Задание №3

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 I_U, име­ющий по отношению к напряжению U сдвиг по фазе, близкий к 90° (из-за большого индуктивного сопротивления этой обмотки). Ток I_U рождает магнитный поток Ф_U в среднем сердечнике магни­топровода обмотки напряжения 1.

Рис..25. Упрощенная конструкция индукционного однофазного счетчика

Этот поток Ф_U делится на два потока: нерабочий поток Ф_{U 1}, который замыкается внутри магни­топровода 7; и основной поток Ф_{U 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 Ф_I, который дваж­ды пересекает диск 6. Поток Ф_I от­стает от тока I на небольшой угол потерь α _I, (поскольку сопротивление токовой обмотки мало).

Таким образом, диск пересека­ют два магнитных потока Ф_{U 2}и Ф_I, не совпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг ψ. При этом в диске возникает вращающий момент М:

M = cf Ф_{U 2} Ф_I sin ψ,

где с – некая константа; f – частота напряжения.

При работе на линейном участке кривой намагничивания мате­риалов магнитопроводов можно считать, что

Ф_I = k ₁ I; Ф_{U 2} = k ₂ I_U =k ₂ U / Z_U,

где k ₁и k ₂– коэффициенты пропорциональности; Z_U – полное комплексное сопротивление обмотки напряжения.

Учитывая, что реактивная (индуктивная) составляющая сопро­тивления обмотки напряжения Z_U гораздо больше активной, мож­но записать

Z_U ≈ 2π f L_U,

где L_U – индуктивность обмотки напряжения.

Тогда

Ф_{U 2} = k ₂ U /(2π fL_U) = k ₃ U / f,

где k ₃= k ₂ /(2π L_U).

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