Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного тока, равна среднему по времени произведению мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если напряжение и ток изменяются синусоидально, то мощность Р можно представить в виде P = UI cosφ, где U и I – эффективные значения напряжения и тока, а φ – фазовый угол (угол сдвига) синусоид напряжения и тока. Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах, то мощность будет выражена в ваттах. Множитель cosφ, называемый коэффициентом мощности, характеризует степень синхронности колебаний напряжения и тока.

С экономической точки зрения, самая важная электрическая величина – энергия. Энергия W определяется произведением мощности на время ее потребления. В математической форме это записывается как:

.

Если время измеряется в секундах, напряжение – в вольтах, а ток – в амперах, то энергия W будет выражена в ватт-секундах, т.е. джоулях. Если же время измеряется в часах, то энергия – в ватт-часах. На практике электроэнергию удобнее выражать в киловатт-часах.

С помощью приборов различных систем производят измерения активной ( ), реактивной ( ) и полной ( ) мощности в цепях постоянного тока, однофазного и трехфазного переменного тока, мгновенные значения мощности, а также количества электричества в широких пределах. При этом диапазон измеряемых мощностей может составлять от долей мкВт до десятков ГВт.

При косвенных измерениях мощности в цепях постоянного тока используют метод вольтметра и амперметра. В этом случае приборы могут быть включены по двум схемам.

Рис. 9.3 Схемы измерения мощности по показаниям вольтметра и амперметра при малых и больших сопротивлениях нагрузки.

Метод прост, надежен, экономичен, но обладает рядом существенных недостатков:

· необходимость снимать показания по двум приборам;

· необходимостью производить вычисления;

· невысокой точностью за счет суммирования погрешностей приборов.

Компенсационный метод применяется тогда, когда требуется высокая точность измерения мощности. С помощью компенсатора поочередно измеряется ток нагрузки и падение напряжения на нагрузке. Для измерения мощности используют электродинамические приборы.

Рис. 9.4 Схема включения электродинамического ваттметра через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

В широком диапазоне частот применяются цифровые ваттметры. Они осуществляют автоматический выбор пределов измерений, самокалибровку, имеют внешний интерфейс.

Для измерения мощности в трехфазных цепях используют методы одного, двух и трех ваттметров.

Первый вариант используют для систем с равномерной нагрузкой фаз, одинаковыми углами сдвига фаз между током и напряжением. При этом нагрузка может быть включена по схеме звезды, треугольника.

При асимметричной нагрузке используют методы двух ваттметров. При этом нужно вычислять суммарную мощность с учетом схемы включения приборов. При использовании схемы с тремя ваттметрами для определения потребляемой мощности производят суммирование показаний.

Для измерения мощности в цепях повышенной частоты применяют как прямые, так и косвенные методы с использованием термоэлектрических преобразователей, датчиков Холла, электронные и цифровые ваттметры. Для измерения энергии используют электромеханические и электронные счетчики.

При измерении мощности, частоты сдвига фаз широко используют измерительные механизмы электродинамической системы, так как эти приборы имеют сложную функциональную зависимость:

(9.4)

Если пропускать ток через последовательно включённые катушки, то можно использовать ток и напряжение при включении в цепь одной из катушек, можно обеспечить дополнительный сдвиг фаз. При этом можно измерить активную и реактивную мощность.