Измерение мощности в цепи однофазного синусоидального тока (стр. 5 из 6)

П-образный электромагнит 4 имеет обмотку с небольшим числом витков, выполненную из медного сравнительно толстого провода и включенную последовательно с нагрузкой цепи Z. По этой обмотке проходит ток нагрузки /, который при ее активно-индуктивном характере (наиболее часто встречающийся характер нагрузки) отстает от напряжения U на угол φ (рис. 15, 6). Ток Iсоздает магнитный поток Ф_I, который отстает от тока /на угол а (порядка 5-15°) из-за наличия потерь в стали электромагнита. Поток Ф_I дважды пересекает диск 2 (рис. 15, с), индуцируя в нем вихревые токи, которые, согласно закону электромагнитной индукции, отстают по фазе от потока на угол 90° (сопротивление диска считается чисто активным).

Дальнейший анализ работы индукционного счетчика показывает, что значение вращающего момента зависит от взаимодействия магнитных потоков Ф_I и Ф_р и от угла сдвига фаз между ними у и вычисляется согласно выражению

(5.1)

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции электромагнитов и диска.

Из-за наличия воздушных зазоров сердечники обоих электромагнитов находятся в ненасыщенном состоянии, поэтому потоки Ф_I и Ф_р будут пропорциональны токам в обмотках, то есть

Ф_I = k_II; Ф_р = k_uI_u U/Z_u,

где Z_U — полное сопротивление параллельной обмотки, которое при неизменной частоте — величина постоянная.

Подставляя значения потоков в уравнение (5.1) и объединяя постоянные, получим:

M_вр = kUI sinψ

Для того чтобы показания счетчика соответствовали потребляемой нагрузкой энергии, его вращающий момент должен быть пропорционален активной мощности переменного тока, то есть

M_вр = kUI cosφ = kP (5.2)

Для этого необходимо, чтобы sinψ= cosφ, а это будет в том случае, если угол сдвига фаз между потоками Ф_I, и Ф_р

ψ=90°-φ(5.3)

Из векторной диаграммы, приведенной на рис. 15, б, следует, что ψ = β - α -φ. Таким образом, для выполнения условия (5.3) угол β - α должен быть равен 90°.

Выполнение этого условия достигается конструкцией электромагнита 1, которая позволяет получить угол β> 90°. Для регулировки угла α на электромагнит 4 (рис. 15, а) накладывают короткозамкнутые витки w и обмотку 5, замкнутую на проволочный резистор R, выполненный в виде петли с перемещающимся контактом. Регулируя сопротивление R, меняют потери на пути потока Ф_I и, следовательно, изменяют угол α, добиваясь, таким образом, равенства β - α = 90° и выполнения условия (5.3), а значит и соотношения (5.2).

Роль противодействующего момента в счетчиках выполняет тормозной момент М_т, возникающий при вращении алюминиевого диска 3 подвижной части в поле постоянного магнита 4 (см. рис. 15). Так как значения индуцируемых в диске вихревых токов пропорциональны скорости изменения магнитного потока, то есть скорости вращения диска dα/dt, то тормозной момент определяется выражением

М_т = k₁ dα/dt(5.4)

где k₁ — коэффициент пропорциональности.

Под действием вращающего момента диск начинает вращаться с ускорением, что увеличивает тормозной момент до тех пор, пока моменты не уравновесят друг друга (М_вр= М_т) и вращение не станет равномерным. С учетом зависимостей (5.2) и (5.4) имеем

Kp = k₁ (dα/dt) или Pdt = (k₁/ k ) * dα

Интегрируя последнее равенство в пределах интервала времени ∆t, получим:

w=cn

где W — энергия, израсходованная в нагрузке за интервал времени ∆t, N— число оборотов диска за этот же интервал времени; С — постоянная счетчика.

Отсчет энергии производится по показаниям счетного механизма 2 (рис. 15) — счетчика оборотов, градуированного в единицах энергии. Единице электрической энергии (обычно 1 кВтч), регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика (диска). Это соотношение, которое называется передаточным числом А, указывается на лицевой панели счетчика.

В настоящее время промышленностью выпускается довольно большое количество типов индукционных счетчиков, среди которых отметим СА4У-И682, СА4У-И670М и СР4У-И689.

6. Цифровые счетчики электрической энергии.

Ещё несколько лет назад контроль потребления и сбережение электроэнергии не были столь актуальны. Всех вполне устраивали цены на электроэнергию и соответствующая система её учёта на базе электромеханических (индукционных) счётчиков. Принцип их работы основан на подсчёте количества оборотов диска, вращающегося в бегущем магнитном поле. Частота вращения пропорциональна мощности, а количество оборотов — потребляемой электроэнергии. Такие счётчики просты, надёжны и дёшевы.

При переходе России на рыночные отношения, у поставщиков электроэнергии возникла проблема контроля и управления её потреблением. В свою очередь, потребитель заинтересован в том, чтобы не переплачивать. В результате, стало необходимо увеличение сервисных функций счётчиков. Поставщикам необходим оперативный доступ ко всей информации о количестве проданной электроэнергии на данный момент и дистанционный контроль. Потребитель заинтересован в экономии электроэнергии за счёт использования различных тарифов (дневной, ночной и так далее) и в удобном способе оплаты. Альтернатива этому — применение электронных платежей, вплоть до установления картридеров непосредственно в сами счётчики для оплаты.

Современные механические счётчики не могут справиться с поставленными задачами, при условии оптимального соотношения цена/качество. Поэтому необходим новый подход к системам учёта электроэнергии и проведения платежей.

В настоящее время, при стремительном развитии микроэлектроники и снижении цен на электронные компоненты, цифровые системы управления постепенно вытесняют своих аналоговых конкурентов. Это, в первую очередь обусловлено большим разнообразием микроконтроллеров и резким снижением их стоимости. Одно из главных преимуществ цифровых систем управления на базе микроконтроллеров — это гибкость и многофункциональность, достигаемые не аппаратно, а программно, не требуя дополнительных материальных затрат. Переход на микроконтроллерное управление счётчиков электрической энергии имеет ряд преимуществ, в первую очередь, повышение точности и надёжности, а так же многофункциональность, достигаемая за счёт малых аппаратных затрат.

В зависимости от требований, современные цифровые счётчики должны в любой момент времени оперативно передавать требуемые данные по различным каналам связи на диспетчерские пункты энергоснабжающих предприятий для оперативного контроля и экономических расчётов потребления электроэнергии.

Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый период времени, необходимо интегрировать во времени мгновенные значения активной мощности. Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени. На этом принципе работает любой счётчик электрической энергии. На рис. 13 показана блок-схема электромеханического счётчика.

Рисунок 13 Блок-схема электромеханического счетчика электрической энергии

Реализация цифрового счётчика электрической энергии (рис. 15) требует специализированных ИС, способных производить перемножение сигналов и предоставлять полученную величину в удобной для микроконтроллера форме. Например, преобразователь активной мощности — в частоту следования импульсов. Общее количество пришедших импульсов, подсчитываемое микроконтроллером, прямо пропорционально потребляемой электроэнергии.

Рисунок 15 Блок-схема цифрового счетчика электрической энергии

Важную роль играют всевозможные сервисные функции, такие как дистанционный доступ к счётчику, к информации о накопленной энергии и многие другие. Наличие цифрового дисплея, управляемого от микроконтроллера, позволяет программно устанавливать различные режимы вывода информации, например, выводить на дисплей информацию о потреблённой энергии за каждый месяц, по различным тарифам и так далее.

Для выполнения некоторых нестандартных функций, например, согласования уровней, используются дополнительные ИС. Сейчас начали выпускать специализированные ИС — преобразователи мощности в частоту — и специализированные микроконтроллеры, содержащие подобные преобразователи на кристалле. Но, зачастую, они слишком дороги для использования в коммунально-бытовых индукционных счётчиках. Поэтому многие мировые производители микроконтроллеров разрабатывают специализированные микросхемы, предназначенные для такого применения.

Примеры цифровых счётчиков электрической энергии

Счетчики электрической энергии СОЛО

Счетчик однотарифный предназначен для учета и измерения активной электроэнергии в сетях 220 В частотой 50 Гц.