Конструкция и принцип действия. Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии двух или нескольких переменных магнитных потоков с токами, индуцированными в подвижном проводнике (например, диске). Типичным представителем этой системы является классический индукционный счетчик – измеритель активной энергии.
Рассмотрим устройство и принцип действия индукционного однофазного счетчика активной энергии. На рис. 25 показана упрощенная конструкция такого прибора. Основными элементами прибора являются два магнитопровода со своими обмотками (напряжения и токовой), вращающийся диск и счетный механизм. Как и ваттметр, счетчик содержит обмотки тока и напряжения. Включается счетчик в цепь так же, как и ваттметр.
Схема (рис. 26) и векторная диаграмма (рис.27) поясняют принцип действия этого прибора.
Рассмотрим работу счетчика на примере входных сигналов напряжения и тока синусоидальной формы с действующими значениями, равными, соответственно, U и I. Входное напряжение U, приложенное к обмотке напряжения 2, создает в ней ток IU,имеющий по отношению к напряжению U сдвиг по фазе, близкий к 90° (из-за большого индуктивного сопротивления этой обмотки). Ток IU рождает магнитный поток ФU всреднем сердечнике магнитопровода обмотки напряжения 1.
Рис..25. Упрощенная конструкция индукционного однофазного счетчика
Этот поток ФU делится на два потока: нерабочий поток ФU 1,который замыкается внутри магнитопровода 7; и основной поток ФU 2, пересекающий диск 6, закрепленный на оси 7 и вращающийся вместе с нею. Этот основной поток замыкается через противополюс 5. Входной ток I, текущий в обмотке тока 4, создает в магнитопроводе 3 магнитный поток ФI, который дважды пересекает диск 6. Поток ФI отстает от тока I на небольшой угол потерь α I, (поскольку сопротивление токовой обмотки мало).
Таким образом, диск пересекают два магнитных потока ФU 2и ФI, не совпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг ψ. При этом в диске возникает вращающий момент М:
M = cf ФU 2 ФI sin ψ,
где с – некая константа; f – частота напряжения.
При работе на линейном участке кривой намагничивания материалов магнитопроводов можно считать, что
ФI = k 1 I; ФU 2 = k 2 IU =k 2 U / ZU,
где k 1и k 2– коэффициенты пропорциональности; ZU – полное комплексное сопротивление обмотки напряжения.
Учитывая, что реактивная (индуктивная) составляющая сопротивления обмотки напряжения ZU гораздо больше активной, можно записать
ZU ≈ 2π f LU,
где LU – индуктивность обмотки напряжения.
Тогда
ФU 2 = k 2 U /(2π fLU) = k 3 U / f,
где k 3= k 2 /(2π LU).
Рис. 26. Схема, поясняющая принцип действия счетчика:
1 – магнитопровод обмотки напряжения; 2 – обмотка напряжения; 3 – магнитопровод обмотки тока; 4 – обмотка тока; 5 – противополюс; 6 – диск; 7 – ось; 8 – червячная передача; 9 – счетный механизм
Рис. 27. Векторная диаграмма
Следовательно, вращающий момент М в данной электромагнитной механической системе можно определить следующим образом:
М = kUI sinψ,
где k – общий коэффициент пропорциональности.
Для того чтобы вращающий момент был пропорционален текущей активной мощности, необходимо выполнение условия
sinψ = cos φ.
А это в свою очередь будет выполняться, если ψ + φ = 90°. Это равенство может быть обеспечено изменением (регулировкой) угла потерь α I. Изменение этого угла реализуется двухступенчато: грубо – изменением числа короткозамкнутых витков, надетых на магнитопровод 3, а плавно – изменением сопротивления вспомогательной цепи (эти элементы конструкции на рис. 25 и 26 не показаны).
Таким образом обеспечивается пропорциональность вращающего момента М текущему значению активной мощности. Для получения результата определения потребленной активной энергии достаточно проинтегрировать значения текущей мощности. Это интегрирование реализовано счетным механизмом 9, связанным с осью 7 червячной передачей 8.
Постоянный магнит служит для создания тормозного момента и обеспечения угловой скорости вращения, пропорциональной текущему значению активной мощности. Кроме того, в реальной конструкции есть элементы, обеспечивающие дополнительный момент, компенсирующий момент трения, а также элементы устранения «самохода» (на рис. 25 и 26 не приведены).
Включение счетчика. На рис. 28 приведена схема включения однофазного счетчика активной энергии.
Рис. 28. Схема включения однофазного счетчика активной энергии
При необходимости работы в цепях с напряжениями и/или токами, большими, чем номинальные для конкретного счетчика, используются измерительные трансформаторы напряжения и/или тока. Схема подключения такая же, как и в подобном случае с ваттметроми.
Для измерения реактивной энергии также используются индукционные счетчики. Их принцип действия аналогичен рассмотренному. Некоторые различия в конструкции, организации подключения и, как следствие в векторных диаграммах, позволяют получить скорость вращения диска, пропорциональную значению текущей реактивной мощности.
Обозначение индукционной системы на шкалах приборов:
Трехфазные счетчики. Для учета суммарной активной и реактивной энергии в трехфазных цепях используются двухэлементные и трехэлементные счетчики. В таких счетчиках применяются те же конструктивные элементы (два или три механизма), что и в однофазных приборах. Диски (два или три) закреплены на общей оси. Вращающие моменты дисков складываются, и скорость вращения оси зависит от суммарной текущей потребляемой мощности. На рис. 29 упрощенно показано устройство двухэлементного трехфазного счетчика.
Рис. 29. Двухэлементный трехфазный счетчик
Скорость вращения в данном случае определяется суммой моментов М 1и М 2. Включаются трехфазные счетчики так же, как и трехфазные ваттметры.
Сегодня в задачах измерения активной энергии все шире применяются цифровые (микропроцессорные) счетчики энергии. В задачах технических экспресс-измерений для оценки потребленной энергии в кратковременных экспериментах используют автономные малогабаритные цифровые измерительные регистраторы (анализаторы), которые имеют режим вычисления активной и реактивной энергии или позволяют найти эти величины с помощью компьютера и специализированного программного обеспечения.
