5. Каково устройство и принцип действия индукционного счетчика активной энергии? Приведите схему включения счетчика активной энергии в однофазную сеть. Определение погрешностей счетчика.
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 в среднем 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 ваттметрами.
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:
В качестве показателей точности измерений количества активной электроэнергии согласно МИ 1317 -86 (Методические указания. Государственная система обеспечения единства измерений. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров. - М.: Издательство стандартов, 1986) принимаются границы, в пределах которых суммарная погрешность измерений находится с заданной вероятностью.
Результаты измерений представляются в форме
W; Δ W от Δ W в до Δ W н; P,
где W - результат измерений по показаниям счетчика, кВт × ч;
Δ W, Δ W в, Δ W н - абсолютная погрешность измерений с ее верхней и нижней границей соответственно, кВт × ч;
P - установленная доверительная вероятность, с которой погрешность измерений находится в этих границах.
Установленная доверительная вероятность принимается равной 0,95; доверительные границы погрешности результата измерений принимаются
| Δ W в | = | Δ W н | = Δ W.
Суммарная абсолютная погрешность измерения количества электроэнергии (Δ W), кВт × ч, определяется как
Δ W = ± δ ИК (W /100), (1)
где δ ИК - суммарная относительная погрешность измерительного комплекса, %.
Предельно допускаемая погрешность И К в реальных условиях эксплуатации (δ ИК) определяется как совокупность частных погрешностей СИ, распределенных по закону равномерной плотности,
(2)
где δ оp i - предел допускаемого значения основной погрешности i -го СИ по НТД, %;
δ дp ij - наибольшее возможное значение дополнительной погрешности i -го СИ от j -й влияющей величины, определяемое по данным НТД на СИ для реальных изменений влияю щей величины, %;
n - количество СИ, входящих в состав ИК;
l - количество влияющих величин, для которых нормированы изменения метрологических характеристик i -го СИ.
В соответствии с формулой (2) числовое значение предельно допускаемой погрешности измерительного комплекса при трансформаторном подключении счетчика рассчитывается по формуле
(3)
где δ pI, δ pU - пределы допускаемых значений погрешностей соответственно ТТ и ТН по модулю вход ной величины (тока и напряжения) для конкретных классов точности, %;
δ pл - предел допускаемых потерь напряжения во вторичных цепях ТН в соответствии с ПУЭ;
δ p θ - предельное значение составляющей суммарной погрешности, вызванной угловыми погрешностями ТТ и ТН, %;
δ оpсч - предел допускаемого значения основной погрешности счетчика, %;
δ pсч j - предельные значения дополнительных по грешностей счетчика, %.
15. Амперметр, вольтметр и ваттметр подключены к нагрузке через трансформаторы тока 150/5 А и напряжения 1000/100 В. Показания приборов при этом были следующие I=2,4A, U=78В и P=165Вт. Определить, ток, напряжение и мощность нагрузки (полную, активную, реактивную) и соsф.
Находим ток:
I*(150/5) = 72 A
Находим напряжение:
U*(10000/100) = 7800 В
Находим коэффициент мощности соsф:
S = U*I = 2,4*78 = 187,2 ВА
соsф = P/S = 165/187.2 = 0,88
Находим полную мощность:
S = U*I = 7800*72 = 561600 ВА
Находим активную мощность:
P = U*I* соsф = 7800*72*0,88 = 494208 Вт
Находим реактивную мощность:
Q = U*I* sinф = 7800*72*0,484 = 271814 ВАр