Измерение мощности, энергии, угла сдвига фаз и частоты Измерение мощности постоянного и переменного однофазного тока.

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. Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5 - 2,5).

На рис. 3.15, а показана схема использования электродинамического измерительного механизма для построения ваттметра и измерения мощности.

Неподвижная катушка 1, включаемая в цепь нагрузки последовательно, называется последовательной цепью ваттметра; подвижная катушка 2 (с добавочным резистором Rд), включаемая параллельно нагрузке - параллельной цепью. Угол отклонения  определяется выражением вида:

где S = чувствительность ваттметра, равная производной отклонения указателя (стрелки) ваттметра по мощности, является конструктивной характеристикой ваттметра.

Р ис. 3.15. Схемы включения ваттметра (а) и векторная диаграмма (б)

Д ля получения равномерной шкалы в ваттметрах необходимо выбирать форму, размеры и начальное положение катушек.

Рассмотрим работу электродинамического ваттметра на переменном токе. Векторная диаграмма рис. 3.15, б построена для индуктивного характера нагрузки. Вектор тока I_U параллельной цепи отстает от вектора U на угол  вследствие некоторой индуктивности подвижной катушки.

Для ваттметра на переменном токе можно получить

Из выражения следует, что ваттметр правильно измеряет мощность лишь в двух случаях: при и . Условие  = 0 может быть достигнуто созданием резонанса напряжений в параллельной цепи, например включением конденсатора С соответствующей емкости, как это показано штриховой линией на рис. 3.40, а. Однако резонанс напряжений будет лишь при некоторой определенной частоте. С изменением частоты условие  = 0 нарушается.

При   0 ваттметр измеряет мощность с угловой погрешностью.

При малом значении угла  ( обычно составляет не более 40— 50'), т. е. при sin =, cos  = 1, относительная погрешность .

Из этого следует, что при углах , 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. 3.16).

Рис. 3.16, (а и б). Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

Погрешности, обусловленные потреблением мощности катушками ваттметра, для схем рис. 3.16(а и б) могут иметь заметные значения лишь при измерениях мощности в маломощных цепях, т. е. когда P_I и P_U соизмеримы с Р_H.

Из физического содержания понятия мощность следует, что если поменять знак только одной из переменных (тока или напряжения), то изменится знак мощности и направление отклонения подвижной части прибора. Для правильного включения ваттметра один из каждой пары зажимов (последовательной и параллельной цепей) обозначается знаком «*» (звездочка) и называется «генераторным зажимом».

Электродинамические ваттметры имеют обычно несколько пределов измерения по току и по напряжению, чаще всего два предела по току, например 5 и 10 А, и три по напряжению — 30, 150 и 300 В. Такие приборы снабжаются неименованными шкалами, и для того чтобы найти значение мощности, измеренное ваттметром, необходимо число делений, указываемое стрелкой, умножить на постоянную прибора С (в ваттах на деление для каждого предела):

С = U_ном *I_ном / n,

где n – число делений шкалы.