Как измерить мощность

Измеряем потребляемую мощность домашних приборов

Здравствуйте коллеги, хочу рассказать вам о своем маленьком опыте по реальному измерению мощности домашних электроприборов и своего компьютера.

Преамбула
После выставления мне больших счетов за электроэнергию я решил провести ревизию своих электроприборов и проверить какой прибор сколько потребляет реально и сколько все это мне будет стоить. В итоге решил приобрести локальное (то есть вставляемое в розетку, а не в электрический щиток) устройство подсчета кВт.ч.

Выбор устройства
То, что продается в магазинах моего города, мягко говоря, меня совсем не устраивало по цене (от 1к руб) да и по функционалу, посему купил у китайцев нечто EU Version Power Balance Energy Meter всего за 600р. Немного об устройстве. Девайс позволяет замерять мощность от 1 Вт до 3кВт, хранит информацию о потреблении электроэнергии за сессию и за все время, считает стоимость израсходованной электроэнергии по заданной цене кВт.ч., показывает напряжение в сети, есть куча алярмов по превышению какого-либо порога. В общем очень удобный.

Измеряем все и вся
Лампа
Первое, что я решил измерить — это насколько прибор реально показывает мощность электроприбора. Берем обычную лампу накаливания и проверяем

Мощность лампы, Вт	60	90	100
Показания прибора, Вт	60,5	89.8	101

Ага, отлично, видим, что прибор показывает точно и нет ни каких двойных стандартов в измерении мощности в РФ и Китае.

Компьютер
Тут сразу хочется отметить, что домашний комп у меня очень специфический и, думаю, у большинства все-таки нормальные ЭВМ. Так вот, имею supermicro x6dvl-eg, 2 х Xeon 3Ггц, 4GB ECC, 2 HDD, 500Вт FSP, radeon 5670 512Mb. Короче старая серверная мамка оставшаяся от погибшего сервера, перепаянная и возвращенная в строй.
Монитор DELL U2212HM

Включаем комп через прибор и смотрим потребление мощности.

Режим	Показания прибора Вт,
Загрузка компа	350
Режим «торента»	190
Рендерим видео	350
Гамаем в диабло 3	300
Жена + одноклассники	270

Вопрос: А зачем мне блок питания на 550 Вт, если вместе с моником система не выходит ну край в 400 Вт? Обман потребителей?
Вообще результаты печальны: вся эта система в среднем потребляет 250 Вт. Что многовато.

Решил прибор оставить в сети и посмотреть, сколько набежит за длительный период. В итоге имеем
12 дней аптайм, из них 3-ое суток режим торента, остальные по 2-4 часа в день, потребление электроэнергии за 12 дней составило 24кВт.ч что в пересчете из стоимости 2.22 за кВт.ч (у меня) выходит 60р.

Рассчитаем стоимость в месяц. Получим 60/12*31=155р. Вот такая занимательная математика. то есть подключая дома инет за 400р/мес имеем накладные расходы на комп еще 155р за электроэнергию при не сильной эксплуатации.

Другие электроприборы
Померив комп, задался целью померить все электроприборы в доме. Результаты удивили. ВСЕ приборы, что я замерял, оказывается, имеют мощность меньше заявленной производителем примерно на 20%! Грабеж господа! Были замерены на полную мощность: утюг, стиральная машина, микроволновка, пылесос.
Единственный электроприбор, которой соответствовал заявленной мощности, оказался советский самовар 1978 года выпуска. Нагревательный элемент его по паспорту 1кВт, по факту 950Вт.
В качестве шутки — померил стоимость стирки 15 пар носков (одновременно) в стиральной машинке. Вышло 2 руб.

Измерение электрической мощности

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.

Методы измерения мощности в электрических цепях

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). Измеряется ток в амперах (А). Существуют также производные единицы, образованные при помощи приставок: 1 мА = 0,001 А, 1 кА = 1000 А и так далее. Измерить его значение можно амперметром. Для этого его нужно подключать последовательно в электрическую цепь.

Физическим смыслом тока в 1 А является прохождение электрического заряда в 1 Кл (кулон) за 1 секунду через площадь поперечного сечения S. В 1 кулоне содержится примерно 6,241*10^(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:

1. Проводниками.
2. Полупроводниками.
3. 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:

1. Для участка электрической цепи: P = I * I * R = U * U / R.
2. Для полной цепи, в которой подключен электродвигатель или выполняется зарядка аккумулятора (потребление): P = I * e = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).
3. 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:

1. Проходящие.
2. 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.

Как определить мощность источника тока

Источники питания используются повсеместно. Их основная задача — преобразование параметров электроэнергии, поступающей из сети, в такие, которые необходимы для конкретного электротехнического устройства. Способность ИП выполнять данную задачу зависит от его мощности. Она является главной характеристикой любого блока питания. Чтобы оценить эффективность устройства, необходимо понимать, как найти мощность, если известны различные характеристики электрической цепи.

Виды мощности

При вычислении мощности возможны следующие ситуации:

• Мгновенная мощность вычисляется для очень малого промежутка времени. Это значение важно знать в тех случаях, когда в разные моменты времени эта величина меняется. Проведение замеров позволит мастеру получить целостное представление об используемой мощности. Для постоянного тока данная характеристика постоянна.
• Активное значение мощности применяется для определения постоянной величины, которая фактически является средним значением при наличии переменного тока. При этом мгновенные значения будут изменяться, а активная мощность будет в среднем характеризовать происходящие процессы. Активная мощность — это показатель выполнения полезной работы электрическим оборудованием.
• Реактивная мощность относится к работе индуктивных и емкостных элементов электрических приборов. Она циклически переходит из одной формы в другую. При этом происходит перемещение зарядов, то есть, осуществляется электрическая работа, которая обычно не является полезной.

Активная и реактивная мощность

При работе электрического оборудования следует рассматривать полную мощность. Она показывает работу, которая проводится в единицу времени (в СИ в этом качестве рассматривается 1 секунда). При этом нужно помнить, что полная мощность складывается из активной и реактивной мощности.

Это разделение связано с используемым сопротивлением. Если электрические заряды преодолевают активное сопротивление, мощность также является активной. Она, как правило, относится к выполнению полезной работы.

При наличии переменного тока в электрической цепи присутствует реактивное сопротивление. Оно связано с работой электромагнитного поля и фактически сводится к периодическим изменениям, при которых энергия регулярно перетекает из одной формы в другую, практически не расходуясь.

В бытовых приборах и промышленном оборудовании в большинстве случаев присутствуют оба вида мощности. Активная играет основную роль при использовании постоянного тока или в тех случаях, когда её доля в общей мощности относительно высока.

Обычно в технической документации указывается параметр cosφ. Он может принимать значения от 0 до 1 включительно. Его величина показывает долю активной мощности в полной. Она будет высокой, например, в электронагревательных приборах, где значительная часть энергии тратится на выполнение полезной работы по обогреву помещения.

Надо учитывать, что наличие реактивной мощности оказывает разрушительное действие на прибор. Это может быть, например, связано с разрушением изоляции проводов и кабелей, с повышением риска возникновения короткого замыкания или с порчей оболочек электроприводов или трансформаторов.

Для получения полной мощности применяется векторное сложение активной и реактивной мощности. Её величину вычисляют по теореме Пифагора как длину гипотенузы прямоугольного треугольника, в котором катетами являются активная и реактивная мощности.

Как определяется мощность

Эта величина определяется на основе работы, выполненной при перемещении заряда. Мощность равна частному от деления её величины на потраченное для этого время. Из курса физики известно, что работу можно выразить как произведение разности потенциалов на перемещаемый заряд. Для вычисления заряда можно применить следующую формулу:

На основе сказанного можно привести такое равенство:

Из формулы видно, что мощность можно выразить как произведение напряжения и силы тока. Её можно преобразовать с использованием закона Ома:

Подставив это выражение в формулу мощности, выводят эквивалентные формы, которые могут быть более удобными в некоторых ситуациях.

Например, при рассмотрении последовательного соединения удобной будет формула с использованием силы тока и напряжения. Это связано с тем, что сила электротока на рассматриваемом участке является одинаковой.

При параллельном соединении одинаковым на различных участках будет электронапряжение. В данном случае производить вычисления проще с использованием формулы, которая выражает мощность через разницу потенциалов и сопротивление.

В международной системе измерений для мощности используется ватт. Иногда применяют эквивалентную единицу вольт*ампер. Широко используются значения, которые выражаются в единицах, кратных ваттам. В качестве примера можно привести киловатт и мегаватт, которые соответствуют тысяче и миллиону ватт соответственно.

У большинства электроприборов, используемых в быту, мощность находится в определённых пределах, которые примерно соответствуют значениям, указанным в следующей таблице:

В прошлом в качестве единицы измерения мощности активно использовалась лошадиная сила. Для ее выражения через ватты нужно применять следующую формулу:

Хотя классической единицей измерения энергии или выполненной работы является джоуль, для электрических приборов чаще используется ватт*час.

При описании электрических устройств или деталей часто указывают предельную мощность. В технической документации также может быть указана номинальная мощность оборудования. Режим работы устройства в этом случае считается оптимальным. Если реальная мощность будет выше, то это означает, что прибор эксплуатируется очень интенсивно.

Сказанное можно пояснить на следующем примере. Допустим, речь идёт о резисторе на 500 Ом. Пусть в технической документации сказано, что предельно допустимая мощность при его использовании составляет 10 Вт. В этом случае предельно допустимое напряжение определяется по формуле:

Из этого выражения можно найти напряжение. Для него будет правильным следующее равенство:

Подставляя конкретные значения, получаем, что квадратный корень нужно извлечь из произведения 500 * 10 = 5000. Он будет примерно равен 70.7. Таким образом, предельно допустимым напряжением для этого резистора будет 70.7 В.

Иногда возникает необходимость практически измерить мощность. Это можно сделать с помощью ваттметра.

Для определения мощности также используют амперметр и вольтметр. Первый присоединяют последовательно, второй — параллельно. Получив значения силы тока и напряжения, на их основе производят вычисления для определения мощности.

Мощность источника питания

В предыдущем разделе было рассмотрено понятие мощности и относящиеся к ней характеристики в применении к различным электрическим узлам или приборам. При рассмотрении источника элетротока потребуется учитывать имеющиеся в этом случае особенности.

Используемый ИП должен соответствовать параметрам электрической цепи, которую он питает. При этом необходимо обратить внимание на следующее:

• Значение полной мощности электрической цепи.
• ЭДС источника.
• Внутренне сопротивление ИП.
• Потери энергии внутри источника питания.
• Значение полезной мощности.

Мощность источника тока должна превосходить мощность электроприбора не меньше, чем на 5-10%. Это позволит обеспечить электропитание даже в условиях интенсивного использования прибора. Энергия источника питания будет расходоваться на совершение полезной работы, а также на потери.

Для понимания особенностей работы источника питания важно знать разницу между электронапряжением на клеммах и электродвижущей силой. Практически в работающей цепи электроны перемещаются по замкнутому пути. Они переходят от отрицательной клеммы через электрическую цепь к положительной. Попадая внутрь батареи под воздействием электродвижущей силы, электроны будут вновь перемещаться на отрицательную клемму.

Нужно учитывать, что величина ЭДС не является независимой от нагрузки. Её точное значение можно узнать при измерении на холостом ходу. Чтобы вычислить мощность источника питания, можно воспользоваться формулой, которая выражает её через ЭДС и сопротивление. Для этого потребуется выполнить следующие действия:

1. Нужно определить величину электродвижущей силы (E) источника питания. Для этого замеряют разность потенциалов на клеммах на холостом ходу.
2. Далее требуется подключить нагрузку, которая имеет известное сопротивление (R).
3. Затем в электрической цепи измеряют силу тока (I), а также напряжение (U).
4. Теперь есть возможность узнать падение напряжения (U₀) внутри источника тока. Оно представляет собой разность между электродвижущей силой и напряжением в цепи.
5. Внутреннее сопротивление (R₀) вычисляется по формуле R₀ = U₀ / I.

Подставив полученные значения в формулу, выраженную через напряжение и сопротивление, можно определить мощность источника тока.

Полную мощность ИП можно представить как Р_полн = Р_полезн + Р_потерь.

Для определения полезной мощности используется одна из трех формул:

Мощность потерь, возникающая во внутренней цепи, то есть, в источнике тока, расходуется лишь на процессы, происходящие в самом ИТ и не может использоваться для каких-либо других целей. Ее вычисляют по формуле:

Для определения полной мощности можно воспользоваться одной из трех формул:

Используя приведённый здесь алгоритм, можно определить полезную мощность, которая создаётся рассматриваемым источником тока. Чтобы составить представление о зависимости полезной мощности и той, которая расходуется на нагрев ИТ, можно воспользоваться графиком. Из него видно, что полезная мощность сначала возрастает, а затем начинает убывать. Максимума она достигает в точке, в которой сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника электротока, то есть, R = r.

КПД при таком условии будет равен 50%. В общем случае коэффициент полезного действия находят по формуле:

Максимальная полезная мощность равняется половине полной. Следовательно

Из сказанного видно, что при подборе наиболее подходящего источника питания для электрического устройства нужно стремиться к тому, чтобы внутреннее сопротивление источника питания было равно сопротивлению нагрузки. Если оно значительно меньше, то существенная часть мощности в процессе эксплуатации будет рассеиваться в виде тепла. Приведённое требование соответствия величин называют условием согласования.

Важно отметить, что в качестве устройства питания не обязательно может использоваться батарея или аккумулятор. Отмеченная здесь закономерность будет действовать и в том случае, если речь идёт об использовании усилителя.

В качестве примера использования указанного правила можно привести подключение акустической системы к усилителю. В этом случае выходной импеданс последнего должен подбираться таким образом, чтобы быть примерно равным входному импедансу подключённых динамиков. На практике в технической документации усилителя указывают границы, в которых должна находиться соответствующая характеристика подключённых устройств.