Лабораторна робота №7

Повірка однофазних лічильників

активної енергії

1. Мета роботи

Ознайомитись із принципом роботи лічильників активної енергії та методами вимірювання потужності. Вивчити схему повірки однофазного лічильника. Знайти дійсну сталу лічильника і його похибку при різних навантаженнях. Визначити порогочутливість лічильника та відсутність або наявність самоходу.

2. Підготовка до лабораторної роботи

При підготовці до лабораторної роботи необхідно ознайомитись із теоретичними основами роботи, ознайомитись із методичними вказівками, що вказані у даній лабораторній роботі. Студент повинен підготувати заготовку для запису результатів досліджень, крім того, студент повинен:

знати: мету, зміст, порядок виконання лабораторної роботи; основні теоретичні положення, що розкривають зміст роботи, одиниці вимірювань електричних величин;

уміти: користуватися вимірювальними приладами; будувати графіки функцій за результатами експериментальних досліджень і проводити їх аналіз.

3. Загальні положення.

Конструкція і принцип роботи індукційного однофазного лічильника активної енергії

Електричні лічильники застосовуються для вимірювання електричної енергії в колах змінного і постійного струму та для вимірювання кількості електрики в колах постійного струму.

Лічильники є інтегруючими приладами, тобто підсумовуючими, так як вимірюють енергію або кількість електрики за деякий відрізок часу з безупинно наростаючим показанням.

У лічильниках змінного струму застосовується індукційний вимірювальний механізм, а в лічильниках постійного струму - електродинамічний механізм.

Лічильники кількості електрики можуть бути електромеханічними з магнітоелектричним вимірювальним механізмом або електрохімічними (електролітичні лічильники).

По роду вимірюваної величини лічильники підрозділяються на лічильники активної (кВтч), реактивної (кВАч) і повної енергії (кВАч), а також лічильники кількості електрики (Ач).

Лічильники активної енергії змінного струму діляться відповідно ГОСТ 6570-75 на класи 1.0; 2.0; 2,5, а лічильники реактивної енергії на класи 2,0; 3,0.

Лічильники енергії постійного струму відповідно ГОСТ 10287-62 діляться на класи 1,5; 2,6; 3,0, а лічильники кількості енергії на класи 0.5; 1.0; 1.5; 2.5.

Для обліку енергії і кількості електрики лічильники постачають роликовим або стрілочним рахунковим механізмом. Вимірювана лічильником енергія відраховує за показниками рахункового механізму і визначається як різниця показів, зареєстрованих рахунковим механізмом наприкінці і початку даного відрізка часу.

Число обертів диска, що доводяться на одиницю енергії, що враховується лічильником, називають передаточним числом лічильника, що вказує на його зчитку; наприклад: 1 кВтч = 5000 обертів диска.

Величину, зворотну передаточному числу лічильника, таким чином енергію, що враховує лічильником за один оберт диска, називають номінальною сталою лічильника.

Для розглянутого приклада:

(1.1)

Знаючи та число обертів N диска лічильника за даний інтервал часу, можна визначити облікову лічильником енергію:

(1.2)

Крім номінальної сталої лічильника енергії, існує дійсна стала C, під якою розуміється кількість енергії, дійсно витраченої в колі за один оберт диска лічильника.

Дійсне значення електричної енергії за час визначається за показниками зразкових приладів, наприклад ватметром і секундоміром:

(1.3)

де P - активна потужність, обмірювана по ватметру;

t- час, зафіксований зразковим секундоміром. Дійсна стала лічильника електричної енергії визначається зі співвідношення:

(1.4)

де N - число обертів диска лічильника за час t.

Знаючи дійсну C и номінальну сталі лічильника, можна визначити його похибку.

Якщо зареєстрована енергія лічильником, який повіряється , а дійсна енергія

, то відносна похибка лічильника:

(1.5)

Стала лічильника та похибка лічильника кількості електрики визначаються аналогічний засобом, тільки замість енергії у відповідні вираження ввійде кількість електрики.

У табл. 1.1 у вигляді прикладу наведені припустимі похибки для однофазних лічильників різних класів за ГОСТ 6570-75.

Таблиця 1.1 – Значення припустимих похибок для однофазних лічильників

	Навантаження	Припустима похибка у % для класів
cos	у % від	1	2	3
	номінального
	5	±2,0	±2,5	-
	10	±1,0	±2,0	±3,5
1	10-150	±1,0	-	-
	10-200	-	±2,0	±2.5
	10	±2,0	±2,5	-
0.5
	20-150	±1,0	±2.0	±4,0

Відносну похибку однофазних лічильників активної енергії визначають при температурі навколишнього повітря від 15 до 30°С, напрузі, що відрізняється від номінального але більш, ніж на ±2%, і при частоті, що відхиляється від номінальної не більше ніж на ± 1 %.

Перед визначенням похибок для прогріву вимірювального механізму лічильник повинен перебувати не менш 15 хв. під номінальною напругою і номінальним струмом при коефіцієнті потужності приймача cos = I.

Правильність показів лічильника перевіряється контрольним вольтметром та амперметром, зразковим ватметром і секундоміром з визначенням частоти обертання диска, для чого визначають повне число обертів його за час не менш 50 с.

Крім похибок важливим показником правильної роботи лічильника є його чутливість:

(1.6)

де, - найменше значення струму при коефіцієнті потужності cos = I та номінальній напрузі, коли диск лічильника починає неспинно обертатися; - номінальний струм по даним таблички лічильника. При номінальній напрузі поріг чутливості лічильників класу 2,5 повинен бути не більше 1%.

У неправильно відрегульованих лічильниках під дією напруги на затискачах паралельного кола і при відсутності струму навантаження може спостерігатися безперервне обертання диска лічильника (самохід лічильника). При правильному регулюванні самохід повинен бути відсутнім при зміні напруги від 80 до 110% номінального, а включення ненавантаженого лічильника може викликати тільки поворот диска до одного оберту, після чого рухлива частина лічильника повинна увесь час залишатися нерухомою. Час випробування на відсутність самоходу - не менше 10 хв.

Для обліку активної енергії в однофазних колах змінного струму застосуються одноелементні лічильники, побудовані на базі індукційного вимірювального механізму.

На Рис. 1.1 схематично показаний пристрій одноелементного індукційного лічильника типу СО (лічильник однофазний).

Рисунок 1.1 – Конструкція однофазного індукційного лічильника

Основні елементи вимірювального механізму лічильника: тристержневий електромагніт 1 з обмоткою 2, що має велику кількість витків з тонкого проводу; П-подібний електромагніт 3 з обмоткою 4, що має невелике число витків із проводу з великого перетину; алюмінієвий диск 5, що може обертатися навколо осі 6.

Обмотка 2 включається паралельно вимірюваного кола, а обмотка 4 - послідовно із приймачами, що обумовлюють струм навантаження.

На рис. 1.2 наведена спрощена векторна діаграма, що пояснює принцип роботи лічильника.

Рисунок 1.2 – Спрощена векторна діаграма лічильника

Струм , у котушці 4 створює магнітний потік ; що двічі перетинає алюмінієвий диск 5. Струм в обмотці напруги 2 створює магнітний потік, робоча частина якого , також пронизує диск 5, замикаючись по сталевій скобі 7.

Струм напруга U, прикладена до обмотки напруги, зрушені по фазі на кут , значення якого визначається характером навантаження. Тому, що магнітопровід електромагніта 1 з паралельною обмоткою 2 майже замкнутий, та завдяки великій індуктивності обмотки 2 струм у ній відстає по фазі від напруги U на кут близький до 90. Магнітні потоки і збігаються по фазі з їхніми струмами, що викликали, якщо зневажити втратами на гістерезис і вихрові струми в сердечниках електромагнітів.

Змінні потоки й індукують в алюмінієвому диску ЕРС та , що відстають по фазі від цих потоків на 90. ЕРС викликають у диску струми та , які можна рахувати співпадаючими за фазою з викликавшими їх ЕРС.

Таким чином, алюмінієвий диск перегинає два потоки: і , що не збігаються в просторі і маючих фазовий зсув. Виникаючі при цьому в диску струми, взаємодіючи з потоками, створюють обертаючий момент:

(1.7)

де k – постійний коефіцієнт; – кут між векторами та

При роботі на лінійній ділянці кривої намагнічування матеріалів магнітопроводів потоки та пропорційні відповідно струму і напрузі U, тобто:

(1.8)

де – повний опір кола напруги.

Враховуючи, що індуктивний опір кола напруги набагато більше активного, можна вважати:

(1.9)

де – індуктивність обмотки напруги.

Тоді:

(1.10)

Підставивши значення у формулу (1.7), одержимо:

. (1.11)

За умови виконується рівність = , у результаті вираження для обертаючого моменту приймає вид:

(1.12)

де к - коефіцієнт, що залежить від конструкції елементів лічильника.

Обертаючий момент, що діє на диск лічильника, пропорційний активної потужності P.

Для створення гальмового моменту й забезпечення рівномірної кутової швидкості диска при різному навантаженні служить постійний магніт 8. При обертанні диска поле постійного магніту індукуе у ньому вихрові струми, які відповідно до закону Ленца протидіють обертанню диска. Оскільки значення вихрових струмів пропорційне частоті обертання диска . e. кутової швидкості диска, то й гальмовий момент також пропорційний :

= (1.13)

При обертанні диска з рівномірною швидкістю, що відповідає = const, його обертаючі і гальмові моменти рівні:

(1.14)

Тоді

Pdt = da.

Інтегруючи ліву частину рівності за який-небудь інтервал часу від , до , одержимо енергію:

(1.15)

реєстрований лічильником за проміжок часу , протягом якого диск зробить число обертів N. Інтеграл правої частини дорівнює зміні кута повороту диска від , до , що за цей же проміжок часу пропорційно добутку 2 на число обертів N:

, (1.16)

де c = – постійна лічильника.

Звідси одержуємо основне рівняння лічильника:

(1.17)

відповідно до якого енергія, що вираховується лічильником, пропорційна числу обертів диска.

Отже, для обліку витраченої енергії необхідно підрахувати за допомогою рахункового механізму число обертів диска.

Істотний вплив на правильність показань лічильника при малих навантаженнях робить момент тертя в рахунковому механізмі й опорах рухливої частини. Для зменшення його впливу на точність показань лічильника створюється за допомогою повідця 9 і пластини 10 компенсаційний момент, величина якого залежить від напруги U і від зсуву повідця 9 від лінії, що збігає з радіусом диска.

Для того щоб лічильник правильно враховував енергію, необхідна рівність компенсаційного моменту і моменту тертя, а також пропорційність між потоками й струмами. Звичайна рівність моментів здійснюється при струмі навантаження, рівному 10% номінального.

Однак ці умови не можуть бути виконані при всіх режимах роботи лічильника. Порозумівається це тим, що момент тертя не залишається постійною величиною, а є складною функцією швидкості диска, у той час як компенсаційний момент не залежить від швидкості диска. Крім того, через нелінійність магнітних характеристик матеріалу сердечників електромагнітів не може дотримуватися стругаючи пропорційність між потоками і струмами при різних режимах роботи лічильника. У результаті лічильник має похибку.

Характерна зміна основної відносної похибки лічильника залежно від навантаження представлена на Рис. 1.З – навантажувальна крива лічильника.

Рисунок 1.3 – Навантажувальна крива лічильника

Є чотири характерні області зміни відносної похибки: в області І - диск лічильника обертається швидше необхідного, тому що компенсаційний момент перевищує момент тертя; в області II - диск лічильника обертається повільніше необхідного, оскільки компенсаційний момент менше моменту тертя, що зросло у зв'язку зі збільшенням швидкості диска через зростання навантаження; в області ІІІ - зростання швидкості диска обумовлено нелінійною залежністю, між і потоком на початковій ділянці кривої намагнічування матеріалу магнітопроводу зі струмовою обмоткою (потік росте швидше, ніж струм ); в області IV - швидкість диска зменшується через зростання гальмівного моменту, що виникає при перетині диском лічильника потоку послідовного кола всього струму, що збільшується зі зростанням

Похибка, ілюстрована на Рис. З навантажувальної кривої лічильника, є основною, тобто виникає при нормальних умовах роботи лічильника. При зміні цих умов або під дією різних зовнішніх факторів (зміна напруги, частоти, температури і т.д.) у лічильника будуть з'являтися додаткові похибки.

При нерівності моментів, коли компенсаційний момент більше моменту тертя, диск лічильника обертається швидше ніж необхідно. Він може обертатися і при відсутності струму в струмовій обмотці, тобто коли споживач не споживає енергію, а обмотка напруги підключена до джерела напруги. Для усунення цієї напруги, що називається самоходом лічильника, на осі диска зміцнюють гачок II (див. рис. 1.1). Намагнічена потоком пластина із прапорцем 10 притягає гачок II і усуває самохід. При цьому сила взаємодії між прапорцем і гачком повинна бути відрегульована так, шоб лічильник мав необхідний поріг чутливості.

Рисунок 1.4 – Схема включення індукційного лічильника

Включення одноелементного індукційного лічильника в однофазне коло здійснюється так само, як і включення одноелементного ватметра. На рис. 1.4 показана схема включення індукційного лічильника: Г – генераторні затискачі; Н – затискачі навантаження .

Для зміни активної енергії в трифазних трипровідних або чотирипровідних колах випускаються двоелементні і триелементні лічильники типів САЗ і СА4.

Для обліку реактивної енергії в трифазних колах служать спеціальні індукційні лічильники, що мають деякі зміни в пристрої обмоток або в схемі включення в порівнянні з лічильниками активної енергії.

Індукційні лічильники нечутливі до зовнішніх магнітних полів, вони надійні в роботі, витримують значні перевантаження по струму (300 %) і мають власне споживання енергії 3 Вт (лічильники класу точності 1,0) і 1.5 Вт (лічильники класу точності 2,0 та 2,5).

Конструкція однофазного електронного лічильника активної енергії

Корпус лічильника, монтажні отвори та контактна колодка задовільняють вимогам ГОСТ 30207-94 та DIN 43857. Зовнішній вигляд лічильника та розташування керованих елементів представлені на рис. 1.5. На передньому щиті розташовані рідкокисталічний індикатор, елементи оптичного інтерфейсу, світлодіод LED. Під кожухом на металевий екран прикріплений щиток. На ньому розмішена інформація, передбачена ГОСТ 30207-94.

Рисунок 1.5 – Зовнішній вигляд однофазного електронного лічильника активної енергії

Електронний лічильник активної енергії являє собою пристрій, робота якого заснована на аналоговому вимірюванні потужності з наступним перетворенням сигналу в послідовність цифрових імпульсів, частота яких визначає обсяг споживаної електроенергії. Конструкція електронного лічильника містить у собі рідкокристалічний дисплей, інтерфейс підключення, перетворювач, джерело вторинного живлення, мікроконтролер та деякі інші елементи.

Принцип роботи електронного лічильника активної енергії полягає в наступному. Перетворювач здійснює перетворення аналогового сигналу в цифрову імпульсну форму відповідно до споживаної потужності. Мікроконтролер аналізує цифровий сигнал і на його основі розраховує обсяг споживаної енергії та наступну передачу інформації на пристрої виводу і телеметричний вихід. При цьому в пам'яті мікроконтролера зберігаються дані про витрату електроенергії за певний період часу. Вивід інформації здійснюється на дисплей, що являє собою рідкокристалічну матрицю, що виконує функції індикації режиму роботи, часу та кількості спожитої енергії.

Визначення величини, які характеризують лічильник

1.1 Лічильник ват-годин (лічильник активної енергії) – прилад, призначений для вимірювання активної енергії шляхом інтегрування активної потужності в залежності від часу.

1.2 Лічильник вар-годин (лічильник реактивної енергії) – інтегруючий прилад, який вимірює реактивну енергію в вар-годинах або кратним їм одиницях.

1.3 Індукційний лічильник – лічильник, в якому, струми що циркулюють в нерухомих котушках, діють на струми, які індукуються в рухомому елементі, зазвичай диску(ах), що змушує його(їх) рухатись.

1.4 Багатотарифний лічильник – лічильник, який оснащений декількома лічильними механізмами, що приводяться в рух на протязі визначених інтервалів часу, яким відповідають різні тарифи.

1.5 Коло струму – обмотка обертаючого елемента та внутрішнього з’єднання лічильника, призначені для проходження струму кола, до якої підключено лічильник.

1.6 Коло напруги – обмотка обертаючого елемента та внутрішнього з’єднання лічильника, що живляться напругою мережі, до якої підключено лічильник.

1.7 Допоміжне коло – елементи (обмотки, лампи, контакти і т.п.) и з’єднання допоміжного пристрою лічильника, призначені для підключення зовнішнього пристрою, годинника, реле, лічильника імпульсів.

1.8 Номінальний струм* – значення струму, що являється вихідним для встановлення вимог стандарту до лічильника.

1.9 Поріг чутливості – найменше нормоване значення струму, при якому починається неперервне обертання диску лічильника при номінальних значення напруги та частоти та cosφ = 1 (sinφ = 1).

1.10 Самохід – рух диску лічильника під дією напруги, що подається на затискачі кола напруги, при відсутності струму в колі струму.

1.11 Максимальний струм* – найбільше значення струму, при якому лічильник задовольняє вимогам стандарту у відношенні точності.

1.12 Номінальна напруга* – значення напруги, що являється вихідним для встановлення вимог стандарту, якщо лічильник виготовлено для однієї напруги.

1.13 Номінальна частота струму – частота, що являється вихідною для встановлення вимог стандарту до лічильника.

1.14 Номінальна швидкість – число обертів рухомої частини за хвилину при нормальних умовах роботи лічильника, при номінальній напрузі, номінальному струмі і коефіцієнті потужності, рівному одиниці.

______________________________________________________________

* Терміни "напруга" і "струм" відносяться до середньоквадратичних значень, якщо не обумовлене інше.

1.15 Постійна лічильника – величина, що виражає співвідношення між врахованою лічильником енергією і відповідною кількістю обертів рухомої частини:

в ват-годинах на оберт (Вт·г/об) – для лічильників активної енергії;

в вар-годинах на оберт (вар·г/об) – для лічильників реактивної енергії.

1.16 Передаточне число – величина, обернена до постійної лічильника, що виражає співвідношення між кількістю обертів рухомої частини і енергії, яка враховується лічильником:

в обертах на кіловат-годин [об/кВт·г] – для лічильників активної енергії;

в обертах на кіловар-годин [об/квар·г] – для лічильників реактивної енергії.

Маркування

2.1 На кожному лічильнику має бути приведена наступна інформація:

а) назва або торговий знак виробника і, якщо необхідно, місце виготовлення;

б) позначення типу і, якщо необхідно, місце для відображення знаку приймального випробування;

в) одиниця вимірювання електричної енергії;

г) якщо необхідно, для лічильників реактивної енергії класу точності 3,0, кількість годин, на яку розрахована робота лічильного механізму;

д) кількість фаз та кількість проводів кола, для якої призначений лічильник (наприклад, однофазна двохпровідна, трьохфазна трьохпровідна, трьохфазна чотирьохпровідна);

є) заводський номер та рік виготовлення. Якщо заводський номер вказаний на щитку, прикріпленому до кожуха, номер повинен бути вказаний також на цоколі або стійці лічильника;

ж) номінальна напруга за однією з наступних форм:

кількість елементів, якщо їх більше одного, і напруга на затискачах кола напруги лічильника;

номінальна напруга системи або вторинна напруга вимірювального трансформатора, для підключення до якого призначений лічильник.

з) номінальний струм і максимальний струм, виражені, наприклад: 10–40 А або 10(40) А для лічильників безпосереднього ввімкнення з номінальним струмом 10 А та максимальним струмом 40 А;

Приклади маркування напруги приведені в таблиці 1.2;

Таблиця 1.2 – приклади маркування напруги

Лічильник	Напруга на затискачах кола	Номінальна напруга системи, В
На номінальну напругу 220 В для роботи в однофазному двохпровідному колі	220	220
На номінальну напругу 127 В для роботи в однофазному трьохпровідному колі (127 В по відношенню до середньої точки)	254	254
Двохелементний на нормальну напругу 380 В для роботи в трьохфазному трьохпровідному колі (380 В між фазами)	2х380	3х380
Трьохелементний на нормальну напругу 220 В для роботи в трьохфазному чотирьохпровідному колі (220 В фаза-нейтраль)	3х220(380)	3х220(380)
На діапазон напруг від 110 до 143 В для роботи в однофазному двохпровідному колі*	110–143	110–143
На номінальні напруги 127 і 220 В для роботи в однофазному двохровідному колі*	127 і 220	127 і 220
______________________ * Для лічильників реактивної енергії класу точності 3,0

для трансформаторних лічильників номінальний вторинний струм трансформатора(ів), до якого повинен підключатись лічильник, наприклад: "… /5 А";

номінальний та нормований максимальні струми можуть бути включені в позначення типу;

і) номінальна частота, Гц;

к) постійна лічильника у вигляді:

… W·h/r – для лічильників активної енергії,

… var·h/r – для лічильників реактивної енергії або передаточне число у вигляді:

… r/(kW·h) або 1 kW·h = … оберт диску – для лічильників активної енергії,

… r/(kvar·h) або 1 kvar·h = … оберт диску – для лічильників реактивної енергії.

Для лічильників розроблених до 01.01.82, допускається передаточне число зазначати написом:

1 кВт·г = … оберт диску,

1 квар·г = … оберт диску;

л) позначення класу точності лічильника;

Клас точності лічильника має відповідати ГОСТ 8.401 і позначається у вигляді чисел, наприклад, 0,5 або 1, взятих в кружок, або у вигляді "С1.0,5", "С1.1" за ГОСТ 25372.

При відсутності позначення класу точності лічильник має вважатися таким, що має клас точності 2;

м) якщо необхідно, для лічильників реактивної енергії класу точності 3,0, класифікація за ступенем фазового зсуву, виражена 0; 90 або 60;

н) нормальна температура, якщо вона відрізняється від 20 °С;

о) наявність стопору зворотного ходу (якщо такий присутній);

п) позначення стандарту ГОСТ 6570-96;