Общие сведения о счетчиках электрической энергии

В настоящее время для измерения расхода электрической энергии в цепях переменного тока служат индукционные приборы. Действие индукционного счетчика основано на взаимодействии вихревых токов с вращающимся магнитным полем.

Однофазный индукционный счетчик (рис. 4.1) состоит из двух электромагнитов.

Электромагнит 1 имеет обмотку из нескольких витков толстого провода, которая является токовой и включается в цепь последовательно. Через нее протекает ток, потребляемый электроприборами. Токовая обмотка расположена на двух полюсах U-образного сердечника и имеет противоположную обмотку, т.е. на одном полюсе по ходу часовой стрелки, а на другом – против хода часовой стрелки. Электромагнит 4 имеет обмотку 5 из большого числа витков тонкого провода, которая является обмоткой напряжения и включается в цепь параллельно. Неравномерность в количестве витков провода на токовой обмотке и обмотке напряжения необходима для того, чтобы вращающий момент, приложенный к алюминиевому диску 9, был пропорционален активной мощности.

Между полюсами электромагнитов расположен алюминиевый диск 9, насаженный на вертикальную ось 8. На оси также крепятся железная пластинка, служащая для устранения самохода, и червячный винт 7, передающий вращение диска счетному механизму. Счетный механизм показывает количество электрической энергии, прошедшей через счетчик в киловатт-часах.

В счетчике имеется также постоянный магнит 6, служащий для торможения диска при выключенной нагрузке.

При включении счетчика в цепь переменного тока (рис. 4.2) по токовой обмотке и обмотке напряжения будет проходить переменный ток, который, проходя по токовой обмотке, создает магнитный поток Ф_I, а проходя по обмотке напряжения – магнитный поток Ф_U. Магнитные потоки Ф_I и Ф_U пересекают край алюминиевого диска Д, в котором наводятся местные вихревые токи, порождающие в нем магнитные поля. Последние, взаимодействуя с основными магнитными потоками, приводят диск во вращение.

Рис. 4.1. Однофазный индукционный счетчик СО-2М:

1, 4 – электромагниты; 2 – стальная пластинка; 3 – медная пластинка; 5 – обмотка;

6 – постоянный магнит; 7 – червячный винт; 8 – ось; 9 – алюминиевый диск;

10 – петля; 11 – изолированный провод; 12 – компенсационный винт.

Рис. 4.2. Структурная схема однофазного счетчика активной энергии:

ОТ – токовая обмотка; ОН – обмотка напряжения; Д – алюминиевый диск;

ЧМ – червячный механизм; СМ – счетный механизм; М – постоянный магнит.

Когда электроприборы отключены от сети, ток через счетчик не проходит. Диск пересекает магнитное поле постоянного магнита, и вокруг места пересечения диска магнитными линиями возникает вихревой ток, порождающий магнитный поток, который, взаимодействуя с полем магнита, препятствует вращению диска.

Для компенсации трения в счетчике создается дополнительный вращающий момент путем ввинчивания в сердечник электромагнита стального винта 12.

Обмотка напряжения счетчика постоянно находится под напряжением. Увеличение напряжения сети может вызвать вращение диска без подключения электроприборов, т.е. самоход счетчика. Самоход счетчика может быть вызван также стальным компенсационным винтом или вибрацией щита, на котором укреплен счетчик. Для устранения самохода нужно пластинку 2 от полюса электромагнита 4 приблизить к пластинке на оси диска. При этом пластинка на оси больше намагничивается полюсной пластинкой 2 и сильнее к ней притягивается, благодаря чему тормозится вращение диска и устраняется самоход. Для того чтобы проверить счетчик на самоход, его необходимо подключить в сеть без подключения электроприборов.

Для регулирования значения и фазы магнитного потока на токовую обмотку наматывают несколько витков изолированного провода 11, соединенного с проволокой в виде петли 10 с большим удельным сопротивлением. При изменении положения ползунка на петле изменяется сопротивление петли и значение тока, размагничивающего электромагнит 1. Магнитный поток обмотки напряжения регулируется изменением положения медной пластинки 3 в магнитном шунте.

Приложенный к диску вращающий момент пропорционален произведению силы токов в обмотках электромагнитов и синуса угла сдвига фаз между ними:

М_вр = К ∙ I_I∙ I_U∙ sinψ, (4.1)

где К – константа, объединяющая все постоянные величины – активную длину проводника, площадь электромагнита и радиус приложения силы, зависящий от размера диска;

I_I – сила тока, проходящая через токовую обмотку;

I_U – сила тока, проходящая через обмотку напряжения.

Вращающий момент также пропорционален активной мощности:

М_вр = К ∙ I ∙ U ∙ cosφ = К ∙ Р. (4.2)

При вращении диск пересекает поле постоянного магнита 6. Вихревые токи в диске, взаимодействуя с полем магнита, образуют противодействующий момент. Кроме этого основного тормозящего момента, в счетчике создаются еще два тормозящих момента от взаимодействия электромагнитов со своими индукционными токами. Результирующий противодействующий момент равен сумме этих трех тормозящих моментов и пропорционален скорости вращения алюминиевого диска:

М_пр = К ∙ ν = К ∙ 2π ∙ R ∙ n = k ∙ n, (4.3)

где n – число оборотов диска в секунду.

При установившейся частоте вращения диска вращающий и противодействующий моменты равны М_вр = М_пр, или К ∙ Р = k ∙ n, откуда

Р = С ∙ n, (4.4)

где С = k/K – постоянная счетчика.

Таким образом, скорость вращения диска пропорциональна мощности, потребляемой электроприборами. Энергия, потребляемая электроприборами, за некоторое время t:

W = С ∙ n ∙ t = С ∙ N (4.5)

Постоянная счетчика С равна энергии, измеряемой счетчиком за время одного оборота диска.

Счетчики маркируются следующим образом: СА3У-И670.

Структура условного обозначения:

С – счетчик;

А – активной энергии, Р – реактивной энергии, О – однофазный;

3 – количество проводов сети (2…4);

У – универсальный;

И – индукционной системы;

670 – конструктивное исполнение счетчика.

Для измерения энергии в цепи трехфазного тока применяются трехфазные счетчики индукционной системы с двумя и тремя элементами. Двухэлементный трехфазный счетчик состоит из двух пар электромагнитов и двух алюминиевых дисков, расположенных на одной оси вертикально друг над другом. Двухэлементный счетчик включается в трехпроводную трехфазную сеть, а трехэлементный – в четырехпроводную.