Измерение электрической мощности

Измерение мощности в цепи постоянного тока

Из-за отсутствия реактивной и активной составляющей в цепях постоянного тока для измерения мощности ваттметр применяют очень редко. Как правило, величину потребляемой или отдаваемой энергии измеряют косвенным методом, с помощью последовательно включенного амперметра измеряют ток I в цепи, а с помощью параллельно подключенного вольтметра измеряют напряжение U нагрузки. После чего применив простую формулу P=UI и получают значение мощности.

Чтоб уменьшить погрешность измерений из-за влияний внутренних сопротивлений устройств, приборы могут подключать по различным схемам, а именно при относительно малом сопротивлении нагрузки R применяют такую схему включения:

А при большом значении R такую схему:

Измерение мощности и энергии в электрических цепях

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 Iв1 и Iв2, 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.

Рис. 336. Схема для измерения мощности

Ферродинамический счетчик

Индукционный счетчик

Рис. 337. Ферродинамический счетчик электрической энергии

Рис. 338. Индукционный счетчик электрической энергии

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

Измерение мощности в однофазных цепях переменного тока

Главным отличием цепей переменного тока от сетей постоянного тока, пожалуй, заключается в том, что в переменном напряжении существует несколько мощностей – полная, активная и реактивная. Полную измеряют зачастую тем же косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра и значение ее равно S=UI.

Замер же активной P=UIcosφ и реактивной Q=UIsinφ производится прямым методом, с помощью ваттметра. Для измерения ваттметр в цепь подключают по следующей схеме:

Где токовую обмотку необходимо подключить последовательно с нагрузкой Rн, и, соответственно, обмотку напряжения параллельно нагрузке.

Замер реактивной мощности в однофазных сетях не производится. Такие опыты зачастую ставятся только в лабораториях, где ваттметры включают по специальным схемам.

Подключение Ваттметра

Ваттметры имеют четыре клеммы (2 входа, 2 выхода) для подключения. Две из них используют при сборе последовательной (токовой) цепи – ее подключают первой, а две – для параллельной (цепи напряжения).

Начало цепи напряжения (вход) подключают к началу токовой цепи (соединить клеммы перемычкой), соединенному с одним зажимом сети. Конец цепи напряжения (выход) соединяют с другим зажимом сети.

Рассмотрим несколько ваттметров разного исполнения и разных производителей:

Многофункциональный цифровой ваттметр СМ3010 класса точности 0,1

Предназначен для измерения активной мощности, тока, напряжения и частоты в цепях постоянного тока и в однофазных цепях переменного тока; для поверки ваттметров, амперметров, вольтметров класса 0,3 и ниже, частотомеров класса 0,01 и ниже.

Пределы измерения тока Iп:

на постоянном и переменном токе: 0,002-0,005-0,01-0,02-0,05-0,1-0,2-0,5-1-2-5-10 А.

Пределы измерения напряжения Uп:

постоянный ток: 1-3-7,5-15-30-75-150-300-450-700-1000 В.
переменный ток: 1-3-7,5-15-30-75-150-300-450-700 В.

Пределы измерения мощности соответственно Uп* Iп

Пределы измерения частоты от 40 до 5000Гц.

Основная погрешность:

приведенная погрешность измерения тока, напряжения и мощности на постоянном токе ±0,1%;
приведенная погрешность измерения тока и напряжения на переменном токе в диапазоне частот от 40 до 1500Гц ±0,1%;
приведенная погрешность измерения мощности на переменном токе в диапазоне частот от 40 до 1000Гц ±0,1%;
относительная погрешность измерения частоты в диапазоне частот от 40 до 5000Гц ±0,003%;

Габаритные размеры 225х100х205 мм. Масса не более 1кг. Потребляемая мощность не более 5Вт.

Ваттметры многофункциональные СМ3010 выпускаются по ТУ 4221-047-16851585-2014, соответствуют требованиям ТР ТС 004/2011, ТР ТС 020/2011.

Производство – ЗИП-Научприбор.

Устройства измерительные ЦП8506-120 (далее – устройства).

Предназначены для измерения активной, реактивной, активной и реактивной трехфазных трехпроводных цепей переменного тока, отображения текущего значения измеряемой мощности на цифровом индикаторе и преобразования его в аналоговый выход-ной сигнал (далее – выходной сигнал).

Измеренные значения отображаются в цифровой форме на встроенных индикаторах. Отображение измеренных величин на цифровых индикаторах производится в единицах измеряемой величины, поступающей непосредственно на вход устройства, или в единицах измеряемой величины, поступающей на вход трансформаторов тока и напряжения с учетом коэффициентов трансформации, в ваттах, киловаттах, мегаваттах, варах, киловарах, мегаварах. Цифровые индикаторы имеют по четыре значащих разряда.

Назначение ЦП8506-120:

для измерения активной и реактивной мощности в трехфазных трехпроводных электрических цепях переменного тока частотой от 45 до 55 Гц

Краткие технические характеристики ЦП8506-120 (Ваттметр)

Варметр щитовой цифровой трехфазный:

Коэффициент мощности: для ваттметра cos φ=1, для варметра sin φ=1
Габаритные размеры: 120х120х150 мм
Высота знака: 20 мм
Максимальный диапазон отображения: 9999
Класс точности: 0,5
Время преобразования: не более 0,5 с
Рабочая температура: +5 … +40 град С (О4.1), -40…+50 град С (УХЛ3.1)
Степень защиты по передней панели: IP40
Потребляемая мощность: 5ВА
Масса: не более 1,2 кг

Измерение мощности в трехфазных цепях переменного тока

Как и в однофазных сетях, так же и в трехфазных полную энергию сети можно измерять косвенным методом, то есть с помощью вольтметра и амперметра по схемам показанным выше. Если нагрузка трехфазной цепи будет симметричной, то можно применить такую формулу:

Uл – напряжение линейное, I- фазный ток.

Если же фазная нагрузка не симметрична, то производят суммирование мощностей каждой из фаз:

При измерении активной энергии в четырехпроводной цепи при использовании трех ваттметров, как показано ниже:

Общей энергией потребляемой из сети будет сумма показаний ваттметров:

Не меньшее распространение получил и метод измерения двумя ваттметрами (применим только для трехпроводных цепей):

Сумму их показаний можно выразить следующим выражением:

При симметричной нагрузке применима такая же формула как и для полной энергии:

Где φ – сдвиг между током и напряжением (угол фазового сдвига).

Измерение реактивной составляющей производят по той же схеме (смотри рисунок в)) и в этом случае она будет равна разности алгебраической между показателями приборов:

Если сеть не симметрична, то для измерения реактивной составляющей применяют два или три ваттметра, которые подключают по различным схемам.

Процесс измерения активной и реактивной мощности

Счетчиками индукционными или электронными производят измерения активной мощности цепи переменного напряжения. Они подключаются по тем же схемам что и ваттметры. Учет реактивной энергии в однофазных потребителей в нашей стране не ведется. Ее учет производят в трехфазных цепях крупных промышленных предприятий, потребляющих большие объемы электроэнергии. Счетчики активной энергии имеют маркировку СА, реактивной СР. Также широкое применение получают электронные счетчики электроэнергии.

Как определить силу тока в розетке 220в?

instrument.guru > Электричество > Как определить силу тока в розетке 220в?

Практически любые помещения, будь то жилые или производственные, оснащены розетками для подключения электрических приборов.

Для стабильной и безопасной работы электроприборов необходимо знать не только напряжение в сети (стандартное 220 вольт), но и силу тока, на которую рассчитана розетка.

Необходимо отметить, что это электротехническое оснащение само по себе не имеет никакой силы тока, оно только выдерживает определённую величину при подключении какой-либо бытовой или промышленной техники.

Методы определения силы тока

Прибором амперметром. Амперметр – измерительное устройство, которое определяет силу тока и показывает её на имеющейся шкале. Для этого необходимо последовательно соединить замкнутую цепь: розетку, единицу бытовой техники, амперметр и опять розетку.
Вместо амперметра, можно использовать мультиметр – комбинированный прибор, включающий вольтметр, амперметр и омметр. Погрешность измерений силы тока на конкретном участке цепи будет зависеть от класса точности измерительного устройства.
Расчётным методом.
Для применения расчётного метода необходимо знать значение мощности подключаемого прибора.
Принимая во внимание, что в нашей стране в основной части помещений подаётся стандартное напряжение в сети 220 вольт, рассчитать силу тока в розетке 220в можно по следующей формуле:

I = P / U, где I – сила тока (ампер); P – мощность электроприбора (ватт); U – напряжение в сети (вольт).

Таким методом определяется, сколько ампер в розетке 220в. Например, по формуле можно рассчитать, какой ток в розетке 220в при подключении обычного электрического чайника мощностью 2,5 киловатт или 2500 ватт. Получится величина 11,36 ампер.

Характеристики тока

Подсчитывая величину силы тока, которую поддерживает розетка, необходимо уточнить характеристику тока. Их существует две: постоянный ток и переменный.

Переменный получил наибольшее распространение в сфере потребления электроэнергии, так как его потери при передаче на большие расстояния существенно меньше.

В случае необходимости производится преобразование с помощью схем приборов-потребителей. Таким образом, розетка поддерживает переменный ток в 220 вольт.

Виды электророзеток

Техника, используемая в быту, имеет различные характеристики по своей мощности, следовательно, и электрофурнитура в помещениях должна быть соответствующая. Сегодняшние бытовые устройства более мощные, чем старые образцы техники.

Ещё 20 лет назад для всех устройств могла подойти розетка с ограничением в 6 ампер. Такой разъём был предназначен для техники, имеющей мощность до 1,5 киловатт или 1500 ватт. Для современного быта это недостаточно.

Сейчас ограничение нагрузки составляет:

16 ампер для обычных помещений, что гарантирует безопасное функционирование потребителей мощностью до 3,5 киловатт;
25 ампер для квартир или домов, где устанавливаются электрические плиты мощностью до 6 киловатт. Такие розетки называются силовыми;
32 ампера при повышенных нагрузках на сеть, например, при подключении в производстве несколько мощных духовых шкафов или плит. В этом случае применяется трёхфазный кабель, который рассчитан на 380 вольт. Соответственно розетки также должны быть трёхфазными. Такое оснащение отличается по своей конструкции. При наличии повышенной нагрузки на сеть в частном доме, кроме установки специального оснащения, требуется ещё и усиленная электрическая проводка.

Необходимость автоматического выключения питания

Автоматический выключатель – важный элемент в системе электроснабжения помещения. На распределительных щитках имеются специальные устройства, на которых отмечено сколько ампер максимально допустимого тока. Обычно для бытовых целей устанавливаются автоматы на 16, 25 или 32 ампера.

Рекомендуется на каждый мощный прибор устанавливать свой автоматический выключатель. Например, электрическая плита имеет мощность 6 киловатт или 6000 ватт, следовательно, сила тока будет 27 ампер при напряжении в 220 вольт.

В этом случае необходим автомат на большую величину, а именно на 32 ампера.