Как измерить электрическую мощность

Как гласит один из законов Мерфи - «каждое электрическое устройство работает лучше, когда на него подается питание». И когда оно запитано, оно должно потреблять некоторую мощность. Производители обязаны информировать пользователя о количестве потребляемой мощности, а данные, указанные на паспортных табличках, должны подтверждаться точными измерениями. И для этого нужны измерители мощности. Давайте рассмотрим некоторые теоретические основы, а также описание специализированных измерительных устройств. Описаны измерения и эксперименты, выполненные на практике, иллюстрирующие методы решения проблем, связанных с предметом исследования.

Основы измерения мощности

Измерение мощности в сети 3P3W (3 фазы, 3 линии) с помощью двух напрямую подключенных ваттметров. Полная мощность: Pt = P1 + P2

Измерение мощности в цепи постоянного тока относительно просто, что является результатом простого математического соотношения, определяющего этот параметр. Напомним: мощность [Вт] = напряжение [В] · ток [А]. В случае измерения переменного тока дело усложняется. Оно должно учитывать коэффициент мощности (PF), поэтому выражение принимает вид: мощность [Вт] = напряжение [В] · ток [A] · PF. Рассчитанная таким образом мощность называется активной, полезной или реальной. В цепях переменного тока продукт: напряжение [В] · ток [A] = полная мощность [ВА] (вольт-амперы).

Энергопотребление рассчитано за полный период

Используя цифровые методы, мгновенные значения напряжения умножаются на мгновенные значения тока, и эти произведения складываются вместе для вычисления интеграла за заданное время. Вычисленный интеграл является результатом измерения мощности. Описанный метод гарантирует получение правильного истинного среднеквадратичного результата независимо от формы напряжения и тока. Это могут быть синусоидальные и искаженные сигналы.

Измерения мощности в одно- и трехфазных цепях

Измерение мощности в однофазной двухпроводной сети с использованием трансформатора напряжения и тока. Преобразование Блонделя показывает, что количество измерителей мощности (ваттметров), необходимых для измерения общей мощности, на единицу меньше количества проводов в цепи. Для однофазной двухпроводной схемы достаточно одного ваттметра, для однофазной двухпроводной схемы потребуется два ваттметра, для трехфазной трехпроводной схемы потребуется два ваттметра, а для 3-х фазной 4-х проводной схемы потребуется три ваттметра.

Ваттметры, используемые в этих измерениях, определяют мощность на основе измерений напряжения и тока. Анализаторы мощности, а также некоторые цифровые осциллографы имеют несколько входных пар напряжения / тока, адаптированных для измерения мощности. Таким образом, их можно рассматривать как компактные устройства, содержащие несколько ваттметров. Такая конструкция позволяет измерять трехфазные 4-проводные сети одним прибором.

В 2-проводной однофазной сети напряжение и ток, показываемые ваттметром, равны полной мощности, рассеиваемой в нагрузке. Напряжение измеряется между двумя линиями электропередачи, а ток измеряется в линии, по которой подается питание на нагрузку, часто называемую горячим спаем. Анализаторы мощности обычно измеряют напряжение до 1000 VRMS. Более высокие напряжения в сетях переменного тока требуют использования понижающих трансформаторов VT (Voltage Transformer). Типичные токи, измеряемые анализаторами мощности, могут достигать 50 А.

Трансформаторы тока также необходимы для измерения более высоких токов переменного тока

На практике используются трансформаторы тока различной конструкции. Некоторые из них подключаются напрямую к линии, другие имеют петлю, через которую продевается токовый кабель, также есть решения с зажимами. Шунты часто используются при измерениях тока. В линию помещается шунт с известным сопротивлением, и ток определяется путем измерения падения напряжения на этом элементе.

Другая конфигурация представляет собой однофазную трехпроводную сеть, в которой полная мощность рассчитывается на основе алгебраической суммы мощностей, указанных двумя приложенными ваттметрами. Каждый из них подключен между одной горячей линией и нейтральной линией, и токи измеряются на каждой горячей линии.