Лекция 6.4 Измерение расхода электрической энергии

Расход электрической энергии в цепях переменного тока осуществляется одноэлементными, двухэлементными и трехэлементными индукционными счетчиками.

УЭ 6.4-1 Одноэлементный индукционный счетчик используется для уче­та активной энергии в однофазных цепях переменного тока Электрические счетчики, предназна­ченные для учета энергии в однофазных цепях переменного тока, на­зывают однофазными счетчиками.

В качестве вращающего элемента однофазного счетчика исполь­зуется индукционный измерительный механизм. Принцип действия механизма основан на взаимодействии двух или нескольких пере­менных магнитных потоков с токами, индуцированными ими в под­вижном алюминиевом диске. Можно показать, что возникающий в индукционном измерительном механизме вращающий момент М ра­вен:

М = сfФ₁Ф₂sin ,

где Ф₁ и Ф₂ — потоки, пересекающие алюминиевый диск; f — часто­та изменения потоков Ф₁ и Ф₂; — угол фазового сдвига между потоками Ф₁ и Ф₂

Анализируя вышеприведенное выражение, следует отметить, что:

1)	для создания вращающего момента необходимо не менее двух переменных потоков или двух составляющих одного потока, имеющих фазовый сдвиг и смещенных в пространстве;
2)	вращающий момент достигает своего максимального значе­ния, когда фазовый сдвиг между потоками Ф1 и Ф2 равен 90" (sin = 1);

3)	вращающий момент зависит от частоты изменения потоков Ф1 и Ф2

Рисунок 6.25. Однофазный индукционный счетчик

Рассмотрим принцип работы и устройство однофазного индук­ционного счетчика. На рисунке 6.25 схематично показано устройство широко распространенного индукционного счетчика типа СО (счет­чик однофазный): 1 —трехстержневой магнитопровод с обмоткой цепи напряжения; 2 — П-образный магнитопровод с двумя после­довательно соединенными токовыми обмотками; 3 — алюминиевый диск, жестко укрепленный на оси подвижной части; 4 — противополюс из магнитомягкого материала; 5 — стальной поводок для создания и регулировки компенсационного момента; 6 — постоян­ный магнит для создания тор­мозного момента; 7 — корот-козамкнутые витки; 8 — обмот­ка, замкнутая на проволочный резистор 9 с регулируемым сопротивлением; 10 — сталь­ной крючок; 11 — пластина с флажком, выполненные из магнитомягкого материала; 12 —- счетный механизм; 13 — перемычка для изменения со­противления резистора 9.

На рисунке 6.26 приведена упрощенная векторная диаграмма, поясняющая принцип работы счетчика.

Рисунок 6.26. Векторная диграмма однофазного счетчика

Напряжение U, приложенное к обмотке напряжения, на­ходящейся на среднем стержне магнитопровода 1 (смотри рисунок 6.25), вызывает в обмотке ток Iv, отстающий по фазе от напряжения U ввиду большого реактивного сопротивления обмотки на угол, близкий к 90°. Ток I_U создает магнитный поток Ф в среднем стержне магнитопровода 1. Поток делится на два потока — по­ток Ф _U и поток Ф_L Рабочий поток Ф _U пересекает диск 3 и замыка­ется через противополюс 4. Нерабочий поток Ф_L замыкается через боковые стержни магнитопровода / и непосредственного участия в создании вращающего момента счетчика не принимает. Потоки Ф _Uи Ф_L отстают от тока I_U на углы потерь а_U и а_L Угол а_U > а_L так как поток Ф _Uпересекает диск 3 и проходит через противопо­люс 4, в которых возникают дополнительные потери. Ток I создает в магнитопроводе 2 магнитный поток Ф_I который дважды пересе­кает диск 3 и проходит через нижнюю часть среднего стержня магнитопровода 1. Поток Ф_I отстает от тока I на угол α₁. Та­ким образом, диск пересекают два несовпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг магнитных потока, т. е. Ф _U и Ф_I, при­чем поток Ф_I пересекает диск дважды. Возникает вращающий мо­мент M Выражение для этого случая принимает вид:

М = сfФ_UФ_Isin

При работе на линейном участке кривой намагничивания магнитомягких материалов магнитопроводов имеем:

где z_U — модуль полного сопротивления обмотки цепи напряжения.

Ввиду малости активного сопротивления R_U обмотки напряже­ния по сравнению с реактивным сопротивлением X_U этой обмотки можно считать, что

z_U X_U=2πfL_U ,

где L_U — индуктивность обмотки напряжения.

Учитывая вышесказанное получаем:

=

здесь = / .

Подставляя значения потоков Ф_I и Ф_U получаем:

М=kUI sin _,

где k=ck₁k₃.

Анализируя данное выражение, видим, что вращающий момент счетчика пропорционален активной мощности при выполнении равенства

sin =cosφ

где φ — угол фазового сдвига между напряжением U и током I.

Известно, что синус какого-либо угла равен косинусу другого угла только тогда, когда эти углы являются дополнительными, т. е+ φ = 90°. Нетрудно видеть (рисунок 6.26), что в рассматриваемом случае для выполнения этого условия необходимо иметь угол β> >90°, так как β = + φ +α₁

Наличие относительно большого нерабочего потока Ф_L позво­ляет получать угол β>90° (в реальных конструкциях счетчиков поток Ф_L существенно больше рабочего потока Ф_U). Обеспечение равенства + φ = 90° при заданном угле (β>90° осуществляется путем изменения угла потерь ат с помощью короткозамкнутых вит­ков 7 (грубая регулировка) и обмотки 8, замкнутой на резистор У, который выполнен в виде петли, с регулируемым сопротивлением (плавная регулировка). Изменение сопротивления резистора 9 про­изводится путем перемещения контакта 13 (смотри рисунок 6.25). Таким образом:

M = kUIcosφ = kP

Для создания тормозного момента и обеспечения равномерной угловой скорости диска при каждой данной нагрузке служит по­стоянный магнит 6. При пересечении вращающимся диском потока постоянного магнита Ф_м (смотри рисунок 6.25) в диске наводится ЭДС и возникают токи I_м,пропорциональные потоку Ф_м и угловой ско­рости диска :

I_м=с₁ Ф_м

От взаимодействия тока I_м с потоком Ф_м возникает тормозной момент M_T

M_T= с₂ Ф_м I_м

M_T= с₃ ,

где с₃=с₁с₂

Если пренебречь трением и другими дополнительными тормоз­ными моментами, возникающими при пересечении диском потоков Ф_U и Ф_I, то равномерная угловая скорость диска будет иметь место при М=М_T.

kP= с₃ = с₃dα/dt

Выражение можно представить следующим образом:

kPdt = с₃dα

Интегрируя по времени от t₁ до t₂, получаем:

с₃

Нетрудно видеть, что —активная энергия, учтенная счетчиком за время от t₁ до t₂, и = =2πN, где N — число оборотов диска за время от t₁ до t₂, тогда kW= с₃2πN,откуда W=с₃2πNk=CN. Следовательно, число оборотов диска пропорцио­нально учитываемой счетчиком активной энергии.

Для учета числа оборотов диска в счетчиках устанавливается счетный механизм 12 (смотри рисунок 6.25). Число оборотов диска счет­чика, приходящееся на единицу учитываемой счетчиком энергии, на­зывают передаточным числом счетчика. Передаточное число счет­чика указывается на щитке счетчика

Например:

1 кВт·ч = 2000 оборотов диска.

Величина, обратная передаточному числу счетчика, т. е. энергия, учитываемая счетчиком за один оборот диска, называется номи­нальной постоянной счетчика С_ном. Для счетчика с указанным выше передаточным числом номинальная постоянная С_ном определяется следующим образом:

С_ном=3600·1000/2000=1800Вт·c/оборот

Зная С_ном и число оборотов диска счетчика за данный интер­вал времени, нетрудно определить учтенную счетчиком за этот интервал времени энергию:

W = С_ном N,

Существенное влияние на правильность показаний счетчика при малых нагрузках (при малом значении тока I) оказывает момент трения в счетном механизме и опорах подвижной части счетчика. Очевидно, что момент трения, действующий навстречу вращающему моменту, будет уменьшать угловую скорость диска и учтенная счет­чиком энергия будет меньше израсходованной. Для уменьшения по­грешности счетчика от действия момента трения с помощью специ­альных приспособлений во всех типах счетчиков создают дополни­тельный вращающий момент. Этот момент называют компенсацион­ным моментом. Наибольшее распространение получили три способа создания компенсационного момента:

1)	с помощью винта из магнитомягкого материала, ввернутого в противополюс под диском счетчика;
2)	с помощью короткозамкнутого витка, помещаемого на пути потока над диском счетчика;

3)	с помощью поводка 5 (смотри рисунок 6.25), прикрепленного к противополюсу под диском счетчика.

Независимо от способа получения компенсационный момент возникает в результате взаимодействия двух или нескольких пото­ков, создаваемых обмоткой напряжения и "сдвинутых относительно друг друга в пространстве и по фазе, с токами, наводимыми ими в диске счетчика. При наличии поводка компенсационный момент создается потоками Ф_U и Ф_S. Поток Ф_S замыкается через пластину с флажком 11, выполненную из магнитомягкого материала, и про­тивополюс 4. Если поводок расположен по радиусу диска, то сила, возникающая в результате взаимодействия потоков Ф_U и Ф_S с то­ками, наведенными ими в диске, действует также в направлении ра­диуса и дополнительный вращающий (компенсационный) момент отсутствует. При смещении поводка возникающая сила создает до­полнительный вращающий момент, компенсирующий момент трения.

Известно, что момент трения является величиной переменной, зависящей от угловой скорости подвижной части. Компенсационный момент при неизменном значении напряжения U и данном смещении поводка является величиной постоянной. Следовательно, равенство компенсационного момента моменту трения может быть выполнено при одной вполне определенной нагрузке. Обычно равенство этих моментов осуществляют при регулировке счетчика при токе I, при­мерно равном 10% номинального тока I_ном.

При эксплуатации счетчика в ряде случаев компенсационный момент превышает момент трения и диск счетчика начинает вра­щаться даже при токе I=0, т. е. когда потребитель энергию не рас­ходует.

В соответствии с ГОСТ 6570-75 вращение диска счетчика под действием напряжения, поданного на зажимы параллельной цепи, и при отсутствии тока в последовательной цепи называется самохо­дом. Для устранения самохода на оси диска прикрепляют крючок 10 (смотри рисунок 6.25) из ферромагнитного материала. Флажок 11 на­магничивается потоком Ф_S и, притягивая крючок 10, устраняет са­моход. Таким образом, теперь, даже тогда, когда компенсационный момент больше момента трения, диск счетчика при токе I=0 не совершает более одного оборота, что в соответствии с ГОСТ 6570-75 считается отсутствием самохода.

Сила взаимодействия между крючком и флажком должна быть отрегулирована так, чтобы счетчик обладал допустимым порогом чувствительности. Под порогом чувствительности счетчика понима­ют наименьшее нормируемое значение тока / в процентах /_Ном, при котором начинается непрерывное вращение диска счетчика при номи­нальных значениях напряжения и частоты и при cosφ=l.

На работу счетчика влияют многочисленные факторы, обуслов­ленные конструкцией счетчика, качеством изготовления деталей, ма­териалом деталей и т. д. По точности учета электроэнергии счетчи­ки активной энергии могут быть следующих классов точности: 0,5; 1,0; 2,0 и 2,5. В отличие от аналоговых показывающих приборов классы точности счетчиков определяются не по приведенной, а по относительной погрешности, определяемой при различных оговорен­ных ГОСТ 6570-75 нагрузках. Допускаемую относительную погреш­ность счетчика в процентах определяют по формуле:

где — значение электрической энергии, определенное по пока­заниям проверяемого счетчика за данный интервал времени; W— действительное значение электрической энергии, определенное за этот же интервал времени по показаниям образцовых приборов.

Рисунок 6.27

В качестве образцовых приборов используются ли­бо образцовый счетчик (счетчик, имеющий более высокий класс), либо ватт­метр и секундомер.

Характерное изменение основной относительной по грешности счетчика в зависимости от нагрузки представлено на рисунке 6.27. Обычно кривую, изображенную на рисунке 6.27, называют нагрузоч­ной кривой счетчика. На нагрузочной кривой можно выделить четыре характерные области изменения относительной погрешности.

В области I изменение б обусловлено превышением компенса­ционного момента над моментом трения. В этой области диск счет­чика вращается быстрее необходимого.

В области II из-за увеличения момента трения в связи с уве­личением угловой скорости диска компенсационный момент мень­ше момента трения и диск счетчика вращается медленнее необхо­димого. Равенство компенсационного момента моменту трения ( = 0) обеспечивается примерно при токе нагрузки счетчика I/I_ном = 10%.

В области III происходит непрерывное увеличение угловой ско­рости диска по сравнению с необходимой скоростью. Это обуслов­лено нелинейной зависимостью между током I и потоком Ф_I на начальном участке кривой намагничивания материала магнитопро­вода токовой цепи.

В области IV происходит постепенное уменьшение угловой ско­рости диска по сравнению с необходимой скоростью. Это объясня­ется непропорциональным возрастанием тормозного момента счет­чика. Все большее влияние начинает оказывать составляющая тор­мозного момента, обусловленная пересечением диска счетчика увеличивающимся потоком Ф_I.

Дата добавления: 2014-01-20