Каждый потребитель, питающийся от сети, потребляет определенное количество электроэнергии. Мощность — это скорость, с которой электросеть может выполнять работу, необходимую для работы прибора или цепи, питающейся от сети. Разумеется, электросеть должна быть способна обеспечить эту мощность без перегрузки, иначе она выйдет из строя.
Для измерения мощности, потребляемой цепью переменного тока, используется специальный прибор, называемый ваттметром. Ваттметры показывают текущее потребление энергии, а некоторые даже способны рассчитать киловатт-часы энергии, потребленной потребителем во время работы. В этой статье мы рассмотрим несколько основных типов ваттметров.
Ваттметры используются в широком спектре промышленных и бытовых приложений, особенно в энергетике и машиностроении. Ваттметры также часто полезны в быту.
Они используются для определения мощности различных приборов, для расчета приблизительных ежемесячных счетов за электричество, для диагностики приборов, для тестирования сетей и просто в качестве визуальных индикаторов. Существуют панельные ваттметры, ваттметры в виде адаптеров питания, цифровые и аналоговые ваттметры.
В целом, принцип работы этих устройств прост: измеряется напряжение питания и потребляемый ток, а мощность определяется как произведение этих величин с учетом коэффициента мощности рассматриваемой цепи. Коэффициент мощности определяется разностью фаз между током и напряжением. Цифровые ваттметры показывают показания на дисплее или записывают их в цифровом виде, а аналоговые ваттметры показывают их стрелкой на шкале.
Электрические измерительные приборы
Приборы, основанные на принципе взаимодействия двух магнитных полей, создаваемых токами, протекающими в двух разных катушках, известны как электродинамические приборы.
Одна из катушек неподвижна, а вторая катушка, расположенная внутри первой, может вращаться вокруг своей оси и удерживаться в определенном исходном положении с помощью спиральной пружины. По отклонению подвижной катушки можно непосредственно определить силу тока, протекающего через катушку.
В зависимости от прибора и способа его открытия он может использоваться для измерения тока в цепи (амперметр), напряжения на конце цепи (вольтметр) или мощности, потребляемой в цепи (ваттметр).
Поскольку направление тока, протекающего через две катушки электрометра, изменяется одновременно, направление силы взаимодействия между катушками остается постоянным при изменении направления тока, подаваемого на электрометр. Поэтому данный измеритель подходит для измерения как переменного, так и постоянного тока.
Аналоговый ваттметр
К аналоговым устройствам относятся ваттметры для электрических систем. Их работа основана на взаимодействии пары катушек, где первая катушка неподвижна, а вторая подвижна, т.е. может отклоняться в одну из сторон. Неподвижная катушка связана с током, а подвижная катушка — с напряжением.
Неподвижная катушка имеет меньшее число витков и подключается последовательно к схеме измерения мощности, в то время как подвижная катушка имеет гораздо большее число витков и подключается параллельно тестируемому устройству через резистор.
Чем больше ток, протекающий через неподвижную катушку, тем больше отклонение ее магнитного поля относительно подвижной катушки, соединенной со стрелкой. Шкала измерителя — в ваттах. Как вы уже поняли, ток, напряжение и коэффициент мощности учитываются автоматически.
Конструкция ваттметра.
Схема подключения ваттметра.
Схема подключения ваттметра с крышки прибора D5065.
Мощность трехфазной системы можно измерить с помощью трех ваттметров, подключенных к каждой фазе. Однако эту задачу можно решить и более простым способом.
При равномерной нагрузке измерения можно проводить с помощью одного ваттметра. При неравных нагрузках и трехпроводных системах можно использовать два ваттметра (или специально разработанный ваттметр, так называемый двухэлементный ваттметр). В случае неравных нагрузок и четырехпроводных систем требуется три ваттметра или трехэлементный ваттметр.
Иногда для измерения реактивной мощности используются синусоидальные амперметры, в которых отклонение подвижной части пропорционально синусу фазового угла между током и напряжением, а не косинусу.
Конструкция ваттметра для измерения реактивной мощности такая же, как и у ваттметра для измерения активной мощности. Разница лишь в том, что в синусоидальном амперметре сдвиг фаз на 90° между напряжением и током в параллельной цепи является искусственным. Синусоидальные ваттметры, или ваттметры, как их иногда называют, используют ту же измерительную схему, что и ваттметры активной мощности.
Если нагрузка неравномерна в четырехпроводной цепи, три последовательные обмотки ваттметра подключаются к линии, а параллельная цепь подключается к линии и нейтрали. Мощность трехфазной цепи определяется как сумма показаний ваттметра. Можно использовать трехэлементный ваттметр.
Цифровой ваттметр
Цифровой ваттметр работает совершенно по-другому. Согласно закону Ома, ток измеряется косвенно, путем оценки падения напряжения на калиброванном шунте, а напряжение измеряется в цепи цифрового вольтметра. Датчик тока может быть трансформатором тока или шунтом.
Измеренные схемой мгновенные значения тока и напряжения обрабатываются микропроцессором, который на основе этих данных рассчитывает потребление электроэнергии потребителем в течение периода измерения и общее потребление электроэнергии. Результаты отображаются на цифровом дисплее.
Аналоговые приборы часто встречаются в модульных изделиях, монтируемых на панели, в то время как цифровые приборы выпускаются в виде профессиональных и портативных устройств.
Бытовые счетчики электроэнергии
Очень распространенным примером простого цифрового ваттметра является бытовой ваттметр в виде адаптера питания. Он предназначен для мониторинга потребления электроэнергии и быстрой оценки стоимости электроэнергии, используемой в доме. Ваттметр подключается к розетке, которая обычно питает потребляемый прибор. Затем сам прибор включается в розетку ваттметра.
При нажатии соответствующей кнопки ваттметр начинает считать и записывать количество потребленной за это время электроэнергии, т.е. энергии, переданной через его розетку. Он также может рассчитать стоимость электроэнергии, если цена киловатт-часа была предварительно установлена. Пока прибор работает и ваттметр измеряет мощность, значение на дисплее регулярно обновляется. Ваттметр этого типа способен измерять мощность до 3600 Вт.
Подключив счетчик, вы сразу же начнете обратный отсчет и покажете потребление энергии в режиме реального времени. Дисплей можно переключать с мощности, на ток, на напряжение, на пиковую мощность, на минимальную мощность и т.д.
На дисплее также отображается частота переменного тока в розетке. Установив стоимость электроэнергии за киловатт-час, бытовой счетчик электроэнергии можно использовать для оценки стоимости электроэнергии, потребляемой холодильниками, компьютерами, вентиляторами, кондиционерами, обогревателями, водонагревателями и т.д.
Профессиональные ваттметры
Профессиональные ваттметры обладают большей функциональностью и точностью. Они позволяют испытывать более простые измерительные приборы и способны измерять мощность в более широком диапазоне токов, напряжений и частот, чем бытовые приборы.
Профессиональный ваттметр стоит дороже любого стационарного прибора в своем классе, просто из-за повышенных требований к точности и качеству измерений. Как правило, профессиональные ваттметры не привередливы к форме волны тока; они могут измерять переменный и постоянный, синусоидальный, прямоугольный, пульсирующий и пилообразный токи и рассчитывать потребляемую мощность по коэффициенту мощности и характеру нагрузки (активная, индуктивная, емкостная, смешанная). Они могут использоваться как для однофазных, так и для трехфазных цепей.
Аналоговый ваттметр в составе профессионального лабораторного испытательного набора K540.
Ваттметр, установленный на панели
Для измерения и отображения активной и реактивной мощности в трехфазных или однофазных сетях переменного тока полезны ваттметры, устанавливаемые на панели. Текущее значение мощности отображается в виде одной цифры на его дисплее, который обычно может иметь четыре цифры для обеспечения достаточно высокого уровня точности. Прибор имеет измерительную головку, установленную в корпусе.
Этот тип ваттметра обычно используется на панели индикации различных электрических приборов, работающих в сети 50 Гц, т.е. ваттметр устанавливается стационарно и уже не снимается. Ваттметр можно подключить к электронной схеме и корректировать работу схемы, в которой он установлен, в соответствии с динамикой потребления активной или реактивной мощности.
