Измерение мощности тока: ваттметры и электродинамометры

Теоретические основы и методы измерения мощности электрического тока. В лабораторной и учебной практике определение мощности электрического тока традиционно выполняется косвенным методом. Данный подход заключается в предварительном измерении напряжения посредством вольтметра и силы тока с помощью амперметра с последующим математическим перемножением полученных параметров. Однако в современной электроизмерительной технике и физическом эксперименте ключевое значение имеют специализированные приборы, позволяющие осуществлять непосредственное прямое измерение — ваттметры.

Ваттметры представляют собой частный вид электроизмерительных устройств, функционирующих на основе электродинамического принципа и объединенных в класс электродинамометров. Понимание устройства и физических закономерностей работы электродинамических измерительных приборов является базовым элементом курса электродинамики и фундаментальной электротехники.

Рис. 303–304. Устройство электродинамического прибора.

Конструктивные особенности и принцип действия электродинамометра. Физический принцип работы электродинамометрических устройств базируется на механическом взаимодействии магнитных полей, создаваемых токами, протекающими по системе проводников. Конструктивно электродинамометр состоит из двух ключевых элементов: неподвижной и подвижной катушек индуктивности.

- Неподвижные катушки A: в зависимости от модификации прибора система включает одну или две неподвижные катушки, фиксирующие базовое магнитное поле.

- Подвижная катушка B: смонтирована на оси O и способна совершать вращательное движение под воздействием вращающего момента. На этой же оси зафиксирована указательная стрелка прибора.

- Противодействующие пружинки F: две спиральные пружинки создают механический противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания.

- Воздушный демпфер D: выполнен в виде легкой пластины, перемещающейся внутри замкнутого изогнутого желоба, и выполняющей функцию успокоителя механических колебаний стрелки.

- Корректирующий винт K: снабжен эксцентрическим придатком и служит для точной механической установки стрелки на нулевое деление шкалы.

При протекании электрического тока по неподвижной катушке A и подвижной катушке B возникающие магнитные поля вступают во взаимодействие. Возникающий вращательный момент механической системы оказывается прямо пропорционален произведению силы тока в неподвижной катушке и силы тока в подвижной катушке. Варьирование числа витков в обмотках и способов их электрического соединения позволяет адаптировать прибор для решения различных измерительных задач.

Режимы подключения катушек и области применения. В зависимости от схемы включения катушек в электрическую цепь электродинамометр может выполнять функции различных измерительных приборов:

1. Режим ваттметра (измерение мощности): катушка с большим числом витков (высокоомная) подключается параллельно нагрузке (аналогично вольтметру, при необходимости последовательно с дополнительным сопротивлением). Сила тока в ней прямо пропорциональна напряжению в цепи. Катушка с малым числом витков и низким сопротивлением включается последовательно с потребителем (аналогично амперметру, иногда через шунт). В данном случае вращающий момент системы пропорционален произведению напряжения на силу тока, то есть активной мощности.

2. Режим амперметра (измерение силы тока): при параллельном соединении обеих катушек эквивалентное электрическое сопротивление прибора минимизируется, а силовое взаимодействие пропорционально квадрату силы тока.

3. Режим вольтметра (измерение напряжения): при последовательном соединении катушек суммарное сопротивление прибора существенно возрастает, что позволяет измерять разность потенциалов на участке цепи.

Важнейшим преимуществом электродинамических ваттметров является их применимость как в цепях постоянного, так и переменного тока. При измерении мощности переменного тока электродинамометр корректно фиксирует истинное значение мощности, учитывая сдвиг фаз φ между напряжением и силой тока. В отличие от раздельного измерения напряжения и тока, где перемножение показаний дает лишь полную (кажущуюся) мощность, электродинамометр автоматически учитывает фазовый угол за счет физического взаимодействия магнитных полей.

Крутильный электродинамометр: конструктивный анализ и методики измерений. Особую историческую и демонстрационную ценность представляет крутильный электродинамометр. Несмотря на то, что данный конструктивный тип считается устаревшим для промышленного применения, его открытое исполнение обеспечивает наглядность физических процессов.

Рис. 305. Схема устройства крутильного электродинамометра.

Рис. 306. Крутильный электродинамометр.

Механическая система и электрические соединения. В конструкции крутильного динамометра подвижная катушка B изготавливается из нескольких витков толстого медного провода и подвешивается на калиброванной упругой пружине C. Изменение противодействующего крутильного момента осуществляется вращением верхней головки D, жестко связанной с указателем F. Угол поворота фиксируется по круговой шкале K.

Для устранения механического трения выводы подвижной катушки погружены в специальные чашечки с ртутью, центры которых строго совмещены с осью вращения. Неподвижная катушка A состоит из двух автономных обмоток:

- Толстая обмотка: используется при измерениях больших токов.
- Тонкая обмотка: применяется при измерении напряжения и мощности.

Рис. 307. Схема включения электродинамометра в цепь.

Рис. 308. Схема для определения постоянной электродинамометра.

При протекании тока через катушки возникающие магнитные поля стремятся развернуть подвижную катушку в плоскость неподвижной так, чтобы их силовые линии совпали по направлению. Поворачивая головку D, оператор компенсирует магнитное взаимодействие упругой силой пружины C, возвращая подвижную катушку в исходное положение. Отсчет угла закручивания n производится по шкале между указателями F и Z.

Градуировка и расчетные формулы. Разность показаний n прямо пропорциональна эффективной мощности цепи. Для постоянного тока справедливы соотношения:

n = (1 / a) · U · I

P = U · I = a · n

Для цепей переменного тока учитывается фазовый сдвиг φ:

n = (1 / a) · U · I · cos φ

P = U · I · cos φ = a · n

где a — постоянная прибора (цена деления).

Определение неизвестной постоянной a производится путем градуировки в цепи постоянного тока (см. Рис. 308). В цепь последовательно подключаются эталонный амперметр A, вольтметр V и исследуемая нагрузка. Для каждого измерения вычисляется частная constanta a₁:

a₁ = P₁ / n₁

Итоговая постоянная прибора определяется как среднее арифметическое серии измерений из k опытов:

a = (a₁ + a₂ + ... + a_n) / k

К фундаментальным достоинствам крутильного динамометра относится полная независимость его показаний от частоты и формы кривой переменного тока.

Промышленные и технические ваттметры. Несмотря на достоинства крутильного электродинамометра, его эксплуатация в лабораторных условиях осложнена трудоемкостью ручной компенсации и длительным временем успокоения подвижной системы. Кроме того, существенным недостатком прибора является высокая чувствительность к внешним магнитным полям, вызвающая погрешности измерений.

Рис. 309. Технический ваттметр однофазного тока.

Рис. 310 и 311. Устройство технического ваттметра. A — катушка, включаемая в цепь последовательно, B — параллельно; E — алюминиевый диск.

В современной измерительной практике применяются щитовые и переносные технические ваттметры (см. Рис. 309–312).

Рис. 312. Схема включения ваттметра в измеряемую цепь.

В технических ваттметрах подвижная часть оснащается эффективным индукционным успокоителем, состоящим из алюминиевого диска E, перемещающегося в поле постоянного магнита, что обеспечивает быстрое гашение колебаний. Корпуса приборов снабжаются электромагнитными экранами для защиты от внешних помех. Разметка шкалы технического ваттметра выполняется непосредственно в единицах мощности (ваттах или киловаттах), что исключает необходимость дополнительных математических расчетов при снятии показаний.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров.

Источник: Физический эксперемент в школе. т. 3

Данные материалы будут полезны преподавателям физики и электротехники, студентам инженерно-технических специальностей, учащимся старших классов, а также всем, кто интересуется вопросами практической электродинамики и методиками наглядного моделирования физических процессов.