Электроника:Переменный ток/Измерение цепей переменного тока/Измерение мощности

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Измерение мощности[1]

Измерение мощности в цепях переменного тока обычно немного сложнее, чем в цепях постоянного тока, по той простой причине, что сдвиг фазы усложняет дело, не говоря уже о умножении напряжения на значения тока, полученное с помощью измерителей.

Что точно понадобится, так это прибор, способный определять произведение (умножение) мгновенного напряжения и мгновенной силы тока. К счастью, обычный электродинамометр в котором есть две катушки (одна неподвижная, а другая подвижная) отлично справляется с этой задачей.

Трёхфазное измерение мощности достигается использованием двух движений общего вала динамометра, соединяющего две катушки (обе являются при этом подвижными) вместе, таким образом, что мощность показывается с помощью одной стрелки на шкале движения измерителя. Очевидно, что это делает механизм движителя довольно дорогим и сложным, но это работоспособное решение.

Эффект Холла

Гениальный метод создания электронного измерителя мощности (который генерирует электрический сигнал, представляющий мощность в системе, а не просто перемещает указатель) основан на эффекте Холла.

Эффект Холла – необычный эффект, впервые замеченный Э. Холлом в 1879 году, при котором напряжение генерируется по ширине проводника, по которому течёт ток, подвергающийся воздействию перпендикулярного магнитного поля:

Рис. 1. Эффект Холла: напряжение пропорционально силе тока и силе перпендикулярного магнитного поля.

Напряжение, генерируемое по ширине плоского прямоугольного проводника, прямо пропорционально силе проходящего через него тока и силе магнитного поля.

Математически тут произведение (умножение) данных двух переменных. Величина «напряжения Холла», создаваемого для любого заданного набора условий, также зависит от типа материала, используемого для плоского прямоугольного проводника.

В процессе исследований обнаружено, что специально подготовленные полупроводниковые материалы производят большее напряжение Холла, чем металлы, поэтому современные устройства на эффекте Холла изготавливаются именно из них.

Тогда имеет смысл создать устройство с датчиком, работающим на эффекте Холла, в котором ток через проводник проталкивается переменным напряжением от внешней цепи, а магнитное поле создаётся парой катушек, питаемых переменным током. Тогда напряжение Холла имело бы кратную зависимость от тока и напряжения в цепи.

Не имея перемещаемой массы (в отличие от электромеханического механизма), это устройство может обеспечивать мгновенное измерение мощности:

Рис. 2. Датчик мощности за счёт эффекта Холла измеряет мгновенную мощность.

Мало того, что выходное напряжение устройства, работающем на эффекте Холла, будет отображением мгновенной мощности в любой момент времени. Так оно ещё и будет являться сигналом постоянного тока! Это связано с тем, что полярность напряжения Холла зависит как от полярности магнитного поля, так и от направления тока, проходящего по проводнику.

Если и направление тока, и полярность магнитного поля поменять местами – как это происходит при каждом полупериоде переменного тока – полярность выходного напряжения останется прежней.

Если напряжение и ток в силовой цепи сдвинуты по фазе на 90° (это нулевой коэффициент мощности, что означает отсутствие реальной мощности, подаваемой на нагрузку), чередующиеся пики тока устройства Холла и магнитного поля никогда не будут совпадать друг с другом: когда один находится на пике, другой будет равен нулю.

В такие моменты выходное напряжение Холла также будет равно нулю, будучи произведением (умножением) тока и напряженности магнитного поля.

Между этими моментами времени выходное напряжение Холла будет одинаково колебаться между положительным и отрицательным значениями, генерируя сигнал, соответствующий мгновенному поглощению и высвобождению мощности через реактивную нагрузку.

Чистое выходное напряжение постоянного тока будет нулевым, что указывает на нулевую истинную мощность в цепи.

Любой фазовый сдвиг между напряжением и током в силовой цепи менее 90° приведёт к выходному напряжению Холла, которое колеблется между положительным и отрицательным значениями, но при этом принимать положительное значение будет чаще, чем отрицательное. А значит, это будет чистое выходное напряжение постоянного тока.

Это чистое постоянное напряжение, обработанное через схему фильтра нижних частот, может быть отделено от смешанного с ним переменного тока, а конечный выходной сигнал регистрируется чувствительным измерительным движителем постоянного тока.

Часто нужен счётчик, умеющий суммировать потребляемую мощность за определённый период времени (а не определяющий мгновенную мощность). Выходной сигнал такого счётчика может быть установлен в джоулях. Или же общая потребляемая энергия (мощность) – это мера работы, выполняемая в единицу времени.

Или, что более часто, мощность такого счётчика устанавливается в ватт-часах.

См.также

Внешние ссылки