Индукционный счетчик активной энергии

На рис. 6.2 показана конструкция такого счётчика. Измерительный

механизм прибора состоит из двух основных узлов: неподвижных электромагнитов А и Б и подвижной части, главный элемент которой – алюминиевый диск, укреплённый на оси. Электромагнит А имеет обмотку, которая включается последовательно с нагрузкой и называется токовой. Обмотка электромагнита Б включается параллельно нагрузке и называется обмоткой или катушкой напряжения счётчика. Электромагниты и диск расположены так, что магнитные потоки электромагнитов пронизывают диск и индуктируют в нём токи, взаимодействие которых с этими потоками вызывает вращение диска.

Таким образом, принцип работы индукционного механизма основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, которые индуктированы этими же потоками в подвижной части.

Рассмотрим упрощённую картину физических явлений, протекающих в индукционном трёхпоточном счётчике активной энергии.

Через обмотку электромагнита А протекает ток нагрузки I, а через обмотку напряжения – ток I_U, пропорциональный напряжению нагрузки U. Ток I_U вызывает в магнитопроводе Б магнитный поток, который делится на две части: рабочий поток Ф_U, пересекающий диск и замыкающийся через противополюс 1, и поток Ф_L нерабочий, который замыкается через боковые стержни 2 сердечника и не пересекает диск. Поток Ф_I от тока I замыкается через концы магнитопровода А и пересекает диск в двух местах в противоположных направлениях. Таким образом, диск пересекают три потока Ф_U , Ф_I и –Ф_I (рис.6.3), индуктирующие в нём ЭДС, которые вызывают появление контуров токов I'_U, I' и –I'.

Взаимодействие этих контуров токов с магнитными потоками, которые не совпадают с ними в пространстве (например, I' не совпадает с Ф_U и –Ф_I, или I'_U не совпадает с Ф_I и –Ф_I) и сдвинуты по фазе, приводит к появлению сил и, следовательно, результирующего вращающего момента, под действием которого диск начинает вращаться в сторону от опережающего по фазе потока к отстающему. Если принять условно фазу потока Ф_I равной 0˚, то фаза Ф_U равна около 90˚, а (–Ф_I) равна 180˚. Из временной диаграммы (рис. 6.4) видно, что максимальный поток, пронизывающий диск, перемещается поступательно за один период от полюса к полюсу и проходит под всеми тремя полюсами.

Такой поток называется бегущим, он увлекает диск в сторону движения потока. Вращающий момент, действующий на подвижную часть, является результирующим и, если принять направления потоков такими, как на рис. 6.3, то он равен разности вращающих моментов от взаимодействия токов I' и –I' c потоком Ф_U (против часовой стрелки) и тока I'_U с потоками Ф_I и –Ф_I (по часовой стрелке). Так как действие потока –Ф_I просто прибавляется к действию потока Ф_I , в выводах будем рассматривать их как единый поток Ф_I.

Среднее значение вращающего момента, действующего на диск счётчика:

,

где f – частота изменения потоков; Ψ – угол фазового сдвига между потоками Ф_U и Ф_I . Учитывая пропорциональность между токами и потоками Ф_I и I, а также Ф_U и U, можно записать:

cosφ,

что обеспечивается наличием большого нерабочего потока Ф_L и регулировкой угла потерь (между I и Ф_I) в электромагните А с помощью короткозамкнутых витков. При вращении диска на него действует тормозящий момент, появившийся от взаимодействия индуктированных в диске токов (так называемых токов резания), возникших в результате пересечения диском магнитных силовых линий поля постоянного магнита 3 (рис. 6.2) с породившим их потоком. Тормозящий момент пропорционален скорости вращения диска:

.

При постоянной скорости вращения диска наступает динамическое равновесие:

.

Интегрируя обе части равенства по времени в промежутке от t₁ до t₂, получим основное уравнение счётчика, показывающее, что число оборотов диска пропорционально учитываемой счётчиком активной энергии

, (6.3)

где n – количество оборотов диска; С₀ – номинальная (заводская) постоянная счётчика.

Ось диска через червячную передачу связана со счётным механизмом, который показывает учитываемую счётчиком энергию в киловатт-часах. Номинальная постоянная счётчика С₀ представляет собой энергию, регистрируемую счётчиком за один оборот диска и может быть определена, исходя из передаточного числа «A», указанного на щитке счётчика в виде надписи «1квт час=n оборотов диска», поэтому

. (6.4)

В силу ряда причин, как, например, из-за наличия трения в опорах, непропорциональности между токами и потоками и т. д. действительная постоянная, равная количеству энергии, приходящейся на один оборот диска, отличается от номинальной

.

В результате появляется погрешность счётчика:

.

Существенное влияние на правильность показаний счётчика при малых нагрузках оказывает момент трения. Для уменьшения этого влияния в счётчиках создаётся дополнительный вращающий момент М_К, называемый компенсационным. Этот момент возникает в результате взаимодействия двух потоков или двух частей одного потока, создаваемого обмоткой напряжения. В одних конструкциях в магнитопровод электромагнита Б вблизи диска вкручивают стальной винт 7, через который часть потока Ф_U ответвляется и с основным потоком Ф_U, замыкаясь на противополюс 1 (рис.6.2), образует два потока, смещённые по фазе и сдвинутые в пространстве. В других конструкциях расщепление потока Ф_U на два смещённых по фазе и разнесенных в пространстве достигается путём перекрытия части полюса сердечника электромагнита Б медной или латунной пластинкой 6 (рис.6.2).

При повышении напряжения и другим причинам компенсационный момент может стать больше момента трения, и тогда появляется так называемый самоход, т.е. диск счётчика начинает устойчиво вращаться и при отсутствии нагрузки (I=0). Для устранения самохода на оси диска крепится флажок 4 (рис. 6.2) из ферромагнитного материала, который вращается вместе с осью. Другой ферромагнитный флажок 5, намагничиваемый потоком рассеивания катушки напряжения, притягивает флажок 4, когда он оказывается напротив его и устраняет самоход.

Пределы измерения счётчиков по току и напряжению расширяют только с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения. Шунты и добавочные резисторы не применяются.