Ваттметр

Содержание

Что такое ваттметр

Думаю, все вы курсе, что электрический ток может выполнять работу. Например, вскипятить воду в электрочайнике, перемолоть кофе в кофемолке, согреть курицу в микроволновке и так далее. Все эти бытовые приборы являются нагрузкой для домашней сети. Но, как вы знаете, некоторые приборы «крутят» счетчик очень быстро, а некоторые приборы почти не потребляют электрический ток.

Если включить чайник и лампочку накаливания в вашей комнате и оставить на час, то чайник «съест» электроэнергии намного больше, чем та же самая лампа накаливания. Дело в том, что чайник обладает большей мощностью, чем лампочка. В этом случае можно сказать, что мощность чайника будет больше, чем мощность лампы в единицу времени, например, за секунду. Чтобы точно измерить, во сколько раз чайник потребляет электрической энергии больше, чем лампочка, нам нужно измерить мощность чайника и лампочки.

Ваттметр — это прибор, который измеряет потребляемую мощность какой-либо нагрузки. Выделяют три группы ваттметров:

низкой частоты и постоянного тока
радиочастотные ваттметры
оптические ваттметры

Так как наш сайт посвящен электронике и электротехнике, то мы будем в этой статье рассматривать только ваттметры постоянного тока и низкой частоты. Под низкой частотой подразумевается частота в 50-60 Герц.

Мощность постоянного тока

Итак, вы уже все в курсе, что любая нагрузка для электрического тока потребляет какую-либо мощность. Мощность постоянного тока выражается формулой:

P=IU

где

P — это мощность, которая выражается в Ваттах (Вт,W)

I — сила тока, которую потребляет нагрузка, выражается в Амперах

U — напряжение, которое подается на нагрузку, выражается в Вольтах

Поэтому, чтобы найти мощность какой-либо нагрузки, которая подсоединена к постоянному току, достаточно перемножить значение силы тока и напряжения. Например, на этом фото мы видим вентилятор от компьютера, который подцепили к лабораторному блоку питания. Его мощность, как не трудно догадаться, составила P=IU=0,18 Ампер x 12 Вольт =2,16 Ватт.

Ваттметры для постоянного тока

Вы ведь не будете каждый раз таскать с собой громоздкий блок питания или два мультиметра, которые будут измерять и ток и напряжение? Поэтому, в настоящее время ваттметры представляют из себя законченные приборы, которые очень легко соединяются с потребляемой нагрузкой. На Алиэкспрессе я находил вот такие ваттметры для постоянного тока, которые показывают сразу и ток, и напряжение, и потребляемую мощность нагрузки. К проводам, где написано SOURCE цепляем источник постоянного тока, а к проводам LOAD цепляем нагрузку. Все элементарно и просто!

Некоторые из них идут в комплекте со шунтом

Схема подключения источника постоянного тока и нагрузки в таком ваттметре выглядит так

Ну и самый бюджетный вариант — это взять ампервольтметр и просто умножать значения тока и напряжения

Вот такой вольтамперметр рассчитан на максимальные параметры 100 Вольт и 50 Ампер. То есть, теоретически, он может измерять мощность до 5 кВт.

Мощность переменного тока

Мощность переменного тока вычисляется по формуле:

P=IUcos φ

где

P — мощность, Ватт

I — сила тока, Ампер

U — напряжение, Вольты

cos φ — коэффициент мощности

Что еще за косинус фи? И что он вообще означает? Есть такие радиоэлементы как конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, электромеханические реле различные двигатели и прочие радиоэлементы, которые обладают какой-либо емкостью или индуктивностью.

Формула катушки индуктивности.

Если вспомнить осциллограмму переменного напряжения из нашей домашней розетки, то она будет выглядеть вот так:

Если же запитать какую-нибудь нагрузку, типа лампочки накаливания, то у нас в дело пойдет также такой параметр как сила тока. Так как лампочка накаливания не обладает никакой емкостью или индуктивностью, то сила тока у нас будет синфазно меняться с напряжением. Синфазно — это означает одинаково, синхронно. Например, синхронное плавание. Там участники все делают вместе и одинаково.

Так вот, такой параметр как сила тока и напряжение на лампочке тоже действуют синфазно. Ниже красной синусоидой я показал силу тока, которая «бежит» через лампочку:

Видите? Она начинается в этом же месте, где и напряжение. Сила тока достигает максимума, и напряжение тоже достигает максимума в это же самое время, следовательно и мощность в этот момент тоже максимальная (P=IU). Сила тока равняется нулю и напряжение тоже равняется нулю в том месте, где пересекаются эти синусоиды, значит и мощность в этот момент тоже будет равняться нулю.

Но весь прикол в том, что каким-то чудом радиоэлементы, обладающие индуктивной или емкостной составляющей (конденсаторы, катушки, трансформаторы и тд) умудряются сдвигать синусоиду силы тока.

Предположим, будем питать от сети мой трансформаторный блок питания.

И у нас осциллограмма силы тока уже будет принимать примерно вот такой вид:

Что здесь произошло? Так как первичная обмотка трансформатора обладает индуктивностью, то эта самая индуктивность сдвинула осциллограмму силы тока. Более подробно можете прочитать в статье активное и реактивное сопротивление.

В зависимости от значения индуктивной или емкостной составляющей, сила тока может либо опережать либо отставать от напряжения. А чтобы измерить на сколько, для этого в обиход ввели фи (φ), которая показывает этот сдвиг в градусах.

Короче говоря, не будем рассматривать тригонометрию, скажу просто, что для расчета мощности берут косинус значения этого угла.

Ваттметр цифровой на сетевое напряжение

В гостях у нас китайский ваттметр, приобретенный на распродаже в Алиэкспрессе.

Ну что же, давайте познакомимся с ним поближе.

Первая строка на ваттметре — это часы. Они начинают счет только тогда, когда в розетку ваттметра включена какая-либо нагрузка. Нагрузкой в нашем случае может быть любой электробытовой прибор: утюг, паяльник, светильник и так далее

Строкой ниже, с помощью кнопки «Energy», мы можем выводить параметры электрического сигнала, такие как:

— напряжение (V, Вольт)

— сила тока (A, Ампер)

— частота (Hz, Герц)

— мощность (W, Ватт)

— коэффициент мощности (Power Factor) или cos φ (косинус фи,безразмерная величина, то есть измеряется чисто в цифрах)

Третья строка — это расчет стоимости электроэнергии. Измеряется в Киловаттах умноженных на Час (КВатт х час). Самая частая ошибка — это когда пишут кВатт/час. Запомните, там знак не деления, а умножения! Вот за эти киловатт-часы мы и платим денежку провайдерам электрической энергии ;-).

Сейчас никакая нагрузка не включена в розетку ваттметра. Смотрим на дисплей:

Ничего себе, почти 240 вольт.

Можно замерить частоту. 50 Герц — так и должно быть.

Так как в розетке нашего ваттметра нет никакой нагрузки, следовательно и сила тока также будет равняться нулю:

Ну и мощность также будет равняться нулю

Косинус фи и реактивная нагрузка

Например, мой самопальный простой блок питания, включенный в сеть и не питающий никакую нагрузку, все равно потребляет энергию, так как является трансформаторным. Напряжение сразу идет на первичную обмотку трансформатора.

Его не следует оставлять включенным в розетку, так как он все равно хоть и немного потребляет ток.

Включаю свой трансформаторный блок питания в сеть 220 Вольт. Итак, напряжение в розетке 236,8 Вольт:

К блоку питания я подцепил лампочку на 12 вольт. Итого, нагруженный блок питания у нас потребляет 0,043 Ампера.

Power Factor — коэффициент мощности, он же косинус фи. Сейчас он у нас равен 0,42, так как нагрузка индуктивная.

Проверяем все это дело по формуле P=IUcos φ=0,043х236,8х0,42=4,28 Ватт. Почти все сходится с небольшой погрешностью.

Косинус фи и активная нагрузка

Давайте проведем еще один опыт. Возьмем лампу накаливания на 220 Вольт и подцепим ее через ваттметр в сеть. Так как лампочка накаливания у нас не обладает ни индуктивностью, ни емкостью, то на графике синусоида силы тока и напряжения будет примерно выглядеть вот так. То есть синхронно:

Фи в этом случае равен нулю (сдвига фаз между ними нет). Вспоминаем школьный курс тригонометрии и помним, что косинус нуля — это единичка!

Проверяем на опыте.

Power Factor, он же косинус фи, высвечивает единичку. Все верно!