Электрические счётчики: устройство, физические принципы и методы поверки

Измерение расхода электрической энергии и определение электродинамических параметров цепей являются фундаментальными задачами прикладной электротехники, метрологии и энергетического аудита. Электрические счётчики представляют собой специализированные интегрирующие приборы, предназначенные для систематического количественного учёта израсходованной электрической энергии, то есть полной работы, совершаемой электрическим током в цепи за заданный интервал времени. В зависимости от физической природы питающего напряжения и рода тока — постоянного или переменного — конструктивные исполнения, электродинамические характеристики и физические принципы функционирования измерительных механизмов существенно различаются.

Изучение конструктивных особенностей и математических моделей работы индукционных и электродинамических измерительных механизмов позволяет не только глубоко понять процессы преобразования электромагнитной энергии в механическое движение, но и обеспечивать высокую точность и надёжность при проведении метрологических проверок.

1. Конструкция и физико-технические принципы работы счётчиков постоянного тока. Электросчётчик постоянного тока (Рис. 313, Рис. 314, Рис. 315, Рис. 316) по своей физической сущности представляет собой специализированный коллекторный электрический мотор постоянного тока с параллельно-последовательным возбуждением, суммарное число оборотов ротора которого непрерывно фиксируется посредством кинематически связанного механического счётчика оборотов A (Рис. 314 и Рис. 315). Оцифрованные значения, отображаемые в циферблатном окошке измерительного блока, градуированы не в чистом количестве выполненных оборотов, а в принятых практических единицах электрической энергии — гектоватт-часах (гВт·ч) или киловатт-часах (кВт·ч).

Рис. 313-314. Счётчик постоянного тока.

Ключевым и определяющим конструктивным преимуществом данного электродинамического мотора является полное отсутствие железа (магнитомягких ферромагнитных сердечников) в его узлах и обмотках. Исключение ферромагнитных материалов полностью устраняет явления магнитного гистерезиса, нелинейное насыщение магнитопровода и паразитные вихревые токи Фуко. Это обеспечивает строго прямую линейную пропорциональность между вращающим моментом, создаваемым током, и электродинамической мощностью цепи. В результате суммарное количество оборотов, совершаемое якорем за интервал времени, строго пропорционально всей израсходованной электрической энергии.

Индукторы, представляющие собой электромагниты и создающие внешнее возбуждающее магнитное поле, состоят из двух бескаркасных катушек B (без железных сердечников), намотанных из медной проволоки большого сечения. Эти катушки включаются в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, выполняя функцию токовой обмотки (по аналогии со стандартным амперметром, Рис. 316). Внутренний вращающийся якорь E также выполнен без использования железа из тонкого многовиткового провода и подключается параллельно исследуемой нагрузке через добавочное сопротивление r, формируя тем самым цепь напряжения (аналог вольтметра).

Рис. 315. Счётчик оборотов от электрического счётчика.

Для компенсации неизбежного механического трения в опорных подшипниках, подпятниках и токосъёмных щётках последовательно с цепью якоря включается специализированная компенсационная катушка D (Рис. 314). Назначение данной дополнительной обмотки заключается в усилении общего магнитного поля, создаваемого катушками B. Создаваемый при этом добавочный вращающий момент точно компенсирует момент сил трения покоя и скольжения, благодаря чему якорь прибора приходит во вращение даже при крайне малых электрических нагрузках. На коллекторе якоря расположены две контактные пластины, к которым прижимаются токосъёмные щётки a и b.

Рис. 316. Схема устройства счётчика постоянного тока.

Для быстрого и эффективного гашения кинетической энергии вращающегося ротора после отключения потребителей тока прибор снабжён электродинамическим тормозным приспособлением. Оно состоит из плоского алюминиевого диска K, фиксированного на оси ротора и помещённого в узкий рабочий зазор между полюсами сильного постоянного магнита L. При вращении диска в постоянном магнитном поле в его материале индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с внешним полем создает тормозящий момент, пропорциональный угловой скорости, что обеспечивает мгновенную остановку системы при снятии нагрузки.

2. Устройство, электродинамика и специфика счётчиков переменного тока. Для однофазных сетей переменного тока наибольшее распространение получили интегрирующие приборы индукционной системы, в частности счётчики серии Б-1, рассчитанные на стандартную промышленную частоту 50 Гц (Рис. 317, Рис. 318, Рис. 319, Рис. 320). Измерительный механизм индукционного счётчика переменного тока состоит из двух независимых магнитных систем, оснащённых шихтованными сердечниками из электротехнической стали для снижения потерь на перемагничивание:

1. Токовая система — пара катушек AA с обмоткой из толстого провода с малым числом витков, включаемых в цепь последовательно.
2. Система напряжения — катушка B с высокой индуктивностью, содержащая большое количество витков тонкой проволоки и подключаемая параллельно нагрузке.

Рис. 317. Установка счётчика переменного тока.

Рис. 318. Счётчик однофазного тока.

В зазоре между полюсными наконечниками указанных электромагнитов свободно расположен лёгкий подвижный алюминиевый диск E, кинематически сцепленный через червячную передачу и шестерню C со счётным механизмом D (Рис. 320), проградуированным в гекто- или киловатт-часах. За счёт пространственного смещения полюсов и фазового сдвига между переменными магнитными потоками обмоток тока и напряжения (стремящегося к 90°) в подвижном диске индуцируются вихревые токи. Взаимодействие этих токов с переменными магнитными полями создаёт вращающий электромагнитный момент, среднее значение которого прямо пропорционально активной мощности цепи.

Рис. 319. Устройство счётчика однофазного тока.

Рис. 320. Схематизированное устройство счётчика однофазного тока.

Для поглощения избыточной механической мощности, стабилизации частоты вращения и обеспечения пропорциональности между скоростью диска и проходящей мощностью около диска помещён сильный постоянный тормозной магнит N.

Однофазные счётчики типа Б-1 изготавливаются со следующими номинальными техническими пределами измерения:
- 5 А при номинальном напряжении 120 В;
- 2,5 А при номинальном напряжении 240 В;
- 5 А при номинальном напряжении 240 В.

Прибор марки Б-1 обеспечивает корректный учёт электрической энергии как при сугубо активной (безиндукционной), так и при индуктивной нагрузках в широком рабочем диапазоне от 10% до 200% от номинальной мощности. Включение счётчика в питающую сеть выполняется посредством входных клемм 1 и 3, а подключение нагрузки — через выходные клеммы 2 и 4 (Рис. 321). При сборке лабораторных и исследовательских схем проводники 2 и 3 обязательно перекрещиваются во избежание фазовых ошибок и неправильного направления вращения диска.

Рис. 321. Схема включения проводов к счётчику однофазного тока.

3. Метод измерения работы и мощности тока через показатели вольтметра и амперметра. В отсутствии прямых интегрирующих счётчиков или при необходимости оперативного контроля электродинамических параметров применяется косвенный метод определения мощности и работы тока с использованием эталонных амперметра, вольтметра и хронометра (Рис. 322).

Рис. 322. Измерение мощности вольтметром и амперметром.

Для определения электрической мощности необходимо измерить силу тока I, протекающего через данный приёмник энергии (например, ламповый реостат R или нагревательный элемент), и падение напряжения U на его клеммах. В цепях постоянного тока, а также в цепях переменного тока при чисто активной (безиндукционной) нагрузке расходуемая мощность P определяется по базовому соотношению:

P = U · I

В случае цепей переменного тока с наличием реактивных компонентов (индуктивностей или емкостей) определяющее значение приобретает угол сдвига фаз φ между вектором напряжения и вектором тока. В таких условиях реактивная составляющая искажает результаты, и метод вольтметра-амперметра даёт точный показатель мощности только при наличии коэффициента мощности cos φ = 1 (чисто сопротивлительная нагрузка).

Для вычисления полной работы W, совершённой током за промежуток времени t, фиксируемый по секундомеру или часам, используют формулу:

W = P · t = U · I · t

4. Поверка электрических счётчиков и исследование КПД электроустановок. Метрологическая поверка электрических счётчиков заключается в экспериментальном определении их относительной и абсолютной погрешностей путём сравнения показаний интегрирующего механизма с контрольными данными, полученными образцовыми измерительными приборами (Рис. 323).

Рис. 323. Установка для проверки счётчика.

Испытательная установка включает в себя проверяемый счётчик, эталонный вольтметр V, амперметр A, регулируемый ламповый реостат R и точно синхронизированный секундомер. На первом этапе определяют постоянную счётчика — число оборотов диска, соответствующее выполнению работы в 1 Вт·ч. Вычислив по показаниям вольтметра и амперметра текущую мощность, измеряют время, за которое диск совершает фиксированное количество оборотов, и сравнивают значение с передаточным отношением, указанным на табличке прибора.

Затем, установив номинальную или максимальную нагрузку, отсчитывают показания счётного механизма за интервал в 15 минут и сопоставляют их со значением работы W, рассчитанным по формуле W = U · I · t. Возможные минимальные расхождения объясняются классами точности используемых контрольных приборов и нестабильностью трения в опорных узлах.

Рис. 324. Измерение мощности мотора.

Помимо поверки счётчиков, описанные электроизмерительные методики применяются для определения механической мощности электромоторов с помощью тормозных устройств (Рис. 324), а также для расчета коэффициента полезного действия (КПД) тепловых электроприборов (кипятильников, нагревателей). Коэффициент полезного действия K при нагревании массы воды M от начальной температуры t₁ до конечной температуры t₂ за время T рассчитывается по формуле:

K = (M · (t₂ − t₁)) / (0,24 · U · I · T)

Данный комплексный подход обеспечивает полный контроль энергетических параметров и метрологических характеристик электротехнических установок постоянного и переменного тока.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров.

Источник: Физический эксперемент в школе. т. 3

Данные материалы будут полезны преподавателям физики и электротехники, студентам инженерно-технических специальностей, учащимся старших классов, а также всем, кто интересуется вопросами практической электродинамики и методиками наглядного моделирования физических процессов.