Лабораторна робота № 4 дослідження однофазного електричного лічильника

з дисципліни: «Облік і керування електроспоживанням»

1. Мета роботи

Вивчити будову і принцип дії однофазного електролічильника індукційної системи і ознайомитись з методикою визначення чутливості, сталої, похибки і самоходу лічильника.

2. Короткі теоретичні відомості

Для обліку активної і реактивної енергії використовують електролічильники індукційної системи. Будова однофазного лічильника активної енергії показано на рис.1. Обмотки напруги і обмотки струму розміщені на окремих магнітопроводах 1 і 2, між якими обертається алюмінієвий диск 3, який червячною передачею 4 з’єднаний з цифровим показником 5.

Рис.1. Схематичне зображення будови однофазного електролічильника:

а - зображення з боку обмотки напруги; б - зображення з боку обмотки струму

Постійний магніт 6 призначений для створення гальмівного моменту.

Лічильник працює так. Обмотка напруги , що розміщена на магнітопроводі 1, містить 10 - 15 тисяч витків тонкого ізольованого мідного дроту і вмикається паралельно споживачеві електричної енергії, як вольтметр. Струм в обмотці створює магнітний потік , що розгалужується на потік магнітного шунта і потік який замикається через диск 3 (рис.1). Магнітний потік називається робочим потоком і складає 25 - 30% від загального потоку , створеного обмоткою напруги.

Обмотка струму , що розміщена на магнітопроводі 2, містить невелику кількість витків з товстого мідного дроту і вмикається послідовно із навантаженням, як амперметр. Магнітний потік замикається через диск 3 двічі. Отже диск перетинається двома магнітними потоками - один раз і двічі , як показано на рис. 2. Для спрощення пояснення позначимо магнітний потік , що перетинає диск вдруге .

Згідно закону Фарадея магнітні потоки , , наводять в диску електрорушійні сили , , , які спричиняють протікання відповідних колових струмів , , (рис. 2).

Оскільки , то стуми , так як електричні опори диску коловим струмам рівні. За законом Ампера , де , як кут між напрямками магнітних потоків і колових струмів, виникають сили , , і , що прикладені до диска, як показано на рис. 2, і створюють обертаючий момент. Для кращого розуміння виникнення обертаючого моменту в диску побудуємо векторну діаграму магнітних потоків і колових струмів (рис. 3).

Побудову векторної діаграми починаємо з вектора напруги мережі , який відкладаємо горизонтально. Під кутом φ, величина якого залежить від характеру навантаження споживача, відкладаємо вектор струму , що проходить через обмотку W_і лічильника.

Рис.2. Схематичне зображення алюмінієвого диску магнітними потоками і напрямків колових струмів

Рис.3. Векторна діаграма магнітних потоків, е.р.с. і колових струмів

Цей струм за законом повного струму ( , де опір магнітному потоку) створює магнітний потік Ф'_і, який практично співпадає за фазою із струмом І_і. Магнітний потік Ф'_і за напрямком протилежний Ф_і, тому його вектор відкладаємо протилежно вектору . Струм в обмотці напруги створює магнітний потік Ф_и, вектор якого відстає від вектора напруги на 90º, ці магнітні потоки індукують в диску е.р.с. , вектори яких відстань від векторів магнітних потоків, що їх обумовили, на , оскільки , а . Під дією цих е.р.с. в алюмінієвому диску виникають колові струми .

Оскільки активна складова опору контурів колових струмів в диску значно більша індуктивної складової, якою можна знехтувати, то приймаємо, що колові струми співпадають за фазою е.р.с

Дія магнітних потоків на колові струми , та створює відповідні сили Ампера

;

;

;

,

де коефіцієнти що враховують параметри обмоток і магнітопроводів. Вектор результуючої сили ­­. Кожна з цих сил пропорційна добутку колового струму і магнітного потоку. За законом повного струму колові струми прямо пропорційні магнітним потокам, що їх обумовили, тобто , . Тоді ; ; ; . Звідси результуюча сила .

Враховуючи, що магнітні потоки і перетинають диск і повітряні проміжки між диском і полюсами магнітопроводів, то можна прийняти, що , оскільки опір магнітному потоку повітряних проміжків і диска, для яких , величина стала і значно більша опору магнітопровода.

Магнітний потік , створений обмоткою напруги, пропорційно струму в обмотці напруги який визначається величиною напруги , де повний опір обмотки напруги і є величиною сталою. На цій підставі приймаємо, що . Тоді результуюча сила .Ця сила, помножена на віддаль від точки її прикладання до осі обертання диска, створює обертаючий момент , пропорційний активній потужності, яку споживає електроприймач.

Під дією диск обертається і перетинає магнітний потік постійного магніту 6 (рис.1), в результаті чого за законом Фарадея в диску збуджуються електрорушійна сила

,

де магнітний потік постійного магніту ; частота обертання алюмінієвого диска в об/хв. Під дією в диску виникає коловий струм ,

де питома електропровідність диску в зоні дії . Внаслідок взаємодії і виникає сила Ампера, яка створює протидіючий (за принципом Ленца), тобто гальмівний момент , оскільки величина стала.

Диск буде обертатися з частотою , при якій виконується умова статичної рівноваги обертаючого і гальмівного моментів , тобто . Помножимо обидві сторони цієї рівності на 1000 і час t роботи лічильника одержимо де електрична енергія кВт/год, що використана споживачем ; кількість обертів диску за час . Звідси , де називається сталою електролічильника і яку визначають за передавальним числом А (число обертів, що відповідає 1 кВт.год ), що вказується на шильді лічильника, наприклад, , тобто .

Основними параметрами електролічильника є:

- номінальна напруга ;

- номінальний струм ;

- кількість фаз - однофазний чи трифазний;

- номінальна стала ;

- чутливість , де мінімальне значення струму, при якому диск почне обертатись;

- клас точності, що визначається величиною зведеної похибки , де фактичне значення сталої для даного лічильника;

- відсутність самоходу, тобто обертання диску при відключеному навантаженні. Самохід може бути обумовлений невідповідністю між гальмівним моментом , якій створюють сили тертя в рухомій частині, і компенсаційним обертаючим моментом , який спеціально створюється за допомогою регульованого коротко замкнутого витка, що охоплює магнітопровід обмотки напруги.

Для обліку електричної енергії в трифазних системах використовують трифазні лічильники, в яких установлено три або дві однофазні електромагнітні системи, що діють відповідно на три або два диски на одній осі з одним лічильним механізмом. Для розширення меж вимірювання за струмом і за напругою, тобто, коли вимірюється енергія потужних споживачів, лічильник вмикається через вимірювальний трансформатор струму, а при високій напрузі - через вимірювальний трансформатор напруги.

Крім лічильників індукційної системи є електронні лічильники, принцип дії яких грунтується на послідовному перетворенні потужності в напругу , а напруги в частоту імпульсів , кількість яких підраховується (інтегрується) лічильником імпульсів, тобто використовується інтегрування спожитої активної потужності згідно .

Рис.4. Структурна схема електронного лічильника активної потужності

Структурна схема електронного лічильника приведена на рис.4, де ППН - перетворювач величини потужності в величину напруги; ПНЧ - перетворювач величини напруги в частоту імпульсів; ЛІ - лічильник імпульсів; ІСЕ - індикація спожитої енергії в ; СЕ - споживач електроенергії.