Измерение мощности.

I. В цепях постоянного тока.

Т.к. мощность в цепях постоянного тока определяется:

тогда мощность постоянного тока можно измерять:

1. Методом амперметра и вольтметра:

Сняв показания приборов, результат измерения определяется расчетным путем:

Недостатки этого метода:

— требуется много приборов и оборудования;

— невысокая точность измерения;

— результат определяется расчетным путем.

2) Методом ваттметра.

а )

б)

Ваттметр — прибор для непосредственного измерения мощности. Широкое практическое применение получили ваттметры электродинамической системы (рис. б), подвижная ка­тушка у которых подключается последовательно с нагрузкой и называется токовой катушкой, а подвижная ка­тушка подключается параллельно нагрузке и называется катушкой напряжения.

Т.к. угол отклонения подвижной части прибора электродинамической системы при из­мерениях в цепях постоянного тока.

Д ля данной схемы подключения такого прибора (рис б.) I = I_Н — ток нагрузки, а , тогда:

Таким образом, угол отклонения подвижной части прибора электродинамической системы а, включенный по выше приведенной схеме, будет прямо пропорционален.

II. В цепях переменного однофазного тока.

Т.к. активная мощность в цепях переменного однофазного тока:, то ее можно из­мерять:

1) методом амперметра, вольтметра и фазометра.

Фазометр — это измерительный прибор, служащий для измерения коэффициента мощности (соs ).

Сняв показания приборов, результат измерения определяют расчетным путем:

2)методом ваттметра

Для измерения активной мощности в цепях перемен­ного тока используются ваттметры электродинамической и индукционной системы.

III. В цепях трехфазного переменного тока.

Выбор способа измерения активной мощности в цепях трехфазного тока зависит от вида на­грузки (равномерная или неравномерная) и от способа соединения потребителей (« » или « »).

1. При равномерной нагрузке фаз: метод одного ваттметра.

р ис. 1 и 2 — соединение потребителей «звезда» рис. 3 – соединение потребителей треугольником

рис.1 — при 4^х проводной трехфазной линии

рис. 2 — при 3^x проводной трехфазной линии

рис. 3 с созданием искусственной нулевой точкой при соединении потребителей треугольником.

Общая активная мощность определяется (Вт.)

2) При неравномерной нагрузке фаз:

— при соединении потребителей « » используется метод трех ваттметров или с помощью одно­го трехфазного трехэлементного ваттметра:

— при соединении потребителей « » используется метод двух однофазных ваттметров или с помощью одного трехфазного двухэлементного ваттметра:

Индукционные счетчики.

Для измерения расхода электрической энергии применяются электрические счетчики, представ­ляющие собой суммирующие (интегрирующие) приборы.

Счетчики, также как и другие приборы непосредственной оценки, бывают различных систем. Наибольшее распространение получили счетчики индукционной системы для цепей переменного тока и электродинамической системы для цепей постоянного тока.

Основное отличие счетчиков от показывающих приборов заключается в том, что угол поворота их подвижной части не ограничен пружиной. С течением времени угол поворота нарастает, причем каждому обороту подвижной части счетчика соответствует определенное значение измеряемой величины.

Для регистрации расхода электрической энергии каждый счетчик имеет механический счетчик оборотов, со­единенный с подвижной частью зубчатой передачей.

По ГОСТ 657-53 счетчики активной энергии делятся на классы точности 1; 2 и 2,5, а счетчики реактивной энергии — на классы 2; 2,5; 4.

Счетчик состоит из алюминиевого диска, укрепленного на оси, и двух электромагнитов: после­довательного А и параллельного Б.

Токи в обмотках электромагнитов создают два магнитных потока, пронизывающих диск и ин­дуктирующих в нем вихревые токи. От взаимодействия тока I_а с магнитным потоком параллельного электромагнита и тока I_BC с потоком последовательного электромагнита, также как и в индукцион­ном ваттметре создается вращающий момент М, пропорциональный мощности потребителя:

М= к₁Р.

Вращающий момент вызывает вращение диска счетчика. При вращении диска в поле тормозно­го постоянного магнита в диске индуктируются вихревые токи, взаимодействие которых с полем то­го же магнита создает тормозной момент, пропорциональный скорости вращения диска n, т.е.

М_m = к₂n

При постоянной нагрузке скорость вращения диска счетчика постоянна, чему соответствует ра­венство вращающего и тормозящего момента

М=М_т,

откуда следует, что

к₁Р = к₂n или

Полученное выражение показывает, что скорость вращения диска счетчика пропорциональнее мощности потребителя.

Если в течении времени t потребителем израсходована энергия W = Pt, то, имея ввиду, что Р = кп, получаем:

W = P^.t = k^.n^.t = k^.N

где N = ոt— число оборотов диска счетчика за время t

Таким образом, израсходованная энергия пропорциональна числу оборотов диска счетчика. Ко­эффициент

Численно равный количеству энергии, израсходованной за время одного оборота диска носит название постоянной счетчика. Израсходованная энергия регистрируется счетным механизмом, при­водимым в движение от шестеренки, укрепленной на оси счетчика.

Для измерения расхода электрической энергии четырех проводных цепях трехфазного тока применя­ется трехэлементный счетчик.

Такой счетчик имеет три электромагнитные системы, которые воздействуют на три диска, укре­пленных на одной оси. Устройство каждой электромагнитной системы трехэлементного счетчика не отличается от устройства однофазного счетчика. Счетчик имеет один счетный механизм.

Измерение расхода электрической энергии трехпроводных цепях трехфазного тока производится двух­элементным счетчиком, который имеет две электромагнитные системы, воздействуют ещё на два диска, укрепленных на одной оси или на один диск.

Иногда вместо двухэлементного счетчика применяются два одноэлементных (однофазных) счетчика (парные счетчики). Принципиальная схема включения двухэлементного счетчика или парных счетчиков ни чем не отличаются от схемы включения двухэлементного ваттметра.

Для измерения реактивной энергии в цепях трехфазного тока применяются счетчики реактивной энергии.

Этот счетчик является индукционным двухэлементным, отличающимся от двухэлементного счетчика активной энергии тем, что каждый из последовательных электромагнитов имеет не по од­ной, а по две обмотки. Эти обмотки создают в сердечниках последовательных электромагнитов та­кие по величине и фазе магнитные потоки, которые совместно с токами параллельных электромаг­нитов обеспечивают увеличение вращающего момента, пропорционального реактивной мощности. Счетный механизм непосредственно регистрирует реактивную энергию, израсходованную в цепи.

§102. Измерение мощности и электрической энергии

Измерение мощности. В цепях постоянного тока мощность измеряют электро- или ферродинамическим ваттметром. Мощность может быть также подсчитана перемножением значений тока и напряжения, измеренных амперметром и вольтметром.

В цепях однофазного тока измерение мощности может быть осуществлено электродинамическим, ферродинамическим или индукционным ваттметром. Ваттметр 4 (рис. 336) имеет две катушки: токовую 2, которая включается в цепь последовательно, и напряжения 3, которая включается в цепь параллельно.

Ваттметр является прибором, требующим при включении соблюдения правильной полярности, поэтому его генераторные зажимы (зажимы, к которым присоединяют проводники, идущие со стороны источника 1) обозначают звездочками.

Рис. 336. Схема для измерения мощности

Для расширения пределов измерения ваттметров их токовые катушки включают в цепь при помощи шунтов или измерительных трансформаторов тока, а катушки напряжения — через добавочные резисторы или измерительные трансформаторы напряжения.

Измерение электрической энергии. Способ измерения. Для учета электрической энергии, получаемой потребителями или отдаваемой источниками тока, применяют счетчики электрической энергии. Счетчик электрической энергии по принципу своего действия аналогичен ваттметру. Однако в отличие от ваттметров вместо спиральной пружины, создающей противодействующий момент, в счетчиках предусматривают устройство, подобное электромагнитному демпферу, создающее тормозящее усилие, пропорциональное частоте вращения подвижной системы. Поэтому при включении прибора в электрическую цепь возникающий вращающий момент будет вызывать не отклонение подвижной системы на некоторый угол, а вращение ее с определенной частотой.

Число оборотов подвижной части прибора будет пропорционально произведению мощности электрического тока на время, в течение которого он действует, т. е. количеству электрической энергии, проходящей через прибор. Число оборотов счетчика фиксируется счетным механизмом. Передаточное число этого механизма выбирают так, чтобы по показаниям счетчика можно было отсчитывать не обороты, а непосредственно электрическую энергию в киловатт-часах.

Наибольшее распространение получили ферродинамические и индукционные счетчики; первые применяют в цепях постоянного тока, вторые — в цепях переменного тока. Счетчики электрической энергии включают в электрические цепи постоянного и переменного тока так же, как и ваттметры.

Ферродинамический счетчик (рис. 337) устанавливают на э. п. с. постоянного тока. Он имеет две катушки: неподвижную 4 и подвижную 6. Неподвижная токовая катушка 4 разделена на две части, которые охватывают ферромагнитный сердечник 5 (обычно из пермаллоя). Последний позволяет создать в приборе сильное магнитное поле и значительный вращающий момент, обеспечивающий нормальную работу счетчика в условиях тряски и вибраций. Применение пермаллоя способствует уменьшению погрешности счетного механизма 2 от гистерезиса магнитной системы (он имеет весьма узкую петлю гистерезиса).

Чтобы уменьшить влияние внешних магнитных полей на показания счетчика, магнитные потоки отдельных частей токовой катушки имеют взаимно противоположное направление (астатическая система). При этом внешнее поле, ослабляя поток одной части, соответственно усиливает поток другой части и оказывает в целом небольшое влияние на результирующий вращающий момент, создаваемый прибором. Подвижная катушка 6 счетчика (катушка напряжения) расположена на якоре, выполненном в виде диска из изоляционного материала или в виде алюминиевой чаши. Катушка состоит из отдельных секций, соединенных с пластинами коллектора 7 (эти соединения на рис. 337 не показаны), по которому скользят щетки из тонких серебряных пластин.

Ферродинамический счетчик работает принципиально как двигатель постоянного тока, обмотка якоря которого подключена параллельно, а обмотка возбуждения — последовательно с потребителем электроэнергии. Якорь вращается в воздушном зазоре между полюсами сердечника. Тормозной момент создается в результате взаимодействия потока постоянного магнита 1 с вихревыми токами, возникающими в алюминиевом диске 3 при его вращении.

Для компенсации влияния момента трения и уменьшения благодаря этому погрешности прибора в ферродинамических счетчиках устанавливают компенсационную катушку или в магнитном поле неподвижной (токовой) катушки помещают лепесток из пермаллоя, который имеет высокую магнитную проницаемость при малой напряженности поля. При небольших нагрузках этот лепесток усиливает магнитный поток токовой катушки, что приводит к увеличению вращающего момента и компенсации трения. При увеличении нагрузки индукция магнитного поля катушки увеличивается, лепесток насыщается и его компенсирующее действие перестает возрастать.

При работе счетчика на э. п. с. возможны сильные толчки и удары, при которых щетки могут отскакивать от коллекторных пластин. При этом под щетками будет возникать искрение. Для его предотвращения между щетками включают конденсатор С и резистор R1. Компенсация температурной погрешности осуществляется с помощью термистора Rт (полупроводникового прибора, сопротивление которого зависит от температуры). Он включается совместно с добавочным резистором R2 параллельно подвижной катушке. Чтобы уменьшить влияние тряски и вибраций на работу счетчиков, их устанавливают на э. п. с. на резинометаллических амортизаторах.

Индукционный счетчик имеет два электромагнита (рис. 338,а), между которыми расположен алюминиевый диск 7. Вращающий момент в приборе создается в результате взаимодействия переменных магнитных потоков Ф1 и Ф2, созданных катушками электромагнитов, с вихревыми токами I_в1 и I_в2, индуцируемыми ими в алюминиевом диске (так же, как и в обычном индукционном измерительном механизме, см. § 99).

В индукционном счетчике вращающий момент М должен быть пропорционален мощности P=UIcos?. Для этого катушку 6 одного из электромагнитов (токовую) включают последовательно с нагрузкой 5, а катушку 2 другого (катушку напряжения) — параллельно нагрузке. В этом случае магнитный поток Ф1 будет пропорционален току I в цепи нагрузки, а поток Ф2 — напряжению U, приложенному к нагрузке. Для обеспечения требуемого угла сдвига фаз ? между потоками Ф1 и Ф2 (чтобы sin? = cos?) в электромагните катушки напряжения предусмотрен магнитный шунт 3, через который часть потока Ф2 замыкается

Рис. 337. Ферродинамический счетчик электрической энергии

Рис. 338. Индукционный счетчик электрической энергии

помимо диска 7. Угол сдвига фаз между потоками Ф1 и Ф2 точно регулируется изменением положения металлического экрана 1, расположенного на пути потока, ответвляющегося через магнитный шунт 3.

Тормозной момент создается так же, как в ферродинамическом счетчике. Компенсация момента трения осуществляется путем создания небольшой несимметрии в магнитной цепи одного из электромагнитов с помощью стального винта.

Для предотвращения вращения якоря при отсутствии нагрузки под действием усилия, созданного устройством, компенсирующим трение, на оси счетчика укрепляется стальной тормозной крючок. Этот крючок притягивается к тормозному магниту 4, благодаря чему предотвращается возможность вращения подвижной системы без нагрузки.

При работе же счетчика под нагрузкой тормозной крючок практически не влияет на его показания.

Чтобы диск счетчика вращался в требуемом направлении, необходимо соблюдать определенный порядок подключения проводов к его зажимам. Нагрузочные зажимы прибора, к которым подключают провода, идущие от потребителя, обозначают буквами Я (рис. 338,б), генераторные зажимы, к которым подключают провода от источника тока или от сети переменного тока,— буквами Г.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Измерение мощности

Измерение мощности в цепях постоянного тока и переменного промышленной частоты

Из выражения для мощности на постоянном токе видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность.

Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.

Электродинамические ваттметры выпускают в виде переносных приборов высоких классов точности (0,1 — 0,5) и используют для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц). Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5 — 2,5).

Применяют такие ваттметры главным образом на переменном токе промышленной частоты. На постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.

Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. В преобразователе мощности осуществляется операция умножения и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения UI, т. е. от мощности.

На рис. 8.1 показана возможность использования электродинамического измерительного механизма для построения ваттметра и измерения мощности.

Рис. 8.1. Схема включения ваттметра

Неподвижная катушка 1, включаемая в цепь нагрузки последовательно, называется последовательной цепью ваттметра, подвижная катушка 2 (с добавочным резистором), включаемая параллельно нагрузке – параллельной цепью.

Для ваттметра, работающего на постоянном токе:

Рассмотрим работу электродинамического ваттметра на переменном токе. Векторная диаграмма на рис. 8.2 построена для индуктивного характера нагрузки. Вектор тока параллельной цепи отстает от вектора напряжения на угол ? вследствие некоторой индуктивности подвижной катушки.

Рис. 8.2. Векторная диаграмма для индуктивного характера нагрузки

Из этого выражения следует, что ваттметр правильно измеряет мощность лишь в двух случаях: при и .

Условие может быть достигнуто созданием резонанса напряжений в параллельной цепи, например включением конденсатора С соответствующей емкости, как это показано штриховой линией на рис. 8.1. Однако резонанс напряжений будет лишь при некоторой определенной частоте. С изменением частоты условие нарушается. При ваттметр измеряет мощность с погрешностью , которая носит название угловой погрешности.

При малом значении угла ( обычно составляет не более 40 — 50′), относительная погрешность

При углах , близких к 90^o, угловая погрешность может достигать больших значений.

Второй, специфической, погрешностью ваттметров является погрешность, обусловленная потреблением мощности его катушками.

При измерении мощности, потребляемой нагрузкой, возможны две схемы включения ваттметра, отличающиеся включением его параллельной цепи (рис. 8.1).

Рис. 8.3. Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать нагрузку H чисто активной, погрешности и , обусловленные потреблением мощности катушками ваттметра, для схем (рис. 8.3):

где и – соответственно мощность, потребляемая последовательной и параллельной цепью ваттметра.

Из формул для и видно, что погрешности могут иметь заметные значения лишь при измерениях мощности в маломощных цепях, т. е. когда и соизмеримы с .

Если поменять знак только одного из токов, то изменится направление отклонения подвижной части ваттметра.

У ваттметра имеются две пары зажимов (последовательной и параллельной цепей), и в зависимости от их включения в цепь направление отклонения указателя может быть различным. Для правильного включения ваттметра один из каждой пары зажимов обозначается знаком «*» (звездочка) и называется «генераторным зажимом».

Измерение мощности с использованием эффекта Холла

Перемножение значений силы тока и разности потенциалов при измерении мощности можно получить, используя полупроводниковые преобразователи Холла.

Если специальную полупроводниковую пластину, по которой течет ток I (рис. 8.4), возбуждаемый электрическим полем напряженностью Е, поместить в магнитное поле с напряженностью Н (индукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям протекающего тока I и магнитного поля, возникает разность потенциалов (эффект Холла), определяемая как

где k – коэффициент пропорциональности.

Рис. 8.4. Устройство преобразователя Холла

Согласно теореме Умова-Пойнтинга, плотность потока проходящей мощности СВЧ-колебаний в некоторой точке поля определяется векторным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля:

Отсюда, если ток I будет функцией электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить следующую зависимость напряжения от проходящей мощности:

где g – постоянный коэффициент, характеризующий образец. Для измерения такой мощности пластину полупроводника (пластинку Холла – ПХ) помещают в волновод, как показано (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Устройство преобразователя Холла с применением волновода

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:

1. может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной;
2. высокое быстродействие ваттметра дает возможность применять его при измерении импульсной мощности.

Однако практическая реализация ваттметров на эффекте Холла – достаточно сложная задача в силу многих факторов. Тем не менее, существуют ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %.

Методы измерения мощности на высоких и сверхвысоких частотах

Мощность в общем виде есть физическая величина, которая определяется работой, производимой в единицу времени. Единица мощности – ватт (Вт) – соответствует мощности, при которой за одну секунду выполняется работа в один джоуль (Дж).

На постоянном токе и переменном токе низкой частоты непосредственное измерение мощности зачастую заменяется измерением действующего значения электрического напряжения на нагрузке U, действующего значения тока, протекающего через нагрузку I, и угла сдвига фаз между током и напряжением . При этом мощность определяют выражением:

В СВЧ диапазоне измерение напряжения и тока становится затруднительным. Соизмеримость размеров входных цепей измерительных устройств с длиной волны является одной из причин неоднозначности измерения напряжения и тока.

Измерения сопровождаются значительными частотными погрешностями. Следует добавить, что измерение напряжения и тока в волноводных трактах при некоторых типах волн теряет практический смысл, так как продольная составляющая в проводнике отсутствует, а разность потенциалов между концами любого диаметра сечения волновода равна нулю. Поэтому на частотах, начиная с десятков мегагерц, предпочтительным и более точным становится непосредственное измерение мощности, а на частотах свыше 1000 МГц – это единственный вид измерений, однозначно характеризующий интенсивность электромагнитных колебаний.

Для непосредственного измерения мощности СВЧ применяют методы, основанные на фундаментальных физических законах, включающие метод прямого измерения основных величин: массы, длины и времени.

Несмотря на разнообразие методов измерения СВЧ мощности, все они сводятся к преобразованию энергии электромагнитных СВЧ колебаний в другой вид энергии, доступной для измерения: тепловую, механическую и т. д. Среди приборов для измерения СВЧ мощности наибольшее распространение получили ваттметры, основанные на тепловых методах. Используют также ряд других методов – пондеромоторный, зондовый и другие.

Принцип действия подавляющего большинства измерителей мощности СВЧ, называемых ваттметрами, основан на измерении изменений температуры или сопротивления элементов, в которых рассеивается энергия исследуемых электромагнитных колебаний. К приборам, основанным на этом явлении, относятся калориметрические и терморезисторные измерители мощности. Получили распространение ваттметры, использующие пондеромоторные явления (электромеханические силы), и ваттметры, работающие на эффекте Холла. Особенность первых из них – возможность абсолютных измерений мощности, а вторых – измерение мощности независимо от согласования ВЧ-тракта.

По способу включения в передающий тракт различают ваттметры проходящего типа и поглощающего типа. Ваттметр проходящего типа представляет собой четырехполюсник, в котором поглощается лишь небольшая часть общей мощности. Ваттметр поглощающего типа, представляющий собой двухполюсник, подключается на конце передающей линии, и в идеальном случае в нем поглощается вся мощность падающей волны. Ваттметр проходящего типа часто выполняется на основе измерителя поглощающего типа, включенного в тракт через направленный ответвитель.

Калориметрические методы измерения мощности основаны на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую в сопротивлении нагрузки, являющейся составной частью измерителя. Количество выделяемого тепла определяется по данным изменения температуры в нагрузке или в среде, куда передано тепло. Различают калориметры статические (адиабатические) и поточные (неадиабатические). В первых мощность СВЧ рассеивается в термоизолированной нагрузке, а во вторых предусмотрено непрерывное протекание калориметрической жидкости. Калориметрические измерители позволяют измерять мощность от единиц милливатт до сотен киловатт. Статические калориметры измеряют малый и средний уровни мощности, а поточные – средние и большие значения мощности

Условие баланса тепла в калориметрической нагрузке имеет вид:

где P – мощность СВЧ, рассеиваемая в нагрузке; T и T₀ – температура нагрузки и окружающей среды соответственно; c, m – удельная теплоемкость и масса калориметрического тела; k – коэффициент теплового рассеяния. Решение уравнения представляется в виде

где – тепловая постоянная времени.

В случае статического калориметра время измерения много меньше постоянной и мощность СВЧ равна:

Основными элементами статических калориметров являются термоизолированная нагрузка и прибор для измерения температуры. Нетрудно рассчитать поглощаемую мощность СВЧ по измеренной скорости повышения температуры и известной теплоемкости нагрузки.

В приборах используются различные высокочастотные оконечные нагрузки из твердого или жидкого диэлектрического материала с потерями, а также в виде пластинки или пленки высокого сопротивления. Для определения изменения температуры применяют термопары и различные термометры.

Рассмотрим статический калориметр, в котором снижены требования к термоизоляции и отпадает необходимость в определении теплоемкости калориметрической насадки (рис. 8.6). В этой схеме используется метод замещения. В ней для калибровки прибора 4, измеряющего повышение температуры при рассеянии измеряемой мощности, подводимой к плечу 1, используется известная мощность постоянного тока или тока низкой частоты, подводимая к плечу 2. Предполагается, что температура насадки 3 изменяется одинаково при рассеянии равных значений мощности СВЧ и постоянного тока. Статические калориметры позволяют измерять мощность несколько милливатт с погрешностью менее .

Рис. 8.6. Устройство статического калориметра

Основными элементами поточного калориметра являются: нагрузка, где энергия электромагнитных колебаний превращается в тепло, система циркуляции жидкости и средства для измерения разности температур входящей и выходящей жидкости, протекающей через нагрузку.

Поточные калориметры различают по типу циркуляционной системы (открытые и замкнутые), по типу нагрева (прямой и косвенный) и по методу измерения (истинно калориметрические и замещения).

В калориметрах открытого типа обычно применяют воду, которая из водопроводной сети поступает сначала в бак для стабилизации давления, а далее в калориметр. В калориметрах замкнутого типа калориметрическая жидкость циркулирует в замкнутой системе. Она постоянно накачивается насосом и охлаждается до температуры окружающей среды перед очередным поступлением в калориметр. В этой системе используются в качестве охлаждающих жидкостей кроме дистиллированной воды раствор хлористого натрия, смесь воды с этиленгликолем или глицерином.

При прямом нагреве ВЧ-мощность поглощается непосредственно циркулирующей жидкостью. При косвенном нагреве циркулирующая жидкость используется только для отбора тепла от нагрузки. Косвенный нагрев позволяет работать в более широком диапазоне частот и мощностей, поскольку функции переноса тепла отделены в нем от функции поглощения ВЧ-энергии и согласования нагрузки.

Схема истинно калориметрического метода представлена на рис. 8.7. Измеряемая ВЧ-мощность рассеивается в нагрузке 1 и прямо или косвенно передает энергию протекающей жидкости. Разность температур входящей в нагрузку и выходящей из нее жидкости измеряют с помощью термоблоков 2. Количество жидкости, протекающее в системе в единицу времени, измеряют расходомером 3. Естественно, что поток жидкости при таких измерениях должен быть постоянным

Рис. 8.7. Схема истинно калориметрического метода

Погрешности измерений ВЧ-мощности в рассмотренной схеме связаны с рядом факторов. Неравномерность скорости течения калориметрической жидкости, появление пузырьков воздуха приводят к погрешности при определении скорости потока жидкости и изменению ее эффективной теплоемкости. Для уменьшения этой погрешности применяют уловители пузырьков воздуха и добиваются равномерности течения жидкости с помощью регулятора потока и других средств.

Схема измерений, реализующая метод замещения, отличается от рассмотренной тем, что в ней последовательно с СВЧ-нагрузкой вводится дополнительный нагревательный элемент, рассеивающий мощность низкочастотного источника тока. Заметим, что при косвенном нагреве мощность СВЧ-сигнала и мощность низкочастотного тока вводятся в одну и ту же нагрузку и потребность в дополнительном нагревательном элементе отпадает.

Возможны два способа измерений по методу замещений – калибровки и баланса. Первый из них состоит в измерении такой мощности низкой частоты, поданной в нагревательный элемент, при которой разность температур жидкости на входе и выходе такая же, как и при подаче СВЧ-мощности. При балансном способе сначала устанавливается какая-либо разность температур жидкости при подаче мощности низкой частоты, затем подается измеряемая ВЧ-мощность, а мощность низкой частоты уменьшается до такого значения, чтобы разность температур осталась прежней.

Рассмотренные поточные калориметры применяют для абсолютных измерений прежде всего больших уровней мощностей. В сочетании с калиброванными направленными ответвителями они служат для градуировки измерителей средней и малой мощности. Имеются конструкции поточных калориметров и для непосредственных измерений средних и малых мощностей. Время измерений не превышает нескольких минут, а погрешность измерений может быть доведена до 1 — 2%.

Среди калориметрических ваттметров для измерения мощности непрерывных колебаний, а также среднего значения мощности импульсно-модулированных колебаний отметим приборы МЗ–11А, МЗ–13 и МЗ–13/1, которые перекрывают диапазон измеряемых мощностей от 2 кВт до 3 МВт на частотах до 37,5 ГГц.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные методы измерения мощности.
2. В чем заключается принцип калориметрического метода измерения мощности?
3. Расскажите про методы измерения мощности на высоких и сверхвысоких частотах.
4. Расскажите, как устроен калориметр, в котором используется метод сравнения мощности СВЧ и постоянного тока.

Измерение мощности, энергии и коэффициента мощности

Страница 5 из 40

Для измерения электрической мощности применяют следующие методы: амперметра — вольтметра; одного ваттметра; двух и трех ваттметров и с помощью переносных ваттметров.
Метод амперметра и вольтметра дает возможность измерить мощность постоянного тока (произведение тока на напряжение) или полную (кажущуюся) мощность переменного тока, равную активной мощности при cos φ = 1. Существуют две схемы подключения приборов (рис. 13).

Рис. 13. Схемы подключения вольтметра и амперметра для измерения мощности

Рис. 14. Схемы подключения приборов для замера мощности на постоянном токе и симметричной нагрузки на переменном токе
Измеренная по схеме на рис. 13, а мощность оказывается больше мощности нагрузки на величину мощности, потребляемой амперметром РА. При измерении по схеме на рис. 13, б мощность больше на величину мощности, потребляемой вольтметром. Первая схема используется при сравнительно больших сопротивлениях, вторая — при малых. Необходимо учитывать, что погрешность измерения мощности методом амперметра — вольтметра больше суммы приведенных погрешностей обоих приборов.

Метод одного ваттметра применяют для измерения мощности в цепи постоянного тока или (активной мощности) однофазного переменного тока (ваттметр включается по схеме, изображенной на рис. 14, а.) При подключении приборов необходимо соблюдать полярность. В схемах на переменном токе это обеспечивается согласным подключением генераторных зажимов (на приборах они обозначаются звездочками) к источнику питания.
Метод одного ваттметра также применим при измерении активной мощности в цепях трехфазного тока при полной симметрии нагрузок, т. е. когда звезда фазных (и линейных) напряжений симметрична и токи нагрузок во всех фазах равны по значению (рис. 14, б) и фазовому сдвигу. Примером симметричной нагрузки является асинхронный двигатель, где za=zb= zс. Если нагрузка соединена треугольником, для измерения мощности можно использовать схему, изображенную на рис. 14, в, где сопротивлении резисторов rд должны быть равны сопротивлению параллельной цепи ваттметра. Мощность трех фаз получают умножением полученного результата на 3, т. е. Р3ф = 3Рф.

Метод двух ваттметров используется при простои симметрии фаз, когда звезда фазных (и линейных) напряжений симметрична, а токи нагрузки по значению и фазе не равны между собой. Включая ваттметры, необходимо соблюдать полярность в соответствии с рис. 15, а. Токовая цепь первого ваттметра включена в фазу А с подсоединением генераторного зажима со стороны питания, а цепь напряжения включена между фазами А и В. Токовая цепь второго ваттметра включена в фазу С также с подсоединением генераторного зажима со стороны питания, а цепь напряжения включена между фазами В и С. Токовые цепи ваттметров можно включить в любые из двух фаз, но цепи напряжения должны быть подсоединены между фазами, где включены токовые цепи, и свободной фазой.
Рис. 15. Схемы измерения мощности переменного тока при простой симметрии фаз

Сумма показаний двух ваттметров равна мощности трехфазной системы:

Метод трех ваттметров (рис. 15,б) самый громоздкий и применяют его только при полной несимметрии, т. е. когда звезда фазных (и линейных) напряжений искажена и токи нагрузки по значению и фазе не равны между собой. Сумма показаний трех приборов равна мощности трехфазной системы:

Переносные ваттметры имеют несколько пределов измерения по току и напряжению, чем расширяется диапазон измеряемых мощностей. Такие ваттметры снабжаются переключателями полярности, что дает возможность изменять полярность прибора без изменения схемы его подключения. Последнее особенно важно при подключении ваттметра в цепях трехфазного переменного тока, где одним и тем же прибором можно измерять несколькими методами, Шкала переносного ваттметра условна. Для определения измеряемой мощности необходимо показания прибора умножить на. коэффициенты трансформатора тока (КА) и трансформатора напряжения (К) при принятых пределах измерения.
Для измерения активной мощности можно также применять трехфазные ваттметры, состоящие из двух или трех однофазных ваттметров.
Энергию электрического тока измеряют счетчиками электрической энергии, которые включают в цепь подобно ваттметрам. Для учета активной энергии в четырехпроводной сети с нулевым проводом применяют схему, аналогичную схеме измерения мощности тремя ваттметрами. Общий расход энергии определяется как сумма показаний трех счетчиков. В трехпроводной сети применяют схему с двумя однофазными счетчиками, включенными по схеме двух ваттметров (рис. 15, а). При этом надо иметь в виду, что при cos φ < 0,5 у одного из счетчиков диск будет вращаться в сторону, противоположную нормальному вращению, и показания счетного механизма будут уменьшаться. Это необходимо учитывать при суммировании показаний приборов.
При несимметрии токов (но когда питательные напряжения симметричны и равны между собой) применяют два счетчика, включенных по схеме с искусственной нейтралью (рис. 16). В этом случае общая энергия определяется алгебраической суммой показаний обоих счетчиков. Для образования искусственной нейтрали сопротивление резистора r должно равняться сопротивлению параллельных цепей счетчика.
В трех фазных счетчиках конструктивно объединены три или два однофазных счетчика, обмотки которых включаются по одной из приведенных схем (рис. 15, а; рис. 16). Вращающие моменты отдельных элементов воздействуют на общую подвижную часть (диск), которая и вращается пропорционально суммарной мощности нагрузки трехфазной системы.
Реактивную мощность можно измерять теми же ваттметрами, что и активную, изменив порядок подключения: токовую цепь включают в одну фазу, напряжение подают от двух других фаз (рис. 17, а).

Рис. 16. Схема включения счетчиков с искусственной нейтралью
Рис. 17. Схемы измерения реактивной мощности

Чтобы измерить реактивную мощность электродинамическим ваттметром в цепи однофазного переменного тока, необходимо ток в параллельной ветви сдвинуть относительно напряжения па угол 90°. Для этого последовательно с катушкой напряжения включают дополнительно катушку индуктивности, а параллельно катушке напряжения — активное сопротивление r0 (рис. 17, б).

Рис. 18. Схемы измерения реактивной энергии двухэлементным счетчиком (а) и специальным трехфазным (б)
Рис. 19. Включение измерительных трансформаторов тока и напряжения в схему измерения

При известных данных параллельной катушки напряжения (rи, хи) и дополнительной индуктивности (rд; хд) необходимое активное сопротивление определяется из выражения
Метод двух счетчиков, включенных по схеме (рис. 16), при измерении реактивной энергии не применим, так как для образования искусственной нейтрали нужно иметь катушку индуктивности с такими же соотношениями r/x, как и в параллельной цепи счетчика, что весьма затруднительно. Поэтому для измерения реактивной энергии часто применяют двухэлементные индукционные счетчики (рис. 18, а). Здесь необходимый сдвиг в 60° между рабочим током параллельной цепи и приложенным к ней напряжением обеспечивается включением резисторов r. Сумма показаний двух приборов равна суммарной реактивной мощности трехфазной системы.

Для измерения реактивной энергии используют также специальные трехфазные счетчики, фиксирующие суммарную мощность системы Наибольшее распространение получили счетчики с дополнительной последовательной обмоткой (рис. 18, б). Эти приборы имеют по два вращающихся диска посаженных на общую ось; общий момент равен сумме моментов дисков. Особенностью такого счетчика является наличие дополнительной (третьей) последовательной обмотки, разделенной на две равные части. Каждая часть обмотки расположена на магнитопроводах обоих движущихся элементов. Из схемы включения (рис. 18, б) видно, что дополнительная обмотка включена встречно основным последовательным обмоткам (полярность обмоток указана звездочками).

Рис. 20. Схемы подключения приборов для определения коэффициента мощности
Во всех приведенных схемах измерения мощности и энергии могут применяться трансформаторы тока и напряжения. Их подсоединение в схему цепи однофазного переменного тока показано на рис. 19. Для определения измеряемой мощности необходимо показания прибора умножить на коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения.

Коэффициент мощности в цепях переменного тока измеряют как приборами непосредственной оценки, так и по показаниям приборов, не предназначенных для этого. Прибором непосредственной оценки является электродинамический фазометр, представляющий собой логометр с одной неподвижной катушкой, включенной в последовательную цепь, и двух подвижных, помещенных на одной оси и скрепленных под определенным углом.
Фазометр включается в цепь подобно ваттметру:градуируется в единицах, пропорциональных коэффициенту мощности при определенной частоте. Этот однофазный фазометр можно включать в цепь трехфазного тока по схеме, показанной на рис. 20, а. Применяют также электромагнитные трехфазные фазометры (рис. 20, б).
Можно определить коэффициент мощности косвенным способом, используя показания ваттметра, амперметра и вольтметра (рис. 20, в). Угол сдвига вычисляется по формуле cos φ = P/UI.
Средневзвешенный коэффициент мощности можно определить, используя показания счетчиков активной и реактивной мощности. По этим показаниям сначала определяют тангенс угла tg α= Q/Р, усредненный за определенный промежуток времени, затем по тангенсу и по табл. 2 находят cos φ.
Используя схему двух ваттметров (рис. 15 а), коэффициент мощности вычисляют по формуле

где P1 и Р2 — показания ваттметров.

Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока низких частот.

Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного тока промышленных частот используются чаще всего электромеханические ваттметры электродинамической и ферродинамической систем.

В лабораторной практике применяются в основном ваттметры электродинамической системы 3, 4 и 5-го классов точности (0,1; 0,2; 0,5). В промышленности при технических измерениях применяют ваттметры ферродинамической системы 6, 7 и 8-го классов точности (1,0; 1,5 и 2,5).

Шкалы однопредельных ваттметров градуированы в значениях измеряемой величины (ваттах, киловаттах и т.д.). Многопредельные ваттметры имеют неградуированную шкалу. Перед использованием таких ваттметров при известных номинальном значении тока I_н и номинальном значении напряжения U_н выбранного предела, а также количестве делений шкалы n_шк применяемого ваттметра необходимо определить его цену деления (постоянную прибора) при cos φ = 1 по формуле:

(3.9)

Зная цену деления для данного ваттметра в выбранном пределе, несложно произвести отсчет значения измеряемой мощности. Измеренное значение мощности будет составлять:

(3.10)

где n — отсчет количества делений по шкале прибора.

Ваттметры электродинамической системы применяются для измерения мощности в цепях постоянного и переменного тока частотой до нескольких килогерц.

Ваттметры ферродинамической системы применяются для измерения мощности в цепях постоянного и переменного тока промышленных частот.

На постоянном и переменном токе низких, средних и высоких частот используются косвенные методы измерения мощности, т.е. напряжения, сила тока и фазовые сдвиги определяются путем последующего вычисления мощности. Активная мощность двухфазного переменного тока в цепи с комплексной нагрузкой определяется по формуле:

(3.11)

где U, I — среднеквадратичное значение напряжения и силы тока; cos φ — фазовый сдвиг между силой тока и напряжением.

В цепи с чисто активной нагрузкой R_н, когда φ = 0, cos φ = 1, мощность переменного тока составляет

(3.12)

мощность импульсного тока:

(3.13)

На практике обычно измеряется средняя мощность за период следования импульсов:

(3.14)

Где q — скважность, t_и – длительность импульса, k_ф – коэффициент формы импульса , T – период следования импульсов.

(3.15)

 

Узнать еще:

Измерение мощности | Пусконаладочные работы при монтаже электроустановок | Архивы

Страница 22 из 56

§ 22. Измерение мощности переменного тока
Электрическая мощность — один из важнейших режимных параметров, характеризующий расход электроэнергии за единицу времени. В цепях постоянного тока мощность зависит от силы тока, протекающего по нагрузке, и напряжения, приложенного к последней, и связана с ними простым соотношением P—U1. Поскольку имеется определенная зависимость между силой тока и напряжением (закон Ома), мощность, рассеиваемую на активном сопротивлении г, можно определить по формулам: Р—Рг, или Р=—, где Р — электрическая мощность, 1 —  сила- тока, U — напряжение.
Очевидно, для измерения мощности в цепях постоянного тока можно обойтись без специальных электроизмерительных приборов (ваттметров), зная указанные соотношения. Единицей мощности служит 1 Вт, т. е. мощность, потребляемая нагрузкой при силе тока 1 А и напряжении на ней 1 В. Более крупными единицами являются киловатт (кВт) и мегаватт (МВт): 1 МВт= 1000 кВт= 1 000 000 Вт.
В цепях переменного тока такие соотношения применяют только для нагрузок с чисто активным сопротивлением (лампы накаливания, печи сопротивления, электронагревательные бытовые приборы), а при наличии в электрических цепях индуктивных и емкостных сопротивлений приходится учитывать и фазовый сдвиг между током и напряжением, выражаемый через коэффициент мощности (cos<jp). При этом различают мощности: активную Р, за счет которой совершается работа, связанная с преобразованием электрической энергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую и др.), реактивную (безваттную) Q, идущую на создание магнитного поля в цепях с индуктивностью (в электродвигателях, трансформаторах, воздушных линиях электропередачи, реакторах и др.), или электрического поля в цепях, обладающих электрической емкостью (кабельных и воздушных линиях электропередачи, конденсаторах и др.), полную (кажущуюся)
В цепях однофазного переменного тока, зная напряжение U, приложенное к нагрузке, силу тока /, протекающую по ней, и > гол 9 сдвига по фазе между напряжением U и силой тока /, активную, реактивную и полную мощности можно определить по формулам:
причем активную мощность, как и в цепях постоянного тока, измеряют в ваттах, киловаттах и мегаваттах; полную мощность в вольт-амперах (В-А), киловольт-амперах (кВ-А) и мегавольт-амперах (MB-А), реактивную мощность в варах, киловарах и мегаварах.
Активное сопротивление в цепях переменного тока соответствует сопротивлению в цепях постоянного тока, но по величине может оказаться больше или меньше сопротивления постоянному току, определяемому для проводников электрического тока.
Это объясняется поверхностным эффектом, заключающимся в вытеснении переменного тока от центра проводника к его поверхности, в связи с чем как бы уменьшается эффективное сечение проводника, и дополнительными потерями в диэлектрике (диэлектрический гистерезис), стальных проводах, магнитопроводах и магнитопроводящих материалах, окружающих проводники с током (магнитный гистерезис) и, наконец, с вихревыми токами, возникающими в массивных электропроводящих конструкциях, окружающих проводник с током.
ной нагрузке фаз Pt=P2=P3 мощность связана с линейным напряжением U, линейным током / и коэффициентом мощности cos ф следующим соотношением, например для активной мощности: Р— =|ЛзС/ cos ф. Кроме того, если известна мощность одной фазы, например активная мощность Рл первой фазы, мощность трехфазного тока Р будет равна утроенному значению мощности одной фазы Я=ЗЯ1.
При пусконаладочных работах применяют как непосредственный, так и косвенный методы измерения мощности. При непосредственном измерении мощности пользуются ваттметрами, а при косвенном сначала измеряют другие величины, а затем, используя известные зависимости между этими величинами и мощностью, определяют мощность.
Для непосредственного измерения мощности обычно применяют переносные однофазные и реже трехфазные ваттметры активной мощности. При подборе ваттметра и сборке измерительной схемы необходимо учитывать соотношение между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением обмоток ваттметра (токовой и напряжения). Если сопротивление нагрузки г„ соизмеримо с сопротивлением токовой цепи ваттметра или меньше ее, ваттметр следует включать по схеме (рис. 94, а). Когда сопротивление нагрузки соизмеримо с сопротивлением цепи напряжения ваттметра или больше ее, ваттметр следует включать по схеме (рис. 94, б).
Более точные результаты можно получить, учитывая мощность, потребляемую самим ваттметром. Для этого при включении ваттметра по схеме (рис. 94, а), зная сопротивление ги цепи напряжения ваттметра и измерив напряжение U„, приложенное к нагрузке, из показаний ваттметра надо вычесть мощность, потребляемую его цепью напряжения Ри, определив ее по формуле   или замерив
ги тем же прибором при отключенной нагрузке.

Рис. 94. Схемы включения ваттметра: а и б — принципиальные, в—монтажная
В)
При включении ваттметра по схеме (рис. 94, б), зная сопротивление его токовой цепи г/ и измерив силу тока /и, протекающего по нагрузке, из показаний ваттметра следует вычесть мощность Pi —Prj, потребляемую его токовой цепью.
При включении ваттметра в контролируемую цепь необходимо учитывать полярность его выводов (начала токовой обмотки и обмотки напряжения). Они обычно обозначаются звездочками. На рис. 94, в показано правильное включение ваттметра при непосредственном включении его в проверяемую цепь, а на рис. 95 — правильное включение ваттметра через измерительные трансформаторы. При правильном включении ваттметра, если мощность положительна, т. е. направлена от источника питания к нагрузке, стрелка прибора отклонится вправо, если мощность отрицательна, т. е. направлена в сторону источника питания, стрелка прибора отклонится влево.

Рис. 95. Включение ваттметров через измерительные трансформаторы:
а — через трансформаторы тока, 6 — через трансформаторы тока и напряжения
Поэтому, чтобы произвести отсчет показаний ваттметра, приходится менять местами провода, подходящие к его обмотке напряжения, а если ваттметр снабжен переключателем полярности, достаточно переключить последний в другое фиксированное положение. Обычно эти положения отмечены знаками «+» и «—». После этого стрелка ваттметра отклонится вправо, можно будет снять его показания, но записывать их следует уже со знаком «—».
Например, ваттметр для измерения мощности, протекающей по линии, был включен по схеме (рис. 96, а) и стрелка прибора ушла влево. Для снятия показаний переключили провода, подходящие к его цепи напряжения, как показано на рис. 96, б. Стрелка прибора после этого отклонилась вправо и установилась против деления 800. Однако поскольку полярность прибора мы изменили, следует записать результат измерения со знаком «—», т. е. Р=—800 Вт. Кроме того, промышленность выпускает ваттметры (обычно щитовые) не только с нулем в начале шкалы, но и посередине.

Рис. 96. Переключение цепей напряжения ваттметра для отсчета показаний
Такие ваттметры обычно устанавливают на щитах управления для измерения мощности на линиях передачи, чтобы оперативный (дежурный) персонал мог сразу определить не только величину, но и направление мощности (от шин в линию или из линии на шины подстанции).
Переносные ваттметры активной мощности обычно градуируют при коэффициенте мощности, равном единице. Предел измерения по мощности при этом равен произведению номинальных значений тока и напряжения. Например, если номинальный ток ваттметра 5 А, а номинальное напряжение 300 В, предел измерения его по мощности будет 300×5=1500 Вт. Если шкала прибора разбита на сто делений, каждое деление ваттметра (цена деления) будет соответствовать 15 Вт. Если, например, стрелка прибора остановилась против 40-го деления, то мощность, показываемая ваттметром, будет равна 15 x 40 = 600 Вт. Малокосинусные ваттметры градуируют при коэффициенте мощности, отличном от единицы. Цена деления и коэффициент мощности, при котором производилась градуировка, указываются заводом-изготовителем на шкале прибора и в его паспорте.
Косвенными методами измерения пользуются для определения полкой (кажущейся) мощности S, измеряя силу тока и напряжение, реактивной мощности, измеряя активную мощность, силу тока и напряжение после подсчета полной мощности или подсчитывая непосредственно но формуле Q=y U2P — Р2. Измерив силу тока /, напряжение U и коэффициент мощности cos ф, можно определить косвенным методом и активную мощность Р. Однако к косвенному измерению активной мощности прибегают очень редко.
Следует иметь в виду, что применение косвенных методов измерения, когда приходится пользоваться несколькими приборами, приводит к усложнению процесса измерения и увеличению его погрешности, поскольку она принимается равной сумме погрешностей всех приборов, используемых для измерения.
Коэффициент мощности при проведении пусконаладочных работ, например при определении загрузки электродвигателей, чаще измеряют косвенным методом по формуле, однако в ряде случаев применяют и метод непосредственного измерения, используя переносные фазометры.
Косвенный метод измерения мощности применяют также, когда требуется определить среднее значение мощности за длительный период времени, пользуясь счетчиками (активным для определения активной мощности и реактивным для определения реактивной мощности). Для этого разность показаний счетчика на начало и конец периода, для которого требуется определить среднюю мощность, следует разделить на длительность этого периода.
В трехпроводной сети трехфазного тока мощность измеряют обычно двумя однофазными ваттметрами или одним двухэлементным ваттметром трехфазного тока. При измерении активной мощности ваттметры включают по схеме (рис. 97). При этом, если Р, — показание первого ваттметра W1, а Р2— второго ваттметра W2, то мощность Р трехфазного тока определяется как алгебраическая сумма показаний обоих ваттметров: Р=Р1+Р2.
Показания ваттметров записывают со знаком «+», если включение их точно соответствует приведенной схеме с учетом полярности выводов и при соответствующем положении переключателя полярности. При равномерной нагрузке фаз можно установить зависимость показаний ваттметров от коэффициента мощности (рис. 98, а). Если cosφ=l, оба ваттметра всегда показывают значения, одинаковые по знаку и величине (РХ=Р2). При cosφ=0,5 показание одного ваттметра равно нулю (при индуктивной нагрузке Р1=0, при емкостной нагрузке Рг=0). При cos φ<; 0,5 показание одного ваттметра отрицательно (Р, при индуктивной нагрузке, а Р2 при емкостной нагрузке), а другого — положительно (при индуктивной нагрузке Р2, при емкостной — Рг).

Рис. 97. Схема измерения мощности двумя ваттметрами
Эта зависимость показаний ваттметров от коэффициента мощности позволяет одними и теми же ваттметрами активной мощности пользоваться не только для измерения активной мощности в трехфазной сети, но и для определения реактивной мощности Q, тангенса угла tgφ и коэффициента мощности cos φ:

Рис. 98. Зависимость показаний ваттметров от коэффициента мощности (а) и график для определения коэффициента мощности по отношению показаний двух ваттметров (б)

Рис. 99. Включение ваттметра для измерения мощности в трехфазной сети: о —активной, б —реактивной
Коэффициент мощности можно определить по отношению Pt/P2, пользуясь графиком, показанным на рис. 98, б.
В симметричной трехфазной сети при равномерной нагрузке одним ваттметром можно измерять активную мощность по схеме, показанной на рис. 99, а, и реактивную мощность по схеме, прицеленной на рис. 99, б. Если показания ваттметра будут Рь то при измерении по схеме (рис. 99, а) активная мощность трех фаз Р=ЪР\, а при измерении по схеме (рис. 99, б) реактивная мощность трех фаз Q=~\I3 Рь

Рис. 100. Включение ваттметров для измерения мощности в четырехпроводной сети

Рис. 101. Включение ваттметра для измерения мощности в четырехпроводной сети при равномерном распределении нагрузки между фазами
Показания ваттметров при измерении мощности в трехпроводной сети переменного тока Р\—40 делений, Р2—100 делений, вся шкала каждого прибора разбита на 150 делений, номинальные напряжение и сила тока приборов равны соответственно 300 В и 5 А.

Какие электроизмерительные приборы применяют при пусконаладочных работах для измерения силы тока, напряжения и мощности?
Выберите вольтметр и предел измерения для измерения напряжений на нагрузке сопротивлением 30 000 Ом, подключенной к источнику постоянного тока напряжением 220 В через добавочное сопротивление 100 000 Ом.
Начертите схему компенсационного метода измерения напряжения и объясните его сущность.
Какие меры следует предусмотреть при измерении напряжения в низкоомных цепях?
Выберите амперметр для измерения силы тока в нагрузке сопротивлением 15 Ом, питающейся от источника постоянного тока напряжением 2,5 В.
Какие методы и устройства применяют при пусконаладочных работах и я измерения силы тока в контролируемых цепях без их разрыва? Как   работает испытательный блок?
Как определить мощность в цепи постоянного тока по результатам измерения силы тока и напряжения?
Как правильно включить ваттметр однофазного тока при измерении мощности в контролируемой цепи?
Какая мощность в проверяемой цепи (измерение производилось по методу двух ваттметров)?
Как измерить полную мощность однофазного тока, пользуясь амперметром и вольтметром?

Измерение коэффициента мощности и гармонического состава тока

Теоретический анализ

Рассмотрим передачу энергии от источника к нагрузке через сечение S, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Передача энергии от источника к нагрузке

В такой сети форма напряжения v(t) (не-обязательно синусоидальная) задается источником, а форма тока i(t) определяется реакцией нагрузки. В более общем случае, когда импеданс источника весьма значителен, как v(t), так и i(t) зависят от характеристик нагрузки.

Если v(t) и i(t) являются периодическими величинами, то их можно выразить через ряды Фурье:

Здесь период колебаний сетевого напряжения определяется как T = 2π/ω. В общем случае мгновенная мощность p(t) = v(t)×i(t) может принимать как положительные, так и отрицательные значения в разных точках в течение периода. Таким образом, энергия течет в обоих направлениях между источником и нагрузкой. Важно определить энергию, передаваемую в нагрузку в течение одного периода:

Это выражение определяет среднюю мощность через период:

Исследуем зависимость между гармоническим составом тока и напряжения и средней мощностью. Подставим ряды Фурье (1) в формулу (3):

Чтобы оценить этот интеграл, необходимо перемножить бесконечные ряды. Можно показать, что произведения членов ряда на разных частотах равны 0, в то время как произведения токов и напряжений на одинаковых частотах равны:

Средняя мощность, таким образом, будет равна:

Согласно полученной формуле полезная мощность в нагрузку передается только в том случае, если в рядах тока и напряжения присутствуют гармоники одной частоты. На рис. 2 приведены наглядные примеры расчета мгновенной мощности и эффективность передачи энергии к нагрузке.

Рис. 2. Мгновенная мощность при различных и одинаковых значениях частоты тока и напряжения

В первом случае напряжение и ток содержат различные гармоники. Показанный график мгновенной мощности принимает как положительные, так и отрицательные значения: сначала энергия передается в нагрузку, а затем возвращается снова в сеть. Интеграл этой мощности за период оказывается равным нулю, так как количество энергии, переданной в обоих направлениях, равное. Следовательно, мощность, протекающая в такой сети, является чисто реактивной, и полезная работа в нагрузке не совершается.

Во втором случае ток и напряжения содержат одну и ту же гармонику и находятся в фазе. Мгновенная мощность принимает только положительные и нулевые значения, ее интеграл строго больше нуля, следовательно, вся энергия расходуется в нагрузке, и мощность является чисто активной. Таким образом, реактивная мощность в сетях переменного тока порождается не только сдвигом фаз, но и различием в гармоническом составе тока и напряжения.

 

Реальная схема выпрямителя

Рассмотрим теперь физические процессы, происходящие в обычном мостовом выпрямителе с конденсатором большой емкости и нагрузкой (рис. 3).

Рис. 3. Схема выпрямителя

Несмотря на то, что выпрямитель является чуть ли не самым простым элементом схемы блока питания, физические процессы, происходящие в его нелинейных элементах — диодах, требуют пояснений. На рис. 4 показаны графики тока и напряжения, которые потребляет от сети обычный нагруженный выпрямитель с конденсатором значительной емкости. В данном случае входное напряжение было 220 В, использовался электролитический конденсатор 47 мкФ и нагрузочный резистор 6 кОм.

Рис. 4. Токи и напряжения в выпрямителе:
1 — входное напряжение;
2 — входной ток;
3 — выходное напряжение

В такой схеме ток (2) от сети потребляется короткими импульсами в моменты, когда мгновенное значение напряжения (1) в питающей сети максимально. В остальное время нагрузка питается напряжением, запасенным в конденсаторе (3), и напряжение на нем постепенно падает, пока мгновенное значение сетевого напряжения не превысит напряжение, оставшееся на конденсаторе. В этот момент открываются диоды выпрямительного моста и происходит короткий бросок тока подзарядки. Именно этот режим работы выпрямителя и порождает нежелательную реактивную мощность, которая, не выполняя полезной работы, разогревает питающие сети.

Как известно, импульсные сигналы имеют в своем спектре бесконечное число гармоник. Однако большей их частью можно пренебречь, поскольку амплитуда их слишком мала. В то же время третья и пятая гармоники тока в такой схеме имеют амплитуду, сравнимую с амплитудой главной гармоники (50 Гц). Спектр тока в выпрямителе показан на рис. 5.

Рис. 5. Гармонический состав входного тока выпрямителя

Как уже было показано выше, в данном случае энергия в нагрузку передается только на основной гармонике 50 Гц (на той, которая присутствует в форме питающего напряжения), а остальные лишь создают реактивную мощность, которая работы не совершает. В частности, большое значение имеют 3‑я, 5‑я и 7‑я гармоники. Для того чтобы оценивать работу источника питания в сетях переменного тока, вводят так называемый коэффициент мощности, который определяется как отношение активной мощности к полной. Полная мощность является суммой активной и реактивной мощности. Хотя в этом случае полной мощностью называется произведение среднеквадратических значений тока и напряжения, измеренных в сети с данной нагрузкой. Поэтому имеет смысл напомнить математические определения коэффициента мощности и среднеквадратического значения тока в терминах рядов Фурье.

 

Среднеквадратичные значения и коэффициент мощности

Среднеквадратичное значение (rms) периодической волны v(t) с периодом T выражается следующей формулой:

Эту формулу можно переписать в терминах рядов Фурье. Подстановка уравнения (1) в уравнение (6) и упрощение дают:

Анализ выражений (7) позволяет сделать вывод о том, что наличие гармоник в токе или напряжении всегда увеличивает его среднеквадратичное значение. А энергия к нагрузке переносится только на тех гармониках, которые присутствуют в обоих рядах. Поэтому измерение среднеквадратичных величин напряжения и тока и расчет на их основе мощности потребления (В·А) позволяют получить полное значение мощности (активная + реактивная).

Таким образом, коэффициентом мощности (8) называется величина, которая показывает, насколько эффективно передается энергия к нагрузке. Или, другими словами, какая часть энергии, приходящей из сети, используется по назначению, а какая тратится лишь на разогрев проводов.

P_factor = P_av /(V_rms×I_rms).                                      (8)

В зависимости от типа нагрузки эффективность может быть выражена как сдвигом фаз между током и напряжением (cosj), так и отношением мощности основной гармоники тока к суммарной мощности всех остальных гармоник. В первом случае для повышения коэффициента мощности применяется корректирующий конденсатор, а во втором — LC-фильтр или активный корректор мощности. Чтобы оценить коэффициент мощности, нужен спектральный анализатор тока.

 

Измерение величин гармоник тока

Рассмотрим практический опыт работы с устройством, в состав которого входит выпрямитель (нагрузка 15 Вт, емкость 47 мкФ) и разработанный автором корректор коэффициента мощности, описание которого выходит за рамки этой статьи. Необходимо оценить качество работы корректора. Для оценки коэффициента мощности и гармонического состава тока, потребляемого устройством, применяются сложные и дорогостоящие приборы. Специальные электротехнические лаборатории встречаются не на каждом шагу, а также взимают немалую плату за анализ стороннего устройства. Включать осциллограф в сеть переменного тока тоже не совсем удобно. Поэтому было бы хорошо иметь подобное оборудование на своем рабочем месте, на это не потребуется значительных средств. Для этого предлагается использовать обычный цифровой осциллограф с функцией преобразования Фурье и приставку к нему.

Приставка состоит из микроконтроллера, дисплея и микросхемы ACS712 фирмы Allegro Microsystems. Основная функция микросхемы — это изоляция (до 2 кВ) измерительного оборудования от сети переменного тока. Микросхема содержит медный проводник, датчик Холла и некую электронную схему в одном корпусе SO‑8. Медный проводник включается последовательно с проверяемым устройством. Датчик Холла регистрирует протекающий по проводнику ток. Выходным сигналом микросхемы служит напряжение от 1,5 до 3,5 В. При этом 1,5 В соответствует току –5 А, 2,5 В — току 0 А, а 3,5 В — току +5 А, согласно графику на рис. 6а. ACS712 обеспечивает гальваническую развязку силовой и измерительной цепей, поэтому для регистрации тока можно смело подключать осциллограф к выходу микросхемы. Более того, возможности микросхемы позволяют регистрировать ток частотой до 80 кГц. Существуют модификации с расширенными границами тока — 20 и 30 А. Схема включения микросхемы показана на рис. 6б.

Рис. 6. Микросхема ACS712:
а) передаточная характеристика;
б) схема включения

На основе ACS712 и микроконтроллера ATxmega можно собрать устройство, которое измеряет величину активной мощности и коэффициент мощности. На схеме (рис. 7) указано подключение питающей сети и нагрузки. Микросхема DA1 имеет на выходе напряжение, которое пропорционально сетевому. Это напряжение поступает на первый АЦП в микроконтроллере. На второй АЦП поступает сигнал с микросхемы DA2, пропорциональный току, потребляемому нагрузкой. Несколько раз за период сетевого напряжения микроконтроллер производит перемножения мгновенных значений тока и напряжения, а затем интегрирует полученные произведения в течение периода, согласно формуле (3). Результат выводится на верхний дисплей. Коэффициент мощности рассчитывается согласно формулам (7) и (8) и выводится на нижний дисплей. Также в точке S1 можно подключить осциллограф и посмотреть гармонический состав тока, используя функцию анализатора спектра, которую имеет осциллограф. Дисплей и микроконтроллер можно подключать по усмотрению разработчика. Автор применил светодиодные дисплеи BA56‑SRWA, но подойдут и жидкокристаллические.

Рис. 7. Пример применения микросхемы ACS712

Если нет возможности запрограммировать микроконтроллер, то можно воспользоваться только аналоговой частью приставки (микросхемы DA1, DA2) и осциллографом с функцией анализа спектра для расчета коэффициента мощности. С помощью этой приставки были проведены измерения величины гармоник тока устройства с выпрямителем и корректором коэффициента мощности.

Рис. 8. Результаты тестирования:
а) входной ток;
б) гармонический состав тока

На рис. 8а изображен ток устройства, а на рис. 8б — спектральная характеристика этого тока. Полученные результаты позволяют судить о качестве схемы: как видно на рис. 8б, разница в амплитуде 1‑й и 3‑й гармоники составляет 24 дБ, или одна больше другой в 8 раз. Этот результат заметно лучше, чем тот, который приведен на рис. 5. Необходимо учесть, что осциллограф в данном примере показывает амплитуду по логарифмической шкале, а на рис. 5 приведена линейная амплитуда. Коэффициент мощности, таким образом, будет равен отношению величины первой гармоники (полезная или активная мощность) к сумме первой, третьей и пятой гармоник (полная мощность) Пользуясь простыми правилами арифметики, находим, что для данного устройства k = 1/1,125 = 0.88.

Основы измерения мощности переменного тока

Количественная оценка производительности импульсных преобразователей мощности становится все более важным аспектом проектирования системы. Часто требуется, чтобы системы соответствовали стандартам эффективности, мощности в режиме ожидания, коэффициента мощности, гармонических искажений и т. Д. В импульсных преобразователях мощности ко входу переменного тока подключены конденсаторы большой емкости, что приводит к возникновению сложных входных сигналов. Их характеристики нельзя правильно проанализировать на основе упрощенных предположений о входных значениях синусоидального напряжения и тока.В этом разделе часто задаваемых вопросов будут рассмотрены основы измерения мощности переменного тока, которые послужат основой для обсуждения того, как проверить определенные аспекты производительности преобразователя мощности в следующем разделе часто задаваемых вопросов.

Среднеквадратичные измерения переменного тока

Среднеквадратичное значение (RMS) является наиболее часто используемым значением для измерения переменного тока и напряжения. Среднеквадратичное значение эквивалентно количеству мощности постоянного тока, которое привело бы к такому же рассеиванию мощности в чисто резистивной нагрузке. Может оказаться полезным вычисление среднеквадратичного значения с использованием формата «амплитуда».Амплитуда «A» на рисунке ниже может представлять напряжение, ток или другие параметры.

Среднеквадратичное значение — это эквивалентное установившееся значение колебательного сигнала. Красный — это фактический сигнал. Синий — это сигнал, используемый для анализа амплитуды. Хотя это изображение представляет собой синусоидальную волну, концепция значений RMS может быть применена к любой произвольной форме волны. (Изображение: Siemens)

Форма волны переменного напряжения колеблется выше и ниже нуля со средним значением, равным нулю. Это не лучший показатель эффективного напряжения.Среднеквадратичное значение используется для получения эквивалентного установившегося значения. Используя формат амплитуды (или пикового значения), среднеквадратичное значение вычисляется путем возведения в квадрат пиковой амплитуды «А» волны, деления ее на два, чтобы найти среднее значение, а затем извлечения квадратного корня из полученного значения. Для простой синусоиды значение RMS может быть представлено как 0,707 * A.

Для более сложных сигналов значение RMS определяется как квадратный корень из среднего арифметического квадратов значений (рассмотрите эквивалент вертикальных «срезов» на изображении выше) или квадрата функции, определяющей непрерывная форма волны.Среднеквадратичные значения особенно полезны при расчетах мощности, а перечисленные напряжения для розеток обычно указываются как среднеквадратичные, а не пиковые значения. Пиковое значение равно среднеквадратичному значению, умноженному на √2. Например, в случае 120 В переменного тока пиковое напряжение составляет около 170 В переменного тока. При европейском сетевом напряжении пиковое значение составляет около 325, а размах напряжения составляет около 650 В

.

Пик-фактор

Отношение между среднеквадратичным значением и пиковым значением называется пик-фактором сигнала и определяется как: пик-фактор = пиковое значение / среднеквадратичное значение.Для синусоидальной волны: пиковое значение = RMS x √2; а пик-фактор равен √2, или около 1,41.

Большинство электронных преобразователей мощности, таких как источники питания переменного тока в постоянный, приводы двигателей и источники питания освещения, имеют на входе большие конденсаторы, которые приводят к возникновению несинусоидальных токов с пик-фактором, намного превышающим 1,41. Типичный импульсный преобразователь мощности имеет импульсную форму входного сигнала переменного тока. Коэффициент амплитуды для этих преобразователей мощности часто превышает 3. Это означает, что распределительная сеть переменного тока должна поддерживать высокий коэффициент амплитуды, а не только средний уровень мощности.Как обсуждается ниже, это один из факторов, влияющих на требования к коррекции коэффициента мощности, когда пик-фактор снижается до значения, близкого к 1,41, как в типичной синусоидальной волне.

Мощность: активная, реактивная, полная и треугольник мощности

Если нагрузка является чисто резистивной, формы сигналов тока и напряжения синусоидальны, и две величины меняют полярность в один и тот же момент. Власть течет только в одном направлении и называется истинной силой или реальной властью.

В случае чисто реактивной нагрузки напряжение и ток сдвинуты по фазе на 90 градусов. И реактивная мощность «течет». Мощность (произведение напряжения и тока) положительна в течение двух четвертей каждого цикла и отрицательна в течение двух кварталов. Поскольку в нагрузку поступает много энергии, полезная передача энергии из нагрузки отсутствует. Но ток течет в обоих направлениях, и провода должны иметь такой размер, чтобы пропускать этот ток, даже если сама нагрузка потребляет нулевую энергию.

Реальные нагрузки состоят из комбинации сопротивления, емкости и индуктивности.Присутствуют как активная, так и реактивная мощности, что приводит к полной мощности, которая является произведением среднеквадратичных значений напряжения и тока. Полная мощность должна учитываться при проектировании распределительных сетей. Электропроводка и другие токоведущие компоненты должны пропускать полный ток, а не только ток, обеспечивающий полезную работу.

Реальная или «истинная» мощность измеряется в ваттах. Кажущаяся или «общая» мощность измеряется в вольт-амперах (ВА) и является произведением среднеквадратичного напряжения и среднеквадратичного тока.Наконец, реактивная мощность выражается в VAr, что означает реактивная мощность вольт-ампер. Реактивная мощность также называется «мощностью без мощности», поскольку она не передает полезную энергию нагрузке. Как показано ниже, коэффициент мощности измеряет соотношение между полной и реальной мощностью (или соотношение между полной и реальной мощностью). Нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больше тока, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности, при том же количестве передаваемой полезной мощности. По мере уменьшения реактивной мощности (нагрузка становится более резистивной) общая мощность и истинная мощность выравниваются, а коэффициент мощности приближается к единице.

Коэффициент мощности измеряет отношение реальной или истинной мощности к полной или полной мощности. Он определяется как косинус θ. Когда нагрузка становится более резистивной, реактивная мощность приближается к нулю; полная (полная) мощность и активная (истинная) мощность выравниваются, а коэффициент мощности становится равным 1,0. (Изображение: Tektronix)

В источниках питания переменного / постоянного тока активная коррекция коэффициента мощности (PFC) контролирует ток, протекающий в блоке питания, для улучшения коэффициента мощности. Повышающий преобразователь вставляется между мостовым выпрямителем и основными входными конденсаторами в однофазных источниках питания.Повышающий преобразователь (каскад PFC) управляется для поддержания постоянного напряжения на его выходе при одновременном потреблении тока, синфазного и той же частоты, что и линейный вход переменного тока.

Коэффициент мощности: положительный и отрицательный, смещение и искажение

Знак (положительный или отрицательный) коэффициента мощности зависит от используемого стандарта и отличается для IEC и IEEE. Используя стандарт IEC, направление потока реальной мощности определяет знак коэффициента мощности. коэффициент мощности является положительным для «нормального» (положительного) потока реальной мощности, когда нагрузка потребляет энергию.Коэффициент мощности отрицательный для «обратного» (отрицательного) потока реальной мощности, когда нагрузка вырабатывает энергию.

Согласно IEEE, знак коэффициента мощности зависит только от характера нагрузки, а не от направления потока реальной мощности. Для емкостной нагрузки коэффициент мощности положительный, а для индуктивной нагрузки — отрицательный. Обратите внимание, что при использовании соглашения о знаках IEC или IEEE абсолютное значение PF не изменяется; меняется только знак.

Сравнение условных обозначений коэффициента мощности IEC и IEEE.(Изображение: Schneider Electric)

«Коэффициент мощности смещения» может возникать в цепях с синусоидальными токами и напряжениями. Коэффициент мощности определяется разницей (смещением) фаз между током и напряжением. «Коэффициент мощности искажения» — это элемент искажения, связанный с различными гармоническими токами и напряжениями, связанными с нелинейными нагрузками. Нелинейные нагрузки изменяют форму волны тока с синусоидальной на другую, например пульсирующую. В результате нелинейные нагрузки имеют тенденцию создавать гармонические токи, способствующие коэффициенту мощности искажения.Для нелинейных нагрузок знание коэффициента амплитуды полезно при количественной оценке уровня искажения .

Синусоидальное напряжение и несинусоидальный ток приводят к пик-фактору значительно выше 1,41 и коэффициенту мощности искажения 0,75 для этой нагрузки блока питания компьютера. (Изображение: Википедия)

Гармонические искажения

Гармоники в системе электроснабжения переменного тока — это напряжения или токи, кратные основной частоте системы. Гармоники вызываются нелинейными нагрузками, такими как телекоммуникационные выпрямители, приводы с регулируемой скоростью, осветительные балласты и источники питания переменного / постоянного тока.Полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы, MOSFET и IGBT, также являются примерами нелинейных нагрузок. Гармоники в электросети могут вызвать проблемы с качеством электроэнергии, что приведет к повышенному нагреву проводников и других компонентов в сети. При нормальной работе электродвигатели не вносят существенного вклада в гармоники. Но и двигатели, и трансформаторы могут создавать гармоники, если они перенапряжены или насыщены.

Общее гармоническое искажение (THD) — это мера общего присутствующего искажения.Он определяется как отношение суммы мощностей всех гармонических составляющих к мощности основной частоты. Коэффициент искажения является тесно связанным понятием и иногда используется как синоним THD. Нормы, ограничивающие допустимые уровни THD, широко распространены и часто основываются на EN61000-3.

В следующем разделе часто задаваемых вопросов будет рассмотрено, как различные измерения мощности переменного тока, описанные выше, могут проверить характеристики источника питания переменного / постоянного тока. В третьем и последнем часто задаваемых вопросах будут рассмотрены важные соображения при проверке целостности электропитания в сетях распределения электропитания встроенных систем.

Список литературы

Основы измерения мощности переменного тока, Tektronix
Power Factor, Wikipedia
В чем разница между стандартами IEEE и IEC PF, Schneider Electric

Узнать | OpenEnergyMonitor

Измерение напряжения переменного тока с помощью адаптера переменного тока в переменный ток

---

Измерение напряжения переменного тока необходимо для расчета активной мощности, полной мощности и коэффициента мощности. Это измерение можно безопасно провести (не требуя работы с высоким напряжением), используя адаптер переменного тока в переменный.Трансформатор в адаптере обеспечивает изоляцию от сети высокого напряжения.

На этой странице кратко описывается электроника, необходимая для сопряжения адаптера питания переменного тока с платой Arduino.

Как и в случае измерения тока с помощью датчика CT, основная задача электроники формирования сигнала, описанной ниже, состоит в том, чтобы привести выход адаптера питания переменного тока в состояние, соответствующее требованиям аналоговых входов Arduino: положительное напряжение между 0 В и опорное напряжение АЦП (обычно 5 В или 3.3V — emontx).

Адаптеры питания

переменного тока доступны с разными номинальными напряжениями. Первое, что важно знать, — это номинальное напряжение вашего адаптера. Мы составили справочный список основных адаптеров переменного напряжения, которые мы использовали (мы стандартизировали адаптер 9 В RMS).

Выходной сигнал адаптера переменного напряжения имеет форму волны, близкую к синусоидальной. Если у вас адаптер питания 9 В (среднеквадратичное значение), положительное пиковое напряжение составляет 12,7 В, отрицательное — 12,7 В. Однако из-за плохой стабилизации напряжения с этим типом адаптера, когда адаптер не нагружен (как в этом случае), на выходе часто бывает 10-12 В (среднеквадратичное значение), что дает пиковое напряжение 14-17 В.Выходное напряжение трансформатора пропорционально входному напряжению переменного тока, см. Ниже примечания по напряжению сети в Великобритании.

Электроника преобразования сигнала должна преобразовывать выходной сигнал адаптера в форму волны с положительным пиком менее 5 В (3,3 В для emonTx) и отрицательным пиком более 0 В.

Значит нам нужно:

1. масштабировать вниз осциллограммы и
2. добавьте смещение , чтобы не было отрицательной составляющей.

Форма волны может быть уменьшена с помощью делителя напряжения, подключенного к клеммам адаптера, а смещение (смещение) может быть добавлено с использованием источника напряжения, созданного другим делителем напряжения, подключенным к источнику питания Arduino (таким же образом мы добавили смещение для цепи измерения тока).

Вот принципиальная схема и осциллограммы напряжения:

Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, уменьшающий напряжение переменного тока адаптера питания.Резисторы R3 и R4 обеспечивают смещение напряжения. Конденсатор C1 обеспечивает низкоомный путь к земле для сигнала переменного тока. Значение не критично, от 1 мкФ до 10 мкФ будет удовлетворительным.

R1 и R2 необходимо выбрать так, чтобы пиковое выходное напряжение составляло ~ 1 В. Для адаптера переменного тока в переменный с выходом 9 В RMS подойдет комбинация резисторов 10 кОм для R1 и 100 кОм для R2:

 выходное_пиковое_вольт = R1 / (R1 + R2) x вход_пикового_вольт =
10к / (10к + 100к) x 12.7 В = 1,15 В 

Напряжение смещения, обеспечиваемое R3 и R4, должно составлять половину напряжения питания Arduino. Таким образом, R3 и R4 должны иметь одинаковое сопротивление. Более высокое сопротивление снижает потребление энергии. Для emonTx с батарейным питанием, где важно низкое энергопотребление, мы используем резисторы 470 кОм для R3 и R4.

Если Arduino работает при 5 В, результирующая форма волны имеет положительный пик 2,5 В + 1,15 В = 3,65 В и отрицательный пик 1,35 В, что соответствует требованиям к аналоговому входному напряжению Arduino.Это также оставляет некоторый запас для минимизации риска перенапряжения или пониженного напряжения.

Комбинация 10k и 100k R1 и R2 отлично работает для emonTx с питанием от 3,3 В с положительным пиком 2,8 В и отрицательным пиком 0,5 В.

Если вам нужна подробная информация о том, как рассчитать оптимальные значения для компонентов с учетом допусков компонентов, см. Эту страницу.

Эскиз Arduino

Чтобы использовать указанную выше схему вместе с измерением тока для измерения активной мощности, полной мощности, коэффициента мощности, среднеквадратического и среднеквадратичного значений, загрузите эскиз Arduino, подробно описанный здесь: Схема Arduino — напряжение и ток

Повышение качества источника смещения

Этот относительно простой источник напряжения смещения имеет некоторые ограничения.См. Раздел «Смещение буферизованного напряжения» для схемы, обеспечивающей улучшенные характеристики.

Примечания к ограничениям сетевого напряжения

Стандартное внутреннее электроснабжение для Европы составляет 230 В ± 10%, что дает нижний предел 207 В и верхний предел 253 В. В соответствии с BS 7671 допускается падение напряжения в пределах установки 5%, что может дайте нижний предел 195,5 В. Стандарт Великобритании до согласования составлял 240 В ± 6%, что давало верхний предел 254,4 В.

Хотя номинальный стандарт Великобритании в настоящее время составляет 230 В, система питания обычно не регулируется, и напряжение составляет около 240 В.

Спасибо Роберту Уоллу за обобщение довольно запутанных стандартов, касающихся напряжений в электросетях Великобритании.

Во всей Европе, Африке, Азии, Австралии, Новой Зеландии и большей части Южной Америки используется источник питания, который находится в пределах 6% от 230 В. Для Соединенных Штатов требования к питанию находятся в пределах 5% от 240 В (это на счетчике коммунальных услуг). — NEC допускает еще 5% -ное падение давления в резервуарах согласно 210,19 (A) и 215,2 (A) (1)).

https://en.wikipedia.org/wiki/Mains_electricity_by_country

Измерение мощности переменного тока

с использованием Arduino | Код | Схема | PCB

Измерение мощности переменного тока с помощью микроконтроллера Arduino и измерительного трансформатора . В этой статье представлено программное и аппаратное решение, касающееся микроконтроллера Atmeaga328P и модуля измерения мощности измерительного трансформатора для измерения мощности переменного тока. Мы также предоставляем оборудование и программу Arduino для измерения мощности переменного тока.

Чтобы обеспечить более точное измерение мощности переменного тока с использованием Arduino, мы разработали экономичный самостоятельный ваттметр переменного тока с использованием трансформатора тока ZMCT103C и трансформатора напряжения ZMPT107 . Этот DIY ваттметр переменного тока разработан для эффективного измерения

• переменного напряжения
• переменного тока
• активной мощности
• полной мощности
• коэффициента мощности.

Этот модуль ваттметра переменного тока DIY используется для контроля однофазной мощности до 1000 В переменного тока и 100 А. Вы можете легко связать этот модуль с любым микроконтроллером, таким как Arduino, STM32, PIC, AVR и т.д. Этот модуль позволяет легко контролировать ток в сети переменного тока до 5 ампер. Для измерения более высокого тока вы можете заменить ZMCT103C клеммой PBT и подключить любой проводной трансформатор тока до 100 А.

Существует потребность в точных и экономичных методах измерения напряжения и тока с использованием плат Arduino.

Измерение мощности. Основная цель этого проекта — измерение мощности для снижения пикового потребления электроэнергии путем предоставления потребителям информации об их мгновенном потреблении энергии. Цель предоставления таких данных пользователю — побудить его переключить нагрузку в непиковые часы и снизить потребление энергии и счета за электроэнергию.

ATMEGA328P имеет встроенный 10-разрядный АЦП для измерения тока и напряжения, GPIO для управления ЖК-дисплеем и множество других периферийных устройств для связи, обнаружения несанкционированного доступа, клавиатуры и отключения питания.Мощная архитектура микроконтроллера STM32 ™ позволяет производить выборку со скоростью 1 Msps. Высокая частота дискретизации позволяет использовать методы повышения разрешающей способности АЦП.

Создание простого измерителя мощности переменного тока — Инструменты из наших инструментов

Я давно интересовался энергоэффективностью. Большая часть понимания энергоэффективности — это понимание того, как и когда устройства используют энергию. Из-за этого я также давно хотел измерить мощность переменного тока. Дешевый. Приличный. Маленький.

Что такое измеритель мощности переменного тока

Измеритель мощности переменного тока — это прибор, который может сказать вам, сколько энергии потребляет устройство с подключаемой нагрузкой. Проблема в том, что измерить мощность переменного тока немного сложно. Это связано с тем, что при работе с переменным током форма волны тока, которую рисует устройство, не обязательно должна совпадать по фазе с напряжением. Нагрузка может быть индуктивной (запаздывающей) или емкостной (опережающей), и в результате полная мощность (среднеквадратичное значение в вольтах * среднеквадратичное значение в амперах) будет выше реальной мощности. Однако становится еще хуже.Нелинейные нагрузки, такие как импульсные источники питания (почти все в наши дни), могут иметь формы волны тока, которые буквально не имеют отношения к форме волны напряжения.

В результате современные измерители мощности переменного тока работают по принципу измерения мгновенного тока и напряжения много раз в секунду, фактически, много раз за цикл переменного тока 60 Гц, так что истинную мощность можно рассчитать путем вычисления «скалярного произведения». ”Временного ряда напряжения и тока. Из такого расчета можно получить такие вкусности, как:

• Реальная мощность (Вт)
• Полная мощность (ВА)
• Мнимая / реактивная мощность (ВАР)
• фазовый угол
• Коэффициент мощности

Инструменты, которые с этим справляются, дороги.Например, Yokogawa WT3000E — это секс на палке в том, что касается измерителей мощности, но он обойдется вам, я думаю, более чем в 10 тысяч долларов. Я использовал один, когда работал в Google, и, конечно же, поездка была приятной.

Это в моем рождественском списке, если вам интересно, что мне подарить. Дешево, но эффективно.

С другой стороны, вы можете получить Kill-A-Watt за 40 долларов. Это дешево и функционально, но не позволяет регистрировать данные и полностью не откалибровано. Правда, они заявляют о точности 0,2%? Мой опыт с ними говорит об обратном.

За эти годы я сделал пару попыток измерителя мощности. В одном из них использовались трансформатор тока и трансформатор напряжения, входящие в АЦП Arduino. Это вроде сработало, но было беспорядком. В другой раз я построил устройство, в котором для измерения тока использовались датчики на эффекте Холла, но я вообще не измерял напряжение. Это действительно не может измерить мощность, но вы можете получить из этого ориентировочный смысл.

Давайте сделаем это — дизайн оборудования

Итак, несколько месяцев назад я решил построить правильный измеритель мощности.Я поискал микросхемы, которые могли бы мне помочь, и вот, я наткнулся на несколько микросхем «аналогового интерфейса», в которых есть все схемы, необходимые для измерения мощности переменного тока. Они выполняют аналого-цифровое преобразование, всю математику и предоставляют простой цифровой интерфейс, в котором вы можете запрашивать различные параметры.

Я остановился на Atmel ATM90E26. Разумная базовая точность 0,1% на основе аналого-цифровых преобразователей 16b, и, что лучше всего, около 2 долларов в количестве 1. Кроме того, у них есть заметка о приложении с образцом дизайна, и это казалось достаточно простым.

Итак, я начал проектировать. К сожалению, у меня были разные противоречивые цели:

• Безопасность: как и McDLT, я хочу, чтобы горячее оставалось горячим, а прохладное — прохладным. Это означает полную изоляцию между стороной измерения и стороной управления.
• Маленький, поэтому его можно поместить внутри небольшого прибора.
• Дисплей, чтобы я мог напрямую считывать данные о мощности
• Интерфейс к Raspberry Pi, чтобы я мог войти на карту μSD или отправить ее через Wi-Fi в Интернет
• Собственный микропроцессор для управления дисплеем и выполнения любой необходимой обработки в реальном времени
• Внутренний источник питания переменного тока в постоянный, так что само устройство может получать питание от одного подключения переменного тока.
• Способность измерять ток с помощью сенсорного резистора, трансформатора тока или их комбинации.
• Способность получать достаточно точные измерения очень малых нагрузок (например, <1 Вт), чтобы я мог проводить измерения мощности вампира. Один из способов добиться такой точности - это построить блок с шунтирующим резистором большого номинала, что я могу сделать, если буду использовать собственный.

Некоторые из этих желаний противоречат друг другу, и я сделал несколько итераций на компьютере, прежде чем сделать свою первую плату.В итоге я отказался от ЖК-дисплея и построил все вокруг RPi Zero. Это было в первую очередь для того, чтобы сделать плату компактной. Если бы я хотел дисплей, я мог бы подключить его к Pi! Я также изначально выбрал подвесной преобразователь переменного тока в постоянный в основном потому, что просто не хотел с ним возиться.

Питание и изоляция

В устройстве, которое предназначено для жизни в пластиковом ящике, я, вероятно, вообще не стал бы беспокоиться об изоляции. Вся схема могла «ездить по сети». Но поскольку это должна быть доска, удобная для мастеров, я хотел иметь возможность прикоснуться к RPi, не умирая.Обычно это делается с помощью чего-то простого, например оптоизоляторов, чтобы обеспечить гальваническую развязку сигналов данных. Но эта доска представляла собой еще одну проблему. Микросхема измерения мощности должна быть подвержена воздействию переменного тока (да, чтобы он мог его измерить), но для работы ей также требуется питание постоянного тока.

Как запитать микросхему и поддерживать изоляцию? Это можно сделать с помощью простого «емкостного капельного» источника питания (простой, неэффективный, схематичный) или с помощью изолированного источника постоянного тока (дорогой и / или суетливый), но когда я добавил оптоизоляторы, которые мне понадобились, плюс DC-DC питания, я понял, что микросхема специального назначения будет почти рентабельной и потребует гораздо меньше хлопот.Поэтому я выбрал AduM5411, отличную деталь от Analog Devices, которая может пересылать три цифровых сигнала в одном направлении, один цифровой сигнал в другом направлении и обеспечивать питание через изолирующий барьер. И это было всего около 6 долларов.

Единственная проблема в том, что AduM5411 настолько хорош, что это чистый анобтаниум. Я даже не уверен, что эта деталь действительно существует в дикой природе. Поэтому я перешел на Texas Instruments ISOW7841, очень похожую деталь во всех отношениях, за исключением того факта, что она стоит 10 долларов. Это самая дорогая часть в моей спецификации.Но я должен признать, что им очень легко пользоваться и он отлично работает. (Кстати, эти микросхемы вообще не работают по оптическим принципам, а работают с крошечными трансформаторами, работающими на высокой частоте. Круто.)

Хорошо, значит, переменная / горячая часть платы питается от стороны постоянного тока платы. Но как питается сторона постоянного тока? В первой итерации я делал это от USB-разъема через бородавку 5V.

Измерение тока

Для измерения мощности измерительная микросхема должна иметь возможность измерять напряжение и ток одновременно и по отдельности.Напряжение довольно легко. Просто используйте резисторную сеть, чтобы уменьшить его, чтобы не взорвать АЦП. Ток можно сделать одним из двух способов. Один из них — это измерение падения напряжения на калиброванном резисторе. Резистор, очевидно, должен выдерживать большой ток, и это должно быть небольшое значение, чтобы удерживать падение напряжения в разумных пределах, иначе устройство, которое вы измеряете, выйдет из строя. У резистора считывания тока также должен быть низкий температурный коэффициент, чтобы его значение не сильно менялось при нагревании.

Другой подход — использовать трансформатор тока. ТТ хороши тем, что обеспечивают изоляцию, но они большие и стоят несколько долларов по сравнению с несколькими копейками за резисторы. Я сделал итерацию с местом для CT на доске, но позже остановился на этом. Я оставил место, где к плате можно подключить внешний трансформатор тока. Хотя, возможно, я никогда не воспользуюсь им.

Микроконтроллер

В этой конструкции микроконтроллер Atmega 328p находится между Pi и ATM90E26.Он подключен к ATM90E26 шиной SPI, а к Pi — шиной I ² C. Первоначально я думал, что Atmega придется часто опрашивать микросхему питания и интегрировать общую энергию, но это произошло потому, что я недостаточно внимательно прочитал техническое описание ATM90E26. Оказывается, чип сам выполняет всю математику, включая интеграцию энергии, поэтому процессор просто сидел и выполнял преобразование между I2C и SPI. Честно говоря, я не мог придумать ничего полезного для Atmega.

Это плата после того, как я поискал на ней некоторые из более дорогих деталей. Первый дизайн, который я придумал.

В любом случае, хорошей новостью было то, что эта конструкция сразу же заработала — с точки зрения аппаратного обеспечения, хотя оказалось, что потребовалось больше усилий, чем я хотел заставить Atmega надежно выполнять пересылку I2C / SPI. А мне это даже не понадобилось.

Бросьте процессор!

Итак, используя ту же печатную плату, я сделал несколько простых приемов, чтобы переместить контакты шины SPI от измерительного чипа к заголовку RPi.Мне также пришлось добавить делитель напряжения, чтобы сигнал MISO 5 В не разрушал вывод MISO, не допускающий 5 В на RPi. Взломанная плата выглядела так.

Посмотрите ма, на его стороне нет промежуточного микропроцессора, так что вы можете увидеть, как движется RPi.

RPi обменивается данными с микросхемой измерения мощности через изолирующую микросхему TI и работает намного надежнее и быстрее, чем I2C, поэтому я был рад понять, что этот промежуточный процессор мне вообще не нужен.

Эту плату можно пустить в эксплуатацию и так, но у нее есть несколько проблем:

1. Во-первых, ориентация Pi относительно платы экономит немного места, но делает это за счет того, что все разъемы Pi обращены вниз к «горячей» стороне платы.
2. Во-вторых, питание стороны постоянного тока платы от разъема USB оказалось для меня более раздражающим, чем я ожидал. Меня действительно беспокоит необходимость подключать прибор для измерения переменного тока к отдельной стене. Так что я знал, что буду проектировать блок питания. Я выбрал блок питания 5V MeanWell IRM-05-05 для монтажа на печатную плату.
3. В-третьих, в этой плате отсутствовали вырезы для обеспечения дополнительного пути утечки для частей платы, находящихся под высоким напряжением, которые находились бы (или могли бы находиться) под высоким относительным напряжением друг от друга. Я думаю, что расстояния, вероятно, были достаточными, и я не собирался делать список UL или что-то в этом роде, но мне все еще нужны слоты.

Итак, я переделал плату и месяц ждал, пока они прибудут из Китая, хотя я заплатил за ускоренную доставку. Новая плата выглядит так. Часть места, где пропал процессор, я заменил для светодиодов, на случай, если я захочу замигать.

Выглядит намного лучше. Обратите внимание, что все порты Pi направлены от AC. Кроме того, Pi находится сверху, а не снизу. Лучшая компоновка, нет процессора

Мне действительно нужно счистить этот флюс.

Вот и все, что касается оборудования.

Последнее вращение.

Оказывается, еще раз покручу эту доску. Основная причина в том, что я хочу немного расширить его и переместить монтажные отверстия, чтобы они соответствовали подходящему корпусу. Я, вероятно, буду использовать Hammond RP-1127 — это как раз подходящая ширина для RPi.

Другая причина в том, что кто-то показал мне, как перерисовать контактные площадки для резисторов считывания тока, чтобы создать «квази» кельвиновское соединение.

Метод измерения тока заключается в измерении тока через измерительный резистор.Этот резистор достаточно точен и устойчив к температуре, но следы припоя и меди, ведущие к нему, нет, и ток, протекающий по ним, также вызовет падение напряжения. Это падение будет небольшим, но падение на измерительном резисторе 0,001 Ом тоже небольшое! Итак, чтобы получить наиболее точное измерение, я пытаюсь измерить падение напряжения точно на контактных площадках резистора, желательно с подключениями к резистору, в котором нет тока. Вот что такое связи Кельвина.

В приведенном ниже случае я добился чего-то подобного, разделив контактные площадки резистора на три части.Верхняя и нижняя части проводят испытательный ток через резистор, а небольшая изолированная полоска в середине измеряет напряжение. В этой ленте нет тока, поэтому на ней не должно быть падения напряжения.

Результатом должна быть лучшая точность и термическая стабильность текущих измерений. Связь Кельвина для текущего измерения выглядит следующим образом. Чувствительные резисторы проходят между правым выводом входного предохранителя и выступом с надписью «нагрузка». Посадочные площадки резистора разделены, и отдельная секция, в которой не будет протекать ток, предназначена для измерения напряжения.

Поддельный четырехконтактный резистор

Калибровочный

Инструмент хорош ровно настолько, насколько хорош его калибровка, и мне нужен был способ откалибровать этот. К сожалению, у меня нет оборудования, чтобы делать это должным образом. Таким оборудованием может быть программируемый источник переменного тока, высокоточная нагрузка переменного тока и, возможно, измеритель мощности лабораторного качества. У меня есть доступ к достаточно точным цифровым мультиметрам (Fluke 87V и HP 34401A). Первое действительно актуально, второе — ну, я уверен, миллион лет назад.

Я откалибровал напряжение, подключив устройство к сети переменного тока в моем доме, измерив напряжение на клеммах и регулируя значение регистра до тех пор, пока указанное напряжение не совпадет с моим измерителем.Что касается тока, я поставил большую, в основном, неиндуктивную нагрузку на систему (Toast-R-Oven), измерил ток с помощью цифрового мультиметра и настроил регистр до совпадения тока.

Калибровка мощности сложнее, и у меня действительно нет подходящего оборудования, чтобы делать это должным образом. ATM90E26 позволяет вам также настроить калибровку энергии отдельно от измерений напряжения и тока, и я думаю, что они намерены сделать это с известной нагрузкой с плохим коэффициентом мощности. Но у меня нет такой нагрузки, поэтому я сделал предположение о калибровке энергии на основе моих измерений напряжения и тока тостера.Это, вероятно, приближает меня к резистивным нагрузкам, но недостаточно для нагрузок с интересным коэффициентом мощности. К сожалению, весь смысл измерителя мощности переменного тока состоит в том, чтобы сделать это правильно, поэтому в этом важном отношении мой измеритель, вероятно, серьезно скомпрометирован.

В результате получается, что это, вероятно, не инструмент с 0,1% и даже не с 1%, но я думаю, что для меня этого достаточно … на данный момент. Я постараюсь придумать способы улучшить калорийность, не тратя деньги на модное оборудование или посещение лаборатории.

Хорошо, теперь о ПО

Одна из причин, по которой мне нравится работать с Raspberry Pi, заключается в том, что я получаю «настоящую» и «нормальную» операционную систему Linux со всеми знакомыми инструментами, включая текстовые редакторы, git и интерпретируемые языки программирования, такие как python. Python имеет библиотеки i2c и SPI для взаимодействия с аппаратными интерфейсами RPi, поэтому создание «драйвера устройства» для ATM90E26 не представляло большого труда. Фактически, такой драйвер устройства был в значительной степени просто упражнением, заключающимся в том, чтобы собрать имена всех регистров и их адреса на одной странице.Одна приятная вещь, которую делает мой драйвер устройства, — это преобразование формата данных из ATM90E26 в обычные с плавающей точкой. Некоторые регистры масштабируются в 10 или 100 раз, некоторые беззнаковые, некоторые являются дополнением до двух со знаком, а некоторые имеют знаковый бит. Об этом позаботится драйвер устройства.

Я также написал два примера «приложений». Первый представляет собой комбинацию приложения HTTP-сервера и клиентского приложения, запущенного на счетчике, которое пересылает информацию на сервер, и сервер может отображать ее в веб-браузере.

Другое приложение проще, но в некотором смысле более полезно: у меня RPi просто загружает образцы в Google Sheet! Очень приятно подключить регистратор, а затем открыть лист Google в любом месте и наблюдать за потоком данных каждые несколько секунд.

Результаты

До сих пор мне удавалось регистрировать напряжение и частоту сети каждую секунду в течение прошлой недели. Я планирую разместить несколько таких устройств по всему дому, чтобы увидеть, как на самом деле используются различные устройства.

Вот изображение напряжения и частоты, измеренных в моем рабочем павильоне в течение большей части недели, начиная с 20.02.2018. Данные представлены с интервалом в 5 секунд.

Вы можете увидеть суточный график напряжения, а частота стабильная.

Design Files

Я еще не решил, буду ли я открывать исходный код для этой конструкции, поэтому я пока оставлю файлы оборудования при себе.Существует также проблема ответственности, если кто-то заберет мои вещи и сумеет сжечь свой дом или покончить с собой.

Но вы можете увидеть мое репозиторий на github с программным обеспечением. Там не слишком много документации, но я думаю, что файл atm90e26.py должен быть достаточно понятным как простая основанная на Python оболочка для ATM90E26, подключенного к Pi через SPI.

Направления будущего

• Лучшая калибровка
• Лучшая производительность Wi-Fi, когда устройство находится внутри металлического прибора (внешняя антенна)
• Переключаемые диапазоны тока.Может быть, с заменой реле в резисторах разностного смысла.

5790B Стандарт измерения переменного тока

Обновленные функции обеспечивают улучшения внутри и снаружи

С момента своего выпуска в 1990 году 5790A заработал непревзойденную репутацию самого точного эталона измерения переменного тока в отрасли. Технология, лежащая в основе 5790A, и запатентованный датчик Fluke RMS сделали его эталоном измерения для калибровочных лабораторий по всему миру.5790B сохраняет инновационные технические характеристики своего предшественника и добавляет много новых возможностей и функций, которые увеличивают допустимую рабочую нагрузку и надежность продукта.

Измерение абсолютного и относительного тока

Шунтирующие резисторы серии A40B представляют собой очень экономичный метод расширения функциональных возможностей 5790B по измерению абсолютного и относительного переменного тока для калибровки источника переменного тока. Новый пользовательский интерфейс 5790B позволяет вводить и сохранять текущие шунты в его памяти.Можно сохранить до 150 шунтов вместе с серийными номерами шунтов, значениями калибровочных постоянных (24 переменного / постоянного тока, пять точек погрешности нагрузки) и датами калибровки. После того, как информация о шунте загружена, 5790B можно настроить для прямого измерения абсолютного или относительного переменного тока в течение нескольких секунд, подключив шунт и просто выбрав соответствующий шунт в главном меню. При использовании токового шунта 5790B отображает на дисплее измерения напряжения и тока вместе с информацией о шунте.Устаревшие токовые шунты Fluke A40 и A40A могут быть загружены и использованы для измерения относительного тока.

Расширенный широкополосный диапазон (50 МГц)

Широкополосный вход и функция «/ 3» с диапазонами от 2,2 мВ до 7 В, от 10 Гц до 30 МГц сохранены в модели 5790A. Новая широкополосная опция «/ 5» расширяет полосу пропускания еще дальше — от 10 Гц до 50 МГц. Расширенный широкополосный диапазон увеличивает рабочую нагрузку продукта за счет калибровки прецизионных выходных сигналов опорной мощности 50 МГц, имеющихся в большинстве измерителей мощности ВЧ.

Улучшенные характеристики

Графический интерфейс пользователя в режиме прямого считывания отображает спецификации для измерения распространенных несинусоидальных сигналов плюс вычисление размаха (предполагается, что THD <1%). Это позволяет мгновенно получать информацию, когда это больше всего необходимо. В отличие от вакуумно-флуоресцентного дисплея 5790A, новый 6,5-дюймовый емкостный сенсорный экран позволяет видеть больше информации на экране, уменьшая необходимость переключения между меню. 5790B теперь определяет абсолютную погрешность измерения постоянного напряжения до ± 24 ppm (один год, 23 ° C ± 5 ° C), обеспечивая большую уверенность в измерениях передачи.Специальная функция входа 50 МГц, 225 мВ, 50 Ом специального назначения доступна в качестве опции для измерения выходных сигналов опорных сигналов ВЧ-измерителя мощности. Опция «точечно откалибрована» на конце кабеля метрологического класса с прецизионным уровнем / фазовой стабильностью. Он рассчитывает измеренную мощность при нагрузке 50 Ом.

Статистика и функции размаха сигналов

Статистика, показывающая количество образцов, стандартное отклонение, среднее, минимальное и максимальное значение, рассчитывается на основе отображаемых показаний.Преимущество большого сенсорного экрана заключается в том, что статистические данные можно просматривать, в то время как основное измерение все еще отображается на экране. 5790B теперь выполняет расчеты формы сигнала от пика до пика. Вы можете выбрать одну из четырех форм сигнала: синус, квадрат, треугольник и усеченный. Некоторые из этих форм сигналов сложно и требует много времени для расчета. 5790B выполняет все вычисления за вас на основе измерений, значительно сокращая время и возможные ошибки.

Простой в использовании графический интерфейс и эргономичные функции

Графический интерфейс пользователя включает в себя легко читаемые меню, а также доступ к общим функциям одним касанием пальца.Быстро выберите диапазон и введите его с помощью аппаратных клавиш на передней панели. Ярко-красный индикатор состояния для ОПАСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ расположен на передней панели, он сразу же информирует вас о наличии опасного напряжения на клеммах. Как и у нового многофункционального калибратора 5730A, на передней панели расположены терминалы Visual Connection Management ™, которые загораются, показывая, какие терминалы активны, и помогают выполнить правильные подключения.

Точность, на которую можно положиться

5790B основан на запатентованном твердотельном тепловом среднеквадратичном датчике Fluke, который был зарекомендован с 1979 года в различных продуктах Fluke, таких как эталон передачи переменного / постоянного тока 792A.Датчик среднеквадратичного значения Fluke — это настоящий термопреобразователь, а не электронный преобразователь, вычисляющий среднеквадратичное значение. Поскольку его выходное напряжение составляет 2 В, а не 7–10 мВ у традиционных термопар, датчик среднеквадратичного значения демонстрирует превосходные характеристики отношения сигнал / шум и минимальные ошибки реверсирования. Чем выше выходное напряжение, тем точнее измерения. А из-за своего небольшого размера датчик RMS быстро стабилизируется и работает в широком диапазоне температур. 5790B также имеет герметичные схемы из тонкопленочных резисторов для минимизации ошибок измерения переменного тока и повышения температурного коэффициента.Датчик среднеквадратичного значения и цепи тонкопленочных резисторов разработаны Fluke так, чтобы быть прочными и надежными. Каждый из них построен в соответствии со строгими стандартами Fluke Microelectronics Group, чтобы поддерживать качество и постоянство от части к детали.

Универсальность, обеспечивающая продуктивность

Разнообразие входов и типов подключения позволяет использовать тот, который лучше всего подходит для вашего приложения. На 5790B есть четыре набора входных клемм, два разъема Type-N и набор пятисторонних клеммных зажимов.Один тип N и один набор клемм для привязки предназначены для режимов измерения и передачи переменного тока. Напряжение переменного или постоянного тока может подаваться на любое входное соединение во всем диапазоне 5790B, что позволяет выполнять автоматические измерения передачи переменного / постоянного тока. 5790B автоматически определяет, является ли подаваемое напряжение переменным или постоянным.

Второе входное соединение типа N поддерживает дополнительный широкополосный режим. Входное соединение легко выбирается нажатием кнопки на передней панели 5790B. Светодиодный индикатор показывает, какие клеммы активны.

Используете ли вы 5790B в качестве вольтметра или эталона передачи, входное напряжение и частота всегда отображаются на дисплее измерений. В режиме передачи разница между переменным и постоянным или переменным / переменным током всегда отображается на контрольном дисплее в ppm,%, вольтах или соотношении.

5790B — это прибор с полностью автоматическим выбором диапазона, который выбирает наилучший диапазон напряжения для выполняемых вами измерений. Вы также можете выбрать и заблокировать диапазоны вручную. Надежная защита входа 1200 В активна во всех диапазонах напряжения.

Используя кнопки триггера, 5790B может переключаться с непрерывного на однократное измерение входного напряжения, что упрощает снятие показаний образцов с заранее заданными интервалами.

При использовании 5790B в режиме передачи опорное напряжение сохраняется, и все измерения разности переменного / постоянного или переменного / переменного тока производятся относительно него. Вы также можете сохранить среднее значение двух напряжений в качестве эталона, например, для устранения ошибок реверсирования постоянного тока.

Интуитивно понятное расположение передней панели 5790B делает ручное управление быстрым и простым.Клавиши и варианты выбора логически расположены и помечены. Сообщения и меню четко отображаются на ярком сенсорном дисплее 5790B.

Интерфейсы USB, GPIB / IEEE-488, Ethernet и RS-232 включены, и всеми функциями приборов можно управлять с ПК. Используя доступный драйвер прибора, 5790B может быть интегрирован в автоматизированные системы, работающие с ПО для калибровки MET / CAL®.

Измерение мощности переменного тока | Медуза Технологии

Введение
Энергомонитор всего дома измеряет энергию, потребляемую приборами, подключенными к домашней электросети.Чтобы понять, как это работает, полезно знать кое-что о том, как приборы взаимодействуют с электрической системой.
Не все приборы одинаково взаимодействуют с электросетью. В этой статье сначала будут обсуждаться резистивные нагрузки и расчет потребляемой мощности. Затем мы обсудим реактивные нагрузки и немного о нелинейных нагрузках. Наконец, он покажет, как мы измеряем направление потока энергии, что важно, если энергия генерируется и потребляется.

Резистивные нагрузки
Лампы накаливания, чайники, утюги, электрические водонагреватели, электрические плиты — все довольно просто, они используют всю отданную им энергию. Это резистивные нагрузки, что означает, что их потребляемый ток равен напряжению, деленному на их сопротивление (закон Ома). Чисто резистивная нагрузка дает выходной сигнал напряжения и тока, аналогичный следующему:

Диаграмма 1 — График напряжения, тока и мощности резистивной нагрузки
Желтая линия показывает мощность в данный момент времени (в любой момент вызывается мгновенная мощность), которая равна произведению напряжения и тока в данный момент времени.Обратите внимание, что в этом случае мощность всегда положительна, а положительное направление — это энергия, текущая к нагрузке.

Частично реактивные нагрузки
Однако такие вещи, как холодильники, стиральные машины, сверлильные станки и аппараты для дуговой сварки, не так просты, поскольку эти устройства потребляют определенное количество энергии, а затем возвращают часть энергии обратно в сеть. Они имеют индуктивные (например, двигатели) или емкостные (например, аппараты для дуговой сварки) компоненты в дополнение к резистивному компоненту.Частично индуктивная нагрузка дает выходные сигналы напряжения и тока, подобные приведенным ниже:

Диаграмма 2 — График напряжения, тока, мощности частично реактивной нагрузки
Обратите внимание, как желтая линия теперь становится отрицательной в течение определенного периода времени, положительный бит — энергия, текущая к нагрузке, а отрицательный бит — энергия, текущая обратно от Загрузка.
Еще одна вещь, о которой следует подумать, — это то, что формы сигналов напряжения и тока были смещены друг от друга, представьте, что заряжаете довольно большой конденсатор с помощью резистора последовательно (так, чтобы он не мог заряжаться мгновенно): Для начала конденсатор пуст.Напряжение источника питания возрастает и превышает напряжение на конденсаторе, поэтому ток течет в конденсатор (положительное направление на графике), что приводит к увеличению напряжения на конденсаторе. Напряжение на источнике питания теперь падает, напряжение на конденсаторе теперь выше, чем напряжение питания, когда он заряжается, и поэтому ток начинает течь обратно в направлении источника питания (отрицательное направление на графике). Это приводит к тому, что текущая форма волны выглядит так, как если бы она была сдвинута, как на графике.(Сдвиг известен как фазовый сдвиг).

Реальная мощность, реактивная мощность и полная мощность
Глядя на приведенные выше графики напряжения, тока и мощности при частоте сети, потребляемая мощность колеблется 50/60 раз в секунду, мы, люди, не можем успевать за изменениями на этой скорости, и поэтому у нас есть более полезное значение мощности: среднее значение мгновенной мощности, которую мы называем реальной мощностью! (или активная мощность).
Реальная мощность часто определяется как мощность, используемая устройством для выполнения полезной работы.Глядя на график выше, положительные биты — это мощность, поступающая на нагрузку от источника питания, а отрицательные биты — это мощность, возвращающаяся от нагрузки к источнику, мощность, которая фактически использовалась нагрузкой, мощность, уходящая на минус мощность, возвращаемую обратно. это реальная сила.
Реактивная мощность (или мнимая мощность) — это мера мощности, передаваемой между нагрузкой и источником питания, которая не выполняет полезной работы.
Еще одним полезным показателем мощности является кажущаяся мощность, которая является произведением среднеквадратичного (RMS) среднего значения напряжения и среднего RMS тока.Для чисто резистивных нагрузок активная мощность равна полной мощности. Но для всех остальных нагрузок реальная мощность меньше полной мощности. Полная мощность — это мера реальной и реактивной мощности, но она не является суммой двух, так как сумма двух не учитывает разности фаз.
Соотношение между реальной, реактивной и полной мощностью для ИДЕАЛЬНЫХ синусоидальных нагрузок:
Реальная мощность = Полная мощность x cosΦ
Реактивная мощность = Полная мощность x sinΦ
cosΦ также известна как коэффициент мощности.

Однако примечание о нелинейных нагрузках:
Это соотношение для коэффициента мощности действительно только для линейных синусоидальных нагрузок. Большинство источников питания для устройств постоянного тока, таких как ноутбуки, имеют нелинейную нагрузку на сеть, их потребляемый ток часто выглядит так:

Мы все еще можем рассчитать коэффициент мощности по следующему уравнению:
Коэффициент мощности = Реальная мощность / Полная мощность
и соотношение
(полная мощность) 2 = (активная мощность) 2 + (реактивная мощность) 2
все еще верно, но коэффициент мощности = cosΦ не будет правильным, необходимо будет добавить гармоники более высокого порядка.
Значение коэффициента мощности измеряет, насколько эффективность сети зависит от ОБЕИХ фазовой задержки φ И содержания гармоник входного тока.

Определение направления потока мощности
До сих пор в этой статье предполагалось, что нагрузка потребляет мощность. Если же мы генерируем электроэнергию, то направление тока меняется на противоположное. Но поскольку ток переменный, направление все равно меняется на противоположное, 50 (или 60) раз в секунду. Нам нужна ссылка для сравнения текущего направления.К счастью, у нас есть это в виде напряжения. На диаграмме 1 волны напряжения и тока нарастали и падали вместе. Когда напряжение было положительным (выше оси x), тогда ток тоже был положительным, а когда напряжение было отрицательным (ниже оси x), тогда ток тоже был отрицательным. Мощность равна произведению напряжения и тока, поэтому мощность всегда была положительной — вся кривая мощности находится выше оси x.
Если дом вырабатывает электроэнергию, направление тока меняется на противоположное по сравнению с тем, как это было раньше.Теперь, когда напряжение положительное (выше оси x), тогда ток отрицательный (ниже оси x), а когда напряжение отрицательное, ток положительный. Мощность всегда отрицательная — вся кривая мощности находится ниже оси x.

Диаграмма 4 — График напряжения, тока, мощности при генерации
Знак мощности, следовательно, указывает, потребляется или генерируется мощность.
Подводя итог
Есть много вещей, которые мы можем измерить об использовании энергии в системах переменного тока.Каждый со своим предназначением. Однако для приложения для измерения электроэнергии в домашних условиях наиболее полезной величиной будет реальная мощность, поскольку она показывает, сколько энергии фактически потребляют все ваши приборы, и это то, за что вам выставляет счет коммунальное предприятие. Это все об измерении мощности переменного тока.

Подробное описание основных измерений трехфазной мощности

Основные принципы трехфазных систем

Хотя однофазное электричество используется для питания обычных бытовых и офисных электроприборов, трехфазный переменный ток (a.c.) системы почти повсеместно используются для распределения электроэнергии и подачи электричества непосредственно на оборудование большей мощности.

Подробное описание основных измерений трехфазной мощности (фото предоставлено d.mike36 через Flickr)

В этой технической статье описываются основные принципы трехфазных систем и различие между различными возможными соединениями для измерения .

Трехфазные системы

Трехфазное электричество состоит из трех напряжений переменного тока одинаковой частоты и одинаковой амплитуды .Каждая «фаза» переменного напряжения отделена от другой на 120 ° (Рисунок 1).

Рисунок 1 — Трехфазный сигнал напряжения

Это может быть схематично представлено как сигналами , так и векторной диаграммой (Рисунок 2).

Рисунок 2 — Векторы трехфазного напряжения

Зачем нужны трехфазные системы? По двум причинам:

1. Три разнесенных вектора напряжения могут использоваться для создания вращающегося поля в двигателе. Таким образом, двигатели можно запускать без дополнительных обмоток.
2. Трехфазная система может быть подключена к нагрузке таким образом, чтобы количество требуемых медных соединений (и, следовательно, потери при передаче) составляло — половину от того, что в противном случае было бы .

Рассмотрим три однофазные системы, каждая из которых подает на нагрузку 100 Вт (рисунок 3). Общая нагрузка составляет 3 × 100Вт = 300Вт . Для подачи питания через 6 проводов протекает 1 ампер, что дает 6 единиц потерь.

Рисунок 3 — Три однофазных источника питания — шесть единиц потерь

В качестве альтернативы три источника можно подключить к общей обратной линии, как показано на рисунке 4.Когда ток нагрузки в каждой фазе одинаков, нагрузка считается сбалансированной. При сбалансированной нагрузке и трех токах, сдвинутых по фазе на 120 ° друг от друга, сумма тока в любой момент равна нулю , и в обратной линии нет тока.

Рисунок 4 — Трехфазное питание, сбалансированная нагрузка — 3 единицы потерь

В трехфазной системе с углом 120 ° требуется только 3 провода для передачи энергии , для которой в противном случае потребовалось бы 6 проводов. Требуется половина меди, и потери при передаче по проводам уменьшатся вдвое.

Вернуться к Измерения трехфазной мощности ↑

Соединение звездой или звездой

Трехфазная система с общим соединением обычно изображается, как показано на Рисунке 5, и называется соединением «звезда» или «звезда» .

Рисунок 5 — Соединение звездой или звездой — три фазы, четыре провода

Общая точка называется нейтральной точкой. Эта точка часто заземляется на источнике питания из соображений безопасности. На практике нагрузки не сбалансированы идеально, и для передачи результирующего тока используется четвертый «нейтральный» провод.

Нейтральный провод может быть значительно меньше трех основных проводов , если это разрешено местными правилами и стандартами.

Вернуться к измерению трехфазной мощности ↑

Соединение по схеме «треугольник»

Три однофазных источника питания, описанных ранее, также могут быть подключены последовательно. Сумма трех сдвинутых по фазе напряжений на 120 ° в любой момент равна нулю. Если сумма равна нулю, , то обе конечные точки имеют одинаковый потенциал и могут быть соединены вместе .

Рисунок 6 — Сумма мгновенных напряжений в любой момент времени равна нулю

Соединение обычно выполняется, как показано на рисунке 7, и известно как соединение треугольник по форме греческой буквы дельта , Δ .

Рисунок 7 — Соединение треугольником — трехфазное, трехпроводное

Вернуться к измерению трехфазной мощности ↑

Сравнение звезды и дельты

Схема «звезда» используется для распределения питания на бытовые однофазные приборы , находящиеся в доме и офис.Однофазные нагрузки подключаются к одной ветви звезды между линией и нейтралью. Общая нагрузка на каждую фазу распределяется в максимально возможной степени, чтобы обеспечить сбалансированную нагрузку на первичное трехфазное питание.

Конфигурация «звезда» также может подавать одно- или трехфазное питание на более мощные нагрузки при более высоком напряжении. Однофазные напряжения являются фазными напряжениями. Также доступно более высокое межфазное напряжение, как показано черным вектором на рисунке 8.

Рисунок 8 — Напряжение (фаза-фаза)

Дельта-конфигурация чаще всего используется для питания трехфазных промышленных нагрузок с большей мощностью .Однако различные комбинации напряжений могут быть получены от одного трехфазного источника питания по схеме треугольник, путем выполнения соединений или «ответвлений» вдоль обмоток питающих трансформаторов.

В США, например, дельта-система 240 В может иметь обмотку с расщепленной фазой или обмотку с центральным отводом для обеспечения двух источников питания 120 В (рис. 9).

Из соображений безопасности центральный отвод может быть заземлен на трансформаторе. 208 В также имеется между центральным ответвлением и третьей «верхней ветвью» соединения треугольником.

Рисунок 9 — Дельта-конфигурация с обмоткой «расщепленная фаза» или «центральная отводка»

Вернуться к измерению трехфазной мощности ↑

Измерения мощности

Мощность в системах переменного тока измеряется с помощью ваттметров.Современный цифровой ваттметр с выборкой, такой как любой из анализаторов мощности Tektronix, умножает мгновенные выборки напряжения и тока вместе для расчета мгновенных ватт, а затем берет среднее значение мгновенных ватт за один цикл для отображения истинной мощности.

Ваттметр обеспечит точных измерений истинной мощности, полной мощности, реактивной мощности в вольт-амперах, коэффициента мощности, гармоник и многих других в широком диапазоне форм волн, частот и коэффициента мощности.

Для того, чтобы анализатор мощности дал хорошие результаты, вы должны уметь правильно определять конфигурацию проводки и правильно подключать ваттметры анализатора.

Вернуться к измерению трехфазной мощности ↑

Подключение однофазного ваттметра

Требуется только один ваттметр , как показано на рисунке 10. Системное подключение к клеммам напряжения и тока ваттметра несложно. Клеммы напряжения ваттметра подключены параллельно к нагрузке, и ток проходит через клеммы тока, которые включены последовательно с нагрузкой.

Рисунок 10 — Однофазные, двухпроводные измерения и измерения постоянного тока

Вернуться к Трехфазным измерениям мощности ↑

Однофазное трехпроводное соединение

В этой системе, показанной на рисунке 11, напряжения вырабатываются от одна обмотка трансформатора с центральным отводом и все напряжения в фазе . Это обычное явление в жилых домах Северной Америки, где доступны один источник питания 240 В и два источника питания 120 В, которые могут иметь разную нагрузку на каждую ногу.

Для измерения общей мощности и других величин, подключите два ваттметра, как показано на Рисунке 11 ниже .

Рисунок 11 — Метод однофазного трехпроводного ваттметра

Вернуться к измерению трехфазной мощности ↑

Трехфазное трехпроводное соединение (метод двух ваттметров)

При наличии трех проводов для измерения требуются два ваттметра суммарная мощность. Подключите ваттметры, как показано на рисунке 12. Клеммы напряжения ваттметров соединены фаза с фазой.

Рисунок 12 — Трехфазный, трехпроводной, метод 2 ваттметра

Вернуться к измерению трехфазной мощности ↑

Трехфазное трехпроводное соединение (метод трех ваттметров)

Хотя для измерения общей мощности требуются только два ваттметра в трехпроводной системе, как показано ранее, иногда удобно использовать три ваттметра .В соединении, показанном на Рисунке 13, была создана ложная нейтраль путем соединения клемм низкого напряжения всех трех ваттметров.

Рисунок 13 — Трехфазное трехпроводное соединение (метод трех ваттметров — установка анализатора на трехфазный четырехпроводной режим)

Трехпроводное трехпроводное соединение имеет преимущества индикации мощности в каждой отдельной фазе (невозможно при подключении двух ваттметров) и фазных напряжений.

Вернуться к измерению трехфазной мощности ↑

Теорема Блонделя: необходимое количество ваттметров

В однофазной системе всего два провода.Мощность измеряется одним ваттметром. В трехпроводной системе требуются два ваттметра, как показано на рисунке 14.

Как правило, Требуемое количество ваттметров = количество проводов — 1

Рисунок 14 — Трехпроводная система звезды

Доказательство для трехпроводная система «звезда»

Мгновенная мощность, измеренная ваттметром, является произведением мгновенных значений напряжения и тока.

• Показание ваттметра 1 = i ₁ (v ₁ — v ₃ )
• Показание ваттметра 2 = i ₂ (v ₂ — v ₃ )

9 Сумма показаний W1 + W2 = i ₁ v ₁ — i ₁ v ₃ + i ₂ v ₂ — i ₂ v ₃ = i ₁ v ₁ + i ₂ v ₂ — (i ₁ + i ₂ ) v ₃

( Из закона Кирхгофа: i ₁ + i ₂ + i ₃ = 0, поэтому i ₁ + i ₂ = -i ₃ )

2 показания W1 + W2 = i ₁ v ₁ + i ₂ v ₂ + i ₃ v ₃ = общая мгновенная мощность .

Вернуться к измерению трехфазной мощности ↑

Трехфазное, четырехпроводное соединение

Для измерения общей мощности в четырехпроводной системе требуются три ваттметра . Измеренные напряжения представляют собой истинные напряжения между фазой и нейтралью. Напряжения между фазами могут быть точно рассчитаны по амплитуде и фазе напряжений между фазой и нейтралью с использованием векторной математики.

Современный анализатор мощности также будет использовать закон Кирхгофа для расчета тока, протекающего в нейтральной линии .

Вернуться к измерению трехфазной мощности ↑

Настройка измерительного оборудования

Для заданного количества проводов требуются ваттметры N, N-1 для измерения общих величин, таких как мощность. Вы должны убедиться, что у вас достаточно количества каналов (метод 3 ваттметра), и правильно их подключить.

Современные многоканальные анализаторы мощности вычисляют общие или суммарные величины, такие как ватты, вольты, амперы, вольт-амперы и коэффициент мощности, напрямую с использованием соответствующих встроенных формул.

Формулы выбираются в зависимости от конфигурации проводки, поэтому настройка проводки имеет решающее значение для получения точных измерений общей мощности. Анализатор мощности с функцией векторной математики также преобразует величины из фазы в нейтраль (или звезду) в величины из фазы в фазу (или дельта).

Коэффициент √3 может использоваться только для преобразования между системами или масштабирования измерений только одного ваттметра в сбалансированных линейных системах.

Понимание конфигурации проводки и выполнение правильных соединений имеет решающее значение для выполнения измерений мощности.