Однофазный индукционный счётчик электрической энергии

Принцип действия приборов индукционной системы основан на взаимодействии переменного магнитного потока с индукционным током. В настоящее время промышленность выпускает лишь индукционные счётчики электрической энергии. Поэтому при изучении приборов индукционной системы ограничимся рассмотрением только такого счётчика. При этом отметим, что индукционные приборы по принципу их действия пригодны лишь для переменных токов, так как в диске или цилиндре ток может индуцироваться лишь действием переменного магнитного потока.

Если на пути переменного магнитного потока поместить, например, край алюминиевого диска, способного вращаться вокруг некоторого центра, то в диске будет наводиться переменный индукционный ток, взаимодействующий с этим потоком. Однако, применив правило левой руки, легко убедиться, что результирующая сила, действующая на диск, равна нулю. В результате взаимодействия ток будет растягиваться (или сниматься). Поэтому для создания вращающего момента часто используют два магнитных потока, сдвинутых относительно друг друга по фазе на некоторый (например, на 180°) угол. При этом осуществляется взаимодействие потоков с «чужими» (а не «со своими») индукционными токами.

Индукционный счётчик имеет две катушки с сердечниками: токовую и катушку напряжения.

Токовую катушку (рис. 2-19, а) навивают толстым проводом на стальной сердечник и включают последовательно с нагрузкой. Магнитный поток Φ₁ в ней пропорционален току нагрузки.

Катушку напряжения (рис. 2-19, б) обычно навивают большим числом витков тонкого провода на стальной сердечник. Индуктивное сопротивление x_L этого электромагнита несравненно больше активного R ,поэтому эту цепь можно считать чисто индуктивной (ток в катушке напряжения отстаёт по фазе на 180°).

Рис. 2-19

Край алюминиевого диска одновременно пронизывается обоими потоками: дважды — потоком Ф₁; токовой катушки и один раз — потоком Φ_U катушки напряжения (рис. 2-20). Эти потоки индуцируют в диске токи I_ДI и I_ДU соответственно. При этом происходит взаимодействие: ток I_ДU взаимодействует с потоком Ф_I; (рис. 2-21, а), а ток I_Д с потоком Φ_U (рис. 2-21, б). Направление индукционных токов I_ДU и I_U зависит от того, возрастает или убывает создающий в данный момент поток. Это надо учесть при определении направления действующих на диск сил F₁ и F₂. Учитывая изменения токов I_I и I_U (рис. 2-22) используя правило Ленца и применяя правило левой руки, находим, что силы F₁ и F₂ создающие вращающий момент, имеют одинаковое направление — от опережающего потока к отстающему.

Рис. 2-20

Рис. 2-21

Рис. 2-22

Построим векторную диаграмму (рис. 2-23). За основной вектор примем вектор приложенного напряжения . Пусть нагрузка такова, что ток отстаёт по фазе от напряжения на некоторый угол . Этот ток создаёт в электромагните магнитный поток совпадающий с

Рис. 2-23

ним по фазе. Магнитный поток ; индуцирует в диске ЭДС которая, как известно, отстает по фазе от потока на 90°. Под действием этой ЭДС в диске возникает индукционный ток . Если предположить сопротивление материала диска чисто активным, то и совпадут по фазе.

Катушку напряжения, имеющую большое число витков и стальной почти замкнутый сердечник, можно рассматривать как чисто индуктивную нагрузку. Поэтому ток в этой катушке можно считать «отстающим» по фазе напряжения на 90°. Этот ток создаёт магнитный поток совпадающий с ним по фазе. Магнитный поток в свою очередь, наводит в диске ЭДС индукции отстающую от него по фазе на 90°. Под действием ЭДС в диске возникает индукционный ток совпадающий по фазе с ЭДС . На основании векторной диаграммы можно записать:

тогда

Значение результирующей силы F, действующей на диск, равно

а вращающего момента, действующего на диск,

где . Под действием вращающего момента диск пришёл бы в ускоренное вращение и число оборотов не соответствовало бы израсходованной электрической энергии, поэтому необходимо наличие противодействующего момента.

Противодействующий момент в индукционном счётчике создаётся действием поля постоянного магнита и электромагнитов на движущийся край диска (рис. 2-24):

где — постоянный коэффициент, учитывающий толщину, материал диска и индукцию поля постоянного магнита; — значение линейной скорости движения диска; — радиус диска; — коэффициент, постоянный для данного прибора.

Движение диска станет равномерным, когда вращающий и противодействующий моменты окажутся равными

Умножим обе части последнего равенства на промежуток времени :

где — число оборотов за время , электрическая энергия за то же время . Тогда

где — постоянная счётчика; — энергия, израсходованная нагрузкой за время .

Таким образом, число оборотов диска индукционного прибора пропорционально израсходованной электрической энергии. Такой прибор называют индукционным счётчиком электрической энергии.

Схематически устройство индукционного однофазного счётчика показано на рисунке 2-25. Лёгкий алюминиевый диск Д укреплён на вертикальной оси. Диск связан со счётным механизмом через червячную передачу (на схеме не показано). На некотором расстоянии от центра диска расположены два неподвижных электромагнита: и . Электромагнит имеет вид опрокинутой буквы П. По его обмотке проходит весь ток нагрузки. Магнитный поток этого электромагнита дважды пронизывает диск в противоположных направлениях, замыкаясь через воздух.

Электромагнит имеет вид перевёрнутой буквы Б. Его обмотка

Рис. 2-24

Рис. 2-25

рассчитана на напряжение сети и включается параллельно нагрузке. Магнитный поток Ф этого электромагнита разветвляется и частично пронизывает диск в одном направлении, а частично замыкается через средний стержень с регулируемым воздушным зазором. Этот стержень называют магнитным шунтом для потока Ф.

Система двух электромагнитов создаёт вращающий момент. Противодействующий момент, пропорциональный скорости вращения диска, создаётся электромагнитами и постоянным магнитом М. Наведённый полем этого магнита, индукционный ток в диске, взаимодействуя с создавшим его потоком, препятствует (в соответствии с законом Ленца) этому вращению, в результате создаётся противодействующий момент.

Счётчик регистрирует энергию в электрических единицах. Об израсходованной энергии судят по разности показаний счётного механизма за интересующий промежуток времени. У включённого счётчика обмотка напряжения постоянно находится под напряжением сети, и этим объясняется гудение счётчика даже при отключенной нагрузке.

Для характеристики счётчика введены следующие параметры:

1. Действительная постоянная счётчика представляет собой значение электрической энергии в ватт-секундах, действительно израсходованной за время одного оборота диска; С зависит от нагрузки; определяют её по показаниям контрольных приборов при разных нагрузках.

2. Номинальная постоянная счётчика — это количество электроэнергии, которое учитывает счётный механизм за время одного оборота диска. На практике часто применяют величину, обратную номинальной постоянной счётчика

называемую передаточным числом счетчика. Передаточное число — число оборотов диска, соответствующее израсходованной энергии в 1 кВт (или 1 гВт*ч); указывается оно на щитке счётчика.

3. Относительная погрешность счётчика

где — учённая счётчиком энергия и — действительно израсходованная энергия (вычисленная по показаниям точных приборов).

Так как и , то

4. Поправочный коэффициент — число, на которое надо умножать показание счётчика, чтобы получить действительно израсходованную энергию .

5. Чувствительность счётчика — наименьший ток или мощность, выраженные в процентах от номинального, при которых счётчик работает безостановочно при номинальном напряжении.

6. Самоход счётчика — вращение диска более 1 оборота при отключенной нагрузке.

Счётчики электрической энергии должны удовлетворять следующим нормам:

1) счётчик не должен иметь самохода при напряжении от 90 до 110% номинального;

2) погрешность счётчика не должна превышать его класс точности при нагрузках 25, 50, 75 и 100% номинальной;

3) счётчик класса точности 2,5 должен иметь чувствительность не более 2%.

Для регулировки подвижной системы счётчика применяют следующие меры:

а) для регулировки потока электромагнита от обмотки напряжения изменяют положение магнитного шунта этого электромагнита;

б) для регулировки потока от токовой катушки на последнюю навивают несколько витков, замкнутых на проволоку с большим удельным сопротивлением в виде петли, и надевают несколько тонких короткозамкнутых алюминиевых колец (индукционный ток в короткозамкнутых обмотках и витках размагничивает электромагнит). Для грубой регулировки потока разрезают кольца, после чего регулировку осуществляют плавным изменением длины проволочной петли;

в) для регулировки скорости вращения диска изменяют расстояние постоянного магнита от оси вращения, что приводит к изменению значения противодействующего момента.

Наряду со счётчиками активной энергии на практике широко применяют счётчики реактивной энергии, принцип действия которых рассмотрен отдельно (см. § 2.18 и § 2.19).