2.2.7. Приборы индукционной системы

Конструкция и принцип действия. Принцип действия индукци­онных приборов основан на взаимодействии двух или нескольких переменных магнитных потоков с токами, индуцированными в подвижном проводнике (например, диске). Типичным представите­лем этой системы является классический индукционный счетчик – измеритель активной энергии.

Рассмотрим устройство и принцип действия индукционного од­нофазного счетчика активной энергии. На рис. 25 показана упро­щенная конструкция такого прибора. Основными элементами при­бора являются два магнитопровода со своими обмотками (напря­жения и токовой), вращающийся диск и счетный механизм. Как и ваттметр, счетчик содержит обмотки тока и напряжения. Включает­ся счетчик в цепь так же, как и ваттметр.

Схема (рис. 26) и векторная диаграмма (рис.27) поясняют принцип действия этого прибора.

Рассмотрим работу счетчика на примере входных сигналов на­пряжения и тока синусоидальной формы с действующими значе­ниями, равными, соответственно, U и I. Входное напряжение U, приложенное к обмотке напряжения 2, создает в ней ток I_U, име­ющий по отношению к напряжению U сдвиг по фазе, близкий к 90° (из-за большого индуктивного сопротивления этой обмотки). Ток I_U рождает магнитный поток Ф_U в среднем сердечнике магни­топровода обмотки напряжения 1.

Рис. .25. Упрощенная конструкция индукционного однофазного счетчика

Этот поток Ф_U делится на два потока: нерабочий поток Ф_U1, который замыкается внутри магни­топровода 7; и основной поток Ф_U2, пересекающий диск 6, закреп­ленный на оси 7 и вращающийся вместе с нею. Этот основной поток замыкается через противополюс 5. Входной ток I, текущий в обмот­ке тока 4, создает в магнитопроводе 3 магнитный поток Ф_I , который дваж­ды пересекает диск 6. Поток Ф_I от­стает от тока I на небольшой угол потерь α_I, (поскольку сопротивление токовой обмотки мало).

Таким образом, диск пересека­ют два магнитных потока Ф_U2 и Ф_I, не совпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг ψ. При этом в диске возникает вращающий момент М:

M = cf Ф_U2 Ф_I sin ψ,

где с – некая константа; f – частота напряжения.

При работе на линейном участке кривой намагничивания мате­риалов магнитопроводов можно считать, что

Ф_I = k₁I; Ф_U2= k₂I_U =k₂U / Z_U,

где k₁ и k₂ – коэффициенты пропорциональности; Z_U – полное комплексное сопротивление обмотки напряжения.

Учитывая, что реактивная (индуктивная) составляющая сопро­тивления обмотки напряжения Z_U гораздо больше активной, мож­но записать

Z_U ≈ 2π f L_U ,

где L_U – индуктивность обмотки напряжения.

Тогда

Ф_U2= k₂U /( 2πfL_U) = k₃U / f,

где k₃ = k₂ /(2πL_U).

Рис. 26. Схема, поясняющая принцип действия счетчика:

1 – магнитопровод обмотки напряжения; 2 – обмотка напряжения; 3 – магнитопровод обмотки тока; 4 – обмотка тока; 5 – противополюс; 6 – диск; 7 – ось; 8 – червячная передача; 9 – счетный механизм

Рис. 27. Векторная диаграмма

Следовательно, вращающий момент М в данной электромаг­нитной механической системе можно определить следующим об­разом:

М = kUIsinψ,

где k – общий коэффициент пропорциональности.

Для того чтобы вращающий момент был пропорционален теку­щей активной мощности, необходимо выполнение условия

sinψ = cos φ.

А это в свою очередь будет выполняться, если ψ + φ = 90°. Это равенство может быть обеспечено изменением (регулировкой) угла потерь α_I. Изменение этого угла реализуется двухступенчато: гру­бо – изменением числа короткозамкнутых витков, надетых на магнитопровод 3, а плавно – изменением сопротивления вспомога­тельной цепи (эти элементы конструкции на рис. 25 и 26 не показаны).

Таким образом обеспечивается пропорциональность вращаю­щего момента М текущему значению активной мощности. Для по­лучения результата определения потребленной активной энергии достаточно проинтегрировать значения текущей мощности. Это ин­тегрирование реализовано счетным механизмом 9, связанным с осью 7 червячной передачей 8.

Постоянный магнит служит для создания тормозного момента и обеспечения угловой скорости вращения, пропорциональной те­кущему значению активной мощности. Кроме того, в реальной конструкции есть элементы, обеспечивающие дополнительный момент, компенсирующий момент трения, а также элементы уст­ранения «самохода» (на рис. 25 и 26 не приведены).

Включение счетчика. На рис. 28 приведена схема включения однофазного счетчика активной энергии.

Рис. 28. Схема включения однофазного счетчика активной энергии

При необходимости работы в цепях с напряжениями и/или токами, большими, чем номинальные для конкретного счетчика, используются измерительные трансформаторы напряжения и/или тока. Схема подключения такая же, как и в подобном случае с ваттметроми.

Для измерения реактивной энергии также используются ин­дукционные счетчики. Их принцип действия аналогичен рассмот­ренному. Некоторые различия в конструкции, организации подключения и, как следствие в векторных диаграммах, позволяют получить скорость вращения диска, пропорциональную значению текущей реактивной мощности.

О бозначение индукционной системы на шкалах приборов:

Трехфазные счетчики. Для учета суммарной активной и реактивной энергии в трехфазных цепях исполь­зуются двухэлементные и трехэлемен­тные счетчики. В таких счетчиках при­меняются те же конструктивные эле­менты (два или три механизма), что и в однофазных приборах. Диски (два или три) закреплены на общей оси. Вращающие моменты дисков склады­ваются, и скорость вращения оси за­висит от суммарной текущей потреб­ляемой мощности. На рис. 29 упро­щенно показано устройство двухэле­ментного трехфазного счетчика.

Рис. 29. Двухэлементный трех­фазный счетчик

Скорость вращения в данном случае определяется суммой моментов М₁ и М₂. Включаются трехфазные счетчики так же, как и трехфаз­ные ваттметры.

Сегодня в задачах измерения активной энергии все шире при­меняются цифровые (микропроцессорные) счетчики энергии. В за­дачах технических экспресс-измерений для оценки потребленной энергии в кратковременных экспериментах используют автоном­ные малогабаритные цифровые измерительные регистраторы (анализаторы), которые имеют режим вычисления активной и реак­тивной энергии или позволяют найти эти величины с помощью компьютера и специализированного программного обеспечения.