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.
Ваттметр — прибор для измерения электрической мощности в цепях постоянного и переменного тока. Основная задача устройства — определение мощности, потребляемой или генерируемой электроприборами, что критически важно для предотвращения перегрузок, коротких замыканий и оптимизации энергопотребления.
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.
Аналоговые ваттметры
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 толстого провода и включается в цепь последовательно, образуя токовую цепь. Подвижная катушка, выполненная из тонкого провода с большим числом витков, подключается параллельно нагрузке через добавочный резистор, что формирует цепь напряжения. Этот резистор предотвращает короткое замыкание между катушками и обеспечивает точность измерений.
При подаче напряжения в цепи магнитные поля катушек взаимодействуют, создавая вращающий момент. Угол отклонения подвижной катушки пропорционален произведению тока и напряжения, учитывая косинус угла сдвига фаз (коэффициент мощности). Это позволяет прибору автоматически вычислять активную мощность без дополнительных расчетов.
Шкала прибора, отградуированная в ваттах, отражает мгновенную мощность. Для повышения точности в конструкцию введена противодействующая пружина, возвращающая стрелку в нулевое положение при отсутствии тока. Электродинамическая система обеспечивает универсальность: ваттметр работает как на постоянном, так и на переменном токе (до 5 кГц), сохраняя линейность характеристик.
Особенности эксплуатации включают необходимость правильной ориентации прибора (горизонтальное/вертикальное положение, указанное на корпусе) для минимизации погрешностей. В промышленных условиях такие устройства применяются для тестирования электродвигателей и мониторинга сетей, где требуется высокая надежность.
Устройство ваттметра:
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, что особенно важно для цепей переменного тока с высокими напряжениями, где необходима гальваническая развязка.
Современные модели оснащаются гибридными датчиками, включая термопары и термисторы, что повышает точность измерений в широком частотном диапазоне до 100 кГц. Аналого-цифровой преобразователь, способный выполнять до 1000 выборок в секунду, фиксирует мгновенные значения тока и напряжения, что позволяет учитывать даже кратковременные пики потребления.
Микропроцессор обрабатывает полученные данные, вычисляя активную мощность и суммарную электроэнергию, израсходованную за время измерений. Алгоритмы расчета включают интеграцию мощности по времени для определения энергии в кВт·ч и анализ гармоник для оценки коэффициента мощности.
Цифровые ваттметры часто оснащаются дополнительными функциями, такими как расчет стоимости электроэнергии по заданному тарифу, синхронизация с компьютером через USB или Bluetooth для построения графиков нагрузки, а также защита от перегрузок, автоматически отключающая прибор при превышении допустимых параметров.
Результаты измерений выводятся на дисплей с подсветкой, поддерживающий отображение различных единиц измерения, включая Вт, ВА и кВт·ч. Портативные модели, например розеточные ваттметры, позволяют анализировать энергопотребление бытовых устройств без сложного монтажа.
Преимущества цифровых ваттметров перед аналоговыми заключаются в высокой точности до ±0,1%, многофункциональности, позволяющей одновременно измерять ток, напряжение, частоту и коэффициент мощности, а также компактности, сравнимой с размерами USB-адаптера.
Такие устройства широко применяются в солнечной энергетике для мониторинга КПД панелей и в электротранспорте для оптимизации работы мотор-колес. Таким образом, цифровой ваттметр сочетает точность измерений с универсальностью, оставаясь незаменимым инструментом как для профессионалов, так и для бытовых пользователей.
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.
Андрей Повный
