وات متر چیست؟

در این مقاله به بررسی وات متر، کلید سلکتوری وات متر و طریقه نصب و سیم بندی آن ها می پردازیم. در مقاله های قبلی با روش های اندازه گیری ولتاژ و جریان در تابلو برق آشنا شدیم. همانطور که می دانید از ضرب لحظه ی ولتاژ و جریان مقدار توان مدار محاسبه می شود. از طرفی در یک مدار متناوب سه نوع توان با عنوان های توان ظاهری، توان اکتیو و توان راکتیو وجود دارد. در این شرایط ممکن است از ما سوال شود که ضرب لحظه ای ولتاژ و جریان کدام توان را نشان خواهد داد؟ ضرب مقادیر اندازه گیری شده با ولت متر و آمپر متر توان ظاهری سیستم را مشخص می کند. در نظر داشته باشید که در مدارهای سه فاز حتما باید از رادیکال سه نیز استفاده شود. به عبارت دیگر توان ظاهری در مدار سه فاز برابر با ضرب ولتاژ خط، جریان و رادیکال سه است. فرمول های توان ظاهری در مدار تکفاز و سه فاز عبارتند از:

\[S=U\times I\]

\[S=\sqrt{3}\times U\times I\]

معرفی و کاربرد

با توجه به وجود بارهای مختلف اهمی، سلفی و خازنی در شبکه های متناوب پدیده ای تحت عنوان اختلاف فاز ایجاد می شود. در واقع اختلاف فاز مشخص می کند که چه مقدار از توان دریافتی سیستم اکتیو و چه مقدار راکتیو است. نکته مهم در اندازه گیری توان عدم نمایش اختلاف فاز با ولت متر و آمپر مترهای جدا گانه است. به عبارت دیگر یک ولت متر و آمپر متر تنها مقادیر ظاهری را نمایش داده و نمی توانند میزان اختلاف فاز را اندازه گیری کنند. از طرفی با مجهول بودن اختلاف فاز نمی توان میزان اکتیو و راکتیو توان را مشخص کرد. با توجه به موارد ذکر شده ممکن است سوال های زیر مطرح شوند:

• چگونه اختلاف زمانی بین دو کمیت را اندازه گیری کنیم؟
• آیا می توان  ولت متر و آمپر متر را ترکیب کرده و از آن ها برای اندازه گیری اختلاف زمان استفاده کرد؟
• آیا برای اندازه گیری توان ها دستگاه های دیگری وجود دارند؟
• در مدارهای سه فاز که تعداد کمیت های ولتاژ و جریان بسیار زیاد است، چگونه اختلاف زمانی را اندازه گیری کنیم؟
• ارزان ترین روش اندازه گیری این کمیت ها کدام است؟

به منظور اندازه گیری کمیت های توان و وابسته به توان باید از دستگاه های ترکیبی استفاده کنیم. این دستگاه ها مجهز به ورودی همزمان ولتاژ و جریان بوده و در مدل های مختلف تولید می شوند. دستگاه های ترکیبی می توانند به صورت تک منظوره و یا گروهی انتخاب شوند. به عنوان مثال یک وات متر تنها میزان توان اکتیو یک سیستم را نمایش می دهد. برای اندازه گیری توان راکتیو می توان از وار متر و برای اندازه گیری اختلاف فاز می توان از کسینوس فی متر به صورت مجزا استفاده کرد. همانطور که مشاهده می کنید این دستگاه ها به صورت تکی ساخته شده و می توانند توان اکتیو، توان راکتیو و یا کسینوس فی یک فاز را اندازه گیری کنند. به عبارت ساده تر برای اندازه گیری این کمیت ها در مدار سه فاز به تعداد بیشتری از وات متر، وار متر و کسینوس فی متر نیاز داریم.

برای رفع این مشکل می توان از کلیدهای اندازه گیری یا انواع پاور متر دیجیتال استفاده کرد. پاورمتر و پاور آنالایزر دیجیتال دارای 6 یا 8 ترمینال جهت ورودی ترانس های جریان به همراه 4 ترمینال جهت ورودی سه فاز و نول می باشد. تعداد ورودی های ترانس جریان با توجه به قابلیت اندازه گیری جریان نول یا محاسبه ی آن مشخص می شود. در برخی از پاورمترها میزان جریان نول به صورت ریاضی محاسبه شده و برخی دیگر دارای ورودی ترانس جریان چهارم هستند. در پاورمتر و پاور آنالایزرهای دیجیتال دیگر نیازی به کلید ولت، کلید آمپر، کلید وات متر و غیره نبوده و تمام کمیت های سه فاز اندازه گیری می شوند. در این دستگاه می توانید به سادگی کسینوس فی، توان اکتیو، راکتیو و غیره را مشاهده کنید. در تصویر زیر یک نمونه پاور متر تابلویی را مشاهده می کنید.

نصب وات متر

به منظور نصب یا سیم بندی وات متر ابتدا باید نوع آن را مشخص کنیم. منظور از نوع در این بخش تک کاناله یا چند کاناله بودن دستگاه است. همانطور که شرح داده شد وات متر، وار متر و کسینوس فی متر های آنالوگ و تک کاناله دارای دو ورودی مستقل جریان و ولتاژ هستند. در واقع با این دو ورودی میزان ولتاژ، جریان و اختلاف فاز بین آن ها محاسبه می شود. در وات متر پس از اندازه گیری ولتاژ، جریان و اختلاف فاز مقدار نهایی توان با عقربه یا به صورت دیجیتال نمایش داده می شود. در وارمتر نیز میزان ولتاژ، جریان و اختلاف فاز اندازه گیری شده و مقدار توان راکتیو نهایی محاسبه می شود. در نظر داشته باشید که میزان ولتاژ و جریان در کسینوس فی متر مهم نبوده و فقط اختلاف فاز نمایش داده می شود. از آنجایی که اختلاف فاز در یک مدار می تواند سلفی یا خازنی باشد در انواع کسینوس فی مترها عدد 1 در وسط و مقادیر منفی و مثبت در طرفین آن هستند.

سیم بندی وات متر، وار متر و کسینوس فی متر با توجه به مدل و برند ممکن است متفاوت باشد ولی تمام آن ها دارای ورودی ولتاژ و جریان هستند. ورودی جریان می تواند به صورت مستقیم و یا توسط ترانس جریان دایر شود. در نظر داشته باشید که ورودی مستقیم جریان تنها در توان های محدود انجام شده و در موارد دیگر حتما از CT استفاده خواهد شد. به عنوان در تصویر زیر دیاگرام نصب یک کسینوس فی متر آنالوگ را مشاهده می کنید:

همانطور که مشاهده می کنید بخش جریانی این کسینوس فی متر دارای سه ترمینال است. ترمینال اول مربوط به P1 ترانس جریان و ترمینال های دوم و سوم مربوط به P2 آن است. در صورتی که ثانویه ی ترانس جریان 5 آمپر باشد باید از ورودی اول و دوم و در حالت 1 آمپر از ورودی اول و سوم استفاده کنیم. طبق تصویر ترانس جریان روی فاز اول یا L1 نصب شده است.

می دانیم که وات متر و کسینوس فی متر حداقل دارای 2 ترمینال ورودی ولتاژ نیز هستند. تاکید می شود که یکی از ورودی های ولتاژ باید از فازی باشد که ترانس جریان روی آن نصب شده است. طبق تصویر ممکن است در بخش ولتاژی چند ترمینال با دامنه های ولتاژی مختلف وجود داشته باشد. به عنوان مثال در شبکه برق ایران در صورت اتصال بخش ولتاژی بین فاز و نول می توان از ترمینال 240/220  و برای اتصال دو فاز از 440/380 استفاده کرد. همانطور که مشخص شده این ترمینال با یک خط به فاز L1 یا همان فاز CT متصل شده است. ترمینال دوم در صورت وجود سیم نول می تواند به آن متصل شود. در صورتی که مدار به صورت سه فاز سه سیمه باشد باید ورودی دوم ولتاژ را به فاز مخالف متصل کنیم. در این مثال ترمینال دوم با خط چین به هادی های L3 یا N متصل شده است.

نکته ی بسیار مهم در اتصال پلاریته ی صحیح ترانس جریان به دستگاه های کسینوس فی متر و وات متر است. در صورتی که ترانس جریان به صورت معکوس به وات متر و کسینوس فی متر متصل شود مقدار اندازه گیری شده دقیقا برعکس خواهد شد. به عنوان مثال در یک کسینوس فی متر اتصال اشتباه می تواند بار سلفی را خازنی نمایش دهد. اتصال اشتباه در وات متر می تواند باعث منفی شدن مقدار اندازه گیری شود. همانطور که می دانید توان منفی مخصوص تولید کننده ها مانند ژنراتور و توان مثبت مخصوص مصرف کنندها مانند الکتروموتور است.

در مدارهای سه فاز می توان از روش های مختلف مانند سه وات متری یا دو وات متری برای اندازه گیری توان مجموع استفاده کرد. این روش ها پیچیدگی خاص خود را داشته و نیاز به جمع کردن مقادیر نمایش داده شده دارند. به عبارت دیگر در روش دو وات متری و سه وات متری مقدار نمایش داده شده در هر دستگاه میزان توان اکتیو کل نخواهد بود. بهترین پیشنهاد برای اندازه گیری توان در شبکه های سه فاز استفاده از پاورمتر و پاور آنالایزرهای دیجیتال است. این دستگاه ها دارای چندین ورودی ترانس جریان و ولتاژ بوده و قادر به اندازه گیری توان اکیتو و راکتیو و ظاهری هر فاز و مجموع آن ها هستند. به عنوان مثال در تصویر زیر ورودی های پاور آنالایزر ABB M4M20 را مشاهده می کنید.

قابل ذکر است که برخی از این دستگاه ها قابلیت اتصال به حلقه های روگوفسکی را دارند. این حلقه ها بسیار ساده تر از ترانس جریان نصب شده و از مدل های انعطاف پذیر هستند. پاورآنالایزرهای پرتابل و تابلویی جدید می توانند با استفاده از حلقه های روگوفسکی مقادیر بسیار دقیقی را اندازه گیری کنند. همانطور که مشاهده می کنید حلقه رگوفسکی دارای یک ارتباط جدا شدنی بوده و بسیار ساده و سریع تر از ترانس جریان روی انواع کابل و شینه نصب می شود. به عبارت ساده تر برای نصب حلقه رگوفسکی نیازی به باز کردن ارتباط شینه ها و کابل ها نیست.

کلید وات متر یا wattmeter selector switch چیست؟

در صنعت بارهای بسیار متنوعی وجود داشته که می توانند به صورت های تک فاز، دوفاز و یا سه فاز باشند. همانطور که می دانیم تعداد و بزرگی این بارها می تواند شبکه ی سه فاز را از حالت تعادل خارج کند. اندازه گیری کمیت های ترکیبی مانند توان، ضریب بار و … در مدارهای نامتعادل پیچیده تر می شود.  به عنوان مثال در یک مدار سه فاز متعادل اندازه گیری توان اکتیو یک فاز و ضرب آن در 3 میزان KW یا MW مصرفی کل را نشان می دهد اما در مدار نامتعادل این کار امکان پذیر نیست. برای اندازه گیری توان در یک مدار سه فاز نامتعادل می توان روش های روش سه یا دو وات متری و یا استفاده از یک دستگاه و کلید استفاده کرد. در روش کامل، سه عدد توان سنج جداگانه در ایستگاه اندازه گیری نصب می شود. این دستگاه ها در هرلحظه توان اکتیو عبوری را اندازه گیری کرده و نیازی به کلید یا تجهیزات جداگانه ندارند. این شرایط برای حالت دو توان سنج نیز صادق است.

برای کمتر کردن هزینه و ابعداد ایستگاه اندازه گیری می توان از یک توان سنج  آنالوگ و یک کلید اندازه گیری استفاده کرد. به عنوان مثال دیاگرام کلید و دو توان سنج را در تصویر زیر مشاهده می کنید. در قسمت صفحه ی راهنما مشخص شده که کلید دارای دو حالت وصل با زاویه ی 90 درجه و یک حالت قطع می باشد.  کلید در مجموع دارای 11 ترمینال می باشد. ترمینال های 13 و 17 و 15 برای ورودی ولتاژ سه فاز، ترمینال های 1 و 6 و 3 و 8 برای ورودی دو ترانس جریان و ترمینال های 2 و 9 و 14 و 18 برای خروجی به سمت دستگاه در نظر گرفته شده است.

روش سیم بندی

پس از نصب کامل کلید وات متر باید آن را سیم بندی کنیم. پس از مطابقت دادن کلید با شرایط موجود، سیم بندی را شروع می کنیم. در کنار هر ترمینال کلید حروف و اعدادی برای سیم بندی ترانس های جریان، ورودی های ولتاژ و خروجی دستگاه در نظر گرفته شده است.

جهت اتصال سیم های ورودی ولتاژ، ترانس جریان های و میتر آنالوگ از سیم های رنگی و مطابق با رنگ فاز های اصلی در مدار قدرت استفاده کنید. علاوه بر رنگ بندی می توان از شماره سیم هم استفاده کرد. قطر سیم برای ورودی ولتاژ و خروجی ولت متر می تواند بین 1/5 تا 2/5 و برای اندازه گیری جریان بین 2/5 تا 4 میلی متر مربع باشد. برای اطلاعات بیشتر در زمینه ی قطر مجاز سیم می توان به استانداردها مراجعه کرد. برای حفاظت بیشتر می توان قبل از ورودی های ولتاژ، از یک بریکر مینیاتوری 2 یا 4 آمپر استفاده کرد. قابل ذکر است که ثانویه ی ترانس جریان هرگز نباید مدار باز شود به همین علت در مدار ثانویه ی آن ها از هیچ سیستم حفاظتی مانند فیوز یا بریکر استفاده نمی شود. در لحظاتی که ترانس های جریان به دستگاه متصل نیستد، کلید به صورت داخلی سمت ثانویه ی آن ها را اتصال کوتاه می کند. برای اطلاعات بیشتر در مورد نحوه ی نصب ترانس ولتاژ و جریان به کلید ولت و اندازه گیری جریان در تابلو برق مراجعه کنید.

کلید وات متر تنظیمی نداشته ولی قبل از بهره برداری نیاز به تست دارد. تست های این کلید را می توان به دو گروه تست در بی برقی و تست در برق داری تقسیم کرد. برای انجام تست های نهایی این مراحل را انجام دهید:

• از نصب صحیح و عمکلرد مکانیکی کلید اطمینان حاصل کنید. کلید را چند بار در حالت های مختلف قرار دهید.
• با توجه به رنگ سیم ها، شماره سیم ها و کمک گرفتن از اهم متر، صحت مدار و اتصال صحیح ورودی های ولتاژ و ترانس های جریان را کنترل کنید. رنگ بندی و شماره گذاری می تواند برای این کار مفید باشد.
• کلید را در وضعیت های مختلف قرار داده و صحت اتصال ورودی های ولتاژ، ترانس های جریان، اتصال کوتاه بودن ترانس های جریان دیگر و اتصال میتر را کنترل کنید. برای قطع و وصل این کلید کافی است دسته ی آن را چرخانده و در مقابل وضعیت های موجود قرار دهید. برای وضعیت خاموش ممکن است عبارت های صفر یا OFF روی کلید نوشته شده باشد. در این وضعیت تمام ورودی های ولتاژ مدار باز و سمت ثانویه ی تمام ترانس های جریان اتصال کوتاه می شود.
• پس از کنترل نهایی، مدار اصلی را برق دار کرده و راه اندازی کنید. می توانید از یک پاورمتر پرتابل و یا کنتورهای دیجیتال برای اندازه گیری هم توان مدار قدرت استفاده کنید.
• پس از اطمینان از اتصال صحیح خروجی کلید به دستگاه و متناسب بودن رنج آن با ولتاژ و جریان عبوری از شبکه، کلید را در یکی از حالت های غیر صفر قرار دهید. میزان توان قرائت شده توسط دستگاه ثابت را با پرتابل مقایسه کنید. این مقادیر باید نسبتا به هم برابر باشند.
• با تغییر وضعیت کلید در حالت های دیگر، توان را اندازه گیری کرده و یادداشت کنید.
• با توجه به نیاز بهره بردار، کلید را در یکی از حالت های وصل و یا قطع قرار دهید.

بهره برداری از کلید وات متر ساده و معمولا بدون نیاز به سرویس و نگه داری می باشد. برای اندازه گیری توان ها کافی ست دسته را چرخانده و در مقابل وضعیت مورد نظر قرار دهید. در قسمت راهنمای کلید برای حالت قطع عبارت صفر یا OFF ، و برای اندازه گیری توان عبارت های 1 و 2 درج شده است. قابل ذکر است که توان کل مدار، حاصل جمع مقدار دو حالت اندازه گیری می باشد.