Olen pitemmän aikaa suhtautunut hyvin varauksella kaupoissa halvalla myytäviin tehomittareihin. Tämä siksi, että vaihtojännitteellä tehon mittaaminen on huomattavasti monimutkaisempaa kuin miltä asia äkkiseltään saattaisi vaikuttaa. Tämän sivun laatimisen jälkeen asiaa ovat muutkin tutkineet, mm. Tietotekniikan tutkimuslaitos HIIT, tekemässään tutkimuksessa. Positiivista on ollut havaita että asia on kiinnostanut muitakin ihmisiä.
Minulta on monessa yhteydessä kysytty, sopivatko halvat mittarit esim. ilmalämpöpumpun tehon ja energiankulutuksen seurantaan. Vastaus on etten tiedä, minulla ei ole ollut ilmaläpöpumppua mitattavaksi jotta voisin sanoa kuormasta mitään. Lisämutkikkuutta asiaan tuo se, että kaikki ilmalämpöpumput eivät välttämättä ole samanlaisia, joten yhdessä tapauksessa tehtyä mittausta ei voi yleistää kaikkiin maailman laitteisiin.
|
|
| PM300 Edestä | PM300 takaa |
Tehon mittaaminen on helpoimmillaan yksinkertaista. Mitataan vain virran ja jännitteen tehollisarvot ja kerrotaan ne keskenään. Tämä toimii jos virta ja jännite ovat samassa vaiheessa, ja niillä on sama aaltomuoto.
Hankalaksi asia menee tyypillisillä hakkuripoweroiduilla hupielektroniikkalaitteilla, jos niissä ei satu olemaan tehokerroinkorjattua poweria. Tämä aiheuttaa sen, että laite ottaa virtaa vaan siniaallon huippukohdissa, kun verkkojännitteen hetkellisarvo ylittää powerissa olevan suotokondensaattorin jännitteen. Koska laite ottaa saman tehon riippumatta kuinka kauan virtaa otetaan, seuraa tästä virran huippuarvon voimakas kasvu. Näin ollen virran tehollisarvo kasvaa virtapiikin kaventuessa, vaikka pätöteho pysyykin samana. Laitteen tehokerroin pienenee. Perinteisellä muuntajalla poweroidut laitteet ovat hivenen helpompia kuormia, mutta silti virran aaltomuoto on melkolailla säröytynyt. Yksivaiheiset siniaallon huipussa virtaa ottavat laitteet ovat ongelma kolmivaihejärjestelmissä, lähinnä syystä että virran kolmas harmoninen ei kumoudu nollajohdossa vaan eri vaiheiden kolmannet harmoniset vahvistavat toisiaan. Täten nollajohto joudutaan mitoittamaan suuremmaksi kuin muuten olisi tarpeen. Voidaan myös matemaattisesti osoittaa, että virran harmoniset eivät siirrä pätötehoa, vaan lisäävät ainoastaan loistehoa.
Todellinen laitteen käyttämä pätöteho (josta sähkölaitos kuluttajaa laskuttaa) saadaan kertomalla virran ja jännitteen hetkellisarvot keskenään,ja laskemalla tästä tulosta aikakeskiarvo. Tämä menetelmä toimii riippumatta kuorman ottaman virran aaltomuodosta. True RMS-yleismittarilla pystyy kyllä mittaamaan oikean tehollisarvon virralle ja jännitteelle ja näistä voi laskea näennäistehon. Näennäisteho on aina vähintään yhtä suuri kuin pätöteho. Voimakkaasti epälineaarisilla kuormilla näennäisteho on huomattavasti suurempi kuin pätöteho, joten tämä menetelmä tuottaa pahasti yläkanttiin olevia lukemia.
Kokeilin mittaria muutamilla erityyppisillä kuormilla. Vertailun vuoksi mittasin todellisen pätötehon käyttämällä Agilentin MSO6034A-oskilloskooppia, ja siihen kytkettyjä Fluken 80i-110s virtaprobea ja DP120 differentiaaliprobea. Differentiaaliprobe tarvitaan, jotta jännitteen mittaus olisi turvallista. Virtaprobe mittaa virran johdon ympärille syntyvästä magneettikentästä Ampéren lain perusteella, mutta ei siitä sen enempää.
Mittauksissa kanavassa 1 on jännite (keltainen käyrä) ja kanavassa 2 virta (vihreä käyrä). Purppura käyrä on skoopin sisäisellä matematiikkatoiminnolla laskettu tehokäyrä, virta kertaa jännite. Avg(M)-mittaus tarkoittaa tämän kertolaskun keskiarvoa, joka siis edustaa laitteen ottamaan pätötehoa, siis josta sähkölaitos laskuttaa kotitalouksia. Skooppikuvia klikkaamalla saa näkyviin alkuperäisen skoopista napatun PNG-kuvan. Kuvien alla on virran ja jännitteen tehollisarvoista laskettu näennäisteho (tämä teho saataisiin True RMS-yleismittaria käyttäen), sekä pätötehon ja näennäistehon suhde, tehokerroin (cos φ).
Mitattuja kuormia:
Hehkulamppu on kuormana juuri niin yksinkertainen kuin kuorma vaan voi oikeastaan edes olla.
| Lexa PM300 | Skooppi |
|---|---|
| 71W | 73W |
| |
| S = 73 VA, Cos φ = 1.00 | |
Tulokset ovat, kuten arvata saattaa, mittaustarkkuus huomioiden, identtisiä.
Tässä kuorma on hivenen monimutkaisempi. Lineaarinen (eli virta sinimuotoinen), mutta vaihesiirrossa jännitteeseen nähden, jolloin pätöteho on likimain nolla. Verkkojännitteen harmoniset taajuudet aiheuttavat virrassa näkyvät suurtaajuiset komponentit.
Huomattavaa on tehon ajoittainen negatiivisuus. Tämä tarkoittaa sitä, että se teho jonka kondensaattori otti verkosta, palautuu nyt takaisin verkkoon. Loisteho siis pumppaa edestakaisin kuorman ja verkon välissä. Toki tämä kuormittaa johtoa, mutta varsinaista lämmöksi muuttuvaa tehoa ei juuri ole.
| Lexa PM300 | Skooppi |
|---|---|
| 1 W (120 mA RMS) | 0.2 W |
| |
| S = 31.2 VA, Cos φ = 0 | |
Jälleen näyttämä on kuta kuinkin oikein. +-1 numeron virhe on digitaalisten mittareiden perusominaisuus.
Pötäloisteputkivalaisin näyttää olevan induktiivinen kuorma verkon kannalta.
Toisin kuin puhtaan kapasitanssin tapauksessa, vaihesiirto on nyt toisensuuntainen (virta jätättää jännitettä).
| Lexa PM300 | Skooppi |
|---|---|
| 19 W | 16 W |
| |
| S = 36.8 VA, Cos φ = 0.44 | |
Teholukema on oikea kohtuullisella tarkkuudella.
Tämä edustaa tyypillistä pienitehoista epälineaarista kuormaa. Poweri ei sisällä minkäänlaista tehokerroinkorjausta.
| Stand by | Aktiivitila | ||
|---|---|---|---|
| Lexa PM300 | Skooppi | Lexa PM300 | Skooppi |
| 9 W | 9 W | 30 W | 26 W |
| 
| ||
| S = 24 VA, Cos φ = 0.38 | S = 55 VA, Cos φ = 0.47 | ||
Jälleen näyttämä on kuta kuinkin oikein. Isommalla teholla tehomittarin lukema on hiukan suuri.
Tämä kuorma edustaa muuntajakytkettyä kuormaa. Virtapiikit ovat selvästi nähtävissä, joskin ne ovat aavistuksen leveämmät ja matalammat kuin suoraan verkosta tasasuuntaavilla kuormilla. Stand-by-tilan virta on melkolailla sinimuotoista.
| Stand by | Aktiivitila | ||
|---|---|---|---|
| Lexa PM300 | Skooppi | Lexa PM300 | Skooppi |
| 0 W | 5 W | 63 W | 112 W |
| 
| ||
| S = 5.5 VA, Cos φ = 0.89 | S = 155.4 VA, Cos φ = 0.73 | ||
Tehomittari näyttää huomattavasti alle todellisen tehonkulutuksen. Tällaisten kuormien mittaukseen tätä mittaria ei voi suositella.
Tämä edustaa tyypillistä keskitehoista epälineaarista kuormaa. PC:n kokoonpano lyhyesti, P4 @ 3 GHz, 1 GB RAM, Matrox P650 Näytönohjain, 40 + 120 gigan ide-kiintolevyt + 73 gigan Ultra320-SCSI boottilevy. Enermax 365W poweri.
| CPU idle | CPU 100% | ||
|---|---|---|---|
| Lexa PM300 | Skooppi | Lexa PM300 | Skooppi |
| 66 W | 124 W | 102 W | 180 W |
| 
| ||
| S = 202 VA, Cos φ = 0.61 | S = 276.2 VA, Cos φ = 0.65 | ||
Tässä tehomittari näyttää ihan mitä sattuu. Tällaisten kuormien mittaukseen tätä mittaria ei voi suositella.
Mitattavassa PC:ssä on aktiivisella tehokerroinkorjauksella oleva moderni Enermaxin Revolution 85+ 850W-poweri. PC:n kokoonpano lyhyesti: Core i7 950, 6 GB RAM, Nvidia Quadro NVS 450 näytönohjain, 4xSamsung F1 1 TB RAID + 73 GB WD Raptor kiintolevyt + 3ware 9650SE RAID-ohjain.
| Standby | CPU 100% | ||
|---|---|---|---|
| Lexa PM300 | Skooppi | Lexa PM300 | Skooppi |
| 5 W | 4.5 W | 260 W | 260 W |
| 
| ||
| S = 34.6 VA, Cos φ = 0.13 | S = 266.9 VA, Cos φ = 0.97 | ||
Aktiivinen tehokerroinkorjain tekee virrasta lähelle siniaaltoa olevaa, joten tällainenkin yksinkertainen tehomittari näyttää oikein. Ilman keskiarvoistusta otetussa kuvassa näkyy tehokerroinkorjaimen aiheuttama virtarippeli.
Tämä on tyypillinen vanha kuvaputki-TV. Jännite on tasasuunnattu suoraan verkosta, ilman mitään tehokerroinkorjausta.
| Lexa PM300 | Skooppi |
|---|---|
| 37-40 W (vaihtelee) | 77 W |
| |
| S = 124 VA, Cos φ = 0.62 | |
Tämä edustaa suhteellisen pienitehoista tehokerroinkorjattua kuormaa. Tehokerroinkorjain pyrkii muokkaamaan laitteen ottaman virran verrannolliseksi tulojännitteeseen, eli sinimuotoiseksi.
Virta on melko hyvin siniä muistuttavaa, mutta aika kaukana kuitenkin hehkulamppukuormasta. Huomattavasti verkkoystävällisempi kuin tehokerroinkorjaamaton poweri.
| Lexa PM300 | Skooppi |
|---|---|
| 42 W (190 mA RMS) | 42 W |
| |
| S = 48.2 VA, Cos φ = 0.87 | |
Tietämättä minkälainen kuorma on, ei tätä mittaria voi suositella satunnaisten kuormien mittaukseen. Toisaalta jos kuorma tiedetään lineaariseksi, niin laite on varsin toimiva.
Viimeksi päivitetty 18.2.2010
© Janne Ahonen 2006-2010.
