Ваттметр
Думаю, все вы курсе, что электрический ток может выполнять работу. Например, вскипятить воду в электрочайнике, перемолоть кофе в кофемолке, согреть курицу в микроволновке и так далее. Все эти бытовые приборы являются нагрузкой для домашней сети. Но, как вы знаете, некоторые приборы «крутят» счетчик очень быстро, а некоторые приборы почти не потребляют электрический ток.
Если включить чайник и лампочку накаливания в вашей комнате и оставить на час, то чайник «съест» электроэнергии намного больше, чем та же самая лампа накаливания. Дело в том, что чайник обладает большей мощностью, чем лампочка. В этом случае можно сказать, что мощность чайника будет больше, чем мощность лампы в единицу времени, например, за секунду. Чтобы точно измерить, во сколько раз чайник потребляет электрической энергии больше, чем лампочка, нам нужно измерить мощность чайника и лампочки.
Ваттметр — это прибор, который измеряет потребляемую мощность какой-либо нагрузки. Выделяют три группы ваттметров:
- низкой частоты и постоянного тока
- радиочастотные ваттметры
- оптические ваттметры
Так как наш сайт посвящен электронике и электротехнике, то мы будем в этой статье рассматривать только ваттметры постоянного тока и низкой частоты. Под низкой частотой подразумевается частота в 50-60 Герц.
Мощность постоянного тока
Итак, вы уже все в курсе, что любая нагрузка для электрического тока потребляет какую-либо мощность. Мощность постоянного тока выражается формулой:
P — это мощность, которая выражается в Ваттах (Вт,W)
I — сила тока, которую потребляет нагрузка, выражается в Амперах
U — напряжение, которое подается на нагрузку, выражается в Вольтах
Поэтому, чтобы найти мощность какой-либо нагрузки, которая подсоединена к постоянному току, достаточно перемножить значение силы тока и напряжения. Например, на этом фото мы видим вентилятор от компьютера, который подцепили к лабораторному блоку питания. Его мощность, как не трудно догадаться, составила P=IU=0,18 Ампер x 12 Вольт =2,16 Ватт.
Ваттметры для постоянного тока
Вы ведь не будете каждый раз таскать с собой громоздкий блок питания или два мультиметра, которые будут измерять и ток и напряжение? Поэтому, в настоящее время ваттметры представляют из себя законченные приборы, которые очень легко соединяются с потребляемой нагрузкой. На Алиэкспрессе я находил вот такие ваттметры для постоянного тока, которые показывают сразу и ток, и напряжение, и потребляемую мощность нагрузки. К проводам, где написано SOURCE цепляем источник постоянного тока, а к проводам LOAD цепляем нагрузку. Все элементарно и просто!
Некоторые из них идут в комплекте со шунтом
Схема подключения источника постоянного тока и нагрузки в таком ваттметре выглядит так
Ну и самый бюджетный вариант — это взять ампервольтметр и просто умножать значения тока и напряжения
Вот такой вольтамперметр рассчитан на максимальные параметры 100 Вольт и 50 Ампер. То есть, теоретически, он может измерять мощность до 5 кВт.
Мощность переменного тока
Мощность переменного тока вычисляется по формуле:
cos φ — коэффициент мощности
Что еще за косинус фи? И что он вообще означает? Есть такие радиоэлементы как конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, электромеханические реле различные двигатели и прочие радиоэлементы, которые обладают какой-либо емкостью или индуктивностью.
Если вспомнить осциллограмму переменного напряжения из нашей домашней розетки, то она будет выглядеть вот так:
Если же запитать какую-нибудь нагрузку, типа лампочки накаливания, то у нас в дело пойдет также такой параметр как сила тока. Так как лампочка накаливания не обладает никакой емкостью или индуктивностью, то сила тока у нас будет синфазно меняться с напряжением. Синфазно — это означает одинаково, синхронно. Например, синхронное плавание. Там участники все делают вместе и одинаково.
Так вот, такой параметр как сила тока и напряжение на лампочке тоже действуют синфазно. Ниже красной синусоидой я показал силу тока, которая «бежит» через лампочку:
Видите? Она начинается в этом же месте, где и напряжение. Сила тока достигает максимума, и напряжение тоже достигает максимума в это же самое время, следовательно и мощность в этот момент тоже максимальная (P=IU). Сила тока равняется нулю и напряжение тоже равняется нулю в том месте, где пересекаются эти синусоиды, значит и мощность в этот момент тоже будет равняться нулю.
Но весь прикол в том, что каким-то чудом радиоэлементы, обладающие индуктивной или емкостной составляющей (конденсаторы, катушки, трансформаторы и тд) умудряются сдвигать синусоиду силы тока.
Предположим, будем питать от сети мой трансформаторный блок питания.
И у нас осциллограмма силы тока уже будет принимать примерно вот такой вид:
Что здесь произошло? Так как первичная обмотка трансформатора обладает индуктивностью, то эта самая индуктивность сдвинула осциллограмму силы тока. Более подробно можете прочитать в статье активное и реактивное сопротивление.
В зависимости от значения индуктивной или емкостной составляющей, сила тока может либо опережать либо отставать от напряжения. А чтобы измерить на сколько, для этого в обиход ввели фи ( φ), которая показывает этот сдвиг в градусах.
Короче говоря, не будем рассматривать тригонометрию, скажу просто, что для расчета мощности берут косинус значения этого угла.
Ваттметр цифровой на сетевое напряжение
В гостях у нас китайский ваттметр, приобретенный на распродаже в Алиэкспрессе.
Ну что же, давайте познакомимся с ним поближе.
Первая строка на ваттметре — это часы. Они начинают счет только тогда, когда в розетку ваттметра включена какая-либо нагрузка. Нагрузкой в нашем случае может быть любой электробытовой прибор: утюг, паяльник, светильник и так далее
Строкой ниже, с помощью кнопки «Energy», мы можем выводить параметры электрического сигнала, такие как:
— коэффициент мощности (Power Factor) или cos φ (косинус фи,безразмерная величина, то есть измеряется чисто в цифрах)
Третья строка — это расчет стоимости электроэнергии. Измеряется в Киловаттах умноженных на Час (КВатт х час). Самая частая ошибка — это когда пишут кВатт/час. Запомните, там знак не деления, а умножения! Вот за эти киловатт-часы мы и платим денежку провайдерам электрической энергии ;-).
Сейчас никакая нагрузка не включена в розетку ваттметра. Смотрим на дисплей:
Ничего себе, почти 240 вольт.
Можно замерить частоту. 50 Герц — так и должно быть.
Так как в розетке нашего ваттметра нет никакой нагрузки, следовательно и сила тока также будет равняться нулю:
Ну и мощность также будет равняться нулю
Косинус фи и реактивная нагрузка
Например, мой самопальный простой блок питания, включенный в сеть и не питающий никакую нагрузку, все равно потребляет энергию, так как является трансформаторным. Напряжение сразу идет на первичную обмотку трансформатора.
Его не следует оставлять включенным в розетку, так как он все равно хоть и немного потребляет ток.
Включаю свой трансформаторный блок питания в сеть 220 Вольт. Итак, напряжение в розетке 236,8 Вольт:
К блоку питания я подцепил лампочку на 12 вольт. Итого, нагруженный блок питания у нас потребляет 0,043 Ампера.
Power Factor — коэффициент мощности, он же косинус фи. Сейчас он у нас равен 0,42, так как нагрузка индуктивная.
Проверяем все это дело по формуле P=IU cos φ=0,043х236,8х0,42= 4,28 Ватт. Почти все сходится с небольшой погрешностью.
Косинус фи и активная нагрузка
Давайте проведем еще один опыт. Возьмем лампу накаливания на 220 Вольт и подцепим ее через ваттметр в сеть. Так как лампочка накаливания у нас не обладает ни индуктивностью, ни емкостью, то на графике синусоида силы тока и напряжения будет примерно выглядеть вот так. То есть синхронно:
Фи в этом случае равен нулю (сдвига фаз между ними нет). Вспоминаем школьный курс тригонометрии и помним, что косинус нуля — это единичка!
Проверяем на опыте.
Power Factor, он же косинус фи, высвечивает единичку. Все верно!
Замеряем потребляемую силу тока:
Считаем по формуле: P=IU cos φ=0,115х233,5х1= 26,9 Ватт. Все также сходится с небольшой погрешностью 😉
Немного отходя от темы, давайте еще напоследок глянем, какую мощность потребляет светодиодная лампа
Всего 6 Ватт! А светит она даже получше 25 Ваттной, которую я использовал в опытах. Вывод делайте сами.
Где купить ваттметр
Как я уже сказал, брал на Али. Выбирайте любой понравившийся на сетевое напряжение
Метод эквивалентного генератора (эквивалентного источника). Применение математической программной среды MathCAD для расчета линейных цепей постоянного тока (главы 6-10 учебного пособия «Теоретические
Ваттметры нашли применение в сервисных центрах по ремонту электроприборов, в машиностроении, электроэнергетике. Кроме того, они популярны и при использовании в быту, ими определяют мощность и другие характеристики электросети, они удобны для вычисления расхода электроэнергии конкретного бытового прибора или сразу группы устройств. И если для профессионалов нет секрета, как использовать такие аппараты, каким образом расшифровывать данные, то для обычного пользователя наша информация может быть полезна. Расскажем, как правильно производить измерение ваттметром, как расшифровать данные, каким функционалом они обладают.
Функции
Производители освоили выпуск разных по функционалу моделей, это могут быть простые устройства с измерением мощности, но также сегодня рынок предлагает многофункциональные модели с расширенными характеристиками ваттметра, которые используются для выполнения различных задач.
Кроме измерения мощности ваттметром и определения расхода электроэнергии вы можете приобрести модель:
- Для измерения тока, напряжения, частоты, сопротивления ваттметра и других параметров.
- С одним или несколькими режимами работы.
- С практически любыми пределами измерения ваттметра.
- С управлением по интернету, что позволяет отключить, например, подключенный к электросети прибор, находясь на расстоянии.
- Разного класса точности ― от устройств с обычной погрешностью ваттметра до высокоточных приборов.
- С замерами не только мощности, но и количества углекислого газа в помещении.
- С функцией «умной розетки» для настройки работы потребителей.
Мы перечислили только небольшой перечень, чтобы вы понимали возможности некоторых моделей ваттметров.
Кроме этого, есть дополнительные функции, которые делают работу прибора более комфортной, к ним относят: подсветку дисплея, что очень удобно при работе в темноте, возможность хранения настраиваемых параметров, функцию изменения калибровочных коэффициентов и т.д.
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).
Кроме системной единицы в ваттах результат можно встретить обозначенным в вольт-амперах или V·A.
Как пользоваться
Сегодня наибольшей популярностью, особенно для бытовых нужд, пользуются ваттметры цифровые. Они функциональней аналоговых приборов и более просты в эксплуатации, так как на экран выводятся готовые результаты показаний ваттметра, которые вы настраиваете для работы. Работу выполняйте так:
- Произведите подключение ваттметра в розетку.
- Убедитесь, что на дисплее показан ноль и экран очистился от последних показаний.
- Подключите бытовой прибор, характеристики которого вы хотите замерить, к ваттметру.
- Всего через несколько минут на экране высветятся показания.
- Если вам больше не нужна полученная информация, то нажмите кнопку сброс и уничтожьте ее.
Показатель мощности в ваттметре аналогового типа показывается на дуговой шкале, градуированной в зависимости от модели. Движущая стрелка остановится напротив показателя мощности, соответствующего определенному участку цепи.
Но перед тем как начать использовать ваттметр необходимо ознакомиться с правилами безопасности, это даст возможность избежать поражения электротоком. Так как приборы работают с напряжением в 220В, то угроза для здоровья может быть смертельной. Перед работой:
- Проверьте ваттметр на повреждения на корпусе или штепсельной вилке, не используйте его, если они имеют место.
- Не вскрывайте корпус самостоятельно, доверьте работу специалистам, это даст возможность сохранить его в целостности и не оплачивать более дорогостоящий ремонт.
- Не используйте устройство на открытом воздухе или во влажных помещениях, это опасно.
- Не допускайте попадания воды, если измерение ведется рядом, например, с умывальником, то не приближайтесь на расстояние менее одного метра.
Как видим, здесь все просто и вам не придется специально обучаться и переживать за безопасность, если вы будете придерживаться определенных правил. Теперь давайте разберемся, как расшифровать полученные данные.
Определить показание ваттметра
Задача, конечно, простая. Но есть одно предположение, которое надо просто знать: точки с равными потенциалами могут быть соединены между собой. Это выводится из 2-го закона Кирхгофа: сумма напряжений и эдс по контуру равна нулю.
Соединяем нули цепи нагрузки и генератора (у этого его в явном виде может и не быть, но сути дела не меняет, как и тот факт, что центр масс кольца лежит в его центре). Это возможно только потому, что нагрузка симметричная и нет смещения нуля. Электрического нуля.
Теперь вспоминаем что именно показывает ваттметр: произведение U * I* (вторая звездочка обозначает сопряжение: только тогда показания ваттметра будут пропорциональны cos(Ф), где Ф — разность фаз между U и I. Осталось найти эту разность. Да и построить векторную диаграмму.
На векторной диаграмме нет времени: предполагается, что мы вошли в систему отсчета вращающихся истинных векторов, и для нас они стали неподвижными. Понятно, что это возможно лишь в том случае, когда все вектора вращаются с одинаковой угловой скоростью. в данном случае это так: они вращаются с линейной частотой 50 Гц (угловая скорость, если спросят, в 2пи раз выше: 314 Гц).
Отсутствие времени позволяет произвольно выбрать фазы любого из напряжений (фазу помните? это угловое расстояние от начала процесса).
Делаем себе приятное и строим напряжение фазы А на векторной диаграмме вверх и говорим, что его фазовый угол равен нулю: Ua = Uф * exp(j0), где Uф = 127 В (220/sqrt(3)). Далее идет все, как по маслу: вектор Ub поворачиваем на 120° по часовой, а Uc — еще на столько же.
Все. Базовая система векторов задана. Из нее следует, что напряжение на параллельной катушке напряжения есть Uw = 220 * exp(-j30°) относительно вывода этой катушки, обозначенной звездочкой (астериском *). Проверим:
Uw = Ua — Uc = Uф(1 + j0) — Uф[(cos(120°) + jsin(120°)] = Uф[1 + cos(60°) — j(0 + sin(-60°))].
Подставляем значения: Uw = Uac = Uф[1 + 1/2 — j(sqrt(3)/2))] = Uф*sqrt(3)[sqrt(3) — j1/2] = Uл * exp(-j30°), где Uл — линейное напряжение Uф*sqrt(3) = 220 В.
Итого: найдено напряжение Uw. Осталось найти ток фазы В. Он равен Ib = Ub/Zb, где Ub = Uф*exp(-120°), а Zb (импеданс ветви фазы В) ищется просто:
— модуль его равен sqrt(25 + 1), а фаза есть arctg(1/5), т.е. Zb = sqrt(26)exp(j11,30993247402021308647450543834°).
Но надо знать меру и иметь здравый смысл, чтобы дать следующее значение тока:
Ib = 127exp(-120°) / 5,1exp(j11,3°) = 24,9exp(-j131,3°).
Теперь получаем итог:
Pw = U * I* = Real[220exp(-j30°) * 24,9exp(+j131,3°)] = 5478 * cos(131,3°) = -3615 Вт
Последние пояснения: Real — взятие действительной части. Именно ей соответствуют показания ваттметра из полной мощности S, активной Р и реактивной Q (для этой надо брать мнимую часть полной мощности, но это только в расчете: ее ваттметр не показывает, хотя ухищрениями его можно заставить это делать).
Отрицательная активная мощность, показывает, что преподаватель у вас молодой, то, что сам понял, еще стремится передать: ничего удивительного в отрицательных показаниях нет — каково включение, таковы и показания. Можно и не такое еще выдумать. Ну, и хитрец же он! Дальше должен спросить, а как это активная цепь потребляет отрицательную энергию? Надо отвечать тоже с хитрецой: «— Это кто сказал?». Она ведь и вправду не потребляет такую, это показания такие, и ничего больше.
При комплексном сопряжении меняется знак при мнимой части: -j131,37° превращается в +j131,3°, хотя в данном случае это ничего не меняет. Это обычные вещи, о них преподавателю рассказывать можно: он не только не заподозрит помощи со стороны (будет просто уверен в ней), но и обрадуется тому, что студенты эти обычные вещи знают.
Успехов!
Изменено 8 Февраля 2013 пользователем Reult
Классификация ваттметров
В общем виде, ваттметры можно разделить на аналоговые и цифровые. Оба класса могут ориентироваться на постоянный, или переменный ток, быть универсальными, обладать различной точностью и нишей использования. Существуют одно- и трехфазные измерительные приборы.
Большинство цифровых и аналоговых измерителей фиксируют «мгновенные» значения характеристики, что может быть удобно с одной стороны для контроля, но не дает обзора ситуации в целом — на общее потребление линии по времени.
Электродинамические аналоговые приборы
Основа электродинамического ваттметра — две катушки, одна из которых имеет фиксированное положение, вторая подвижна и закреплена на оси индикаторной стрелки. Обе имеет разное количество витков и подключение к линии. Первая монтируется к исследуемой цепи последовательно, вторая — параллельно через резистор. Принцип работы механизма устройства заключен в том, что чем сильнее ток течет в фиксированной катушке, тем мощнее магнитные поля между ней и подвижной, а значит больше отклоняется стрелка, указывающая на текущее значение характеристики.
Схема включения ваттметра подобного класса подразумевает нахождение его последовательно с линией нагрузки потребителя. Главный минус большинства аналоговых устройств — без сильного усложнения конструкции, невозможно получать раздельную информацию по активной, реактивной и полной мощности.
Цифровые измерительные аппараты
Принцип действия цифрового измерительного прибора всегда одинаков — внутренняя микро-ЭВМ (микроконтроллер) обрабатывает сигнал от аналогового датчика исследуемой линии и выводит результат на экран или числовой индикатор. Схема подключения ваттметра подобного класса похожа на используемую у аналоговых — параллельно нагрузке. Основной плюс цифровых измерителей в их универсальности и широте возможностей. К примеру, для раздельного вычисления реактивной, активной и полной мощности, не нужно использовать сложные аппаратные конструкции — достаточно предусмотреть несколько дополнительных сенсоров. Не редкость объединение разноплановых измерительных устройств в одном корпусе — амперметра, вольтметра, анализатора «мгновенного» расхода и его значений по периоду времени.
Ваттметр для измерения мощности: назначение, типы, подключение, применение
Один из параметров, который характеризует состояние электрической сети – это ее мощность. Она отражает величину работы, выполняемую электрическим током в единицу времени. Мощность устройств, включаемых в электрическую цепь, должна быть в рамках мощности сети. Иначе возможны неприятные сюрпризы – от выхода из строя оборудования до короткого замыкания и пожара.
Измеряют мощность электрического тока специальным прибором – ваттметром. И если в цепи постоянного тока она рассчитывается простым умножением силы тока на напряжение (достаточно наличия вольтметра и амперметра), то в сети переменного тока без измерительного оборудования не обойтись. Также им контролируют режим работы электрического оборудования и учитывают расход энергии.
Применение Ваттметров
Основная область применения – это электроэнергетическая промышленность и машиностроение, мастерские по ремонту электроприборов. Однако достаточно широко используют и бытовые измерители, которые приобретают любители электроники, компьютеров и просто обыватели – для учета и экономии энергопотребления.
Применяют ваттметры для:
- Определения мощности приборов;
- Тестирования электрических сетей, и их отдельных участков; (как показывающие приборы);
- Контроля работы оборудования; .
Типы ваттметров
Измерению мощности предшествует измерение силы тока и напряжения исследуемого участка цепи.
В зависимости способов измерения, преобразования данных и показа итоговой информации, ваттметры делятся на аналоговые и цифровые.
Аналоговые ваттметры бывают показывающие и самопишущие и отражают активную мощность участка цепи. Табло показывающего прибора имеет полукруглую шкалу и поворачивающуюся стрелку. Деления шкалы отградуированы в соответствии с определенными величинами мощности, измеряемой в ваттах (Вт).
Цифровые ваттметры измеряют как активную, так и реактивную мощность. Кроме того, на дисплей прибора могут выводиться (кроме показания мощности) также и сила тока, напряжение, и расход энергии по времени. Данные измерений можно вывести удаленно на компьютер оператора.
Видео о ваттметре из Китая:
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
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.
- 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.
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.
- 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
Ваттметр Д5085 (Д 5085, Д-5085)
Предназначен для измерения мощности в однофазных цепях переменного и постоянного тока, а также для поверки менее точных приборов.
Габариты не более (205±1,45)х(290±1,6)х(135±2,0) мм.
Класс точности 0,2.
Ваттметры Д5085 предназначены для измерения мощности в однофазных цепях переменного и постоянного тока, а также для поверки менее точных приборов.
Ваттметры Д5085 предназначены для эксплуатации в условиях умеренного климата в закрытых сухих отапливаемых помещениях, при температуре окружающего воздуха от 10 до 35 °С и относительной влажности до 80 % (при 25 °С ).
Ваттметры Д5085 -04.1 (тропическое исполнение) предназначены для эксплуатации в условиях как сухого, так и влажного тропического климата в закрытых помещениях с кондиционированным или частично кондиционированным воздухом при температуре окружающего воздуха от 1 до 45 °C и относительной влажности до 80 % при температуре 25 °С (по ГОСТ 15150-69).
Технические данные
Ваттметры Д5085 соответствуют классу точности 0,2 по ГОСТ 8476-78.
Номинальный коэффициент мощности ваттметра – 1,0.
Номинальный ток параллельной цепи ваттметра Д5085 равен (5 ± 0,1) mА. Нормальная область частот ваттметра от 45 до 500 Гц, рабочая область частот – 500-1000 Гц.
Предел допускаемой дополнительной погрешности прибора Ваттметр Д5085, вызванной отклонением напряжения на ± 20 % от номинального значения либо от пределов нормальной области напряжений, при неизменном значении измеряемой мощности равен ± 0,2 % от конечного значения диапазона измерений.
Предел допускаемой дополнительной погрешности прибора Ваттметр Д5085, вызванной отклонением частоты от верхней границы нормальной области до любого значения в рабочей области частот, не превышает ± 0,2 % от конечного значения диапазона измерений.
Предел допускаемой дополнительной погрешности прибора Ваттметр Д5085, вызванной изменением температуры окружающего воздуха от нормальной до любой температуры в пределах рабочих температур на каждые 10 °С изменения температуры, равен ±0,2% от конечного значения диапазона измерений. Нормальная температура – 20±2 °С, если на лицевойчасти прибора не оговорено иное значение.
Тема 8_Измерение электрических величин
мических измерительных механизмов. В настоящее время наряду с ними все шире находят применение цифровые ваттметры.
Для понимания методов измерения мощности и правильной организации измерительного эксперимента следует помнить, что у электродинамических и ферродинамических ваттметров имеются две измерительные обмотки (токовая и напряжения). Их показания равны произведению напряжения, приложенного к обмотке напряжения, тока, протекающего по токовой обмотке и косинуса уг-
ла сдвига фаз между этим напряжением и этим током (рис. 1).
Рис. 1 Показание ваттметра
2.1.1 Измерение активной мощности в однофазных цепях
Для измерения мощности в однофазной цепи ваттметр включается в со-
ответствии со схемой (рис. 2).
Рис. 2 Схема включения ваттметра в однофазную цепь
При таком включении
Тогда в соответствии с (1)
P W U н I н cos P н .
2.1.2 Измерение активной мощности в трехфазных цепях
Активная мощность трехфазной системы равна сумме мощностей от-
дельных фаз. Это справедливо для мгновенных значений
p p A p B p C u A i A u B i B u C i C
и для среднего значения мощности за период
P T 0 pdt P A P B P C U A I A cos A U B I B cos B U C I C cos C .
Измерение активной мощности трехфазного тока может быть произведе-
но одним или несколькими однофазными ваттметрами, включенными по раз-
ным схемам. Количество ваттметров и схемы их включения в цепи трехфазного тока определяются системой питания (трех или четырехпроходная), нагрузкой
(равномерная или неравномерная) и ее соединением (звездой или треугольни-
ком). Различаются методы одного, двух и трех приборов.
Метод одного прибора
Этот метод может использоваться только при полной симметрии трех-
фазной цепи, т. е. при симметричной трехфазной системе напряжений и сим-
Как известно мощность одной фазы определяется по формуле:
где U ф , I ф – соответственно фазные напряжение и ток.
Ваттметр включается по одной из схем, приведенных на рис. 3. Из схем видно, что при таком включении по токовой обмотке ваттметра протекает фаз-
ный ток, а обмотка напряжения подключена на фазное напряжение и значит в соответствии с (5) он измеряет мощность одной фазы.
Поскольку при симметричной нагрузке мощности фаз равны, то для оп-
ределения мощности трехфазной системы его показания необходимо утроить,
Схема (рис. 3, в) применяется в техслучаях, когда недоступна нулевая точка звезды или невозможно включить ваттметр в одну из фаз приемника, соединенного треугольником. Это так называемая схема с искусственной нулевой точкой, соз-
даннойблагодаря включению в звездуактивныхрезисторов R 1 , R 2 и R W . Условием искусственного нуля служит равенство сопротивлений R 1 , R 2 и сопротивления па-
раллельнойцепиваттметра R W , т.е. при R 1 = R 2 = R W .
Рис. 3 Схемы включения ваттметра при измерении мощности в симметричных цепях методом одного прибора: а) при соединении звездой; б) при соединении треугольником; в) с
искусственной нулевой точкой
Метод двух приборов
Этот метод может использоваться при измерениях мощности и энергии в
трехпроводных цепях как при симметричной так и несимметричной нагрузке,
независимо от способа соединения нагрузки.
Мгновенное значение мощности трехфазной системы равно сумме мгновенных значений мощности отдельных фаз:
После подстановки мгновенных значений тока и напряжения в это урав-
нение оно имеет следующий вид (для соединения в звезду):
p u A i A u B i B u C i C .
Для этого случая (по 1-му закону Кирхгофа) сумма мгновенных значений
токов равна нулю:
Заменяя любой из токов через пару других (например, i B ( i A i C ) ) и, под-
ставляя в выражение для мгновенной мощности, приводим его к следующему виду:
p u A i A u B ( i A i C ) ( u A u B ) i A ( u C u B ) i C u AB i A u BC i C .
Для случая соединения приемника треугольником получается точно такое же выражение мгновенного значения мощности. Но в этом случае производится замена одного из напряжений из условия равенства нулю суммы мгновенных значений напряжений (по 2-му закону Кирхгофа).
Аналогично, после замены других токов или напряжений можно полу-
чить другие равенства:
p u AC i A u BC i B и p u BA i B u CA i C . (11)
Переходя после интегрирования приведенных выражений мгновенных
значений мощности к средним за период, можно записать три уравнения в дей-
ствующих значениях тока и напряжения:
cos α 1 U BC I B
Углы α 1 , α 2 представляют собой фазовые сдвиги между соответствующи-
ми напряжениями и токами. Следовательно, для измерения мощности трехпро-
водной трехфазной системы необходимо подключить два ваттметра таким об-
разом, чтобы каждый из них измерял мощность, выражаемую одним из членов соответствующей формулы. При подключении ваттметров необходимо соблю-
дать определенность присоединения генераторных зажимов (помеченных на приборах звездочками) в соответствии с последовательностью индексов у на-
пряжений. Буква, стоящая в индексе напряжений первой, указывает линию, к
которой должен быть подключен генераторный зажим параллельной цепи ваттметра. Мощность всей системы определяется как алгебраическая сумма по-
казаний обоих ваттметров. В соответствии с записанными уравнениями воз-
можны три варианта включения двух приборов в трехфазную цепь, показанные на рис. 4.
Рис. 4 Схема включения ваттметров по методу двух приборов в соответствии
с формулой: а) – (12); б) – (13); в) – (14)
Эти схемы в равной степени относятся и к случаю соединения приемни-
ков в звезду, и в треугольник.
На рис. 5 построена векторная диаграмма напряжений и токов, дейст-
вующих в цепях ваттметров, включенных по схеме рис. 4, б для случая симмет-
ричной нагрузки, имеющей активно-индуктивный характер.
Рис. 5 Векторная диаграмма напряжений и токов
Из диаграммы видно, что α 1 30 , а
α 2 30 . Следовательно, показа-
ния ваттметров PW1 и PW2 будут соответственно равны:
U AB I A cos( 30 );
U CB I C cos( 30 ).
Из этих равенств следует, что показания ваттметров одинаковы только при активной симметричной нагрузке: если φ = 0, то
P W 1 P W 2 U I cos30 .
Если φ = −60°, показание второго ваттметра P W 2 = 0; при φ = +60°, пока-
зание первого ваттметра P W 1 = 0. В этих случаях мощность трехфазной системы равна показанию одного из ваттметров.
При углах сдвига 60° < φ < −60° показание одного из ваттметров стано-
вится отрицательным. В этом случае необходимо поменять полярность одной из обмоток ваттметра и его показание учитывать со знаком минус (в современ-
ных электродинамических ваттметрах имеется специальный переключатель на-
правления тока в катушке напряжения).
Рассматривая сумму и разность показаний P W 1 и P W 2 получим:
UI cos( 30 ) cos( 30 )
UI cos( 30 ) cos( 30 )
Тогда угол сдвига фаз при симметричной нагрузке можно определить из выражения
Приведенные рассуждения справедливы для любой несимметричной сис-
темы с той разницей, что в этом случае численные значения углов α 1 и α 2 будут иными, чем указанные в их выражениях для случая симметричной нагрузки.
Метод трех приборов
При наличии нулевого провода и несимметричной нагрузке используется метод трех приборов, включенных по схеме, показанной на рис. 6.4. Если па-
раллельные обмотки ваттметров включены на напряжение каждой фазы, а по-
следовательные обмотки – в рассечку линий, по которым протекают фазные то-
ки, то каждый из ваттметров показывает мощность своей фазы и сумма их по-
казаний равна мощности трехфазной системы.
Рис. 6 Схема включения ваттметров по методу трех приборов
Измерение активной мощности и энергии в трехпроводных и четырех-
проводных цепях удобнее производить специальными трехфазными ваттметра-
ми и счетчиками. Эти приборы снабжены двумя или тремя измерительными элементами, действующими на общую подвижную часть, связанную с системой отсчета. Электрические схемы соединений этих измерительных элементов ана-
логичны приведенным выше схемам включения двух или трех приборов (см.
2.1.3 Измерение реактивной мощности
В практике необходимость измерения реактивной мощности (энергии) в
однофазной цепи встречается редко; для этой цели используются либо специ-
альные реактивные ваттметры (варметры), либо косвенные методы измерения.
Как известно у электродинамического (ферродинамического) измери-
тельного механизма, угол отклонения подвижной части равен
Если между напряжением, приложенным к параллельной цепи ваттметра,
и током в ней создать угол сдвига, равный 90° (в ваттметрах активной мощно-
сти этот угол равен нулю), можно превратить cosφ в sinφ. Необходимый сдвиг в 90° достигается специальной схемой параллельной цепи, но только при од-
ном значении частоты. Включение полученного таким образом варметра про-
изводится по тем же правилам, что и ваттметра.
Для измерения реактивной мощности (энергии) в трехфазных системах используются различные методы и приборы – в зависимости от того, симмет-
ричная система или несимметричная. Причем различается простая асимметрия
(токов или напряжений) и сложная асимметрия (и токов и напряжений).
Наиболее широкое распространение получили различные методы изме-
рения реактивной мощности трехфазных цепей с использованием активных приборов, включаемых по так называемым синусным схемам. Идея здесь та же,
что и при создании однофазного варметра: получить угол сдвига между током в последовательной цепи и напряжением в параллельной цепи ваттметра, равный
(90° − φ), не производя каких-либо изменений в самом приборе. Тогда показа-
ния прибора становятся пропорциональными не cosφ, а sinφ, но для получения величины Q результат измерения приходится умножить на некоторый коэффи-
циент. Количество активных приборов и схемы их включения зависят от сим-
метрии или вида асимметрии трехфазной системы.
Измерение в трехфазных симметричных системах
В этом случае чаще всего применяется метод одного прибора, схема включения которого показана на рис. 7, а.
Рис. 7 Измерение реактивной мощности в трехфазных симметричных системах:
а) включение ваттметра по синусной схеме; б) векторная диаграмма напряжений и токов для случая соединения нагрузки в звезду
Токовая обмотка ваттметра, как видно из схемы рис. 7, а, включается в рассечку одной из линий, а обмотка напряжения подсоединяется к двум сво-
бодным (чужим) линиям.
Из векторной диаграммы, показанной на рис. 7, б, следует, что ваттметр покажет мощность