Как известно, при измерении амперметр включается в цепь последовательно нагрузке, а вольтметр – параллельно нагрузке.

8.6 Измерение мощности и энергии

Для измерения мощности и энергии в электрических цепях используют приборы электродинамической и индукционной систем. В практике обычно применяют электродинамические ваттметры и индукционные счетчики электрической энергии.

В электродинамических приборах принцип взаимодействия проводов с токами конструктивно реализован в форме взаимодействия двух катушек: неподвижной с током и подвижной с током . Как и в приборе магнитоэлектрической системы, подвижная катушка получает питание через две спиральные пружины, которые создают противодействующий момент М_пр. = ;

,

где M₁₂ – взаимная индуктивность катушек электродинамического прибора; α – угол поворота стрелки прибора.

Таким образом, производится измерение активной мощности потребляемой электроприёмником энергии.

1 – пружины; 2 – неподвижная катушка; 3 – подвижная катушка; 4 – воздушный демпфер

Рисунок 8.3 - Устройство прибора электродинамической системы

Электродинамический прибор пригоден для измерения в цепях постоянного и переменного токов, так как при одновременном изменении направления тока в обеих катушках направление вращающего момента сохраняется.

Собственное магнитное поле этих приборов слабое, и поэтому приборы электродинамической системы подвержены влиянию внешних магнитных полей, для защиты от которых применяют экраны из ферромагнитных материалов. Кроме того, эти приборы потребляют большое количество энергии, чувствительны к электрическим и механическим перегрузкам, сложны в изготовлении и отличаются высокой стоимостью.

Чтобы устранить влияние внешних магнитных полей внутри катушек помещают ферромагнитные сердечники. Такой прибор называют ферродинамическим. Конструктивно он похож на прибор магнитоэлектрической системы, но вместо постоянного магнита в нём есть электромагнит – неподвижная катушка с ферромагнитным сердечником, где создается сильное магнитное поле. Но сердечник электромагнита вносит дополнительные погрешности в процесс измерения.

8.6.1 Измерение мощности

Для измерения мощности неподвижную катушку включают последовательно с элементом в цепи, мощность которого следует измерить (как амперметр); а подвижную катушку включают параллельно этому же элементу (как вольтметр). При этом два зажима ваттметра, отмеченные звездочкой (по одному от каждой обмотки – это начало обмоток), включают в цепь со стороны источника питания (сети):

Рисунок 8.4 – Принципиальная схема ваттметра

Ток в неподвижной катушке равен току в рабочей цепи , а ток в подвижной катушке пропорционален напряжению

, где _д; - сопротивление катушки прибора.

т.е.

вращающий момент электродинамического прибора пропорционален мощности цепи при постоянном токе.

При включении электродинамического прибора в цепь переменного тока вращающий момент пропорционален активной мощности:

В трёхфазной цепи при равномерной нагрузке мощность измеряется одним ваттметром в одной фазе . В четырёхпроводной цепи в каждую фазу включают по ваттметру: .

В трёхпроводной трёхфазной цепи при неравномерной нагрузке применяют схему с двумя одноэлементными ваттметрами. Можно показать, что мгновенная мощность в этом случае определяется соотношением:

Мгновенная мощность трёхфазной цепи переменного тока равна

.

При соединении «звездой» без нулевого провода сумма линейных токов равна нулю:

.

Подставив выражение для тока в формулу мощности трёхфазной цепи, получим

.

При соединении «треугольником» сумма фазных (линейных) напряжений равна нулю:

.

Подставив выражение для напряжения в формулу для мгновенной мощности, получим

.

Принципиальная схема измерения мощности двухэлементным ваттметром показана ниже.

Схемы измерения мощности в трехфазных цепях

при симметричной нагрузке.

Рисунок 8.5 – Схемы измерения мощности в трёхфазных цепях

при симметричной нагрузке

Если нулевая точка соединения «звездой» или ветви «треугольника» недоступны для непосредственного подключения приборов, то образуют искусственную нулевую точку:

Рисунок 8.6 – Схема измерения мощности при образовании искусственной

нулевой точки

Рисунок 8.7 – Схемы измерения мощности при несимметричной нагрузке