Как ваттметр включается в цепь: Как ваттметр включается в цепь. Включение ваттметра в измеряемую цепь

Содержание

Как ваттметр включается в цепь. Включение ваттметра в измеряемую цепь

Для включения
ваттметра его генераторные зажимы
(зажимы, обозначенные *I
и *V),
соединяются накоротко одним проводником.
Для правильного показания ваттметра
оба генераторных зажима должны быть
присоединены к одному проводу со стороны
генератора источника тока, а не нагрузки.
Затем другим проводом включается
последовательно в цепь неподвижная
катушка; при этом в зависимости от
предела тока этот провод подключается
к зажиму 1А – при измеряемом токе не
превышающем 1А, или 5А при токе, не
превышающем 5А.

Затем включается
параллельно цепи рамки; для этого
предварительно к зажиму подключается
одно из дополнительных сопротивлений
(в зависимости от предела напряжения:
30V
– до 30В, 150V
– до 150В и 300V
– 300В).

В передний паз
крышки прибора устанавливается рабочая
шкала так, чтобы лицевая сторона прибора
была обращена к шкале с пределом
измерения, равным произведению предела
по току на предел по напряжению.

Опыты с ваттметром

Ниже описаны только
отдельные опыты, характеризующие
возможности демонстрационного ваттметра.

Опыт 1. Измерение мощности в цепи однофазного переменного тока с активной нагрузкой.

Для выполнения
этого опыта собирают электрическую
цепь по схеме, приведённой на рисунке
3.

При проведении
опыта целесообразно иметь возможность
плавного изменения напряжения, поэтому
следует провода А, Б подключить к зажимам
регулируемого напряжения школьного
распределительного щита или воспользоваться
школьным регулятором напряжения (или
иным трансформатором), допускающим
плавное или ступенчатое регулирование
напряжения.

Рис. 6 Схема
электрической цепи в опыте 1.

В качестве нагрузки
следует включить ползунковый реостат
сопротивлением до 20 Ом (с допустимым
током 5А).

Ваттметр включают
в цепь через добавочное сопротивление
150V
и через зажим 5А (см. схему).

Остановив ползунок
реостата так, что в цепь включается все
сопротивления реостата, устанавливается
напряжение на нагрузку 50В, и наблюдают
показания ваттметра, вольтметра и
амперметра. Затем повышают напряжение
на нагрузку, устанавливая последовательно
60, 80, 100В наблюдая каждый раз показания
всех приборов.

Результаты этого
опыта подтверждают, что мощность равна
произведению напряжения на силу тока.

Опыт 2. Измерение мощности в цепи трёхфазного тока с активной симметричной нагрузкой.

С помощью одного
демонстрационного ваттметра можно
произвести опыт по измерению активной
мощности трёхфазного тока при равномерной
нагрузке всех фаз (т.е. когда в каждую
фазу включены одинаковые нагрузки).

Для проведения
этого опыта собирают электрическую
цепь, как показано на рисунке 7.

В каждую фазу в
качестве нагрузки включают по одной
электрической лампе одинакового
сопротивления.

Измерительные
приборы используются те же, что и в
предыдущем опыте.

Пределы ваттметра
(по току и напряжению) устанавливаются
в зависимости от напряжения и мощности
электрических ламп.

ис.
7 Схема электрической цепи в опыте 2.

По показаниям
приборов устанавливают, что мощность
одной фазы равна произведению фазного
напряжения на ток в фазе.

Учитывая полную
симметрию цепи трёхфазного тока,
приведённой на рисунке 4, высчитывают
мощность всей цепи, умножив показания
ваттметра на 3.

20
Измерение мощности в однофазных и
трехфазных цепях

Значение
активной мощности в однофазной цепи
переменного тока определяют по формуле
P = UI cos фи, где U — напряжение приемника,
В, I
— ток приемника, А, фи — фазовый сдвиг
между напряжением и током.

Из
формулы видно, что мощность в цепи
переменного тока можно определить
косвенным путем, если включить три
прибора: амперметр, вольтметр и фазометр.
Однако в этом случае нельзя рассчитывать
на большую точность измерения, так как
погрешность измерения мощности будет
зависеть не только от суммы погрешностей
всех трех приборов, но и от погрешности
метода измерения, вызванной способом
включения амперметра и вольтметра.
Поэтому данный метод можно применять
только в случае, когда не требуется
большая точность измерений.

Если
активную мощность нужно измерить точно,
то лучше всего применить ваттметры
электродинамической системы или
электронные ваттметры. При грубых
измерениях могут быть использованы
ферродинамические ваттметры.

Если
напряжение в цепи меньше предела
измерений ваттметра по напряжению, ток
нагрузки меньше допустимого тока
измерительного прибора, то схема
включения ваттметра в цепь переменного
тока аналогична cхеме
включения ваттметра в цепь постоянного
тока
.
То есть токовую катушку включают
последовательно с нагрузкой, а обмотку
напряжения — параллельно нагрузке.

При
подключении электродинамических
ваттметров следует учитывать, что они
полярны не только в цепи постоянного,
но и в цепи переменного тока. Чтобы
обеспечить правильное (в сторону шкалы)
отклонение стрелки прибора от нуля,
начала обмоток на панели прибора
обозначены точкой или звездочкой.
Зажимы, по меченные таким образом,
называют генераторными, так как именно
их подключают к источнику энергии.

Неподвижную
катушку ваттметра можно включать
последовательно с нагрузкой только при
токах нагрузки 10 — 20 А. Если ток нагрузки
больше, то токовую катушку ваттметра
включают через измерительный трансформатор
тока.

Для
измерения мощности в цепи переменного
тока с низким коэффициентом мощности
следует применять специальные
низкокосинусные ваттметры. На их шкале
указано, для каких значений cos фи они
предназначены.

Когда
cos фи

Включение
ваттметра в цепь переменного тока, при
токе нагрузки больше допустимого

Если
ток нагрузки больше допустимого тока
ваттметра, то токовую катушку ваттметра
включают через измерительный трансформатор
тока (рис. 1, а).

Рис.
1. Схемы включения ваттметра в цепь
переменного тока с большим током (а) и
в высоковольтную сеть (б).

При
выборе трансформатора тока необходимо
следить за тем, чтобы номинальный
первичный ток трансформатора I 1 и
был равен измеряемому току в сети или
больше него.

Например,
если значение тока в нагрузке достигает
20 А, то можно брать трансформатор тока,
рассчитанный на первичный номинальный
ток 20 А с номинальным коэффициентом
трансформации по току Kн1
= I 1 и /
I 2 и
=
20/5 = 4.

Если
при этом в измерительной цепи напряжение
меньше допустимого ваттметром, то
катушку напряжения включают непосредственно
на напряжение нагрузки. Начало катушки
напряжения при помощи перемычки /
подключают к началу токовой катушки.
Так же обязательно устанавливают
перемычку 2 (начало катушки подключают
к сети). Конец катушки напряжения
подключают к другому зажиму сети.

Для
определения действительной мощности
в измеряемой цепи необходимо показание
ваттметра умножить на номинальный
коэффициент трансформации трансформатора
тока: P = Pw х Kн 1
=
Pw х 4

Если
ток в сети может превышать 20 А, то следует
выбрать трансформатор тока с первичным
номинальным током 50 А, при этом Kн 1
=
50/5 = 10.

В
этом случае для определения значения
мощности показания ваттметра надо
умножать на 10.

Измерение
мощности в трехфазных цепях можно
осуществлять при помощи одного (рис.
3.8),

двух
(рис. 3.9) или трех измерительных приборов.

Активную
мощность симметричной нагрузки в
трехфазных цепях можно измерять одним
ваттметром (рис. 3.8). Тогда
и
вся мощность равна:

Если
нагрузка несимметричная, то необходимо
в каждую фазу включить по ваттметру и
сумма их показаний даст суммарную
мощность всей цепи. В случае трехфазной
цепи без нулевого

провода
достаточно использовать два ваттметра
(рис. 3.9), тогда сумма их показаний даст
суммарную мощность нагрузок:

Докажем,
что сумма двух показаний ваттметров
есть мощность, потребляемая трехфазной

8.4.1 Установки мультиметра

Этот раздел описывает детали по установкам мультиметра.
Опции измерения

Для выбора типа измерения:
1. Щелкните по одной из следующих кнопок:

Ammeter
— измеряет ток, протекающий через цепь в ветке между двумя узлами. Включите мультиметр последовательно с цепью для измерения протекающего
тока, как и реальный амперметр (как показано на диаграмме ниже).

Для измерения тока другого узла в цепи, включите другой мультиметр последовательно в
эту цепь и активизируйте схему опять. Когда используется амперметр, внутреннее
сопротивление очень низкое (1 Ом). Для изменения сопротивления, щелкните по Set.
См.
«Внутренние установки — диалоговое окно Multimeter Settings».
Voltmeter
— измерение напряжения между двумя узлами. Выберите V и
подключите клеммы вольтметра параллельно нагрузке (как показано на
диаграмме ниже).

При использовании в качестве вольтметра мультиметр имеет высокое входное
сопротивление 1 Гом, которое может быть изменено щелчком по Set.
См. «Внутренние
установки — диалоговое окно Multimeter Settings».

Ohmmeter
— эта опция измерения сопротивления между двумя узлами. Узлы и
все, что лежит между ними, относится к «сети компонентов». Для измерения сопротивления выберите эту опцию и подключите клеммы мультиметра параллельно
компонентам сети (как показано на диаграмме ниже).

Чтобы измерение получилось точным, удостоверьтесь, что:
Нет источника в сети компонентов
Компонент или сеть компонентов заземлены
Нет ничего в параллели с компонентом или сетью компонентов.
Омметр генерирует ток 10 нА, который может быть изменен после щелчка по Set.
См.
«Внутренние установки — диалоговое окно Multimeter Settings» . Если вы меняете
подключение омметра, активизируйте схему вновь, чтобы прочитать результат.
Decibels
— измеряет падение напряжения в децибелах между двумя узлами
схемы. Для измерения в децибелах выберите эту опцию и подключите клеммы
мультиметра параллельно нагрузке (как показано на диаграмме ниже).

Стандарт для расчетов в децибелах установлен 774.597 mV, но это может быть изменено
щелчком по Set
. См. «Внутренние установки — диалоговое окно Multimeter Settings». Потери
в децибелах вычисляются следующим образом:

Режим работы (AC или DC)

Кнопка с синусоидой для измерений среднеквадратичных (RMS) напряжений или
токов сигналов переменного напряжения. Сигнал любого DC компонента будет
устранен, так что только сигнал AC компонента будет измеряться.
Кнопка измерения постоянного тока и напряжения для DC сигнала.
Примечание: Для измерения RMS напряжения схемы и с AC, и с DC компонентами
подключите AC вольтметр, как и DC вольтметр к соответствующим узлам и
измерьте AC и DC напряжение.

Следующая формула может использоваться для расчета RMS напряжения, когда и AC, и
DC компоненты есть в схеме. Это не универсальная формула, и должна использоваться
только в сочетании с Multisim.
Внутренние установки — диалоговое окно Multimeter Settings

Идеальные приборы не вносят изменений в измеряемые цепи. Идеальный вольтметр
должен иметь бесконечное сопротивление, так что ток через него не должен протекать, когда
он подключен к цепи. Идеальный амперметр не должен вносить сопротивление в цепь.
Реальные приборы не соответствуют этому идеалу, так что их показания будут очень близки
к теоретическим, расчетным значениям для схемы, но никогда не будут абсолютно точны.
Мультиметр в Multisim использует очень маленькие и очень большие числа, которые
приближаются к нулю и бесконечности для расчета неидеальных значений в схеме. Для
специальных случаев, однако, поведение измерителя может быть изменено измением этих
значений для моделирования влияния на схему (значения должны быть выше 0).
Например, если измеряется напряжение в схеме с очень большим сопротивлением,
увеличьте сопротивление вольтметра. Если измеряемый ток в цепи с очень маленьким
сопротивлением, уменьшите сопротивление амперметра еще больше.
Примечание: Очень маленькое сопротивление амперметра в высокоомной цепи
может вызвать математическую ошибку округления.

Для отображения внутренних установок по умолчанию:
1. Щелкните Set.
Появится диалоговое окно Multimeter Settings.

2. Измените нужные опции.
3. Для сохранения ваших изменений щелкните по ОК.
Для отмены щелкните по Cancel.

8. 5 Функциональный генератор

Функциональный генератор — источник напряжения сигналов синусоидальной, треугольной
и прямоугольной формы. Это дает удобный и реалистичный способ подать стимулирующие
сигналы в схему. Форма сигнала может меняться, а его частота, амплитуда, скважность и
постоянная составляющая (DC offset) могут управляться. Частотный диапазон
функционального генератора достаточно велик для подачи удобных AC и аудио, и радиочастотных
сигналов.
Функциональный генератор имеет три вывода для подключения к схеме. Общий вывод
имеет опорный уровень для сигнала.
Function Generator
на панели Instruments
и щелкните для размещения иконки в рабочей области. Иконка используется для
соединения функционального генератора со схемой. Дважды щелкните по иконке, чтобы
открыть панель, которая используется для ввода установок и просмотра результатов
измерения.
Для соотнесения сигнала с землей подключите общий вывод к земле компонента.
Положительный вывод (+) дает положительный сигнал относительно нейтрального
общего вывода. Отрицательный (-) вывод, отрицательный сигнал.
Примечание: Если вы не знакомы с подключением и настройкой инструментов, см.
«Добавление инструментов в схему» и «Использование инструментов».

8.5.1 Установки функционального генератора

Выбор формы сигнала

Вы можете выбрать один из трех разных типов формы сигнала в качестве выхода.
Для выбора формы сигнала щелкните по Sine-
, Triangular
— или Square-wave
кнопке.
Для установки временных параметров установки/спада прямоугольного сигнала:
1.
Щелкните по кнопке Square-wave.
Кнопка Set Rise/Fall
Time становится активной.
2.
Щелкните по кнопке Set Rise/Fall Time
для отображения диалогового окна Set
Rise/Fall Time.

3. Введите нужное время Rise/Fall Time
и щелкните по Accept.

Опции сигнала

Frequency (1Hz — 999 MHz)
— количество циклов в секунду, генерируемого сигнала.
Duty Cycle (1% — 99%)
-отношение активного состояния к пассивному (on-period to
off-period) для треугольной и прямоугольной формы сигнала. Опция не применима к
синусоидальному сигналу.
Amplitude (1mV — 999 kV)
— управляет напряжением сигнала, измеряемого от его
DC уровня до пика. Если подводящий провод соединен с общим и положительным
или отрицательным выводом прибора, измерение от пика до пика сигнала — двойная
амплитуда. Если выход идет от положительного и отрицательного выводов, измерение
от пика до пика — учетверенная амплитуда.
Offset (-999 kV and 999 kV)
— управляет уровнем DC, относительно которого
переменный сигнал меняется. Offset в положении 0, сигнал проходит по оси x
осциллографа (при условии, что Y POS установлено в 0). Положительное значение
поднимает уровень DC вверх, тогда как отрицательное значение опускает вниз. Offset
использует единицы, заданные для Amplitude.

8.6 Ваттметр

Ваттметр измеряет мощность. Он используется для измерения величины активной
мощности, производимой падением напряжения и током, протекающим через выводы в
схеме. Результат отображается в ваттах. Ваттметр также показывает коэффициент мощности,
вычисляемый по сдвигу между напряжением и током и их произведению. Коэффициент
мощности — это косинус фазового угла между напряжением и током.
Для использования инструмента щелкните по кнопке Wattmeter
на панели Instruments
и
щелкните, чтобы поместить иконку, в рабочей области. Иконка используется для соединения
Wattmeter
со схемой. Дважды щелкниет по иконке, чтобы открыть панель прибора, которая
используется для ввода установок и просмотра результатов.

8.6.1 Подключение ваттметра

Пример подключения ваттметра показан ниже. Детально подключение инструментов,
включая ваттметр, описано в «Добавление инструментов к схеме».
Примечание: Если вы не знакомы с подключением и настройкой инструментов, см.
«Добавление инструментов к схеме» и «Использование инструментов» перед
использованием этих инструментов.

8.7 Осциллограф

Для использования инструмента щелкните по кнопке Oscilloscope
на панели Instruments
и
щелкните по месту, где следует поместить иконку в рабочей области. Иконка используется
для подключения осциллографа к схеме. Дважды щелкните по иконке, чтобы открыть панель
прибора, которая используется для ввода установок и просмотра результатов измерений.
Двухканальные осциллограф отображает величину и изменение частоты электрического
сигнала. Он показывает график одного или двух сигналов одновременно, или позволяет
сравнивать сигналы.
Примечание: Если вы выбрали сохранение результатов в файлах.lvm или.tdm,
появится диалог Data resampling settings.
См. «Сохранение файлов». Кроме
сохранения кнопкой Save
осциллографа, вы можете сохранить результаты
симуляции в окне Grapher.
См. «Сохранение файлов».

Примечание: Если вы не знакомы с подключением и настройкой инструментов, см.
«Добавление инструментов к схеме» и «Использование инструментов».

8.7.1 Установки осциллографа

Временная база

Установка временной базы управляет масштабом горизонтали осциллографа или оси X,
когда сравниваются величина сигнала и времени (Y/T).
Чтобы получить хорошо считываемый дисплей, настройте временную базу в обратном
отношении к установкам частоты функционального генератора или источника переменного
напряжения — чем выше частота, тем меньше (меньше величина) временная база.
Например, если вы хотите увидеть один цикл сигнала 1 кГц, временная база должна быть
около 1 миллисекунды.
Положение по X

Эта установка управляет начальной точкой сигнала на оси X. Когда положение 0, сигнал
начинается с левого края дисплея. Положительное значение (например, 2. 00) сдвигает
начальную точку вправо. Отрицательное значение (например, -3.00) сдвигает начальную
точку влево.
Оси (Y/T, A/B и B/A)

Оси дисплея осциллографа могут переключаться между показом отношения
значение/время (Y/T) и показом отношения каналов (A/B и B/A). Последние установки
отображают соотношение частот и фаз, известные как фигуры Лиссажу, или они могут
показывать петлю гистерезиса. Когда сравнивается вход канала А и В (A/B), масштаб оси X
определяется установкой вольт/деление для канала B (и наоборот).
Заземление

Нет необходимости заземлять осциллограф, если схема, к которой он подключен,
заземлена.
Установки Channel A и Channel B

Масштаб

Эта установка определяет масштаб по оси Y. Также она управляет масштабом по оси X,
если выбрано A/B или B/A.
Чтобы получить удобочитаемый дисплей, установите масштаб соответственно ожидаемому напряжению в канале. Например, входной AC сигнал в 3 вольта заполняет
дисплей осциллографа вертикально, когда ось Y установлена в 1 V/Div (1 вольт/деление).
Если установку масштаба увеличить, форма сигнала уменьшится. Если масштаб уменьшить,
верхняя часть сигнала выйдет за рамки дисплея.
Положение по Y

Эти установки управляют исходной точкой по оси Y. Когда положение Y установлено в
0.00, начальная точка пересекает ось X. Увеличение положения Y до 1.00, например, сместит
0 (начальную точку) вверх на первое деление над осью X. Уменьшение положения Y до -1.00,
сместит ее вниз до первого деления ниже оси X.
Изменение установки положения Y для каналов А и В могут помочь разглядеть форму
сигналов для сравнения.
Подключение входов (AC, 0 и DC)

При выборе подключения AC отображается только переменная составляющая сигнала.
Подключение AC похоже на добавление конденсатора последовательно со входом
осциллографа. Как и в реальном осциллографе при использовании подключения AC, первый
цикл отображается не точно. Когда постоянная составляющая сигнала рассчитывается и
удаляется при первом цикле, форма сигнала становится точной. При подключении DC
отображается сумма переменной и постоянной составляющих сигнала. Выбор 0 отображает
прямую линию в точке исходной установки положения Y.
Примечание: Не размещайте конденсатор последовательно со входом осциллографа. Через осциллограф не будет проходить ток, и анализы будут рассматривать
конденсатор, как неправильно включенный. Вместо этого выберите подключение AC.

Триггер

Эти установки определяют условия при которых сигнал первоначально отображается на
дисплее осциллографа.
Trigger Edge (фронт внешнего сигнала)

Чтобы начать отображать сигнал в его положительном направлении или нарастающий
сигнал, щелкните по кнопке «ascending edge».

Чтобы начать отображать сигнал в его отрицательном направлении или спадающий
сигнал, щелкните по кнопке «descending edge».

Trigger Level (уровень переключения)

Уровень переключения — это точка на оси Y осциллографа, которая должна пересечься с
уровнем сигнала перед его отображением на дисплее.
Trigger Signal (переключающий сигнал)

Переключающий сигнал может быть внутренним, со ссылкой на входной сигнал канала А
или В, или внешним, со ссылкой на сигнал на выводе внешней синхронизации. Если этот
сигнал «плоский», или если сигнал должен быть отображен как можно раньше, выберите
Auto.

Используйте кнопку Sing.,
чтобы обеспечить триггеру осциллографа единственный
проход до встречи с точкой переключения. Когда кривая достигнет конца экрана
осциллографа, кривая не изменится пока вы вновь не щелкните по кнопке Sing.

Используйте кнопку Nor.
, чтобы осциллограф обновлял каждый раз изображение при
достижении уровня переключения.
Используйте кнопку None
, если вам не нужно использовать переключение.

Схема включения ваттметра в электрическую цепь. Ваттметры. Виды и применение. Работа. Примеры и параметры

Если ток нагрузки больше допустимого тока ваттметра, то токовую катушку ваттметра включают через измерительный трансформатор тока (рис. 1, а).

Рис. 1. Схемы включения ваттметра в цепь переменного тока с большим током (а) и в высоковольтную сеть (б).

При выборе трансформатора тока необходимо следить за тем, чтобы номинальный первичный ток трансформатора I 1и был равен измеряемому току в сети или больше него.

Например, если значение тока в нагрузке достигает 20 А, то можно брать трансформатор тока, рассчитанный на первичный номинальный ток 20 А с номинальным коэффициентом трансформации по току Kн1 = I 1и / I 2и = 20/5 = 4.

Если при этом в измерительной цепи напряжение меньше допустимого ваттметром, то катушку напряжения включают непосредственно на напряжение нагрузки. Начало катушки напряжения при помощи перемычки / подключают к началу токовой катушки. Так же обязательно устанавливают перемычку 2 (начало катушки подключают к сети). Конец катушки напряжения подключают к другому зажиму сети.

Для определения действительной мощности в измеряемой цепи необходимо показание ваттметра умножить на номинальный коэффициент трансформации трансформатора тока: P = Pw х Kн 1 = Pw х 4

Если ток в сети может превышать 20 А, то следует выбрать трансформатор тока с первичным номинальным током 50 А, при этом Kн 1 = 50/5 = 10.

В этом случае для определения значения мощности показания ваттметра надо умножать на 10.

Из выражения для мощности на постоянном токе Р = IU 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 ui = р и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения ui, т. е. от мощности.

На рис. 2, а показана возможность использования электродинамического измерительного механизма для построения ваттметра и измерения мощности.

Рис. 2. Схема включения ваттметра (а) и векторная диаграмма (б)

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 рис. 2, б построена для индуктивного характера нагрузки. Вектор тока Iuпараллельной цепи отстает от вектора U на угол γ вследствие некоторой индуктивности подвижной катушки.

Из этого выражения следует, что ваттметр правильно измеряет мощность лишь в двух случаях: при γ = 0 и γ = φ.

Условие γ = 0 может быть достигнуто созданием резонанса напряжений в параллельной цепи, например включением конденсатора С соответствующей емкости, как это показано штриховой линией на рис. 1, а. Однако резонанс напряжений будет лишь при некоторой определенной частоте. С изменением частоты условие γ = 0 нарушается. При γ не равном 0 ваттметр измеряет мощность с погрешностью βy, которая носит название угловой погрешности.

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

При углах φ, близких к 90°, 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. 3).

Рис. 3. Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать нагрузку Н чисто активной, погрешности β(а) и β(б), обусловленные потреблением мощности катушками ваттметра, для схем рис. 3, а и б:

где Рi и Рu — соответственно мощность, потребляемая последовательной и параллельной цепью ваттметра.

Из формул для β(а) и β(б) видно, что погрешности могут иметь заметные значения лишь при измерениях мощности в маломощных цепях, т. е. когда Рi и Рu соизмеримы с Рн.

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».

Контрольные вопросы:

1. Какую энергию измеряет ваттметр электродинамической системы?

2. Влияет ли величина нагрузки на схему включения ваттметра?

3. Как расширяют пределы измерения ваттметра на переменном токе?

4. Как определить мощность в цепи постоянного тока по результатам измерения силы тока и напряжения?

5. Как правильно включить ваттметр однофазного тока при измерении мощности в контролируемой цепи?

6. Как измерить полную мощность однофазного тока, пользуясь амперметром и вольтметром?

7. Как определить реактивную мощность схемы?

Для непосредственного измерения мощности цепи постоянного тока применяется ваттметр. Неподвижная последовательная катушка или катушка тока ваттметра соединяется последовательно с приемниками электрической энергии. Подвижная параллельная катушка или катушка напряжения, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением, образует параллельную цепь ваттметра, которая присоединяется параллельно приемникам энергии.

Угол поворота подвижной части ваттметра:

α = k2IIu = k2U/Ru

где I
— ток последовательной катушки; I
и — ток параллельной катушки ваттметра.

Рис. 1. Схема устройства и соединений ваттметра

Так как в результате применения добавочного сопротивления параллельная цепь ваттметра имеет практически постоянное сопротивление ru
, то α = (k2/Ru)IU = k2IU = k3P

Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи.

Шкала ваттметраравномерна. При работе с ваттметром необходимо иметь в виду, что изменение направления тока в одной из катушек вызывает изменение направления вращающего момента и направления поворота подвижной катушки, а так как обычно шкала ваттметра делаетсяодносторонней, т. е. деления шкалы расположены от нуля вправо, то при неправильном направлении тока в одной из катушек определение измеряемой величины по ваттметру будет невозможно.

По указанным причинам следует всегда различать зажимы ваттметра. Зажим последовательной обмотки, соединяемый с источником питания, называется генераторным и отмечается на приборах и схемах звездочкой. Зажим параллельной цепи, присоединяемый к проводу, соединенному с последовательной катушкой, также называется генераторным и отмечается звездочкой.

Таким образом, при правильной схеме включения ваттметра токи в катушках ваттметра направлены от генераторных зажимов к негенераторным. Могут иметь место две схемы включения ваттметра (см. рис. 2 и рис. 3).

Рис. 2. Правильная схема включения ваттметра

Рис. 3. Правильная схема включения ваттметра

В схеме, данной на рис. 2, ток последовательной обмотки ваттметра равен току приемников энергии, мощность которых измеряется, а параллельная цепь ваттметра находится под напряжением U»
большим, чем напряжение приемников, на величину падения напряжения в последовательной катушке. Следовательно, Рв = IU» = I(U+U1) = IU = IU1
, т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности последовательной обмотки ваттметра.

В схеме, данной на рис. 3, напряжение на параллельной цепи ваттметра равно напряжению на приемниках, а ток в последовательной обмотке больше тока, потребляемого приемником, на величину тока параллельной цепи ваттметра. Следовательно, P
в = U(I+Iu) = UI+ UIu
, т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности параллельной цепи ваттметра.

При измерениях, в которых мощностью обмоток ваттметра можно пренебречь, предпочтительнее пользоваться схемой, показанной на рис. 2, так как обычно мощность последовательной обмотки меньше, чем параллельной, а следовательно, показания ваттметра будут более точными.

При точных измерениях необходимо вводить поправки в показания ваттметра, обусловленные мощностью его обмотки, и в таких случаях можно рекомендовать схему на рис.3, так как поправка легко вычисляется по формуле U
2 /Ru
, где Ru
обычно известно, а поправка остается неизменной при различных значениях тока, если U постоянно.

При включении ваттметра по схеме на рис. 2 потенциалы концов катушек разнятся только на величину падения напряжения в подвижной катушке, так как генераторные зажимы катушек соединены вместе. Падение напряжения в подвижной катушке незначительно по сравнению с напряжением на параллельной цепи, так как сопротивление этой катушки незначительно по сравнению с сопротивлением параллельной цепи.

Рис. 4. Неправильная схема включения ваттметра

На рис. 4 дана неправильная схема включения параллельной цепи ваттметра. Здесь генераторные зажимы катушек соединены через добавочное сопротивление, вследствие чего разность потенциалов между концами катушек равна напряжению цепи (иногда весьма значительному 240 — 600 В), а так как неподвижная и подвижная катушки находятся в непосредственной близости одна от другой, то создаются условия, благоприятные для пробоя изоляции катушек. Кроме того, между катушками, имеющими весьма различные потенциалы, будет наблюдаться электростатическое взаимодействие, могущее вызвать дополнительную погрешность при измерении мощности в электрической цепи.

Одно из свойств, которое дает характеристику состояния электрической цепи – это мощность. Это свойство отражает значение работы, выполненное электрическим током за определенное время. Мощность оборудования, входящего в электрическую цепь, не должна выходить за рамки мощности сети. В противном случае оборудование может выйти из строя, возникнет замыкание или пожар.

Замеры мощности электрического тока производят специальными устройствами – ваттметры. В случае постоянного тока мощность вычисляется путем умножения напряжения на силу тока (нужен амперметр и вольтметр). В цепи переменного тока все происходит иначе, понадобятся измерительные приборы. Ваттметром измеряют режим работы электрооборудования, производят учет расхода электроэнергии.

Сфера использования

Основная сфера использования ваттметров – это отрасли промышленности в электроэнергетике, машиностроении, ремонта электрических устройств. Также часто применяют ваттметры и в быту. Их покупают специалисты по электронике, компьютерному оборудованию, радиолюбители – для расчета экономии потребления электрической энергии.

Ваттметры используют для:

Вычисления мощности устройств.
Проведения тестов электрических цепей, некоторых их участков.
Проведения испытаний электроустановок, в качестве индикаторов.
Проверка действия электрооборудования.
Учет потребления электроэнергии.

Разновидности

Сначала измеряется напряжение, затем сила тока, а потом на основе этих данных измеряется мощность. По методу измерения, преобразования параметров и выдачи результата ваттметры разделяются на цифровые и аналоговые виды.

Цифровые

ваттметры производят измерение . На экран также выводятся напряжение, сила тока, потребление электричества за период времени. Параметры замеров выводятся на компьютер.

Аналоговый

вариант ваттметра разделен на самопишущие и показывающие приборы. Они определяют активную мощность участка схемы. Экран ваттметра оснащен шкалой и стрелкой. Шкала отградуирована по делениям и величинам мощности, в ваттах.

Конструктивные особенности и принцип работы

Аналоговые типы ваттметров имеют широкое распространение, точное измерение, и являются устройствами электродинамической системы.

Принцип их действия основывается на взаимодействии между собой двух катушек. Одна катушка неподвижная, с толстым проводом обмотки, малым числом витков и небольшим сопротивлением. Она подключена по последовательной схеме с потребителем. Вторая катушка двигается. Ее обмотка состоит из тонкого проводника, имеющего значительное число витков, ее сопротивление большое. Она подключена по параллельной схеме с потребителем, снабжена дополнительным сопротивлением во избежание короткого замыкания обмоток.

При включении устройства в сеть, в обмотках возникают магнитные поля, взаимодействие которых образует момент вращения, отклоняющий двигающуюся обмотку с прикрепленной стрелкой, на расчетный угол. Значение угла зависит от произведения напряжения и силы тока в конкретный момент времени.

Главным принципом действия ваттметра цифрового типа является предварительный замер напряжения и силы тока. Для этих целей подключаются: по последовательной схеме к потребителю нагрузки – датчик тока, по параллельной схеме датчик напряжения. Эти датчики обычно изготавливаются из термисторов, термопар, измеряющих трансформаторов.

Мгновенные параметры измеренных напряжения и тока, путем преобразователя, поступают к внутреннему микропроцессору. В нем происходит вычисление мощности. На экране показывается результат информации, а также передается на внешние приборы.

Приборы электродинамического типа, которые имеют широкое применение, подходят для переменного и постоянного тока. Ваттметры индуктивного типа применяются только для переменного тока.

Рассмотрим некоторые варианты приборов (ваттметров) различных вариантов исполнения и различных фирм производителей.

Бытовые приборы китайского производства

В инструкции описаны все режимы работы этого устройства, технические характеристики.

По сути это прибор, измеряющий мощность различных электрических потребителей. Как он работает? Вставляете его в розетку, а в розетку этого прибора вставляете вилку потребителя, мощность которого вы хотите замерить. Этим прибором вы измерите мощность какого-либо потребителя в течение определенного времени и потом с помощью него вы можете даже рассчитать, например, сколько денег тратит за электроэнергию ваш холодильник или любой другой прибор.

В устройстве есть встроенный аккумулятор. Он нужен для запоминания мощности, которую вы замерили, и потом будете использовать для расчета цены. Передняя панель прибора имеет пять кнопок: переключение режимов, указатель цены, переключатель вверх-вниз, кнопка сброса, если прибор поймал какой-либо глюк. Сзади на корпусе указаны характеристики прибора:

Рабочее напряжение 230 вольт.
Частота 50 герц.
Максимальный ток 16 ампер.
Диапазон измеряемой мощности 0-3600 ватт.

Рассмотрим работу прибора. Вставляем его в розетку.

Включим в него настольную светодиодную лампу.

На дисплее сразу пошло время, в течение которого измеряется мощность потребителя, в данном случае лампы. 0,4 ватта – это мощность отключенной лампы. Включаем лампу, в рабочем режиме она потребляет 10,3 ватта. Цену за киловатт мы не указывали, поэтому там стоят нули.

У нас лампа может менять мощность света. При увеличении света лампы показания мощности увеличиваются. При включении второго режима вверху также показано время работы, во втором поле киловатт часы, так как прибор пока не проработал даже одного часа, то показаны нули. Внизу показано количество дней, в течение которых измерялся этот потребитель.

В следующем режиме во втором поле показано напряжение электросети, внизу показана частота тока. Вверху дисплея при всех режимах показывается время. При переходе на следующий режим в центре показывается сила тока. Внизу показывается параметр некоего фактора, о котором пока нет данных, так как производитель прибора китайский.

На пятом режиме показана мощность минимальная. На шестом режиме – максимальная мощность.

Интересно будет посмотреть показания этих режимов при работе компьютера. Например, в спящем режиме, при обычном открытом рабочем столе, либо при запуске мощной игры.

В следующем режиме устанавливается стоимость электроэнергии кнопками установки, для расчета стоимости расхода энергии. Так вы можете измерить и рассчитать потребление любого из домашних бытовых приборов и устройств, и будете знать, какие устройства у вас экономные, а какие слишком много потребляют электричества.

Такой прибор имеет невысокую стоимость, около 14 долларов. Это небольшая цена для того, чтобы оптимизировать ваши затраты, рассчитав мощность потребления ваших устройств.

Цифровой ваттметр многофункциональный СМ 3010

Прибор служит для проведения замера напряжения, частоты, мощности, постоянного и переменного тока с одной фазой. А также, предназначен для контроля подобных приборов с меньшей точностью.

Диапазон замеров тока 0,002 — 10 ампер.

Замеры напряжения:

Постоянного от 1 до 1000 вольт.
Переменного от 1 до 700 вольт.
Частота измеряется в интервале 40-5000 герц.

Погрешность измерения

Тока, напряжения, мощности постоянного тока +
0,1%.
Тока, напряжения, мощности переменного тока +
0,1% в интервале частот 40-1500 герц.
Относительная погрешность замера частоты в интервале 40-5000 герц +
0,003%.

Габариты корпуса прибора 225 х 100 х 205 мм. Вес 1 кг. Мощность потребления менее 5 ватт.

Измерительное устройство ЦП 8506 – 120

Служит для проведения замеров мощности активной и реактивной 3-фазной сети переменного тока, показывает текущее значение параметра мощности на индикаторе, преобразует в сигнал аналогового вида.

Произведенные замеры показываются в форме цифр на индикаторах в единицах величин, которые входят на устройство, либо на вход трансформатора тока или напряжения. При этом учитывается коэффициент трансформации. Цифровой дисплей разделен на четыре разряда.

Назначение устройства

– для проведения замеров активной и реактивной мощностей в 3-фазных сетях электрического тока частотой 50 герц.

Технические данные

Коэффициент мощности – 1.
Размеры корпуса 120 х 120 х 150 мм.
Высота цифр на дисплее 20 мм.
Наибольший интервал показаний 9999.
Степень точности: 0,5.
Время проведения преобразования: менее 0,5 с.
Температура работы: от +5 до + 40 градусов.
Класс защиты корпуса и панели: IР 40.
Мощность потребления: 5 ватт.
Вес менее 1,2 кг.

Наличие двух катушек у электродинамического прибора и возможность включения их в две разные цепи позволяет использовать эти приборы для измерения мощности электрического тока, т. е. как ваттметры.

Из выражения для угла поворота подвижной системы электродинамического прибора (2.12) следует, что, если неподвижную катушку включить последовательно нагрузке z (рис. 2-12), а последовательно с подвижной катушкой включить добавочное сопротивление Яд так, чтобы эту катушку можно было включать параллельно нагрузке, тогда ток в подвижной катушке равен

где — сопротивление катушки; U — напряжение на нагрузке; — постоянная данного прибора по мощности; Р — мощность, потребляемая нагрузкой. Такой прибор называют ваттметром. Его шкала равномерная.

Для измерения электрической мощности в цепях переменного тока используют ваттметры активной и реактивной мощности.

Ваттметр активной мощности. Если в цепь подвижной катушки включить активное добавочное сопротивление так, чтобы общее сопротивление этой цепи R было равно

тогда при напряжении и в сети и при токе i в нагрузке

ток в подвижной катушке равен

Мгновенное значение вращающего момента в этом случае равно

а среднее за период значение этого момента

Следовательно, ваттметр с активным добавочным сопротивлением в цепи подвижной катушки измеряет активную мощность цепи переменного тока.

Полученный вывод имеет простое физическое объяснение. В самом деле, если в цепь с индуктивностью включить амперметр, вольтметр и ваттметр (рис. 2-13), то , так как подвижная система вольтметра поворачивается под действием только приложенного напряжения, независимо от фазы этого напряжения (точнее, под действием тока в катушке, пропорционального приложенному напряжению), а подвижная часть амперметра поворачивается под действием только тока в катушке, независимо от фазы этого тока. Что касается подвижной части (катушки) ваттметра, то она поворачивается только в том случае, когда токи в обеих катушках не равны нулю, иначе не будет взаимодействия. Но в рассматриваемой цепи ток подвижной катушки максимален, когда ток в цепи i равен нулю, и наоборот. Прибор ничего не покажет. Этого и следовало ожидать, так как нагрузка то запасает энергию в магнитном поле, то возвращает в сеть.

Из графика токов данной цепи с индуктивностью (рис. 2-14) следует, что токи совпадают по направлению (на графике — по одну сторону от оси времени) только в течение двух (через одну) четвертей периода за период, а в две другие четверти периода токи имеют противоположные направления. Это означает, что направление вращающего момента изменяется четыре раза за период. Поэтому подвижная система ваттметра в течение периода будет испытывать действие четырех одинаковых по значению, но противоположных по направлению толчков и прибор ничего не покажет, так как вращающий момент, действующий на подвижную систему, определяется его средним значением за период.

Если же угол сдвига между токами невелик (рис. 2-15), то в течение периода положительные значения вращающего момента сильно превосходят отрицательные (по времени и по значениям) и подвижная система ваттметра повернется под действием среднего

значения реагируя на активную мощность, потребляемую данной нагрузкой.

Итак, ваттметр показывает активную мощность, потребляемую из сети.

Ваттметр реактивной мощности. В этом ваттметре последовательно с подвижной катушкой специально включается индуктивное добавочное сопротивление (рис. 2-16) такое, что

Пусть в цепи действует приложенное напряжение и нагрузка создает ток

Тогда мгновенное значение вращающего момента равно

После подстановки и преобразований получим:

Среднее за период значение вращающего момента равно

Отсюда и следует, что ваттметр с индуктивным сопротивлением в цепи подвижной катушки показывает реактивную мощность цепи переменного тока. Такой вывод объясняется просто: в случае, например, чисто индуктивной нагрузки, когда из сети безвозвратно не потребляется энергия, такая схема искусственно сдвигает фазу тока в подвижной катушке до совпадения с фазой тока в неподвижной, поэтому ваттметр показывает значение реактивной мощности.

Итак, у электродинамического ваттметра две катушки: одна — токовая, включаемая последовательно нагрузке, другая- катушка напряжения, включаемая параллельно нагрузке, потребляемую мощность которой необходимо измерить.

Для правильного включения прибора (чтобы стрелка отклонялась в нужную сторону) один из зажимов его обмотки помечают звездочкой эти зажимы ваттметра называют генераторными. Их следует подключать к тому зажиму нагрузки, который соединен с генератором (сетью).

В
настоящее время необходимо измерять
мощность и энергию постоянного
тока, активную мощность и энергию
переменного однофазного
и трехфазного тока, реактивную мощность
и энергию трехфазного
переменного тока, мгновенное значение
мощности, а также количество электричества
в очень широких пределах.

Электрическая
мощность определяется работой, совершаемой
источником
электромагнитного поля в единицу
времени.

Активная
(поглощаемая электрической цепью)
мощность

P
a
=UIcos


> = I

2


R=U
2
/R,
(1)

где
U
,
I

—
действующие значения напряжения и тока;

— угол сдвига
фаз.

Реактивная мощность

Р
р

=
UIsin


=
I
2
X
.
(2)

Полная мощность

P
n

=
UI
=
PZ
.
Эти
три типа мощности связаны выражением

P

=(Р
а

2
+Р
2
р
)
(3)

Так,
мощность измеряется в пределах 1 Вт…
10 ГВт (в цепях постоянного
и однофазного переменного тока) с
погрешностью ±(0,01…0,1)
%, а при СВЧ — с погрешностью ±(1…5) %.
Реактивная
мощность от единиц вар до Мвар измеряется
с погрешностью ±(0,1…0,5)%.

Диапазон
измерения электрической энергии
определяется диапазонами
измерения номинальных токов (1 нА…1О
кА) и напряжений (1 мкВ…1 MB),
погрешность измерения составляет
±(0,1…2,5)%.

Измерение
реактивной энергии представляет интерес
только для
промышленных трехфазных цепей.

Измерение
мощности в цепях постоянного тока.
При
косвенном измерении
мощности используют метод амперметра
и вольтметра и
компенсационный метод.

Метод
амперметра и вольтметра. В этом случае
приборы
включаются по двум схемам (рис.1).

Метод
прост, надежен, экономичен, но обладает
рядом существенных
недостатков: необходимостью снимать
показания по двум

Рис.
.1.
Схемы измерения мощности по показаниям
вольтметра и амперметра при малых (а) и
больших (б)
сопротивлениях
нагрузки

приборам;
необходимостью производить вычисления;
невысокой точностью
за счет суммирования погрешности
приборов.

Мощность
Р
х
,
вычисленная
по показаниям приборов (рис. 1а), имеет
вид

Она
больше действительного значения
мощности, расходуемой
в нагрузке Р н,
на значение мощности потребления
вольтметра
Р
v
,
т.
е. Р н
= Р
х

– Р
v
.

Погрешность
определения мощности в нагрузке тем
меньше, чем
больше входное сопротивление вольтметра
и меньше сопротивление
нагрузки.

Мощность
Р
х
,
вычисленная
по показаниям приборов (рис 1. ,
б),
имеем
вид

Она
больше действительного значения мощности
потребления нагрузки
на значение мощности потребления
амперметром Р
А
.
Методическая
погрешность тем меньше, чем меньше
входное сопротивление
амперметра и больше сопротивление
нагрузки.

Компенсационный
метод. Этот метод применяется тогда,
когда требуется высокая точность
измерения мощности. С помощью
компенсатора поочередно измеряется
ток нагрузки и падение напряжения на
нагрузке. Измеряемая мощность определяется
по формуле

P
=
U
н

I
н
.
(4)

При
прямом измерении активная мощность
измеряется электромеханическими
(электродинамической и ферродинамической
систем), цифровыми и электронными
ваттметрами.

Электродинамические
ваттметры применяются как переносные
приборы
для точных измерений мощности (класс
0,1… 2,5) в цепях
постоянного и переменного тока с частотой
до нескольких тысяч
герц.

Ферродинамические
щитовые вольтметры применяются в цепях
переменного тока промышленной частоты
(класс 1,5…2,5).

В
широком диапазоне частот применяются
цифровые ваттметры, основу

составляют
различные преобразователи мощности
(например,
термоэлектрические), УПТ, микропроцессор
и ЦОУ. В
цифровых ваттметрах осуществляется
автоматический выбор пределов
измерений, самокалибровка и предусмотрен
внешний интерфейс.

Для
измерения мощности в высокочастотных
цепях также используются
специальные и электронные ваттметры.

Для
измерения реактивной мощности на низких
частотах служат реактивные ваттметры
(варметры), в которых путем использования
специальных схем отклонение подвижной
части электродинамического
ИМ пропорционально реактивной мощности.

Включение
электромеханических ваттметров
непосредственно в
электрическую цепь допустимо при токах
нагрузки, не превышающих
10… 20 А, и напряжениях до 600 В. Измерение
мощности при
больших токах нагрузки и в цепях высокого
напряжения производится
ваттметром с измерительными трансформаторами
тока ТА
и
напряжения TV
(рис. .2).

Измерение
активной мощности в цепях трехфазного
тока.
Метод
одного ваттметра. Этот метод применяется
только в симметричной
системе с равномерной нагрузкой фаз,
одинаковыми
углами сдвига по фазе между векторами
I

и U

и
с полной симметрией напряжений (рис..3).

Рис..3.
Схемы включения ваттметра в трехфазную
трехпроводную цепь при
полной симметрии присоединения нагрузки:

а
—
звездой; б
—
треугольником;
в
~-
с
искусственной нулевой точкой

Рис.4.
Схемы включения двух ваттметров в
трехфазную цепь: а
—
в 1-ю и 3-ю; б
—
в 1-ю и 2-ю; в
—
в 2-ю и 3-ю

На
рис. .3, а
нагрузка
соединена звездой и нулевая точка
доступна. На рис.3, б
нагрузка
соединена треугольником, ваттметр
включен в фазу. На рис. .3, в
нагрузка
соединена треугольником
с искусственной нулевой точкой.
Искусственная нулевая точка
создается с помощью двух резисторов,
каждый из которых равен
сопротивлению цепи обмотки напряжения
ваттметра (обычно указывается
в техническом паспорте на ваттметр).

Показания
ваттметра будут соответствовать мощности
одной фазы,
а мощность всей трехфазной сети во всех
трех случаях включения
прибора будет равна мощности одной
фазы, умноженной на
три:

Р =
3
P
w

Метод
двух ваттметров. Этот метод применяется
в трехфазной
трехпроводной цепи независимо от схемы
соединения и характера
нагрузки как при симметрии, так и при
асимметрии токов
и напряжений. Асимметрия — это система,
в которой мощности
отдельных фаз различны. Токовые обмотки
ваттметров включаются
в любые две фазы, а обмотки напряжения
включаются на линейные напряжения (рис.
4).

Полная
мощность может быть выражена в виде
суммы показаний Двух
ваттметров. Так, для схемы, представленной
на рис..4,
а,

где
 1
— угол сдвига фаз между током I
1

и линейным напряжением U
12,
 2 —
угол сдвига фаз между током I
3

и линейным напряжением U
32
.
В
частном случае при симметричной системе
напряжений и одинаковой
нагрузке фаз  1 ,
= 30° — 
и  2
= 30° — 
показания ваттметров будут:

При
активной нагрузке (=
0) показания ваттметров будут одинаковы,
так как P
W
]

=
P
W
2

IUcos
30°.

При
нагрузке с углом сдвига ср = 60° показания
второго ваттметра равны нулю, так как
P
W
2

=
IU
cos(30°
+ )
= IU
cos(30°
+ 60°) = 0, и
в этом случае мощность трехфазной цепи
измеряется одним ваттметром.

При
нагрузке с углом сдвига 
> 60° мощность, измеряемая вторым
ваттметром, будет отрицательной, так
как (30° +) больше 90°. В этом случае подвижная
часть ваттметров повернется в обратную
сторону. Для отсчета необходимо изменить
на 180° фазу тока
в одной из цепей ваттметра. В этом случае
мощность цепи трехфазного
тока равна разности показаний ваттметров

Метод
трех ваттметров. Для измерения мощности
трехфазной
цепи при несимметричной нагрузке
включаются три ваттметра, и общая
мощность при наличии нулевого провода
будет равна арифметической сумме
показаний трех ваттметров. В этом случае
каждый ваттметр измеряет мощность одной
фазы, показания ваттметра независимо
от характера нагрузки будут положительные
(параллельная обмотка включается на
фазное напряжение,
т. е. между линейным проводом и нулевым).
Если нулевая точка недоступна
и нулевой провод отсутствует, то
параллельные цепи приборов
могут образовать искусственную нулевую
точку при условии,
что сопротивления этих цепей равны
между собой.

Измерение
реактивной мощности в однофазных и
трехфазных цепях.
Несмотря
на то что реактивная мощность не
определяет ни совершаемой работы, ни
передаваемой энергии за единицу времени,
ее измерение также важно. Наличие
реактивной мощности
приводит к дополнительным потерям
электрической энергии
в линиях передачи, трансформаторах и
генераторах. Реактивная
мощность измеряется в вольт-амперах
реактивных (вар) как в однофазных, так
и в трехфазных трех- и четырехпроводных
цепях
переменного тока электродинамическими
и ферродинамическими или специально
предназначенными для измерения реактивной
мощности ваттметрами. Отличие реактивного
ваттметра
от обычного состоит в том, что он имеет
усложненную схему параллельной
цепи для получения сдвига по фазе,
равного 90°

между
векторами тока и напряжения этой цепи.
Тогда отклонение подвижной части
будет пропорционально реактивной
мощности
Р
р

=
UIsin

.
Реактивные
ваттметры преимущественно применяются
для лабораторных измерений и поверки
реактивных счетчиков.

Реактивную
мощность в трехфазной симметричной
цепи можно измерить и активным ваттметром:
для этого –токовая катушка последовательно
включается в фазу А, катушка напряжения
между фазами В и С.

Измерение
мощности в цепях повышенной частоты.
С
этой целью
можно использовать как прямые, так и
косвенные измерения и
в ряде случаев предпочтительнее могут
оказаться косвенные, так
как иногда легче измерить ток и напряжение
на нагрузке, чем непосредственно
мощность. Прямое измерение мощности в
цепях повышенных и высоких частот
производится термоэлектрическими,
электронными ваттметрами, ваттметрами,
основанными на эффекте
Холла, и цифровыми ваттметрами.

Косвенные
измерения осуществляются осциллографическим
методом.
Он применяется в основном тогда, когда
цепь питается напряжением
несинусоидальной формы, при высоких
частотах, маломощных
источниках напряжения и т. д.

Измерение
энергии в однофазных и трехфазных цепях.
Энергия
измеряется
электромеханическими и электронными
счетчиками электрической
энергии. Электронные счетчики электрической
энергии
обладают лучшими метрологическими
характеристиками,
большей надежностью и являются
перспективными средствами
измерений электрической энергии.

4.
Измерение фазы и частоты

Фаза
характеризует состояние гармонического
сигнала в определенный
момент времени t
.
Фазовый
угол в начальный момент времени (начало
отсчета времени), т.е. при t

= 0,
называют
нуле
вым
(начальным) фазовым сдвигом.
Разность
фаз 
измеряют обычно между
током и напряжением либо между двумя
напряжениями. В
первом случае чаще интересуются не
самим углом сдвига фаз, а величиной
cos
или коэффициентом мощности. Cos-
это косинус
того угла, на который опережает или
отстает ток нагрузки от
напряжения, приложенного к этой нагрузке.
Фазовым
сдвигом

двух гармонических сигналов одинаковой
частоты называют модуль
разности их начальных фаз 
=| 1 —
 2 |.
Фазовый сдвиг 
не
зависит от времени, если остаются
неизменными начальные фазы
 1 ,
и  2 .
Разность фаз выражается в радианах или
градусах.

Методы
измерения угла сдвига фаз.
Эти
методы зависят от диапазона
частот, уровня и формы сигнала, от
требуемой точности и Наличия средств
измерений. Различают косвенное и прямое
изменения
угла сдвига фаз.

Косвенное
измерение. Такое измерение угла сдвига
фаз Между
напряжением U

и
током I

в нагрузке в однофазных цепях

осуществляют
с помощью трех приборов — вольтметра,
амперметра и ваттметра (рис.5). Угол 
определяется расчетным путем из
найденного значения cos:

Метод
используется обычно на промышленной
частоте и обеспечивает
невысокую точность из-за методической
погрешности, вызванной
собственным потреблением приборов,
достаточно прост, надежен, экономичен.

В
трехфазной симметричной цепи величина
cos
может быть определена
следующими измерениями:

мощность, ток и
напряжение одной фазы;

измерение активной
мощности методом двух ваттметров;

измерение
реактивной мощности методом двух
ваттметров с искусственной
нейтральной точкой.

Среди
осциллографических методов измерения
фазы наибольшее
распространение получили методы линейной
развертки и эллипса.
Осциллографический метод, позволяющий
наблюдать и фиксировать
исследуемый сигнал в любой момент
времени, используется
в широком диапазоне частот в маломощных
цепях при грубых
измерениях (5… 10 %). Метод линейной
развертки предполагает
применение двухлучевого осциллографа,
на горизонтальные
пластины которого подают линейное
развертывающее напряжение,
а на вертикальные пластины — напряжение,
между которыми
измеряется фазовый сдвиг. Для синусоидальных
кривых на экране
получаем изображение двух напряжений
(рис.6, а)
и
по измеренным
отрезкам АБ и АС вычисляется угол сдвига
между ними

где
АБ — отрезок между соответствующими
точками кривых при переходе их через
нуль по оси X
;
АС
— отрезок, соответствующий периоду.

Погрешность
измерения 
х

зависит
от погрешности отсчета и фазовой
погрешности осциллографа.

Если
вместо линейной развертки использовать
синусоидальное
развертывающее напряжение, то получаемые
на экране фигуры Лиссажу при равных
частотах дают на экране осциллографа
форму эллипса (Рис. 6б). Угол сдвига
 x =arcsin(АБ/ВГ).

Этот
метод позволяет измерять  х
в пределах 0 90 о
без определения знака фазового угла.

Погрешность
измерения  х
также определяется погрешностью отсчета

Рис..6.
Кривые, получаемые на экране двухлучевого
осциллографа: при
линейной (а)
и
синусоидальной (б) развертке

и
расхождениями в фазовых сдвигах каналов
Х
и

Y

осциллографа.

Применение
компенсатора переменного тока с
калиброванным
фазовращателем и электронным осциллографом
в качестве индикатора равенства фаз
позволяет произвести достаточно точное
измерение угла сдвига фаз. Погрешность
измерения в этом случае
определяется в основном погрешностью
используемого фазовращателя.

Прямое
измерение. Прямое измерение утла сдвига
фаз осуществляют
с помощью электродинамических,
ферродинамических,
электромагнитных, электронных и цифровых
фазометров. Наиболее
часто из электромеханических фазометров
используют
электродинамические и электромагнитные
логометрические
фазометры. Шкала у этих приборов линейная.
Используются
на диапазоне частот от 50 Гц до 6… 8 кГц.
Классы точности — 0,2; 0,5. Для них характерна
большая потребляемая мощность 1(5…10
Вт).

В
трехфазной симметричной цепи измерение
угла сдвига фаз 
или cos
осуществляется однофазным или трехфазным
фазометрами.

Цифровые
фазометры используются в маломощных
цепях в диапазоне
частот от единиц Гц до 150 МГц, классы
точности —
0,005;
0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В электронно-счетных
цифровых фазометрах сдвиг по фазе между
двумя напряжениями преобразуется во
временной интервал, заполняемый
импульсами
стабильной частоты с определенным
периодом, которые под-считываются
электронным счетчиком импульсов.
Составляющие погрешности
этих приборов: погрешность дискретности,
погрешность генератора стабильной
частоты, погрешность, зависящая
от точности формирования и передачи
временного интервала.

Методы
измерения частоты.
Частота
является одной из важнейших
характеристик периодического процесса.
Определяется числом полных циклов
(периодов) изменения сигнала в единицу
времени. Диапазон используемых в технике
частот очень велик и колеблется от долей
герц до десятков. Весь спектр частот
подразделяется на два диапазона —
низкие и высокие.

Низкие частоты:
инфразвуковые — ниже 20 Гц; звуковые —
20…20000 Гц; ультразвуковые — 20…200 кГц.

Высокие частоты:
высокие — от 200 кГц до 30 МГц; ультравысокие
— 30…300 МГц.

Поэтому
выбор метода измерения частоты зависит
от диапазона
измеряемых частот, необходимой точности
измерения, величины
и формы напряжения измеряемой частоты,
мощности измеряемого
сигнала, наличия средств измерений и
т.д.

Прямое
измерение. Метод основан на применении
электромеханических,
электронных и цифровых частотомеров.

Электромеханические
частотомеры используют измерительный
механизм
электромагнитной, электродинамической
и ферродинамической систем с
непосредственным отсчетом частоты по
шкале
логометрического измерителя. Они просты
в устройстве и эксплуатации, надежны,
обладают довольно высокой точностью.
Их
используют в диапазоне частот от 20 до
2500 Гц. Классы точности — 0,2; 0,5; 1,0; 1,5;
2,5.

Электронные
частотомеры применяются при измерениях
в частотном
диапазоне от 10 Гц до нескольких мегагерц,
при уровнях входного сигнала 0,5… 200 В.
Они имеют большое входное сопротивление,
что обеспечивает малое потребление
мощности. Классы точности — 0,5; 1,0 и ниже.

Цифровые
частотомеры применяются для очень
точных измерений
в диапазоне 0,01 Гц… 17 ГГц. Источниками
погрешности являются
погрешность от дискретности и
нестабильности кварцевого
генератора.

Мостовой
метод. Этот метод измерения частоты
основан на
использовании частотозависимых мостов
переменного тока, питаемых
напряжением измеряемой частоты. Наиболее
распространенной
мостовой схемой для измерения частоты
является емкостной
мост. Мостовой метод измерения частоты
применяют для измерения низких частот
в пределах 20 Гц… 20 кГц, погрешность
измерения составляет 0,5. .. 1 %.

Косвенное
измерение. Метод осуществляется с
использованием
осциллографов: по интерференционным
фигурам (фигурам
Лиссажу) и круговой развертки. Методы
просты, удобны и достаточно
точны. Их применяют в широком диапазоне
частот 10
Гц… 20 МГц. Недостатком метода Лиссажу
является сложность расшифровки фигур
при соотношении фигур более 10 и,
следовательно,
возрастает погрешность измерения за
счет установления истинного
отношения частот. При методе круговой
развертки погрешность
измерения в основном определяется
погрешностью квантования основной
частоты.

МЕТОДЫ
И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ЦЕПЕЙ

Схема включения ваттметра

Угол поворота подвижной части ваттметра:

= k2IIu = k2U/Ru

где I — ток последовательной катушки; Iи — ток параллельной катушки ваттметра.

Рис. 1. Схема устройства и соединений ваттметра

Так как в результате применения добавочного сопротивления параллельная цепь ваттметра имеет практически постоянное сопротивление ru, то = (k2/Ru)IU = k2IU = k3P

Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи.

Рис. 2. Правильная схема включения ваттметра

Рис. 3. Правильная схема включения ваттметра

В схеме, данной на рис. 2, ток последовательной обмотки ваттметра равен току приемников энергии, мощность которых измеряется, а параллельная цепь ваттметра находится под напряжением U‘ большим, чем напряжение приемников, на величину падения напряжения в последовательной катушке. Следовательно, Рв = IU’ = I(U+U1) = IU = IU1, т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности последовательной обмотки ваттметра.

В схеме, данной на рис. 3, напряжение на параллельной цепи ваттметра равно напряжению на приемниках, а ток в последовательной обмотке больше тока, потребляемого приемником, на величину тока параллельной цепи ваттметра. Следовательно, Pв = U(I+Iu) = UI+ UIu, т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности параллельной цепи ваттметра.

При точных измерениях необходимо вводить поправки в показания ваттметра, обусловленные мощностью его обмотки, и в таких случаях можно рекомендовать схему на рис.3, так как поправка легко вычисляется по формуле U²/Ru, где Ru обычно известно, а поправка остается неизменной при различных значениях тока, если U постоянно.

10.12.2016

Без рубрики

Ваттметры — Включение — Схема

Измерение мощности трехфазного тока с нулевым проводом при равномерной нагрузке фаз может быть произведено одним ваттметром, включенным по схеме фиг. 71. Его показания должны быть умножены на 3. [c. 373]

Мощность трехфазной цепи при нагрузке любого характера и отсутствии пулевой точки может быть измерена при помощи двух ваттметров, включенных по схеме Арона (фиг. 74). При углах сдвига фаз f[c.374]

В промышленных условиях испытания с целью определения характер.истик насоса производят следующим образом. С помощью двух ваттметров, включенных по схеме Арона, определяют мощность, потребляемую электродвигателем [c.309]

Электрическая мощность, потребляемая электродвигателем компрессора, измерялась двумя ваттметрами, включенными по схеме Арона. [c.135]

Мощность, подводимая к двигателю из сети, определялась по показаниям двух ваттметров, включенных по схеме Арона. Так как в схему были введены трансформатор тока с коэффициентом трансформации 40/5 и трансформатор напряжения с коэффициентом 6000/100, то результаты отсчетов по ваттметрам пересчитывались с учетом общего коэффициента трансформации. В табл. 17 приведены данные по расходу электроэнергии при разных давлениях нагнетания. [c.165]

Наиболее точным способом поддержания требуемого os является спс-соб с применением однофазного ваттметра, вольтметра и амперметра, схема включения которых приведена на рис. 4. [c.508]

Показание ваттметра, включенного по схеме рис. 5-12, равно [c.206]

Из теории электростатического ваттметра [Л. 116] следует, что при его включении по схеме на рис. 5-48 мгновенный момент вращения его подвижной части равен [c.261]

При этом методе мощность трехфазной цепи будет равна сумме показаний двух ваттметров. По этим же схемам (фиг. 187) строятся трехфазные ваттметры, которые представляют собой суммирующие приборы, состоящие из двух однофазных ваттметров, связанных механически, но самостоятельных в электрическом отношении и включенных по одной из указанных выше схем однофазных ваттметров (см. фиг. 183). [c. 235]

Измерение мощности в цепях переменного тока производится с помощью ваттметра. Схема включения ваттметра приведена на фиг. 22. Коэфициент мощности ( os (у) подсчитывается из выражения [c.526]

Фиг. 70. Схема включения ваттметра в однофазную цепь.

При измерении мощности цепей переменного тока высокого напряжения включение обмоток ваттметров производится через измерительные трансформаторы. Например, схема Арона при высоком напряжении будет выглядеть так, как это показано на фир. 75. [c.374]

Фиг. 75. Включение ваттметра по схеме Арона через измерительные трансформаторы.

Фиг. 74. Непосредственное включение двух ваттметров по схеме Арона.

Измерение активной энергии производится при помощи счетчиков, схемы включения которых ничем не отличаются от соответствующих схем включения ваттметров. приведенных на фиг. 70—75. [c.374]

На фиг. 6 показана схема решающего устройства при компенсации влияния груза, помещенного в правую плоскость исправления на левый датчик. Переключатель позволяет включить правый датчик так, чтобы его напряжение было в противофазе с напряжением левого датчика. Потенциометр посредством которого вводится компенсирующее напряжение, включен таким образом, что при увеличении компенсирующего напряжения одновременно уменьшается подаваемое на ваттметр напряжение основного датчика. Переключатель Я2 позволяет изменить полярность включения прибора, т. е. выбрать режим работы на добавление или удаление балансировочных грузов. Потенциометр шунтирует прибор и служит для плавного регулирования чувствительности станка. [c.404]

Мощность можно также измерить электродинамическим ваттметром, который имеет две катушки токовую (последовательную) и напряжения (параллельную). Схема включения ваттметра в измеряемую цепь показана на рис. 198, в. [c.197]

Рис. 65. Схема включения ваттметра в однофазной цепи

Рис. 66. Схема включения ваттметра при доступной нулевой точке

Рис. 67. Схема включения ваттметра при недоступной нулевой точке

Рис. 4. Схема включения ваттметра, вольтметра и амперметра при контроле за os

Другие схемы включения ваттметра и фазометра см. Справочник электромонтажника, т. I. [c.508]

Рис. 5-12. Схема включения ваттметра для определения полных потерь.

Рис.

5-29. Схема включения ваттметра в установке для измерения потерь на целых листах.

Армирование пластмасс 5 — 591 Арона схема включения ваттметра 2 — 374 [c.398]

Опыт короткого замыкания проводится по схеме, изображенной на фиг. 150, б. При замыкании вторичного контура машины накоротко в сварочной цепи протекает очень большой ток, поэтому непосредственное включение токовой обмотки ваттметра обычно невозможно. В связи с этим прибор включается через трансформатор тока ТТ. При [c.215]

При технич. И. вторыми членами, представляющими мощность, потребляемую самими приборами, можно пренебречь. Чтобы ваттметр давал отклонения в надлежащую сторону, необходимо при включении соблюдать полярность зажимов. У одного из зажимов последовательной обмотки и у одноименного с ним зажима ответвленной ставятся значки ( или ), к-рые показывают, что именно к этим зажимам д. б. подведены провода со стороны генератора. Зажимы эти часто называют генераторными. Если ваттметр имеет наружное отдельное добавочное сопротивление Я, то его следует включить по схеме фиг. 12, чтобы избежать большой разности потенциалов между обмотками ваттметра и электростатич. взаимодействия между ними. Первое может повести к повреждению прибора, второе вызывает погрешность показания. Когда по условиям опыта требуется изменить направление тока в ответвленной обмотке, следует переключать провода только на зажимах прибора, не менян местом доба- [c.510]

Схемы включения счётчика электрической энергии ничем не отличаются от схем включения ваттметров. [c.715]

Ваттметр, включенный в схему, измеряет сумму полных потерь в образце, помещенном в аппарат, и мощностей, потребляемых обмоткой вольтметра и вольтметровой обмоткой ваттметра. [c.212]

Вестингауз, у которой катушка, упомянутая в п. 3, также является неподвижной, но она намагничивает железный подвин ной сердеч-ни1(, связанный со стрелкой и имеющий форму буквы 7. Эта катушка з включается параллельно в сеть (фиг. 41). Две неподвижные катушки, 2 и 2 (п. 2) сдвинуты в пространстве на угол 120 и включены в провода разных фаз последовательно с приемником (фиг. 42). В случае равномерной нагрузки сдвиг фаз в трехфазной цепи м. б. определен также и по показанию двух однофазных ваттметров, включенных по схеме Арона если обозначить 01 наибольшее из показаний двух ваттметров, а 2 — наименьшее, то [c.517]

Ваттметрический метод определения полных потерь на гистерезис и вихревые токи [36]. Ваттметрический метод основан на измерении потерь мощности в трансформаторе с разомкнутой вторичной цепью (т. е. не потребляющий мощности), причем в качестве сердечника трансформатора используется испытуемый материала (аппарат Эпштейна). Принципиальная схема установки представлена на рис. 17.68. В четыре секции трансформатора П], Пг набирается образец из пластин, которые образуют магнитную цепь. В цепь первичной намагничивающей катушки щ включен амперметр А и токовая обмотка ваттметра в цепь вторичной обмотки трансформатора включены вольтметр V и обмотка напряжения ваттметра —1 2. Полные потери на гистерезис и вихревые токи Рт. в равны Р . в = ( — E 2lR2]wl w2, где Р — показания ваттметра [c.317]

Рассмотрим, например, анализатор типа АГ-1, который служит для измерения амплитуды и фазы составляющих вибрации основной и двойной частоты вращения. Блок-схема прибора приведена на рис. 2-38. Источником опорного сигнала служит блок генераторов опорного напряжения, состоящий из ГОН-1 и ГОН-2. ГОН-1 соединяется с ротором непосредственно, а ГОН-2 — через редуктор с отношением 2 1. Таким образом, ротор ГОН-2 вращается с удвоенной угловой скоростью по отношению к испытуемому ротору. В качестве фазорегулятора используется сельсин типа СГСМ-1. Сигнал с ротора фазорегулятора через усилитель поступает на одну из обмоток ваттметра 1 . На его вторую обмотку подается через усилитель Уз полигармоническое напряжение от вибродатчика ВД, пропорциональное вибрации. Отклонение ваттметра в зависимости от включения ГОН-1 или ГОН-2 пропорционально амплитуде первой или второй гармонической составляющей вибрации [c.93]

В общем случае потерн измеряемого и эталонного образцов могут быть иеодииаковыми, поэтому при включении тока в схему стрелка дифференциального ваттметра отклонится на некоторое число делегшй. [c.214]

Вариации показаний 4 — 4 Ваттметры — Включение — Схема 2 — 373, 374 Вайерштрасса признак 1 — 177 Вектор-функцни линейные 1 — 236 Векторная алгебра 1 — 226 Векторно-векторное произведение 1 — 229 [c.403]

И. активной мощности в треу-фазной цепи осуществляются следующими методами, а) Метод одного ваттметра применяется только при полной симметрии цепи. Если нейтральная точка доступна, включение производят по фиг. 18, а. Мощность Р = 3 Р , где Р — показание ваттметра. Если же нейтральная точка недоступна или приемник соединен тр-ком, ваттметр включают по фиг. 18,6. Сопротивления г д. б. безиндукционными и равными друг другу и сопротивлению ответвленной цепи ваттметра т- . Полная мощность и в этом случае Р = 3 Р . Ваттметр д. б. электродинамическим. б) М е т о д двух ваттметров (метод Арона) позволяет измерять полную мощность как при симметричной, так и при несимметричной системе и при любом соединении приемника или генератора. Метод отот неприменим для четырехпроводной цепи. Ваттметры включают по схеме фиг. 19. Мощность трехфазной цепи в этом случае равна алгебраич. сумме показаний обоих ваттметров, причем [c.511]

Для И. реактивной мощности трехфазной цепи существует много методов и различных схем включения ваттметров. а) Способ двух ваттметров с измененной схемой включения (ваттметры обычной активной мощности) применяется только при полной симметрии токов и напряжений (фиг. 24). Реактивная мощность равна алгебраич. сумме показаний обоих ваттметров (как и [c.512]

И. угла сдвига фаз. 1. Одно-фа з н ы й ток. Наиболее простым и точным способом измерения угла сдвига фаз между током и напрн/кением в однофазном токе является измерение при помощи фазометра, схема включения которого вполне аналогична со схемой включения ваттметра (фиг. 12). Конструкции однофазных фазометров весьма разнообразны. Характерными чертами, присущими всем этим конструкциям, являются 1) отсутствие механического противодействующего момента, 2) наличие двух пространственно сдвинутых катушек, по к-рым проходят токи, сдвинутые по фазе во времени и создающие т. о. вращающееся магнитное поле, 3) наличие третьей катушки с током, фазу к-рого необходимо измерить. Подвижную часть составляют либо указанные в п. 2 скрещенные катушки (в таком случае катушка п. 3 остается неподвижной) либо, наоборот, катушка, указанная в п. 3 (тогда катушки п. 2 остаются неподвижными). Сдвиг фаз токов, идущих по катушкам 2, создается [c. 516]

Ваттметр своими руками цифровой

marazmPRO2 › Блог › Ваттметр 60V 100A из Китая

Речь пойдёт о китайском измерительном устройстве, назвать его ваттметром это не совсем правильно, потому как устройство многофункциональное и замеряет не только ватты, но и амперы, ватт/ч, ампер/ч…Устройство по сути представляет из себя мультиметр который измеряет всё и сразу
, да и помимо измерений делает расчёты потреблённой энергии, может точно рассчитать емкость аккумулятора (как при его зарядке так и при разрядке).

Ваттметр включается в разрыв цепи постоянного тока с напряжением до 60Вольт и способен пропустить через себя огромный ток до 100Ампер (я кратковременно пропускал более 300А но прибор при таком токе отключается), зачастую такой ток не возможно измерить обычным мультиметром (тестером), можно конечно использовать токовые клещи с функцией измерения постоянного тока (у меня есть Mastech MS2108) но тогда точность измерений будет не велика.

Итак, как я сказал включать прибор нужно последовательно в цепь между источником напряжения (тока) и потребителем.

сторона SOURCE

— сторона подключения источника тока (вход) сторона
LOAD
— сторона подключения нагрузки (выход)

Стороны подписаны на самом устройстве, а вот провода никак не отмаркировнны и к тому же имеют не прилично маленькую длину.

Проблему я решил сразу, разобрав корпус и перепаяв провода на более длинные и на концы сделал крокодилы для удобства (фото нет, но всё видно на видео)

В первую очередь применяю я такое устройство для замера ёмкости аккумуляторов. Иногда только так можно определить остаточную ёмкость старого АКБ, и понять сколько он потерял А/ч за срок службы. Так же по показаниям амперметра можно сразу определить заряжается ли АКБ или процесс заряда уже закончен и ток заряда упал до нуля или процесс заряда даже не начат. За время использования прибора было восстановлено пять АКБ и двум был поставлен не утешительный диагноз. Помимо замера ёмкости АКБ я прибором проверяю истинную мощность тех или иных устройств, например тех же китайских ламп или блоков питания…пару раз даже возвращал деньги за св. диодные лампы которые не соответствовали мощности из описания.

Так же устройство имеет функцию фиксации всех максимальных значений, но не имеет функции отключения нагрузки при падении напряжения источника питания. Это было бы удобно при том же разряде АКБ и проверке его на остаточную ёмкость, а так приходится «ловить» нижнее значение напряжение АКБ (обычно 10В) дабы не подвергнуть АКБ глубокому разряду. Так же в устройстве не предусмотрен таймер, поэтому засекать время нужно самому.

Из недостатков могу отметить только короткие провода, которые неудобны для подключения и наверное отсутствие какого либо предохранителя. Дело в том что были случаи когда по неосторожности я замыкал нагрузочные провода тем самым создав КЗ с током под 300А (источник был АКБ на 70А/ч), горели провода и думал что всё хана прибору, но к с частью при устранении КЗ прибор заново загружался и продолжал радовать своей безотказной работой, но всё же иметь какой либо предохранитель не помешало бы.

Как подключить

От правильности подключения ваттметра в конкретной части электроцепи зависит точность полученной информации. Надлежащая схема подключения ваттметра будет выглядеть таким образом: неподвижную катушку ваттметра последовательно соединяют с нагрузкой либо потребителями электричества.

Подвижная катушка подключается с вспомогательным сопротивлением, а после весь участок параллельно подключают к нагрузке. Подвижный участок рассматриваемого приспособления обладает определенным углом поворота.

Так как в схеме применяется добавочное сопротивление, электроцепь приспособления обладает фактически постоянным сопротивлением. Мощность определяется непосредственно по такому показателю.

В таком устройстве равномерным образом наносится шкала измерений, которая изготовлена в 1-стороннем варианте, когда положение делений продолжается от 0 вправо. Когда электрический ток изменит собственное направление, подобное ведет к изменениям в направлении поворота и вращению активной катушки. Когда подсоединение рассматриваемого приспособления произведено неверно и направление тока другое, электроприбор не будет работать.

Вам это будет интересно Проверка сопротивления

Из-за этих факторов нельзя путать зажимы, используемые для подсоединения. Последовательная обмотка обладает зажимом, который подключает к источнику питания. Параллельную электроцепь называют генераторной, обладает собственной клеммой для подключения фрагмента к проводу, который связан с последовательной катушкой.

Важно! При надлежащем подсоединении, токи в катушке ваттметра от генераторного направляются к негенераторному зажиму.

Подсоединение ваттметра

Microchip PIC18F252

Каждый, наверное, когда-нибудь задумывался над вопросом, сколько потребляет тот или иной бытовой электроприбор. Например, сколько энергии потребляет телевизор в дежурном режиме? Как изменяется энергопотребление холодильника в различных режимах работы? Для этих целей вам потребуется ваттметр переменного тока, и в статье мы подробно рассмотрим конструкцию одного из вариантов прибора (Рисунок 1).

Разрабатывать такие приборы для постоянного тока не имеет смысла ввиду того, что в этом случае все очень просто вычисляется с помощью известных законов и математических формул, при этом из измерительных приборов потребуется только амперметр. Для переменного тока все немного сложнее и раньше аналоговые ваттметры для переменного тока, хоть и обеспечивали высокую точность, были сложны в производстве, не говоря уже о цифровых ваттметрах и возможности сборки подобных приборов в домашних условиях. Современные технологии и элементная база позволяют проектировать многофункциональные устройства при минимальных затратах. Дешевые микроконтроллеры (МК) с богатой периферией и мощными вычислительными способностями заметно упрощают создание различных систем автоматизации и управления. Интегрированная прецизионная аналоговая периферия, а в некоторых МК и подсистема цифровой обработки сигналов, дают возможность разрабатывать многофункциональные измерительные приборы.

Цифровой ваттметр, конструкцию которого мы рассмотрим, предназначен для измерения потребляемой мощности устройств, подключенных к сети переменного напряжения 207 – 235 В / 50 Гц. Основным элементом ваттметра является 8-разрядный PIC микроконтроллер компании Microchip серии PIC18F252, который с помощью внешних АЦП выполняет измерение протекающег через нагрузку тока, напряжения на нагрузке, вычисляет действующее значение напряжения (эффективное значение) в сети, действующее значение тока и среднее значение потребляемой мощности. Все указанные параметры отображаются на двухстрочном символьном ЖК индикаторе.

Прибор не имеет отдельного источника питания. Используется встроенный сетевой блок питания, благодаря чему микроконтроллерная часть прибора полностью изолирована от аналоговых узлов, находящихся под напряжением сети.

Лучшие модели

На рынке существует большое количество таких измерительных приборов от европейских и отечественных производителей. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Необходимо детально исследовать наиболее популярные модели.

Вам это будет интересно Работа с токовыми клещами

ROBITON PM-1

Устройство, которое помогает контролировать расходование электрической энергии из электросети 1 потребителем. В нем совмещается в 1 корпусе вилка, розетка, электроблок и монитор, считывающий полученные данные.

Дает возможность вычислять мощность единичной, подсоединенной через устройство, нагрузки. Ваттметр определяет число используемой энергии за конкретный временной период и рассчитывает цену использованного электричества.

Плюсы:

компактные размеры, простота, адекватная цена;
возможность работы с любыми бытовыми устройства;
возможность определения числа энергии, которая потребляется нагревателем.

Минусы:

плохо продумано обнуление;
работает лишь в тепле.

ROBITON PM-1

HiDANCE 3680W AC Power Meter

Компактное бытовое электронное приспособление с расширенным функционалом. Дает возможность определять силу напряжения переменного тока. Рассчитывается потребляемая мощность и ее коэффициент.

Присутствует функция определения цены используемой энергии. Устройство комфортно во время тестирования быттехники, электроприборов и нагревателей любого типа в целях расчета экономической эффективности.

Плюсы:

яркий дизайн, аккуратная сборка цифрового прибора;
высокоточные измерения, наглядно отображается результат;
большое количество режимов.

Минусы:

необходимо снова вводить стоимость после обнуления информации;
приваренные штыри увилки.

HiDANCE 3680W AC Power Meter

Espada TSL 1500WB

Легкий для освоения и использования ваттметр, который тестирует быттехнику по уровню потребленной энергии. Крайне комфортен, чтобы проверять потребление электроэнергии в процессе выбора обогревателя. Устройство в кратчайший период времени показывает реальную мощность, траты и цену электроэнергии.

Помогает рассчитывать теплоэффективность и траты на протяжении отопительного сезона. Предусматривается опция введения информации при 2-хтарифном счётчике. Изделие сигнализирует о нештатной ситуации либо превышении силы тока, мощности.

Плюсы:

высокоточное изделие, скорость измерений;
подсвечивается монитор, большие цифры;
расчёт цены электричества.

Минусы:

непостоянная подсветка;
трудно менять источник питания.

Espada TSL 1500WB

TP-Link HS110

Прибор контролирует и осуществляет замеры на дистанции посредством сети с помощью смартфона либо иного электроприбора. Предусматривается опция автоподключения либо выключения потребителей энергии.

Мониторинг на дистанции потребления электроэнергии дает возможность выбирать надлежащий режим функционирования быттехники либо отопительных систем. Ваттметр помогает выставлять требуемую мощность.

Плюсы:

опция контроля на расстоянии;
компактные размеры, функционирует с любой бытовой техникой;
адекватная стоимость.

Минусы:

восприимчивость к качеству сети.

TP-Link HS110

Список использованных компонентов

Обозначение в схеме	Наименование, номинал	Корпус, примечание
U1, U2	78L05	SOT-89
U3	REF03	SO-8
U4	ACS712-20A	SO-8
U5, U10	MCP3202-BI/SN	SO-8
U6, U7, U8	HCPL-0630	SO-8
U9	PIC18F252-I/SO	SO-28
BR1, BR2	Диодный мост DF08S	800 В / 1 А
TR1	Трансформатор HR-E3013051	2 × 6 В, 1. 5 VA
LCD1	TC1602D	Двухстрочный ЖК индикатор
C1, C18	470 мкФ 25 В	10 мм × 10 мм
C2, C17	100 мкФ 16 В	6.3 мм × 5.4 мм
C11, C12	22 пФ 50 В	smd 0805, керамика
C9	1 нФ 50 В	smd 0805, керамика
C2, C4, C5, C6, C7, C8,C10, C13, C22, C14, C15, C16, C17, C20	100 нФ 50 В	smd 0805, керамика
C21	1 мкФ 25 В	smd 1206, керамика
R16	0 Ом	smd 0805, 1%
R2, R3	1 МОм
R5, R6, R17	1 кОм
R1, R14, R15, R18, R19	10 кОм
R7, R8, R9, R13	2.5 кОм
R4, R10, R11, R12	330 Ом
D2, D3	Красный светодиод	smd 0805
D1	Диод Шоттки SS14	1 А / 40 В, корпус SMA
Y1	Кварцевый резонатор 20 МГц
F1	Держатель предохранителя	Для поверхностного монтажа
J1, J2	Винтовой клемник 1×3	шаг 5. 2 мм
J3	Штыревой разъем 1×5	шаг 2.5 мм

Печатная плата

Проект печатной платы тоже выполнен в среде SoloPCB. Проектирование прибора в качестве портативного устройства было хорошей идеей, при этом контур печатной платы был спроектирован в Autocad и затем экспортирован в среду SoloPCB (Рисунок 5).


Рисунок 5.	Вид проекта печатной платы цифрового ваттметра в среде SoloPCB.

Печатные проводники силовых линий (фаза, нейтраль, заземление), соединяющие входной (AC IN) и выходной (AC OUT) разъемы, сделаны широкими, насколько это возможно, все блокировочные конденсаторы расположены как можно ближе к микросхемам. Шины аналоговой (AGND) и цифровой «земли» (DGND) выполнены отдельными. Все компоненты расположены на верхнем слое.

Примечание:

При проектировании схемы и печатной платы в среде SoloPCB некоторые элементы, которые отсутствовали в библиотеках, были созданы вручную. Библиотека этих элементов входит в состав архива с проектными файлами, который вы сможете скачать в секции загрузок.

Программа микроконтроллера

Как мы заметили выше, микроконтроллер считывает значения напряжения и тока каждую 1 мс и накапливает 40 измерений каждого параметра, что соответствует двум периодам для частоты 50 Гц. Затем выполняется вычисление действующих значений и потребляемой мощности. Период 1 мс генерируется с помощью встроенного таймера Timer A, работающего в 16-битном режиме с выработкой сигнала прерывания по переполнению.

После получения всех выборок выполняется вычисление действующих (среднеквадратичных) значений напряжения и тока по формуле:

Следует заметить, что полученные выборки содержат также фазовое соотношение между напряжением и током. Таким образом, активная мощность переменного тока, которая вычисляется по формуле (V×I×cosθ), может быть получена вычислением средней мощности с использованием следующей формулы:

Все вычисленные значения отображаются на экране ЖК индикатора. Для работы с индикатором применяется библиотека lcd.h для компилятора CCS C.


Рисунок 6.	Измерение потребляемой мощности паяльной станции с помощью цифрового ваттметра.


Рисунок 7.	Измерение потребляемой мощности 2 кВт водонагревателя.

Типы ваттметров

Измерению мощности предшествует измерение силы тока и напряжения исследуемого участка цепи.

В зависимости способов измерения, преобразования данных и показа итоговой информации, ваттметры делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые ваттметры бывают показывающие и самопишущие и отражают активную мощность участка цепи. Табло показывающего прибора имеет полукруглую шкалу и поворачивающуюся стрелку. Деления шкалы отградуированы в соответствии с определенными величинами мощности, измеряемой в ваттах (Вт).

Цифровые ваттметры измеряют как активную, так и реактивную мощность. Кроме того, на дисплей прибора могут выводиться (кроме показания мощности) также и сила тока, напряжение, и расход энергии по времени. Данные измерений можно вывести удаленно на компьютер оператора.

Видео о ваттметре из Китая:

Схема включения ваттметра

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
.

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.

Рис.
8.3.

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.

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.

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.

Рассмотренный измеритель проходящей мощности обладает следующими достоинствами:

может работать при любой нагрузке, а не только при согласованной;
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 T 0
– 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 .

Измерение мощности производят обычно с помощью ваттметра электродинамической системы, в котором имеются две катушки — неподвижная и подвижная.

Подвижная катушка, выполненная из очень тонкого провода, имеет практически чисто активное сопротивление и называется параллельной обмоткой. Ее включают параллельно участку цепи, подобно вольтметру. Жестко скрепленная со стрелкой (указателем), она может вращаться в магнитном поле, создаваемом непод вижной катушкой.

Неподвижная катушка, выполненная из довольно толстого провода, имеет очень малое активное сопротивление и называется последовательной обмоткой. Ее включают в цепь последовательно, подобно амперметру.

На электрической схеме ваттметр изображают, как показано на рис. 3.22. Одна пара концов (на рисунке обычно расположена горизонтально) принадлежит последовательной обмотке, другая пара концов (на рисунке расположена вертикально) — параллельной. На концах одноименных зажимов обмоток (например, у начала обмоток) принято ставить точки.

Вращающий момент ваттметра, а следовательно, и его показания пропорциональны действительной части произведения комплексного напряжения на параллельной обмотке ваттметра на сопряженный комплекс тока втекающего в конец последовательной (токовой) обмотки ваттметра и снабженной точкой:

Напряжение на параллельной обмотке берут равным разности потенциалов между ее концом, имеющим точку (точка а), и ее концом, не имеющим точки (точка ). Предполагается, что ток втекает в конец последовательной обмотки, у которого поставлена точка.

Цена деления ваттметра определяется как частное от деления произведения номинального напряжения на номинальный ток (указывают на лицевой стороне прибора) на число делений шкалы.

Пример 41. Номинальное напряжение ваттметра 120 В. Номинальный ток 5 А. Шкала имеет 150 делений. Определить цену деления ваттметра.

Решение. Цена деления ваттметра равна

Угол поворота подвижной части ваттметра:

α = k2IIu = k2U/Ru

где I
— ток последовательной катушки; I
и — ток параллельной катушки ваттметра.

Рис. 1. Схема устройства и соединений ваттметра

Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи.

Рис. 2. Правильная схема включения ваттметра

Рис. 3. Правильная схема включения ваттметра

Рис. 4. Неправильная схема включения ваттметра

Активная
(поглощаемая электрической цепью)
мощность

P
a
=UIcos


> = I

2


R=U
2
/R,
(1)

где
U
,
I

—
действующие значения напряжения и тока;

— угол сдвига
фаз.

Реактивная мощность

Р
р

=
UIsin


=
I
2
X
.
(2)

Полная мощность

P
n

=
UI
=
PZ
.
Эти
три типа мощности связаны выражением

P

=(Р
а

2
+Р
2
р
)
(3)

Измерение
реактивной энергии представляет интерес
только для
промышленных трехфазных цепей.

Метод
амперметра и вольтметра. В этом случае
приборы
включаются по двум схемам (рис.1).

Мощность
Р
х
,
вычисленная
по показаниям приборов (рис. 1а), имеет
вид

Мощность
Р
х
,
вычисленная
по показаниям приборов (рис 1.,
б),
имеем
вид

P
=
U
н

I
н
.
(4)

В
широком диапазоне частот применяются
цифровые ваттметры, основу

Для
измерения мощности в высокочастотных
цепях также используются
специальные и электронные ваттметры.

а
—
звездой; б
—
треугольником;
в
~-
с
искусственной нулевой точкой

Рис.4.
Схемы включения двух ваттметров в
трехфазную цепь: а
—
в 1-ю и 3-ю; б
—
в 1-ю и 2-ю; в
—
в 2-ю и 3-ю

Р =
3
P
w

При
активной нагрузке (=
0) показания ваттметров будут одинаковы,
так как P
W
]

=
P
W
2

IUcos
30°.

4.
Измерение фазы и частоты

В
трехфазной симметричной цепи величина
cos
может быть определена
следующими измерениями:

мощность, ток и
напряжение одной фазы;

измерение активной
мощности методом двух ваттметров;

измерение
реактивной мощности методом двух
ваттметров с искусственной
нейтральной точкой.

Погрешность
измерения 
х

зависит
от погрешности отсчета и фазовой
погрешности осциллографа.

Этот
метод позволяет измерять  х
в пределах 0 90 о
без определения знака фазового угла.

Погрешность
измерения  х
также определяется погрешностью отсчета

и
расхождениями в фазовых сдвигах каналов
Х
и

Y

осциллографа.

Низкие частоты:
инфразвуковые — ниже 20 Гц; звуковые —
20…20000 Гц; ультразвуковые — 20…200 кГц.

Высокие частоты:
высокие — от 200 кГц до 30 МГц; ультравысокие
— 30…300 МГц.

Прямое
измерение. Метод основан на применении
электромеханических,
электронных и цифровых частотомеров.

МЕТОДЫ
И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ЦЕПЕЙ

Подключение ваттметра. Включение ваттметра в измеряемую цепь. Включение ваттметра в цепь переменного тока, при токе нагрузки больше допустимого

Сегодня нами будет рассмотрена катушка индуктивности в цепи переменного тока, узнаем, в чем бы была разница, если бы цепь питалась от постоянного тока, а также много интересных особенностей этого простого, но очень важного радиоэлемента.

Для начала давайте определим назначение этой детали, а также основные понятия и термины, связанные с ней.

Что такое катушка индуктивности

Катушка индуктивности – это радиоэлемент, применяющийся в разных схемах для следующего:

Сглаживание биений;
Подавление помех;
Ограничение переменного тока;
Накопление энергии и прочее.

Представляет собой данный элемент спиральную, винтовую или винтоспиральную катушку, сделанную из изолированного проводника. Деталь обладает относительно малой емкостью и малым активным сопротивлением, при этом у него имеет высокая индуктивность, то есть способность возникновения ЭДС (электродвижущей силы) в проводнике, при протекании в цепи электрического тока.

Катушка индуктивности, в зависимости от места и цели применения может иметь и другие названия. Например, если элемент используется для изоляции по высокой частоте в разных частях схемы, накоплении энергии магнитного поля сердечника, сглаживания пульсаций и подавления помех, катушку называют дросселем либо реактором (второе название употребляется редко).
Если говорить про силовую электротехнику, то там устоялось название ректор – его применяют при необходимости ограничения тока, например, если произошло замыкание на ЛЭП.

Бывают также и цилиндрические катушки индуктивности, называемые соленоидами. Длина такого цилиндра в несколько раз превышает его диаметр.

Интересно знать! Магнитное поле внутри соленоида однородно. Данное магнитное поле может выполнять механическую работу, втягивая ферритовый сердечник.

Применяются катушки индуктивности и в электромагнитных реле, где их называют обмоткой реле.
Устанавливаются подобные элементы и в индукционные нагреватели – тут их называют нагревательными индукторами.

Также можно услышать термины вроде индукционного накопителя или накопительного дросселя, если речь идет об устройствах импульсной стабилизации напряжения.

Конструкционные особенности

Конструкционно катушка индуктивности представляет собой намотанную по спирали или винтом изолированную одножильный или многожильный проводник (чаще, лакированная медная проволока), вокруг диэлектрического сердечника (каркаса). Форма сердечника может быть круглой, тороидальной, прямоугольной, квадратной. Материалы, применяемые для сердечника, имеют магнитную проницаемость выше, чем у воздуха, что дополнительно удерживает магнитное поле возле катушки, а значит, увеличивается и индуктивность.

Существуют и катушки, вовсе не имеющие сердечника, или же он является регулируемым, что позволяет менять индуктивность детали.

Намотка проводника может быть как однослойной, ее еще называют рядовой с шагом, или многослойной (применяются названия универсал, внавал, рядовая). Расстояние между витками называется шагом.

Применение

Используются катушки в схемах обработки сигналов и аналоговых схемах. В сочетании с конденсаторами и прочими радиокомпонентами могут формировать участки схем, которые усиливают или отфильтровывают определенные сигналы.

Широко применяются дроссели в источниках питания, где они вместе с конденсаторами фильтра призваны устранить остаточные помехи и прочие колебания, возникающие на выходе.

Если две катушки соединить одним магнитным полем, то получится трансформатор – устройство, способное передавать электричество от одной части цепи к другой, за счет электромагнитной индукции, попутно меняя величину напряжения.

Для справки! Трансформаторы способны функционировать только с переменным током.

Основные характеристики катушек индуктивности

Прежде чем разбираться с тем, как ведет себя ток, проходя в цепи через катушку индуктивности, давайте сначала узнаем главные характеристики этого элемента.

Прежде всего, нас интересует индуктивность – значение, численно выражающаяся соотношением потока магнитного поля, которое создается протекающим током, к силе этого самого тока. Измеряется этот параметр в Генри (Гн).
Если говорить более простым языком, то это явление можно описать так. При протекании тока через катушку индуктивности создается электромагнитное поле, которое напрямую связано с ЭДС, которая оказывает противодействие изменению переменного напряжения, то есть в цепи возникает ток, который течет в обратном направлении основному.
Измерение силы тока на катушке индуктивности и переменного напряжения, противостоят данной силе, точнее наоборот. Это свойство элемента называется индуктивным сопротивлением, которое находится в противофазе реактивному емкостному сопротивлению конденсатора, включенному в цепь переменного тока.

Il = U / XL и IC = U / XC

Резонанс токов

Следовательно:

fрез = 1 / 2π√LC

Lрез = 1 / ω 2 С

Срез = 1 / ω 2 L

Резонанс напряжений

Когда источник ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление включены между собой последовательно, то резонанс в такой цепи называется последовательным резонансом или резонансом напряжений. Характерная черта резонанса напряжений — значительные напряжения на емкости и на индуктивности, по сравнению с ЭДС источника.

Причина появления такой картины очевидна. На активном сопротивлении по закону Ома будет напряжение Ur, на емкости Uc, на индуктивности Ul, и составив отношение Uc к Ur можно найти величину добротности Q. Напряжение на емкости будет в Q раз больше ЭДС источника, такое же напряжение окажется приложенным к индуктивности.

То есть резонанс напряжений приводит к возрастанию напряжения на реактивных элементах в Q раз, а резонансный ток будет ограничен ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, сопротивление последовательного контура на резонансной частоте минимально.

Резонанс токов

Когда источник ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление включены между собой параллельно, то резонанс в такой цепи называется параллельным резонансом или резонансом токов. Характерная черта резонанса токов — значительные токи через емкость и индуктивность, по сравнению с током источника.

Причина появления такой картины очевидна. Ток через активное сопротивление по закону Ома будет равен U/R, через емкость U/XC, через индуктивность U/XL, и составив отношение IL к I можно найти величину добротности Q. Ток через индуктивность будет в Q раз больше тока источника, такой же ток будет течь каждые пол периода в конденсатор и из него.

То есть резонанс токов приводит к возрастанию тока через реактивные элементы в Q раз, а резонансная ЭДС будет ограничена ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, на резонансной частоте сопротивление параллельного колебательного контура максимально.

Применение резонанса токов

Аналогично резонансу напряжений, резонанс токов применяется в различных фильтрах. Но включенный в цепь, параллельный контур действует наоборот, чем в случае с последовательным: установленный параллельно нагрузке, параллельный колебательный контур позволит току резонансной частоты контура пройти в нагрузку, поскольку сопротивление самого контура на собственной резонансной частоте максимально.

Установленный последовательно с нагрузкой, параллельный колебательный контур не пропустит сигнал резонансной частоты, поскольку все напряжение упадет на контуре, а на нагрузку придется мизерная доля сигнала резонансной частоты.

Так, основное применение резонанса токов в радиотехнике — создание большого сопротивления для тока определенной частоты в ламповых генераторах и усилителях высокой частоты.

В электротехнике резонанс токов используется с целью достижения высокого коэффициента мощности нагрузок, обладающих значительными индуктивными и емкостными составляющими.

Например, установки компенсации реактивной мощности (КРМ) представляют собой конденсаторы, подключаемые параллельно обмоткам асинхронных двигателей и трансформаторов, работающих под нагрузкой ниже номинальной.

К таким решениям прибегают как раз с целью достижения резонанса токов (параллельного резонанса), когда индуктивное сопротивление оборудования делается равным емкостному сопротивлению подключаемых конденсаторов на частоте сети, чтобы реактивная энергия циркулировала между конденсаторами и оборудованием, а не между оборудованием и сетью; чтобы сеть отдавала энергию только тогда, когда оборудование нагружено и потребляет активную мощность.

Когда же оборудование работает в холостую, сеть оказывается подключена параллельно резонансному контуру (внешние конденсаторы и индуктивность оборудования), который представляет для сети очень большое комплексное сопротивление и позволяет снизитьсякоэффициенту мощности.

ЛитератураПравить

§ Власов В. Ф.
Курс радиотехники. М.: Госэнергоиздат, 1962. С. 928.

§ Изюмов Н. М., Линде Д. П.
Основы радиотехники. М.: Госэнергоиздат, 1959. С. 512.

Параллельное включение конденсатора и катушки индуктивности в цепь переменного тока

Рассмотрим явления в цепи переменного тока, содержащей генератор, конденсатор и катушку индуктивности, соединенные параллельно. Предположим при этом, что активным сопротивлением цепь не обладает.

Очевидно, в такой цепи напряжение как на катушке, так и на конденсаторе в любой момент времени равно напряжению, развиваемому генератором.

Общий же ток в цепи слагается из токов в ее разветвлениях. Ток в индуктивной ветви отстает по фазе от напряжения на четверть периода, а ток в емкостной ветви опережает его на те же четверть периода. Поэтому токи в ветвях в любой момент времени оказываются сдвинутыми по фазе один относительно другого на полупериода, т. е. находятся в противофазе. Таким образом токи в ветвях в любой момент времени направлены навстречу один другому, а общий ток в неразветвленной части цепи равен разности их.

Это дает нам право написать равенство I = IL -IC

где I — действующее значение общего тока в цепи, IL и IC — действующие значения токов в.ветвях.

Пользуясь законом Ома для определения действующих значений тока в ветвях, получим:

Il = U / XL и IC = U / XC

Если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, т. е. XL больше XC, ток в катушке меньше тока в конденсаторе; следовательно, ток в неразветвленном участке цепи носит емкостный характер, и цепь в целом для генератора будет емкостной. И, наоборот, при ХC большем XL, ток в конденсаторе меньше тока в катушке; следовательно, ток в неразветвленном участке цепи имеет индуктивный характер, и цепь в целом для генератора будет индуктивной.

При этом не следует забывать, что в том и другом случае нагрузка реактивная, т. е. цепь не потребляет энергии генератора.

Резонанс токов

Рассмотрим теперь случай, когда у параллельно соединенных конденсатора и катушки оказались равными их реактивные сопротивления, т. е. XlL = XC.

Если мы, как и прежде, будем считать, что катушка и конденсатор не обладают активным сопротивлением, то при равенстве их реактивных сопротивлений (YL = YC) общий ток в неразветвленной части цепи окажется равным нулю, тогда как в ветвях будут протекать равные токи наибольшей величины. В цепи в этом случае наступает явление резонанса токов.

При резонансе токов действующие значения токов в каждом разветвлении, определяемые отношениями IL = U / XL и IC= U / XC будут равны между собой, так XL = ХC.

Вывод, к которому мы пришли, может показаться на первый взгляд довольно странным. Действительно, генератор нагружен двумя сопротивлениями, а тока в неразветвленной части цепи нет, тогда как в самих сопротивлениях протекают равные и притом наибольшие по величине токи.

Объясняется это поведением магнитного поля катушки и электрического поля конденсатора. При резонансе токов, как и при резонансе напряжений, происходит колебание энергии между полем катушки и полем конденсатора. Генератор, сообщив однажды энергию цепи, сказывается как бы изолированным. Его можно было бы совсем отключить, и ток в разветвленной части цепи поддерживался бы без генератора энергией, которую в самом начале запасла цепь. Равно и напряжение на зажимах цепи оставалось бы точно таким, какое развивал генератор.

Таким образом, и при параллельном соединении катушки индуктивности и конденсатора мы получили колебательный контур, отличающийся от описанного выше только тем, что генератор, создающий колебания, не включен непосредственно в контур и контур получается замкнутым.

Графики токов, напряжения и мощности в цепи при резонансе токов: а — активное сопротивление равно нулю, цепь мощности не потребляет; б — цепь обладает активным сопротивлением, в неразветвленной части цепи появился ток, цепь потребляет мощность

Значения L, С и f, при которых наступает резонанс токов, определяются, как и при резонансе напряжений (если пренебречь активным сопротивлением контура), из равенства:

Следовательно:

fрез = 1 / 2π√LC

Lрез = 1 / ω 2 С

Срез = 1 / ω 2 L

Изменяя любую из этих трех величин, можно добиться равенства Xl = Xc, т. е. превратить цепь в колебательный контур.

Итак, мы получили замкнутый колебательный контур, в котором можно вызвать электрические колебания, т. е. переменный ток. И если бы не активное сопротивление, которым обладает всякий колебательный контур, в нем непрерывно мог бы существовать переменный ток. Наличие же активного сопротивления приводит к тому, что колебания в контуре постепенно затухают и, чтобы поддержать их, необходим источник энергии — генератор переменного тока.

В цепях несинусоидального тока резонансные режимы возможны для различных гармоничных состовляющих.

Резонанс токов широко используется в практике.
Явление резонанса токов используется в полосовых фильтрах как электрическая «пробка», задерживающая определенную частоту. Так как току с частотой f оказывается значительное сопротивление, то и падение напряжения на контуре при частоте f будет максимальным. Это свойство контура получило название избирательность, оно используется в радиоприемниках для выделения сигнала конкретной радиостанции. Колебательный контур, работающий в режиме резонанса токов, является одним из основных узловэлектронных генераторов.

Если в цепь переменного тока включены последовательно катушка индуктивности иконденсатор, то они по-своему воздействуют на генератор, питающий цепь, и на фазовые соотношения между током и напряжением.

Катушка индуктивности вносит сдвиг фаз, при котором ток отстает от напряжения на четверть периода, конденсатор же, наоборот, заставляет напряжение в цепи отставать по фазе от тока на четверть периода. Таким образом, действие индуктивного сопротивления на сдвиг фаз между током и напряжением в цепи противоположно действию емкостного сопротивления.

Это приводит к тому, что общий сдвиг фаз между током и напряжением в цепи зависит от соотношения величин индуктивного и емкостного сопротивлений.

Если величина емкостного сопротивления цепи больше индуктивного, то цепь носит емкостный характер, т. е. напряжение отстает по фазе от тока. Если же, наоборот, индуктивное сопротивление цепи больше емкостного, то напряжение опережает ток, и, следовательно, цепь носит индуктивный характер.

Общее реактивное сопротивление Хобщ рассматриваемой нами цепи определяется путем сложения индуктивного сопротивления катушки X L и емкостного сопротивления конденсатора Х С.

Но так как действие этих сопротивлений в цепи противоположно, то одному из них, а именно Хс приписывается знак минус, и общее реактивное сопротивление определяется по формуле:

Применив к этой цепи закон Ома, получим:

Формулу эту можно преобразовать следующим образом:

В полученном равенстве IX L -действующее значение слагающей общего напряжения цепи, идущей на преодоление индуктивного сопротивления цепи, а IХ С -действующее значение слагающей общего напряжения цепи, идущей на преодоление емкостного сопротивления.

Таким образом, общее напряжение цепи, состоящей из последовательного соединения катушки и конденсатора, можно рассматривать как состоящее из двух слагаемых, величины которых зависят от величин индуктивного и емкостного сопротивлений цепи.

Мы считали, что такая цепь не обладает активным сопротивлением. Однако в тех случаях, когда активное сопротивление цепи не настолько уже мало, чтобы им можно было пренебречь, общее сопротивление цепи определяется следующей формулой:

где R — общее активное сопротивление цепи, X L -Х С — ее общее реактивное сопротивление. Переходя к формуле закона Ома, мы вправе написать:

Переменный ток

Как известно, сила тока в любой момент времени пропорциональна ЭДС источника тока (закон Ома для полной цепи). Если ЭДС источника не изменяется со временем и остаются неизменными параметры цепи, то через некоторое время после замыкания цепи изменения силы тока прекращаются, в цепи течет постоянный ток.

Однако в современной технике широко применяются не только источники постоянного тока, но и различные генераторы электрического тока, в которых ЭДС периодически изменяется. При подключении в электрическую цепь генератора переменной ЭДС в цепи возникают вынужденные электромагнитные колебания или переменный ток.

Переменный ток
– это периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника

Переменный ток
– это электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону.

Мы в дальнейшем будем изучать вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, гармонически меняющегося с частотой ω
по синусоидальному или косинусоидальному закону:

u=Um⋅sinωt u=Um⋅sin⁡ωt или u=Um⋅cosωt u=Um⋅cos⁡ωt ,

где u
– мгновенное значение напряжения, U
m – амплитуда напряжения, ω
– циклическая частота колебаний. Если напряжение меняется с частотой ω
, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой, но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае

i=Im⋅sin(ωt+φc) i=Im⋅sin⁡(ωt+φc) ,

где φ
c – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения.

Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.

Резистор в цепи переменного тока

Пусть цепь состоит из проводников с малой индуктивностью и большим сопротивлением R
(из резисторов). Например, такой цепью может быть нить накаливания электрической лампы и подводящие провода. Величину R
, которую мы до сих пор называли электрическим сопротивлением или просто сопротивлением, теперь будем называть активным сопротивлением
. В цепи переменного тока могут быть и другие сопротивления, зависящие от индуктивности цепи и ее емкости. Сопротивление R
называется активным потому, что, только на нем выделяется энергия, т.е.

Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным сопротивлением
.

Итак, в цепи имеется резистор, активное сопротивление которого R
, а катушка индуктивности и конденсатор отсутствуют (рис. 1).

Пусть напряжение на концах цепи меняется по гармоническому закону

u=Um⋅sinωt u=Um⋅sin⁡ωt .

Как и в случае постоянного тока, мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения. Поэтому можно считать, что мгновенное значение силы тока определяется законом Ома:

i=UR=Um⋅sinωtR=Im⋅sinωt i=UR=Um⋅sin⁡ωtR=Im⋅sin⁡ωt .

Следовательно, в проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения (рис. 2), а амплитуда силы тока равна амплитуде напряжения, деленной на сопротивление:

При небольших значениях частоты переменного тока активное сопротивление проводника не зависит от частоты и практически совпадает с его электрическим сопротивлением в цепи постоянного тока.

Применение: Постоянный ток широко используется в технике: подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. Переменный ток используется преимущественно для более удобной передачи от генератора до потребителя. Иногда в некоторых устройствах постоянный ток преобразуют в переменный ток преобразователями (инверторами).

ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Всякое движение электрических зарядов называют электрическим током. В металлах могут свободно перемещаться электроны, в проводящих растворах — ионы, в газах могут существовать в подвижном состоянии и электроны, и ионы.

Условно за направление тока считают направление движения положительных частиц, поэтому металлахнаправление тивоположно направлению движения электронов.

Плотность тока — величина заряда, проходящего в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к линиям тока. Эта величина обозначается j и рассчитывается следующим образом:

Здесь n — концентация заряженных частиц, e — заряд каждой из частиц, v — их скорость.

Сила тока i — величина заряда, проходящего в единицу времени через полное сечение проводника. Если за время dt через полное сечение проводника прошел заряд dq, то

По другому, сила тока находится интегрированием плотности тока по всей поверхности любого сечения проводника. Единица измерения силы тока — Ампер. Если состояние проводника (его температура и др.) стабильно, то между приложенным к его концам напряжением и возникающим при этом током существует однозначная связь. Она называется Закон Ома и записывается так:

R — электрическое сопротивление проводника, зависящее от рода вещества и от его геометрических размеров. Единичным сопротивлением обладает проводник, в котором возникает ток 1 А при напряжении 1 В. Эта единица сопротивления называется Ом.

Закон Ома в дифференциальной форме:

где j — плотность тока, Е — напряженность поля,  — проводимость. В этой записи закон Ома содержит величины, характеризующие состояние поля в одной и той же точке.

Различают последовательное и параллельное соединения проводников.
При последовательном соединении ток, протекающий по всем участкам цепи, одинаков, а напряжение на концах цепи складывается как алгебраическая сумма напряжений на всех участках

При параллельном соединении проводников постоянным остается напряжение, а ток складывается из суммы токов, протекающих по всем ветвям. В этом случае складываются величины, обратные сопротивлению:

Для получения постоянного тока на заряды в электрической цепи должны действовать силы, отличные от сил электростатического поля; их называют сторонними силами.

Если рассматривать полную электрическую цепь, необходимо включить в нее действие этих сторонних сил и внутренне сопротивление источника тока r. В этом случае закон Ома для полной цепи примет вид

Е — электродвижущая сила (ЭДС) источника. Она измеряется в тех же единицах, что и напряжение. Величину (R+r) называют иногда полным сопротивлением цепи.

Сформулируем правила Киркгофа
:

Первое правило:
алгебраическая сумма сил токов в участках цепи, сходящихся в одной точке разветвления, равна нулю.

Второе правило:
для любого замкнутого контура сумма всех падений напряжения равна сумме всех ЭДС в этом контуре.

Мощность тока рассчитывается по формуле

Закон Джоуля-Ленца.
Работа электрического тока (тепловое действие тока)

A=Q=UIt=I2Rt=U2t/R.

Электрический ток в металлах есть движение электронов, ионы металла участия в переносе электрического заряда не принимают. Другими словами, в металлах есть электроны, способные перемещаться по металлу. Они получили название электронов проводимости. Положительные заряды в металле представляют собой ионы, образующие кристаллическую решетку. В отсутствии внешнего поля электроны в металле движутся хаотично, претерпевая соударения с ионами решетки. Под воздействием внешнего электрического поля электроны начинают упорядоченное движение, накладывающееся на их прежние хаотические флуктуации. В процессе упорядоченного движения электроны по-прежнему сталкиваются с ионами кристаллической решетки. Именно этим и обусловлено электрическое сопротивление.

В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам классической механики. Взаимодействием электронов между собой пренебрегают, взаимодействие электронов с ионами сводят только к соударениям. Можно сказать, что электроны проводимости рассматривают как электронный газ, подобный идеальному атомарному газу в молекулярной физике. Поскольку средняя кинетическая энергия на одну степень свободы для такого газа равна kT/2, а свободный электрон обладает тремя степенями свободы, то

где v2t — среднее значение квадрата скорости теплового движения.
На каждый электрон действует сила, равная еЕ, в результате чего он приобретает ускорение еЕ/m. Скорость к концу свободного пробега равна

где t — среднее время между соударениями.

Поскольку электрон движется равноускоренно, его средняя скорость равна половине максимальной:

Среднее время между соударениями есть отношение длины свободного пробега к средней скорости:

Поскольку обычно скорость упорядоченного движения много меньше тепловой скорости, то скоростью упорядоченного движения пренебрегли.

Окончательно, имеем

Коэффициент пропорциональности между vc и Е называется подвижность электронов.

С помощью классической электронной теории газов могут быть объяснены многие закономерности — закон Ома, закон Джоуля-Ленца и другие явления, однако эта теория не может объяснить, например, явления сверхпроводимости:

При определенной температуре удельное сопротивление для некоторых веществ скачком уменьшается практически до нуля. Это сопротивление настолько мало, что однажды возбужденный в сверхпроводнике электрический ток существует длительное время без источника тока. Несмотря на скачкообразное изменение сопротивления, другие характеристики сверхпроводника (теплопроводность, теплоемкость и др.) не меняются либо меняются мало.

Более точным методом, объясняющим такие явления в металлах, является подход с использованием квантовой статистики.

Электрический ток в газах

В обычном состоянии газы не проводят электричества. Однако под влиянием различных внешних факторов (высокая температура, различные излучения) газы становятся электропроводящими. Это происходит вследствие того, что от нейтральных атомов отделяются электроны и образуются проводящие частицы — положительные ионы и свободные электроны. Часть свободных электронов может быть захвачена нейтральными атомами и образуются отрицательные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Ионизация атома (отрыв электрона) требует определенной энергии, величина которой зависит от строения атома и называется энергией ионизации.

Если ионизацию не поддерживать, например, бомбардируя атомы электронами, ускоренными во внешнем электрическом поле, то со временем происходит рекомбинация ионов — положительный и отрицательный ион в результате теплового движения сталкиваются и избыточный электрон переходит к положительному иону. В результате образуется два нейтральных атома. Рассмотрим принципиальную схему, изображенную на рисунке:

Пусть на отрицательный электрод падают ультрафиолетовые лучи, обеспечивающие ионизацию газа. Если увеличивать напряжение между электродами (например, плавно уменьшая сопротивление r) то сила тока будет увеличиваться, пока не достигнет максимума (тока насыщения), при котором все свободные электроны достигают противоположного электрода.

Сила тока насыщения зависит только от интенсивности процесса ионизации (в нашем случае, от интенсивности ультрафиолетовых лучей). Если снять внешнюю ионизацию, разряд между электродами исчезнет. Такие разряды называются несамостоятельными. Если же продолжать уменьшать сопротивление (увеличивая тем самым напряжение) произойдет резкое (в сотни раз) увеличение силы тока, в газе появятся световые и тепловые эффекты. Если прекратить действие ионизатора, то разряд будет продолжаться. Это значит, что новые ионы для поддержания разряда образуются благодаря процессам в самом разряде. Такие разряды называют самостоятельными.

Дело в том, что с увеличением напряжения возрастает скорость и кинетическая энергия электрона, и он при столкновении с атомом сам способен произвести его ионизацию — высвободить еще один электрон. На следующем этапе два электрона образуют уже четыре и т.д. Происходит лавинообразное увеличение количества носителей. Это явление получило название электронной (или ионной) лавины, а напряжение, при котором это происходит — напряжением пробоя газового промежутка (напряжением зажигания газового разряда).

В зависимости от свойств и внешнего вида разрядов различают коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды.

В различных формах газового разряда иногда образуется сильно ионизированный газ, в котором концентрация электронов приблизительно равна концентрации положительных ионов. Такая система получила название ионной плазмы.

Ток в вакууме

Как известно, в металлах имеются электроны проводимости, образующие «электронный газ» и участвующие в тепловом движении. Для того, чтобы свободный электрон мог выйти из металла, должна быть совершена определенная работа, различная для разных металлов и названная работой выхода.

Существование работы выхода показывает, что в поверхностном слое металла существует электрическое поле, значит, электрический потенциал при переходе через этот слой изменяется на некоторую величину, также специфичную для разных металлов. Эта поверхностная разность потенциалов связана с работой выхода соотношением:

Поскольку выйти из металла могут только «самые быстрые» электроны, то можно записать условие выхода так mv 2 /2>ef

В обычных условиях работа выхода в сотни раз больше энергии теплового движения электронов, поэтому подавляющее большинство их остается в металле. Но если сообщить электронам дополнительную энергию, можно наблюдать явление испускания электронов или электронной эмиссии. В зависимости от того, каким образом сообщена дополнительная энергия, различают термоэлектронную эмиссию, фотоэмиссию, вторичную электронную эмиссию и др.

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии используется принципиальная схема, содержащая вакуумный диод (см. рис.).

В такой цепи возникнет ток, только если катод раскалить до высокой температуры. Вольт-амперная характеристика диода показывает, что при нулевой разности потенциалов ток очень мал. В дальнейшем, при увеличении потенциала на аноде, увеличивается и ток, пока не достигнет некоторого постоянного значения — тока насыщения Is. Его значение увеличивается с увеличением температуры катода. Также с увеличением температуры растет и напряжение Us, при котором достигается ток насыщения.

По графику наглядно видно, что зависимость между током и напряжением для диода носит нелинейный характер, то есть диод не подчиняется закону Ома. Богуславский и Лэнгмюр независимо друг от друга показали, что зависимость тока диода от потенциала анода имеет вид:

Где С зависит от формы и размеров электродов.

Зависимость плотности тока насыщения от температуры известна под названием формулы Ричардсона:Js=CT 1/2 exp(-ef/kT),

где С — константа, различная для разных металлов. Эта формула выведена на основании классической электронной теории. Квантовая теория металлов дает следующее соотношение:Js=АT 2 exp(-ef/kT)

Заметим, что это различие не существенно, так как зависимость плотности тока от температуры определяется главным образом экспоненциальным множителем exp(-e/kT).

Соединение в звезду

На рис. 6 приведена трехфазная система при соединении фаз генератора и нагрузки в звезду. Здесь провода АА’, ВВ’ и СС’ – линейные провода.

Линейным
называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел, называется нейтральной
(на рис. 6 N и N’ – соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).

Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтральным
(на рис. 6 показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нейтрального провода называется трехпроводной,
с нейтральным проводом – четырехпроводной.

Все величины, относящиеся к фазам, носят название фазных переменных,
к линии — линейных.
Как видно из схемы на рис. 6, при соединении в звезду линейные токи и равны соответствующим фазным токам. При наличии нейтрального провода ток в нейтральном проводе

Если система фазных токов симметрична, то . Следовательно, если бы симметрия токов была гарантирована, то нейтральный провод был бы не нужен. Как будет показано далее, нейтральный провод обеспечивает поддержание симметрии напряжений на нагрузке при несимметрии самой нагрузки.

Поскольку напряжение на источнике противоположно направлению его ЭДС, фазные напряжения генератора (см. рис. 6) действуют от точек А,В и С к нейтральной точке N; — фазные напряжения нагрузки.

Линейные напряжения действуют между линейными проводами. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для линейных напряжений можно записать

; (1)

; (2)

. (3)

Отметим, что всегда — как сумма напряжений по замкнутому контуру.

На рис. 7 представлена векторная диаграмма для симметричной системы напряжений. Как показывает ее анализ (лучи фазных напряжений образуют стороны равнобедренных треугольников с углами при основании, равными 300), в этом случае

Обычно при расчетах принимается . Тогда для случая прямого чередования фаз
, (при обратном чередовании фаз
фазовые сдвиги у и меняются местами). С учетом этого на основании соотношений (1) …(3) могут быть определены комплексы линейных напряжений. Однако при симметрии напряжений эти величины легко определяются непосредственно из векторной диаграммы на рис. 7. Направляя вещественную ось системы координат по вектору (его начальная фаза равна нулю), отсчитываем фазовые сдвиги линейных напряжений по отношению к этой оси, а их модули определяем в соответствии с (4). Так для линейных напряжений и получаем:

;

3. Соединение источника энергии и приемника по схеме треугольник
.В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывает несимметричной, очень важно на практике, например, в схемах с осветительными приборами, обеспечивать независимость режимов работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной, подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника в треугольник. Но в треугольник также можно соединить и фазы генератора (см. рис. 8).

Для симметричной системы ЭДС имеем

Таким образом, при отсутствии нагрузки в фазах генератора в схеме на рис. 8 токи будут равны нулю. Однако, если поменять местами начало и конец любой из фаз, то и в треугольнике будет протекать ток короткого замыкания. Следовательно, для треугольника нужно строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.

Схема соединения фаз генератора и приемника в треугольник представлена на рис. 9.

Очевидно, что при соединении в треугольник линейные напряжения равны соответствующим фазным. По первому закону Кирхгофа связь между линейными и фазными токами приемника определяется соотношениями

Аналогично можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.

На рис. 10 представлена векторная диаграмма симметричной системы линейных и фазных токов. Ее анализ показывает, что при симметрии токов

Помимо рассмотренных соединений «звезда — звезда» и «треугольник — треугольник» на практике также применяются схемы «звезда — треугольник» и «треугольник — звезда».

Явление резонанса

Явление резонанса
относится к наиболее важным с практической точки зрения свойствам электрических цепей. Оно заключается в том, что электрическая цепь, имеющая реактивные элементы обладает чисто резистивным сопротивлением.

Общее условие резонанса
для любого двухполюсника можно сформулировать в виде Im[Z]=0 или Im[Y]=0, где Z и Y комплексное сопротивление и проводимость двухполюсника. Следовательно, режим резонанса полностью определяется параметрами электрической цепи и не зависит от внешнего воздействия на нее со стороны источников электрической энергии.

Для определения условий возникновения режима резонанса
в электрической цепи нужно:

найти ее комплексное сопротивление или проводимость;

выделить мнимую часть и приравнять нулю.

Все параметры электрической цепи, входящие в полученное уравнение, будут в той или иной степени влиять на характеристики явления резонанса.

Уравнение Im[Z]=0 может иметь несколько корней решения относительно какого-либо параметра. Это означает возможность возникновения резонанса при всех значениях этого параметра, соответствующих корням решения и имеющих физический смысл.

В электрических цепях резонанс может рассматриваться в задачах:

анализа этого явления при вариации параметров цепи;

синтеза цепи с заданными резонансными параметрами.

Электрические цепи с большим количеством реактивных элементов и связей могут представлять значительную сложность при анализе и почти никогда не используются для синтеза цепей с заданными свойствами, т.к. для них не всегда возможно получить однозначное решение. Поэтому на практике исследуются простейшие двухполюсники и с их помощью создаются сложные цепи с требуемыми параметрами.

Сдвиг фаз между током и напряжением. Понятие двухполюсника

Простейшими электрическими цепями, в которых может возникать резонанс, являются последовательное и параллельное соединения резистора, индуктивности и емкости. Соответственно схеме соединения, эти цепи называются последовательным и параллельным резонансным контуром
. Наличие резистивного сопротивления в резонансном контуре по определению не является обязательным и оно может отсутствовать как отдельный элемент (резистор). Однако при анализе резистивным сопротивлением следует учитывать по крайней мере сопротивления проводников.

Последовательный резонансный контур представлен на рис. 1 а). Комплексное сопротивление цепи равно

Условием резонанса из выражения (1) будет

Таким образом, резонанс в цепи наступает независимо от значения резистивного сопротивления R когда индуктивное сопротивление xL = wL равно емкостному xC = 1/(wC) . Как следует из выражения (2), это состояние может быть получено вариацией любого их трех параметров — L, C и w , а также любой их комбинацией. При вариации одного из параметров условие резонанса можно представить в виде

Все величины, входящие в выражение (3) положительны, поэтому эти условия выполнимы всегда, т.е. резонанс в последовательном контуре можно создать

изменением индуктивности L при постоянных значениях C и w ;

изменением емкости C при постоянных значениях L и w ;

изменением частоты w при постоянных значениях L и C.

Наибольший интерес для практики представляет вариация частоты. Поэтому рассмотрим процессы в контуре при этом условии.

При изменении частоты резистивная составляющая комплексного сопротивления цепи Z остается постоянной, а реактивная изменяется. Поэтому конец вектора Z на комплексной плоскости перемещается по прямой параллельной мнимой оси и проходящей через точку R вещественной оси (рис. 1 б)). В режиме резонанса мнимая составляющая Z равна нулю и Z = Z = Zmin = R , j = 0 , т.е. полное сопротивление при резонансе соответствует минимальному значению
.

Индуктивное и емкостное сопротивления изменяются в зависимости от частоты так, как показано на рис. 2. При частоте стремящейся к нулю xC®µ , xL® 0 , и j® — 90° (рис. 1 б)). При бесконечном увеличении частоты — xL®µ , xC ® 0 , а j® 90° . Равенство сопротивлений xLи xC наступает в режиме резонанса при частоте w0 .

Рассмотрим теперь падения напряжения на элементах контура. Пусть резонансный контур питается от источника, обладающего свойствами источника ЭДС, т.е. напряжение на входе контура u = const, и пусть ток в контуре равен i=Imsinwt. Падение напряжения на входе уравновешивается суммой напряжений на элементах

Переходя от амплитудных значений к действующим, из выражения (4) получим напряжения на отдельных элементах контура

а при резонансной частоте

величина, имеющая размерность сопротивления и называемая волновым или характеристическим сопротивлением
контура.

Следовательно, при резонансе

напряжение на резисторе равно напряжению на входе контура;

напряжения на реактивных элементах одинаковы и пропорциональны волновому сопротивлению контура;

соотношение напряжения на входе контура (на резисторе) и напряжений на реактивных элементах определяется соотношением резистивного и волнового сопротивлений.

Отношение волнового сопротивления к резистивному r /R = Q, называется добротностью контура
, а величина обратная D=1/Q — затуханием
. Таким образом, добротность числено равна отношению напряжения на реактивном элементе контура к напряжению на резисторе или на входе в режиме резонанса. Добротность может составлять несколько десятков единиц и во столько же раз напряжение на реактивных элементах контура будет превышать входное. Поэтому резонанс в последовательном контуре называется резонансом напряжений
.

Рассмотрим зависимости напряжений и тока в контуре от частоты. Для возможности обобщенного анализа перейдем в выражениях (5) к относительным единицам, разделив их на входное напряжение при резонансе

где i =I/I0, uk=Uk/U, v = w /w0 — соответственно ток, напряжение и частота в относительных единицах, в которых в качестве базовых величин приняты ток I0, напряжение на входе U и частота w0 в режиме резонанса.

Абсолютный и относительный ток в контуре равен

Из выражений (7) и (8) следует, что характер изменения всех величин при изменении частоты зависит только от добротности контура. Графическое представление их при Q=2 приведено на рис. 3 в логарифмическом (а) и линейном (б) масштабах оси абсцисс.

На рис. 3 кривые A(v), B(v) и C(v) соответствуют напряжению на индуктивности, емкости и резисторе или току в контуре. Кривые A(v)=uL(v) и B(v)=uC(v) имеют максимумы, напряжения в которых определяются выражением

, (9)

а относительные частоты максимумов равны

(10)

При увеличении добротности Q ®µAmax = Bmax®Q,

С уменьшением добротности максимумы кривых uL(v) и uС(v) смещаются от резонансной частоты, а при Q2

Напряжение на резисторе и ток в контуре имеют при резонансной частоте максимум равный 1,0. Если на оси ординат отложить абсолютные значения тока или напряжения на резисторе, то для различных значений добротности они будут иметь вид, показанный на рис. 4. В целом они дают представлние о характере изменения величин, но удобнее делать сопоставление в относительных единицах.

На рис. 5 представлены кривые рис. 4 в относительных единицах. Здесь видно, что увеличение добротности влияет на скорость изменения тока при изменении частоты.

Можно показать, что разность относительных частот, соответствующих значениям относительного тока , равна затуханию контура D=1/Q =v2-v1.

Перейдем теперь к анализу зависимости фазового сдвига между током и напряжением на входе контура от частоты. Из выражения (1) угоj j равен

Как и следовало ожидать, значение j определяется добротностью контура. Графически эта зависимость для двух значений добротности показана на рис. 6 .

При уменьшении частоты значение фазового сдвига стремится к значению — 90° , а при увеличении к +90° , проходя через нулевое значение при частоте резонанса. Скорость изменения функции j (v) определяется добротностью контура.

Последовательный резонансный контур может питаться также от источника электрической энергии, обладающего свойствами источника тока, т.е. обеспечивающего постоянный ток в нагрузке. Выражения (5) остаются справедливыми и в этом случае, но ток в них будет константой. Поэтому постоянным будет падение напряжения на резисторе UR = RI = const. Разделив все напряжения на это базовое значение, В выражении (12) добротность также есть отношение волнового сопротивления к резистивному Q=r /R .

Общее относительное падение напряжения на входе контура является гипотенузой прямоугольного еугольника напряжений, поэтому

Функции uL(v) и uС(v) монотонны, а u(v) имеет минимум u =1.0 при резонансной частоте, когда uL(v) -uС(v) = 0. В случае стремления относительной частоты к бесконечности и к нулю, напряжения на одном из реактивных элементов стремится к бесконечности. При резонансной частоте они одинаковы и их отношение ко входному напряжению равно добротности.

Графическое представление функций uL(v)=A(v), uС(v)=B(v) и u(v)=С(v) при добротности Q=2 дано на рис. 7 в логарифмическом (а) и линейном (б) масштабах оси частот.

Для функции u (v)=С(v) можно показать, что разность относительных частот v1 и v2 , соответствующих значениям , равна затуханию контура D=1/Q=v2-v1.

Фазовые характеристики контура при питании от источника тока ничем не отличаются от характеристик режима питания от источника ЭДС (рис. 6).

Сопоставляя частотные характеристики при питании последовательного резонансного контура от источника тока с характеристиками при питании его от источника ЭДС, можно сделать следующие выводы:

частотные характеристики напряжений и тока контура принципиально отличаются друг от друга, т.к. при питании от источника ЭДС сумма напряжений остается постоянной и происходит только их перераспределение между элементами, а при питании от источника тока падения напряжения на каждом элементе формируются независимо;

режимы резонанса для обоих случаев полностью идентичны;

фазовые частотные характеристики для обоих случаев также идентичны.

Режим резонанса можно создать также при параллельном соединении R, L и C (рис. 8а)). Такая цепь называется параллельным резонансным контуром
. В этом случае условие резонанса удобнее сформулировать для мнимой части комплексной проводимости в виде

Следовательно, для параллельного контура возможны те же вариации параметров, что и для последовательного и выражения для них будут идентичным

900+

При изменении частоты питания изменяется только мнимая составляющая вектора комплексной проводимости Y , поэтому его конец перемещается на комплексной плоскости по прямой параллельной мнимой оси и проходящей через точку G=1/R , соответствующую вещественной составляющей проводимости (рис. 8 б)). При частоте резонанса модуль вектора минимален, а при стремлении частоты к нулю и бесконечности, его значение стремится к бесконечности. При этом угол сдвига фаз между током и напряжением j на входе контура стремится к 90° при w® 0 и к — 90° при w®µ .

Для параллельного соединения токи в отдельных элементах можно представить через проводимости и общее падение напряжения U в витщ
Пусть в режиме резонанса падение напряжения на входе контура равно U0, тогда токи в отдельных элементах будут

волновая или характеристическая проводимость
контура. Как следует из выражений (17), при резонансе токи в реактивных элементах одинаковы, а входной ток равен току в резисторе R. Отношение Q=g /G называется добротностью, а величина обратная D=1/Q — затуханием параллельного резонансного контура. Таким образом, добротность равна отношению токов в реактивных элементах контура к току на входе или в резисторе. В электрических цепях добротность может достигать значений в несколько десятков единиц и во столько же раз токи в индуктивности и емкости будут превышать входной ток. Поэтому резонанс в параллельном контуре называется резонансом токов
.

Падение напряжения на входе контура U при питании его от источника, обладающего свойствами источника тока и формирующего ток с действующим значением I, будет равно

Опыты с ваттметром

Ниже описаны только
отдельные опыты, характеризующие
возможности демонстрационного ваттметра.

Опыт 1. Измерение мощности в цепи однофазного переменного тока с активной нагрузкой.

Для выполнения
этого опыта собирают электрическую
цепь по схеме, приведённой на рисунке
3.

Рис. 6 Схема
электрической цепи в опыте 1.

В качестве нагрузки
следует включить ползунковый реостат
сопротивлением до 20 Ом (с допустимым
током 5А).

Ваттметр включают
в цепь через добавочное сопротивление
150V
и через зажим 5А (см. схему).

Результаты этого
опыта подтверждают, что мощность равна
произведению напряжения на силу тока.

Опыт 2. Измерение мощности в цепи трёхфазного тока с активной симметричной нагрузкой.

Для проведения
этого опыта собирают электрическую
цепь, как показано на рисунке 7.

В каждую фазу в
качестве нагрузки включают по одной
электрической лампе одинакового
сопротивления.

Измерительные
приборы используются те же, что и в
предыдущем опыте.

Р
ис.
7 Схема электрической цепи в опыте 2.

Основы > Задачи и ответы

Однофазные цепи переменного тока (страница 2)

12.
Конденсатор емкостью С = 8,36 мкФ включен на синусоидальное напряжение U=380 В частотой
f
=50 Гц.
Определить ток в цепи конденсатора.

Решение:

Емкостное сопротивление

Ток в цепи конденсатора при синусоидальном напряжении 380 В

Для получения ббльших токов требуются при данной частоте большие значения емкости.

13.
При включении конденсатора на синусоидальное напряжение U=220 В частотой
f
=50 Гц в цепи установился ток
I
=0,5 А.
Какую емкость имеет конденсатор?

Решение:

Из формулы емкостного сопротивления
емкость

Метод определения емкости конденсатора, рассмотренный в данной задаче, является наименее точным, но он прост и не требует больших затрат для применения на практике.

14.
При включении разомкнутого на конце кабеля на напряжение U=6600 В частотой
f
=50 Гц в цепи установился ток I=2 А.
Пренебрегая электрическим сопротивлением кабеля, определить приближенно емкость кабеля на 1 км его длины, если длина кабеля 10 км.

Решение:

Изолированные друг от друга жилы кабеля представляют собой конденсатор. Если пренебречь сопротивлением жил кабеля, то ток холостой работы кабеля, т. е. ток в кабеле, разомкнутом на конце, можно считать чисто емкостным. В этом случае действительно соотношение

где
— емкостная проводимость.
Отсюда

При частоте
f
=50 Гц угловая частота
, следовательно,

Емкость кабеля на 1 км его длины

Описанный способ определения емкости кабеля на 1 км его длины является очень приближенным (в нем пренебрегают активным сопротивлением жил кабеля и активной проводимостью утечки от жилы к жиле вследствие несовершенства изоляции; допускается равномерное распределение емкости по длине кабеля).

15.
Какая емкость батареи конденсаторов требуется для получения реактивной (емкостной) мощности 152 ВАР при напряжении U=127 В и частоте
f=
50 Гц.

Решение:

При частоте
f=
50 Гц угловая частота
. Так как ток батареи считается чисто
реактивным (опережающим по фазе напряжение на 1
/
4 периода), то реактивная мощность равна произведению напряжения и тока:

Емкостный ток равен произведению напряжения на емкостную проводимость, поэтому

Емкость батареи конденсаторов

Реактивную (емкостную) мощность можно представить в виде
, выразив ток через напряжение и емкостную проводимость; отсюда следует, что при данном напряжении и частоте реактивная (емкостная) мощность пропорциональна емкости. Если изоляция пластин батареи конденсаторов допускает повышение напряжения (например, в
раз), то реактивная (емкостная) мощность увеличится пропорционально квадрату напряжения (т. е. в 3 раза). Таким образом, в рассматриваемом случае важное значение имеет отнонение напряжения от номинального.

16.
В катушке (см. задачу 10), включенной на переменное напряжение U=12 В частотой f=50 Гц установился ток 1,2 А.
Определить индуктивность катушки.

Решение:

Отношение переменного напряжения, приложенного к катушке, к току, устанавливающемуся в ней, называется
полным сопротивлением
z катушки;

В задаче 10 было определено, что активное сопротивление катушки
r
=2,8 Ом. Сопротивление катушки при перееденном токе больше сопротивления г при постоянном токе вследствие наличия э. д. с. самоиндукции, препятствующей изменению переменного тока. Это равносильно появлению в катушке сопротивления, называемого индуктивным:

где L — индуктивность, Гн
f — частота, Гц.
Связь между полным сопротивлением
z
, индуктивным сопротивлением
и активным сопротивлением
r
такая же, как между гипотенузой и катетами в прямоугольном треугольнике:

откуда индуктивное сопротивление

Индуктивность катушки

В рассматриваемой катушке ток отстает по фазе от напряжения, причем тангенс угла сдвига фаз
.

17.
В схеме (рис. 23) вольтметр показывает 123 В, амперметр 3 А и ваттметр 81 Вт, частота сети 50 Гц.
Oпределить параметры катушки.

Решение:

Отношение напряжения к току равно полному сопротивлению катушки:

Ваттметр измеряет активную мощность цепи, которая в данной задаче является потерей мощноста в сопротивлении
r
, поэтому сопротивление катушки

Полное сопротивление
z
, активное сопротивление
r
и индуктивное сопротивление
катушки связаны между собой таким же соотношением, как гипотенуза и катеты в прямоугольном треугольнике.

Следовательно,

При частоте
f
=50 Гц угловая частота

Индуктивное сопротивление
равно произведению угловой частоты
w
и индуктивности L; следовательно,

Коэффициент мощности катушки
. .
18.
Катушка без стального сердечника включена на постоянное напряжение 2,1 В, ток которой равен 0,3 А. При включении этой же катушки на синусоидальное напряжение частотой 50 Гц с действующим значением 50 В ток имеет действующее значение 2 А.

Определить параметры катушки, активную и полную мощности.

Решение:

Отношение постоянного напряжения к постоянному току в катушке практически равно (если пренебречь увеличением сопротивления из-за вытеснения переменного тока на поверхность провода) активному сопротивлению:

Это один из параметров катушки. Отношение этих же величин при переменном токе в катушке равно полному сопротивлению:

Индуктивное сопротивление:

Индуктивность катушки — второй ее параметр:

Коэффициент мощности катушки:

Из таблиц тригонометрических величин
.
Активная мощность

Полная мощность

Коэффициент мощности

В задачах 17 и 18 рассмотрены два различных способа определения параметров катушки.

19.
Батарея конденсаторов емкостью С=50 мкФ соединена последовательно с реостатом сопротивлением
r=
29,1 Ом.
Определить напряжения на батарее конденсаторов и реостате, а также ток в цепи и мощность, если приложенное напряжение U=210 В и частота сети
f
=50 Гц.

Решение:

Частоте 50 Гц и емкости 50 мкФ соответствует емкостное сопротивление, в 50 раз меньшее, чем емкости в 1 мкФ. Следовательно,

Здесь 3185 Ом — сопротивление конденсатора емкостью 1 мкФ.
По условию, сопротивление реостата
r
=29,1 Ом. Полное сопротивление цепи связано с активным и емкостным сопротивлениями таким же соотношением, как гипотенуза и катет прямоугольного треугольника:

Напряжение на реостате

Напряжение на батарее конденсаторов

В силу последовательного соединения большее напряжение оказалось на элементе цепи, имеющем большее сопротивление.
Коэффициент мощности

Из таблиц тригонометрических величин угол сдвига фаз
.
Активная мощность цепи

Полная мощность цепи равна произведению действующих значений напряжения и тока:

Полная мощность намного больше активной мощности, так как коэффициент мощности мал, т. е. полное сопротивление цепи во много раз превышает активное сопротивление.

20.
Электрическую лампу мощностью Р=60 Вт при напряжении
необходимо подсоединить к сети с переменным напряжением U=220 В и частотой 50 Гц. Для компенсации части этого напряжения последовательно с лампой включается конденсатор.
Какой емкости необходимо взять конденсатор?

Решение:

Напряжение на лампе будет активной составляющей приложенного напряжения сети, а напряжение на конденсаторе — его реактивной (емкостной) составляющей. Эти напряжения связаны соотношением

Напряжение на конденсаторе

Ток в конденсаторе тот же, что и в лампе, т. е.

На основании закона Ома емкостное сопротивление

Так как при частоте f=50 Гц емкости С=1 мкФ соответствует емкостное сопротивление
, то емкость рассматриваемого конденсатора приблизительно равна 8,7 мкФ.
Избыточное напряжение можно было бы скомпенсировать и путем последовательного включения реостата с лампой. Так как реостат, как и электрическая лампа, представляет чисто активное сопротивление, то напряжения на этих элементах цепи совпадают по фазе с общим током, а следовательно, и между собой. В этом случае будет действительно соотношение

где
— напряжение на реостате, равное

При токе лампы 0,5 А сопротивление реостата должно составлять

В реостате будет расходоваться энергия, переходящая в тепло, причем потери мощности в реостате

В случае включения емкости «погашение» напряжения происходит без потерь энергии.

21.
В случае электрической сварки дугой тонких листов при переменном токе в ней развивается мощность
при токе
I
=20
A
. Напряжение источника
U
=120 В, частота сети
f
=50 Гц (рис. 24). Чтобы иметь необходимое напряжение на дуге, последовательно с ней включили индуктивную катушку, сопротивление которой
r
=1 Ом.
Определить индуктивность катушки; сопротивление реостата, который можно было бы включить вместо катушки; к.п.д. схемы при наличии в ней катушки и реостата.

Решение:

Полное сопротивление схемы

Полная мощность на входе схемы

Потери мощности в обмотке катушки

Активная мощность схемы

Коэффициент мощности схемы

Из таблиц тригонометрических величин
.
Активное сопротивление схемы

сопротивление дуги

Индуктивное сопротивление цепи представлено индуктивным сопротивлением катушки:

Эту же величину можно определить из треугольника сопротивлении (рис. 25, масштаб
)

Искомая индуктивность катушки

Если бы вместо катушки был включен реостат, то сопротивление схемы имело бы ту же величину 6 Ом, но было бы чисто активным:

Потери мощности в катушке

Потери мощности в реостате

Отсюда ясно, что к. п. д. схемы выше при «погашении» избытка напряжения индуктивной катушкой. Действительно, к. п. д. при наличии катушки

к. п. д. при наличии реостата

Не следует забывать, что «погашение» избытка напряжения катушкой (или конденсатором) ухудшает коэффициент мощности (в данном примере
при наличии катушки и
при наличии реостата).

22.
Последовательно с катушкой, параметры которой
и L=15,92 мГн, включен реостат сопротивлением,
. Цепь включена на напряжение U=130 В при частоте f=50 Гц.
Определить ток в цепи; напряжение на катушке и реостате; коэффициент мощности цепи и катушки.

Решение:

Индуктивное сопротивление катушки

Полное сопротивление катушки

Активное сопротивление цепи, состоящей из последовательно соединенных катушки и реостата,

Полное сопротивление цепи

На основании закона Ома ток в цепи

Напряжение на катушке

Напряжение на реостате

Арифметическая сумма
много больше приложенного напряжения U=130 В. Коэффициент мощности цепи

Коэффициент мощности катушки

Следовательно, реостат увеличивает коэффициент мощности и сопротивление цепи, но уменьшает ток, увеличивает потребление энергии схемой.
Действительно, активная мощность катушки

активная мощность реостата

Так как цепь неразветвленная и ток один, то с него целесообразно начать построение векторной диаграммы (рис. 26).
Напряжение на реостате, представляющем собой чисто активное сопротивление, совпадает по фазе с током; на диаграмме вектор этого напряжения совпадает по направлению с вектором тока. Из конца вектора
в сторону опережения вектора тока
I
, под углом
в сторону, противоположную вращению стрелки часов, откладываем вектор напряжения на катушке
. Векторы
построены так с целью сложения по правилу многоугольника.

Решение:

Индуктивное сопротивление первой катушки

т. е. оно численно равно активному сопротивлению
, что обусловливает отставание тока по фазе от напряжения на 1
/
8 периода (на 45°).
Действительно, тангенс угла сдвига фаз

Индуктивное сопротивление второй катушки

Так как ее активное сопротивление
то тангенс угла сдвига фаз

Построим в масштабе треугольник сопротивлений для рассматриваемой цепи. Для этого зададимся масштабом сопротивлений
. Тогда на диаграмме сопротивление 1,57 Ом будет изображено отрезком 15,7 мм, сопротивление 2,7 Ом — отрезком 27 мм и т. д. На рис. 27 отрезок, изображающий активное сопротивление
, отложен в горизонтальном направлении, а отрезок, изображающий индуктивное сопротивление
, — в вертикальном направлении под прямым углом к
.

Полное сопротивление
первой катушки является гипотенузой прямоугольного треугольника. Из вершины с этого треугольника в горизонтальном направлении отложен отрезок, изображающий сопротивление
, и под прямым углом к нему вверх — отрезок, изображающий сопротивление
. Гипотенуза
се
прямоугольного треугольника означает полное сопротивление
второй катушки.
Из рис. 27 видно, что отрезок
ае
, изображающий полное сопротивление
z
неразветвленной цепи из двух катушек, не равен сумме отрезков
ас
и
се
, т. е.
. Чтобы определить полное сопротивление z рассматриваемой цепи, следует сложить отдельно активные (,
отрезок
аf
) и индуктивные (, отрезок
ef
) сопротивления катушек.

Гипотенуза
ае
, означающая полное сопротивление z цепи, определяется по теореме Пифагора:

Ток в цепи определяется по закону Ома:

Напряжение на первой катушке

Напряжение на второй катушке

Строим векторную диаграмму (рис. 28), приняв масштабы:
а) для тока
; тогда вектор тока изобразится отрезком длиной 25 мм;
б) для напряжения
; при этом вектор напряжения

Как работает ваттметр?

Мощность определяется как скорость, с которой энергия преобразуется или становится доступной. Мощность цепи в любой момент равна [произведению тока в цепи и напряжения на ее выводе в этот момент. Мощность в цепи постоянного тока лучше всего измерять, отдельно измеряя величины V и I, а также вычисляя мощность по формуле P = VI. В случае цепи переменного тока мгновенная мощность непрерывно изменяется как ток и напряжение в течение цикла значений.Если напряжение и ток синусоидальны, средняя мощность за цикл определяется выражением P = VI cos φ ватт, где V и I — среднеквадратичные значения. значения напряжения и тока.

Ваттметр — это устройство, используемое для измерения мощности, вырабатываемой цепью, выраженной в ваттах. Он использует сопротивление для перемещения куска металла, который тщательно откалиброван вместе с дисплеем с цифрами мощности на нем. Чем выше мощность, тем больше будет двигаться кусок металла.

Принцип работы ваттметра

Ваттметр используется для измерения мощности, выдаваемой электрическим источником, или мощности, потребляемой нагрузкой. Ваттметр — это комбинация амперметра и вольтамперометра. Ваттметр имеет две катушки: токовую катушку (CC) и катушку напряжения (VC).

Катушка тока с очень низким сопротивлением подключена последовательно с нагрузкой и реагирует на ток нагрузки, в то время как катушка напряжения подключена параллельно цепи нагрузки и реагирует на напряжение нагрузки.В зависимости от испытательной секции (источник или нагрузка) одна клемма каждой катушки закорачивается и подключается либо к источнику, либо к нагрузке.

В цепи переменного тока широко используется ваттметр для измерения однофазной и трехфазной активной мощности.

Существуют разные типы ваттметров, они приведены ниже:

Ваттметр динамометрического типа

Динамометр — это устройство для измерения силы, момента силы (крутящего момента) или мощности. Например, мощность, производимая двигателем, двигателем или другим вращающимся первичным двигателем, может быть рассчитана путем одновременного измерения крутящего момента и скорости вращения.

Динамометр также может использоваться для определения крутящего момента и мощности, необходимых для работы ведомой машины, такой как насос. В этом случае используется автомобильный или приводной динамометр. Динамометр, предназначенный для привода, называется абсорбционным или пассивным динамометром. Динамометр, который может приводить в движение или поглощать, называется универсальным или активным динамометром.

Неподвижная катушка (токовая катушка) разделена на две равные части, чтобы обеспечить однородное поле. Он предназначен для работы с полным током нагрузки.Подвижная катушка используется как катушка давления. Неподвижная катушка проводит ток по цепи, а подвижная катушка передает ток, пропорциональный напряжению в цепи. Высокое безиндуктивное сопротивление последовательно подключено к подвижной катушке для ограничения тока в цепи. Поскольку один поток пропорционален току нагрузки, а другой — напряжению нагрузки, крутящий момент на стрелке или подвижной катушке пропорционален мощности. Магнитное поле неподвижной и движущейся катушек взаимодействует друг с другом, заставляя движущуюся катушку вращаться вокруг своей оси.

Подвижная катушка находится на поворотном шпинделе, а движение регулируется пружиной. В подвижной системе имеется указатель и демпфирующая лопасть, последняя перемещается в секторной коробке. Катушки тока обычно имеют многослойную конструкцию, когда требуется передача сильного тока. Демпфирование обеспечивают легкие алюминиевые лопатки, движущиеся в воздушной заслонке.

I₁ = ток главной цепи, протекающий через фиксированную катушку

I₂ = ток, пропорциональный напряжению питания

B = плотность потока

В = напряжение питания

B ꝏ I1

B = K₁ I₁

Где K1 — постоянная.

также

I₂ ꝏ V

I₂ = K₂ V

Где K₂ — другая постоянная. Отклоняющий момент равен,

Td ꝏ BI₂ ꝏ I₁V

Td = K VI₁ = K × Мощность

Где K — постоянная величина. В цепи постоянного тока мощность определяется произведением напряжения и тока. Следовательно, крутящий момент прямо пропорционален мощности. В цепи переменного тока средний отклоняющий момент Tm равен,

Tm ꝏ VI cos Ɵ ꝏ True Power

Преимущества

Некоторые из основных преимуществ приведены ниже:

1.Это дает очень высокую степень точности.

2. Масштаб неоднородный.

3. Может использоваться как с источниками переменного, так и постоянного тока.

Недостатки

Некоторые недостатки приведены ниже:

1. Ошибки из-за падения напряжения в цепи.

2. Ошибки из-за тока, потребляемого катушкой напряжения.

Ваттметр индукционного типа

Ваттметр индукционного типа состоит из двух пластинчатых электромагнитов. Один из них возбуждается током нагрузки основной цепи, последовательными или токовыми магнитами, а его возбуждающая катушка (токовая катушка) включена последовательно с цепью.Другой возбуждается током, пропорциональным напряжению цепи, называемой шунтирующим магнитом. Его возбуждающая катушка, известная как напряжение катушки давления, подключена параллельно цепи. Тонкий алюминиевый диск установлен таким образом, что он разрезает потоки обоих магнитов, а отклоняющий момент создается взаимодействием между этими потоками и вихревым током, который они создают в диске.

Два или три медных кольца установлены на центральном плече шунтирующего магнита и могут быть отрегулированы таким образом, чтобы результирующий поток в шунтирующем магните отставал от приложенного напряжения на 90 °.Две катушки давления соединены последовательно и намотаны таким образом, что обе направляют поток через центральную ветвь в одном и том же направлении. Последовательный магнит также содержит две катушки, соединенные последовательно и намотанные таким образом, что намагничивают соответствующие магнитные сердечники в одном направлении. Желаемый фазовый сдвиг между двумя магнитными потоками может быть получен путем регулировки положения медных затеняющих колец. Управляющий крутящий момент в индукционном ваттметре обеспечивается пружиной, установленной на шпинделе подвижной системы, которая также несет на себе стрелку.Демпфирование в этих инструментах обеспечивается вихревым током, индуцированным в алюминиевом диске из-за потоков, создаваемых постоянным магнитом.

Катушка тока передает линейный ток I₁, так что создаваемый ею магнитный поток прямо пропорционален линейному току I₁ и находится в фазе с ним.

φ₁ ꝏ I₁

Катушка давления шунтирующего магнита сделана высокоиндуктивной, имеет индуктивность L и незначительное сопротивление. Он подключен к источнику питания V,

φ₂ ꝏ I₂ ꝏ V / ωL

Где,

ω = 2πf

f = частота питания

φ₂ отстает от напряжения питания на 90 °.Пусть теперь ток нагрузки I₁ отстает от V на угол φ. Следовательно, фазовый угол между φ₁ и φ₂,

α = (90 ° — φ)

Момент отклонения, действующий на алюминиевый диск, равен,

Td = K ω φ₁ φ₂ sin α

Где K — постоянная. Теперь подставляя значения φ₁ и φ₂ в приведенное выше уравнение, получаем

Td = K ω I₁ (V / ωL) sin (90 ° — φ)

Td = K ’V I₁ cos φ

Где K ’постоянная,

Td ꝏ V I₁ cos φ ꝏ Мощность

Момент отклонения пропорционален мощности в цепи нагрузки.

Преимущества

Некоторые преимущества индукционного ваттметра приведены ниже:

1. Имейте большие весы

2. Может выдерживать ток до 100 ампер.

3. Без влияния полей рассеяния.

4. Практически без частотных ошибок.

Недостатки

Некоторые недостатки приведены ниже:

1. Масштаб неоднородный.

2. Температурные погрешности.

3. Используется только тогда, когда частота и напряжение питания постоянны.

Продолжить чтение

Основы аналогового ваттметра

RF | Telewave, Inc.

Ваттметры используются в различных приложениях для измерения и отладки электрических цепей. Например, они могут проверить потребляемую мощность электроприборов. Ваттметры RF — это устройства, которые измеряют мощность (ватт) в цепи или системе, такой как опора передачи.Помимо передаваемой мощности, они также измеряют отраженную мощность, по которой легко рассчитывается КСВН. Это позволяет устранять неисправности в полевых условиях. В зависимости от выбранной шкалы ВЧ-ваттметры могут тестировать мощные линии передачи или настраивать маломощные портативные устройства.

Самый простой тип аналогового ваттметра основан на аналоговом измерителе тока (сердце всех аналоговых измерителей сопротивления, напряжения и тока), с учетом того, что мощность пропорциональна квадрату тока. Подвижная катушка с проволокой (катушка потенциала или напряжения) подвешена своей осью под девяносто градусов к неподвижной катушке (катушка тока) и действует против спиральной пружины с известной постоянной.Катушка тока подключена последовательно со схемой, а катушка напряжения — параллельно.

Когда ток пропускается в измеритель, он генерирует электромагнитное поле вокруг токовой катушки, которое создает крутящий момент, пропорциональный силе тока. Катушка напряжения пытается повернуться так, чтобы выровняться с осью катушки тока, но останавливается, когда электрический крутящий момент равен крутящему моменту пружины. Более сильный сигнал вызовет большее движение (большее сжатие пружины), более слабый сигнал — меньшее движение.В аналоговом ваттметре к катушке напряжения прикреплена игла, которая перемещается по шкале при перемещении катушки напряжения, показывая, сколько мощности в ваттах проходит через цепь.

Аналоговые измерители обеспечивают визуальную индикацию там, где легко увидеть небольшие изменения. При настройке схемы гораздо легче наблюдать за движением стрелки как показателем изменения отраженной мощности, чем концентрироваться на цифровом считывании.

Пружина в измерителе имеет фиксированную константу, и ее трудно измерить в широком диапазоне уровней мощности.Однако величину электрического момента можно контролировать для заданного уровня сигнала. Могут быть предоставлены несколько полномасштабных настроек, что позволяет использовать один измеритель во многих приложениях.

На радиочастотах добавлен выпрямитель для преобразования радиочастотной энергии в измеряемое постоянное напряжение, которое, в свою очередь, подается на аналоговый измеритель в качестве постоянного тока для отклонения стрелки. Разветвитель используется для отбора мощности от основной линии. Используя двунаправленный ответвитель, аналоговый ваттметр Telewave, 44A, позволяет пользователю независимо смотреть на падающую и отраженную мощность, лишь с небольшими потерями в мощности от сети.

Диоды могут работать только с диапазоном мощности; при превышении диапазона диод выйдет из строя. Используя регулируемые аттенюаторы с механической коммутацией на связанных портах, диоды детектора могут безопасно «видеть» дискретизированные сигналы, которые находятся на -20 дБ, -30 дБ, -40 дБ… ниже основной линии. Эти регулируемые аттенюаторы позволяют измерителю иметь выбираемый полный диапазон шкалы. Высокое затухание используется для большой мощности, низкое затухание — для малой мощности. Аттенюаторы должны быть рассчитаны на наихудшую мощность, которая может рассеиваться при максимальной номинальной мощности аналогового ваттметра.

Существуют и другие методы изменения диапазона мощности, которую может измерять ваттметр. Если у измерителя есть токовая катушка и две катушки напряжения, две катушки напряжения могут быть соединены последовательно или параллельно изменяют диапазоны ваттметра. Или пространство, доступное для движения катушки напряжения, можно изменить, чтобы изменить диапазон измерителя.

Использование счетчиков для измерения простых цепей — Базовое электричество

Электричество — это то, чего нельзя увидеть.Мы можем только увидеть последствия этого.

Когда цепь работает неправильно, очень трудно посмотреть на нее и обнаружить, что не так.

Счетчики используются для измерения воздействия электричества. Измерители — это точные инструменты, которые можно легко повредить, поэтому необходимо соблюдать определенные меры предосторожности:

Следует избегать ударов и вибрации.
Следует учитывать температуру, влажность и пыль.
Магнитные поля: Магнитное поле лотка может привести к неточным показаниям.

Меры предосторожности при использовании счетчиков

Соблюдайте следующие меры предосторожности:

Никогда не используйте омметр в цепи под напряжением, потому что омметр является собственным источником питания. В лучшем случае вы получите неточные показания, в худшем — повредите счетчик или вы сами.
Подсоедините счетчик к источнику питания. Если вы работаете с постоянным током, используйте измеритель постоянного тока; при работе с переменным током используйте измеритель переменного тока.
При работе с любым измерителем постоянного тока всегда соблюдайте правильную полярность при его подключении к цепи.
Убедитесь, что счетчик сориентирован правильно для считывания. Некоторые предназначены для чтения сидя, а другие — в положении лежа.
Считайте показания счетчика, глядя прямо на него, чтобы избежать ошибки параллакса.
Когда закончите со счетчиком, выключите его.

Вольтметры

Рисунок 21. Вольтметр

Вольтметры — это гигантские резисторы, которые потребляют минимальный ток от источника. Вольтметры предназначены для измерения разности потенциалов между двумя точками.

Счетчик должен быть подключен параллельно нагрузке.

Рекомендуется сначала проверить вольтметр на известной цепи.

Амперметры

Рисунок 22. Прикладной амперметр

Амперметры имеют низкое сопротивление, поэтому они не добавляют нежелательного сопротивления в цепь.

Подключите амперметр последовательно к цепи. При параллельном подключении это может привести к короткому замыканию и перегоранию предохранителя в счетчике.

Ваттметры

Рисунок 23. Ваттметр

Ваттметр имеет четыре измерительных провода. Два для тока и два для напряжения.

Мощность — это произведение напряжения и тока, поэтому ваттметр измеряет влияние обоих факторов и умножает их, чтобы получить мощность.

Подключите катушку напряжения параллельно нагрузке.

Подключите токовую катушку последовательно с нагрузкой.

Не превышайте номинальную мощность счетчика.

Омметры

Рисунок 24. Изображение омметра, сделанное Ханнесом Грёбе. Используется по лицензии Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

Омметры используются для измерения сопротивления. У них есть собственный источник ЭДС (аккумулятор), и их нельзя использовать в цепи под напряжением.

Шкала на большинстве омметров показывает обратную сторону от других измерителей. Справа находится ноль, а слева — бесконечность.

Многие омметры имеют настройку нуля. Всегда обнуляйте глюкометр перед использованием.Сделайте это, закоротив два провода вместе.

Безопасность электрического счетчика
Видео ниже объясняет, как не все электрические счетчики созданы равными. Убедитесь, что вы понимаете характеристики своего глюкометра и понимаете, в каких ситуациях его можно использовать.

Атрибуция

ВЕРНУТЬСЯ В начало

Быстрый ответ: Как работает ваттметр

Ваттметр выполняет сложную работу, измеряя мощность, протекающую через электрическую цепь.Он одновременно измеряет значения напряжения и тока и умножает их, чтобы получить мощность в ваттах. Три основных типа: электродинамический, электронный и цифровой.

Измеряет ли ваттметр активную мощность?

Ваттметр измеряет активную мощность. В особом случае реактивная мощность может быть измерена в 3-фазной симметричной схеме с помощью одного ваттметра.

Может ли ваттметр измерять мощность постоянного тока?

Ваттметр, безусловно, можно использовать для измерения мощности в цепи постоянного тока, при условии, что он рассчитан на ток и напряжение, а также на постоянный ток (многие ваттметры содержат трансформаторы или асинхронные двигатели и могут работать только с переменным током).Коэффициент мощности не является проблемой в цепях питания постоянного тока.

Какую мощность потребляет ваттметр?

Потребляемая мощность измеряется путем расчета ее во времени с использованием как минимум одного полного цикла. — Как изолировать вашу систему воздуховодов на чердаке, шаг за шагом. Это вольтметр и амперметр. В среднем он потребляет 30 Вт (расчет: 0,6 Вт / 0,02 ч = 30 Вт).

Как измеряется мощность в цепи постоянного тока?

Электрическая мощность определяется как выполненная электрическая работа или рассеянная электрическая энергия в единицу времени.Он измеряется в Джоулях в секунду, то есть в ваттах. В случае цепей постоянного тока электрическая мощность — это произведение напряжения на ток.

Почему мы используем ваттметр?

Ваттметр — это прибор для измерения активной электрической мощности (или средней скорости потока электрической энергии) в ваттах любой заданной цепи. Электромагнитные ваттметры используются для измерения полезной частоты и мощности звуковой частоты; другие типы требуются для радиочастотных измерений.

Может ли коэффициент мощности быть больше 1?

Коэффициент мощности 1 означает, что нагрузка является чисто резистивной, а мощность потребляется на 100%. Если имеется реактивная нагрузка (индуктивная или емкостная), коэффициент мощности меньше 1, что означает потери мощности. Вы не можете потреблять больше, чем генерируется, поэтому коэффициент мощности никогда не может быть больше 1.

Что вы подразумеваете под трехфазным ваттметром?

Определение: Трехфазный ваттметр используется для измерения мощности трехфазной цепи.В трехфазном ваттметре два отдельных ваттметра монтируются вместе в одном блоке. Их движущиеся катушки размещены на одном шпинделе. Единственный элемент представляет собой комбинацию катушки давления и катушки тока.

Почему ваттметр LPF используется в тесте без нагрузки?

Ваттметр LPF предназначен для измерения мощности в индуктивных цепях. Индуктивные цепи обладают свойством запаздывания по коэффициенту мощности, поэтому используются эти ваттметры. Таким образом, ваттметр LPF (Low Power Factor) используется в ИСПЫТАНИИ ОТКРЫТОЙ ЦЕПИ трансформатора.При испытании на короткое замыкание закорачивается вторичная обмотка трансформатора.

Коэффициент мощности равен RZ?

Совет: Коэффициент мощности — это соотношение активной и полной мощности. F. — коэффициент мощности, R — реактивное сопротивление, Z — полное сопротивление. ⇒Z = √R2 + (XC − XL), где R — реактивное сопротивление, Z — полное сопротивление, XC — емкостное реактивное сопротивление, а XL — индуктивное реактивное сопротивление.

Какова формула коэффициента мощности?

Находится умножением (кВА = V x A).Результат выражается в единицах кВА. PF выражает отношение истинной мощности, используемой в цепи, к полной мощности, подаваемой в цепь.

Какой коэффициент мощности указан в моем счете за электричество?

Коэффициент мощности показывает, сколько мощности фактически используется нагрузкой для выполнения полезной работы и сколько энергии она «тратит впустую». Как ни банально звучит его название, это один из основных факторов, вызывающих высокие счета за электроэнергию, сбои в подаче электроэнергии, а иногда и дисбаланс в электрических сетях.

Что такое метод одного ваттметра?

Метод одного ваттметра В сбалансированной трехпроводной трехфазной цепи нагрузки мощность в каждой фазе одинакова, и, следовательно, общая мощность схемы может быть определена путем умножения мощности, измеренной в любой одной фазе.

Почему в ваттметре происходит короткое замыкание МК?

Первоначальный ответ: Почему мы закорачиваем клеммы M & C во время подключения ваттметра? Основная и общая клеммы закорочены, чтобы создать конфигурацию стороны «нагрузка на токовую катушку», или вы можете сказать, чтобы разместить потенциальную катушку перед токовой катушкой.

Ваттметр какого типа нельзя использовать как для переменного, так и для постоянного тока?

Ваттметр какого типа нельзя использовать одновременно для переменного и постоянного тока? Ваттметр индукционного типа используется только для измерения переменного тока, тогда как ваттметр динамометрического типа используется только для измерения постоянного тока. Прибор электростатического типа не относится к категории ваттметров и используется для измерения напряжения.

Какой тип ваттметра широко используется?

Электростатический ваттметр подходит для высоковольтных цепей с низким коэффициентом мощности, таких как измерение диэлектрических потерь в конденсаторах.Они используются при измерениях очень малой мощности. Ваттметры индукционного типа и ваттметры с поворотной катушкой и прямым считыванием очень часто используются для измерения мощности.

Какова формула 3-фазной мощности?

3-фазные расчеты Для 3-фазных систем мы используем следующее уравнение: кВт = (В × I × PF × 1,732) ÷ 1000. Опять же, принимая единицу коэффициента мощности и решая это уравнение для «I», вы получаете: I = 1000 кВт ÷ 1,732 В.

Что такое CC и ПК в ваттметре?

Ваттметр используется для измерения средней мощности в любой электрической сети.Ваттметр имеет катушку напряжения или потенциала (PC) и катушку тока (CC) с маркировкой полярности, как показано на рисунке. Если одна из катушек перевернута, измеритель выдаст отрицательное значение мощности.

Как 3-ваттметр измеряет мощность?

Определение: метод 3 ваттметра используется для измерения мощности в 3 фазах с использованием 4-проводной системы, которая основана на теореме Блонделя. Теорема Блонделя утверждает, что мощность, подаваемая системой переменного тока с k-проводом, равна общему ваттметру, который требуется меньше, чем тот, который равен «K-1».

Что определяет, насколько переместится стрелка ваттметра?

Последовательные катушки измеряют ток, протекающий по цепи, параллельная катушка измеряет напряжение. Последовательный резистор ограничивает ток через подвижную катушку. Он расположен между двумя неподвижными катушками и прикреплен к стрелке индикатора. Магнитные поля во всех трех катушках влияют на движение стрелки.

Что такое постоянная ваттметра?

Ваттметр — это электрический прибор, который используется для измерения электрической мощности (в ваттах) любой электрической цепи.Конструкция: он состоит из двух катушек, т.е. катушки давления (параллельной) и катушки тока (последовательной).

Ваттметр (простой измеритель мощности переменного тока)

Введение:
Ваттметр — важный измерительный прибор. Это позволяет измерить истинную электрическую мощность (мощность).
Определить истинную мощность в цепях переменного тока невозможно простым умножением действующего значения напряжения и тока, поскольку
коэффициент мощности часто не равен 1.Вы должны использовать счетчик, который постоянно измеряет
мгновенный ток и напряжение, умножает их и выдает среднее значение. Это делают аналоговые электромеханические устройства.
с помощью катушки тока (сплошной) и катушки напряжения (подвижной, с прикрепленной к ней иглой). Магнитная сила, действующая между катушками, равна произведению
магнитных полей. Усреднение достигается за счет импульса системы. Традиционные ваттметры с аналоговой шкалой не очень точны и обычно имеют низкий полезный диапазон измерения.

Теория электронного ваттметра:
Я решил сделать это твердотельным способом — построить электронный измеритель мощности с аналоговой обработкой и цифровым считыванием.
Дисплей снабжен цифровым мультиметром, который сейчас можно купить менее чем за 100 крон (примерно 4 доллара США), поэтому нет смысла создавать свой собственный.
цифровой вольтметр. Также можно использовать панельный цифровой вольтметр или даже аналоговый измеритель.
Непосредственное напряжение измеряется с помощью делителя напряжения.Ток измеряется шунтом. Затем напряжение и ток умножаются аналоговым умножителем AD633.
Выход обеспечивает напряжение, пропорциональное мгновенной мощности. Для получения средней мощности необходимо отфильтровать сигнал с помощью RC-фильтра.

Самая большая проблема в этой конструкции — создание произведения двух аналоговых напряжений. Это не так просто
может показаться. Есть возможность умножения с использованием операционных усилителей и переходов дискретных диодов или транзисторов, имеющих экспоненциальную характеристику.Их принцип состоит в том, чтобы логарифмировать оба сигнала, складывать их и, наконец, делать логарифмы. Точность не очень хорошая, есть проблемы с калибровкой, огромная
температурная зависимость и различия между отдельными частями транзисторов или диодов. Поэтому я отказался от этого варианта. Другой вариант —
с использованием широтно-импульсных умножителей, но это решение тоже весьма своеобразно. Еще больше сложностей возникает, когда надо работать
с обеими полярностями тока и напряжения (4 квадранта).Поэтому я решил использовать специализированную интегральную схему AD633 (AD633JN в классическом корпусе THT DIP8) —
четырехквадрантный аналоговый умножитель с дифференциальными входами и точностью 2%. Для получения дополнительной информации см. Техническое описание AD633.
Обратите внимание, что версия SMD имеет другую распиновку!
Выходное напряжение определяется формулой:

w = (x2-x1) * (y1-y2): 10V + z

Я хотел попробовать микросхему MPY634 с точностью 0,5%, но не нашел.
Максимальный диапазон входного и выходного напряжения, при котором работает схема AD633, составляет +/- 10 В.Это должно соответствовать обоим входным напряжениям.
Схема должна быть рассчитана на амплитуду тока и напряжения, а не только на эффективное значение. Для сети 230 В надо работать
с пиком 325В, а не только 230В. Соотношение делителей 1:40 кажется лучшим. Это позволяет работать с пиковым напряжением до 400 В.
Напряжение шунта ниже, чем напряжение делителя напряжения, поэтому подключается ко входу Y, который имеет лучшую точность.

Простая схема ваттметра:
Инжир.1 представляет собой простейшую конструкцию измерителя мощности (ваттметра) с AD633 и одного диапазона.
Ток измеряется шунтом. Если нам требуется преобразование выходного сигнала 1 мВ / 1 Вт, значение шунта должно быть
0R4 (0,4 Ом). Максимальный среднеквадратичный ток через измеритель определяется максимально допустимой рассеиваемой мощностью шунта.
Для шунта 0,4 Ом 40 Вт максимальный непрерывный ток составляет 10 А. Максимальная измеренная мощность составляет 2300 Вт для идеальной резистивной нагрузки, для разных нагрузок она должна быть ниже.
Еще одно ограничение — максимальное входное напряжение умножителя (10 В),
поэтому максимальный пиковый ток должен быть ниже 25 А.Калибровка выполняется путем установки P1 в соответствии с известной нагрузкой. Сумма значений P1 и R1 будет около 390k, а коэффициент деления будет 1:40.
Если вы не можете установить правильное значение с помощью P1, измените значение R1. Входы умножителя защищены от перенапряжения стабилитронами на 12 В.
Напряжение питания (+/- 15 В) получается с помощью емкостного капельницы и двух стабилитронов на 15 В.
В сочетании с мультиметром с разрешением 0,1 мВ вы получите ваттметр с разрешением 0,1 Вт.Мы будем использовать
Диапазоны 200 мВ, 2 В и, возможно, 20 В, где мощность
отображается непосредственно в ваттах (1 мВ = 1 Вт) или киловаттах (1 В = 1 кВт).

Предупреждение! Вся цепь, включая выход мультиметра (вольтметра), электрически подключена к сетевому напряжению, что смертельно опасно.
С этим следует обращаться соответственно.
Для снижения риска возгорания следует использовать предохранитель или автоматический выключатель.Вы все делаете на свой страх и риск. Я не несу ответственности за причиненный вам вред.

Рис.1 — Схема простого ваттметра

AD633JN в корпусе DIP8.

Первые эксперименты с ваттметром

Макет ваттметра в макете.

Ваттметр на печатной плате.

Видео — тестирование ваттметра

Добавлен: 7.3. 2011 г.

дома

Измерение трехфазной мощности

Для измерения трехфазной мощности в трехфазных цепях используются различные методы на основе количества используемых ваттметров. У нас есть три метода для обсуждения:

Метод трех ваттметров
Метод двух ваттметров
Метод одного ваттметра.

Давайте подробно обсудим каждый метод по отдельности.

Метод измерения трехфазной мощности с помощью трех ваттметров

Принципиальная схема показана ниже —

Здесь она применяется к трехфазным четырехпроводным системам, токовые катушки всех трех ваттметров, обозначенных как 1, 2 и 3, являются подключен к соответствующим фазам, обозначенным как 1, 2 и 3.Катушки давления всех трех ваттметров подключены к общей точке на нейтральной линии. Очевидно, что каждый ваттметр будет давать показания как произведение фазного тока и линейного напряжения, которое является фазной мощностью. Сумма всех показаний ваттметра даст полную мощность цепи. Математически мы можем написать

Измерение трехфазной мощности двумя ваттметрами Метод

В этом методе мы имеем два типа соединений

Соединение нагрузок звездой
Соединение нагрузок треугольником.

Когда нагрузка подключена звездой, диаграмма показана ниже:

Для нагрузки, подключенной звездой, ясно, что показания ваттметра 1 являются произведением фазного тока и разности напряжений (V ₂ -V ₃). Аналогично, показания ваттметра два являются произведением фазного тока и разности напряжений (V ₂ -V ₃). Таким образом, общая мощность схемы складывается из показаний обоих ваттметров. Математически мы можем написать

, но у нас есть, следовательно, значение.

Получаем полную мощность как.
Когда нагрузка подключена по схеме треугольника, диаграмма показана ниже.

Измерение трехфазной мощности методом одного ваттметра

Ограничение этого метода состоит в том, что он не может применяться к несимметричной нагрузке. Итак, при этом условии у нас есть.
Схема показана ниже:

Даны два переключателя, которые обозначены как 1-3 и 1-2, при замыкании переключателя 1-3 мы получаем показания ваттметра как

Аналогично показания ваттметра, когда переключатель 1-2 находится в положении закрыто —

Как работает ваттметр? — Wira Electrical

На этот раз мы попытаемся понять принцип работы ваттметра.

Некоторые ваттметры не имеют катушек; Рассматриваемый здесь ваттметр относится к электромагнитному типу.

Обязательно сначала прочтите, что такое цепь переменного тока.

Измерение мощности ваттметром

Средняя мощность, потребляемая нагрузкой, измеряется прибором, называемым ваттметром .

Ваттметр — это прибор, используемый для измерения средней мощности.

На рисунке (1) показан ваттметр, который состоит по существу из двух катушек: токовой катушки и катушки напряжения.

Токовая катушка с очень низким импедансом (в идеале бесконечным) подключается параллельно нагрузке, как показано на рисунке (2), и реагирует на напряжение нагрузки.

Рисунок 1. Ваттметр

Катушка тока действует как короткое замыкание из-за ее низкого импеданса; катушка напряжения ведет себя как разомкнутая цепь из-за своего высокого импеданса.

В результате наличие ваттметра не нарушает цепь и не влияет на измерение мощности.

Рисунок 2. Ваттметр, подключенный к нагрузке

Когда две катушки находятся под напряжением, механическая инерция подвижной системы создает угол отклонения, который пропорционален среднему значению продукт v (t) i (t) .

Если ток и напряжение нагрузки равны v (t) = V _m cos (ωt + θ _v) и i (t) = I _m cos (ωt + θ _i), их соответствующие среднеквадратичные векторы равны

, а ваттметр измеряет среднюю мощность, определяемую как

, как показано на рисунке.(2) каждая катушка ваттметра имеет две клеммы с маркировкой ±.

Чтобы обеспечить отклонение по шкале, клемма ± токовой катушки направлена к источнику, а клемма ± катушки напряжения подключена к той же линии, что и токовая катушка.

Как ваттметр включается в цепь. Включение ваттметра в измеряемую цепь

Опыты с ваттметром

Опыт 1. Измерение мощности в цепи однофазного переменного тока с активной нагрузкой.

Опыт 2. Измерение мощности в цепи трёхфазного тока с активной симметричной нагрузкой.

Схема включения ваттметра в электрическую цепь. Ваттметры. Виды и применение. Работа. Примеры и параметры

Ваттметры используют для:

Рассмотрим некоторые варианты приборов (ваттметров) различных вариантов исполнения и различных фирм производителей.

Рассмотрим работу прибора. Вставляем его в розетку.

Замеры напряжения:

Схема включения ваттметра

Ваттметры — Включение — Схема

Ваттметр своими руками цифровой

marazmPRO2 › Блог › Ваттметр 60V 100A из Китая

Как подключить

Microchip PIC18F252

Лучшие модели

ROBITON PM-1

HiDANCE 3680W AC Power Meter

Espada TSL 1500WB

TP-Link HS110

Список использованных компонентов

Печатная плата

Программа микроконтроллера

Типы ваттметров

Схема включения ваттметра

Измерение мощности с использованием эффекта Холла

Методы измерения мощности на высоких и сверхвысоких частотах

Подключение ваттметра. Включение ваттметра в измеряемую цепь. Включение ваттметра в цепь переменного тока, при токе нагрузки больше допустимого

Что такое катушка индуктивности

Конструкционные особенности

Применение

Основные характеристики катушек индуктивности

Опыты с ваттметром

Опыт 1. Измерение мощности в цепи однофазного переменного тока с активной нагрузкой.

Опыт 2. Измерение мощности в цепи трёхфазного тока с активной симметричной нагрузкой.

Как работает ваттметр?

Принцип работы ваттметра

Ваттметр динамометрического типа

Ваттметр индукционного типа

Продолжить чтение

RF | Telewave, Inc.

Использование счетчиков для измерения простых цепей — Базовое электричество

Атрибуция

Быстрый ответ: Как работает ваттметр

Измеряет ли ваттметр активную мощность?

Может ли ваттметр измерять мощность постоянного тока?

Какую мощность потребляет ваттметр?

Как измеряется мощность в цепи постоянного тока?

Почему мы используем ваттметр?

Может ли коэффициент мощности быть больше 1?

Что вы подразумеваете под трехфазным ваттметром?

Почему ваттметр LPF используется в тесте без нагрузки?

Коэффициент мощности равен RZ?

Какова формула коэффициента мощности?

Какой коэффициент мощности указан в моем счете за электричество?

Что такое метод одного ваттметра?

Почему в ваттметре происходит короткое замыкание МК?

Ваттметр какого типа нельзя использовать как для переменного, так и для постоянного тока?

Какой тип ваттметра широко используется?

Какова формула 3-фазной мощности?

Что такое CC и ПК в ваттметре?

Как 3-ваттметр измеряет мощность?

Что определяет, насколько переместится стрелка ваттметра?

Что такое постоянная ваттметра?

Ваттметр (простой измеритель мощности переменного тока)

Измерение трехфазной мощности

Метод измерения трехфазной мощности с помощью трех ваттметров

Измерение трехфазной мощности двумя ваттметрами Метод

Измерение трехфазной мощности методом одного ваттметра

Как работает ваттметр? — Wira Electrical

Измерение мощности ваттметром

alexxlab

Вам также может понравиться

Как расшифровывается мрск: МРСК — это… Что такое МРСК?

Классификация электропроводок: : , . » elektri4estwo.ru

Кпд асинхронного двигателя: КПД электродвигателей | Полезные статьи

Добавить комментарий Отменить ответ