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).
Различные электроприборы потребляют неодинаковое количество энергии. Существует масса технологий, позволяющих экономить энергию без утраты качества эксплуатации. Разработаны устройства для измерения энергопотребления, помогающие оценить все затраты. Одно из них - бытовой ваттметр в розетку.
Общая информация
Ваттметр - комбинированное устройство, измеритель мощности в розетках. Его можно назвать прибором учета электричества, но на этом функциональность устройства не заканчивается. Прибор служит и как вольтметр, показывая напряжение постоянного тока в сети.
Есть разные виды ваттметров в розетку:
- цифровые;
- аналоговые.
Первые отражают всю нужную информацию на табло, вторые требуют произведения простых расчетов самостоятельно, зато стоят дешевле. Внешне ваттметр напоминает переходник в розетку. На панели есть кнопки управления и регулировки работы. Важно приобрести прибор, который можно включить непосредственно в гнездо. Если подключать устройство в розетку, оно показывает, сколько ватт потребляют приборы.
Бытовые ваттметры в розетки не требуют особых схем подключения. Если счетчик покажет лишь общую мощность в квартире, то эти мини-устройства отразят работу каждой розетки в отдельности. В их конструкции предусмотрена вилка для присоединения к розетке, гнездо для включения нагрузки.
Устройство состоит из следующих составляющих:
- датчиков тока, напряжения;
- преобразователя аналогово-цифрового;
- микроконтроллера;
- клавиатуры (средства ввода данных).
Качественные ваттметры для розеток, которые показывают, сколько прибор потребляет электроэнергии, могут параллельно измерять напряжение, коэффициент мощности, силу тока, частоту и ряд других показателей. Параметры измерения прибора - длительность работы техники, общее число киловатт, которые может расходовать техника.
Некоторые ваттметры после ввода тарифа даже отразят сумму, которую нужно заплатить за электроэнергию. Существуют ваттметры в розетки с регулятором мощности: при превышении показателя приборы издают сигналы.
Как работает ваттметр
В эксплуатации устройство довольно простое. Его следует включить в розетку, а через него подключить прибор, который нужно проверить. На экране будет отражена необходимая информация.
Порядок эксплуатации цифрового прибора таков:
- Подсоединить устройство к сети.
- Удостовериться, что оно показывает «ноль», а предыдущие цифры сброшены.
- Включить бытовую технику.
- Через несколько секунд оценить показания - количество ватт/час и другие.
Аналоговый счетчик устроен проще. В нем есть вращающиеся диски, по которым информацию придется вычислять с привлечением секундомера. Включив секундомер, нужно посчитать, за какое время диски развернулись. Далее нужно умножить киловатты по счетчику на 3600 и поделить на вычисленное время в секундах. Так будет получен коэффициент мощности.
Характеристики ваттметров
Ряд моделей имеет отверстия для расположения аккумуляторов, батареек, которые потребуются, если предусмотрены функции сохранения измеренных параметров и анализ, сопоставление данных.
Обычно технические характеристики устройств следующие:
- номинальная мощность - 3,6 кВт;
- ток - 16А;
- напряжение - 190 – 270 В;
- частота - 50 Гц;
- минимальная измеряемая мощность - 0,1 Вт;
- точность измерения - погрешность до 1 %;
- суммарное отражаемое энергопотребление - до 10000 кВт/ч;
- собственное потребление энергии - меньше 0,5 Вт;
- оптимальная температура окружающей среды - 5 – 40 градусов.
Чаще всего при помощи ваттметров в розетки с индикатором потребляемой мощности оценивают работу чайников, стиральных машин, обогревателей, прочей бытовой техники.
Плюсы и минусы приборов
К недостаткам можно отнести ограничение по максимальной нагрузке в пределах 3,6 кВт, хотя большинство домашних приборов укладываются в этот показатель. Не удастся проверить работу техники при сильном морозе: в неотапливаемом помещении работа прибора будет неправильной.
Достоинств у ваттметров множество:
- возможность оценить работу всех приборов в доме;
- простота в эксплуатации - справится даже новичок;
- отсутствие необходимости в особых схемах включения, в применении переходников;
- получение полной информации о работе техники;
- возможность подсчитать затраты и сэкономить в будущем;
- приемлемая цена, доступность.
Бытовые ваттметры - многофункциональные устройства, которые должны быть в каждом доме. Изделия заменят ряд других приборов для любителей электротехники и помогут контролировать энергопотребление в квартире.
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
ВАТТМЕТР , прибор для измерения электрической мощности, расходуемой в каком-нибудь участке электрической цепи. В технике и в лабораторной практике применяется ваттметр двух типов: электродинамический и индукционный.
Основан на взаимодействии токов и состоит из двух обмоток (фиг. 1): неподвижной а , несущей весь ток цепи I, и подвижной b, несущей ток i, пропорциональный напряжению цепи. Подвижная обмотка соединяется последовательно с большим безындукционным сопротивлением и включается параллельно приемнику. Ток к подвижной обмотке подводится по двум спиральным пружинкам с, которые в то же время создают вращающий момент, противодействующий повороту обмотки.
При синусоидальных токах, если Е - эффективное напряжение, I - эффективная сила тока однофазной цепи и ϕ - угол сдвига фаз между током и напряжением, мощность Р, потребляемая в цепи, выражается произведением:
В электродинамических ваттметрах взаимодействие двух магнитных потоков Ф 1 и Ф 2 , созданных токами I и i в обмотках, образует момент вращения:
Здесь α - угол отставания тока i в подвижной обмотке ваттметра, имеющей индуктивность L. Благодаря наличию угла α момент М не вполне пропорционален мощности Р; поэтому расчет прибора необходимо вести так, чтобы создаваемая углом α ошибка ваттметра не превосходила пределов точности отсчета. Так как
то угол α можно уменьшить введением большого добавочного сопротивления в цепь подвижной обмотки. Это сопротивление изготовляется из материала с ничтожным температурным коэффициентом и делает прибор нечувствительным к изменениям температуры окружающей среды. Из преобразования формулы (2)
следует, что это же добавочное сопротивление делает прибор малочувствительным и к изменению частоты тока, так как при малом значении дроби можно принять 
Электродинамический ваттметр является прецизионным прибором и применяется гл. обр. в лабораторной практике. Достоинства его: большая точность (до 0,25%), пригодность для постоянного и переменного тока, независимость показаний от частоты тока, формы кривой напряжения и температуры. Недостатки: легкая конструкция, слабые магнитные поля, небольшой вращающий момент и, вследствие этого, сильное влияние внешнего поля на показания ваттметра. Для уменьшения этого влияния и приспособления электродинамического ваттметра к условиям работы на распределительных щитах, применяют железный кожух, защищающий механизм ваттметра от действия внешнего поля, или устраивают весь магнитопровод из железа, усиливая таким образом поле и вращающий момент. Механизм электродинамического ваттметра представлен на фиг. 2.
Отличается от электродинамического тем, что ток в подвижную систему не подводится извне, а индуктируется токами в неподвижных обмотках (фиг. 3).
Индукционный ваттметр состоит из кольцеобразного сердечника а с двумя парами выступающих внутрь полюсов b, охватывающих центральный цилиндрический сердечник с; оба сердечника набраны из листового железа. В зазоре между полюсами и цилиндром вращается на опорах тонкостенный алюминиевый барабан d. На каждом полюсе кольцеобразного сердечника расположена обмотка; обмотки диаметрально противоположных полюсов соединены последовательно. Одна пара обмоток несет весь ток цепи, другая - ток, пропорциональный напряжению цепи, причем в этой обмотке искусственно создается отставание тока от напряжения на 90°. При включении такого ваттметра в цепь переменного тока пульсация двух полей, смещенных на 1/4 периода во времени и на 90° в пространстве, создает вращающееся поле, которое индуктирует ток в барабане и приводит его во вращение. Противодействующий момент развивается спиральными или цилиндрическими пружинками. Вращающий момент индукционного ваттметра выражается формулой:
где с - частота тока и ϱ - удельное сопротивление материала барабана. Индукционный ваттметр не м. б. отнесен к классу прецизионных приборов, так как показания его зависят от формы кривой напряжения, от частоты тока и от температуры среды. Индукционный ваттметр пригоден только для переменного тока и градуируется на определенную частоту. Достоинства его: прочная и сильная конструкция, слабое влияние внешних полей. Поэтому индукционный ваттметр является прекрасным техническим прибором и с успехом применяется на распределительных щитах. Механизм индукционного ваттметра показан на фиг. 4.
Обычно ваттметры выполняются на умеренные токи и напряжения: 100-200 А, 120 V. Для напряжений до 600 V применяются внешние добавочные сопротивления в цепи напряжения.
Для токов больше 200 А и напряжений выше 600 V применяются пятиамперные ваттметры на 100-120 V в соединении с трансформаторами тока и напряжения. Для измерения мощности трехфазного тока имеются различные специальные конструкции ваттметра: 1) однофазный ваттметр, включаемый на линейный ток и фазовое напряжение; ваттметр измеряет фазовую мощность, но градуируется на мощность Р трехфазного тока: он годен только для равномерной нагрузки; 2) однофазный ваттметр, включаемый на линейный ток и линейное напряжение по схеме фиг. 5; в цепь напряжения включается дроссель, дающий добавочный сдвиг фазы тока в обмотке напряжения на 30°; ваттметр градуируется на мощность трехфазного тока, но дает правильные показания только при равномерной нагрузке всех трех фаз; применяется в сетях с недоступной нулевой точкой;
3) ваттметр с двумя однофазными системами, действующими на общую ось; включается на два линейных тока - I 1 и I 2 и два линейных напряжения – Е 1-3 и Е 2-3 по схеме фиг. 6; ваттметр измеряет мощность трехфазного тока; годен для неравномерной нагрузки и для трехпроводной системы (без нулевого провода);
4) ваттметр с двумя однофазными системами, действующими на общую ось, причем каждая катушка тока состоит из 2 обмоток; включается на два фазовых напряжения – E 1-0 и Е 2-0 и три тока по схеме фиг. 7; ваттметр измеряет мощность трехфазного тока; годен для неравномерной нагрузки и для четырехпроводной системы (трехфазная с нулевым проводом).
