Измерительные системы мощности и расхода энергии переменного тока

Мощность – параметр электрической сети энергообъекта, которая подлежит обязательному измерению. В ЛИС применяются ваттметры электро-динамической системы (см. рисунок 10.1).

а) б) в)
1 – неподвижная катушка двухсекционная; 2 – подвижная катушка
(рамка); 3 – воздушный успокоитель; 4 – противодействующие и токоподводящие пружины
Рисунок 10.1 - Измерительный механизм электродинамической системы
ИМ ЭДС: а – схема взаимного расположения катушек; б – электромагнитное поле в катушках; в – конструкция механизма

В ИМ ЭДС элементом подвижной части, участвующим в создании вращающего момента, является рамка 2, намотанная тонким проводом и закреплённая на оси. Подведение тока к этой рамке производится посредством 2-х пружин 4. С подвижной частью жёстко связана стрелка, которая при помощи подвижной части перемещается над неподвижной укреплённой шкалой. К неподвижной части ИМ относится катушка 1, которая может быть намотана провода большого сечения.

Принцип работы ИМ ЭД системы основан на взаимодействии электрического поля, создаваемого током I_н неподвижной катушки, с током I_п, проходящего по рамке. Наличие двух раздельных токов в катушке и рамке позволяет использовать в качестве токовой (неподвижную) и напряженческой (подвижную рамку) (см. рисунок 10.2).

Именно такая схема применяется в ваттметрах, причём ток I неподвижной двухсекционной неподвижной катушки А есть вторичный ток измерительного трансформатора тока, а ток рамки Б определяется подведённым напряжением от измерительного трансформатора напряжения I₂ = U / Z₂.

а) б)

Рисунок 10.2 – Принципиальная схема (а) и векторная диаграмма

(б) катушки и рамки

а) б)

Рисунок 10.3 – Схемы включения ваттметра для измерения мощности в однофазной сети переменного тока с напряжением 0,4 кВ (а) и в однофазной
сети переменного тока с напряжением более 1 кВ (б)

В этом случае шкала ваттметра линейная и соответствует градуировочной характеристике a = К_эд IU cos j = Р_а, где К_эд – коэффициент преобразования ИМ ЭД системы; Р_а – активная мощность, а cos j- коэффициент мощности. Постоянная ваттметра определяется через номинальные значения тока и напряжения и число делений шкалы – С_р = U_нI_н / N. Щитовые ваттметры имеют класс точности 1,5.

При измерении мощности в высоковольтных электрических цепях ваттметр включается посредством измерительных трансформаторов тока и напряжения (см. рисунок 10.3). В этом случае активная мощность равна

Р = С_р a К_нттК_нтн.

Итак, в аналоговом ваттметре мощность Р определяется как среднее значение произведения мгновенных значений напряжения u (t)и тока I (t), т.е.

- активная мощность

Цифровые системы измерения мощности – дискретные ваттметры, которые выполняют следующую математическую операцию

где u_i и i_i – дискретные значения напряжения и тока (например, рисунок 11.4,в), соответствующие одному и тому же моменту времени.

а) б) в) г)

Рисунок 10.4 – Виды сигналов: а – аналоговый; б – квантованный по уровню; в – дискретный; г – цифровой (дискретизированный по времени и
квантованный по уровню)

Значение Р точно определяет мощность сигнала, если взято бесконечное число выборок (рисунок 10.5)

Рисунок 10.5 – Стробоскопический метод взятия выборок

На рисунке показан некоторый периодический процесс х(t). Выборки можно производить на интервале повторения с периодом T_w длительностью шага дискретизации Dt. В этом случае получим n дискретных значений. Учитывая, что мгновенные значения тока и напряжения в течении 10-15 периодов не изменяются или изменяются не существенно, можно производить стробирование. Суть метода заключается в том, что в каждом периоде считывается одно дискретное значение сигнала, причём каждое последующее значение – с задержкой времени, равной T_M = T_W + Dt. В результате получим те же 12 дискретных значений, взятых в моменты времени t ₁,t₂, t₃ , t₄…. t₁₂.

Несмотря на многообразие цифровых систем мощности, можно рекомендовать следующую структурную схему ЦСМ в виде определённых функциональных узлов (см. рисунок 10.6).

Рисунок 10.6 – Структурная схема цифровой измерительной системы
мощности

Так как ток 5 А и напряжение 100 В, снимаемые с измерительных трансформаторов тока и напряжения, весьма большие для использования в электронных схемах, то применяются датчики тока (ДТ) и напряжения (ДН) – вторичные преобразователи ток ® напряжение и напряжение ® напряжение (показаны в виде блоков масштабирования). Остальные фунциональные узлы схемы уже известны.

На рисунке 10.7 приведена структурная схема ЦСМ типа “АЛЬФА ABB VEI Metronica”.

ДН – делитель напряжения; ДТ – делитель тока
Рисунок 10.7 – Структурная схема ЦЭС

Важным параметром любого энергообъекта является расход электрической энергии, который определяется следующей математической формулой

В ЛИС измерение расхода энергии производится интегрирующими приборами – счётчиками индукционной системы (см. рисунок 10.8)

Индукционный счётчик (см. рисунок 10.8,а) содержит два неподвижных электромагнита 1 – магнитопроводы с катушками: токовый (нижний) и напряженческий (верхний). Токовая катушка включается в разрез провода с контролируемым током, а напряженческая – параллельно нагрузке с контролируемой мощностью.

Подвижная система – алюминиевый тонкий диск на оси, связанной червячной передачей с цифровым механическим счётчиком барабанного типа cостоящего из ряда дисков, с нанесёнными на них цифрами.

а)

б) в)
Рисунок 10.8 – Схематическое устройство однофазного счётчика индукционной системы (а); токи резания в его диске (б); схема включения в электрическую сеть

Диск вращается в зазоре полюсных наконечников электромагнитов.

Электромагниты создают рабочие магнитные потоки: токовый - Ф_I @ I; напряженческий – Ф_U @ U.Токовый поток пересекает диск дважды (см. рисунок 10.8,б), а поток напряжения – один раз. При пересечении потоками диска в теле диска наводятся вихревые тока резания i_I и i_U. Происходит взаимодействие потоков и токов, в результате чего диск вращается. При вращении на диск действует противодействующий момент магнитоиндукционного характера за счёт постоянного магнита, охватывающего диск. В результате воздействия двух моментов диск вращается с постоянной скоростью, пропорциональной активной мощности. Вращение фиксируется цифровыми барабанчиками. Счётчик имеет определённое передаточное число–1 кВт × ч ® N оборотов,
что определяет его номинальную постоянную С_W = 3600 / N Вт× с /об.

Схема включения счётчика (см. рисунок 23.1,в) требует обязательного разрыва обоих проводов при присоединении к электрической сети (см. рисунок 10.9,а). Трёхфазные электросчётчики образуются путём объединения в одном корпусе 2 –х или 3 –х измерительных механизмов (см. рисунок 10.9,б).

а) б)
Рисунок 10. 9 – Схемы подключения счётчиков: однофазного в сети 220 В (а); трёхфазного универсального 3 ´ 5 А, 3 ´ 100 В в высоковольтной сети (б)

Рисунок 10.10 – Внешний вид спереди и в разрезе однофазного
индукционного счётчика

В настоящее время измерение расхода электрической энергии производится электронными цифровыми счётчиками (см. рисунок 10.11) с цифровой индикацией (см. рисунок 10.12) и цифровым выходом, что позволяет передавать информацию по цифровым каналам.

На рисунке 10.10 показан внешний вид многофункционального электронного счётчика Альфа фирмы АВВ.

Рисунок 10.11 – Внешний вид электронного счётчика серии Альфа

Рисунок 10.12 – Дисплей счётчика – жидкокристаллический индикатор

В цифровых счётчиках достижим любой класс точности, при условии выбора соответствующей элементной базы и алгоритмов обработки информации. В простейшем случае, когда требуется лишь измерение числа импульсов, вывод информации на дисплей и защита при аварийных сбоях напряжения питания (т.е. фактически цифрового функционального аналога существующего индукционного счётчика), система может быть построена, например, на базе простейшего микроконтроллера фирмы Motorola MC68 НC05KJ1.