Однофазный индукционный счетчик электрической энергии

Цель работы. Изучение однофазного счетчика индукционной системы и определение его основных параметров.

Приборы и оборудование: лабораторный стенд, лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), амперметр, катушка индуктивности, реостат, секундомер.

Краткая теория.

Для измерения активной электрической энергии, расходуемой в цепях однофазного тока, применяются электрические счетчики индукционной системы. Индукционный измерительный механизм состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, выполненной обычно в виде алюминиевого диска. Переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний, индуцируют в нем вихревые токи. Взаимодействие потоков с токами в диске вызывает перемещение подвижной части. На рис. 1 схематично показано устройство однофазного индукционного счетчика. Диск Д, являющийся подвижным элементом счетчика, находится в воздушном зазоре магнитной системы, состоящей из ферромагнитных сердечников, собранных из электротехнической стали толщиной 0,35 мм, и двух самостоятельных неподвижных обмоток I и II. Одну из обмоток (I), выполненную тонкой изолированной проволокой и имеющую большое число витков (6000–10000), а следовательно, и значительную индуктивность, подключают к напряжению U в сеть, а другую (II), с малым числом витков (2х15–2х1), выполненную толстой изолированной проволокой, включают последовательно с электроприемниками. Через червячную передачу и систему зубчатых колес ось диска связана со счетным устройством роликового типа, при помощи которого осуществляется подсчетчисла оборотов диска.

При протекании переменного тока по обмоткам создаются магнитные потоки, один из которых пропорционален величине подведенного напряжения U, а второй – току нагрузки I. Эти потоки, сдвинутые между собой по фазе и не совпадающие пространственно, создают общее бегущее магнитное поле, возбуждающее в подвижном алюминиевом диске соответствующие ЭДС и вихревые токи. Вихревые токи взаимодействуют с бегущим магнитным полем и вовлекают диск во вращение. Среднее значение возникающего вращающего момента определяется соотношением

(1)

где k₁– коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей счетчика; U – напряжение, подведенное к его параллельной обмотке; I – ток, протекающий по последовательной обмотке счетчика; cos φ – коэффициент мощности электроприемников.

Рис. 1.

Взаимодействие магнитного поля специального постоянного подковообразного магнита M, между полюсами которого вращается диск, и индуцированных в нем вихревых токов создает тормозной момент M_т, пропорциональный скорости вращения диска:

(2)

где k₂– коэффициент пропорциональности; n – число оборотов диска счетчика за единицу времени.

При равномерном вращении диска с достаточно большой скоростью, чтобы можно было пренебречь трением, имеет место соотношение

(3)

Выполнив подстановку, получим:

(4)

откуда

(5)

где с₀=k₂/k₁.

Из равенства (5) видно, что активная мощность

(6)

пропорциональна частоте вращения n диска счетчика:

(7)

а расход электрической энергии W за время t, учитываемый счетным механизмом счетчика, будет

(8)

где N – число оборотов диска счетчика за время t.

В зависимости от передаточного числа зубчатых колес и червячной передачи, находящихся между счетными механизмами и осью диска счетчика, каждой единице зарегистрированной электрической энергии отвечает определенное число оборотов диска N , проводимое на щитке счетчика, которое называется передаточным числом счетного механизма, например, 1 кВт·ч – 5000 оборотов диска. Величина c₀, обратная передаточному числу счетного механизма счетчика, представляющая собой энергию, зарегистрированную счетным механизмом за один оборот счетчика, называется номинальной постоянной счетчика, которая при его испытании обычно выражается в Вт·с/об. Если 1 кВт·ч соответствует N′ оборотам диска, то номинальная постоянная счетчика, выраженная в Вт·с/об, может быть определена как

(9)

Значения N′ и с₀зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика остаются неизменными. Величина израсходованной электроэнергии за какое-то время определяется разностью отсчетов по счетному механизму, произведенных в конце и в начале рассматриваемого периода:

(10)

Величина с называется действительной постоянной счетчика электрической энергии. Представляет собой количество энергии, потребляемой электроприемниками за время одного полного оборота диска. Действительная постоянная в отличие от номинальной зависит от тока нагрузки, а также от внешних условий (температуры, частоты и т. д.).

Отклонение действительной постоянной с счетчика от его номинальной постоянной характеризует относительную погрешность счетчика:

(11)

где W₀ – учтенная счетчиком энергия, W – действительно израсходованная энергия.

На рис. 2 приведена типичная кривая относительной погрешности однофазного счетчика индукционной системы в зависимости от его нагрузки, выраженной в процентах от номинальной. Изгиб в ее начале объясняется заметным влиянием трения в механизме при малой нагрузке.

Рис. 2.

ГОСТ 8.259–77 «Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные» устанавливает следующие значения относительной погрешности и реактивной энергии класса точности 2,5 (Табл. 1)

Таблица 1.

Наименьший ток I_min, выраженный в процентах от номинального, при котором диск счетчика начинает безостановочно вращаться при номинальном напряжении (для счетчиков активной энергии при коэффициенте мощности cosφ=1), называется чувствительностью счетчика σ:

(12)

Государственным стандартом (ГОСТ 6570–75) устанавливается порог чувствительности (в процентах) счетчика. Указанная величина не должна превышать 0,4 % для счетчика класса 2,5, чувствительность должна быть не более 1 %.

В неправильно отрегулированных счетчиках при отсутствии нагрузки может наблюдаться вращение диска. Это явление называется самоходом счетчика. В правильно отрегулированных счетчиках самоход не должен иметь места при напряжении от 80 до 110 % номинального. Включение ненагруженного счетчика может вызвать только поворот его диска не более чем на один оборот, после чего диск должен остановиться и все время оставаться неподвижным.

Выполнение работы.

Для изучения счетчика однофазного индукционной системы класса точности 2,5 собирают схему (рис. 3). В качестве источника питания используют ЛАТР.

Рис. 3.

Для определения чувствительности счетчика используется амперметр с пределом 250.мА. Реостат ставится на максимум сопротивления, включается одна из секций лампового реостата, затем ток постепенно увеличивается пока диск не начнет безостановочно вращаться.

При определении действительной постоянной счетчика используется амперметр с пределом 5 А. В качестве нагрузки используют ламповый реостат (проволочный реостат из схемы исключается). Промежутки времени, соответствующие выбранным числам оборотов диска счетчика, измеряют при помощи секундомера. В каждом случае измеряется время, соответствующее 20 оборотам диска (для токов 25 и 50 % номинального можно ограничиться 10 оборотами). Каждое измерение повторяется три раза и определяется значение с для каждого случая. Затем вычисляется среднее значение для трех опытов при данном токе и соответствующая ему величина γ.

Для определения с помощью счетчика коэффициента мощности цепи, вместо проволочного реостата включается катушка индуктивности. Ламповая нагрузка постоянна (число секций включается по заданию преподавателя). С помощью стального сердечника устанавливается три значения индуктивности катушки:

а) сердечник введен полностью;

б) в магнитопроводе сделан зазор 3 см;

в) сердечник выведен.

Для каждого случая проводится по три измерения времени, соответствующего 10 оборотам диска (в случае а) можно ограничиться 5 оборотами).

Энергия W определяется соотношением:

(13)

где с – усредненное значение действительной постоянной счетчика. Р, S, cosφ определяются соотношениями:

,	(14)
,	(15)
.	(16)

Задание.

1. Ознакомиться с конструкцией счетчика определить его номинальную постоянную с₀ (1кВт·ч =3,6·10⁶ Вт·с = 3,6·10⁶ Дж). Записать с₀, I_н, U_н в таблицу 2.

Таблица 2.

с0, Дж/об	Iн, А	Uн, В

2. Определить чувствительность счетчика. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.

Таблица 3.

Imin, А	σ, %	, %

3. Определить действительную постоянную счетчика с при номинальном напряжении и токах, составляющих приблизительно 25, 50, 75, и 100% номинального. Вычислить относительную погрешность γ. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 4.

Таблица 4.

U, В	I, A	t, c	N	P, Вт	W, Дж	с, Дж/об	, Дж/об	,%

4. Сделать вывод о соответствии счетчика установленным нормам.

5. Определить коэффициент мощности нагрузки, состоящей из последовательно включенной катушки индуктивности и лампового реостата. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 5.

Положение сердечника	U, В	I, A	t, c	N	W, Дж	P, Вт	S, ВА	cosφ
введен полностью
сделан зазор 3 см
выведен