую потребляемую мощность, нам нужно знать разность фаз между синусоидальными формами сигналов напряжения и тока.

В цепи переменного тока формы сигналов напряжения и тока синусоидальны, поэтому их амплитуды постоянно меняются с течением времени. Поскольку мы знаем, что мощность равна напряжению, умноженному на ток (P = V * I), максимальная мощность будет иметь место, когда две формы волны напряжения и тока выровнены друг с другом. То есть их пики и нулевые точки пересечения происходят одновременно.Когда это происходит, две формы сигнала считаются «синфазными».

Три основных компонента в цепи переменного тока, которые могут влиять на соотношение между формами сигналов напряжения и тока и, следовательно, их разность фаз, определяя полное сопротивление цепи, — это резистор, конденсатор и катушка индуктивности.

Полное сопротивление (Z) цепи переменного тока эквивалентно сопротивлению, рассчитанному в цепях постоянного тока, с полным сопротивлением, указанным в омах. Для цепей переменного тока полное сопротивление обычно определяется как отношение векторов напряжения и тока, создаваемых компонентом схемы.Векторы представляют собой прямые линии, нарисованные таким образом, чтобы представлять амплитуду напряжения или тока по их длине и разность фаз по отношению к другим линиям векторов по их угловому положению относительно других векторов.

Цепи

переменного тока содержат как сопротивление, так и реактивное сопротивление, которые объединены, чтобы дать общий импеданс (Z), ограничивающий ток, протекающий по цепи. Но импеданс цепей переменного тока не равен алгебраической сумме резистивных и реактивных омических величин, поскольку чистое сопротивление и чистое реактивное сопротивление не совпадают по фазе друг с другом на 90 ^o .Но мы можем использовать эту разность фаз 90 ^o как стороны прямоугольного треугольника, называемого треугольником импеданса, с импедансом, являющимся гипотенузой, как определено теоремой Пифагора.

Это геометрическое соотношение между сопротивлением, реактивным сопротивлением и импедансом можно визуально представить с помощью треугольника импеданса, как показано на рисунке.

Импедансный треугольник

Обратите внимание, что импеданс, который представляет собой векторную сумму сопротивления и реактивного сопротивления, имеет не только величину (Z), но также имеет фазовый угол (Φ), который представляет собой разность фаз между сопротивлением и реактивным сопротивлением.Также обратите внимание, что треугольник изменит форму из-за изменений реактивного сопротивления (X) при изменении частоты. Конечно, сопротивление (R) всегда будет оставаться постоянным.

Мы можем развить эту идею еще на один шаг, преобразовав треугольник импеданса в треугольник мощности, представляющий три элемента мощности в цепи переменного тока. Закон Ома говорит нам, что в цепи постоянного тока мощность (P) в ваттах равна квадрату тока (I ² ), умноженному на сопротивление (R). Таким образом, мы можем умножить три стороны нашего треугольника импеданса выше на I ² , чтобы получить соответствующий треугольник мощности как:

Реальная мощность P = I ² R Вт, (Вт)

Реактивная мощность Q = I ² X Вольт-амперы Реактивная, (ВАр)

Полная мощность S = I ² Z Вольт-ампер, (ВА)

Реальная мощность в цепях переменного тока

Реальная мощность (P), также известная как истинная или активная мощность, выполняет «реальную работу» в электрической цепи.Реальная мощность, измеряемая в ваттах, определяет мощность, потребляемую резистивной частью цепи. Тогда реальная мощность (P) в цепи переменного тока равна мощности P в цепи постоянного тока. Таким образом, как и в цепях постоянного тока, он всегда рассчитывается как I ² * R, где R — общий резистивный компонент цепи.

Поскольку сопротивления не вызывают разности фаз (фазового сдвига) между формами волны напряжения и тока, вся полезная мощность передается непосредственно на сопротивление и преобразуется в тепло, свет и работу.Тогда мощность, потребляемая сопротивлением, является реальной мощностью, которая по сути является средней мощностью цепи.

Чтобы найти соответствующее значение реальной мощности, действующие значения напряжения и тока умножаются на косинус фазового угла Φ, как показано.

Активная мощность P = I ² R = V * I * cos (Φ) Вт, (Вт)

Но поскольку у них нет разницы фаз между напряжением и током в резистивной цепи, фазовый сдвиг между двумя формами сигнала будет равен нулю (0).Тогда:

Реальная мощность в цепи переменного тока

Где активная мощность (P) выражается в ваттах, напряжение (V) выражается в среднеквадратичных значениях вольтов, а ток (I) — в среднеквадратичных амперах.

Тогда реальная мощность — это резистивный элемент I ² * R, измеренный в ваттах, который вы читаете на своем счетчике электроэнергии, и имеет единицы измерения в ваттах (Вт), киловаттах (кВт) и мегаваттах (МВт). Обратите внимание, что реальная мощность P всегда положительна.

Реактивная мощность в цепях переменного тока

Реактивная мощность (Q) (иногда называемая мощностью без мощности) — это мощность, потребляемая в цепи переменного тока, которая не выполняет никакой полезной работы, но оказывает большое влияние на фазовый сдвиг между сигналами напряжения и тока.Реактивная мощность связана с реактивным сопротивлением катушек индуктивности и конденсаторов и противодействует действию реальной мощности. В цепях постоянного тока нет реактивной мощности.

В отличие от реальной мощности (P), которая выполняет всю работу, реактивная мощность (Q) забирает мощность из цепи из-за создания и уменьшения как индуктивных магнитных полей, так и емкостных электростатических полей, тем самым затрудняя подачу истинной мощности. питание напрямую в цепь или нагрузку.

Мощность, накопленная индуктором в его магнитном поле, пытается управлять током, в то время как энергия, накопленная электростатическим полем конденсаторов, пытается управлять напряжением.В результате конденсаторы «генерируют» реактивную мощность, а катушки индуктивности «потребляют» реактивную мощность. Это означает, что они оба потребляют и возвращают энергию источнику, поэтому реальная мощность не потребляется.

Чтобы найти реактивную мощность, действующие значения напряжения и тока умножаются на синус фазового угла Φ, как показано.

Реактивная мощность Q = I ² X = V * I * sin (Φ) вольт-амперы, реактивная, (VAr)

Поскольку существует разность фаз 90 ^o между формами волны напряжения и тока в чистом реактивном сопротивлении (индуктивном или емкостном), умножение V * I на sin (Φ) дает вертикальную составляющую, которая составляет 90 ^o out- синфазны друг с другом, поэтому:

Реактивная мощность в цепи переменного тока

Если реактивная мощность (Q) выражена в вольтамперах, реактивная, напряжение (В) выражено в среднеквадратичных значениях вольтах, а ток (I) — в среднеквадратичных амперах.

Тогда реактивная мощность представляет собой произведение вольт и ампер, которые не совпадают по фазе на 90 ^o друг с другом, но, как правило, между напряжением и током может быть любой фазовый угол Φ.

Таким образом, реактивная мощность — это реактивный элемент I ² X, который имеет единицы измерения в реактивных вольт-амперах (VAr), реактивных киловольт-амперах (kVAr) и реактивных мегавольт-амперах (MVAr).

Полная мощность в цепях переменного тока

Выше мы видели, что реальная мощность рассеивается сопротивлением, а реактивная мощность передается реактивному сопротивлению.В результате этого формы сигналов тока и напряжения не совпадают по фазе из-за разницы между резистивными и реактивными компонентами цепей.

Затем существует математическая зависимость между реальной мощностью (P) и реактивной мощностью (Q), называемая комплексной мощностью. Произведение среднеквадратичного напряжения V, приложенного к цепи переменного тока, и среднеквадратичного значения тока I, протекающего в эту цепь, называется «вольт-амперным произведением» (ВА) с обозначением S, величина которого обычно известна как полная мощность.

Эта комплексная мощность не равна алгебраической сумме действительной и реактивной мощностей, сложенных вместе, а представляет собой векторную сумму P и Q, выраженную в вольт-амперах (ВА). Это сложная сила, которая представлена ​​треугольником власти. Среднеквадратичное значение произведения вольт-ампер более широко известно как кажущаяся мощность, поскольку «очевидно» это полная мощность, потребляемая цепью, даже несмотря на то, что реальная мощность, выполняющая работу, намного меньше.

Поскольку полная мощность состоит из двух частей, резистивной мощности, которая представляет собой синфазную мощность или активную мощность в ваттах, и реактивной мощности, которая представляет собой мощность в противофазе в вольт-амперах, мы можем показать векторное сложение из этих двух силовых компонентов в виде силового треугольника .Треугольник власти состоит из четырех частей: P, Q, S и θ.

Три элемента, составляющие мощность в цепи переменного тока, могут быть графически представлены тремя сторонами прямоугольного треугольника почти так же, как и предыдущий треугольник импеданса. Горизонтальная (смежная) сторона представляет реальную мощность цепи (P), вертикальная (противоположная) сторона представляет реактивную мощность цепи (Q), а гипотенуза представляет результирующую полную мощность (S) треугольника мощности, как показано.

Силовой треугольник цепи переменного тока

• Где:
• P — это I ² * R или активная мощность, которая выполняет работу, измеряемую в ваттах, Вт
• Q — это I ² * X или Реактивная мощность, измеренная в вольт-амперах, реактивная, VAr
• S — это I ² * Z или Полная мощность, измеренная в вольт-амперах, ВА
• Φ — фазовый угол в градусах.Чем больше фазовый угол, тем больше реактивная мощность
• Cos (Φ) = P / S = Вт / ВА = коэффициент мощности, p.f.
• Sin (Φ) = Q / S = VAr / VA
• Желто-коричневый (Φ) = Q / P = VAr / W

Коэффициент мощности рассчитывается как отношение реальной мощности к полной мощности, поскольку это отношение равно cos (Φ).

Коэффициент мощности в цепях переменного тока

Коэффициент мощности, cos (Φ), является важной частью цепи переменного тока, который также может быть выражен в терминах полного сопротивления цепи или мощности цепи.Коэффициент мощности определяется как отношение реальной мощности (P) к полной мощности (S) и обычно выражается либо в виде десятичного значения, например 0,95, либо в процентах: 95%.

Коэффициент мощности определяет фазовый угол между сигналами тока и напряжения, где I и V — это величины среднеквадратичных значений тока и напряжения. Обратите внимание, что не имеет значения, является ли фазовый угол разницей тока по отношению к напряжению или напряжения по отношению к току.Математическое соотношение дается как:

Коэффициент мощности цепи переменного тока

Ранее мы говорили, что в чисто резистивной цепи формы сигналов тока и напряжения синфазны друг с другом, поэтому потребляемая реальная мощность совпадает с полной мощностью, поскольку разность фаз составляет ноль градусов (0 ^o ). Таким образом, коэффициент мощности будет:

Коэффициент мощности, pf = cos 0 ^o = 1,0

То есть количество потребляемых ватт совпадает с количеством потребляемых вольт-ампер при коэффициенте мощности 1.0 или 100%. В данном случае речь идет о единичном коэффициенте мощности.

Мы также сказали выше, что в чисто реактивной цепи формы сигналов тока и напряжения не совпадают по фазе друг с другом на 90 ^o . Поскольку разность фаз составляет девяносто градусов (90 ^o ), коэффициент мощности будет:

Коэффициент мощности, pf = cos 90 ^o = 0

То есть количество потребляемых ватт равно нулю, но все еще есть напряжение и ток, питающие реактивную нагрузку.Очевидно, что тогда уменьшение реактивной составляющей VAr треугольника мощности приведет к уменьшению θ, улучшая коэффициент мощности до единицы. Также желательно иметь высокий коэффициент мощности, поскольку это позволяет наиболее эффективно использовать цепь, подающую ток на нагрузку.

Тогда мы можем записать соотношение между реальной мощностью, полной мощностью и коэффициентом мощности схемы как:

Индуктивная цепь, в которой ток «отстает» от напряжения (ELI), имеет отстающий коэффициент мощности, а емкостная цепь, в которой ток «опережает» напряжение (ICE), имеет ведущий коэффициент мощности.

Пример треугольника мощности No1

Обмотанная катушка с индуктивностью 180 мГн и сопротивлением 35 Ом подключена к источнику питания 100 В, 50 Гц. Рассчитайте: а) полное сопротивление катушки, б) ток, в) коэффициент мощности и г) полную потребляемую мощность.

Также нарисуйте получившийся треугольник мощности для указанной выше катушки.

Приведены данные: R = 35 Ом, L = 180 мГн, V = 100 В и = 50 Гц.

(a) Импеданс (Z) катушки:

(б) Ток (I), потребляемый катушкой:

(c) Коэффициент мощности и фазовый угол, Φ:

(d) Полная мощность (S), потребляемая катушкой:

(e) Треугольник мощности для катушки:

Как показывают отношения треугольника степеней в этом простом примере, в 0.5263 или 52,63% коэффициента мощности, катушка требует мощности 150 ВА для выработки 79 Вт полезной работы. Другими словами, при коэффициенте мощности 52,63% катушка потребляет примерно на 89% больше тока для выполнения той же работы, что является большой потерей тока.

Добавление конденсатора коррекции коэффициента мощности (в данном примере 32,3 мкФ) через катушку, чтобы увеличить коэффициент мощности до более 0,95 или 95%, значительно снизит реактивную мощность, потребляемую катушкой, поскольку эти конденсаторы действуют как реактивные. генераторы тока, тем самым уменьшая общее количество потребляемого тока.

Треугольник мощности и сводка коэффициента мощности

Мы видели здесь, что три элемента электрической мощности, Реальная мощность , Реактивная мощность и Полная мощность в цепи переменного тока, могут быть представлены тремя сторонами треугольника, называемого Треугольником мощности . Поскольку эти три элемента представлены в виде «прямоугольного треугольника», их взаимосвязь может быть определена как: S ² = P ² + Q ² , где: P — реальная мощность в ваттах (Вт ), Q — реактивная мощность в вольт-амперах, реактивная (VAr), а S — полная мощность в вольт-амперах (VA).

Мы также видели, что в цепи переменного тока величина cos (Φ) называется коэффициентом мощности. Коэффициент мощности цепи переменного тока определяется как отношение реальной мощности (Вт), потребляемой цепью, к полной мощности (ВА), потребляемой той же цепью. Таким образом, это дает нам: Коэффициент мощности = Реальная мощность / Полная мощность или p.f. = Вт / ВА.

Тогда косинус полученного угла между током и напряжением является коэффициентом мощности. Обычно коэффициент мощности выражается в процентах, например 95%, но также может быть выражен в виде десятичного значения, например 0.95.

Когда коэффициент мощности равен 1,0 (единице) или 100%, то есть когда реальная потребляемая мощность равна полной мощности цепи, фазовый угол между током и напряжением составляет 0 ^o как: cos ^-1 (1,0 ) = 0 ^o . Когда коэффициент мощности равен нулю (0), фазовый угол между током и напряжением будет 90 ^o как: cos ^-1 (0) = 90 ^o . В этом случае фактическая мощность, потребляемая цепью переменного тока, равна нулю независимо от тока в цепи.

В практических цепях переменного тока коэффициент мощности может быть от 0 до 1,0 в зависимости от пассивных компонентов подключенной нагрузки. Для индуктивно-резистивной нагрузки или цепи (что случается чаще всего) коэффициент мощности будет «отстающим». В емкостно-резистивной цепи коэффициент мощности будет «опережающим». Тогда цепь переменного тока может быть определена как имеющая единичный, отстающий или опережающий коэффициент мощности.

Плохой коэффициент мощности со значением, близким к нулю (0), будет потреблять потерянную мощность, снижая эффективность схемы, в то время как схема или нагрузка с коэффициентом мощности, близким к единице (1.0) или единицу (100%), будет более эффективным. Это связано с тем, что для схемы или нагрузки с низким коэффициентом мощности требуется больший ток, чем для такой же схемы или нагрузки с коэффициентом мощности, близким к 1,0 (единице).

Измерители мощности | PCE Instruments

	Измерители мощности Измерители мощности обладают способностью предоставлять разностороннюю информацию через электрические характеристики.Таким образом, измерители мощности могут определять активную мощность, полную мощность, коэффициент полезного действия и потребление энергии. Презентация происходит на дисплее. Программное обеспечение для ПК помогает обеспечить определение измеренных данных измерителей мощности. Кроме того, измерители мощности показывают мощность в ваттах или анализируют и измеряют гармоники. С помощью наших измерителей мощности можно точно измерить мощность в ваттах, интенсивность постоянного или переменного тока, переменного и постоянного тока. Поскольку эти измерители мощности являются многофункциональными устройствами. Показания мощности переменного тока считаются действительными и имеют максимальный диапазон 6000 Вт.Во время считывания полярность меняется автоматически, на дисплее появляется знак минус, если принимаются отрицательные значения. В настоящее время измерители мощности имеют множество функций, таких как, например, изолированный токовый вход, измерение гармоник, измерение тока, а также измерение мощности. Если вы не можете найти нужные вам измерители мощности, свяжитесь с нами, и мы поможем вам найти лучшее решение, соответствующее вашим потребностям, позвонив в наши офисы по следующим телефонам: клиенты из Великобритании +44 (0) 23 809 870 30 / клиенты из США (561) 320-9162 и наш технический персонал проконсультирует вас по поводу наших измерительных приборов.Наши инженеры и техники будут рады помочь вам с измерителями мощности и, конечно же, с другими продуктами в области регулирования и контроля, а также весов и весов. Здесь представлены счетчики мощности от этих компаний: Вы можете найти технические характеристики наших измерителей мощности по следующим ссылкам:
	— Easycount Power Meters (Мобильные трехфазные измерители мощности на напряжение до 400 В переменного тока)
	— Easycount 1/2 Power Meters (Мобильные трехфазные измерители мощности для напряжений до 400 В переменного тока)
	— Измерители мощности METRAHIT ENERGY (Измерители мощности для измерения мощности и энергии с автоматической клеммной колодкой)
	— 1-фазный Измерители мощности C.A 8230 (1-фазные измерители мощности с измерением TRMS, измерение до 6500 A, регистратор данных)
	— Мощность Метры C.A. 8334B (Измерители мощности с напряжением TRMS до 960 В, активная, реактивная, полная мощность и энергия)
	— Мощность Метры C.A. 8335 (Измерители мощности с активной, реактивной, полной мощностью и энергии, Напряжение до 1000 В)
	— Ансамбль Power Meters (монитор энергии для определения потребляемой мощности, дисплеи энергопотребление в вашем доме)
	— Измерители мощности PCE-PCM1 (измерение TRMS до 750 В и 1000 А, мощность 750 кВт, минимальная и максимальная)
	— Измерители мощности PCE-UT 232 (Многофункциональные измерители мощности для проведения до 8 измерений)
	— PCE-GPA 62 Измерители мощности (Измерители мощности с анализатором сети / измеритель мощности и энергии, регистратор, графический дисплей)
	— PCE-PA 8000 Power Meters (Трехфазные измерители мощности с регистрацией на SD-карте, интерфейс)
	— Измерители мощности PCE-360 (Трехфазный анализатор мощности и гармоник с хранилищем данных, интерфейсом ПК и программным обеспечением)
	— Kyoritsu 6310 Измерители мощности (Измерители мощности для гармонического анализа, измерения мощности, оценки мощности потребность)
	— Измерители мощности серии PCE-830 (трехфазные счетчики мощности, счетчики энергии и измерители гармоник)
	— Измерители мощности (Измерители мощности для стационарной профессиональной установки)
	Полезная информация об измерителях мощности: При измерении мощности в сетях напряжения мощность вычисляется по формуле P = U * I; что означает произведение напряжения U и электрического тока I.В случае измерения переменного тока (т. Е. Сетевого напряжения 50 Гц) создается фазовый угол между током и напряжением. Это следует учитывать при измерении активной мощности. Таким образом, измеритель мощности показывает комбинированное измерение электрической мощности, тур по напряжению и току. Значение P (активная мощность) эквивалентно, как описано выше, произведению обоих значений. На практике существует три различных класса мощности: — Полная мощность S, измеренная в Вт (ватт-амперах) — Активная мощность (и эквивалентная мощность) P, измеренная в Вт (ваттах) — Реактивная мощность в виде VAR (ватт, ампер и реактивы) Доступны несколько вариантов измерителей мощности.Какой измеритель мощности вам подойдет, зависит от области применения. Измерители мощности с зажимами подходят для обслуживания и проверок. С помощью этих измерителей мощности ток будет измеряться косвенно. Таким образом, вам не нужно предпринимать никаких действий в текущей цепи. Кроме того, электрическая мощность также может быть измерена с помощью измерителей мощности. Благодаря измерителям мощности с тремя клещами, трехфазные измерители мощности способны измерять одновременно. Возможность измерения мощности также предоставляется с помощью нескольких специально сконструированных измерителей мощности.С помощью этих измерителей мощности можно измерять не только мощность, но и такие значения, как ток, напряжение и сопротивление. Измерители мощности доступны для мобильного и стационарного использования, например, лабораторные измерители мощности.
	Если вы хотите просмотреть или распечатать измерители мощности в нашем каталоге, щелкните символ PDF

Реальная мощность

Реальная мощность — это электрическая мощность, которая доступна для преобразования в другие мощности (например,грамм. механический, термический или химический). {t_ {0} + T} u \ cdot i \; \ mathrm {d} t}

Технические характеристики для синусоидального переменного напряжения

Важным применением является сеть электроснабжения или трехфазная сеть переменного тока.Только об этом здесь говорится. Напряжение имеет синусоидальную кривую во времени; Напряжение и ток — это переменные величины с одинаковой основной частотой. Для этого случая существуют положения DIN 40108 ^[1] и DIN 40110 ^[2] , которые необходимо соблюдать для этой статьи.

Активная мощность при синусоидальном токе

Представление с функциями времени

Напряжение, ток и мощность с течением времени

Синусоидальный ход тока возникает только в том случае, если в сети есть только линейные потребители.[cos⁡φ − cos⁡ (2ωt − φ)] {\ displaystyle p = {\ tfrac {1} {2}} \ {\ hat {u}} \; {\ hat {\ imath}} \ [\ cos \ varphi — \ cos (2 \ omega t- \ varphi)]}

и с использованием среднеквадратичных значений

p = UIcos⁡φ − UIcos⁡ (2ωt − φ) {\ displaystyle p = U \ ; I \ \ cos \ varphi \ — \ U \; I \ \ cos (2 \ omega t- \ varphi)}

Выражение содержит

1. не зависящее от времени слагаемое, действительная мощность P = UIcos⁡φ {\ displaystyle P = U \; I \; \ cos \ varphi}, и
2. один с удвоенной частотой и амплитудой S = UI {\ displaystyle S = U \; I} осциллирующих слагаемых, среднее значение которых равно нулю.РазмерS {\ displaystyle S} называется полной мощностью.

В результате получается синусоидальная кривая

P = p¯ = UIcos⁡φ {\ displaystyle P = {\ overline {p}} = U \; I \ \ cos \ varphi}

Компонент Icos⁡ φ {\ displaystyle I \, \ cos \ varphi} сила тока I {\ displaystyle I}, которая имеет решающее значение для активной мощности, называется активным током.

Комплексное представление

В электротехнике принято выполнять расчет переменного тока (т.е. вычисление с синусоидальными переменными величинами) с помощью указателей в комплексной плоскости, так как это намного проще, чем вычисление с тригонометрическими функциями. Комплексная полная мощность используется для соединения величин мощности с определенным комплексным вычислением переменного тока S _ {\ displaystyle {\ underline {S}}}, который суммирует активную и реактивную мощность в одном комплексном размере. Он рассчитывается как произведение комплексного действующего значения напряжения на сопряженное комплексное действующее значение тока.{2} \}

Знаки вопросы

Условные обозначения по подсчету направлений напряжений и токов через стрелки генератора и потребителя означают, что активная мощность положительна для потока энергии от генератора к потребителю. На изображении временного хода, показанном выше, также показаны отрицательные значения p {\ displaystyle p}; затем энергия возвращается. Реальная мощность становится меньше кажущейся мощности; но он остается положительным.

В сетях с несколькими источниками и нагрузками направление потока энергии между участками сети нельзя изменить только на долю периода.Что касается мощности, это описывается изменением знака активной мощности, так что значения P <0 {\ displaystyle P <0} могут иметь смысл.

Активная мощность при несинусоидальном токе

Если напряжение синусоидальное, а ток нет, уравнение остается P = UIcos⁡φ {\ displaystyle P = U \; I \; \ cos \ varphi}, действительным в соответствии с ограничение, что I {\ displaystyle I} и φ {\ displaystyle \ varphi} Параметры основного колебания тока равны.Гармоники входят в P {\ displaystyle P}, а не в a.

Измерения в электросети

Измерительный прибор

Счетчик мощности имеет путь тока и путь напряжения . Он умножает мгновенные значения напряжения и силы тока, усредняет мгновенные значения продукта и, следовательно, является измерителем активной мощности в соответствии с определением активной мощности. Пригодный для этого электромеханический измерительный механизм был заменен электронными измерительными преобразователями.

Идентификация подключения
вверху: однофазные измерительные приборы
внизу: трехфазный измеритель активной мощности

У каждого измерительного прибора есть диапазон измерения, который нельзя превышать, потому что в противном случае не гарантируется предел погрешности. Кроме того, измеритель мощности включает номинальных значений напряжения и тока, которые, согласно инструкциям производителя, могут быть превышены лишь в незначительной степени, иначе устройство будет повреждено. Этот тип перегрузки определенно может возникнуть без выхода за пределы диапазона измерения!

Измерение активной мощности в однофазной сети

Для измерения с правильным знаком важно убедиться, что пути правильно подключены, что указано на правильных принципиальных схемах.{\ circ}} строго соблюдается на принципиальных схемах в этой статье в соответствии с DIN 43807 ^[3] :

Стрелки, показанные на следующих схемах, указывают на правильный знак

• для тока в путь тока слева направо
• для напряжения на пути напряжения снизу вверх.

(Некоторые стрелки напряжения не показаны на принципиальных схемах; как они должны указывать, тем не менее ясно в зависимости от системы.)

Если возникает отрицательное измеренное значение, но отрицательное значение не может быть выведено, это помогает сознательно изменить направление на пути напряжения (или пути тока).

Клеммы лабораторных устройств часто помечаются звездочкой на стороне ввода; Устройства для стационарной установки пронумерованы согласно DIN 43807; Примеры см. На картинке.

Каждый счетчик электроэнергии имеет собственное потребление

• в пути тока из-за падения напряжения (как с амперметром),
• в цепи напряжения потреблением тока (как в случае с устройством измерения напряжения).

В реальном измерительном устройстве необходимо различать активную мощность производителя и потребителя.

Однофазная сеть

Есть два способа подключения измерителя мощности, см. Соответствующий рисунок. Однако ни одна из схем не регистрирует активную мощность, генерируемую производителем или потребителем, а измеряется

• в верхней цепи, умноженной на напряжение генератора, умноженное на ток потребителя,
• В нижней цепи напряжение потребителя умножается на ток генератора.

В верхней цепи, которая предпочтительно используется, затраты на потребление энергии измерительным устройством покрываются текущий путь потребителя. Измерение активной мощности в трехфазной сети

Трехфазная сеть

Четырехпроводная схема с нейтральным проводом

Наиболее полным случаем является четырехпроводная схема с нейтральным проводом и тремя внешними проводниками, которая используется в сети низкого напряжения U1N {\ displaystyle U_ {1 \ mathrm {N}}} = 230 В или U12 {\ displaystyle U_ {12}} = 400 В обычно при любой нагрузке.Произвольный здесь означает: токи с разными амплитудами и разными фазовыми сдвигами относительно соответствующего опорного напряжения могут течь в трех внешних проводниках. Тогда

p = u1Ni1 + u2Ni2 + u3Ni3 {\ displaystyle p = {u_ {1 \ mathrm {N}} \; i_ {1}} + {u_ {2 \ mathrm {N}} \; i_ {2} } + {u_ {3 \ mathrm {N}} \; i_ {3}}}

P = u1Ni1¯ + u2Ni2¯ + u3Ni3¯ {\ displaystyle P = {\ overline {u_ {1 \ mathrm {N }} \; i_ {1}}} + {\ overline {u_ {2 \ mathrm {N}} \; i_ {2}}} + {\ overline {u_ {3 \ mathrm {N}} \; i_ { 3}}}}

P = U1NI1cos⁡φ1 + U2NI2cos⁡φ2 + U3NI3cos⁡φ3 {\ displaystyle P = U_ {1 \ mathrm {N}} \; I_ {1} \ \ cos \ varphi _ {1 } + U_ {2 \ mathrm {N}} \; I_ {2} \ \ cos \ varphi _ {2} + U_ {3 \ mathrm {N}} \; I_ {3} \ \ cos \ varphi _ {3 }}

Это можно измерить с помощью трех измерителей мощности или комбинированного устройства.

Индикатор напряжения в трехфазной сети

Трехпроводная схема

Измерение активной мощности в цепи Арона

Из-за отсутствия нейтрального проводника в трехпроводной схеме

i1 + i2 + i3 = 0 {\ displaystyle i_ {1} + i_ {2} + i_ {3} = 0}.

с u1N = u12 + u2N {\ displaystyle \ quad u_ {1 \ mathrm {N}} = u_ {12} + u_ {2 \ mathrm {N}}}

и u3N = u32 + u2N {\ displaystyle \ quad u_ {3 \ mathrm {N}} = u_ {32} + u_ {2 \ mathrm {N}}}

становится p = u1Ni1 + u2Ni2 + u3Ni3 {\ displaystyle p = u_ {1 \ mathrm {N} } \; i_ {1} + u_ {2 \ mathrm {N}} \; i_ {2} + u_ {3 \ mathrm {N}} \; i_ {3}}

= u12i1 + u32i3 + u2N (i1 + i2 + i3) {\ displaystyle = u_ {12} \; i_ {1} + u_ {32} \; i_ {3} + u_ {2 \ mathrm {N}} (i_ {1} + i_ {2} + i_ {3})}

, где последнее слагаемое равно нулю, при этом i2 {\ displaystyle i_ {2}} исчезает.В трехпроводной схеме с любой нагрузкой достаточно двух измерителей мощности , если они работают в цепи Арона в соответствии со следующим уравнением.

P = u12i1¯ + u32i3¯ = P1 + P3 {\ displaystyle P = {\ overline {u_ {12} \; i_ {1}}} + {\ overline {u_ {32} \; i_ {3} }} = P_ {1} + P_ {3}}

С P1 = U12I1cos⁡δ1 {\ displaystyle P_ {1} = U_ {12} \; I_ {1} \ \ cos \ delta _ {1}}

и P3 = U32I3cos⁡δ3 {\ displaystyle P_ {3} = U_ {32} \; I_ {3} \ \ cos \ delta _ {3}},

, в котором δ1 = φ1 + 30∘ {\ displaystyle \ delta _ {1} = \ varphi _ {1} +30 ^ {\ circ}} = Угол между U_12 {\ displaystyle {\ underline {U}} _ {12}} и I_1 {\ displaystyle {\ underline {I }} _ {1}}

и δ3 = φ3−30∘ {\ displaystyle \ delta _ {3} = \ varphi _ {3} -30 ^ {\ circ}} = угол между U_32 {\ displaystyle {\ underline {U}} _ {32}} и I_3 {\ displaystyle {\ underline {I}} _ {3}}

Напряжения, токи и углы для цепи Арона

Примечания по этому поводу:

1. Формально под проводником, здесь в соответствии с DIN 43807 провод L2, можно понимать обратный провод.
2. P1 {\ displaystyle P_ {1}} и P3 {\ displaystyle P_ {3}} не имеют описательного значения, даже в знаке. Например, есть чистая реактивная нагрузка P = 0 {\ displaystyle P = 0}, но P1 = −P3 ≠ 0 {\ displaystyle P_ {1} = — P_ {3} \ neq 0}.
3. Поскольку U12 = 3U1N {\ displaystyle U_ {12} = {\ sqrt {3}} \; U_ {1 \ mathrm {N}}}, следите за тем, чтобы измеритель мощности указывал на напряжение U1N {\ displaystyle U_ {1 \ mathrm {N}}} разработан, чтобы выдерживать даже более высокое напряжение U12 {\ displaystyle U_ {12}}. Если последовательный резистор или преобразователь напряжения увеличивают напряжение в 1/3 раза, уменьшается {\ displaystyle 1 / {\ sqrt {3}}}, этот риск перегрузки устраняется.Однако из-за пониженного напряжения измеренное значение должно быть увеличено в 3 раза. {\ Displaystyle {\ sqrt {3}}} может быть увеличено математически.

Измеритель мощности с искусственной звездой

Симметричная нагрузка

При симметричной нагрузке достаточно использовать только один измеритель мощности для потребления энергии через один из внешних проводников. Общий объем производства в три раза больше.

P = 3⋅U1NI1cos⁡φ1 {\ displaystyle P = 3 \ cdot U_ {1 \ mathrm {N}} \; I_ {1} \; \ cos \ varphi _ {1}}.

В трехпроводной схеме потенциал нейтрального проводника должен быть искусственно создан с помощью точки звезды, как показано на рисунке, с двумя резисторами, которые имеют такую ​​же величину, как сопротивление цепи напряжения в измерителе мощности.

Другие наименования

Вся информация в соответствии с DIN 40110-1: 1994.

См. Также

литература

• Вильфрид Вайсгербер: Электротехника для инженеров 2: технология переменного тока, кривые годографа, трансформаторы, многофазные системы. Springer Vieweg, 9-е издание. 2015 г.
• Moeller / Frohne / Locher / Müller: Основы электротехники. Teubner, 18 издание 1996 г.
• Курт Бергманн: Электротехника: электрические и электронные процессы, установки и системы. Vieweg, 5-е изд. 1993 г.

и почти все другие учебники по электротехнике или электротехнике

Индивидуальные свидетельства

1. ↑ DIN 40108: 2003-06 Электричество системы: термины, размеры, символы
2. ↑ DIN 40110-1: 1994 -03 AC количества : двухпроводные схемы
3. ↑ DIN 43807: 1983-10 измерение, управление, регулирование; Электроизмерительные приборы; Обозначения клемм для панельных измерительных приборов, встроенных измерительных приборов и измерительных преобразователей для измерения мощности и коэффициента мощности

Основы реальной мощности | Силовая электроника

Духовка мощностью один киловатт, работающая в течение одного часа, потребляет один киловатт-час энергии.Энергетические единицы так просты? В редких случаях да. Когда это не так, полезно иметь фундаментальное представление о силе и энергии. Не все электрические нагрузки одинаковы. Некоторые используют больше энергии, чем другие, а некоторые используют ту же энергию менее эффективно.

Сегодня в заголовках газет появляется энергоэффективность, и становится все более важным понимать основы измерения мощности и разницу между, казалось бы, двусмысленными терминами мощности и энергии. Более того, людям, не являющимся ЭЭ, может быть трудно понять электрические концепции, потому что электричество обычно нельзя увидеть или потрогать.По этой причине часто бывает полезно передать электрические концепции в терминах физических и механических аналогий.

Единицы электрической энергии
Есть много единиц, используемых для выражения компонентов электрической энергии, включая, как правило, вольты, амперы, ватты, ватт-часы и частоту. Каждый из них представляет собой уникальное выражение, играющее уникальную роль в концепциях электрической энергии.

Электроэнергия — это комбинация двух компонентов: одна выражается в вольтах, а другая — в амперах или амперах.Распространенная аналогия потока электричества в контуре — это поток воды в трубе. В этой физической аналогии давление воды представляет собой напряжение, а объем потока представляет собой ток. Как и в случае с электричеством, высокое значение любого из них может выполнять высокий уровень «работы». Вода под высоким давлением может разрезать сталь с очень небольшим объемом потока, однако большой объем воды, очень медленно движущийся по дороге, может унести большой автомобиль.

Энергия определяется способностью выполнять работу.Работа с точки зрения использования энергии в домашних условиях представляет собой сочетание света, тепла (сушилки, утюги, духовки, воздухонагреватели) и движения (двигатели) от электрических устройств. Счета за электроэнергию показывают, сколько электроэнергии было преобразовано в работу за месяц.

Мощность — это мера скорости преобразования энергии из одной формы в другую. Интегрирование или суммирование мощности во времени определяет энергию, потребленную за этот период времени.

Связь между мощностью и энергией может быть более очевидной при использовании альтернативных единиц, в которых мощность выражается в виде скорости.Один ватт = 1 джоуль / сек. Умножение на время в секундах дает альтернативную единицу измерения энергии, джоуль, где 3600 джоулей = 1 ватт-час (Вт-час).

Если мощность измеряет, насколько быстро печь, скажем, преобразует электрическую энергию в тепло, энергия измеряет, сколько мощности было приложено за заданное время или сколько тепла было произведено в конечном итоге. Мультиварка на 100 Вт может потреблять столько же энергии, как и духовка на 1 кВт. Но из-за того, что скорость преобразования энергии в ней в десять раз ниже, мультиварка должна работать по десять часов за каждый час работы духовки, чтобы обеспечить такое же количество тепловой энергии.Вот почему кондиционеры обычно составляют большую часть счетов за электроэнергию в летнее время. Они быстро преобразуют энергию (большая мощность) и работают длительное время, особенно в более теплом климате.

Страница 2 из 3

При измерении такими приборами, как осциллографы, напряжение в сети переменного тока выглядит как синусоидальная волна. Половина синусоидальной волны выше нуля (положительная) означает энергию, переносимую электрическим зарядом в одном направлении, а половина синусоидальной волны ниже нуля (отрицательная) означает энергию, переносимую в противоположном направлении.Это изменение направления в каждом цикле дает название переменному или переменному току. Это вызвано чередованием положительных и отрицательных полюсов магнита, вращающегося в генераторе. Частота является результатом конструкции генератора и зависит от количества содержащихся в нем магнитных полюсов и скорости его вращения.

Чтобы упростить производство и распределение, электрические сети работают на определенных частотах, таких как 60 Гц в большинстве частей Америки и 50 Гц для многих других мест в мире. Все оборудование, добавляющее энергию в сеть (генераторы) или отводящее ее (бытовые приборы), должно работать с одинаковой частотой.Вот почему большинство электрических устройств, продаваемых в США, не будут работать должным образом при подключении к розеткам в Европе; частоты и, во многих случаях, линейные напряжения не совпадают. 50 Гц против 60 Гц — это похоже на любую другую «войну форматов», например, VHS против Betamax, но без реальных преимуществ в любом случае. Большой проблемой является то, что стоимость преобразования всей системы распределения электроэнергии с одной частоты на другую астрономически высока.

Колебательный характер сигналов переменного тока усложняет измерение их значения.Например, среднее значение обычного сетевого напряжения переменного тока равно нулю, потому что волна проводит столько же времени выше нуля, что и ниже нуля. Таким образом, сигналы переменного тока обычно количественно оцениваются как вычисленное среднеквадратическое (RMS) значение. Этот расчет в точности соответствует названию. Во-первых, одиночный сигнал измеряется с высокой скоростью и разбивается с гладкой аналоговой волны на сотни точек данных. Затем точки данных возводятся в квадрат, усредняются вместе и, наконец, вычисляется квадратный корень из этого среднего.Результат — RMS. В США среднеквадратичное значение формы сигнала напряжения составляет около 120 В. Оно может незначительно колебаться, но обычно находится в пределах 5% от номинала.

Среднеквадратичное значение напряжения используется для расчета мощности переменного тока. Идеальное уравнение мощности, которое обычно преподают в физике средней школы, гласит, что мощность равна произведению напряжения и тока, или P = I × V. Хотя это верно для нагрузок постоянного тока (DC), это редко верно для систем переменного тока. Системы переменного тока имеют коэффициент полезного действия, известный как коэффициент мощности.Это означает, что с учетом номинальных значений среднеквадратичного напряжения и тока электрического устройства переменного тока их умножение не даст реальной мощности. Вот почему приборы часто указывают мощность в ваттах, а не в силе тока.

Треугольник мощности: действительная, полная, реактивная мощность и коэффициент мощности
Полная мощность — это произведение среднеквадратичного напряжения на среднеквадратичный ток, составляющий вольт-ампер (ВА). Электрические розетки, удлинители и провода, установленные в домах и коммерческих зданиях, часто имеют номинальную мощность в ВА с учетом как реальной, так и реактивной мощности, которую должна поддерживать система.

Реальная мощность выражается в ваттах и ​​представляет собой фактическую энергию, преобразованную из электрической энергии в полезную работу. Расчет реальной мощности представляет собой произведение полной мощности и косинуса угла между формами волны напряжения и тока. В случае, если ток не является истинной синусоидальной формой волны, альтернативный расчет должен взять среднюю мгновенную мощность за цикл. Другими словами, среднее значение напряжения, умноженное на ток, из каждой дискретной точки данных, измеренной за один цикл.

Реактивная мощность выражается в реактивных вольт-амперах (ВАР) и представляет собой энергию, которая используется для передачи энергии в полезную работу, но сама не выполняет никакой полезной работы.

Хорошая механическая аналогия для этого — поршневой двигатель, который используется сегодня в большинстве автомобилей. Полезная работа (реальная) от двигателя происходит за счет такта расширения поршня, но необходимо использовать некоторую энергию для «возврата» поршня в исходное положение через такт сжатия. Эта энергия (реактивная) не выполняет никакой полезной работы, поскольку не способствует продвижению автомобиля вперед, но необходима для поддержания работы системы.То же самое и с электроприборами.

Коэффициент мощности — это простое отношение реальной мощности к полной мощности. Коэффициент мощности (PF), равный 1, является наилучшим из возможных и наблюдается на чисто резистивных нагрузках. Большинство электрических устройств представляют собой комбинацию типов электрических нагрузок. Например, электрическая сушилка для одежды использует резистивные элементы для нагрева и индуктивные элементы (двигатели) для опрокидывания. Однако PF обычно учитывается только в промышленных целях, поскольку коммунальные службы не контролируют его для отдельных домов.

Страница 3 из 3

Вместе коэффициент мощности, активная и реактивная мощность указывают на то, насколько эффективно электрическое устройство или нагрузка использует электрическую энергию. Инженеры могут получить «визуальную» индикацию этой эффективности, наложив форму волны измеренного тока на форму измеренного напряжения. Если они синфазны, так что их пики и точки пересечения нуля совпадают, тогда электрическая нагрузка использует всю энергию из сети для выполнения полезной работы. Степень, в которой форма волны тока отстает или опережает форму волны напряжения, указывает на эффективность тестируемого электрического устройства.Электрические нагрузки, которые являются чисто резистивными, такие как лампы накаливания, имеют формы волны тока, которые идеально совпадают с формами волны напряжения. Для этих устройств применяется идеальное уравнение мощности P = I × V.

Еще один способ визуализировать три компонента силы — изобразить их в виде треугольника. Реактивная мощность отображается перпендикулярно реальной мощности, потому что вся часть реактивной мощности дает нулевой вклад в реальную работу. Полная мощность — это векторная сумма реальной и реактивной мощности.Следует отметить, что интегрирование любого из этих значений с течением времени (соответственно) даст энергетические эквиваленты ватт-часов, ВА-часов и VAR-часов.

Измерение мощности
По сути, экономия энергии равна экономии затрат. Одна из простейших причин контролировать мощность — снизить потребление энергии. Это верно для всего, от объектов стоимостью в несколько миллиардов долларов до жилых домов на одну семью. Исторически сложилось так, что бытовые потребители видели потребление энергии только раз в месяц, когда видели свои счета за коммунальные услуги.Это грубое измерение затрудняет корреляцию энергопотребления с потребляемой мощностью. Цифровые интеллектуальные счетчики, вероятно, улучшат эту ситуацию. Первое поколение этих устройств считывает ежедневное потребление энергии блоками по 15 минут. Такой вид потребления с высоким разрешением упрощает для домовладельцев нацеливание и сокращение конкретных действий, требующих большого количества энергии.

Контролируя мощность и энергию, потребители могут убедиться, что коммунальная компания выставляет им счета правильно. Сегодня стоимость сложного необходимого оборудования для мониторинга не имеет смысла для большинства бытовых потребителей.Но цена вполне оправдана для офисных и производственных помещений с ежемесячными счетами за коммунальные услуги в десятки тысяч долларов. Интеллектуальные измерения также оказываются более ценными в развивающихся странах, где распределение энергии менее регулируется или где энергия с большей вероятностью будет украдена.

Крупные потребители электроэнергии заключают соглашения с коммунальными предприятиями, которые ограничивают объем производимых потерь энергии (VAR). Потраченная впустую энергия является проявлением коэффициента мощности объекта или PF.Двигатели добавляют VAR в электрическую систему, поэтому важно, чтобы крупные предприятия контролировали коэффициент мощности, чтобы избежать штрафов. Чтобы повысить свои коэффициенты мощности, организации могут выборочно запускать тяжелое оборудование VAR, чтобы худшие нарушители не работали одновременно, или они могут установить специальное силовое оборудование, которое поглощает VAR, а не создает их. В этом отношении устройства с запаздывающим током и устройства с опережающим током будут нейтрализованы при подключении к одной и той же цепи.

Большинство людей слышали о затемнениях, отключениях и скачках напряжения.Есть несколько других явлений, связанных с электросетью, которые незаметны для обычных потребителей электроэнергии, но могут нанести вред дорогостоящему производственному, промышленному или компьютерному оборудованию. Контролируя качество электроэнергии, руководители предприятий могут активировать сигналы тревоги в случае возникновения опасных нарушений и предотвратить дорогостоящий ремонт и простои. Системные проблемы могут потребовать долгосрочных решений, таких как использование независимых генераторов на месте.

Стоимость электроэнергии за последние десять лет выросла на 40%.Если эта тенденция сохранится, процесс принятия обоснованного решения в отношении энергии будет все больше требовать глубокого знания единиц измерения, базовых расчетов и использования измерений электрической энергии.