Вимірювання енергії однофазного змінного струму. Індукційні лічильники електроенергії

Вимірювання енергії за допомогою електро-механічних перемножувачів

Для вимірювання потужності в колах постійного струму і змінного струму з частотою 50…1000 Гц переважно використовуються електромеханічні перемножувачі – електродинамічні і феродинамічні ватметри. Ці прилади, особливо електродинамічні ватметри, застосовуються також для вимірювань у звуковому діапазоні частот – до 10…15 кГц. В цьому випадку вони виготовляються для вимірювання на фіксованих частотах або ж у вузькому діапазоні частот, що складає незначну частину від номінальної частоти.

При вимірюваннях на постійному струмі і змінному струмі з частотою 200…400 Гц похибка електродинамічних ватметрів становить 0,1% і більше, а феродинамічних – 0,2% і більше. При цьому похибка переходу від постійного струму до змінного з частотою не більше 200 Гц у перших дорівнює 0,01…0,1%, а у останніх – 0,1…0,5%.

Похибки електродинамічних ватметрів викликані часовою і температурною нестабільністю характеристик розтяжок і добавочного резистора, несинфазністю напруги і струму у рухомій котушці, а також струму і потоку – у нерухомій, впливом паразитних зв’язків між обмотками, реактивними складовими опору обмоток, впливом зовнішніх магнітних полів і ін. Корекція температурної і частотної похибок, астатування і екранування дозволяють створити ватметри класу 0,02 для роботи на частотах до 10 кГц. У США створено і використовується електродинамічний ватметр для роботи в діапазоні частот 40…500 Гц з невиключеною систематичною похибкою 0,005%.

Застосування ватметрів з підсилювачами у вхідних ланках дозволяє розширити межі вимірювання потужності в царину малих значень напруг і струмів, збільшити опір паралельної ланки і зменшити опір послідовної ланки. Відомі електродинамічні ватметри класу 0,02…0,1 з підсилювачами для діапазону частот 5 Гц…10 кГц.

Промисловістю випускаються ватметри для вимірювання потужності в одно- та багатофазних колах постійного і змінного струму з класом точності 0,1…2,5. Ватметри випускаються як лабораторні, так і щитові. Виготовляється також широкий асортимент ватметрів-самописців. Для реєстрації потужності в колах звукової частоти використовуються осцилографічні ватметри – вставки до електромеханічних гальванометрів.

Як вже зазначалося, електрична енергія визначається шляхом інтегрування потужності, що споживається навантаженням в часі. Енергія вимірюється електричними лічильниками.

У лічильниках змінного струму використовуються індукційні вимірювальні механізми. За конструктивними особливостями такі лічильники ділять на радіальні і тангенціальні. Вітчизняною промисловістю зараз випускаються лише тангенціальні лічильники типу СО, їх схема зображена на рис. 8.1.

Струм І в колі так званого послідовного електромагніта 1 створює магнітний потік Ф_І, який проходить через осердя цього електромагніту, через осердя так званого паралельного електромагніту 2 і двічі перетинає алюмінієвий диск 3. Струм І_U в паралельному колі лічильника створює потоки Ф_U і Ф_L. Перший, замикаючись через протиполюс 4, перетинає диск в одному місці (посередині між полюсами електромагніту 1). Потік Ф_L замикається через бічні стержні електромагніту 2, не перетинає диска і безпосередньої участі в обертанні диску не приймає. Він називається неробочим магнітним потоком паралельного кола, а потік Ф_U – робочим. Таким чином, в обертанні диску беруть участь всього два магнітні потоки – Ф_U, що проходить через диск один раз, та Ф_І, що проходить через нього двічі (див. рис. 8.1).

Великі повітряні зазори на шляху потоків Ф_U та Ф_І дозволяють з достатньою точністю твердити, що залежність між цими потоками і струмами І та І_U є лінійною, тобто

; , (8.10)

де U – напруга в паралельній обмотці; k_I, k_U – деякі постійні коефіцієнти; Z_U – повний опір паралельної обмотки.

В зв’язку з тим, що активний опір паралельної обмотки суттєво менший в порівнянні з її індуктивним опором X_U, можемо прийняти

, (8.11)

де L_U – індуктивність обмотки; f – частота зміни знаку потоків (частота струму).

Тоді потік

(8.12)

Внаслідок взаємодії потоків Ф_U та Ф_І з вихровими струмами, що наводяться ними у диску 3, створюються обертові моменти, напрямки дії яких на диск збігаються а результуючий обертовий момент, що діє на диск 3, визначається з виразу

, (8.13)

де ψ – кут між векторами Ф_U та Ф_І; k=ck_I k^’_U; с – постійний коефіцієнт; φ – кут, на який вектор струму I відстає по фазі від вектору напруги U.

Для створення протидіючого моменту обертальному рухові диску 3 (в лічильниках цей момент називається гальмівним), до схеми введено постійний магніт 5, між полюсами якого проходить диск. Гальмівний момент М_Г утворюється від взаємодії поля Ф_М постійного магніту зі струмом І_М, що наводиться ним в диску. Гальмівний момент можемо визначити з формули

, (8.14)

де k₁, k₂ – сталі; – кутова швидкість обертання диску.

Нехтуючи тертям в опорах та гальмівними моментами, що їх утворюють потоки Ф_U та Ф_І; для усталеної рівномірної кутової швидкості обертання диску М=М_Г. Таким чином, з врахуванням (8.13) та (8.14), матимемо

, або ж . (8.15)

Інтегруючи це рівняння в межах інтервалу часу ∆t=t₂ – t₁, отримаємо вираз для електричної енергії, що споживається навантаженням вимірюється лічильником за проміжок часу ∆t

W=CN, (8.16)

де С – стала лічильника; N – кількість обертів диску за час ∆t.

Лічба енергії проводиться по лічильному механізму обертів диска 3, що його за допомогою черв’ячної передачі з’єднано з віссю диска. Одиниці електричної енергії (зазвичай 1 кВт/год), що реєструється лічильним механізмом, відповідає певна кількість його обертів. Це співвідношення зветься передавальним числом А і вказується на лічильнику.

За точністю лічильники активної енергії діляться на класи 0,5; 1,0; 2,0 і 2,5; лічильники реактивної енергії – на класи 1,5; 2,0 і 3,0 (ГОСТ 6570–75).