Любое электрическое устройство должно потреблять некоторую мощность. Производители обязаны информировать пользователя о количестве потребляемой мощности, а данные, указанные в паспортных данных, должны быть подтверждены точными измерениями. Здесь рассматриваются вопросы связанные с измерением мощности и содержатся теоретические основы, а также описание специализированных измерительных устройств.
Основы измерения мощности
Измерить мощность в цепи постоянного тока относительно просто, что следует из простой математической зависимости, определяющей этот параметр. Напомним формулу:
мощность [Вт] = напряжение [В] · ток [А]
Несколько сложнее обстоит дело с измерениями переменного тока, они должны учитывать коэффициент мощности (PF), поэтому выражение принимает вид:
мощность [Вт] = напряжение [В] · ток [А] · PF
Рассчитанная таким образом мощность называется активной, полезной или реальной мощностью (active, true или real). В цепях переменного тока произведение: напряжение [В] · ток [А] = полная мощность [ВА] (вольт-ампер).
Потребляемая мощность рассчитывается за определенный период. Мгновенные значения напряжения умножаются на мгновенные значения тока, и эти произведения складываются для вычисления интеграла за указанное время. Вычисленный интеграл является результатом измерения мощности. Описанный метод гарантирует получение правильного истинного среднеквадратичного значения независимо от формы напряжения и тока. Это могут быть синусоидальные и искаженные формы сигналов, содержащие гармоники вплоть до рабочего диапазона измерительного прибора.
Измерение мощности в одно и трехфазных цепях
Преобразование Блонделя показывает, что количество измерителей мощности (ваттметров), необходимых для измерения полной мощности, на единицу меньше чем количество проводов в цепи. Для однофазной 2-х проводной цепи будет достаточно одного ваттметра, для однофазной 2-х проводной потребуется два ваттметра, для 3-х фазной 3-х проводной схемы потребуется два ваттметра, а для 3-х фазной 4-х проводной схемы – 3 ваттметра.
Ваттметры, используемые в этих измерениях, определяют мощность на основе измерений напряжения и тока. Анализаторы мощности и некоторые цифровые осциллографы имеют несколько входных пар напряжение/ток, адаптированных для измерения мощности. Таким образом, их можно рассматривать как компактные устройства, содержащие несколько ваттметров. Такая конструкция позволяет измерять трехфазные 4-х проводные сети одним прибором.
В 2-х проводной однофазной сети напряжение и ток, показываемые ваттметром, равны полной мощности рассеиваемой в нагрузке. Напряжение измеряется между двумя линиями электропередач, а ток измеряется на линии, которая подводит питание к нагрузке. Анализаторы мощности обычно измеряют напряжение до 1000 В (среднеквадратичное значение). Более высокие напряжения в сетях переменного тока требуют применения понижающих трансформаторов.
Трансформаторы тока также необходимы для измерения больших токов переменного напряжения. На практике применяют трансформаторы тока различных конструкций. Некоторые из них подключаются непосредственно к линии, другие имеют петлю, через которую продевается токовый кабель, также есть решения с зажимами. Шунты тоже часто используются при измерении тока. В линию помещают шунт известного сопротивления и определяют силу тока путем измерения падения напряжения на этом элементе.
Другой конфигурацией является однофазная 3-х проводная сеть, в которой общая мощность рассчитывается на основе алгебраической суммы мощностей, показываемых двумя применяемыми ваттметрами. Каждый из них подключен между одной “горячей” и нейтральной линией, и в каждой горячей линии измеряются токи. Суммарная мощность: Pt = P1 + P2.
Рассмотрим теперь трехфазную 4-х проводную сеть. Для измерения мощности используются три ваттметра, цепи напряжения которых подключены между горячими линиями и нейтральным проводником, а токовые цепи измеряют токи, протекающие в горячих линиях. Полная мощность равна алгебраической сумме мощностей указываемых каждым ваттметром Pt = P1 + P2 + P3. Причем каждый ваттметр измеряет мощность в той фазе, к которой он подключен.
В трехфазных трехпроводных сетях двумя ваттметрами измеряют фазные токи в двух из трех линий. Каждый ваттметр измеряет напряжение между двумя линиями от трех линий питания. В этой конфигурации полная мощность правильно измеряется путем суммирования алгебраической мощности двух ваттметров: Pt = P1 + P2. Но правильность полученного таким образом результата зависит от того, сбалансирована сеть или нет.
Коэффициент мощности и инструменты
В несимметричных сетях фазные токи могут отличаться друг от друга. Тогда измеренная полная мощность будет правильной, но полная полная мощность и коэффициент мощности могут быть неверными. Эта проблема не возникает с анализаторами мощности которые принимают конфигурацию подключения 3V3A.
В этом случае измерения мощности будут точными как в сетях с балансировкой нагрузки, так и в сетях с несбалансированной нагрузкой. Эти приборы используют три ваттметра для измерения каждой фазы. Цепь напряжения одного ваттметра включена между фазами R и T, вторая измеряет напряжения между фазами S и T, а третья – между фазами R и S. Фазные токи измеряются токовыми цепями каждого ваттметра.
Тем не менее, в такой сети можно использовать метод с использованием двух ваттметров для измерения полной мощности, а общая мощность равна: Pt = P1 + P2. Определение полной кажущейся мощности требует дополнительного расчета S1, S2 и S3 – полные мощности измеренные по отдельным фазам. Все три значения напряжения и тока используются при измерениях несбалансированной нагрузки.
Измерение коэффициента мощности
Измерение коэффициента мощности должно быть контролируемым и его значение должно быть как можно ближе к 1. Среди электрических устройств одинаковой мощности больший ток от сети потребляют устройства с низким коэффициентом мощности. Следует помнить что больший ток потребляемый приемником энергии увеличивает потери в линиях передачи.
Необходимо использовать более толстые кабели, также возрастают требования к дополнительному оборудованию, а следовательно, возрастают затраты на доставку энергии ее получателю. Поскольку промышленное оборудование является наиболее распространенным типом нагрузки с низким коэффициентом мощности, поставщики энергии часто выставляют за него более высокие счета за электроэнергию.
Качество энергии, распределяемой в питающей сети, тем лучше, чем лучше коэффициенты мощности подключенных к ней потребителей. Для заказчиков, использующих устройства с низким коэффициентом мощности, необходимо установить дополнительное оборудование обеспечивающее соответствующую коррекцию этого параметра. Из-за индуктивности наиболее часто используемых потребителей, коррекция коэффициента мощности обычно реализуется в виде блоков конденсаторов.
В индуктивных цепях ток отстает от напряжения. Речь идет об отстающем коэффициенте мощности. Ток опережает напряжение в емкостных цепях, что называют опережающим ускорением коэффициента мощности. Примером индуктивной нагрузки является двигатель переменного тока, а емкостной нагрузкой будет люминесцентная лампа.
Для определения общего коэффициента мощности в трехфазной 4-х проводной сети необходимы три ваттметра. Все измеряют мощность, но также напряжение и ток. Коэффициент мощности рассчитывается путем деления общей активной мощности всех ваттметров на общую мощность.
В трехфазных трехпроводных сетях с несимметричной нагрузкой коэффициент мощности следует измерять тремя ваттметрами вместо двух, так как фазные токи в таких цепях могут различаться. В методе двух ваттметров измеряются токи только двух фаз, поэтому возможная разница в измерении тока в третьей фазе может вызвать неточности в определении коэффициента мощности.
Измерение мощности бытовых приборов
Бытовая техника должна соответствовать стандартам Energy Star или IEC62301, предусматривающим работу в энергосберегающем режиме ожидания. Эти стандарты определяют методы измерения ряда параметров мощности, таких как требуемая точность, разрешение, гармоники и так далее. IEC62301 дополнительно связан с 25 другими стандартами, в которых подробно описаны параметры для различных устройств.
В дежурном режиме электроприбор, подключенный к сети, потребляет минимально возможную мощность до тех пор, пока не будет переведен в нормальный режим работы. Измерение мощности, потребляемой устройством в режиме ожидания, должно определять среднюю мощность потребляемую устройством. Подробные методы и алгоритмы измерений указаны в стандартах.
Существует 3 метода измерения мощности в режиме ожидания. Если мощность стабильна, показания могут быть сняты в любое время. В противном случае необходимо измерить среднюю или полную мощность за период времени. Среднюю мощность также можно определить, измерив энергию (ватт-часы) за определенное время и разделив ее на это время.
Это метод, который дает наиболее точные результаты и хорошо работает как для измерений очень низкой мощности, так и для мощностей, меняющихся во времени. Данный метод используется в анализаторах мощности. Но для измерения общего энергопотребления требуются более сложные приборы. Они должны быть активны в течение всего времени измерения.
Приборы для измерения мощности
Измерения мощности чаще всего выполняются с помощью анализаторов мощности или цифровых осциллографов со специальными функциями, включенными в прошивку. Большинство современных анализаторов мощности представляют собой цифровые приборы, содержащие дигитайзеры, преобразующие аналоговый сигнал в цифровую форму. В анализаторах высочайшего качества используются сигнальные процессоры, обеспечивающие высокую скорость и точность вычислений.
В цифровых осциллографах должны быть установлены опции измерения мощности с функциями, специально разработанными для них. Но следует помнить что все данные, используемые для расчетов, поступают из схемы сбора данных осциллографа, что во многих случаях может быть существенным ограничением. Обычно достаточно параметров осциллографических пробников напряжения и тока.
Входы анализатора мощности рассчитаны на прямое подключение среднеквадратичного напряжения 1000 В и среднеквадратичного тока 50 А, поэтому большинство тестируемых устройств можно подключать напрямую. Осциллографические измерения требуют использования пробников напряжения и тока.
Трансформаторы тока, используемые для измерения мощности переменного тока, имеют типичное соотношение 20:5. Другими важными параметрами являются: точность, фазовый сдвиг и частотный диапазон. Если есть необходимость понизить напряжение до допустимых для измерительных приборов уровней, применяют трансформаторы напряжения. Например если прибор с рабочим напряжением 480 В переменки используется с измерительным прибором с максимальным входным напряжением 120 В, требуется трансформатор напряжения 4:1.
Измерения мощности осциллографическими методами обычно не дают точности сравнимой с анализаторами мощности. Высокие напряжения и большие токи не могут быть подключены непосредственно к их входам. С соответствующими пробниками они могут измерять в очень широком диапазоне частот – до 500 МГц.
Осциллографы идеально подходят для измерения мощности блоков питания устройств, особенно импульсных блоков питания, на этапе проектирования, непосредственно на платах-прототипах. Обычно осциллографы и анализаторы спектра измеряют такие параметры, как потери мощности при переключении, потребляемая мощность устройства, уровень шума, гармоники, выходная мощность и стабильность выходного сигнала.
При осциллографических измерениях необходимо дополнительное оборудование, такое как: дифференциальные пробники напряжения и тока. При измерении мощности часто необходимо измерить разность напряжений в двух точках цепи без привязки их к земле. В таких случаях следует использовать дифференциальные датчики напряжения.
В состав оборудования электроизмерительной станции также входят уже замененные трансформаторы напряжения и тока, всевозможные зажимы, кабели и так далее. После завершения КИПиА можно приступать к измерениям. Однако перед этим следует тщательно продумать метод измерения и результирующую схему соединения.
Как правило анализаторы мощности лучше всего подходят для измерения мощности потребительских устройств с относительно высокими напряжениями питания и низкими частотами. Они обеспечивают высокое разрешение и точность измерений. Тем не менее, осциллографы чаще всего используются для измерений проводимых непосредственно на печатных платах.
