Каждый потребитель, питаемый от электрической сети, потребляет какую-то мощность. Мощность характеризует в данном случае скорость выполнения электрической сетью работы, необходимой для функционирования того или иного прибора либо цепи, которая от этой сети питается. Разумеется, сеть должна быть в состоянии обеспечить данную мощность и не быть при этом перегруженной, иначе может случиться авария.
Для измерения потребляемой мощности в цепях переменного тока используют специальные приборы — ваттметры. Ваттметры показывают текущую потребляемую мощность, а некоторые из них способны даже подсчитать количество энергии в киловатт-часах, израсходованной за определенное время, пока потребитель работал. В данной статье мы рассмотрим несколько основных видов ваттметров.
Ваттметры находят применение в самых разных сферах промышленности и быта, особенно в электроэнергетике и в машиностроении. Кроме того ваттметры часто полезны в быту.
Их используют для определения мощности различной бытовой техники, для расчета приблизительной стоимости электроэнергии в месяц, для диагностики приборов, для тестирования сетей, да и просто в качестве наглядных индикаторов. Есть щитовые ваттметры, ваттметры в виде сетевых адаптеров, цифровые и аналоговые ваттметры.
Принцип работы данных приборов в общем виде прост: измеряются напряжение питания и потребляемый ток, а мощность определяется как произведение данных величин с учетом коэффициента мощности исследуемой цепи. Коэффициент мощности определяется по разности фаз между током и напряжением. Цифровые ваттметры отображают показания на дисплее или записывают их в цифровой форме, а аналоговые — показывают стрелкой на шкале.
Электродинамические измерительные приборы
Приборы, основанные на принципе взаимодействия двух магнитных полей, создаваемых токами, текущими в двух различных катушках по устройству и принципу действия называют электродинамическими.
Одна из этих катушек укреплена неподвижно, а вторая, помещенная внутри первой, может поворачиваться вокруг своей оси и удерживается в некотором начальном положении спиральными пружинами. По отклонению подвижной катушки можно непосредственно судить о силе протекающего по катушкам тока.
В зависимости отданных прибора и способа его включения с помощью этого прибора можно измерять либо силу тока в цепи (амперметр), либо напряжение на зажимах цепи (вольтметр), либо мощность, потребляемую в цепи (ваттметр).
Т. к. направление электрического тока, протекающего через обе катушки электродинамического измерительного прибора изменяется одновременно, то направление силы взаимодействия между катушками остается неизменным при изменении направления подводимого к прибору тока. Поэтому такие измерительные приборы пригодны для измерения как переменного, так и постоянного токов.
К аналоговым устройства относятся ваттметры электродинамической системы. Их работа основана на взаимодействии пары катушек, первая из которых неподвижна, а вторая — подвижна, то есть может отклоняться в сторону. Неподвижная катушка связана с током, а подвижная — с напряжением.
Неподвижная катушка имеет небольшое число витков и включается в цепь измерения мощности последовательно, в то время как подвижная катушка имеет значительно большее количество витков и включается через резистор параллельно исследуемому прибору.
Чем больший ток проходит по неподвижной катушке — тем сильнее ее магнитное поле отклоняет подвижную катушку, связанную со стрелкой. Шкала прибора отградуирована в ваттах. Как вы уже поняли, здесь автоматически учитываются и ток, и напряжение, и коэффициент мощности цепи.
Схема подключения ваттметра:
Схема подключения ваттметра с крышки прибора Д5065:
Мощность трехфазной системы может быть измерена с помощи трех ваттметров, включенных в каждую из фаз. Однако задача может быть решена и проще.
При равномерной нагрузке измерения мог быть проведены с помощью одного ваттметра. При неравномерной нагрузке и трехпроводной системе — двумя ваттметрами (или одним ваттметром специальной конструкции, так называемым двухэлементным). При неравномерной нагрузке и четырехпроводной системе — тремя ваттметрами или одним трехэлементным.
Иногда для измерения реактивной мощности применяют синусные ваттметры, у которых отклонение подвижной части пропорционально не косинусу, а синусу угла сдвига фаз между током и напряжением.
Устройство ваттметров для измерения реактивной мощности такое же, как и для активной. Разница лишь в том, что в синусных ваттметрах искусственно создается сдвиг фаз на 90° между напряжением и током в параллельной цепи. Включаются синусные ваттметры или, каких иногда называют, варметры по тем же измерительным схемам, что и ваттметры для измерения активной мощности.
При неравномерной нагрузке в четырехпроводной линии последовательные обмотки трех ваттметров включают в линейные провода, а параллельные цепи подключают к линейным проводам и нулевому проводу. Мощность трехфазной цепи определяется как сумма показаний ваттметров. Возможно применение одного трехэлементного ваттметра.
Цифровые ваттметры
Цифровой ваттметр работает совершенно иначе. Ток измеряется косвенным путем по закону Ома посредством оценки падения напряжения на калиброванном шунте, а напряжение — по схеме цифрового вольтметра. Датчиком тока может быть не обязательно шунт, но и трансформатор тока.
Измеренные схемой мгновенные параметры тока и напряжения обрабатываются микропроцессором, который вычисляет на основе этих данных потребляемую мощность, а также величину суммарной электроэнергии, которая была израсходована потребителем за время проведения замеров. Результат отображается на цифровом дисплее прибора.
Аналоговые приборы часто можно встретить в виде щитовых, модульных изделий, а цифровые — в виде профессионального оборудования и портативных устройств.
Бытовой ваттметр
Очень распространенный пример простого цифрового ваттметра — бытовой ваттметр в виде сетевого адаптера — переходника. Он предназначен для наблюдения мощности потребления, а также для оперативной оценки стоимости электроэнергии в домашних условиях. Ваттметр вставляется в ту розетку, от которой обычно питается прибор, потребление которого необходимо узнать. Затем в розетку ваттметра втыкается вилка самого прибора.
По нажатии соответствующей кнопки, ваттметр начинает отсчет времени и запись количества потребленной с этого момента электроэнергии, то есть той энергии, которая была отдана через его розетку. Тут же считается стоимость электроэнергии, если предварительно задана цена киловатт-часа. Пока прибор работает а ваттметр измеряет мощность, стоимость на дисплее периодически обновляется. Ваттметры такого типа способны измерять мощности до 3600 Вт.
Стоит вставить прибор в розетку и воткнуть в него вилку — на дисплее тут же начинается отсчет времени и в режиме реального времени отображается потребляемая мощность. При помощи кнопок можно переключить отображаемый параметр с мощности — на ток, на напряжение, посмотреть пиковую мощность, минимальную мощность и т. д.
Кроме того на дисплее можно увидеть частоту переменного тока в розетке. Задав стоимость киловатт-часа электроэнергии, при помощи бытового ваттметра можно оценить стоимость электроэнергии, потребляемой холодильником, компьютером, вентилятором, кондиционером, обогревателем, водонагревателем и т. д.
Профессиональные ваттметры
Профессиональные ваттметры отличаются расширенным функционалом и повышенным классом точности. Данные приборы позволяют тестировать более простые измерительные приборы, а сами способны измерять мощности в значительно более широком диапазоне величин токов, напряжений и частот нежели бытовые.
Профессиональный ваттметр стоит дороже, как любой стационарный прибор подобного класса, просто в силу повышенных требований к точности и качеству измерений. Зачастую профессиональные ваттметры не критичны к форме тока, они могут измерять переменный и постоянный, синусоидальной, прямоугольный, пульсирующий и пилообразный токи, вычислять при этом мощность потребления с указанием коэффициента мощности и характера нагрузки (активная, индуктивная, емкостная, смешанная). Выпускаются как для работы с однофазными цепями, так и для трехфазных.
Аналоговый ваттметр в составе профессионального лабораторного измерительного комплекта К540:
Щитовые ваттметры
Для осуществления замеров и индикации активной и реактивной мощности в сетях трехфазного или однофазного переменного тока, полезны щитовые встраиваемые ваттметры. Значение текущей мощности индикатор показывает в виде цифр на своем дисплее, который может иметь обычно до четырех разрядов для обеспечения достаточно высокой точности. Прибор имеет вид своеобразной измерительной головки, монтируемой в корпус.
Привычное применение ваттметров данного вида — индикаторные панели различных электротехнических устройств, работающих в сетях с частотой 50 Гц, то есть такие, где ваттметр установлен стационарно и больше не снимается. Возможно сопряжение ваттметра с электронными схемами, которые корректируют работу цепи в которой он установлен в зависимости от динамики активной или реактивной мощности потребления.
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:
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:
Пределы измерения напряжения Uп:
Пределы измерения мощности соответственно Uп* Iп
Пределы измерения частоты от 40 до 5000Гц.
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.
Краткие технические характеристики ЦП8506-120 (Ваттметр)
Варметр щитовой цифровой трехфазный:
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.
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 ).
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.
Ещё одно видео о встраиваемом ваттметре:
Измерение тока и напряжения
Измерения в цепях постоянного тока
Измерения постоянного тока и напряжения производятся с помощью приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем, напряжение измеряется также электростатическими и электронными вольтметрами. Кроме этого, для более точных измерений используются компенсаторы постоянного тока.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы непосредственно являются микро- и миллиамперметрами или милливольтметрами, а в сочетании с шунтами и добавочными сопротивлениями – соответственно амперметрами и вольтметрами.
Измерение постоянных токов и напряжений можно производить с помощью амперметров и вольтметров электромагнитной и электродинамических систем. Они применяются в основном для измерений в цепях переменного тока.
Электростатические измерительные механизмы являются электростатическими вольтметрами, так как они могут непосредственно измерять напряжение. Диапазон измеряемых ими напряжений находится в пределах от десятка вольт до сотен киловольт. Для измерения напряжений до 3 кВ используют измерительные механизмы с изменяющейся активностью поверхности электродов. Изготавливают вольтметры однопредельными и многопредельными, переносными (до 30 кВ) и стационарными (для измерения высоких напряжений, свыше 30 кВ).
Основными достоинствами электростатических вольтметров являются: очень малое собственное потребление мощности (большое входное сопротивление, 10 10 Ом), способность измерять постоянные и переменные напряжения, возможность непосредственно измерять большие напряжения. К недостаткам относятся малая чувствительность и неравномерность шкалы.
Измерение постоянных напряжений от долей вольта до нескольких киловольт может осуществляться с помощью электронных вольтметров, которые содержат измерительный механизм и ламповый или транзисторный усилитель постоянного тока. Существует несколько разновидностей электронных вольтметров постоянного тока, однако все они характеризуются структурной схемой, показанной на рисунке 6.1 рис. 6.1.
В качестве измерительного механизма используют обычно магнитоэлектрический микроамперметр с пределами измерения 50 500 мкА.
Существуют различные принципы построения цифровых вольтметров постоянного тока:
Обобщенная структурная схема электронного цифрового вольтметра представлена на рисунке 6.2 рис. 6.2.
Сравнивающее устройство (нуль-орган) служит для сравнения измеряемого и образцового напряжения.
Управляющие устройства состоят из генератора импульсов, задающего циклы измерения и управляющего работой логических схем.
Электронный ключ представляет собой устройство, которое включает или переключает выходное напряжение под действием одного или нескольких входных напряжений, называемых управляющими.
Электронные счетчики осуществляют отсчет измеряемого напряжения в цифровом коде (обычно в двоичной системе).
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Рассмотрим методы измерения электрических величин: токов, напряжений, мощности, электрической энергии и сопротивления в цепях постоянного и синусоидального тока промышленной частоты.
Измерение в цепях постоянного тока
Для измерения в цепях постоянного тока можно применять магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные, электростатические и термоэлектрические приборы. Наибольшую точность дают приборы магнитоэлектрической системы. Каждый из этих приборов можно использовать в качестве амперметра или вольтметра. Для амперметра и вольтметра различны требования к их входным сопротивлениям. Амперметр РА, включенный последовательно с нагрузкой RH, должен иметь небольшое внутреннее сопротивление Ra во избежание потерь мощности АР= I 2 RA, потребляемой амперметром (рис. 17.9, а). Сопротивление амперметра должно быть тем меньше, чем больше значение измеряемого тока.
Вольтметр PV, включаемый параллельно нагрузке, должен, наоборот, обладать большим сопротивлением Rv, для того чтобы оно не оказывало заметного шунтирующего действия и не снижало значения измеряемого напряжения.
Сопротивление вольтметра должно быть тем больше, чем выше
значение измеряемого напряжения U, а потери мощности АР =—
в вольтметре были невелики.
Рис. 17.9. Схема для измерения постоянного тока и напряжения [а);
Мощность в цепях постоянного тока можно измерить косвенным методом, одновременно измеряя ток и напряжение (см. рис. 17.9, а), т.е. Р = UI. Косвенное измерение мощности связано с неудобством отсчета показаний двух приборов. Повышение точности измерений достигается применением прямопоказываюгцих электродинамических ваттметров PW(рис. 17.9, б).
Измерение энергии в цепях постоянного тока производится счетчиками электродинамической системы. Схема включения счетчика в измерительную цепь аналогична схеме включения ваттметра.
Измерение сопротивлений электрических устройств на постоянном токе проводят методами непосредственной оценки (прямым и косвенным) и методами сравнения.
Измерение сопротивления методом амперметра — вольтметра. Наиболее простым косвенным методом измерения сопротивления в цепи постоянного тока является измерение с помощью амперметра и вольтметра: для небольших сопротивлений используют схему на рис. 17.10, а, для больших — схему на рис. 17.10, б.
Рис. 17.10. Схема измерения электрических сопротивлений методом амперметра — вольтметра:
а — небольших сопротивлений; б — больших сопротивлений
Сопротивление вычисляют на основании показаний вольтметра Uру и амперметра 1РА по формуле Rx = UPV/IPA.
В общем случае метод амперметра — вольтметра отличается невысокой точностью, однако преимущество его заключается в том, что в процессе измерения Ях объект может находиться в номинальном или рабочем режиме, что не имеет места при других методах измерения.
Измерение сопротивления омметром. Непосредственно и быстро сопротивление Rx можно измерить омметром — прибором, представляющим сочетание магнитоэлектрического измерителя, добавочного резистора и источника питания. Объект с измеряемым сопротивлением подключают к зажимам прибора и по отклонению стрелки прибора оценивают сопротивление.
Измерение малых сопротивлений методом сравнения осуществляют измерительными мостами, а измерение больших сопротивлений — с помощью мегаомметров.
