Измерение электрической мощности и энергии
Довольно часто возникает необходимость измерять мощность, потребляемую из сети, или же генерируемую в сеть. Это необходимо для учета потребляемой или генерируемой энергии, а также для обеспечения нормальной работы энергосистемы (избежание перегрузок). Измерять мощность можно несколькими способами – прямым и косвенным. При прямом измерении применяют ваттметр, а при косвенном амперметр и вольтметр.
Измерение мощности в цепи постоянного тока
Из-за отсутствия реактивной и активной составляющей в цепях постоянного тока для измерения мощности ваттметр применяют очень редко. Как правило, величину потребляемой или отдаваемой энергии измеряют косвенным методом, с помощью последовательно включенного амперметра измеряют ток I в цепи, а с помощью параллельно подключенного вольтметра измеряют напряжение U нагрузки. После чего применив простую формулу P=UI и получают значение мощности.
Чтоб уменьшить погрешность измерений из-за влияний внутренних сопротивлений устройств, приборы могут подключать по различным схемам, а именно при относительно малом сопротивлении нагрузки R применяют такую схему включения:
А при большом значении R такую схему:
Измерение мощности в однофазных цепях переменного тока
Главным отличием цепей переменного тока от сетей постоянного тока, пожалуй, заключается в том, что в переменном напряжении существует несколько мощностей – полная, активная и реактивная . Полную измеряют зачастую тем же косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра и значение ее равно S=UI.
Замер же активной P=UIcosφ и реактивной Q=UIsinφ производится прямым методом, с помощью ваттметра. Для измерения ваттметр в цепь подключают по следующей схеме:
Где токовую обмотку необходимо подключить последовательно с нагрузкой R н, и, соответственно, обмотку напряжения параллельно нагрузке.
Замер реактивной мощности в однофазных сетях не производится. Такие опыты зачастую ставятся только в лабораториях, где ваттметры включают по специальным схемам.
Измерение мощности в трехфазных цепях переменного тока
Как и в однофазных сетях, так же и в трехфазных полную энергию сети можно измерять косвенным методом, то есть с помощью вольтметра и амперметра по схемам показанным выше. Если нагрузка трехфазной цепи будет симметричной, то можно применить такую формулу:
U л – напряжение линейное, I- фазный ток.
Если же фазная нагрузка не симметрична, то производят суммирование мощностей каждой из фаз:
При измерении активной энергии в четырехпроводной цепи при использовании трех ваттметров, как показано ниже:
Общей энергией потребляемой из сети будет сумма показаний ваттметров:
Не меньшее распространение получил и метод измерения двумя ваттметрами (применим только для трехпроводных цепей):
Сумму их показаний можно выразить следующим выражением:
При симметричной нагрузке применима такая же формула как и для полной энергии:
Где φ – сдвиг между током и напряжением (угол фазового сдвига).
Измерение реактивной составляющей производят по той же схеме (смотри рисунок в)) и в этом случае она будет равна разности алгебраической между показателями приборов:
Если сеть не симметрична, то для измерения реактивной составляющей применяют два или три ваттметра, которые подключают по различным схемам.
Процесс измерения активной и реактивной мощности
Счетчиками индукционными или электронными производят измерения активной мощности цепи переменного напряжения. Они подключаются по тем же схемам что и ваттметры. Учет реактивной энергии в однофазных потребителей в нашей стране не ведется. Ее учет производят в трехфазных цепях крупных промышленных предприятий, потребляющих большие объемы электроэнергии. Счетчики активной энергии имеют маркировку СА, реактивной СР. Также широкое применение получают электронные счетчики электроэнергии.
Источник
Измерители мощности. Измерительные приборы и инструменты
Каким прибором измеряют мощность? Вопрос достаточно актуальный, так как в настоящее время электрическая сеть имеется повсюду. Без электричества не работает практически ничего. Неудивительно, что это привело к огромной популярности приборов, измеряющих показатели таких сетей. Важный факт — измерение мощности можно провести только в ваттах. Однако в некоторых случаях возникает потребность перевода ватта в киловатт. Чаще всего это делается для удобства расчетов.
Общее описание электрических сетей
Мощность — это один из трех основных параметров, который характеризует электрическую сеть. Данный параметр отражает то количество работы, которую выполняет сила тока за одну единицу времени. Здесь важно понимать, что общая мощность всех включенных приборов в сеть не должна превышать ту, которая подается поставщиком. Если это произойдет, то возможны негативные последствия, начиная с выхода из строя оборудования и заканчивая коротким замыканием и последующим пожаром. Для того чтобы избежать таких неприятностей, были изобретены измерители мощности, которые называются ваттметрами.
Тут важно понимать, что в цепи постоянного тока измерить этот параметр можно и без использования данного прибора. Для этого используют умножение. Перемножаются значения напряжения и силы тока в цепи. Однако обойтись тем же самым методом в цепи переменного тока не получится. Именно для таких сетей и были изобретены измерительные приборы и инструменты.
Использование аппаратуры
Основными источниками, использующими эти агрегаты, стали мастерские, занимающиеся ремонтом электрических приборов. Активно используют ваттметры и в электроэнергетической промышленности, а также машиностроении. Еще одной довольно распространенной моделью стали бытовые приборы. Основными покупателями таких изделий стали любители электроники, владельцы компьютеров или просто люди, желающие экономить на электроэнергии.
Один небольшой факт. В некоторых случаях приходится проводить преобразование ватт в киловатты. Чаще всего это делается в промышленных отраслях, где мощность настолько велика, что, если измерять ее в Вт, то значения будут слишком велики. При переводе единиц измерений есть такое правило: 1000 ВТ — это 1 кВт.
Чаще всего устройства применяются для таких целей, как:
- определение мощности отдельного агрегата;
- тестирование всей электрической цепи или ее отдельных частей;
- контроль работоспособности устройств;
- учет потребления электроэнергии всеми подключенными устройствами.
Краткое описание типов приборов
Здесь важно начать с того, что, прежде чем начать измерять мощность, обычно измеряют силу тока и напряжение. Основываясь на выбранном способе измерения, последующем преобразовании и выводе полученных данных, различают такие виды измерительных приборов и инструментов, как цифровые и аналоговые.
Аналоговые типы приборов отличаются тем, что они имеют полукруглую шкалу, а также движущуюся стрелку. Они также разделяются на две более мелких группы — самопишущие и показывающие. Эти приборы отражают мощность лишь активного участка цепи. Измерение прибор ведет в ваттах (Вт).
Цифровые измерители мощности (ваттметры) могут использовать для измерения и активной и реактивной мощности. К тому же у этого аппарата функционал намного шире, так как на его табло выводится показатель не только мощности, а также силы тока, напряжения и расхода энергии во времени. Еще одно преимущество заключается в том, что вывод всех значений можно производить удаленно, то есть на компьютер оператора.
Суть работы аналоговых приборов
Если говорить об устройствах аналогового типа для измерения мощности, то наиболее точными и часто используемыми стали приспособления электродинамической системы.
Принцип действия этого измерителя мощности основывается на работе двух катушек. Одна из них характеризуется тем, что она не двигается, ее сопротивление мало, как и число витков. А вот обмотка, наоборот, довольно толстая. Второй же экземпляр противоположен первому. То есть катушка движется, толщина обмотки низкая, а вот число витков довольно велико, из-за чего сопротивление также повышено. Подключение этого прибора осуществляется параллельно нагрузке. Для того чтобы избежать возникновения короткого замыкания между внутренними катушками устройства, прибор снабжается добавочным сопротивлением.
Суть работы цифровых приспособлений
Принцип действия этих измерителей мощности сложнее, чем у предыдущего типа. Причиной тому стало то, что мощность измеряется не напрямую. Основа работы устройства лежит в том, что сначала производятся предварительные измерения силы тока и напряжения. Для того чтобы их провести, нужно последовательно нагрузке подключить датчик тока, а параллельно — датчик напряжения. Выполнены эти агрегаты могут быть на базе термисторов или измерительных трансформаторов.
Мгновенные значения, полученные посредством аналого-цифрового преобразователя, передаются на микропроцессор, имеющийся у измерителя. В этом моменте производятся необходимые расчеты, благодаря которым можно получить значение активной и реактивной мощности. Итоговые результаты всех измерений выдаются на дисплей этого прибора, а также на дисплей тех устройств, которые подключены к нему. Оптическая мощность не измеряется этими видами приборов.
Бытовые приспособления
На сегодняшний день довольно распространенным и удобным прибором в быту стал ваттметр, при помощи которого можно измерить расход электрической энергии в доме. Данная модель является портативной версией устройства, при помощи которой измеряется мощность на отдельном участке. Благодаря этому становится возможным посчитать материальные расходы, которые уйдут на электроэнергию, если оставить работать сеть с такими же параметрами.
Данное приспособление довольно удобно, если необходимо распланировать расход средств, а также поможет провести оптимизацию некоторых участков домашней цепи.
Бытовые ваттметры
Этот агрегат относится к цифровой группе приборов. По своему внешнему виду он сильно напоминает адаптер или же переходник, который обладает дисплеем индикаторного типа. Кроме того, на корпусе расположено несколько кнопок, управляющих работой устройства. Основное предназначение этого прибора — регистрация и вывод на экран результатов потребления мощности любым бытовым прибором, который подключается к сети через него. Таких параметров довольно много, и это не только потребляемая мощность. Если ввести конкретный тариф, то устройство может даже показать количество материальных средств, которые будут уплачены за работу именно этого прибора. Оно может также фиксировать мощность излучения.
Функции прибора
Кроме обычных показателей этот прибор способен также зафиксировать такие значения, как пиковая мощность и пиковое значение силы тока. Кроме этого имеется и несколько других функций. Устройство показывает также текущее время, может работать как обычные часы реального времени. Еще одна возможность использования аппарата — звуковая сигнализация, которая сработает, если прибор начнет потреблять большее количество мощности, чем пользователь задаст вручную.
Кнопки, имеющиеся на приборе, могут быть использованы для того, чтобы вручную настраивать функции работы устройства. Имеется возможность выставить максимально допустимую мощность излучения, выставить стоимость киловатта за час и т.д.
В плане эксплуатации этот прибор очень прост. Для его работы необходимо подключить его к сети, то есть воткнуть в розетку. Далее необходимо подключить вилку исследуемого прибора к этому бытовому ваттметру. Отображение всех параметров подключенного устройства начнется автоматически.
Из основных параметров этого прибора можно выделить то, что к нему можно подключить практически любую бытовую технику. Общая максимальная мощность приборов не должна превышать показателя в 3600 Вт. Также нельзя превышать показатель силы тока в 16 А.
Источник
Измерение мощности в электрических цепях постоянного и переменного токов: способы и формулы
Содержание
- Общие сведения
- Мощность потребителя
- Сила тока
- Электрическое напряжение
- Сопротивление электрической цепи
- Методы измерения
- Косвенный способ
- Прямое определение величины
Очень часто при проектировании электрических схем радиолюбители сталкиваются с проблемой измерения мощности, которую потребляют радиокомпоненты. Специалисты в метрологической сфере рекомендуют два метода, позволяющих вычислить и грамотно рассчитать ее значение. В этом случае нужно разобрать подробнее физический смысл величины, а также ее составляющих, от которых она зависит.
Общие сведения
При проектировании устройств нужно уметь правильно рассчитывать мощность электроэнергии электрооборудованием. Это необходимо, прежде всего, для долговечной работы устройства. Если изделие работает на износ, то оно способно выйти из строя сразу или в течение некоторого времени.
Такой вариант считается недопустимым, поскольку существуют виды техники, которые должны работать без отказов (аппарат искусственного дыхания, контроль уровня метана в шахте и так далее), так как от этого зависит человеческая жизнь. К основным характеристикам электрической энергии относятся следующие: мощность, сила тока, напряжение (разность потенциалов) и электропроводимость (сопротивление) материалов.
Мощность потребителя
Мощность не следует путать с электрической энергией. Единицей измерения первой является ватт (Вт), название которой произошло от фамилии известного физика Джеймса Уатта. Физическим смыслом 1 Вт является расход электрической энергии за единицу времени, равной 1 секунде (1 Вт = расход 1 джоуля за 1 секунду). Существуют производные единицы измерения: милливатт (1 мВт = 0,001 Вт), киловатт (1 кВт = 1000 Вт), мегаватт (1 МВт = 1000 кВт = 1000000 Вт), гигаватт (1 ГВт = 1000 МВт = 1000000 кВт = 1000000000 Вт) и так далее. Для измерения электрической энергии применяются специальные счетчики, а ее единицей измерения является Вт*ч.
Ватт можно связать с некоторыми физическими величинами: 1 Вт = 1 Дж/с = (1 кг * sqr (м)) / (c * sqr ©) = 1 Н * м / с = 746 л. с. Последнее числовое значение называется электрической лошадиной силой. Ваттметр — измеритель электрической мощности. Однако ее величину можно определить и другим способом. Для этого следует разобрать физические величины, от которых она зависит.
Сила тока
Количество электрического заряда, который проходит через токопроводящий материал за единицу времени, называется силой электрического тока. Сокращенно величину называют силой тока или током. Она обозначается литерами «I» или «i» и имеет направление (векторная величина). Измеряется ток в амперах (А). Существуют также производные единицы, образованные при помощи приставок: 1 мА = 0,001 А, 1 кА = 1000 А и так далее. Измерить его значение можно амперметром. Для этого его нужно подключать последовательно в электрическую цепь.
Физическим смыслом тока в 1 А является прохождение электрического заряда в 1 Кл (кулон) за 1 секунду через площадь поперечного сечения S. В 1 кулоне содержится примерно 6,241*10^(18) электронов.
Ток в научной интерпретации классифицируется на постоянный и переменный. Первый вид не изменяет своего направления за единицу времени, но его амплитудные значения могут изменяться. Направление и амплитуда переменного тока изменяется по определенному закону (синусоидальный и несинусоидальный). Основным параметром считается его частота. Определяется тип переменного тока с помощью осциллографа.
Электрическое напряжение
Из курса физики известно, что каждое вещество состоит из атомов, которые обладают нейтральным зарядом. Они состоят из субатомных частиц. К ним относятся следующие: протоны, электроны и нейтроны. Первые имеют положительный заряд, вторые — отрицательный, а третьи — не заряжены вообще.
Суммарный заряд протонов компенсирует заряд всех электронов. Однако под действием внешних сил это равенство нарушается, и электрон «вырывается» из атома, который уже обладает положительным зарядом. Он притягивает электрон с соседнего атома, и процесс повторяется до тех пор, пока энергия не будет минимальной (меньше энергии «вырывания» электрона).
При межатомном взаимодействии образуется электромагнитное поле с отрицательной или положительной составляющими. Разность между двумя точками противоположных по знаку составляющих называется электрическим напряжением. Работа электромагнитного поля по перемещению точечного электрического заряда из точки А в точку В называется разностью потенциалов. Физический смысл напряжения (U): разность потенциалов в 1 В между двумя точечными зарядами в 1 Кл, на перемещение которых тратится энергия электромагнитного поля, равная 1 Дж.
Единицей измерения является вольт (В). Определить значение разности потенциалов можно с помощью вольтметра, который подключается параллельно. Производными единицами измерения считаются следующие: 1 мВ = 0,001 В, 1 кВ = 1000 В, 1 МВ = 1000 кВ = 1000000 В и так далее.
Сопротивление электрической цепи
Электропроводимость материала зависит от нескольких факторов: электронной конфигурации, типа вещества, геометрических параметров и температуры. Сведения об электронной конфигурации вещества можно получить из периодической таблицы Д. И. Менделеева. Согласно этой информации вещества бывают:
- Проводниками.
- Полупроводниками.
- Диэлектриками.
К первой группе следует отнести все металлы, электролиты (растворы, проводящие ток) и ионизированные газы. Носителями электрического заряда в металлах являются электроны. В растворах их роль выполняют ионы, которые бывают положительными (анионы) и отрицательными (катионы). Свободными носителями заряженных частиц в газах считаются свободные электроны и положительно заряженные ионы.
Полупроводники проводят электричество только при определенных условиях. Например, при воздействии на него внешних сил. Под их действием кулоновские связи электрона с ядром уменьшаются. При этом отрицательно заряженная частица «вырывается». На ее месте образуется «дырка», обладающая положительным зарядом. Она притягивает соседний электрон, вырывая его с атома. В результате этого осуществляется движение электронов и дырок. Изоляторы или диэлектрики вообще не проводят электричество. К ним относятся материалы без свободных носителей заряда, а также инертные газы.
В проводниках при повышении температурных показателей происходит рост величины сопротивления. При этом происходит разрушение и искажение кристаллической решетки. Заряженные частицы сталкиваются (взаимодействуют) с атомами и другими частицами материала. В результате их движение замедляется, но потом снова возобновляется под действием электромагнитного поля. Процесс этого «взаимодействия» называется электрической проводимостью вещества. Однако в полупроводниках при повышении температуры эта величина уменьшается. К геометрии материалов следует отнести следующие: длину и площадь поперечного сечения.
Сопротивление измеряется в Омах (Ом) при помощи омметра, который подсоединяется параллельно к участку цепи или радиодетали. Существуют производные единицы измерения: 1 кОм = 1000 Ом, 1 МОм = 1000 кОм = 1000000 Ом.
Методы измерения
Мощность можно определить двумя способами: косвенным и прямым. В первом случае это делается при помощи амперметра и вольтметра, а также осциллографа. Измеряются значения напряжения и тока, а затем по формулам вычисляется мощность. Этот способ имеет один недостаток: величина мощности получается с некоторой погрешностью.
При использовании прямого метода используется специальный прибор-измеритель. Он называется ваттметром и показывает мгновенное значение мощности. У каждого из способов есть свои достоинства и недостатки. Какой из методов наиболее оптимален, определяет сам радиолюбитель. Если проектируется какое-либо изделие, которое отличается надежностью, то следует применять прямой метод. В других случаях рекомендуется воспользоваться косвенным методом.
Косвенный способ
Мощность в цепях постоянного и переменного токов определяется различными способами. Для каждого случая существуют свои законы и формулы. Однако мощность можно не рассчитывать, поскольку она указана на электрооборудовании. Расчет применяется только при проектировании устройств.
Для цепей постоянного тока нужно воспользоваться формулой: P = U * I. Ее можно вывести из закона Ома для участка или полной цепи. Если рассматривается полная цепь, то формула принимает другой вид с учетом ЭДС (е): P = e * I. Основные соотношения для расчета:
- Для участка электрической цепи: P = I * I * R = U * U / R.
- Для полной цепи, в которой подключен электродвигатель или выполняется зарядка аккумулятора (потребление): P = I * e = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).
- В цепи присутствует генератор или гальванический элемент (отдача): P = I * (e + (I * Rвн)).
Эти соотношения невозможно применять для цепей переменного тока, поскольку он подчиняется другим физическим законам. При измерении мощности в цепях переменного тока следует учитывать ее составляющие (активная, реактивная и полная). Если в цепи присутствует только резистор, то мощность считается активной. При наличии емкости или индуктивности — реактивной. Полная — сумма активной и реактивной составляющих.
Для вычисления первого типа физической величины применяется формула такого вида: Ра = I * U * cos (a). Значения тока и напряжения являются среднеквадратичными, а cos (a) — косинус угла между ними. Для определения реактивной мощности нужно воспользоваться следующей формулой: Qр = I * U * sin (a). Если нагрузка в цепи является индуктивной, то значение будет больше 0. В противном случае — меньше 0. Полная мощность Р определяется по следующему соотношению: P = Pa + Qp.
Прямое определение величины
Для определения значения мощности в цепях переменного и постоянного тока применяются ваттметры. В них используются электродинамические или ферроидальные механизмы. Приборы с электродинамическим механизмом выпускаются в виде переносных приборов. Они обладают высоким классом точности. Измерители мощности рекомендуется применять при выполнении точных расчетов для цепей постоянного и переменного тока с частотой до 5 кГц.
Ферродинамические приборы изготавливаются в виде электронных узлов, которые вставляются в измерительные стенды или щитовые. Основное их назначение — контроль приблизительных параметров потребления мощности электрооборудованием. Они обладают низким классом точности и применяются для измерения значений мощности переменного тока. При постоянном токе погрешность увеличивается, поскольку это обусловлено искажением петли гистерезиса ферромагнитных сердечников.
По диапазону частот приборы можно разделить на две группы: низкочастотные и радиочастотные. Ваттметры низких частот применяются в сетях промышленного питания переменного тока. Радиочастотный тип рекомендуется применять для точных измерений при проектировании различной техники. Они делятся на две категории по мощности:
- Проходящие.
- Поглощающие.
Первый вид подключается в разрыв линии, а второй — в ее конец в качестве нагрузки согласования. Кроме того, приборы для измерения мощности бывают аналоговыми и цифровыми.
При измерении мощности на высоких частотах применяются электронные и термоэлектронные ваттметры. Главным узлом считается микроконтроллер и преобразователь активной мощности. Последний преобразовывает переменный ток в постоянный. После этого происходит перемножение в микроконтроллере силы тока и напряжения. Результатом является сигнал на выходе, который зависит от I и U.
Ваттметр состоит из двух катушек. Первая из них подключается последовательно в цепь нагрузки, а другая (подвижная с резистором) — параллельно. В цифровых моделях роль катушек выполняют датчики тока и напряжения. Прибор имеет две пары зажимов. Одна пара применяется для последовательной цепи, а другая — для параллельной. Для правильного включения ваттметра выполняется обозначение * одной из двух пар зажимов.
Таким образом, для измерения мощности электрического тока применяются два метода. Первый из них является косвенным, а второй — прямым. Последний рекомендуется применять при проектировании сложной техники.
Источник