СЧЕТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (Вариант 2)

Измерение энергии однофазного переменного тока

Как известно, электрическая энергия определяется выражением

где - мощность, потребляемая нагрузкой.

Энергия измеряется электрическими счетчиками. Для счетчиков переменного тока используются индукционные измерительные механизмы.

Основнымиэлементами счетчика (рис. 9.1) являются: электромагниты 1 и 4, называемые соответственно последовательным и параллельным электромагнитом, алюминиевый диск 2, укрепленный на оси, постоянный магнит 8и другие элементы, назначение которых будет пояснено ниже. Схемы включения счетчика и ваттметра одинаковы. Обмотка электромагнита 1 выполняется из небольшого числа витков относительно толстого провода и включаетсяв цепь последовательно с нагрузкой . Обмотка электромагнита 4, имеющая большое числовитков, выполняется из тонкогопровода и включаетсяпараллельно нагрузке.

По конструктивным особенностям и расположению сердечника параллельного электромагнита счетчики делятся на радиальные и тангенциальные. В первых сердечник электромагнита 4 располагается по радиусу диска, а в конструкцияхвторых - по хорде. Отечественной промышленностью выпускаются только тангенциальные счетчики (рис. 9.2).

Ток в последовательной цепи счетчика (рис. 9.2) создает магнитный поток , который проходит через сердечник электромагнита 1, через сердечник электромагнита 2 и дважды пересекает диск 3. Ток в параллельной цепи счетчика создает потоки и . Первый, замыкаясь через противополюс4, пересекает диск водном месте (в середине между полюсами электромагнита 1). Поток замыкается через боковые стержни электромагнита 2, не пересекает диска и непосредственного участия в создании вращающего момента не принимает.

Рисунок 9.1 – Схематическое изображение устройства и включения в цепь однофазного и индукционного счетчика

Рисунок 9.2 – Устройство тангенциального индукционного однофазного счетчика

Рисунок 9.3 – Векторная диаграмма индукционного счетчика

Называется он нерабочим магнитным потоком параллельной цепи в отличие от потока

, называемого рабочим.

Рассматриваемый индукционный счетчик является трехпоточным измерительным. Однако при рассмотрении его работы можно пользоваться уравнением, выведенным для двухпоточного измерительного механизма, с учетом того, что в данном случае по существу диск пронизывается двумя потоками и , из которых поток пронизывает диск дважды и в противоположных направлениях (рис. 9.3).

Из-за больших воздушных зазоров на пути потоков и можно с достаточным приближением считать зависимость между этими потоками и токами и линейной, т. е.

где - напряжение на параллельной обмотке; - полное сопротивление параллельной обмотки. Ввиду малости активного сопротивления параллельной обмотки по сравнению с ее индуктивным сопротивлением можно принять

где – индуктивность обмотки.

Тогда

t wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:color w:val="000000"/><w:sz w:val="20"/><w:sz-cs w:val="20"/></w:rPr><m:t> </m:t></m:r></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> (9.1)

где

Длядальнейшего анализаработы счетчика воспользуемся векторной диаграммой рис. 9.3. На диаграмме - вектор напряжения сети; - вектор тока в последовательной обмотке, отстающий по фазе от напряжения на угол (предполагается индуктивный характер нагрузки); - вектор потока последовательного электромагнита, отстающий от вектора тока по фазе на угол из-за потерь на гистерезис в сердечнике электромагнита и вихревые токи в нем и диске; - вектор тока в параллельной обмотке, который отстает от вектора на угол, близкий к , вследствие большой индуктивности обмотки.

Векторы потоков и отстают от вектора тока соответственно на углы и , причем в связи с тем, что потоком создаются дополнительные потери на вихревые токи в диске.

Потоки и индуктируют в параллельной обмотке э.д.с. и , отстающие от них по фазе на . Вектор напряжения должен уравновешивать векторы э. д. с. и , а также падение напряжения - на активном сопротивлении параллельной обмотки и - э.д.с. от потоков рассеяния той же обмотки.

Как следует из диаграммы, . Если выполнить условие , то . Тогда уравнение (9.1) примет вид:

т. е. вращающий момент счетчика пропорционален мощности переменного тока.

Для выполнения условия необходим нерабочий поток , э.д.с. от которого, являясь составляющей вектора (рис. 100) влияет на значение угла .

Для выполнения указанного условия в счетчике используются различные приспособления. Так, в счетчике, показанном на рис. 9.1, используется медная пластинка 3, помещаемая на пути потока . Для регулировки угла на сердечник электромагнита 1накладываются короткозамкнутые витки или дополнительная обмотка, замкнутая на регулируемый резистор.

Для создания противодействующего момента, называемого в счетчиках тормозным, применяется постоянный магнит 8 (рис. 9.1),между полюсами которого находится диск. Тормозной момент создается от взаимодействия поля постоянного магнита с током в диске, получающимся при вращении диска в поле магнита. Тормозной момент

(9.3)

где - постоянная величина.

Ток можно выразить следующим образом:

где - угловая скорость диска. Тогда, подставляя выражение для тока в (9.3) и учитывая, что - величина постоянная, найдем

(9.4)

В индукционных счетчиках имеется еще два дополнительных тормозных момента и , возникающих при взаимодействии переменных магнитных потоков и с токами в диске, индуктированными этими потоками при его вращении.

Однако обычно и значительно меньше , поэтому моментами и пренебрегаем. Пренебрегая также трением, получим для установившейся равномерной угловой скорости диска . С учетом зависимостей (9.2) и (9.4) имеем

Интегрируя последнее равенство в пределах интервала времени , получим

(9.5)

где - энергия, израсходованная в цепи за интервал времени ; - число оборотов диска за этот же интервал времени; - постоянная счетчика.

Отсчет энергии производится по показаниям счетного механизма - счетчика оборотов 7 (рис. 9.1). Единице электрической энергии (обычно ),регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика. Это соотношение, называемое передаточным числом , указывается на счетчике.

Величина, обратная передаточному числу, т. е. отношение зарегистрированной энергии к числу оборотов диска, называется номинальной постоянной . Значения величин и зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика остаются неизменными.

Под действительной постоянной счетчика С понимается количество энергии, действительно израсходованной в цепи заодин оборот подвижной части. Эта энергия может быть измерена образцовыми приборами, например ваттметром и секундомером.

Действительная постоянная в отличие от номинальной зависит от режима работы счетчика, а также от внешних условий, например температуры, частоты и т. д. Зная значения постоянных и , можно определить относительную погрешность счетчика

(9.6)

где - энергия, измеренная счетчиком, а - действительное значение энергии, израсходованной в цепи.

По точности счетчики активной энергииделятся на классы 0,5; 1,0; 2,0 и 2,5; счетчики реактивнойэнергии - на классы 1,5; 2,0 и 3,0 (ГОСТ 6570-75).

При выводе (3.51) было сделано допущение, что трение в измерительном механизме счетчика отсутствует. В действительности оно имеется и складывается из трения в опорах, в счетном механизме, трения подвижной части о воздух. Момент трения может вызвать значительную погрешность, особенно при малых (менее 10% номинальной) нагрузках, когда вращающий моментсоизмерим с моментом трения.

Государственным стандартом устанавливается порог чувствительности (в процентах) счетчика, определяемый выражением , -где минимальное значение тока, при котором диск счетчика начинает безостановочно вращаться; - номинальное для счетчика значение нагрузочного тока. При этом напряжение и частота тока в измеряемой цепи должны быть номинальными, а . Согласно ГОСТ 6570-75 порог чувствительности не должен превышать 0,4% - для счетчиковкласса точности 0,5 и 0,5%- для классов 1,0; 1,5 и 2,0. Для счетчиков реактивной энергии классов 2,5 и 3,0 значение S должно находиться в пределах 1 %. Для снижения порога чувствительности и его регулировки в счетчике имеется устройство, компенсирующее действие момента трения. Принцип компенсации состоит в том, что рабочий поток параллельного электромагнита вблизи диска искусственно расщепляется на два потока, смещенные в пространстве и сдвинутые пофазе. Расщеплениепотоков и сдвиг по фазе достигается- обычно с помощью медной или латуннойпластинки, перекрывающей часть полюса сердечника параллельногоэлектромагнита. Взаимодействиеполученных потоковсоздает дополнительный вращающий момент - компенсационный момент.

При наличии напряжения в параллельной цепи счетчика и отсутствии тока в цепи нагрузки диск может начать вращаться без остановки. Такоеявлениеназывается самоходом, который может возникнуть, если компенсационный момент превышает момент трения.

Согласно ГОСТ 6570-75самоходане должно быть при любом напряжении от 80 до 110% номинального. Для устранения самохода чаще всего к оси диска прикрепляется стальная проволочка 6 (рис. 9.1),а к магнитопроводу параллельного электромагнита стальная пластинка 5 (флажок). При вращении подвижной части проволочка притягивается к флажку, намагниченному потоками рассеяния электромагнита, что создает дополнительный тормозной момент, устраняющий самоход.

Рисунок 9.4 – Нагрузочные характеристики однофазного индукционного счетчика

Погрешность счетчика зависит от режима его работы, поэтому государственным стандартом нормируется разная погрешность при различных нагрузках.Зависимость погрешности от нагрузки называется нагрузочной кривой счетчика и иллюстрируется рис. 9.4. (кривые 1и 2 соответствуют классам 2,5 и 2,0). Характер кривых при нагрузках 5-20% объясняется влиянием неравенства компенсационного момента и момента трения. При нагрузке более 20% сказывается непропорциональность между токами и магнитными потоками в последовательной и параллельной цепях, а также влияние тормозного момента , создаваемого последовательным электромагнитом.

Погрешность, проиллюстрированная кривыми рис. 9.4, является основной. Под действием внешних факторов у счетчика появляются дополнительные погрешности, также нормируемые государственным стандартом. Дополнительныепогрешности возникают при работе индукционных счетчиков следствие искаженияформы кривой токов и напряжений, колебания напряжения и частот резкого перепада мощности, потребляемой нагрузкой.

Лучшими метрологическими характеристиками обладают электронные счетчики электрической энергии (ЭС). В основу работы ЭС положено использование статического преобразователя мощности в постоянное напряжение.При этом применяется двойная модуляция с преобразованием напряжения в частотуэлектрических импульсов и последующим интегрированием. Структурная схема ЭСактивной энергии переменного тока (рис. 9.5) содержит преобразователь мощности внапряжение (ПМН), преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ)и счетчик импульсов (СИ).

ПМН содержит блоки широтно-импульсной (ШИМ) и амплитудно-импульсной (АИМ)модуляции. На вход блока ШИМ поступает напряжение, пропорциональное, току нагрузки , а на вход блокаАИМ - напряжение на нагрузке . С помощью схемы ШИМнапряжение преобразуетсяв последовательность прямоугольных импульсов переменной длительности. С изменением величины изменяется отношение резкости длительностейимпульсов и интервалов между ними к их сумме, т. е.

(9.8)

где - постоянный коэффициент; - период следования импульсов.

Так как амплитуда импульсов в схеме АИМ изменяется пропорционально напряжениюна нагрузке, а их длительность функционально связана с током нагрузки, в блокеАИМ производится перемножение входных сигналов. Среднее значение напряжения на выходе схемыАИМ пропорционально активноймощности . С помощьюПНЧ напряжение преобразуется в частоту импульсов, которая, таким образом, пропорциональна мощности .

Рисунок 9.5 – Структурная схема электронного счетчика энергии переменного тока

Выходные импульсы ПНЧподсчитываются счетчиком импульсов СИ, т. е. тем самым производится их интегрирование. Следовательно, показанияСИ пропорциональны активной энергии

Серийно выпускаемые в настоящее время электронные счетчики активной энергии переменного тока имеют класс точности 0,5.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 730; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 14 15 16 17 18 192021 22 23 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!