6. Индукционные приборы

Принцип действия индукционных измерительных механизмов основан на взаимодействии магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуктированных магнитными потоками этих электромагнитов в подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска.

Условные обозначения индукционных приборов представлены в табл. 4.1. По существующей классификации в названии типа прибора им присвоена буква И (например, И440).

В настоящее время из индукционных приборов для измерений применяются счетчики электрической энергии переменного тока.

Индукционные счетчики электрической энергии переменного тока. На рис. 6.1 в упрощенном виде показано устройство индукционного счетчика. Он состоит из двух электромагнитов 1 (трехстержневого магнитопровода с обмоткой напряжения) и 5 (П-образного магнитопровода с токовой обмоткой), сердечники которых набраны из тонких листов электротехнической стали, алюминиевого диска 3, закрепленного на оси подвижной части, постоянного магнита 4, необходимого для создания тормозного момента, счетного механизма 2 и других у злов.

Э лектромагнит 1 имеет обмотку с числом витков порядка 8 – 12 тысяч тонкого медного провода, включенную параллельно нагрузке. При прохождении по обмотке тока I_U создается магнитный поток Φ_U, который в нижней части среднего сердечника разветвляется на рабочий поток Φ_р и нерабочий или вспомогательный поток Φ_в (рис. 6.2 а). Рабочий поток Φ_р пронизывает диск, индуктируя в нем вихревые токи, и замыкается через стальной противополюс 6. Нерабочий поток Φ_в не пересекает диск, а замыкается через боковые стержни сердечника 1. Он не принимает непосредственного участия в создании вращающего момента и служит для получения необходимого сдвига фаз между потоком Φ_р и напряжением сети U. Обмотка сердечника 1 из-за большого числа витков обладает значительной индуктивностью и ток в ней I_U отстает от напряжения U на угол, близкий 90⁰. Нерабочий поток Φ_в вызывает в сердечнике 1 незначительные потери, поэтому он отстает от тока I_U на небольшой угол (1⁰ – 2⁰). Рабочий поток Φ_р отстает от этого же тока на существенно больший угол (20⁰ – 25⁰), поскольку, кроме потерь в стали, имеются активные потери в алюминиевом диске. Поток Φ_U является геометрической суммой потоков Φ_р и Φ_в.

Электромагнит 5 имеет обмотку, выполненную из медного сравнительно толстого провода с небольшим числом витков и включенную последовательно с нагрузкой цепи Z. По этой обмотке проходит ток нагрузки I, который при ее активно-индуктивном характере (наиболее часто встречающийся характер нагрузки) отстает от напряжения U на угол φ (рис. 6.2 б). Ток I создает магнитный поток Φ_I, который отстает от тока I на угол α (порядка 5⁰ – 15⁰) из-за наличия потерь в стали электромагнита. Поток Φ_I дважды пересекает диск 3 (рис. 6.2 а), индуктируя в нем вихревые токи, которые согласно закону электромагнитной индукции отстают по фазе от потока на угол 90⁰ (считая сопротивление диска чисто активным).

Дальнейший анализ работы индукционного счетчика показывает, что величина вращающего момента зависит от взаимодействия магнитных потоков Φ_I и Φ_р и от угла сдвига фаз между ними  согласно выражению

М_вр = k^'Φ_рΦ_I sin ψ , (6.1)

где k^' – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции электромагнитов и диска.

Из-за наличия воздушных зазоров сердечники обоих электромагнитов находятся в ненасыщенном состоянии, поэтому потоки Φ_I и Φ_р будут пропорциональны токам в обмотках, т. е.

Φ_I = k_II ; Φ_р = k_UI_U = k_U ,

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

Подставляя значения потоков в уравнение (6.1) и объединяя постоянные, получим

М_вр = kUI sin ψ . (6.2)

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

М_вр = kUI cos φ = kP . (6.3)

Для этого необходимо, чтобы sin ψ = cos φ, а это будет в том случае, если угол сдвига фаз между потоками Φ_I и Φ_р

ψ = 90⁰ – φ . (6.4)

Из векторной диаграммы на рис. 6.2 б следует, что ψ = β – α – φ. Таким образом, для выполнения условия (6.4) угол β – α должен быть равен 90⁰.

Выполнение этого условия достигается конструкцией электромагнита 1, которая позволяет получить угол β > 90⁰. Для регулировки угла α на электромагнит 5 (рис. 6.2 а) накладывают короткозамкнутые витки w и обмотку 7, замкнутую на проволочный резистор R, выполненный в виде петли с перемещающимся контактом. Регулируя сопротивление R, меняют потери на пути потока Φ_I и, следовательно, изменяют угол α, добиваясь, таким образом, равенства β – α = 90⁰ и выполнения условия (6.4), а значит и соотношения (6.3).

Роль противодействующего момента в счетчиках выполняет тормозной момент М_т, возникающий при вращении алюминиевого диска подвижной части в поле постоянного магнита 4 (рис. 6.1). Так как величина индуктируемых в диске вихревых токов пропорциональна скорости изменения магнитного потока, т. е. скорости вращения диска , то тормозной момент определяется выражением

М_т = k₁ , (6.5)

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 станет равномерным. С учетом зависимостей (6.3) и (6.5) имеем

kP = k₁ или Pdt = dα .

Интегрируя последнее равенство в пределах интервала времени Δt, получим

W = CN , (6.6)

где W – энергия, израсходованная в нагрузке за интервал времени Δt, N – число оборотов диска за этот же интервал времени, С – постоянная счетчика.

Отсчет энергии производится по показаниям счетного механизма 2 (рис. 6.1) – счетчика оборотов, градуированного в единицах энергии. Единице электрической энергии (обычно 1 кВт·ч), регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика (диска). Это соотношение, которое называется передаточным числом А, указывается на лицевой панели счетчика.

Основные характеристики счетчиков электрической энергии. Величина, обратная передаточному числу, т. е. отношение зарегистрированной энергии к числу оборотов диска, называется номинальной постоянной С_ном. Значения А и С_ном зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика остаются неизменными.

Количество энергии, действительно прошедшее через счетчик за один оборот подвижной части, называется действительной постоянной С. Действительная постоянная зависит от тока нагрузки, частоты и внешних условий (температуры и т. д.). Зная значения С и С_ном, можно определить относительную погрешность (в процентах) счетчика

δ = 100 = 100 ,

где W^' – энергия, измеренная счетчиком, W – действительное значение энергии, прошедшее через счетчик.

Счетчики активной энергии выпускают классов точности 0,5; 1,0; 2,0; 2,5; счетчики реактивной энергии – 1,5; 2,0 и 3,0.

Государственным стандартом устанавливается порог чувствительности (в процентах) счетчика, определяемый как

ΔS = ,

где I_min и I_ном – минимальное значение тока, при котором диск счетчика начинает безостановочно вращаться, и номинальное для счетчика значение тока в токовой обмотке соответственно. Порог чувствительности определяется при номинальных значениях напряжения и частоты, cos φ = 1. Согласно ГОСТ 6570 – 75 значение ΔS 0,4 % для счетчиков класса точности 0,5 и 0,5 % – для классов точности 1,0; 1,5 и 2,0. Для счетчиков реактивной энергии классов точности 2,5 и 3,0 значение ΔS 1 %.

Самоходом называется вращение диска при отсутствии тока в нагрузке, но при наличии напряжения в параллельной цепи счетчика. Такое явление возникает, если момент, компенсирующий действие момента трения, превосходит сам момент трения. Согласно ГОСТ 6570 – 75 самохода не должно быть при любом напряжении от 80 до 110 % номинального.

Под действием внешних факторов у счетчиков появляются дополнительные погрешности, возникающие вследствие искажения формы кривой тока и напряжения, колебаний напряжения и частоты, резкого перепада мощности в нагрузке и др.

Кроме однофазных индукционных счетчиков промышленностью выпускаются также трехфазные счетчики активной и реактивной энергии. Трехфазные счетчики представляют собой фактически три (трехэлементные) или два (двухэлементные) счетчика, объединенные одной осью вращения. Двухэлементные счетчики применяют при измерении энергии в трехпроводных трехфазных цепях, а трехэлементные – в четырехпроводных цепях (с нулевым проводом).