Катушку тока первого элемента подсоединим в разрыв провода А (I a ), второго элемента – провода B (I в ); цепь напряжения первого элемента к проводам AC (U AC ), второго элемента – к проводам BC (U BC ). При такой схеме соединения мгновенный момент, действующий на подвижную часть пропорционален мгновенной мощности цепи, а угол поворота подвижной части – среднему вращающему моменту и средней или активной мощности трехфазной цепи
Для непосредственного измерения мощности цепи постоянного тока применяется ваттметр. Неподвижная последовательная катушка или катушка тока ваттметра соединяется последовательно с приемниками электрической энергии. Подвижная параллельная катушка или катушка напряжения, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением, образует параллельную цепь ваттметра, которая присоединяется параллельно приемникам энергии.
Угол поворота подвижной части ваттметра:
где I — ток последовательной катушки; I и — ток параллельной катушки ваттметра.
Рис. 1. Схема устройства и соединений ваттметра
Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи.
Шкала ваттметра равномерна. При работе с ваттметром необходимо иметь в виду, что изменение направления тока в одной из катушек вызывает изменение направления вращающего момента и направления поворота подвижной катушки, а так как обычно шкала ваттметра делается односторонней, т. е. деления шкалы расположены от нуля вправо, то при неправильном направлении тока в одной из катушек определение измеряемой величины по ваттметру будет невозможно.
По указанным причинам следует всегда различать зажимы ваттметра. Зажим последовательной обмотки, соединяемый с источником питания, называется генераторным и отмечается на приборах и схемах звездочкой. Зажим параллельной цепи, присоединяемый к проводу, соединенному с последовательной катушкой, также называется генераторным и отмечается звездочкой.
Таким образом, при правильной схеме включения ваттметра токи в катушках ваттметра направлены от генераторных зажимов к негенераторным. Могут иметь место две схемы включения ваттметра (см. рис. 2 и рис. 3).
Рис. 2. Правильная схема включения ваттметра
Рис. 3. Правильная схема включения ваттметра
При измерениях, в которых мощностью обмоток ваттметра можно пренебречь, предпочтительнее пользоваться схемой, показанной на рис. 2, так как обычно мощность последовательной обмотки меньше, чем параллельной, а следовательно, показания ваттметра будут более точными.
При включении ваттметра по схеме на рис. 2 потенциалы концов катушек разнятся только на величину падения напряжения в подвижной катушке, так как генераторные зажимы катушек соединены вместе. Падение напряжения в подвижной катушке незначительно по сравнению с напряжением на параллельной цепи, так как сопротивление этой катушки незначительно по сравнению с сопротивлением параллельной цепи.
Рис. 4. Неправильная схема включения ваттметра
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Измерив напряжение U и силу тока I в цепи постоянного тока, мощность ее можно определить по формуле
Эту мощность можно также измерить электродинамическим ваттметром. Электродинамический ваттметр состоит из измерителя той же системы, шкала которого проградуирована в значениях мощности. Неподвижная катушка ваттметра называется токовой или последовательной, так как соединяется последовательно с приемниками энергии (рис. 8-16 и 8-17).
Подвижная катушка ваттметра и безреактивное добавочное сопротивление r д из манганина представляет собой цепь напряжения или параллельную цепь ваттметра, так как она присоединяется параллельно приемнику энергии (рис. 8-17), мощность которого измеряется. Угол поворота подвижной части электродинамического измерителя пропорционален произведению токов в его катушках (8-6)
а так как сопротивление параллельной цепи rU постоянно, то ток в ней пропорционален напряжению ( IU = U / rU) и угол поворота подвижной части ваттметра пропорционален мощности
Для измерения активной мощности цепи переменного тока ( P = UI cosφ ) применяются электродинамические и ферродинамические ваттметры. В этом случае угол поворота подвижной части измерителя
Так как ток в параллельной цепи IU = U / rU пропорционален напряжению и совпадает с ним по фазе (рис. 8-18), то угол сдвига φ между токами в катушках прибора равен углу сдвига фаз φ между током I и напряжением U и, следовательно, угол поворота подвижной части ваттметра пропорционален активной мощности цепи
Измерение ее производится тремя ваттметрами, соединенными по схеме (рис. 8-19), обеспечивающей измерение каждым ваттметром мощности одной фазы.
Целесообразней пользоваться трехэлементным ваттметром, состоящим из трех неподвижных и трех подвижных катушек, воздействующих на общую ось с указательной стрелкой. Мощность трехфазной цепи отсчитывается непосредственно на шкале прибора. В трехфазной симметричной цепи, измерив ваттметром (рис. 8-20 и 8-21) мощность одной фазы Pw = Pф и умножив ее на три, найдем мощность всей цепи P = 3Pw= 3Pф.
Мощность трехфазной трехпроводной цепи при симметричной, и несимметричной нагрузке измеряется двухэлементным ваттметром. Двухэлементный ваттметр электродинамической и ферродинамической системы имеет две неподвижные катушки тока и соответственно две подвижные катушки напряжения, укрепленные на одной оси с указательной стрелкой (рис. 8-22). Мгновенная мощность трехфазной цепи равна сумме мгновенных мощностей трех фаз
Из (8-17) следует, что мгновенную мощность трехфазной цепи можно считать состоящей из слагающих p1 и p2
Включим двухэлементный ваттметр (рис. 8-23) согласно выражению (8-17).
Катушку первого элемента включим в рассечку провода A (ток iA), а катушку тока второго элемента — в рассечку провода B (ток iB). Цепь напряжения первого элемента присоединим к проводам AC (напряжение uAC), а второго элемента — к проводам BC (напряжение uBC). При такой схеме соединения мгновенный момент, действующий на подвижную часть,пропорционален мгновенной мощности цепи, а угол поворота подвижной части, пропорциональный среднему вращающему моменту, пропорционален средней или активной мощности трехфазной цепи:
Удобнее и точнее измерять мощность цепи постоянного тока электродинамическим ваттметром.
Электродинамический ваттметр состоит из измерительного механизма того же названия. Неподвижная катушка ваттметра (рис. 7-18), называемая последовательной или токовой, соединяется последовательно с приемником энер гии. Подвижная катушка и добавочное сопротивление rд образуют параллельную цепь иди цепь напряжения ваттметра, которая присоединяется параллельно приемнику энергии, мощность которого измеряется.
Рис. 7-18. Схемы устройства (а) электродинамического ваттметра.
Угол поворота подвижной части электродинамического и змерительного механизма, включенного в цепь постоянного тока, пропорционален произведению тока Iпоследовательной катушки и тока IUкатушки напряжения,
Добавочное сопротивление обеспечивает постоянство сопротивления цепи напряжения, вследствие чего ток в параллельной цепи пропорционален напряжению (IU=U/rU) и, следовательно,
Таким образом, угол поворота подвижной части пропорционален мощности, значения которой и наносятся на шкале ваттметра.
Для измерения активной мощности в цепи переменного тока Р = UI COS φ
применяются электродинамические и ферродинамические ваттметры.
В этом случае угол поворота подвижной части измерительного механизма :
Угол поворота подвижной части
т. е. он пропорционален активной мощности.
Зажим последовательной обмотки ваттметра, соединяемый проводом с источником питания, называется генераторным зажимом, зажим параллельной цепи, соединяемый с проводом, в который включена токовая катушка ватт метра, также носит название генераторного. Генераторные зажимы на схемах и на приборах отмечаются звездочкой (*).
При сборке схемы следует обращать внимание на разметку зажимов ваттметра, так как, поменяв местами зажимы какой-либо катушки ваттметра, изменим направление тока, или изменим на половину периода фазу тока этой катушки, вследствие чего подвижная часть повернется в обратную сторону. Измерение мощности в цепях переменного тока с токами выше 5 аи напряжением выше 220 в производится обычно ваттметрами, включаемыми через измерительные трансформаторы.
Рис. 7-20. Схема соединения для измерения мощности в четырех проводной трехфазной цепи.
Измерение активной мощности четырех проводной цепи трехфазного тока
производится тремя ваттметрами, соединенными так, чтобы каждый из них измерял мощность отдельной фазы (рис. 7-20). Сумма показаний ваттметров дает искомую величину.
Удобней пользоваться трехэлементным ваттметром, который состоит из трех неподвижных и трех подвижных катушек, укрепленных на одной оси с указательной стрелкой. На шкале прибора наносятся значения мощности трехфазной цепи.
Рис. 7-21. Схема соединения для измерения мощности двигателя при доступной нулевой точке.
В трехфазной трехпроводной цепи при равномерной нагрузке можно измерить мощность одной фазы и умножив ее на три, получить мощность трехфазной цепи. На рис, 7-21 дана схема соединения для измерения мощности двигателя при доступной нулевой точке.
Рис. 7-22. Схема соединения для измерения мощности двигателя при соединении его треугольником.
Мощность трехфазной трехпроводной цепи, нагрузка которой может быть как равномерной, так и неравномерной, измеряется двухэлементным ваттметром. Двухэлементный электродинамический или ферроди намический ваттметр имеет две неподвижных катушки тока и соответственно две подвижных катушки напряжения, укрепленные на одной оси со стрелкой (рис. 7-23, а). Мгновенная мощность трехфазной цепи
где Ра,Рb, Рc— мгновенные мощности отдельных фаз. Для нулевой точки приемника можно написать
Подставив в выражение мощности, получим:
так как разность фазных напряжений равна линейному напряжению
При монтаже схемы ваттметра генераторные зажимы последовательных катушек должны быть соединены с проводами, идущими от источника питания, а генераторные зажимы параллельных цепей с проводами, обозначенными буквами, стоящими на первом месте в индексах соответ ствующих напряжений (в нашем случае А и В). Рассмотренная схема пригодна и для цепи с приемниками, соеди ненными треугольником, так как всякий треугольник можно заменить звездой с той же активной мощностью.
Рис. 7-23. Схема устройства (а) и схема соединения (б) двухэлементного ваттметра для измерения мощности в цепи трехфазного тока.
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.
Для непосредственного измерения мощности цепи постоянного тока применяется ваттметр. Неподвижная последовательная катушка или катушка тока ваттметра соединяется последовательно с приемниками электрической энергии. Подвижная параллельная катушка или катушка напряжения, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением, образует параллельную цепь ваттметра, которая присоединяется параллельно приемникам энергии.
Для измерения активной мощности цепи переменного тока ( P = UI cos φ ) применяются электродинамические и ферродинамические ваттметры. 
Двухэлементный ваттметр электродинамической и ферродинамической системы имеет две неподвижные катушки тока и соответственно две подвижные катушки напряжения, укрепленные на одной оси с указательной стрелкой (рис. 8-22). 
