Точное измерение мощности в цепях переменного тока: от электро динамометров к датчикам Холла

Измерение мощности в цепях переменного тока в ذاتها сложнее, чем в постоянном токе, потому что фазовые сдвиги означают, что простое перемножение показаний вольтметра и амперметра не отражает активную мощность.

Необходим прибор, способный определить произведение мгновенных значений напряжения и тока. Классический электро динамометр, со своими стационарной и движущейся катушками, отлично справляется с этой задачей.

Для трёхфазной мощности два динамометрических механизма могут быть сцеплены на общем валу, позволяя одной стрелке отображать суммарную мощность на шкале прибора. Хотя эта конфигурация дорога и сложна, она остаётся надёжным решением.

Эффект Холла

Один инновационный подход к электронному измерению мощности — выдача электрического сигнала, пропорционального активной мощности вместо механической стрелки — основан на эффекте Холла.

Эффект Холла, открытый Э. Х. Холлом в 1879 году, порождает напряжение поперек токопроводящего проводника при приложении перпендикулярного магнитного поля:

Напряжение Холла пропорционально току и силе магнитного поля.

Напряжение, возникающее на плоском прямоугольном проводнике, прямо пропорционально и величине тока, и силе магнитного поля. Иными словами, это произведение этих двух переменных. Величина напряжения Холла также зависит от материала проводника.

Специально разработанные полупроводниковые материалы дают более сильное напряжение Холла, чем металлы, поэтому современные датчики Холла строятся из этих материалов.

Пропуская переменный ток через проводник и создавая магнитное поле катушками, возбуждаемыми той же цепью переменного тока, напряжение Холла становится пропорциональным мгновенному произведению тока и напряжения — то есть активной мощности.

Поскольку датчик Холла не имеет движущихся частей, он может обеспечивать мгновенные измерения мощности с высокой точностью.

Кроме того, напряжение Холла — это постоянный сигнал. Полярность напряжения Холла зависит и от полярности магнитного поля, и от направления тока. Когда оба меняются знак за полуволну переменного тока, выходная полярность остаётся неизменной.

Когда напряжение и ток сдвинуты на 90° (нулевой коэффициент мощности), пики тока и магнитного поля никогда не совпадают; выход Холла становится нулевым в эти моменты, отражая факт, что чисто реактивная нагрузка не потребляет активной мощности.

Между этими точками напряжение Холла осциллирует между положительными и отрицательными значениями, представляя мгновенный обмен энергией с реактивной нагрузкой. Среднее (постоянное) значение за полный цикл равно нулю, указывая на нулевую активную мощность.

Если фазовый сдвиг меньше 90°, напряжение Холла осциллирует асимметрично — дольше положительно, чем отрицательно — так что средняя (постоянная) составляющая не нулевая. Низкочастотный фильтр извлекает эту постоянную составляющую, которую затем можно отобразить на чувствительном механизме постоянного тока.

Многие пользователи предпочитают накапливать мощность во времени, а не измерять мгновенно. Отфильтрованный постоянный сигнал можно интегрировать для получения общего потребления энергии, обычно выражаемого в джоулях или, чаще, в ватт-часах.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• DC Transducers Worksheet