Схема подключения ваттметра в цепь: Как подключить ваттметр

Схема включения ваттметра в электрическую цепь. Ваттметры. Виды и применение. Работа. Примеры и параметры

Если ток нагрузки больше допустимого тока ваттметра, то токовую катушку ваттметра включают через измерительный трансформатор тока (рис. 1, а).

Рис. 1. Схемы включения ваттметра в цепь переменного тока с большим током (а) и в высоковольтную сеть (б).

При выборе трансформатора тока необходимо следить за тем, чтобы номинальный первичный ток трансформатора I 1и был равен измеряемому току в сети или больше него.

Например, если значение тока в нагрузке достигает 20 А, то можно брать трансформатор тока, рассчитанный на первичный номинальный ток 20 А с номинальным коэффициентом трансформации по току Kн1 = I 1и / I 2и = 20/5 = 4.

Если при этом в измерительной цепи напряжение меньше допустимого ваттметром, то катушку напряжения включают непосредственно на напряжение нагрузки. Начало катушки напряжения при помощи перемычки / подключают к началу токовой катушки. Так же обязательно устанавливают перемычку 2 (начало катушки подключают к сети). Конец катушки напряжения подключают к другому зажиму сети.

Для определения действительной мощности в измеряемой цепи необходимо показание ваттметра умножить на номинальный коэффициент трансформации трансформатора тока: P = Pw х Kн 1 = Pw х 4

Если ток в сети может превышать 20 А, то следует выбрать трансформатор тока с первичным номинальным током 50 А, при этом Kн 1 = 50/5 = 10.

В этом случае для определения значения мощности показания ваттметра надо умножать на 10.

Из выражения для мощности на постоянном токе Р = IU видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность.

Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.

Электродинамические ваттметры выпускают в виде переносных приборов высоких классов точности (0,1 — 0,5) и используют для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц). Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5 — 2,5).

Применяют такие ваттметры главным образом на переменном токе промышленной частоты. На постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.

Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. В преобразователе мощности осуществляется операция умножения ui = р и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения ui, т. е. от мощности.

На рис. 2, а показана возможность использования электродинамического измерительного механизма для построения ваттметра и измерения мощности.

Рис. 2. Схема включения ваттметра (а) и векторная диаграмма (б)

Неподвижная катушка 1, включаемая в цепь нагрузки последовательно, называется последовательной цепью ваттметра, подвижная катушка 2 (с добавочным резистором), включаемая параллельно нагрузке — параллельной цепью.

Для ваттметра, работающего на постоянном токе:

Рассмотрим работу электродинамического ваттметра на переменном токе. Векторная диаграмма рис. 2, б построена для индуктивного характера нагрузки. Вектор тока Iuпараллельной цепи отстает от вектора U на угол γ вследствие некоторой индуктивности подвижной катушки.

Из этого выражения следует, что ваттметр правильно измеряет мощность лишь в двух случаях: при γ = 0 и γ = φ.

Условие γ = 0 может быть достигнуто созданием резонанса напряжений в параллельной цепи, например включением конденсатора С соответствующей емкости, как это показано штриховой линией на рис. 1, а. Однако резонанс напряжений будет лишь при некоторой определенной частоте. С изменением частоты условие γ = 0 нарушается. При γ не равном 0 ваттметр измеряет мощность с погрешностью βy, которая носит название угловой погрешности.

При малом значении угла γ (γ обычно составляет не более 40 — 50″), относительная погрешность

При углах φ, близких к 90°, угловая погрешность может достигать больших значений.

Второй, специфической, погрешностью ваттметров является погрешность, обусловленная потреблением мощности его катушками.

При измерении мощности, потребляемой нагрузкой, возможны две схемы включения ваттметра, отличающиеся включением его параллельной цепи (рис. 3).

Рис. 3. Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать нагрузку Н чисто активной, погрешности β(а) и β(б), обусловленные потреблением мощности катушками ваттметра, для схем рис. 3, а и б:

где Рi и Рu — соответственно мощность, потребляемая последовательной и параллельной цепью ваттметра.

Из формул для β(а) и β(б) видно, что погрешности могут иметь заметные значения лишь при измерениях мощности в маломощных цепях, т. е. когда Рi и Рu соизмеримы с Рн.

Если поменять знак только одного из токов, то изменится направление отклонения подвижной части ваттметра.

У ваттметра имеются две пары зажимов (последовательной и параллельной цепей), и в зависимости от их включения в цепь направление отклонения указателя может быть различным. Для правильного включения ваттметра один из каждой пары зажимов обозначается знаком «*» (звездочка) и называется «генераторным зажимом».

Контрольные вопросы:

1. Какую энергию измеряет ваттметр электродинамической системы?

2. Влияет ли величина нагрузки на схему включения ваттметра?

3. Как расширяют пределы измерения ваттметра на переменном токе?

4. Как определить мощность в цепи постоянного тока по результатам измерения силы тока и напряжения?

5. Как правильно включить ваттметр однофазного тока при измерении мощности в контролируемой цепи?

6. Как измерить полную мощность однофазного тока, пользуясь амперметром и вольтметром?

7. Как определить реактивную мощность схемы?

Для непосредственного измерения мощности цепи постоянного тока применяется ваттметр. Неподвижная последовательная катушка или катушка тока ваттметра соединяется последовательно с приемниками электрической энергии. Подвижная параллельная катушка или катушка напряжения, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением, образует параллельную цепь ваттметра, которая присоединяется параллельно приемникам энергии.

Угол поворота подвижной части ваттметра:

α = k2IIu = k2U/Ru

где I — ток последовательной катушки; I и — ток параллельной катушки ваттметра.

Рис. 1. Схема устройства и соединений ваттметра

Так как в результате применения добавочного сопротивления параллельная цепь ваттметра имеет практически постоянное сопротивление ru , то α = (k2/Ru)IU = k2IU = k3P

Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи.

Шкала ваттметраравномерна. При работе с ваттметром необходимо иметь в виду, что изменение направления тока в одной из катушек вызывает изменение направления вращающего момента и направления поворота подвижной катушки, а так как обычно шкала ваттметра делаетсяодносторонней, т. е. деления шкалы расположены от нуля вправо, то при неправильном направлении тока в одной из катушек определение измеряемой величины по ваттметру будет невозможно.

По указанным причинам следует всегда различать зажимы ваттметра. Зажим последовательной обмотки, соединяемый с источником питания, называется генераторным и отмечается на приборах и схемах звездочкой. Зажим параллельной цепи, присоединяемый к проводу, соединенному с последовательной катушкой, также называется генераторным и отмечается звездочкой.

Таким образом, при правильной схеме включения ваттметра токи в катушках ваттметра направлены от генераторных зажимов к негенераторным. Могут иметь место две схемы включения ваттметра (см. рис. 2 и рис. 3).

Рис. 2. Правильная схема включения ваттметра

Рис. 3. Правильная схема включения ваттметра

В схеме, данной на рис. 2, ток последовательной обмотки ваттметра равен току приемников энергии, мощность которых измеряется, а параллельная цепь ваттметра находится под напряжением U» большим, чем напряжение приемников, на величину падения напряжения в последовательной катушке. Следовательно, Рв = IU» = I(U+U1) = IU = IU1 , т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности последовательной обмотки ваттметра.

В схеме, данной на рис. 3, напряжение на параллельной цепи ваттметра равно напряжению на приемниках, а ток в последовательной обмотке больше тока, потребляемого приемником, на величину тока параллельной цепи ваттметра. Следовательно, P в = U(I+Iu) = UI+ UIu , т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности параллельной цепи ваттметра.

При измерениях, в которых мощностью обмоток ваттметра можно пренебречь, предпочтительнее пользоваться схемой, показанной на рис. 2, так как обычно мощность последовательной обмотки меньше, чем параллельной, а следовательно, показания ваттметра будут более точными.

При точных измерениях необходимо вводить поправки в показания ваттметра, обусловленные мощностью его обмотки, и в таких случаях можно рекомендовать схему на рис.3, так как поправка легко вычисляется по формуле U 2 /Ru , где Ru обычно известно, а поправка остается неизменной при различных значениях тока, если U постоянно.

При включении ваттметра по схеме на рис. 2 потенциалы концов катушек разнятся только на величину падения напряжения в подвижной катушке, так как генераторные зажимы катушек соединены вместе. Падение напряжения в подвижной катушке незначительно по сравнению с напряжением на параллельной цепи, так как сопротивление этой катушки незначительно по сравнению с сопротивлением параллельной цепи.

Рис. 4. Неправильная схема включения ваттметра

На рис. 4 дана неправильная схема включения параллельной цепи ваттметра. Здесь генераторные зажимы катушек соединены через добавочное сопротивление, вследствие чего разность потенциалов между концами катушек равна напряжению цепи (иногда весьма значительному 240 — 600 В), а так как неподвижная и подвижная катушки находятся в непосредственной близости одна от другой, то создаются условия, благоприятные для пробоя изоляции катушек. Кроме того, между катушками, имеющими весьма различные потенциалы, будет наблюдаться электростатическое взаимодействие, могущее вызвать дополнительную погрешность при измерении мощности в электрической цепи.

Одно из свойств, которое дает характеристику состояния электрической цепи – это мощность. Это свойство отражает значение работы, выполненное электрическим током за определенное время. Мощность оборудования, входящего в электрическую цепь, не должна выходить за рамки мощности сети. В противном случае оборудование может выйти из строя, возникнет замыкание или пожар.

Замеры мощности электрического тока производят специальными устройствами – ваттметры. В случае постоянного тока мощность вычисляется путем умножения напряжения на силу тока (нужен амперметр и вольтметр). В цепи переменного тока все происходит иначе, понадобятся измерительные приборы. Ваттметром измеряют режим работы электрооборудования, производят учет расхода электроэнергии.

Сфера использования

Основная сфера использования ваттметров – это отрасли промышленности в электроэнергетике, машиностроении, ремонта электрических устройств. Также часто применяют ваттметры и в быту. Их покупают специалисты по электронике, компьютерному оборудованию, радиолюбители – для расчета экономии потребления электрической энергии.

Ваттметры используют для:

Вычисления мощности устройств.
Проведения тестов электрических цепей, некоторых их участков.
Проведения испытаний электроустановок, в качестве индикаторов.
Проверка действия электрооборудования.
Учет потребления электроэнергии.

Разновидности

Сначала измеряется напряжение, затем сила тока, а потом на основе этих данных измеряется мощность. По методу измерения, преобразования параметров и выдачи результата ваттметры разделяются на цифровые и аналоговые виды.

Цифровые ваттметры производят измерение . На экран также выводятся напряжение, сила тока, потребление электричества за период времени. Параметры замеров выводятся на компьютер.

Аналоговый вариант ваттметра разделен на самопишущие и показывающие приборы. Они определяют активную мощность участка схемы. Экран ваттметра оснащен шкалой и стрелкой. Шкала отградуирована по делениям и величинам мощности, в ваттах.

Конструктивные особенности и принцип работы

Аналоговые типы ваттметров имеют широкое распространение, точное измерение, и являются устройствами электродинамической системы.

Принцип их действия основывается на взаимодействии между собой двух катушек. Одна катушка неподвижная, с толстым проводом обмотки, малым числом витков и небольшим сопротивлением. Она подключена по последовательной схеме с потребителем. Вторая катушка двигается. Ее обмотка состоит из тонкого проводника, имеющего значительное число витков, ее сопротивление большое. Она подключена по параллельной схеме с потребителем, снабжена дополнительным сопротивлением во избежание короткого замыкания обмоток.

При включении устройства в сеть, в обмотках возникают магнитные поля, взаимодействие которых образует момент вращения, отклоняющий двигающуюся обмотку с прикрепленной стрелкой, на расчетный угол. Значение угла зависит от произведения напряжения и силы тока в конкретный момент времени.

Главным принципом действия ваттметра цифрового типа является предварительный замер напряжения и силы тока. Для этих целей подключаются: по последовательной схеме к потребителю нагрузки – датчик тока, по параллельной схеме датчик напряжения. Эти датчики обычно изготавливаются из термисторов, термопар, измеряющих трансформаторов.

Мгновенные параметры измеренных напряжения и тока, путем преобразователя, поступают к внутреннему микропроцессору. В нем происходит вычисление мощности. На экране показывается результат информации, а также передается на внешние приборы.

Приборы электродинамического типа, которые имеют широкое применение, подходят для переменного и постоянного тока. Ваттметры индуктивного типа применяются только для переменного тока.

Рассмотрим некоторые варианты приборов (ваттметров) различных вариантов исполнения и различных фирм производителей.

Бытовые приборы китайского производства

В инструкции описаны все режимы работы этого устройства, технические характеристики.

По сути это прибор, измеряющий мощность различных электрических потребителей. Как он работает? Вставляете его в розетку, а в розетку этого прибора вставляете вилку потребителя, мощность которого вы хотите замерить. Этим прибором вы измерите мощность какого-либо потребителя в течение определенного времени и потом с помощью него вы можете даже рассчитать, например, сколько денег тратит за электроэнергию ваш холодильник или любой другой прибор.

В устройстве есть встроенный аккумулятор. Он нужен для запоминания мощности, которую вы замерили, и потом будете использовать для расчета цены. Передняя панель прибора имеет пять кнопок: переключение режимов, указатель цены, переключатель вверх-вниз, кнопка сброса, если прибор поймал какой-либо глюк. Сзади на корпусе указаны характеристики прибора:

Рабочее напряжение 230 вольт.
Частота 50 герц.
Максимальный ток 16 ампер.
Диапазон измеряемой мощности 0-3600 ватт.

Рассмотрим работу прибора. Вставляем его в розетку.

Включим в него настольную светодиодную лампу.

На дисплее сразу пошло время, в течение которого измеряется мощность потребителя, в данном случае лампы. 0,4 ватта – это мощность отключенной лампы. Включаем лампу, в рабочем режиме она потребляет 10,3 ватта. Цену за киловатт мы не указывали, поэтому там стоят нули.

У нас лампа может менять мощность света. При увеличении света лампы показания мощности увеличиваются. При включении второго режима вверху также показано время работы, во втором поле киловатт часы, так как прибор пока не проработал даже одного часа, то показаны нули. Внизу показано количество дней, в течение которых измерялся этот потребитель.

В следующем режиме во втором поле показано напряжение электросети, внизу показана частота тока. Вверху дисплея при всех режимах показывается время. При переходе на следующий режим в центре показывается сила тока. Внизу показывается параметр некоего фактора, о котором пока нет данных, так как производитель прибора китайский.

На пятом режиме показана мощность минимальная. На шестом режиме – максимальная мощность.

Интересно будет посмотреть показания этих режимов при работе компьютера. Например, в спящем режиме, при обычном открытом рабочем столе, либо при запуске мощной игры.

В следующем режиме устанавливается стоимость электроэнергии кнопками установки, для расчета стоимости расхода энергии. Так вы можете измерить и рассчитать потребление любого из домашних бытовых приборов и устройств, и будете знать, какие устройства у вас экономные, а какие слишком много потребляют электричества.

Такой прибор имеет невысокую стоимость, около 14 долларов. Это небольшая цена для того, чтобы оптимизировать ваши затраты, рассчитав мощность потребления ваших устройств.

Цифровой ваттметр многофункциональный СМ 3010

Прибор служит для проведения замера напряжения, частоты, мощности, постоянного и переменного тока с одной фазой. А также, предназначен для контроля подобных приборов с меньшей точностью.

Диапазон замеров тока 0,002 — 10 ампер.

Замеры напряжения:

Постоянного от 1 до 1000 вольт.
Переменного от 1 до 700 вольт.
Частота измеряется в интервале 40-5000 герц.

Погрешность измерения

Тока, напряжения, мощности постоянного тока + 0,1%.
Тока, напряжения, мощности переменного тока + 0,1% в интервале частот 40-1500 герц.
Относительная погрешность замера частоты в интервале 40-5000 герц + 0,003%.

Габариты корпуса прибора 225 х 100 х 205 мм. Вес 1 кг. Мощность потребления менее 5 ватт.

Измерительное устройство ЦП 8506 – 120

Служит для проведения замеров мощности активной и реактивной 3-фазной сети переменного тока, показывает текущее значение параметра мощности на индикаторе, преобразует в сигнал аналогового вида.

Произведенные замеры показываются в форме цифр на индикаторах в единицах величин, которые входят на устройство, либо на вход трансформатора тока или напряжения. При этом учитывается коэффициент трансформации. Цифровой дисплей разделен на четыре разряда.

Назначение устройства – для проведения замеров активной и реактивной мощностей в 3-фазных сетях электрического тока частотой 50 герц.

Технические данные

Коэффициент мощности – 1.
Размеры корпуса 120 х 120 х 150 мм.
Высота цифр на дисплее 20 мм.
Наибольший интервал показаний 9999.
Степень точности: 0,5.
Время проведения преобразования: менее 0,5 с.
Температура работы: от +5 до + 40 градусов.
Класс защиты корпуса и панели: IР 40.
Мощность потребления: 5 ватт.
Вес менее 1,2 кг.

Наличие двух катушек у электродинамического прибора и возможность включения их в две разные цепи позволяет использовать эти приборы для измерения мощности электрического тока, т. е. как ваттметры.

Из выражения для угла поворота подвижной системы электродинамического прибора (2.12) следует, что, если неподвижную катушку включить последовательно нагрузке z (рис. 2-12), а последовательно с подвижной катушкой включить добавочное сопротивление Яд так, чтобы эту катушку можно было включать параллельно нагрузке, тогда ток в подвижной катушке равен

где — сопротивление катушки; U — напряжение на нагрузке; — постоянная данного прибора по мощности; Р — мощность, потребляемая нагрузкой. Такой прибор называют ваттметром. Его шкала равномерная.

Для измерения электрической мощности в цепях переменного тока используют ваттметры активной и реактивной мощности.

Ваттметр активной мощности. Если в цепь подвижной катушки включить активное добавочное сопротивление так, чтобы общее сопротивление этой цепи R было равно

тогда при напряжении и в сети и при токе i в нагрузке

ток в подвижной катушке равен

Мгновенное значение вращающего момента в этом случае равно

а среднее за период значение этого момента

Следовательно, ваттметр с активным добавочным сопротивлением в цепи подвижной катушки измеряет активную мощность цепи переменного тока.

Полученный вывод имеет простое физическое объяснение. В самом деле, если в цепь с индуктивностью включить амперметр, вольтметр и ваттметр (рис. 2-13), то , так как подвижная система вольтметра поворачивается под действием только приложенного напряжения, независимо от фазы этого напряжения (точнее, под действием тока в катушке, пропорционального приложенному напряжению), а подвижная часть амперметра поворачивается под действием только тока в катушке, независимо от фазы этого тока. Что касается подвижной части (катушки) ваттметра, то она поворачивается только в том случае, когда токи в обеих катушках не равны нулю, иначе не будет взаимодействия. Но в рассматриваемой цепи ток подвижной катушки максимален, когда ток в цепи i равен нулю, и наоборот. Прибор ничего не покажет. Этого и следовало ожидать, так как нагрузка то запасает энергию в магнитном поле, то возвращает в сеть.

Из графика токов данной цепи с индуктивностью (рис. 2-14) следует, что токи совпадают по направлению (на графике — по одну сторону от оси времени) только в течение двух (через одну) четвертей периода за период, а в две другие четверти периода токи имеют противоположные направления. Это означает, что направление вращающего момента изменяется четыре раза за период. Поэтому подвижная система ваттметра в течение периода будет испытывать действие четырех одинаковых по значению, но противоположных по направлению толчков и прибор ничего не покажет, так как вращающий момент, действующий на подвижную систему, определяется его средним значением за период.

Если же угол сдвига между токами невелик (рис. 2-15), то в течение периода положительные значения вращающего момента сильно превосходят отрицательные (по времени и по значениям) и подвижная система ваттметра повернется под действием среднего

значения реагируя на активную мощность, потребляемую данной нагрузкой.

Итак, ваттметр показывает активную мощность, потребляемую из сети.

Ваттметр реактивной мощности. В этом ваттметре последовательно с подвижной катушкой специально включается индуктивное добавочное сопротивление (рис. 2-16) такое, что

Пусть в цепи действует приложенное напряжение и нагрузка создает ток

Тогда мгновенное значение вращающего момента равно

После подстановки и преобразований получим:

Среднее за период значение вращающего момента равно

Отсюда и следует, что ваттметр с индуктивным сопротивлением в цепи подвижной катушки показывает реактивную мощность цепи переменного тока. Такой вывод объясняется просто: в случае, например, чисто индуктивной нагрузки, когда из сети безвозвратно не потребляется энергия, такая схема искусственно сдвигает фазу тока в подвижной катушке до совпадения с фазой тока в неподвижной, поэтому ваттметр показывает значение реактивной мощности.

Итак, у электродинамического ваттметра две катушки: одна — токовая, включаемая последовательно нагрузке, другая- катушка напряжения, включаемая параллельно нагрузке, потребляемую мощность которой необходимо измерить.

Для правильного включения прибора (чтобы стрелка отклонялась в нужную сторону) один из зажимов его обмотки помечают звездочкой эти зажимы ваттметра называют генераторными. Их следует подключать к тому зажиму нагрузки, который соединен с генератором (сетью).

В настоящее время необходимо измерять мощность и энергию постоянного тока, активную мощность и энергию переменного однофазного и трехфазного тока, реактивную мощность и энергию трехфазного переменного тока, мгновенное значение мощности, а также количество электричества в очень широких пределах.

Электрическая мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени.

Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность

P a =UIcos  > = I  2  R=U 2 /R, (1)

где U , I — действующие значения напряжения и тока;  — угол сдвига фаз.

Реактивная мощность

Р р = UIsin  = I 2 X . (2)

Полная мощность

P n = UI = PZ . Эти три типа мощности связаны выражением

P =(Р а 2 +Р 2 р ) (3)

Так, мощность измеряется в пределах 1 Вт… 10 ГВт (в цепях постоянного и однофазного переменного тока) с погрешностью ±(0,01…0,1) %, а при СВЧ — с погрешностью ±(1…5) %. Реактивная мощность от единиц вар до Мвар измеряется с погрешностью ±(0,1…0,5)%.

Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазонами измерения номинальных токов (1 нА…1О кА) и на­пряжений (1 мкВ…1 MB), погрешность измерения составляет ±(0,1…2,5)%.

Измерение реактивной энергии представляет интерес только для промышленных трехфазных цепей.

Измерение мощности в цепях постоянного тока. При косвенном измерении мощности используют метод амперметра и вольтметра и компенсационный метод.

Метод амперметра и вольтметра. В этом случае приборы включаются по двум схемам (рис.1).

Метод прост, надежен, экономичен, но обладает рядом существенных недостатков: необходимостью снимать показания по двум

Рис. .1. Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и амперметра при малых (а) и больших (б) сопротивлениях нагрузки

приборам; необходимостью производить вычисления; невысокой точностью за счет суммирования погрешности приборов.

Мощность Р х , вычисленная по показаниям приборов (рис. 1а), имеет вид

Она больше действительного значения мощности, расходуемой в нагрузке Р н, на значение мощности потребления вольтметра Р v , т. е. Р н = Р х – Р v .

Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра и меньше сопротивление нагрузки.

Мощность Р х , вычисленная по показаниям приборов (рис 1., б), имеем вид

Она больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности потребления амперметром Р А . Методическая погрешность тем меньше, чем меньше входное сопротивление амперметра и больше сопротивление нагрузки.

Компенсационный метод. Этот метод применяется тогда, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряется ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Измеряемая мощность определяется по формуле

P = U н I н . (4)

При прямом измерении активная мощность измеряется электромеханическими (электродинамической и ферродинамической систем), цифровыми и электронными ваттметрами.

Электродинамические ваттметры применяются как переносные приборы для точных измерений мощности (класс 0,1… 2,5) в цепях постоянного и переменного тока с частотой до нескольких тысяч герц.

Ферродинамические щитовые вольтметры применяются в цепях переменного тока промышленной частоты (класс 1,5…2,5).

В широком диапазоне частот применяются цифровые ваттметры, основу

составляют различные преобразователи мощности (например, термоэлектрические), УПТ, микропроцессор и ЦОУ. В цифровых ваттметрах осуществляется автоматический выбор пределов измерений, самокалибровка и предусмотрен внешний интерфейс.

Для измерения мощности в высокочастотных цепях также используются специальные и электронные ваттметры.

Для измерения реактивной мощности на низких частотах служат реактивные ваттметры (варметры), в которых путем использования специальных схем отклонение подвижной части электродинамического ИМ пропорционально реактивной мощности.

Включение электромеханических ваттметров непосредственно в электрическую цепь допустимо при токах нагрузки, не превышающих 10… 20 А, и напряжениях до 600 В. Измерение мощности при больших токах нагрузки и в цепях высокого напряжения производится ваттметром с измерительными трансформаторами тока ТА и напряжения TV (рис..2).

Измерение активной мощности в цепях трехфазного тока. Метод одного ваттметра. Этот метод применяется только в симметричной системе с равномерной нагрузкой фаз, одинаковыми углами сдвига по фазе между векторами I и U и с полной симметрией напряжений (рис..3).

Рис..3. Схемы включения ваттметра в трехфазную трехпроводную цепь при полной симметрии присоединения нагрузки:

а — звездой; б — треугольником; в ~- с искусственной нулевой точкой

Рис.4. Схемы включения двух ваттметров в трехфазную цепь: а — в 1-ю и 3-ю; б — в 1-ю и 2-ю; в — в 2-ю и 3-ю

На рис. .3, а нагрузка соединена звездой и нулевая точка доступна. На рис.3, б нагрузка соединена треугольником, ваттметр включен в фазу. На рис. .3, в нагрузка соединена треугольником с искусственной нулевой точкой. Искусственная нулевая точка создается с помощью двух резисторов, каждый из которых равен сопротивлению цепи обмотки напряжения ваттметра (обычно указывается в техническом паспорте на ваттметр).

Показания ваттметра будут соответствовать мощности одной фазы, а мощность всей трехфазной сети во всех трех случаях включения прибора будет равна мощности одной фазы, умноженной на три:

Р = 3 P w

Метод двух ваттметров. Этот метод применяется в трехфазной трехпроводной цепи независимо от схемы соединения и характера нагрузки как при симметрии, так и при асимметрии токов и напряжений. Асимметрия — это система, в которой мощности отдельных фаз различны. Токовые обмотки ваттметров включаются в любые две фазы, а обмотки напряжения включаются на линейные напряжения (рис. 4).

Полная мощность может быть выражена в виде суммы показаний Двух ваттметров. Так, для схемы, представленной на рис..4, а,

где  1 — угол сдвига фаз между током I 1 и линейным напряжением U 12,  2 — угол сдвига фаз между током I 3 и линейным напряжением U 32 . В частном случае при симметричной системе напряжений и одинаковой нагрузке фаз  1 , = 30° —  и  2 = 30° —  показания ваттметров будут:

При активной нагрузке (= 0) показания ваттметров будут одинаковы, так как P W ] = P W 2 IUcos 30°.

При нагрузке с углом сдвига ср = 60° показания второго ваттметра равны нулю, так как P W 2 = IU cos(30° + ) = IU cos(30° + 60°) = 0, и в этом случае мощность трехфазной цепи измеряется одним ваттметром.

При нагрузке с углом сдвига  > 60° мощность, измеряемая вторым ваттметром, будет отрицательной, так как (30° +) больше 90°. В этом случае подвижная часть ваттметров повернется в обратную сторону. Для отсчета необходимо изменить на 180° фазу тока в одной из цепей ваттметра. В этом случае мощность цепи трехфазного тока равна разности показаний ваттметров

Метод трех ваттметров. Для измерения мощности трехфазной цепи при несимметричной нагрузке включаются три ваттметра, и общая мощность при наличии нулевого провода будет равна арифметической сумме показаний трех ваттметров. В этом случае каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы, показания ваттметра независимо от характера нагрузки будут положительные (параллельная обмотка включается на фазное напряжение, т. е. между линейным проводом и нулевым). Если нулевая точка недоступна и нулевой провод отсутствует, то параллельные цепи приборов могут образовать искусственную нулевую точку при условии, что сопротивления этих цепей равны между собой.

Измерение реактивной мощности в однофазных и трехфазных цепях. Несмотря на то что реактивная мощность не определяет ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии за единицу времени, ее измерение также важно. Наличие реактивной мощности приводит к дополнительным потерям электрической энергии в линиях передачи, трансформаторах и генераторах. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (вар) как в однофазных, так и в трехфазных трех- и четырехпроводных цепях переменного тока электродинамическими и ферродинамическими или специально предназначенными для измерения реактивной мощности ваттметрами. Отличие реактивного ваттметра от обычного состоит в том, что он имеет усложненную схему параллельной цепи для получения сдвига по фазе, равного 90°

между векторами тока и напряжения этой цепи. Тогда отклоне­ние подвижной части будет пропорционально реактивной мощности Р р = UIsin  . Реактивные ваттметры преимущественно применяются для лабораторных измерений и поверки реактивных счетчиков.

Реактивную мощность в трехфазной симметричной цепи можно измерить и активным ваттметром: для этого –токовая катушка последовательно включается в фазу А, катушка напряжения между фазами В и С.

Измерение мощности в цепях повышенной частоты. С этой це­лью можно использовать как прямые, так и косвенные измерения и в ряде случаев предпочтительнее могут оказаться косвенные, так как иногда легче измерить ток и напряжение на нагрузке, чем непосредственно мощность. Прямое измерение мощности в цепях повышенных и высоких частот производится термоэлектрическими, электронными ваттметрами, ваттметрами, основанными на эффекте Холла, и цифровыми ваттметрами.

Косвенные измерения осуществляются осциллографическим методом. Он применяется в основном тогда, когда цепь питается напряжением несинусоидальной формы, при высоких частотах, маломощных источниках напряжения и т. д.

Измерение энергии в однофазных и трехфазных цепях. Энергия измеряется электромеханическими и электронными счетчиками электрической энергии. Электронные счетчики электрической энергии обладают лучшими метрологическими характеристиками, большей надежностью и являются перспективными средствами измерений электрической энергии.

4. Измерение фазы и частоты

Фаза характеризует состояние гармонического сигнала в опре­деленный момент времени t . Фазовый угол в начальный момент времени (начало отсчета времени), т.е. при t = 0, называют нуле вым (начальным) фазовым сдвигом. Разность фаз  измеряют обычно между током и напряжением либо между двумя напряжениями. В первом случае чаще интересуются не самим углом сдвига фаз, а величиной cos или коэффициентом мощности. Cos- это ко­синус того угла, на который опережает или отстает ток нагрузки от напряжения, приложенного к этой нагрузке. Фазовым сдвигом  двух гармонических сигналов одинаковой частоты называют модуль разности их начальных фаз  =| 1 —  2 |. Фазовый сдвиг  не зависит от времени, если остаются неизменными начальные фазы  1 , и  2 . Разность фаз выражается в радианах или градусах.

Методы измерения угла сдвига фаз. Эти методы зависят от диапазона частот, уровня и формы сигнала, от требуемой точности и Наличия средств измерений. Различают косвенное и прямое изменения угла сдвига фаз.

Косвенное измерение. Такое измерение угла сдвига фаз Между напряжением U и током I в нагрузке в однофазных цепях

осуществляют с помощью трех приборов — вольтметра, амперметра и ваттметра (рис.5). Угол  определяется расчетным путем из найденного значения cos:

Метод используется обычно на промышленной частоте и обеспечивает невысокую точность из-за методической погрешности, вызванной собственным потреблением приборов, достаточно прост, надежен, экономичен.

В трехфазной симметричной цепи величина cos может быть определена следующими измерениями:

мощность, ток и напряжение одной фазы;

измерение активной мощности методом двух ваттметров;

измерение реактивной мощности методом двух ваттметров с искусственной нейтральной точкой.

Среди осциллографических методов измерения фазы наибольшее распространение получили методы линейной развертки и эллипса. Осциллографический метод, позволяющий наблюдать и фиксировать исследуемый сигнал в любой момент времени, используется в широком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых измерениях (5… 10 %). Метод линейной развертки предполагает применение двухлучевого осциллографа, на горизонтальные пластины которого подают линейное развертывающее напряжение, а на вертикальные пластины — напряжение, между которыми измеряется фазовый сдвиг. Для синусоидальных кривых на экране получаем изображение двух напряжений (рис.6, а) и по измеренным отрезкам АБ и АС вычисляется угол сдвига между ними

где АБ — отрезок между соответствующими точками кривых при переходе их через нуль по оси X ; АС — отрезок, соответствующий периоду.

Погрешность измерения  х зависит от погрешности отсчета и фазовой погрешности осциллографа.

Если вместо линейной развертки использовать синусоидальное развертывающее напряжение, то получаемые на экране фигуры Лиссажу при равных частотах дают на экране осциллографа форму эллипса (Рис. 6б). Угол сдвига  x =arcsin(АБ/ВГ).

Этот метод позволяет измерять  х в пределах 0 90 о без определения знака фазового угла.

Погрешность измерения  х также определяется погрешностью отсчета

Рис..6. Кривые, получаемые на экране двухлучевого осциллографа: при линейной (а) и синусоидальной (б) развертке

и расхождениями в фазовых сдвигах каналов Х и Y осциллографа.

Применение компенсатора переменного тока с калиброванным фазовращателем и электронным осциллографом в качестве индикатора равенства фаз позволяет произвести достаточно точное измерение угла сдвига фаз. Погрешность измерения в этом случае определяется в основном погрешностью используемого фазовращателя.

Прямое измерение. Прямое измерение утла сдвига фаз осуществляют с помощью электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электронных и цифровых фазометров. Наиболее часто из электромеханических фазометров используют электродинамические и электромагнитные логометрические фазометры. Шкала у этих приборов линейная. Используются на диапазоне частот от 50 Гц до 6… 8 кГц. Классы точности — 0,2; 0,5. Для них характерна большая потребляемая мощность 1(5…10 Вт).

В трехфазной симметричной цепи измерение угла сдвига фаз  или cos осуществляется однофазным или трехфазным фазометрами.

Цифровые фазометры используются в маломощных цепях в диапазоне частот от единиц Гц до 150 МГц, классы точности — 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В электронно-счетных цифровых фазометрах сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые под-считываются электронным счетчиком импульсов. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность, зависящая от точности формирования и передачи временного интервала.

Методы измерения частоты. Частота является одной из важнейших характеристик периодического процесса. Определяется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени. Диапазон используемых в технике частот очень велик и колеблется от долей герц до десятков. Весь спектр частот подразделяется на два диапазона — низкие и высокие.

Низкие частоты: инфразвуковые — ниже 20 Гц; звуковые — 20…20000 Гц; ультразвуковые — 20…200 кГц.

Высокие частоты: высокие — от 200 кГц до 30 МГц; ультравысокие — 30…300 МГц.

Поэтому выбор метода измерения частоты зависит от диапазона измеряемых частот, необходимой точности измерения, величины и формы напряжения измеряемой частоты, мощности измеряемого сигнала, наличия средств измерений и т.д.

Прямое измерение. Метод основан на применении электромеханических, электронных и цифровых частотомеров.

Электромеханические частотомеры используют измерительный механизм электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем с непосредственным отсчетом частоты по шкале логометрического измерителя. Они просты в устройстве и эксплуатации, надежны, обладают довольно высокой точностью. Их используют в диапазоне частот от 20 до 2500 Гц. Классы точно­сти — 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5.

Электронные частотомеры применяются при измерениях в частотном диапазоне от 10 Гц до нескольких мегагерц, при уровнях входного сигнала 0,5… 200 В. Они имеют большое входное сопротивление, что обеспечивает малое потребление мощности. Классы точности — 0,5; 1,0 и ниже.

Цифровые частотомеры применяются для очень точных изме­рений в диапазоне 0,01 Гц… 17 ГГц. Источниками погрешности являются погрешность от дискретности и нестабильности кварцевого генератора.

Мостовой метод. Этот метод измерения частоты основан на использовании частотозависимых мостов переменного тока, питаемых напряжением измеряемой частоты. Наиболее распространенной мостовой схемой для измерения частоты является емкостной мост. Мостовой метод измерения частоты применяют для измерения низких частот в пределах 20 Гц… 20 кГц, погрешность измерения составляет 0,5… 1 %.

Косвенное измерение. Метод осуществляется с использованием осциллографов: по интерференционным фигурам (фигурам Лиссажу) и круговой развертки. Методы просты, удобны и достаточно точны. Их применяют в широком диапазоне частот 10 Гц… 20 МГц. Недостатком метода Лиссажу является сложность расшифровки фигур при соотношении фигур более 10 и, следовательно, возрастает погрешность измерения за счет установления истинного отношения частот. При методе круговой развертки погрешность измерения в основном определяется погрешностью квантования основной частоты.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ

обзор устройства и определение нижнего предела функционирования / Инструменты / iXBT Live

Одной из важнейших характеристик электрической цепи является ее мощность. С помощью данного параметра определяется величина работы, которую электрический ток выполняет за определенную единицу времени. Все устройства включаемые в цепь должны иметь мощность, соответствующую мощности конкретной сети. Для замеров мощности электрического тока применяется – ваттметр. В основном он нужен в сетях переменного тока, определяя мощность включенных приборов, а также для тестирования сетей и их отдельных участков, контроля и слежения за режимом работы электрооборудования, учета потребленной электроэнергии.

Виды мощности электросетей

В промышленности и быту используются цепи постоянного и переменного движения тока. Для каждой из них применяют свой метод получения результата. В линиях непрерывной подачи энергии ватты вычисляются перемножением текущего напряжения на амперы потребления. Для периода времени, в формулу добавляется прошедшее его количество:

В отношении переменных сетей все сложнее. В них различают несколько видов мощности, важных для получения итоговых результатов измерения:

• Мгновенная. Формула нахождения для синусоидальных сетей, наподобие классических бытовых электролиний — Pватт = Uвольт × Iампер × cos φ, где φ — угол сдвига фаз. Если вид электрического сигнала отличается, — «мгновенное» количество ватт вычисляют по сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Другой способ получения значения — знание проводимости цепи, или ее активного сопротивления. Математически взаимосвязь выражается формулами: Pватт = I2 × r, где I — сила тока в амперах, а r — сопротивление в оммах,
• Pватт = U2 × g, где U — напряжение вольт, g — проводимость в сименсах (обозначение См, или S в документации).

Активная мощность. Наиболее важная характеристика импульсных цепей потребления. Среднее количество затраченной энергии, преобразовавшееся в конечную работу за период времени. Выражается формулой:

Реактивная мощность. В цепях переменного тока находится элементы, нагружающих линию, но не приводящих к результативному уходу энергии в другие состояния. То есть, количество электронов остается прежним. Нюанс, непосредственно имеющий значение в том, что движение реактивного тока импульсное. Когда он идет в катушки индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей, он «как бы» покидает цепь. Возвращаясь от них, общий поток энергии системы насыщается добавочными частицами. Математически связь между реактивной Q, полной S и активной мощностью P описывается следующим выражением:Кроме СИ в ваттах, результат измерения Q обозначают в варах (вольт-амперах реактивных).

Полная мощность. Берется из корня сумм квадратов активной и реактивной мощностей. Математически описывается следующей формулой:

Кроме системной единицы в ваттах результат можно встретить обозначенным в вольт-амперах или V·A.

Подключение Ваттметра

Ваттметры имеют четыре клеммы (2 входа, 2 выхода) для подключения. Две из них используют при сборе последовательной (токовой) цепи – ее подключают первой, а две – для параллельной (цепи напряжения).

Начало цепи напряжения (вход) подключают к началу токовой цепи (соединить клеммы перемычкой), соединенному с одним зажимом сети. Конец цепи напряжения (выход) соединяют с другим зажимом сети.

Рассмотрим несколько ваттметров разного исполнения и разных производителей:

Многофункциональный цифровой ваттметр СМ3010 класса точности 0,1

Предназначен для измерения активной мощности, тока, напряжения и частоты в цепях постоянного тока и в однофазных цепях переменного тока; для поверки ваттметров, амперметров, вольтметров класса 0,3 и ниже, частотомеров класса 0,01 и ниже.

Пределы измерения тока Iп:

• на постоянном и переменном токе: 0,002-0,005-0,01-0,02-0,05-0,1-0,2-0,5-1-2-5-10 А.

Пределы измерения напряжения Uп:

• постоянный ток: 1-3-7,5-15-30-75-150-300-450-700-1000 В.
• переменный ток: 1-3-7,5-15-30-75-150-300-450-700 В.

Пределы измерения мощности соответственно Uп* Iп

Пределы измерения частоты от 40 до 5000Гц.

Основная погрешность:

• приведенная погрешность измерения тока, напряжения и мощности на постоянном токе ±0,1%;
• приведенная погрешность измерения тока и напряжения на переменном токе в диапазоне частот от 40 до 1500Гц ±0,1%;
• приведенная погрешность измерения мощности на переменном токе в диапазоне частот от 40 до 1000Гц ±0,1%;
• относительная погрешность измерения частоты в диапазоне частот от 40 до 5000Гц ±0,003%;

Габаритные размеры 225х100х205 мм. Масса не более 1кг. Потребляемая мощность не более 5Вт.

Ваттметры многофункциональные СМ3010 выпускаются по ТУ 4221-047-16851585-2014, соответствуют требованиям ТР ТС 004/2011, ТР ТС 020/2011.

Производство – ЗИП-Научприбор.

Устройства измерительные ЦП8506-120 (далее – устройства).

Предназначены для измерения активной, реактивной, активной и реактивной трехфазных трехпроводных цепей переменного тока, отображения текущего значения измеряемой мощности на цифровом индикаторе и преобразования его в аналоговый выход-ной сигнал (далее – выходной сигнал).

Измеренные значения отображаются в цифровой форме на встроенных индикаторах. Отображение измеренных величин на цифровых индикаторах производится в единицах измеряемой величины, поступающей непосредственно на вход устройства, или в единицах измеряемой величины, поступающей на вход трансформаторов тока и напряжения с учетом коэффициентов трансформации, в ваттах, киловаттах, мегаваттах, варах, киловарах, мегаварах. Цифровые индикаторы имеют по четыре значащих разряда.

Назначение ЦП8506-120:

• для измерения активной и реактивной мощности в трехфазных трехпроводных электрических цепях переменного тока частотой от 45 до 55 Гц

Краткие технические характеристики ЦП8506-120 (Ваттметр)

Варметр щитовой цифровой трехфазный:

• Коэффициент мощности: для ваттметра cos φ=1, для варметра sin φ=1
• Габаритные размеры: 120х120х150 мм
• Высота знака: 20 мм
• Максимальный диапазон отображения: 9999
• Класс точности: 0,5
• Время преобразования: не более 0,5 с
• Рабочая температура: +5 … +40 град С (О4.1), -40…+50 град С (УХЛ3.1)
• Степень защиты по передней панели: IP40
• Потребляемая мощность: 5ВА
• Масса: не более 1,2 кг

Устройство и принцип действия

Аналоговые ваттметры

Наиболее распространенными и точными аналоговыми ваттметрами являются приборы электродинамической системы.

Принцип работы основан на взаимодействии двух катушек. Одна из них – неподвижная, имеет толстую обмотку с небольшим числом витков и малое сопротивление. Подключается последовательно с нагрузкой. Вторая катушка – подвижная.

Ее намотка выполнена из тонкого провода и имеет большое количество витков, поэтому и сопротивление у нее высокое.

Подключается она параллельно нагрузке и снабжается еще добавочным сопротивлением (для исключения короткого замыкания между катушками).

При подключении прибора к сети, в катушках образуются магнитные поля. Их взаимодействие создает вращающий момент, который отклоняет подвижную катушку с подсоединенной к ней стрелкой на определенный угол.

Величина угла эквивалентна произведению силы тока и напряжения в данный момент времени.

Цифровые ваттметры

В основе работы цифрового ваттметра лежит предварительное измерение силы тока и напряжения. Для этого на входе устанавливаются: последовательно нагрузке – датчик тока, параллельно – датчик напряжения. Они могут выполняться на базе термисторов, измерительных трансформаторов, термопар и других элементов.

Мгновенные значения полученных величин тока и напряжения посредством аналого-цифрового преобразователя передаются к встроенному микропроцессору. Здесь производятся необходимые вычисления (находится активная и реактивная мощности) и выдаются в виде итоговой информации на дисплей и подключенные внешние устройства.

Рисунок — Схема подключения Ваттметра

Виды исполнения измерителей

Ваттметры делятся на мобильные (носимые), стационарные (щитовые), лабораторные и бытовые. Все представленные разновидности могут быть выполнены в аналоговом и цифровом классе устройств.

Мобильные

Сюда относятся тестеры небольшого размера, для единовременной разовой проверки каналов нагрузки. Питание подобные аппараты, часто получают от самой исследуемой линии. Есть варианты, оснащенные аккумуляторами, или батареями. Зависимые от сети — часто аналогового, автономные — цифрового класса.

Стационарные

Подключение ваттметра стационарного вида обычно выполняется в щитах питания зданий, домов, квартир, или в иных точках центрального распределения энергии. Отдельными постоянными измерительными устройствами выступают лабораторные аппараты. Первые предназначены целям постоянного контроля расхода линии, вторые для единовременной, но высокоточной пробы электрического потребления отдельных нагрузок.

Ваттметр стационарного типа бывает аналогового и цифрового класса. Плюсом первого выступает непревзойденная надежность, второго — удобство и функциональность. Частым случаем, монтируемых в щиток и учитывающих потребление аппаратов можно назвать классические счетчики расхода электроэнергии. К сожалению, они не определяют «моментальные» значения, но дают представление об общих затратах на нагрузку линии в киловатт часах.

Бытовые

Аппараты подобного вида не очень точны, и предназначены обычно для измерения расхода одного, реже двух бытовых устройств. Классическое исполнение — переходник с индикатором, размещаемый между гнездом 220 В и вилкой потребителя. Подобный ваттметр, вставляемый в розетку, может, в зависимости от модели, показывать и «мгновенный» общий расход, или разделять его на активный, реактивный, комплексный и общие киловатт-часы.

Как подключить вольтметр в электрическую цепь

Постоянный ток не меняет направления во времени. Примером может служить батарейка в фонарике или радиоприемнике, аккумулятор в автомобиле. Мы всегда знаем, где положительная клейма источника питания, а где отрицательная.

Переменный ток — это ток, который с определенной периодичностью меняет направление движения. Такой ток протекает в нашей розетке, когда мы к ней подключаем нагрузку. Тут нет положительного и отрицательного полюса, а есть только фаза и ноль. Напряжение на нуле близко по потенциалу с потенциалом земли. Потенциал же на фазовом выводе меняется с положительного до отрицательного с частотой 50 Гц, го есть ток под нагрузкой будет менять свое направление 50 раз в секунду.

В течение одного периода колебания величина тока повышается от нуля до максимума, затем уменьшается и проходит через ноль, а потом совершается обратный процесс, но уже с другим знаком.

Получение и передача переменного тока намного проще, чем постоянного: меньше потерь энергии, С помощью трансформаторов мы можем легко менять напряжение переменного тока.

При передаче большого напряжения требуется меньший ток для той же мощности. Это позволяет использовать более тонкие довода. В сварочных трансформаторах используется обратный процесс — понижают напряжение для повышения сварочного тока.

Измерение постоянного тока

Чтобы в электрической цепи измерить ток, необходимо последовательно с приемником электроэнергии включить амперметр или миллиамперметр. При этом, чтобы исключить влияние измерительного прибора на работу потребителя, амперметр должен обладать очень малым внутренним сопротивлением, чтобы практически его можно было бы принять равным нулю, чтобы падением напряжения на приборе можно было бы просто пренебречь.

Включение амперметра в цепь — всегда последовательно с нагрузкой. Если подключить амперметр параллельно нагрузке, параллельно источнику питания, то амперметр просто сгорит или сгорит источник, поскольку весь ток потечет через мизерное сопротивление измерительного прибора.

Шунт

Пределы измерения амперметров, предназначенных для проведения измерений в цепях постоянного тока, расширяемы, путем подключения амперметра не напрямую измерительной катушкой последовательно нагрузке, а путем подключения измерительной катушки амперметра параллельно шунту.

Так через катушку прибора пройдет всегда лишь малая часть измеряемого тока, основная часть которого потечет через шунт, включенный в цепь последовательно. То есть прибор фактически измерит падение напряжения на шунте известного сопротивления, и ток будет прямо пропорционален этому напряжению.

Практически амперметр сработает в роли милливольтметра. Тем не менее, поскольку шкала прибора градуирована в амперах, пользователь получит информацию о величине измеряемого тока. Коэффициент шунтирования выбирают обычно кратным 10.

Шунты, рассчитанные на токи до 50 ампер монтируют непосредственно в корпуса приборов, а шунты для измерения больших токов делают выносными, и тогда прибор соединяют с шунтом щупами. У приборов, предназначенных для постоянной работы с шунтом, шкалы сразу градуированы в конкретных значениях тока с учетом коэффициента шунтирования, и пользователю уже не нужно ничего вычислять.

Если шунт наружный, то в случае с калиброванным шунтом — на нем указывается номинальный ток и номинальное напряжение: 45 мВ, 75 мВ, 100 мВ, 150 мВ. Для текущих измерений выбирают такой шунт, чтобы стрелка отклонялась бы максимум – на всю шкалу, то есть номинальные напряжения шунта и измерительного прибора должны быть одинаковыми.

Если речь идет об индивидуальном шунте для конкретного прибора, то все, конечно, проще. По классам точности шунты делятся на: 0,02, 0,05, 0,1, 0,2 и 0,5 — это допустимая погрешность в долях процента.

Шунты изготавливают из металлов с малым температурным коэффициентом сопротивления, и обладающих значительным удельным сопротивлением: константан, никелин, манганин, – чтобы когда протекающий через шунт ток нагревает его, это не отражалось бы на показаниях прибора. Еще для снижения температурного фактора при измерениях, последовательно с катушкой амперметра включают добавочный резистор из материла такого же рода.

Измерение постоянного напряжения

Чтобы измерить постоянное напряжение между двумя точками цепи, параллельно цепи, между этими двумя точками, подключают вольтметр. Вольтметр включается всегда параллельно приемнику или источнику. А чтобы подключенный вольтметр не оказывал влияния на работу цепи, не вызывал бы снижения напряжения, не вызывал потерь, – он должен обладать достаточно высоким внутренним сопротивлением, чтобы током через вольтметр можно было бы пренебречь.

Добавочный резистор

И чтобы расширить пределы измерения вольтметра, последовательно с его рабочей обмоткой включается добавочный резистор, чтобы только часть измеряемого напряжения приходилась бы непосредственно на измерительную обмотку прибора, пропорционально ее сопротивлению. А при известном значении сопротивления добавочного резистора, по зафиксированному на нем напряжению легко определяется полное измеряемое напряжение, действующее в данной цепи. Так работают все классические вольтметры.

Коэффициент, появляющийся в результате добавления добавочного резистора, покажет, во сколько раз измеряемое напряжение больше напряжения, приходящегося на измерительную катушку прибора. То есть пределы измерения прибора зависят от величины добавочного резистора.

Добавочный резистор встраивается в прибор. Для снижения влияния температуры окружающей среды на измерения, добавочный резистор изготавливают из материала обладающего малым температурным коэффициентом сопротивления. Поскольку сопротивление добавочного резистора во много раз больше сопротивления прибора, то и сопротивление измерительного механизма прибора в итоге не зависит от температуры. Классы точности добавочных резисторов выражаются аналогично классам точности шунтов — в долях процентов обозначают величину погрешности.

Чтобы еще больше расширить пределы измерения вольтметров, применяют делители напряжения. Это делается для того, чтобы при измерении на прибор приходилось напряжение, соответствующее номиналу прибора, то есть не превышало бы предел на его шкале. Коэффициентом деления делителя напряжения называется отношение входного напряжения делителя к выходному, измеряемому напряжению. Коэффициент деления берут равным 10, 100, 500 и более, в зависимости от возможностей применяемого вольтметра. Делитель не вносит большой погрешности, если сопротивление вольтметра также высоко, а внутреннее сопротивление источника мало.

Измерение переменного тока

Чтобы точно измерить прибором параметры переменного тока, необходим измерительный трансформатор. Измерительный трансформатор, применяемый в целях измерений, к тому же дает персоналу безопасность, поскольку благодаря трансформатору достигается гальваническая развязка от цепи высокого напряжения. Вообще, техника безопасности запрещает подключать электроизмерительные приборы без таких трансформаторов.

Применение измерительных трансформаторов позволяет расширить пределы измерения приборов, то есть появляется возможность измерять большие напряжения и токи при помощи низковольтных и слаботочных приборов. Так, измерительные трансформаторы бывают двух типов: трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.

Измерительный трансформатор напряжения

Чтобы измерить переменное напряжение применяют трансформатор напряжения. Это понижающий трансформатор с двумя обмотками, первичная обмотка которого присоединяется к двум точкам цепи, между которыми нужно измерить напряжение, а вторичная — непосредственно к вольтметру. Измерительные трансформаторы на схемах изображают как обычные трансформаторы.

Трансформатор без нагруженной вторичной обмотки работает в режиме холостого хода, и при подключенном вольтметре, сопротивление которого велико, трансформатор остается практически в этом режиме, и поэтому можно считать измеренное напряжение пропорциональным напряжению, приложенному к первичной обмотке, с учетом коэффициента трансформации, равного соотношению количеств витков во вторичной и первичной его обмотках.

Таким образом можно измерять высокое напряжение, при этом на прибор будет подаваться небольшое безопасное напряжение. Останется умножить измеренное напряжение на коэффициент трансформации измерительного трансформатора напряжения.

Те вольтметры, которые изначально предназначены для работы с трансформаторами напряжения, имеют градуировку шкалы с учетом коэффициента трансформации, тогда по шкале без дополнительных вычислений сразу видно значение измененного напряжения.

В целях повышения безопасности при работе с прибором, на случай повреждения изоляции измерительного трансформатора, один из выводов вторичной обмотки трансформатора и его каркас сначала заземляются.

Измерительные трансформаторы тока

Для подключения амперметров к цепям переменного тока служат измерительные трансформаторы тока. Это двухобмоточные повышающие трансформаторы. Первичная обмотка включается последовательно в измеряемую цепь, а вторичная — к амперметру. Сопротивление в цепи амперметра мало, и получается, что трансформатор тока работает практически в режиме короткого замыкания, при этом можно считать, что токи в первичной и вторичной обмотках относятся друг к другу как количества витков во вторичной и первичной обмотках.

Подобрав подходящее соотношение витков, можно измерять значительные токи, при этом через прибор всегда будут протекать токи достаточно малые. Останется умножить измеренный во вторичной обмотке ток на коэффициент трансформации. Те амперметры, которые предназначены для постоянной работы совместно с трансформаторами тока, имеют градуировку шкал с учетом коэффициента трансформации, и по шкале прибора без вычислений можно легко считать значение измеряемого тока. С целью повышения безопасности персонала, один из выводов вторичной обмотки измерительного трансформатора тока и его каркас сначала заземляются.

Во многих применениях удобны проходные измерительные трансформаторы тока, у которых магнитопровод и вторичная обмотка изолированы и расположены внутри проходного корпуса, через окно которого проходит медная шина с измеряемым током.

Вторичная обмотка такого трансформатора никогда не оставляется разомкнутой, ибо сильное увеличение магнитного потока в магнитопроводе может не только привести к его разрушению, но и навести на вторичной обмотке опасную для персонала ЭДС. Чтобы провести безопасное измерение, вторичную обмотку шунтируют резистором известного номинала, напряжение на котором будет пропорционально измеряемому току.

Для измерительных трансформаторов характерны погрешности двух видов: угловая и коэффициента трансформации. Первая связана с отклонением угла сдвига фаз первичной и вторичной обмоток от 180°, что приводит к неточным показаниям ваттметров. Что касается погрешности связанной с коэффициентом трансформации, то это отклонение показывает класс точности: 0,2, 0,5, 1 и т. д. – в процентах от номинального значения.

Для измерения различных электрических величин служат электрические измерительные приборы:

силы тока – амперметр;

напряжения и ЭДС – вольтметр;

электрической энергии – счетчики электрической энергии.

Для включения амперметра цепь тока разрывают и в месте разрыва концы проводов присоединяют к зажимам амперметра (рис. 5). Таким образом, через амперметр проходит весь измеряемый ток; такое включение называется последовательным.

Вольтметр подключают к началу и концу участка цепи; такое подключение называется параллельным (см. рис. 5). Вольтметр показывает падение напряжения на данном участке.

Рис. 5. Включение амперметра (А) и вольтметра (В) в электрическую цепь

При различных электрических измерениях весьма важно, чтобы измерительный прибор как можно меньше изменял электрический режим цепи, в которую его включают.

Как вы считаете, каким сопротивлением должен обладать амперметр и вольтметр?

В связи с вышеизложенным схемы подключения амперметра и вольтметра определяют их сопротивления: амперметр должен обладать незначительным сопротивлением по сравнению с сопротивлением цепи; вольтметр, наоборот, − значительным.

Для измерения мощности в электрических цепях используют ваттметр. На лицевую панель ваттметра выведены четыре зажима, два из которых обозначены символом I (токовые зажимы включаются в цепь последовательно), а два других – U (зажимы напряжения включаются в цепь параллельно). Два зажима (один токовый и один напряжения) помечены точками и называются генераторными.

Как вы считаете, для чего помечены эти зажимы?

Условные обозначения и схема подключения амперметра, вольтметра и ваттметра приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема включения (а) и внешний вид (б) ваттметра

Вывод по четвертому вопросу: для измерения различных электрических величин служат электрические измерительные приборы: силы тока – амперметр; напряжения и ЭДС – вольтметр; мощности – ваттметр; сопротивления – омметры; электрической энергии – счетчики электрической энергии. Амперметр включается в цепь последовательно, вольтметр – параллельно.

5. Заключение (10 мин.)

Мы рассмотрели основные законы электротехники: закон Ома и закон Джоуля-Ленца.

Физическая сущность закона Ома заключается в том, что чем больше ЭДС источника, тем больше энергия носителей зарядов, больше скорость их упорядоченного движения и тем больше величина тока в цепи. Если увеличить сопротивление электрической цепи, то увеличится противодействие движению носителей зарядов и уменьшится величина тока.

Способность тела производить работу называется энергией тела. Таким образом, мерой количества энергии является работа.

При столкновении движущихся частиц с молекулами и ионами вещества кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам и молекулам, вследствие чего происходит нагревание проводника. Это явление описывается законом Джоуля-Ленца. Закон Джоуля-Ленца используют при расчетах тепловых режимов источников электроэнергии, линий электропередачи, потребителей и других элементов электрической цепи. Преобразование электроэнергии в тепловую имеет очень большое практическое значение. Но при этом существуют и отрицательные проявления электрического тока. Статистика свидетельствует, что чаще всего причиной пожаров в жилых и общественных зданиях становится нагрев кабелей и электрических проводов.

Знание видов соединения элементов в электрических цепях, способов эквивалентного преобразования видов соединения электрических цепей необходимо для успешного усвоения методик расчета как электрических цепей постоянного, так и переменного тока. Различают последовательное, параллельное, смешанное соединение приемников электроэнергии, а также звезда и треугольник.

При различных электрических измерениях весьма важно, чтобы измерительный прибор как можно меньше изменял электрический режим цепи, в которую его включают, поэтому амперметр включают последовательно, а вольтметр – параллельно.

Как и любую физическую величину, напряжение можно измерить, для этого используется вольтметр. Но чтобы получить достоверные данные, его необходимо правильно подключить.

Принцип действия

Все устройства, которыми производятся измерения в электрических сетях, делятся на две группы: электромеханические и электронные.

Электромеханические аппараты

Это стрелочные приборы. Стрелка в них закреплена на рамке, на которую намотан провод. Эта катушка находится на одной оси с постоянным магнитом в приборах, используемых в сети постоянного тока, или с другой катушкой – в устройствах переменного напряжения.

Справка. Аппарат переменного тока в сети постоянного работать не будет, но устройство для измерения постоянного напряжения, если включить его через диодный мост, можно подключить в сеть переменного тока с потерей точности.

При прохождении тока по обмотке в ней наводится электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитом или другой обмоткой, и рамка поворачивается. Вращению катушки со стрелкой препятствует пружина, поэтому угол поворота рамки соответствует току через неё и потенциалу на клеммах.

Для уменьшения колебаний стрелки устанавливается демпфер электромагнитный из алюминиевой пластины или пневматический, из поршня и цилиндра.

Для повышения точности стрелка снабжена противовесами, исключающими влияние силы тяжести, а сам механизм выполняется из легированной стали для уменьшения износа.

Электронные приборы

В электронных аппаратах чувствительным элементом является электронная плата, преобразующая входной сигнал в показания прибора. Питание такое устройство может получать от измеряемого напряжения или другого источника – внутренних батарей или внешнего питания.

Электронные вольтметры есть двух типов:

• Аналоговые. В них находится преобразователь входного сигнала в угол поворота стрелки, показывающий на шкале величину измеряемого напряжения. Недостаток аналоговых схем – в необходимости пересчитывать показания шкалы при изменении предела измерения;
• Цифровые. В таких приборах есть цифровой дисплей и преобразователь, отображающий входной сигнал в цифровом виде. При подключении устройства в сеть постоянного тока на табло показывается полярность подключения. Эти конструкции отличаются компактностью, а точность такого аппарата зависит от качества встроенного контроллера.

Подключение вольтметра

Напряжение на источнике питания или элементе цепи измеряется аппаратом, который подключается параллельно устройству.

Катушка прибора имеет низкое сопротивление, и при непосредственном включении в сеть ток будет большим. Для уменьшения потребляемого тока и влияния на электрическую сеть в цепь последовательно с аппаратом включаются добавочные сопротивления.

Важно! При включении вольтметра последовательно с нагрузкой он покажет напряжение источника питания с погрешностью из-за сопротивления нагрузки. Последовательно подсоединяют амперметр.

Постоянное напряжение

Способы измерения постоянного напряжения зависят от его величины:

• до 1 милливольта – цифровыми и аналоговыми аппаратами со встроенным усилителем;
• до 1000 вольт используют обычные аппараты различных систем;
• свыше 1 кВ измерения производятся электростатическими приборами, предназначенными для работы в высоковольтных сетях или обычными, включёнными через делитель.

Увеличение предела измерения производится включёнием последовательно с прибором добавочного сопротивления Rдоб. Для увеличения предела в n раз общее сопротивление также необходимо увеличить в n раз и, учитывая сопротивление прибора Rпр, Rдоб=Rпр*(n-1). Показания шкалы также умножаются на n.

Переменное напряжение

Методы и типы устройств для измерения в сетях переменного тока зависят от величины напряжения и частоты сети:

• до 1 вольта – цифровые и аналоговые устройства с усилителями;
• до 1кВ и частотой до десятков кГц – выпрямительные системы, электромагнитные, электродинамические приборы;
• при частоте до десятков мегагерц – термоэлектрические и электростатические аппараты.

Важно! Вольтметр переменного тока показывает действующее значение напряжения. При синусоидальной форме его величина в √3 (1,7) меньше амплитудного.

Расширение пределов измерения производится включением через разделительный или автотрансформатор, а также использованием добавочного сопротивления. Его величина рассчитывается аналогично измерениям в сети постоянного тока.

При использовании разделительного трансформатора показания прибора умножаются на коэффициент трансформации n=U1/U2.

Подключение вольтметра необходимо производить по определённым схемам. Это делается для того, чтобы показания прибора соответствовали параметрам сети.

Видео

Основы метрологического обеспечения. Краткий исторический обзор развития метрологии. Нормативные документы, регламентирующие метрологическое обеспечение, страница 40

Косвенные методы измерений мощности с помощью амперметров, вольтметров и фазометров возможны только в том диапазоне частот, в котором измеряемая электрическая ветвь представляет собой электрическую цепь с сосредоточенными постоянными параметрами.

На частотах свыше 100 МГц вследствие волнового характера процессов значения напряжения и токов теряют однозначность и результаты измерений начинают зависеть от места подключения прибора.

Рассмотрим вначале методы измерения мощности постоянного тока, которое может быть выполнено как с помощью двух приборов (вольтметра и амперметра), так и одним электродинамическим ваттметром.

17.2. Измерение мощности в цепях постоянного тока

Косвенное измерение мощности с помощью амперметра и вольтметра осуществляется в цепях постоянного тока по любой из двух вариантов схем, изображенных на рис. 17.1.

Рис.17.1. Электрические схемы подключения амперметра и вольтметра для измерения мощности постоянного тока при условии, что внутреннее сопротивление вольтметра значительно больше сопротивления нагрузки (а) и для случая, когда внутреннее сопротивление вольтметра соизмеримо с сопротивлением нагрузки (б)

При любом варианте (рис. 17.1) подключения вольтметра и амперметра мощность цепи постоянного тока вычисляется по формуле

Р = U·I.

Прямое измерение мощности цепи постоянного тока чаще всего производят электродинамическим ваттметром. Схема подключения ваттметра изображена на рис. 17.2.

На рис.17.2 показано, что неподвижная катушка ваттметра включена последовательно с измеряемой нагрузкой R_H , а подвижная катушка – параллельно ей. При таком включении отклонение подвижной части прибора пропорционально измеряемой мощности на нагрузке:

.

Направление отклонения подвижной части ваттметра зависит от взаимного направления токов в цепях измерительного механизма. Необходимо соблюдать правила соединения генераторных зажимов  последовательной и параллельной катушек измерительного прибора, а именно: генераторные зажимы ваттметра всегда включаются в сторону источника питания.

 Рис. 17.2. Электрическая схема подключения ваттметра для измерения мощности постоянного тока

17.3.  Измерение мощности в цепях переменного тока

Измерение мощности переменного однофазного тока выполняется аналогично измерению мощности постоянного тока с помощью ваттметра, электрическая схема подключения катушек которого к нагрузке изображена на рис. 17.2.

Измерение активной мощности в трехфазных цепях может быть осуществлено одним, двумя или тремя ваттметрами.

Метод измерения одним ваттметром применим для определения мощности симметричных трехфазных цепей, соединенных звездой или в треугольник. Схема подключения ваттметра для измерения мощности симметричных трехфазных цепей изображена на рис. 17.3.

Рис. 17.3. Схема подключения ваттметра для измерения мощности симметричных трехфазных цепей, соединенных звездой без нейтрального провода (а)  и в треугольник (б)

На рис. 17.3 показано, что токовая цепь ваттметра включается последовательно с сопротивлением  Z_Ф какой-либо фазы нагрузки, а параллельная цепь – на напряжение этой же фазы. Мощность трехфазной нагрузки определяется умножением показаний ваттметра Р_w на 3:

Р = 3·Р_w.    

Если фазное напряжение сети превышает номинальное напряжение ваттметра, то последовательно с обмоткой напряжения этого ваттметра включается добавочное сопротивление R_g как это показано на рис. 17.3. Тогда мощность симметричной трехфазной сети вычисляют по формуле

,   где  R_V  — сопротивление параллельной катушки ваттметра.

Метод двух ваттметров применяется для измерения активной мощности симметричных и несимметричных трехфазных цепей (без нейтрального провода). Электрическая схема подключения двух ваттметров в трех вариантах для измерения активной мощности трехфазной сети изображена на рис. 17.4.

Рис. 17.4. Электрическая схема подключения двух ваттметров в трех вариантах для измерения активной мощности трехфазной сети

ТОЭ Лекции- №40 Мощность трехфазной цепи и способы ее измерения

Активная и реактивная мощности трехфазной цепи, как для любой сложной цепи, равны суммам соответствующих мощностей отдельных фаз:

где IA, UA, IB, UB, IC, UC – фазные значения токов и напряжений.

В симметричном режиме мощности отдельных фаз равны, а мощность всей цепи может быть получена путем умножения фазных мощностей на число фаз:

В полученных выражениях заменим фазные величины на линейные. Для схемы звезды верны соотношения Uф/Uл/√3, Iф=Iл, тогда получим:

Для схемы треугольника верны соотношения: Uф=Uл ; Iф=Iл / √3 , тогда получим:

Следовательно, независимо от схемы соединения (звезда или треугольник) для симметричной трехфазной цепи формулы для мощностей имеют одинаковый вид:

В приведенных формулах для мощностей трехфазной цепи подразумеваются линейные значения величин U и I, но индексы при их обозначениях не ставятся.

Активная мощность в электрической цепи измеряется прибором, называемым ваттметром, показания которого определяется по формуле:

где Uw, Iw — векторы напряжения и тока, подведенные к обмоткам прибора.

Для измерения активной мощности всей трехфазной цепи в зависимости от схемы соединения фаз нагрузки и ее характера применяются различные схемы включения измерительных приборов.

Для измерения активной мощности симметричной трехфазной цепи при-меняется схема с одним ваттметром, который включается в одну из фаз и измеряет активную мощность только этой фазы (рис. 40.1). Активная мощность всей цепи получается путем умножения показания ваттметра на число фаз: P=3W=3UфIфcos(φ). Схема с одним ваттметром может быть использована только для ориентированной оценки мощности и неприменима для точных и коммерческих измерений.

Для измерения активной мощности в четырехпроводных трехфазных цепях (при на¬личии нулевого провода) применяется схема с тремя приборами (рис. 40.2), в которой произво¬дится измерение активной мощности каждой фазы в отдельности, а мощность всей цепи оп¬ределяется как сумма показаний трех ваттметров:

Для измерения активной мощности в трехпроводных трехфазных цепях (при отсутствии нулевого провода) применяется схема с двумя приборами (рис. 40.3).

При отсутствии нулевого провода линейные (фазные) ток связаны между собой урав¬нением 1-го закона Кирхгофа: IA+IB+IC=0. Сумма показаний двух ваттметров равна:

Таким образом, сумма показаний двух ваттметров равна активной трехфазной мощности, при этом показание каждого прибора в отдельности зависит не только величины нагрузки но и от ее характера.

На рис. 40.4 показана векторная диаграмма токов и напряжений для сим¬метричной нагрузки. Из диаграммы следует, что показания отдельных ваттметров могут быть определены по формулам:

Анализ полученных выражений позволяет сделать следующие выводы. При активной нагрузке (φ = 0), показания ваттметров равны (W1 = W2).

При активно-индуктивной нагрузке(0 ≤ φ ≤ 90°) показание первого ватт-метра меньше, чем второго (W1 < W2), а при φ>60° показание первого ваттметра становится отрицательным (W1 < 0).

При активно-емкостной нагрузке(0 ≥ φ≥ -90°) показание второго ватт-метра меньше, чем первого (W1 больше W2), а при φ(меньше)-60 ° показание второго ватт-метра становится отрицательным.

Как включить ваттметр в цепь постоянного тока – Меандр – занимательная электроника

Дан ваттметр на номинальный ток 5 А и номинальное напряжение 300 В. Как его включить в сеть?

Если ток нагрузки Iх меньше допустимого тока, то есть в данном случае меньше 5 А, и если напряжение в измерительной цепи меньше допустимого напряжения катушки, то есть меньше 300 В, то схема включения имеет следующий вид (рис. 1, а): сначала включают последовательную катушку ваттметра — собирают токовую цепь (на рисунке показана жирной линией), затем собирают цепь напряжения, для этого начало катушки напряжения ваттметра при помощи перемычки К подключают к началу токовой катушки, соединенной с одним из зажимов сети, а конец катушки напряжения присоединяют к другому зажиму сети.

Рисунок 1. Схемы включения ваттметра: а — непосредственно в сеть правильно, б — неправильно, в — в сеть с большим напряжением и большим током.

Иногда при выполнении токовой цепи в нее включают сопротивление перемычки (рис. 1, б). Этого делать нельзя, так как в этом случае через перемычку проходит рабочий ток, а не малый ток цепи напряжения, как в рассмотренной ранее схеме. Кроме того, в цепи токовой катушки ваттметра, имеющей малое сопротивление, добавляется сопротивление самой перемычки и два контактных переходных сопротивления. Все это приводит к появлению дополнительной погрешности при измерении мощности.

Если шкала прибора не отградуирована в единицах мощности (например, в многопредельном электродинамическом ваттметре), но имеет определенное число делений N, то для измерения мощности на данном пределе измерений следует определить цену деления ваттметра по формуле:

Сн = IнUн/N,

где Uн — номинальное напряжение ваттметра или предел измерений по напряжениею, Iн – ток ваттметра, или предел измерений по току, А, N — число делений шкалы ваттметра (обычно 100 или 150).

Пусть дан ваттметр с Uн=150 В, Iн=5 А и N=150. Тогда цена деления прибора Сн = 150 х 5/150 = 5 Вт/дел,

Для того чтобы определить мощность по показаниям прибора, нужно показание прибора в делениях шкалы n умножить на цену деления Сн:

Р = nСн.

Если напряжение в сети больше допустимого напряжения катушки напряжения, а ток больше допустимого тока токовой катушки, то необходимо в цепи постоянного тока для подключения прибора воспользоваться добавочным резистором и измерительным шунтом (рис. 1, в).

Как рассчитать сопротивления добавочного резистора и шунта для подключения ваттметра в цепь постоянного тока

Значение сопротивления шунта для подключения ваттметра для схемы, приведенной на рисунке 1, в, можно определить по формуле:

rш = ra (p – 1) = ra (Ia/Iн – 1),

где ra — сопротивление токовой катушки ваттметра, Ом, p — коэффициент шунтирования, а значение сопротивления добавочного резистора — из выражения rд = rv (q – 1) = rv (U / Uн – 1),

где rv — сопротивление катушки напряжения ваттметра, Ом.

Например, для ваттметра с номинальным напряжением катушки напряжения Uн=150 В и номинальным током токовой катушки Iн=5 А, включенного в измерительную цепь напряжением 220 В (рис. 1, в) с током около 20 А, необходимо рассчитать сопротивления добавочного резистора и шунта.

Значение сопротивления шунта rш = ra /(20/5-1) = ra /3,

то есть для подключения ваттметра необходим шунт, сопротивление которого меньше сопротивления токовой цепи ваттметра в три раза. Сопротивление добавочного резистора ra = rv (220/150—1) =0,46rv,

Действительное значение мощности P = Pwpq, где Pw — показание ваттметра, если его шкала отградуирована в единицах мощности.

Если ваттметр подключен через шунт, то цену деления можно определить так:

С’н = (UнIн / pq) = Сн х p х q

В приведенном примере р=4, а q=1,46, следовательно, показание ваттметра следует умножать на 5,86, чтобы определить действительное значение мощности, что неудобно. Поэтому при подборе шунта и добавочного резистора стремятся принимать коэффициенты q и р равными целым числам.

В данном примере удобно принять р=5, a q=2, то есть rш = ra / 4 и Rд=rv, тогда измеренное значение мощности можно определять, умножая показания прибора на 10. Новая цена деления ваттметра будет равна С’н= 150х 2 х 5 х 5 / 150 = 50 Вт/дел.,

где 150 х 2 = 300 В — новый предел измерений ваттметра по напряжению, 5 х 5 = 25 А — новый предел измерений ваттметра по току.

Наружный добавочный резистор следует включать только после обмотки напряжения ваттметра, а не перед ней, иначе потенциал подвижной катушки относительно неподвижной может достигнуть опасных для изоляции значений.

Источник информации: Школа для электрика: электротехника и электроника. Статьи, советы, полезная информация.

Измерение мощности, энергии и коэффициента мощности

Страница 5 из 40

Для измерения электрической мощности применяют следующие методы: амперметра — вольтметра; одного ваттметра; двух и трех ваттметров и с помощью переносных ваттметров.
Метод амперметра и вольтметра дает возможность измерить мощность постоянного тока (произведение тока на напряжение) или полную (кажущуюся) мощность переменного тока, равную активной мощности при cos φ = 1. Существуют две схемы подключения приборов (рис. 13).

Рис. 13. Схемы подключения вольтметра и амперметра для измерения мощности

Рис. 14. Схемы подключения приборов для замера мощности на постоянном токе и симметричной нагрузки на переменном токе
Измеренная по схеме на рис. 13, а мощность оказывается больше мощности нагрузки на величину мощности, потребляемой амперметром РА. При измерении по схеме на рис. 13, б мощность больше на величину мощности, потребляемой вольтметром. Первая схема используется при сравнительно больших сопротивлениях, вторая — при малых. Необходимо учитывать, что погрешность измерения мощности методом амперметра — вольтметра больше суммы приведенных погрешностей обоих приборов.

Метод одного ваттметра применяют для измерения мощности в цепи постоянного тока или (активной мощности) однофазного переменного тока (ваттметр включается по схеме, изображенной на рис. 14, а.) При подключении приборов необходимо соблюдать полярность. В схемах на переменном токе это обеспечивается согласным подключением генераторных зажимов (на приборах они обозначаются звездочками) к источнику питания.
Метод одного ваттметра также применим при измерении активной мощности в цепях трехфазного тока при полной симметрии нагрузок, т. е. когда звезда фазных (и линейных) напряжений симметрична и токи нагрузок во всех фазах равны по значению (рис. 14, б) и фазовому сдвигу. Примером симметричной нагрузки является асинхронный двигатель, где za=zb= zс. Если нагрузка соединена треугольником, для измерения мощности можно использовать схему, изображенную на рис. 14, в, где сопротивлении резисторов rд должны быть равны сопротивлению параллельной цепи ваттметра. Мощность трех фаз получают умножением полученного результата на 3, т. е. Р3ф = 3Рф.

Метод двух ваттметров используется при простои симметрии фаз, когда звезда фазных (и линейных) напряжений симметрична, а токи нагрузки по значению и фазе не равны между собой. Включая ваттметры, необходимо соблюдать полярность в соответствии с рис. 15, а. Токовая цепь первого ваттметра включена в фазу А с подсоединением генераторного зажима со стороны питания, а цепь напряжения включена между фазами А и В. Токовая цепь второго ваттметра включена в фазу С также с подсоединением генераторного зажима со стороны питания, а цепь напряжения включена между фазами В и С. Токовые цепи ваттметров можно включить в любые из двух фаз, но цепи напряжения должны быть подсоединены между фазами, где включены токовые цепи, и свободной фазой.
Рис. 15. Схемы измерения мощности переменного тока при простой симметрии фаз

Сумма показаний двух ваттметров равна мощности трехфазной системы:

Метод трех ваттметров (рис. 15,б) самый громоздкий и применяют его только при полной несимметрии, т. е. когда звезда фазных (и линейных) напряжений искажена и токи нагрузки по значению и фазе не равны между собой. Сумма показаний трех приборов равна мощности трехфазной системы:

Переносные ваттметры имеют несколько пределов измерения по току и напряжению, чем расширяется диапазон измеряемых мощностей. Такие ваттметры снабжаются переключателями полярности, что дает возможность изменять полярность прибора без изменения схемы его подключения. Последнее особенно важно при подключении ваттметра в цепях трехфазного переменного тока, где одним и тем же прибором можно измерять несколькими методами, Шкала переносного ваттметра условна. Для определения измеряемой мощности необходимо показания прибора умножить на. коэффициенты трансформатора тока (КА) и трансформатора напряжения (К) при принятых пределах измерения.
Для измерения активной мощности можно также применять трехфазные ваттметры, состоящие из двух или трех однофазных ваттметров.
Энергию электрического тока измеряют счетчиками электрической энергии, которые включают в цепь подобно ваттметрам. Для учета активной энергии в четырехпроводной сети с нулевым проводом применяют схему, аналогичную схеме измерения мощности тремя ваттметрами. Общий расход энергии определяется как сумма показаний трех счетчиков. В трехпроводной сети применяют схему с двумя однофазными счетчиками, включенными по схеме двух ваттметров (рис. 15, а). При этом надо иметь в виду, что при cos φ < 0,5 у одного из счетчиков диск будет вращаться в сторону, противоположную нормальному вращению, и показания счетного механизма будут уменьшаться. Это необходимо учитывать при суммировании показаний приборов.
При несимметрии токов (но когда питательные напряжения симметричны и равны между собой) применяют два счетчика, включенных по схеме с искусственной нейтралью (рис. 16). В этом случае общая энергия определяется алгебраической суммой показаний обоих счетчиков. Для образования искусственной нейтрали сопротивление резистора r должно равняться сопротивлению параллельных цепей счетчика.
В трех фазных счетчиках конструктивно объединены три или два однофазных счетчика, обмотки которых включаются по одной из приведенных схем (рис. 15, а; рис. 16). Вращающие моменты отдельных элементов воздействуют на общую подвижную часть (диск), которая и вращается пропорционально суммарной мощности нагрузки трехфазной системы.
Реактивную мощность можно измерять теми же ваттметрами, что и активную, изменив порядок подключения: токовую цепь включают в одну фазу, напряжение подают от двух других фаз (рис. 17, а).

Рис. 16. Схема включения счетчиков с искусственной нейтралью
Рис. 17. Схемы измерения реактивной мощности

Чтобы измерить реактивную мощность электродинамическим ваттметром в цепи однофазного переменного тока, необходимо ток в параллельной ветви сдвинуть относительно напряжения па угол 90°. Для этого последовательно с катушкой напряжения включают дополнительно катушку индуктивности, а параллельно катушке напряжения — активное сопротивление r0 (рис. 17, б).

Рис. 18. Схемы измерения реактивной энергии двухэлементным счетчиком (а) и специальным трехфазным (б)
Рис. 19. Включение измерительных трансформаторов тока и напряжения в схему измерения

При известных данных параллельной катушки напряжения (rи, хи) и дополнительной индуктивности (rд; хд) необходимое активное сопротивление определяется из выражения
Метод двух счетчиков, включенных по схеме (рис. 16), при измерении реактивной энергии не применим, так как для образования искусственной нейтрали нужно иметь катушку индуктивности с такими же соотношениями r/x, как и в параллельной цепи счетчика, что весьма затруднительно. Поэтому для измерения реактивной энергии часто применяют двухэлементные индукционные счетчики (рис. 18, а). Здесь необходимый сдвиг в 60° между рабочим током параллельной цепи и приложенным к ней напряжением обеспечивается включением резисторов r. Сумма показаний двух приборов равна суммарной реактивной мощности трехфазной системы.

Для измерения реактивной энергии используют также специальные трехфазные счетчики, фиксирующие суммарную мощность системы Наибольшее распространение получили счетчики с дополнительной последовательной обмоткой (рис. 18, б). Эти приборы имеют по два вращающихся диска посаженных на общую ось; общий момент равен сумме моментов дисков. Особенностью такого счетчика является наличие дополнительной (третьей) последовательной обмотки, разделенной на две равные части. Каждая часть обмотки расположена на магнитопроводах обоих движущихся элементов. Из схемы включения (рис. 18, б) видно, что дополнительная обмотка включена встречно основным последовательным обмоткам (полярность обмоток указана звездочками).

Рис. 20. Схемы подключения приборов для определения коэффициента мощности
Во всех приведенных схемах измерения мощности и энергии могут применяться трансформаторы тока и напряжения. Их подсоединение в схему цепи однофазного переменного тока показано на рис. 19. Для определения измеряемой мощности необходимо показания прибора умножить на коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения.

Коэффициент мощности в цепях переменного тока измеряют как приборами непосредственной оценки, так и по показаниям приборов, не предназначенных для этого. Прибором непосредственной оценки является электродинамический фазометр, представляющий собой логометр с одной неподвижной катушкой, включенной в последовательную цепь, и двух подвижных, помещенных на одной оси и скрепленных под определенным углом.
Фазометр включается в цепь подобно ваттметру:градуируется в единицах, пропорциональных коэффициенту мощности при определенной частоте. Этот однофазный фазометр можно включать в цепь трехфазного тока по схеме, показанной на рис. 20, а. Применяют также электромагнитные трехфазные фазометры (рис. 20, б).
Можно определить коэффициент мощности косвенным способом, используя показания ваттметра, амперметра и вольтметра (рис. 20, в). Угол сдвига вычисляется по формуле cos φ = P/UI.
Средневзвешенный коэффициент мощности можно определить, используя показания счетчиков активной и реактивной мощности. По этим показаниям сначала определяют тангенс угла tg α= Q/Р, усредненный за определенный промежуток времени, затем по тангенсу и по табл. 2 находят cos φ.
Используя схему двух ваттметров (рис. 15 а), коэффициент мощности вычисляют по формуле

где P1 и Р2 — показания ваттметров.

Метод трех ваттметров для измерения трехфазной мощности

Ваттметр — это прибор, используемый для измерения электрической мощности, потребляемой нагрузкой. Он состоит из катушки напряжения, подключенной к нагрузке, и катушки тока, подключенной последовательно с нагрузкой. Для измерения трехфазной мощности, потребляемой нагрузкой, требуется всего один ваттметр. Но этот метод ограничен только для 3-фазных сетей со сбалансированной нагрузкой. Таким образом, для измерения мощности в трехфазной сети с несимметричной нагрузкой используется метод двух или трех ваттметров.

Метод измерения трехфазной мощности с помощью трех ваттметров:

Метод трех ваттметров используется при несимметричной нагрузке. Для несимметричной нагрузки мощность в каждой фазе будет разной, поэтому используются три разных ваттметра для каждой фазы. Здесь сумма трех ваттметров даст общую мощность, потребляемую нагрузкой.

Метод трех ваттметров в основном используется в 3-фазной 4-проводной системе (нагрузка соединена звездой), а также может использоваться в нагрузке, соединенной треугольником, путем замкнутого треугольника соединения катушек тока ваттметров.В этом методе каждый ваттметр, подключенный по фазе, измеряет мощность, потребляемую нагрузкой, соответствующей этой конкретной фазе. Ниже показано подключение для метода трех ваттметров с нагрузкой, подключенной звездой.

На приведенном выше рисунке мы можем видеть, что токовые катушки (CC) трех ваттметров соединены последовательно с тремя фазами R, Y и B. Катушки напряжения или катушки давления (PC) каждого ваттметра являются подключены так, что один конец к соответствующей фазе, а другой конец к нейтральной линии.Векторная диаграмма всех трехфазных напряжений и токов показана ниже.

Ваттметры, подключенные к фазам R, Y и B, измеряют потребляемую мощность как W

_R , W _Y и W _B соответственно. Таким образом, общая потребляемая мощность P схемы равна: Схема подключения для измерения трехфазной мощности методом трех ваттметров с нагрузкой, подключенной по схеме треугольника, показана ниже. Здесь также сумма всех трех показаний ваттметра дает общую мощность, потребляемую нагрузкой.

Недостатки метода трех ваттметров:

• Трудно измерить мощность в нагрузках, соединенных звездой, где нет нейтральной точки для соединения катушек напряжения. В таких условиях другие концы катушек напряжения соединяются вместе, образуя искусственную нейтральную точку.
• Для нагрузок, подключенных по схеме треугольник, сложно использовать метод трех ваттметров. Поскольку токовые катушки необходимо вставлять в фазы нагрузки по схеме замкнутого треугольника, как показано выше.
• Необходимость в трех ваттметрах является одним из недостатков по сравнению с методом двух ваттметров.

Кроме того, метод трех ваттметров имеет преимущество измерения трехфазной мощности как при сбалансированной, так и при несимметричной нагрузке. Но из-за своих ограничений он поэтому используется только в трехфазной четырехпроводной схеме. Этот недостаток можно преодолеть, используя метод двух ваттметров для измерения мощности как в сбалансированной, так и в несбалансированной нагрузке.

Метод измерения мощности с двумя ваттметрами

Недостатком метода одного ваттметра является то, что его нельзя использовать для трехфазных систем, несущих несимметричные нагрузки.Кроме того, в методе трех ваттметров для нагрузки, подключенной по схеме звезды, трудно получить нейтральную точку для подключения катушек напряжения, а катушки тока вставляются в замкнутый треугольник для нагрузки, подключенной по схеме треугольника. Эти недостатки можно преодолеть с помощью метода двух ваттметров. Метод двух ваттметров для измерения трехфазной мощности основан на теореме Блонделя.

Теорема Блонделя для измерения трехфазной мощности:

Теорема

Блонделя говорит о количестве ваттметров, необходимых для измерения трехфазной мощности.

В нем указано, что для измерения мощности в сети с числом n линий. Общее количество требуемых ваттметров равно n, а общая мощность — это сумма всех показаний ваттметров. Это в таком состоянии, что если токовые катушки каждого ваттметра подключены к каждой линии, а соответствующие катушки напряжения подключены так, что один конец к их соответствующей линии, а другие концы всех катушек напряжения соединены вместе, образуя общую точку.

Предположим, что общая точка должна быть взята на любой из линий.Затем другой конец катушек напряжения подключается к этой общей линии (то есть к общей точке). В таких условиях мощность может быть измерена (n-1) ваттметрами. Таким образом, для измерения трехфазной мощности требуется всего 2 ваттметра, это называется методом двух ваттметров.

Измерение мощности методом двух ваттметров:

Этот метод используется для измерения мощности трехфазной трехпроводной несимметричной или симметричной системы. Катушки тока соединены последовательно с двумя линиями.Один конец каждой катушки напряжения подключен к линии, в которой размещены катушки тока, а другие концы двух катушек напряжения выведены и подключены к третьей линии.

Схема подключения двух ваттметров для измерения трехфазной мощности нагрузок, подключенных по схеме звезды и треугольника, показана ниже.

Измерение мощности методом двух ваттметров при соединении звездой:

Пусть фазные напряжения и линейные токи фаз R, Y и B равны (V _R & I _R ), (V _Y & I _Y ) и (V _B & I _В ).Пусть W ₁ и W ₂ — мощность, измеренная ваттметрами 1 и 2 соответственно.

Из приведенного выше рисунка, измерение мощности ваттметром 1 составляет,

Вт ₁ = (V _R — V _Y ) I _R = V _R I _R — V _Y Я _R

Измерение мощности ваттметром 2 составляет,

Вт ₂ = (V _B — V _Y ) I _B = V _B I _B — V _Y I _B

В нейтральной точке N имеем Следовательно, общая мощность i.е. сумма обоих показаний ваттметра составляет, Следовательно, сумма обоих показаний ваттметра дает общую мощность, потребляемую нагрузкой.

Измерение мощности методом двух ваттметров при соединении треугольником:

Пусть фазные напряжения и линейные токи фаз R, Y и B равны (V _R & I _R ), (V _Y & I _Y ) и (V _B & I _В ). Пусть W ₁ и W ₂ — мощность, измеренная ваттметрами 1 и 2 соответственно.

Из приведенного выше рисунка, измерение мощности ваттметром 1 составляет,

Вт ₁ = V _R (I _R — I _B ) = V _R I _R — V _R Я _В

Измерение мощности ваттметром 2 составляет,

Вт ₂ = -V _Y (I _B — I _Y ) = -V _Y I _B — V _Y I _Y

Здесь V _Y считается отрицательным, потому что оно измеряется от фазы B до Y, а V _Y — от Y до B.Применяя КВЛ к нагрузке, подключенной по схеме треугольника, получаем, Следовательно, общая мощность, то есть сумма обоих показаний ваттметра, равна: В этом случае также сумма обоих показаний ваттметра дает общую мощность, потребляемую нагрузкой. Следовательно, в любой момент, независимо от коэффициента мощности, сумма двух показаний ваттметра дает полную мгновенную мощность в трехфазной несимметричной нагрузке.
Схема подключения

— обзор

12.2.1 Обзор архитектуры

Рисунки 12.1 и 12.2 показаны штыревые соединения и блок-схемы ’F88, взятые из ссылки 12.1. Внимательно сравните эти два рисунка с 2.1 и 2.2. В архитектуре большое различие заключается в блоке периферийных устройств, которые расположены в нижней части диаграммы ’F88. EEPROM, показанная в правом верхнем углу рисунка 12.2, относится к одному из этих периферийных блоков на рисунке 12.2. Альтернативное сравнение можно провести со структурой 16F873A, рис. 7.2. Почти все периферийные устройства, которые можно увидеть в более крупном ‘F873A, также можно увидеть в’ F88; отсутствует только порт C и одна CCP.Стоит отметить, что и 16F873A, и 16F88 имеют два компаратора и источник опорного напряжения, хотя на рис. 7.2, кажется, подразумевается один компаратор, а на рис. 12.2 не показано опорное напряжение.

Рисунок 12.1. Схема подключения контактов 16F88 (18-контактная версия). Расшифровку сокращений см. На Рис. 7.1

Рис. 12.2. Блок-схема 16F88

Со всеми этими дополнительными периферийными устройствами всего 18 контактов ‘F88 действительно очень заняты. Разумеется, программисту остается решить, для какой функции фактически используется вывод.Обратите внимание, однако, что при всей сложности ’F88, каждое соединение’ F84A можно найти в одном и том же месте. Помимо всего прочего, у нас есть шанс использовать ’F88 как прямую модернизацию’ F84A в существующей конструкции.

Хотя 16F88 имеет такое же количество выводов, что и ’F84A, во многих отношениях он больше похож на 16F873A. Таблица 2.1 показывает, что у него такой же размер памяти программ, как у ’F873A. Поэтому неудивительно, что у этих двух программ одинаковые карты памяти, т.е.е. Рисунок 7.4. При аналогичном количестве периферийных устройств карта памяти данных ‘F88 аналогична карте’ F873A, то есть на рисунке 7.6. Конечно, есть небольшие изменения, например, из-за большей памяти данных ‘F88 и того факта, что ему нужны SFR только для двух параллельных портов. Шины прямого адреса, косвенного адреса и адреса ОЗУ также имеют одинаковый размер и больше, чем ‘F84A.

Итак, 16F88 — это то же самое, что ’F873A, втиснутое в 18-контактную ИС? В некоторой степени ответ — «да», но позже в этой главе мы обнаружим некоторые важные достижения, содержащиеся в нем, в основном касающиеся взаимосвязанных тем управления питанием и синхронизацией.

Ваттметр Powerwerx, линейный анализатор мощности постоянного тока, непрерывный ток 45 А, калибр 12, концы неизолированного провода

Введение

Этот простой в использовании измеритель идеально подходит для контроля восьми электрических параметров, которые имеют важное значение для безопасности и производительности электроэнергии: амперы, вольт , Ватт, ампер-часы, ватт-часы, пиковый ток, минимальное напряжение (провисание) и пиковые ватты. Благодаря емкости до 60 вольт и 100 ампер, высококонтрастному дисплею с синей подсветкой и функции автоматического сброса вы наверняка найдете множество полезных применений для этого ваттметра и анализатора мощности.

Меры предосторожности

Электрические системы большой мощности представляют множество опасностей. Пользователь обязан ознакомиться с этими опасностями и предпринять все необходимые действия для обеспечения безопасного использования. Короткое замыкание аккумулятора или зарядного устройства может иметь серьезные последствия, включая взрыв, пожар, повреждение оборудования или травмы. Превышение номинальных характеристик или короткое замыкание ваттметра приведет к его повреждению и аннулированию гарантии.

Первоначальная настройка и подключение

Красный провод источника идет к положительному (+) полюсу источника или батареи.Черный провод источника (-) идет к отрицательной клемме. Соблюдайте осторожность при подключении, чтобы убедиться, что все соединения плотные, используйте провода соответствующего сечения, чтобы выдерживать более высокие значения ампер / тока. Этот ваттметр доступен либо с предварительно установленными разъемами Powerpole, либо с оголенными концами проводов для установки разъемов вашего собственного типа.

Экран дисплея ваттметра

Стартовый экран
Каждый раз при подаче питания на ваттметр (или вспомогательный разъем питания) на короткое время отображается стартовый экран.Затем параметры ампер-часов, ватт-часов, пиковых ампер, минимального напряжения и пиковой мощности сбрасываются на ноль.

Параметры дисплея
Экран дисплея будет непрерывно измерять и отображать амперы, вольт и ватты. Все остальные значения отображаются последовательно каждую секунду. В нижнем левом положении дисплея значения данных идентифицируются их единицами измерения (Ah, Wh, Ap, Vm, Wp).

А (ток) и пиковый ток (А, А)
Можно измерить только ток от источника к нагрузке.Подача тока в обратном направлении вызовет повреждение измерителя. Отображаемое значение в амперах (A) показывает средний ток за последнее обновление экрана. Значение пикового тока (Ap) отображает максимальный ток, потребляемый с момента последнего запуска измерителя. Также могут быть зафиксированы скачки или пиковые значения силы тока, длящиеся доли секунды.

Напряжение и минимальное напряжение (В, Вм)
Отображаемое значение напряжения (В) представляет собой среднее напряжение с момента последнего обновления экрана. Отображаемое значение минимального напряжения (Вм) — это минимальное напряжение или «провисание», измеренное на стороне источника с момента последнего запуска измерителя.

Ватт-часов (энергия) (Втч)
Отображаемое значение — это общая энергия, выданная в ватт-часах с момента последнего запуска счетчика. Для получения наиболее точных результатов он измеряется со стороны нагрузки.

Ампер-часы (Заряд) (Ач)
Отображаемое значение представляет собой общий заряд, произведенный в Ампер-часах с момента последнего запуска измерителя. Для получения наиболее точных результатов он измеряется со стороны нагрузки.

Вт (мощность) и пиковая мощность (Вт, Вт)
Отображаемое значение в Вт (Вт) представляет собой среднее значение ватт (ампер * вольт) с момента последнего обновления экрана.Отображаемое значение пиковой мощности (Wp) — это максимальная мощность, измеренная с момента последнего запуска измерителя.

Вспомогательный соединительный кабель питания

При подключении ваттметра непосредственно к батарее или источнику питания измерителю требуется минимум 5 В для питания самого себя. Однако, если вы используете дополнительный вспомогательный разъем питания, измеритель может получать питание от вспомогательного источника и измерять полный диапазон от 0 до 60 В. Еще одним преимуществом дополнительного вспомогательного разъема питания является то, что он питает измеритель от вспомогательного источника.Обычный источник для загрузки измерений становится более точным, поскольку измерения не включают небольшое количество энергии, необходимое для работы измерителя. Используются только 2 из 3 проводов на разъеме вспомогательного питания. Обратитесь к черному корпусу ваттметра за индикаторами (+) и (-), показывающими, как запитать ваттметр с помощью вспомогательного входа.

Примеры схем подключения

Типичное испытание под нагрузкой
На следующей схеме показано наиболее распространенное использование ваттметра, подключение источника постоянного тока, такого как батарея, солнечная панель или источник питания (5-60 В), к любой нагрузке постоянного тока.

Тестирование под нагрузкой ниже 5 В
На следующей схеме показано использование вспомогательного разъема питания, который обеспечивает внешнее питание измерителя и позволяет измерять напряжение до 0 В. Эта конфигурация также обеспечивает повышенную точность и меньшие потери, поскольку мощность, потребляемая измерителем, не учитывается в измерениях.

Зарядка аккумулятора
На следующей диаграмме показано, как аккумулятор необходимо переместить в сторону нагрузки, чтобы измерить заряд аккумулятора, когда мощность течет от зарядного устройства (источника) к аккумулятору (нагрузке).

Технические характеристики

• Амперы: 45 А непрерывно, 100 А пиковое, разрешение 0,01 А от 1 ~ 100
• Напряжение: 0 ~ 60 В, разрешение 0,01 В (от 5 до 60 В без дополнительного вспомогательного разъема питания)
• Тип провода: Провод 12 калибра
• Ватт: 0 ~ 7800 Вт, разрешение 0,1 Вт
• Ампер-часы: 0 ~ 65 Ач, разрешение 0,001 Ач
• Ватт-часы: 0 ~ 6554 Вт-ч, 0,1 Втч разрешение
• Дисплей: Высококонтрастный ЖК-дисплей с синей подсветкой
• Размер: 3.3 x 1,7 x 1,0 дюйма (85 x 42 x 24 мм)
• Вес: 0,18 фунта (82 г)
• Гарантия: Ограниченная гарантия на 1 год

Работа цепи и ее ошибки

Электрический прибор, используемый для измерения электрической мощности в ваттах любой цепи, называется ваттметром. Он состоит из двух катушек, таких как катушка тока и катушка напряжения. Катушка тока, которая подключена последовательно, и катушка напряжения подключена параллельно. Ваттметры в основном используются для измерения электрических цепей, отладки, передачи, распределения электроэнергии, определения номинальной мощности, потребления электроприборов, измерения частоты электросети, бытовых приборов и многого другого.Они делятся на три типа. Это ваттметр электродинамометра, ваттметр индукционного типа, ваттметр электростатического типа. Обсудим обзор ваттметра электродинамометра.

Что такое ваттметр электродинамометра?

Определение: Ваттметр электродинамометр — это прибор, работа которого связана с реакцией между магнитными полями неподвижной катушки и подвижной катушки, которая подключена к напряжению (ток прямо пропорционален напряжению).Ваттметры электродинамометра аналогичны амперметрам и вольтметрам электродинамометра. В основном они используются для измерения мощности.

Принцип работы

Электродинамометр ваттметр Принцип работы очень прост и удобен. Он основан на теории о том, что проводник с током испытывает магнитную силу, когда его помещают в магнитное поле. Следовательно, произойдет отклонение стрелки из-за механической силы. Он содержит две катушки, такие как фиксированная катушка (токовая катушка) и подвижная катушка (катушка давления или катушка напряжения).

Неподвижная катушка используется для передачи тока и последовательно подключается к нагрузке в любой цепи. Подвижная катушка несет ток, прямо пропорциональный напряжению, и подключен к напряжению. Величина тока ограничена минимальным значением из-за большого неиндуктивного сопротивления, подключенного последовательно. Принципиальная схема показана ниже.

Принцип работы электродинамометра, ваттметра

Конструкция электродинамометра, ваттметра

Конструкция ваттметра электродинамометра включает неподвижную катушку, подвижную катушку, регулятор, демпфирование, шкалы и стрелку.Конструкция ваттметра электродинамометра показана ниже.

Конструкция электродинамометра Ваттметр

Фиксированная катушка

Он включен последовательно с нагрузкой, которая рассматривается как токовая катушка. Чтобы конструкция была легкой и простой, она разделена на две части. Это два элемента, соединенных параллельно друг другу. Он создает однородное электрическое поле, которое очень важно для работы. Катушка тока сконструирована таким образом, что она выдерживает приблизительно 20 ампер.

Подвижная катушка

В этом приборе рассматривается как катушка давления, которая подключается параллельно источнику питания. Таким образом, этот ток течет прямо пропорционально напряжению питания. Стрелка установлена ​​на подвижной катушке с помощью пружины для управления движением. Температура увеличивается, когда через катушку протекает ток. Итак, чтобы контролировать ток, резистор подключен последовательно с подвижной катушкой.

Контроль

Обеспечивает контроль крутящего момента на инструментах.Контроль силы тяжести и контроль пружины — это два типа в этой системе управления. Среди этих двух ваттметров электродинамометра используется пружинная система управления, поскольку она помогает перемещать стрелку.

Демпфирование

Эффект, который уменьшает движение стрелки, называется демпфированием. При этом демпфирующий момент создается из-за трения воздуха. Другие типы демпфирования не используются, поскольку они разрушают полезный магнитный поток.

Весы и указатели

Используется линейная шкала, так как подвижная катушка движется линейно.В аппарате используются остроконечные указатели, чтобы устранить ошибку параллакса, вызванную недосмотрами.

Работа электродинамометра Ваттметр

Ваттметр электродинамометра имеет две катушки, т.е. неподвижную и подвижную катушки. Неподвижная катушка включена последовательно со схемой для измерения потребляемой мощности. Напряжение питания подается на подвижную катушку. Ток через движущуюся катушку контролируется с помощью резистора, который подключен к ней последовательно. Подвижная катушка, на которой закреплен указатель, находится между неподвижными катушками.Два магнитных поля генерируются из-за тока и напряжения в неподвижной катушке и подвижной катушке. Указатель отклоняется при взаимодействии двух магнитных полей. Отклонение пропорционально силе, протекающей через него.

Теория электродинамометра Ваттметр

Принципиальная схема ваттметра электродинамометра показана ниже.

Принципиальная схема

Мгновенный крутящий момент, действующий на указатель, равен,

T1 = i1ip dM / dθ

Где ‘ip’ — ток, протекающий через катушку давления.

Уравнение напряжения в цепи через катушку давления:

V = √2Isin (ωt-Φ)

Ток будет в фазе с напряжением, если используется чисто резистивная катушка давления.Величина тока

.

Ip = v / R _p = √2 (VI / R _p ) sin ωt = √2IpSin ωt

Ток, протекающий через токовую катушку, когда она отстает от напряжения по фазовому углу, составляет

.

‘ip’ = √2Isin (ωt-∅)

Текущее значение в катушке давления очень мало. Следовательно, он считается полным током нагрузки. Крутящий момент, действующий на катушку, составляет

Ti = √2Isin (ωt- Φ) dM / dθ

Предел от 0 до T интегрирован, чтобы получить средний крутящий момент отклонения, и он определяется как,

Ti = √2 (VI / Rp) cosΦdM / dθ

Управляющий крутящий момент на пружине

Tc = Kθ

Ошибки ваттметра электродинамометра

Индуктивность катушки давления: Катушка давления имеет некоторую индуктивность, из-за которой ток отстает от напряжения.Следовательно, коэффициент мощности становится запаздывающим и приводит к завышенным показаниям.

Емкость катушки давления: Катушка давления также имеет емкости, увеличивающие коэффициент мощности. Это приводит к ошибкам чтения.

Ошибки, вызванные эффектом взаимной индуктивности: Между катушкой давления и тока взаимная индуктивность вызывает ошибку.

Ошибка вихревого тока: Создает собственное магнитное поле в катушке, которое влияет на основной ток, протекающий через катушку.

Ошибка рассеянного магнитного поля: Из-за этого нарушается основное магнитное поле. Это влияет на показания прибора.

Температурная ошибка: Изменение сопротивления катушки давления вызвано колебаниями температуры. Из-за этого колебания температуры также влияет управляющий момент, создаваемый движением пружины.

Часто задаваемые вопросы

1). Что такое ваттметр динамометрического типа?

Прибор, в котором рабочее поле создается фиксированными катушками, известен как ваттметр динамометрического типа.

2). Как подключен ваттметр?

Токовая катушка подключена последовательно с нагрузкой для передачи тока цепи, а потенциальная катушка подключена к нагрузке для передачи тока, пропорционального напряжению.

3). Что показывает ваттметр?

Ваттметр измеряет электрическую мощность в ваттах любой цепи.

4). Что произойдет, если к источнику питания подключить токовую катушку электродинамического типа?

Когда ваттметр электродинамического типа используется для измерения мощности переменного тока, неподвижная катушка разделяется на две части с воздушным сердечником.Это позволяет избежать потерь на гистерезис.

5). Какие 2 фактора определяют вращающую силу ваттметра?

Зависит от силы магнитного поля как неподвижных, так и движущихся катушек.

Таким образом, это все об определении, конструкции, принципе работы, работе, теории и погрешностях ваттметра электродинамометра. Вот вам вопрос: каковы применения ваттметра электродинамометра? »

Цифровой ваттметр постоянного тока и проект с использованием микроконтроллера pic

Цифровой ваттметр постоянного тока с использованием микроконтроллера pic

Цифровой ваттметр постоянного тока с использованием микроконтроллера pic используется для измерения мощности постоянного тока в цепях постоянного тока.В этом проекте используются датчики напряжения и тока. Датчики напряжения и тока сопряжены с микроконтроллером. Датчик напряжения используется для измерения напряжения в цепи или нагрузке. Датчик тока используется для измерения тока, проходящего через нагрузку. Схема делителя напряжения используется для измерения высокого напряжения. потому что микроконтроллер не может считывать высокое напряжение или напряжение более 5 вольт. Шунтирующий резистор используется в качестве датчика тока. Шунтирующий резистор используется для преобразования тока в форму напряжения. Потому что микроконтроллер не понимает ток.Микроконтроллер может считывать напряжение напрямую. Жидкокристаллический дисплей используется для отображения измеренного значения мощности постоянного тока. Цифровой ваттметр постоянного тока очень прост в использовании, и основная идея цифрового ваттметра постоянного тока дана в этом проекте.

Цифровой ваттметр постоянного тока Основные компоненты

Чтобы полностью понять этот проект, вы должны знать, как измерять постоянное напряжение с помощью микроконтроллера pic? Как измерить постоянный ток с помощью микроконтроллера pic? Как подключить ЖК-дисплей к микроконтроллерам pic? Если вы не знаете об этом, я рекомендую вам сначала прочитать следующие статьи.Чтобы вы могли лучше понять проект цифрового ваттметра постоянного тока.

Надеюсь, что вы прочитали три вышеупомянутых статьи и полностью их поняли. Если да, вы можете легко спроектировать цифровой ваттметр постоянного тока, следуя инструкциям, приведенным ниже.

Схема цифрового ваттметра постоянного тока

Принципиальная схема цифрового ваттметра постоянного тока приведена ниже. Резистор 0,47 используется в качестве шунтирующего резистора, и я подробно объяснил его назначение в проекте цифрового амперметра .Резисторы R1 и R4 используются как делитель напряжения. Я объяснил их функции в проекте цифрового вольтметра . ЖК-дисплей отображает измеренную мощность постоянного тока, считывая ее значение с микроконтроллера PIC16F877A. Кристалл 8 МГц используется для работы микроконтроллера PIC16F877A. Амперметр постоянного тока, используемый в схеме ниже, предназначен только для целей моделирования. Вам не нужно подключать его при проектировании схемы ваттметра постоянного тока.

Цифровой ваттметр постоянного тока в рабочем состоянии

Как я уже упоминал выше, этот проект состоит из трех основных компонентов.Подробная информация об этих трех компонентах приведена ниже:

• Цифровой амперметр: Цифровой амперметр разработан с использованием шунтирующего резистора. Шунтирующий резистор R6 0,47 используется для измерения тока, протекающего через нагрузку. Шунтирующий резистор преобразует проходящий через него ток в напряжение. Это напряжение измеряется с помощью аналогового канала AN1 микроконтроллера PIC16F877A. Измеренное напряжение преобразуется обратно в ток по формуле закона Ома I = V / R. Поскольку известно значение шунтирующего резистора и измеренное напряжение.
• Цифровой вольтметр: Цифровой вольтметр используется для измерения напряжения на нагрузке. делитель напряжения используется для понижения напряжения менее 5 вольт. Напряжение на резисторе R4 делителя напряжения измеряется с помощью аналогового канала AN0 микроконтроллера PIC16F877A. Измеренное напряжение преобразуется обратно в фактическое напряжение путем умножения его на формулу, противоположную формуле делителя напряжения.
• Микроконтроллер PIC16F877A: Все математические вычисления выполняются посредством программирования микроконтроллера PIC16F877A.Он считывает ток и напряжение через аналого-цифровой преобразователь. Как вы знаете, мощность постоянного тока — это просто произведение напряжения и тока.

Мощность постоянного тока = Напряжение × ток

• Таким образом, используя приведенную выше формулу, мощность постоянного тока можно легко рассчитать, написав в программе простую инструкцию умножения. Я расскажу об этом позже, в части программирования.

Видеолекция по измерению мощности постоянного тока

Посмотрите эту видеолекцию об измерении мощности постоянного тока с помощью микроконтроллера pic, если вам нужно полное пошаговое руководство

:

Код цифрового ваттметра постоянного тока

Код для проекта измерения постоянного тока написан с использованием компилятора Mikro pro C.Его программа приведена ниже:

• напряжение = ADC_Read (0) : Эта функция считывает аналоговое значение напряжения и преобразует его в двоичное значение напряжения.
• напряжение = (напряжение * 5 * 10) / (1024) : Преобразует двоичное значение обратно в фактическое напряжение, умножая его на коэффициент разрешения АЦП и инверсию делителя напряжения. Вы можете получить более подробную информацию из статьи об измерении напряжения.
• ток = ADC_Read (1): Эта функция считывает двоичное значение напряжения на шунтирующем резисторе.
• ток = (ток * 0,00489) / (0,47): Эта функция преобразует двоичное значение напряжения на шунтирующем резисторе в ток.
• Мощность = напряжение * ток: Это просто коэффициент умножения измеренного напряжения и измеренного тока.
• inttostr (power, pwr): Преобразует значение мощности в строку.

[коричневый-кнопка url = ”// store.microcontrollerslab.com/product/digital-dc-watt-meter-using-pic-microcontroller-proteus-simulation/” target = ”_ self” position = ”center”] щелкните здесь, чтобы приобрести код и моделирование Proteus [/ button-brown]

, вы также можете прочитать следующую статью:

Простые шаги по измерению трехфазной мощности — Wira Electrical

Один ваттметр может также выполнять измерения средней трехфазной мощности измерение мощности, сбалансированное таким образом, что P ₁ = P ₂ = P ₃ ; общая мощность в три раза превышает показания одного ваттметра.

Однако для измерения мощности необходимы два или три однофазных ваттметра, если система не сбалансирована.

Подробное описание измерения трехфазной мощности

Метод измерения мощности с помощью трех ваттметров , показанный на рисунке (1), будет работать независимо от того, сбалансированная или несимметричная нагрузка, соединение звездой или треугольником .

Рис. 1. Метод трех ваттметров для измерения трехфазной мощности.

Метод трех ваттметров хорошо подходит для измерения мощности в трехфазной системе, где коэффициент мощности постоянно меняется. Общая средняя мощность представляет собой алгебраическую сумму трех показаний ваттметра,

(1)

, где P ₁ , P ₂ и P ₃ соответствуют показания ваттметров W ₁ , W ₂ и W ₃ соответственно.Обратите внимание, что общая или контрольная точка o на рисунке (1) выбрана произвольно. Если нагрузка соединена звездой, точка o может быть соединена с нейтральной точкой n .

Для нагрузки, подключенной по схеме треугольник, точка или может быть подключена к любой точке. Если, например, точка или соединена с точкой b , катушка напряжения в ваттметре W ₂ показывает ноль, а P ₂ = 0, указывая на то, что ваттметр W ₂ не нужен.Таким образом, для измерения полной мощности достаточно двух ваттметров.

Метод двух ваттметров является наиболее часто используемым методом измерения трехфазной мощности. Два ваттметра должны быть правильно подключены к любым двум фазам, как обычно показано на рисунке (2).

Обратите внимание, что токовая катушка каждого ваттметра измеряет линейный ток, в то время как соответствующая катушка напряжения подключена между линией и третьей линией и измеряет линейное напряжение.

Рисунок 2.Двухваттметровый метод измерения трехфазной мощности.

Также обратите внимание, что клемма ± катушки напряжения подключена к линии, к которой подключена соответствующая катушка тока.

Хотя отдельные ваттметры больше не считывают мощность, потребляемую какой-либо конкретной фазой, алгебраическая сумма двух показаний ваттметра равна общей средней мощности, потребляемой нагрузкой.

Независимо от того, соединены ли они по схеме звезды или треугольника, симметричны или несимметричны.Полная активная мощность равна алгебраической сумме двух показаний ваттметра:

(2)

Здесь мы покажем, что метод работает для сбалансированной трехфазной системы. Целесообразно сначала прочитать, как работает ваттметр.

Рассмотрим сбалансированную нагрузку со звездообразным соединением на рисунке (3). Наша цель — применить метод двух ваттметров для определения средней мощности, потребляемой нагрузкой. Предположим, что источник находится в последовательности abc, а полное сопротивление нагрузки Z _Y = Z _Y ∠θ.

Рис. 3. Метод двух ваттметров, применяемый к сбалансированной звездообразной нагрузке

Из-за импеданса нагрузки каждая катушка напряжения опережает свою катушку тока на θ, так что коэффициент мощности равен cosθ. Напомним, что каждое линейное напряжение опережает соответствующее фазное напряжение на 30 °.

V _ab составляет θ + 30 ◦, а средняя мощность, считываемая ваттметром W ₁ , составляет

(3)

Аналогично, мы можем показать, что средняя мощность ваттметр 2 показывает

(4)

Теперь мы используем тригонометрические тождества

905, чтобы найти сумму разница двух показаний ваттметра в уравнениях.(3) и (4):

(5)

(6)

, поскольку 2 cos 30◦ = √3 показывает, что сумма показаний ваттметра дает общую среднюю мощность,

(7)

Аналогично,

(8)

, так как 2 sin 30◦ = 1 показывает, что разница показаний прибора составляет к общей реактивной мощности, или

(9)

Из уравнений.(7) и (9), полная полная мощность может быть получена как

(10)

Уравнения деления. (9) на (7) дает тангенс коэффициента мощности угол как

(11)

, из которого мы можем получить коэффициент мощности как pf = cos θ. Таким образом, метод двух ваттметров не только обеспечивает общую активную и реактивную мощности, но также может использоваться для вычисления коэффициента мощности.

Из уравнений (7), (9) и (11) мы заключаем, что:
1. Если P2 = P1, нагрузка является резистивной.
2. Если P2> P1, нагрузка индуктивная.
3. Если P2

Хотя эти результаты получены для сбалансированной нагрузки, соединенной звездой, они в равной степени справедливы для сбалансированной нагрузки, соединенной треугольником. Однако метод двух ваттметров нельзя использовать для измерения мощности в трехфазной четырехпроводной системе, если ток через нейтраль не равен нулю.

Мы используем метод трех ваттметров для измерения реальной мощности в трехфазной четырехпроводной системе.

Примеры измерения трехфазной мощности

1. Три ваттметра W ₁ , W ₂ и W ₃ подключены, соответственно, к фазам a , b и c к Измерьте общую мощность, потребляемую несимметричной нагрузкой, подключенной звездой, как показано на рисунке (4). (а) Предскажите показания ваттметра. (б) Найдите общую потребляемую мощность.

Рисунок 4

Решение:
Предположим, что ваттметры правильно подключены, как показано на рисунке (5).

Рисунок 5

(a) Напряжения

, а

Мы рассчитываем показания ваттметра следующим образом:

(b) Общая потребляемая мощность составляет

. мощность, потребляемая резисторами на рис.(5) и используйте это, чтобы проверить или подтвердить этот результат.

что то же самое.

2. Метод двух ваттметров дает показания ваттметра P ₁ = 1560 Вт и P ₂ = 2100 Вт при подключении к нагрузке, подключенной по схеме треугольника.

Если напряжение в сети составляет 220 В, рассчитайте: (a) среднюю по фазе мощность, (b) реактивную мощность по фазе, (c) коэффициент мощности и (d) фазное сопротивление.

Решение:
Мы можем применить полученные результаты к нагрузке, подключенной по схеме треугольника.

(a) Полная активная или средняя мощность составляет

Средняя мощность по фазе составляет

(b) Общая реактивная мощность составляет

, так что реактивная мощность по фазе составляет

(c) Мощность угол равен

Следовательно, коэффициент мощности равен

Это опережающий коэффициент мощности, потому что Q _T положительный или P ₂ > P ₁ .

(d) Фазовое сопротивление: Z _P = Z _P ∠θ.