Измерение мощности в электрических цепях постоянного и переменного токов: способы и формулы
Перейти к содержанию
Search for:
На чтение 9 мин. Просмотров 7.4k. Опубликовано
Содержание
- Общие сведения
- Мощность потребителя
- Сила тока
- Электрическое напряжение
- Сопротивление электрической цепи
- Методы измерения
- Косвенный способ
- Прямое определение величины
Очень часто при проектировании электрических схем радиолюбители сталкиваются с проблемой измерения мощности, которую потребляют радиокомпоненты. Специалисты в метрологической сфере рекомендуют два метода, позволяющих вычислить и грамотно рассчитать ее значение. В этом случае нужно разобрать подробнее физический смысл величины, а также ее составляющих, от которых она зависит.
Общие сведения
При проектировании устройств нужно уметь правильно рассчитывать мощность электроэнергии электрооборудованием.
Это необходимо, прежде всего, для долговечной работы устройства. Если изделие работает на износ, то оно способно выйти из строя сразу или в течение некоторого времени.
Такой вариант считается недопустимым, поскольку существуют виды техники, которые должны работать без отказов (аппарат искусственного дыхания, контроль уровня метана в шахте и так далее), так как от этого зависит человеческая жизнь. К основным характеристикам электрической энергии относятся следующие: мощность, сила тока, напряжение (разность потенциалов) и электропроводимость (сопротивление) материалов.
Мощность потребителя
Мощность не следует путать с электрической энергией. Единицей измерения первой является ватт (Вт), название которой произошло от фамилии известного физика Джеймса Уатта. Физическим смыслом 1 Вт является расход электрической энергии за единицу времени, равной 1 секунде (1 Вт = расход 1 джоуля за 1 секунду).
Существуют производные единицы измерения: милливатт (1 мВт = 0,001 Вт), киловатт (1 кВт = 1000 Вт), мегаватт (1 МВт = 1000 кВт = 1000000 Вт), гигаватт (1 ГВт = 1000 МВт = 1000000 кВт = 1000000000 Вт) и так далее. Для измерения электрической энергии применяются специальные счетчики, а ее единицей измерения является Вт*ч.
Ватт можно связать с некоторыми физическими величинами: 1 Вт = 1 Дж/с = (1 кг * sqr (м)) / (c * sqr (c)) = 1 Н * м / с = 746 л. с. Последнее числовое значение называется электрической лошадиной силой. Ваттметр — измеритель электрической мощности. Однако ее величину можно определить и другим способом. Для этого следует разобрать физические величины, от которых она зависит.
Сила тока
Количество электрического заряда, который проходит через токопроводящий материал за единицу времени, называется силой электрического тока. Сокращенно величину называют силой тока или током. Она обозначается литерами «I» или «i» и имеет направление (векторная величина).
(18) электронов.
Ток в научной интерпретации классифицируется на постоянный и переменный. Первый вид не изменяет своего направления за единицу времени, но его амплитудные значения могут изменяться. Направление и амплитуда переменного тока изменяется по определенному закону (синусоидальный и несинусоидальный). Основным параметром считается его частота. Определяется тип переменного тока с помощью осциллографа.
Электрическое напряжение
Из курса физики известно, что каждое вещество состоит из атомов, которые обладают нейтральным зарядом. Они состоят из субатомных частиц. К ним относятся следующие: протоны, электроны и нейтроны. Первые имеют положительный заряд, вторые — отрицательный, а третьи — не заряжены вообще.
Суммарный заряд протонов компенсирует заряд всех электронов. Однако под действием внешних сил это равенство нарушается, и электрон «вырывается» из атома, который уже обладает положительным зарядом. Он притягивает электрон с соседнего атома, и процесс повторяется до тех пор, пока энергия не будет минимальной (меньше энергии «вырывания» электрона).
При межатомном взаимодействии образуется электромагнитное поле с отрицательной или положительной составляющими. Разность между двумя точками противоположных по знаку составляющих называется электрическим напряжением. Работа электромагнитного поля по перемещению точечного электрического заряда из точки А в точку В называется разностью потенциалов. Физический смысл напряжения (U): разность потенциалов в 1 В между двумя точечными зарядами в 1 Кл, на перемещение которых тратится энергия электромагнитного поля, равная 1 Дж.
Единицей измерения является вольт (В). Определить значение разности потенциалов можно с помощью вольтметра, который подключается параллельно. Производными единицами измерения считаются следующие: 1 мВ = 0,001 В, 1 кВ = 1000 В, 1 МВ = 1000 кВ = 1000000 В и так далее.
Сопротивление электрической цепи
Электропроводимость материала зависит от нескольких факторов: электронной конфигурации, типа вещества, геометрических параметров и температуры.
Сведения об электронной конфигурации вещества можно получить из периодической таблицы Д. И. Менделеева. Согласно этой информации вещества бывают:
- Проводниками.
- Полупроводниками.
- Диэлектриками.
К первой группе следует отнести все металлы, электролиты (растворы, проводящие ток) и ионизированные газы. Носителями электрического заряда в металлах являются электроны. В растворах их роль выполняют ионы, которые бывают положительными (анионы) и отрицательными (катионы). Свободными носителями заряженных частиц в газах считаются свободные электроны и положительно заряженные ионы.
Полупроводники проводят электричество только при определенных условиях. Например, при воздействии на него внешних сил. Под их действием кулоновские связи электрона с ядром уменьшаются. При этом отрицательно заряженная частица «вырывается». На ее месте образуется «дырка», обладающая положительным зарядом. Она притягивает соседний электрон, вырывая его с атома.
В результате этого осуществляется движение электронов и дырок. Изоляторы или диэлектрики вообще не проводят электричество. К ним относятся материалы без свободных носителей заряда, а также инертные газы.
В проводниках при повышении температурных показателей происходит рост величины сопротивления. При этом происходит разрушение и искажение кристаллической решетки. Заряженные частицы сталкиваются (взаимодействуют) с атомами и другими частицами материала. В результате их движение замедляется, но потом снова возобновляется под действием электромагнитного поля. Процесс этого «взаимодействия» называется электрической проводимостью вещества. Однако в полупроводниках при повышении температуры эта величина уменьшается. К геометрии материалов следует отнести следующие: длину и площадь поперечного сечения.
Сопротивление измеряется в Омах (Ом) при помощи омметра, который подсоединяется параллельно к участку цепи или радиодетали. Существуют производные единицы измерения: 1 кОм = 1000 Ом, 1 МОм = 1000 кОм = 1000000 Ом.
Методы измерения
Мощность можно определить двумя способами: косвенным и прямым. В первом случае это делается при помощи амперметра и вольтметра, а также осциллографа. Измеряются значения напряжения и тока, а затем по формулам вычисляется мощность. Этот способ имеет один недостаток: величина мощности получается с некоторой погрешностью.
При использовании прямого метода используется специальный прибор-измеритель. Он называется ваттметром и показывает мгновенное значение мощности. У каждого из способов есть свои достоинства и недостатки. Какой из методов наиболее оптимален, определяет сам радиолюбитель. Если проектируется какое-либо изделие, которое отличается надежностью, то следует применять прямой метод. В других случаях рекомендуется воспользоваться косвенным методом.
Косвенный способ
Мощность в цепях постоянного и переменного токов определяется различными способами.
Для каждого случая существуют свои законы и формулы. Однако мощность можно не рассчитывать, поскольку она указана на электрооборудовании. Расчет применяется только при проектировании устройств.
Для цепей постоянного тока нужно воспользоваться формулой: P = U * I. Ее можно вывести из закона Ома для участка или полной цепи. Если рассматривается полная цепь, то формула принимает другой вид с учетом ЭДС (е): P = e * I. Основные соотношения для расчета:
- Для участка электрической цепи: P = I * I * R = U * U / R.
- Для полной цепи, в которой подключен электродвигатель или выполняется зарядка аккумулятора (потребление): P = I * e = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).
- В цепи присутствует генератор или гальванический элемент (отдача): P = I * (e + (I * Rвн)).
Эти соотношения невозможно применять для цепей переменного тока, поскольку он подчиняется другим физическим законам. При измерении мощности в цепях переменного тока следует учитывать ее составляющие (активная, реактивная и полная).
Если в цепи присутствует только резистор, то мощность считается активной. При наличии емкости или индуктивности — реактивной. Полная — сумма активной и реактивной составляющих.
Для вычисления первого типа физической величины применяется формула такого вида: Ра = I * U * cos (a). Значения тока и напряжения являются среднеквадратичными, а cos (a) — косинус угла между ними. Для определения реактивной мощности нужно воспользоваться следующей формулой: Qр = I * U * sin (a). Если нагрузка в цепи является индуктивной, то значение будет больше 0. В противном случае — меньше 0. Полная мощность Р определяется по следующему соотношению: P = Pa + Qp.
Прямое определение величины
Для определения значения мощности в цепях переменного и постоянного тока применяются ваттметры. В них используются электродинамические или ферроидальные механизмы. Приборы с электродинамическим механизмом выпускаются в виде переносных приборов.
Они обладают высоким классом точности. Измерители мощности рекомендуется применять при выполнении точных расчетов для цепей постоянного и переменного тока с частотой до 5 кГц.
Ферродинамические приборы изготавливаются в виде электронных узлов, которые вставляются в измерительные стенды или щитовые. Основное их назначение — контроль приблизительных параметров потребления мощности электрооборудованием. Они обладают низким классом точности и применяются для измерения значений мощности переменного тока. При постоянном токе погрешность увеличивается, поскольку это обусловлено искажением петли гистерезиса ферромагнитных сердечников.
По диапазону частот приборы можно разделить на две группы: низкочастотные и радиочастотные. Ваттметры низких частот применяются в сетях промышленного питания переменного тока. Радиочастотный тип рекомендуется применять для точных измерений при проектировании различной техники. Они делятся на две категории по мощности:
- Проходящие.
- Поглощающие.
Первый вид подключается в разрыв линии, а второй — в ее конец в качестве нагрузки согласования. Кроме того, приборы для измерения мощности бывают аналоговыми и цифровыми.
При измерении мощности на высоких частотах применяются электронные и термоэлектронные ваттметры. Главным узлом считается микроконтроллер и преобразователь активной мощности. Последний преобразовывает переменный ток в постоянный. После этого происходит перемножение в микроконтроллере силы тока и напряжения. Результатом является сигнал на выходе, который зависит от I и U.
Ваттметр состоит из двух катушек. Первая из них подключается последовательно в цепь нагрузки, а другая (подвижная с резистором) — параллельно. В цифровых моделях роль катушек выполняют датчики тока и напряжения. Прибор имеет две пары зажимов. Одна пара применяется для последовательной цепи, а другая — для параллельной. Для правильного включения ваттметра выполняется обозначение * одной из двух пар зажимов.
Таким образом, для измерения мощности электрического тока применяются два метода. Первый из них является косвенным, а второй — прямым. Последний рекомендуется применять при проектировании сложной техники.
Adblock
detector
Измерители мощности. Измерительные приборы и инструменты
Каким прибором измеряют мощность? Вопрос достаточно актуальный, так как в настоящее время электрическая сеть имеется повсюду. Без электричества не работает практически ничего. Неудивительно, что это привело к огромной популярности приборов, измеряющих показатели таких сетей. Важный факт — измерение мощности можно провести только в ваттах. Однако в некоторых случаях возникает потребность перевода ватта в киловатт. Чаще всего это делается для удобства расчетов.
Общее описание электрических сетей
Мощность — это один из трех основных параметров, который характеризует электрическую сеть.
Данный параметр отражает то количество работы, которую выполняет сила тока за одну единицу времени. Здесь важно понимать, что общая мощность всех включенных приборов в сеть не должна превышать ту, которая подается поставщиком. Если это произойдет, то возможны негативные последствия, начиная с выхода из строя оборудования и заканчивая коротким замыканием и последующим пожаром. Для того чтобы избежать таких неприятностей, были изобретены измерители мощности, которые называются ваттметрами.
Тут важно понимать, что в цепи постоянного тока измерить этот параметр можно и без использования данного прибора. Для этого используют умножение. Перемножаются значения напряжения и силы тока в цепи. Однако обойтись тем же самым методом в цепи переменного тока не получится. Именно для таких сетей и были изобретены измерительные приборы и инструменты.
Использование аппаратуры
Основными источниками, использующими эти агрегаты, стали мастерские, занимающиеся ремонтом электрических приборов. Активно используют ваттметры и в электроэнергетической промышленности, а также машиностроении. Еще одной довольно распространенной моделью стали бытовые приборы. Основными покупателями таких изделий стали любители электроники, владельцы компьютеров или просто люди, желающие экономить на электроэнергии.
Один небольшой факт. В некоторых случаях приходится проводить преобразование ватт в киловатты. Чаще всего это делается в промышленных отраслях, где мощность настолько велика, что, если измерять ее в Вт, то значения будут слишком велики. При переводе единиц измерений есть такое правило: 1000 ВТ — это 1 кВт.
Чаще всего устройства применяются для таких целей, как:
- определение мощности отдельного агрегата;
- тестирование всей электрической цепи или ее отдельных частей;
- контроль работоспособности устройств;
- учет потребления электроэнергии всеми подключенными устройствами.
Краткое описание типов приборов
Здесь важно начать с того, что, прежде чем начать измерять мощность, обычно измеряют силу тока и напряжение. Основываясь на выбранном способе измерения, последующем преобразовании и выводе полученных данных, различают такие виды измерительных приборов и инструментов, как цифровые и аналоговые.
Аналоговые типы приборов отличаются тем, что они имеют полукруглую шкалу, а также движущуюся стрелку. Они также разделяются на две более мелких группы — самопишущие и показывающие. Эти приборы отражают мощность лишь активного участка цепи. Измерение прибор ведет в ваттах (Вт).
Цифровые измерители мощности (ваттметры) могут использовать для измерения и активной и реактивной мощности. К тому же у этого аппарата функционал намного шире, так как на его табло выводится показатель не только мощности, а также силы тока, напряжения и расхода энергии во времени. Еще одно преимущество заключается в том, что вывод всех значений можно производить удаленно, то есть на компьютер оператора.
Суть работы аналоговых приборов
Если говорить об устройствах аналогового типа для измерения мощности, то наиболее точными и часто используемыми стали приспособления электродинамической системы.
Принцип действия этого измерителя мощности основывается на работе двух катушек. Одна из них характеризуется тем, что она не двигается, ее сопротивление мало, как и число витков. А вот обмотка, наоборот, довольно толстая. Второй же экземпляр противоположен первому. То есть катушка движется, толщина обмотки низкая, а вот число витков довольно велико, из-за чего сопротивление также повышено. Подключение этого прибора осуществляется параллельно нагрузке. Для того чтобы избежать возникновения короткого замыкания между внутренними катушками устройства, прибор снабжается добавочным сопротивлением.
Суть работы цифровых приспособлений
Принцип действия этих измерителей мощности сложнее, чем у предыдущего типа. Причиной тому стало то, что мощность измеряется не напрямую. Основа работы устройства лежит в том, что сначала производятся предварительные измерения силы тока и напряжения. Для того чтобы их провести, нужно последовательно нагрузке подключить датчик тока, а параллельно — датчик напряжения. Выполнены эти агрегаты могут быть на базе термисторов или измерительных трансформаторов.
Мгновенные значения, полученные посредством аналого-цифрового преобразователя, передаются на микропроцессор, имеющийся у измерителя. В этом моменте производятся необходимые расчеты, благодаря которым можно получить значение активной и реактивной мощности. Итоговые результаты всех измерений выдаются на дисплей этого прибора, а также на дисплей тех устройств, которые подключены к нему. Оптическая мощность не измеряется этими видами приборов.
Бытовые приспособления
На сегодняшний день довольно распространенным и удобным прибором в быту стал ваттметр, при помощи которого можно измерить расход электрической энергии в доме. Данная модель является портативной версией устройства, при помощи которой измеряется мощность на отдельном участке. Благодаря этому становится возможным посчитать материальные расходы, которые уйдут на электроэнергию, если оставить работать сеть с такими же параметрами.
Данное приспособление довольно удобно, если необходимо распланировать расход средств, а также поможет провести оптимизацию некоторых участков домашней цепи.
Бытовые ваттметры
Этот агрегат относится к цифровой группе приборов. По своему внешнему виду он сильно напоминает адаптер или же переходник, который обладает дисплеем индикаторного типа. Кроме того, на корпусе расположено несколько кнопок, управляющих работой устройства. Основное предназначение этого прибора — регистрация и вывод на экран результатов потребления мощности любым бытовым прибором, который подключается к сети через него. Таких параметров довольно много, и это не только потребляемая мощность. Если ввести конкретный тариф, то устройство может даже показать количество материальных средств, которые будут уплачены за работу именно этого прибора. Оно может также фиксировать мощность излучения.
Функции прибора
Кроме обычных показателей этот прибор способен также зафиксировать такие значения, как пиковая мощность и пиковое значение силы тока. Кроме этого имеется и несколько других функций. Устройство показывает также текущее время, может работать как обычные часы реального времени. Еще одна возможность использования аппарата — звуковая сигнализация, которая сработает, если прибор начнет потреблять большее количество мощности, чем пользователь задаст вручную.
Кнопки, имеющиеся на приборе, могут быть использованы для того, чтобы вручную настраивать функции работы устройства. Имеется возможность выставить максимально допустимую мощность излучения, выставить стоимость киловатта за час и т.д.
В плане эксплуатации этот прибор очень прост. Для его работы необходимо подключить его к сети, то есть воткнуть в розетку. Далее необходимо подключить вилку исследуемого прибора к этому бытовому ваттметру. Отображение всех параметров подключенного устройства начнется автоматически.
Из основных параметров этого прибора можно выделить то, что к нему можно подключить практически любую бытовую технику. Общая максимальная мощность приборов не должна превышать показателя в 3600 Вт. Также нельзя превышать показатель силы тока в 16 А.
Что такое измеритель мощности? | ШИМ
Измеритель мощности является одним из самых полезных и простых приборов для измерения электрической мощности, когда не требуется более глубокий анализ измеренных данных. Он измеряет напряжение (В) и ток (А) и выводит из них наиболее важные результаты измерения мощности. Измерители мощности идеально подходят для техников и инженеров, выполняющих простые задачи, такие как измерение мощности в режиме ожидания. Наиболее важными функциями являются быстрые, точные и простые измерения мощности, а также простая работа с прибором, похожим на базовый блок.
Типичные области применения измерителя мощности
Измеритель мощности прост в использовании, точен и является предпочтительным инструментом для экономически эффективных решений по измерению мощности для широкого спектра применений, таких как: тестирование производственных линий электрических устройств, оценка больших текущее оборудование, оценка устройств с питанием от батареи или постоянного тока, обеспечение качества, измерение эффективности промышленных двигателей, вращающихся машин и калибровочных лабораторий, для задач установки и обслуживания и частично для НИОКР. Он также используется для измерения мощности GRID.
Принципы работы измерителя мощности
Измерители мощности обычно имеют 1, 3 или 6 измерительных каналов. Они могут измерять все параметры в системах переменного (AC) или постоянного тока (DC), такие как полная мощность, активная и реактивная мощность, ток, напряжение, частота, коэффициент мощности, полная энергия, активная и реактивная энергия.
Обычные измерители мощности представляют собой приборы кнопочного типа, которые остаются неизменными на протяжении десятилетий. Принимая во внимание, что современные измерители мощности оснащены современными и интуитивно понятными пользовательскими интерфейсами. Еще более продвинутые системы можно подключить через веб-приложение к ноутбуку или смартфону. Это упрощает работу и даже возможен удаленный мониторинг на любом расстоянии.
Измерители мощности от HBM
HBM – один из ведущих мировых производителей и поставщиков электрических и механических измерительных приборов для промышленных объектов. Мы предоставляем два типа измерителей мощности с 3 и 6 каналами и частотой дискретизации 200 квыб/с для приложений GRID, а также два других измерителя мощности с частотой 2 Мвыб/с для приложений с электроприводом.
Станьте частью сообщества e-Power и получите советы и рекомендации по оптимизации настройки вашего теста
Общайтесь с нами, используя LiveChat
Рекомендуется для вас
Испытания электрических машин | Испытания трансмиссии |
Компания HBM разработала решение для испытаний электрических машин и силовых агрегатов, состоящее из высокоточного анализатора мощности и устройства сбора данных.
База знаний по тестированию электроэнергии
Анализатор мощности HBM дает вам представление о внутренней жизни вашего инвертора и электрической трансмиссии. Узнайте больше об этом на странице нашей базы знаний.
15-минутный обед и обучение: тестирование электроэнергии
Выпейте чашку кофе, включите звук и присоединяйтесь к нашим экспертам на бесплатном 15-минутном онлайн-ланче и обучающем занятии по тестированию электроэнергии.
Преобразователи тока
Трансформаторы тока с замкнутым контуром «Zero-Flux» от HBM обеспечивают непревзойденную точность и широкую полосу пропускания для требовательных приложений при испытании электроэнергии.
Высоковольтный датчик
Высокоточный пассивный дифференциальный датчик для безопасного измерения в высоковольтных системах и больших приводах с напряжением до 5 кВ.
Веб-семинар: Быстрое картирование эффективности электрических приводов
На этом веб-семинаре вы узнаете, как значительно ускорить процесс создания карты эффективности для электрической машины с помощью HBM
Динамические измерения мощности: электрические/гибридные приводы
На этом вебинаре будет представлен анализатор мощности HBM, предназначенный для сложных приложений, выходящих за рамки трехфазных или шестифазных измерений мощности и эффективности.
Преобразователь эталонной силы C5
Эталон передачи силы для сравнения систем калибровки или в качестве эталонного преобразователя силы для гидравлических калибровочных машин.
Шум и вибрация в электрических машинах
На этом вебинаре мы обсудим, что вызывает шум и вибрацию в электрических машинах, как взаимосвязаны электричество и машины и многое другое.
Проверка эффективности электронных двигателей: как это работает?
Электрические испытания приводов электродвигателей дают пользователям возможность проверить эффективность электрических машин и электрических инверторов с помощью приборов HBM.
Выбор подходящего прибора для измерения мощности
Потребность в повышении энергоэффективности электротехнических изделий стимулирует разработку более точных измерительных приборов. Современные инструменты теперь могут количественно определять дополнительные выгоды, получаемые по мере того, как улучшения требуют больше работы с каждым киловатт-часом. Сегодня многие электротехнические изделия, особенно двигатели (рис. 1), уже работают с эффективностью 95 % и выше, поэтому повышение эффективности является сложной, но важной задачей для производителей. Возможность измерять небольшие улучшения требует анализаторов мощности, которые могут обеспечить точность и аккуратность, необходимые для подтверждения этих критических улучшений эффективности.
Если вы проектируете или тестируете электродвигатели, приводы с регулируемой скоростью, инверторы мощности, системы ИБП, бытовые приборы, потребительские товары или другие типы электрических устройств, вам может потребоваться выбрать прибор для точного измерения электрической мощности. Существует множество инструментов, доступных из различных источников, поэтому важно понимать измерительные возможности этих предложений и то, как они связаны с измерениями, которые вам необходимо выполнить, или влияют на них. В этом обсуждении будут рассмотрены ваши варианты и объяснено, как интерпретировать спецификации, поскольку не все производители определяют термины одинаково.
Рисунок 1. Двигатель, способный работать с КПД 95% и выше увеличенное изображение:
Мощность Точность
Каждое измерительное устройство имеет некоторую степень погрешности, поэтому точность обычно выражается в виде диапазона. В этом диапазоне инженеры рассматривают точность мощности как основной индикатор неопределенности основных параметров измерения, таких как напряжение, ток, фазовый угол и мощность (Вт). Эти параметры могут быть представлены с использованием таких терминов, как «гарантированная точность» и «типичная точность».
Что означает «типичный» в данном контексте, когда речь идет о ваттах? Этот термин часто вводит в заблуждение. Типичные значения обычно являются эталонными значениями, основанными на ожиданиях производителя от своего продукта. На практике его можно перевести как «обычно, но не всегда», «может быть», «возможно» или «возможно». Это преднамеренно расплывчато, потому что типичные точности не гарантируются и не прослеживаются до национального эталона калибровки или эталона аккредитованной калибровочной лаборатории. Вы хотите, чтобы ваша компания основывала производительность продукта на типичных значениях или принимала решение о покупке на основе типичных технических характеристик продукта? При выборе прибора для измерения мощности убедитесь, что заявленная точность гарантируется, а не только типичные значения.
Диапазон измерений
Другим потенциально запутанным фактором во многих технических описаниях является диапазон измерений. Это важно, потому что указанная точность устройства измерения мощности варьируется в зависимости от того, где измерение находится в пределах диапазона. Как правило, измерительные устройства всех типов теряют точность при работе на верхнем и нижнем концах своего диапазона. Следовательно, значение точности должно указывать диапазон, в котором оно действительно; в противном случае вы не знаете, справедливо ли оно только при одном напряжении и токе, в нескольких точках шкалы или во всем диапазоне. Например, производитель может сказать, что указанная точность действительна от 1% до 130% диапазона измерения. Это предполагает высокий уровень достоверности для точных показаний от одного конца до другого. Другой может сказать, что он действителен только при чтении в средней трети диапазона. Такое устройство все еще может быть полезным, если большинство операций попадают в полезный диапазон.
Отраслевые стандарты
Если вы проводите испытания в рамках составления спецификаций для продуктов вашей компании, дизайн и испытания вашего продукта должны соответствовать некоторым соответствующим отраслевым стандартам, таким как стандарты IEEE, CE, IEC и MIL-STD. . Эти стандарты обычно определяют процедуры тестирования, фактические пределы тестирования производительности и результаты для различных типов продуктов. Они могут включать спецификации, относящиеся к приборам, разрешенным для использования во время внутренних испытаний. Использование неподходящего прибора для измерений, связанных с питанием, может привести к тому, что оценка конструкции продукта не пройдет применимые отраслевые тесты на соответствие. Сертификация может потребовать повторных испытаний с соответствующими расходами и потерей времени, и все потому, что был использован неправильный измерительный прибор.
Приборы для измерения мощности
Многие виды устройств могут измерять соответствующие единицы мощности и другие связанные параметры, но не все они подходят для видов высокоточного анализа, выполняемого для такого рода приложений. Вот несколько примеров ведущих типов приборов:
Анализаторы мощности и измерители мощности
Анализаторы мощности и измерители мощности (рис. 2) десятилетиями использовались при тестировании электротехнической продукции, поскольку они обеспечивают точность, частотный диапазон и функции. необходимо для соответствия отраслевым стандартам испытаний и измерений. Эти приборы выполняют истинные измерения мощности, используя согласованные входные цепи напряжения и тока для каждого ваттметра. Они могут выполнять однофазные, трехфазные-трехпроводные и трехфазные-четырехпроводные измерения мощности. Их действительность обеспечивается калибровочным сертификатом NIST или ISO17025 с данными испытаний, но пользователи должны проверять наличие сертификата калибровки при покупке любого типа прибора для измерения мощности.
Рис. 2. Прецизионный анализатор мощности
Анализаторы мощности и измерители мощности отличаются точностью измерения, диапазоном частот и ценой, чтобы обеспечить наилучшее решение для приложения, не выходя за рамки бюджета. Для высокоточного измерения эффективности высококлассные анализаторы мощности могут иметь точность измерения до ±0,01% от показаний. В зависимости от модели указанная частота измерения мощности может находиться в диапазоне от постоянного тока до 1 МГц.
Испытания электродвигателей обычно проводятся в соответствии с отраслевыми стандартами, такими как IEEE 112, NVLAP 150 и CSA C390, каждый из которых определяет методы испытаний и требования к точности измерительных приборов. Например, IEEE 112 и NVLAP 150 определяют точность мощности, напряжения и тока как ±0,2% от полной шкалы или выше.
Для электродвигателей и частотно-регулируемых приводов, включая приводы с широтно-импульсной модуляцией, анализаторы мощности должны иметь быстродействующие цифровые преобразователи высокого разрешения с функциями цифрового окна для точных измерений искаженных и флуктуирующих сигналов.
Некоторые анализаторы мощности также предлагают функции измерения гармоник. Лучшим решением является прибор, способный характеризовать гармонические данные и общее гармоническое искажение (THD) одновременно с обычными измерениями мощности.
Energy Star и проверка питания в режиме ожидания требуют измерения слабого тока и мощности. Многие приборы не могут выполнять эти измерения тока низкого уровня в микроамперном диапазоне, а некоторые не могут в миллиамперном диапазоне. Пользователи должны убедиться, что прибор может точно выполнять эти измерения низкого уровня. Некоторые приборы позволяют измерять мощность в режиме ожидания с помощью отдельных токовых соединений, одно для низкого диапазона тока в режиме ожидания, а другое для более высоких нормальных рабочих токов.
Цифровые осциллографы
Некоторые цифровые осциллографы предлагают функции измерения мощности и/или программное обеспечение для анализа мощности на базе ПК, и большинство инженеров-испытателей очень комфортно работают с осциллографами (рис. 3). Они обеспечивают базовые измерительные функции от простого анализа формы сигнала до расширенных измерительных решений, но для таких высокоточных измерений существуют критические ограничения.
Рис. 3. Цифровые осциллографы с функциями измерения мощности
Например, существуют ограничения по разрешению, поскольку большинство осциллографов предлагают только 8-битное разрешение по вертикали, хотя более сложные конструкции могут быть 12-битными. Точность усиления также может быть проблемой, поскольку большинство из них не лучше ±1,5%, и это только точность напряжения постоянного тока, а не точность мощности. Несмотря на то, что большинство осциллографов обладают широкой полосой пропускания высоких частот, обычно не указывается точность измерения мощности переменного тока, и даже для устройств с высоким разрешением вертикальная точность переменного тока остается неопределенной.
Другим недостатком является заземление входов, требующее применения дифференциальных пробников для измерения напряжения, что негативно влияет на общую точность измерений. Для измерения мощности переменного тока входы осциллографа должны быть изолированы от земли, обычно с помощью дифференциального пробника. Эти пробники могут быть дорогими и могут легко добавить погрешность усиления на 1% или более, а также погрешность фазового сдвига. При этом общая точность измерения напряжения будет неизвестна.
Для измерения тока требуется датчик тока или трансформатор тока. Они удобны тем, что могут просто зажиматься вокруг провода и обеспечивать изоляцию от земли. Существуют специальные пробники с выходным сигналом в милливольтах на ампер, предназначенные для прямого подключения к входам напряжения осциллографа. Тем не менее, необходимо соблюдать крайнюю осторожность, поскольку эти устройства также добавляют ошибку усиления, некоторое смещение напряжения и даже фазовый сдвиг. Дополнительные ошибки могут возникнуть из-за того, что не установлен правильный коэффициент масштабирования пробника в милливольтах на ампер и не установлен правильный диапазон напряжения для осциллографа. Все эти факторы добавляют неизмеримую погрешность измерения к общим измерениям, выполняемым осциллографом.
Наконец, некоторые цифровые осциллографы не измеряют мощность при определенных фазовых углах, поэтому при измерении мощности следует соблюдать осторожность. Полоса пропускания анализатора мощности не соответствует полосе пропускания широкополосного осциллографа; тем не менее, полоса пропускания высококлассного анализатора мощности обычно достаточно высока, чтобы охватить большинство применений мощности, которые редко превышают 1 МГц.
Для выполнения расчетов измерения мощности многие осциллографы просто перемножают два канала напряжения постоянного тока. Это дает измерение мощности, которое представляет собой только математический расчет между двумя входными каналами напряжения постоянного тока осциллографа. Эту математическую функцию можно выполнить с помощью специальной прошивки, установленной на осциллографе, или с помощью программного обеспечения для проверки мощности, работающего на ПК. При таком подходе точность переменного напряжения, тока и мощности остается неопределенной. Это расчетное значение мощности может быть полезным ориентиром, но его воспроизводимость будет неизвестной.
Все эти неизвестные делают осциллограф практически непригодным для серьезного тестирования производительности. Даже с учетом этих ограничений он по-прежнему является хорошим инструментом для расчета эталонных значений мощности для таких приложений, как тестирование на уровне плат и компонентов схем, а также для измерения временных характеристик цепей в продуктах.
Системы сбора данных и регистраторы данных
Многие компании, занимающиеся системами сбора данных (DAQ) и регистраторами данных, разработали собственное программное обеспечение для измерения и анализа мощности, заявляя, что они предлагают лучшее решение, чем анализаторы мощности или измерители мощности. Опять же, такие заявления могут сбивать с толку и вводить в заблуждение и могут привести к дорогостоящим ошибкам.
Системы сбора данных и регистраторы данных являются хорошими решениями для различных типов измерительных приложений. Они могут комбинировать различные входы, такие как термопара, а также входы тока и напряжения. Однако для электроэнергии они не обеспечивают истинного измерения мощности переменного тока, соответствующего стандарту. Подобно цифровым осциллографам, эти приборы обычно измеряют два входных напряжения постоянного тока и используют программное обеспечение для умножения данных для расчета мощности. Это создает те же ограничения, что и описанные выше для осциллографов.
Некоторые производители приборов также предоставляют пакет программного обеспечения для проверки двигателя для своего регистратора данных. Поскольку эти приборы не обеспечивают спецификацию точности измерения напряжения, тока или мощности, они не могут соответствовать требованиям отраслевых стандартов, таких как IEEE 112. Этот стандарт определяет точность измерения напряжения, тока и мощности для испытаний двигателей на уровне ±0,2% от полную шкалу или лучше в цепях переменного тока, поэтому использование системы сбора данных или регистратора данных с неопределенной точностью измерения не является приемлемым решением для соответствия этому или аналогичным стандартам.
Преобразователи мощности и измерители качества электроэнергии
Другие продукты, такие как преобразователи мощности и измерители качества электроэнергии, могут обеспечивать достоверные измерения электроэнергии. Эти приборы контролируют линии электропередач и производят аналоговый выход постоянного тока, равный ваттам переменного тока, измеренным на входе.
Диапазоны входного напряжения и тока предназначены для соответствия вторичным выходам измерительных трансформаторов напряжения и тока переменного тока, поэтому типичными являются диапазоны напряжения 120 В (85–135 В переменного тока) и 240 В (170–264 В переменного тока).
Частотный диапазон этих преобразователей мощности обычно составляет от 45 до 65 Гц, поэтому выходной сигнал постоянного тока в мА должен быть подключен к цифровому или аналоговому измерителю какого-либо типа для считывания. Таким образом, суммирование точности измерения общей мощности основано на точности преобразователя мощности и точности считывающего измерителя. Кроме того, точность трансформаторов напряжения и тока также должна быть включена в общую картину эффективности измерений.