Одноелементний індукційний лічильник

О

Рис.1 Однофазний індукційнийлічільник

дноэлементный індукційний лічильник використовується для обліку активної енергії в однофазних ланцюгах змінного струму.

В технічній літературі електричні лічильники, призначені для обліку енергії в однофазних ланцюгах змінного струму, називають однофазними лічильниками.

Як обертаючого елемента однофазного лічильника використовується індукційний вимірювальний механізм. Принцип дії механізму заснований на взаємодії двох або декількох змінних магнітних потоків з струмами, індукованими ними в рухомому алюмінієвому диску. Можна показати, що виникає в індукційному вимірювальному механізмі обертаючий момент М дорівнює:

M= сfФ₁Ф₂sinψ (1)

де Ф₁ і Ф₂-потоки, що перетинають алюмінієвий диск; f - частота зміни потоків Ф₁ і Ф₂; ψ - кут фазового зсуву між потоками Ф₁ і Ф₂.

Аналізуючи вираз (1), слід зазначити, що:

1) для створення обертального моменту необхідно не менш двох змінних потоків або двох складових одного потоку, мають фазовий зсув і зміщених у просторі;

2) обертовий момент досягає свого максимального значення, коли фазовий зсув між потоками Ф₁ н Ф₂ дорівнює 90° (sinψ - 1);

3) обертаючий момент залежить від частоти зміни потоків Ф₁ н Ф₂

Розглянемо принцип роботи і устрій однофазного індукційного лічильника. На рис.1 схематично показано пристрій широко розповсюдженого індукційного лічильника типу СО (лічильник однофазний);

1

Рис. 2. Векторна діаграма

трифазного лічильника.

-трехстержневой магнітопровід з обмоткою ланцюга напруги; 2 - П-подібний магнітопровід з двома послідовно з'єднаними струмовими обмотками; 3 - алюмінієвий диск, жорстко укріплений на осі рухомої частини; 4 - противополюс з магнітомягкого матеріалу; 5 - сталевий проводок для створення і регулювання компенсаційного моменту; 6 - постійний магніт для створення гальмівного моменту; 7 - короткозамкнені витки; 8 - обмотка, замкнута на дротяний резистор 9 з регульованим опором; 10 - сталевий гачок; 11 - пластина з прапорцем, виконані з магнітомягкого матеріалу; 12 - лічильний механізм; 13 - перемичка для зміни опору резистора 9.

На рис. 2 наведена спрощена векторна діаграма, яка пояснює принцип роботи лічильника. Напруга U₁ прикладена до обмотки напруги, що знаходиться на середньому стержні магнітопровода а 1 (див. рис.1), викликає в обмотці струм І_U відстає по фазі від напруги U у зв’язку з великим реактивним опором обмотки на кут, близький до 90°. Струм І_U створює магнітний потік Ф_U в середньому стержні магнітопровода 1. Потік ділиться на два потоки - потік Ф_U і потік Ф_І. Робочий потік Ф_U перетинає диск 3 і замикається через протиполюс 4.

Для створення гальмівного моменту і забезпечення рівномірної кутової швидкості диска при кожному значенні навантаження, служить постійний магніт 6. При перетині обертовим диском потоку постійного магніту Ф_м (див. рис.1) в диску наводиться ЕРС і виникають струми I_м, пропорційні потоку Ф_м та кутової швидкості диска ω.

Отже, число обертів диска пропорційно активної енергії, яка обліковується лічильником.

Для обліку кількості обертів диска в лічильниках встановлюється лічильний механізм 12 (див. рис.1). Число обертів диска лічильника, що припадає на одиницю обліковується лічильником енергії, називають передаточним числом лічильника. Передаточне число лічильника вказується на щитку лічильника. Наприклад:

1 кВт• год = 2000 обертів диска.

Величина, зворотна передатному числу лічильника, тобто енергія, яка обліковується лічильником за один оборот диска, називається номінальною постійною лічильника С_ном. Для лічильника з зазначеним вище передавальним числом номінальна постійна С_НОМ визначається наступним чином:

Сном = 3600•1000/2000 = 1800 Вт•с/оборот.

Знаючи С_ном і число обертів диска лічильника за даний інтервал часу, неважко визначити враховану лічильником за цей інтервал часу енергію:

W = С_ном•N

Істотний вплив на правильність показань лічильника при малих навантаженнях (при малому значенні струму I) надає момент тертя в рахунковому механізмі і опорах рухомої частини лічильника. Очевидно, що момент тертя, що діє назустріч обертального моменту, буде зменшувати кутову швидкість диска і врахована лічильником енергія буде менше витраченої. Для зменшення похибки лічильника від дії моменту тертя з допомогою спеціальних пристосувань у всіх типах лічильників створюють додатковий обертаючий момент. Цей момент називають компенсаційним моментом. Найбільше поширення отримали три способи створення компенсаційного моменту:

1) за допомогою гвинта з магнітомягкого матеріалу, ввернутого в протиполюс під диском лічильника;

2) з допомогою короткозамкненого витка, розташованого на шляху потоку Ф_U над диском лічильника;

3) з допомогою повідця 5 (див. рис.1), прикріпленого до протиполюсу під диском лічильника.

Незалежно від способу отримання компенсаційний момент виникає в результаті взаємодії двох або декількох потоків, створюваних обмоткою напруги і зсунутих відносно один одного в просторі і по фазі, з струмами, які наводяться ними в диску лічильника. При наявності повідка компенсаційний момент створюється потоками Ф_U і Ф_S. Потік Ф_S замикається через пластину з прапорцем 11, виконану з магнітомягкого матеріалу, і протиполюс 4. Якщо поводок розташований по радіусу диска, то сила, що виникає в результаті взаємодії потоків Ф_U і Ф_S з струмами, наведеними ними в диску, діє також у напрямку радіусу і додатковий обертаючий (компенсаційний) момент відсутній. При зміщенні повідця виникаюча сила створює додатковий обертаючий момент, що компенсує момент тертя.

Відомо, що момент тертя є величиною змінною, яка залежить від кутової швидкості рухомої частини. Компенсаційний момент при незмінному значенні напруги U і даному зсуві повідця є величиною постійною. Отже, рівність компенсаційного моменту і моменту тертя може бути виконано лише при цілком певному навантаженні. Зазвичай рівність цих моментів здійснюють при регулюванні лічильника при струмі I який приблизно дорівнює 10% номінального струму I_ном.

При експлуатації лічильника в ряді випадків компенсаційний момент перевищує момент тертя і диск лічильника починає обертатися навіть при струмі I = 0, тобто коли споживач не витрачає енергію.

У відповідності з ДЕРЖСТАНДОРТУ обертання диска лічильника під дією напруги, поданого на затискачі паралельного ланцюга, і при відсутності струму в послідовному ланцюзі називається самоходом. Для усунення самоходу на осі диска прикріплюють гачок 10 (див. рис.1) з феромагнітного матеріалу. Прапорець 11 намагнічується потоком Ф_S і, притягаючи гачок 10, усуває самохід. Сила взаємодії між гачком і прапорцем повинна бути відрегульована так, щоб лічильник володів допустимим порогом чутливості. Під порогом чутливості лічильника розуміють найменшу нормоване значення струму I у відсотках I_ном, при якому починається безперервне обертання диска лічильника при номінальних значеннях напруги і частоти та при соsφ=1.

На роботу лічильника впливають численні фактори, обумовлені конструкцією лічильника, якістю виготовлення деталей, матеріалом деталей т. д. По точності обліку електроенергії лічильники активної енергії можуть бути таких класів точності: 0,5; 1,0; 2,0 і 2,5.

Лабораторна робота №13 1 Тема

Вимірювання коефіцієнта потужності

2. Мета

2.1. Ознайомитися із влаштуванням і ввімкненням фазометра

2.2. Виміряти коефіцієнт потужності при різних видах навантаження

2. Технічне забезпечення

Таблиця 17.1.

Назва	Тип	Кіл	Номінальні значення	Ціна поділки	Клас точності	Система механізма
Фазометр	Д578	1
Ватметр	Д539	1
Амперметр	Э-59	1
Вольтметр	Э-377	1	250В
Навантажувальний трансформатор	ОСИ-0,250	1	220/2В
Ламповий реостат		1
Рубильник		1

2. Порядок виконання

4.1. Ознайомитися з приладами, дані записати до табл.17.1.

4.2. Зібрати схему рис.17.1. Перевірити нулі амперметру, вольтметру, ватметру. Показати схему для перевірки викладачу.

Рисунок 17.1 – Схема виміру коефіцієнту потужності

4.3. Ввімкнути автомат. Показання приладу занести до табл.17.2. Вимкнути автомат.

4.4. Вимкнути котушку індуктивності, залишити лише лампи. Ввімкнути автомат і знов зняти показання з приладів. Дані вимірів показати викладачу, отримавши дозвіл, розібрати схему.

Таблиця 17.2.

Обміряти								Розрахувати
I		U		P		cos		S	cos1	1
Поділ.	А	Поділ.	В	Поділ.	Вт	-	Град.	BA		Град.

4.5. Обчислити cos побічним засобом й порівняти результат із показанням фазометра.

4.6. Побудувати векторні діаграми для обох дослідів.

2. Контрольні питання

5.1. Який устрій та принцип дії електродинамічного фазометру?

5.2. Як вмикають фазометр у вимірювальне коло?

5.3. Намалювати трикутник потужності та привести формули розрахунку потужностей.

5.4. Привести формули для розрахунку соs φ.

ВИМІРЮВАННЯ ФАЗОВОГО ЗСУВУ

В

имірювання фазового зсуву між напругою і струмом навантаження на промисловій частоті, між двома гармонійними напругами (наприклад, вхідним і вихідним напругами чотириполюсника, підсилювача) в залежності від частоти, між двома періодичними напругами однакової частоти будь-якої форми. Ці завдання часто зустрічаються в дослідницької та виробничої практики. Методи вимірювання та принципи побудови приладів залежать від діапазону частот сигналу і його форми, потужності джерел сигналів, необхідної точності вимірювання.

Електромеханічні фазометри. Електродинамічні та феродинамічні логометри можуть бути використані для побудови фазометрів (як показуючих, так і самописних), призначених для вимірювання фазового зсуву між напругою і струмом навантаження і коефіцієнта потужності.

Електрична схема електродинамічного фазометра і відповідна їй векторна діаграма представлені на рис. 1. Рухома частина механізму, що представляє два жорстко скріплені між собою під кутом 60° рамки, кріпиться на осях і опорах. Механічний протидіючий момент у механізмі відсутній. Взаємодія струму I₁ (I₁ = I_нав), що протікає по нерухомій котушці приладу, з струмом I₂, що протікає по обмотці рамки 2, кут між площиною якої і площиною нерухомої котушки дорівнює 150° при ά = 0, створює обертаючий момент

М₁ = c₁•I₁•I₂ •cos (I₁I₂) •sin (150° - ά).

Взаємодія струму I₁ з струмом I₃ створює обертаючий момент М₂ який діє назустріч моменту М₁

М₂ = c₂•I₁•I₂ •cos (I₁I₃) •sin (150° - 60⁰ - ά).

З векторної діаграми витікає, що cos (I₁I₂) = cos φ

Фазовий зсув між U (або I₂) і струмом I₃ виконується рівним ψ = 60° за рахунок включення в ланцюг обмотки рамки 3 котушки індуктивності L₃ і резистора R₃, Отже,

cos (I₁I₃) = cos (60°- φ).

У сталому режимі рухома частина приладу займе положення, при якому М₁ = М₂, тому

c₁•I₁•I₂ •cosφ•cos (60°- φ) = c₂•I₂ •cos(60°- φ)• cosά

Якщо виконується умова c₁•I₁•I₂ = c₂•I₃, то остання рівність виконується при ά = φ. Таким чином, кут повороту рухливої частини дорівнює фазового зсуву між напругою і струмом в навантаженні. Прилад має лінійну шкалу. Його свідчення практично не залежать від нестабільності напруги на навантаженні (в межах 10-20%). Недоліками таких фазометрів є порівняно велика споживана потужність від джерела сигналу (5-10ВА) і залежність показань від частоти.

Шкала розглянутого фазометра може бути проградуйована також у значеннях коефіцієнта потужності, тобто в значеннях cos φ.

Н

аведена похибка лабораторних фазометрів не більше ±0,5%. Характеристики, зазначені вище, має електродинамічний фазометр типа Д578.

S

S

P

Q_L

= I•U

S =

cos φ = P/S

Лабораторна робота №14 1.Тема

Вимірювання напруженості магнітного поля та магнітної індукції

2.Мета

2.1.Навичитися експериментально визначати параметри магнітних величин

1. Технічне забезпечення

Таблиця 18.1.

Назва	Тип	Кіл	Номінальні значення	Ціна поділки	Клас точності	Система механізма
Мілівеберметр	М 119	1
Постійний магніт		1
Вимірювальна котушка		2

2. Порядок виконання

4.1. Зібрати схему рис.18.1

Рисунок 18.1 – Схема виміру магнітного потоку за допомогою мілівеберметра

Для виміру викристовується мілівеберметр М119 з постійною С=0,1мВб/поділ, вимірювальна рамка із числом витків W_к.

4.2. Поставити ножи перемикача на мілівеберметр у положення 1 (крайнє ліве), цим приєднується до рамки 1 надіта на магніт вимірювальна котушка. Після цього вимірювальну котушку швидко зняти з магніту. Потокозчеплення котушки зменшується. За рахунок імпульсу рамка 1 повертається на такий кут , при якому відбувається збільшення потокозчеплення рамки, рівне зменшенню потокозчеплення вимірювальної котушки. Записати кут відхилення стрілки мілівеберметра й обчислити величину магнітного потоку:

,

де: Wр – число витків рамки;

S - площа рамки;

С_ф – ціна поділки мілівеберметра;

 - кут відхилення стрілки;

W_к – число витків котушки.

4.3. Для встановлення стрілки у початкове положення перемикач переводять у положення 2 праворуч, при цьому рамка 1 мілівеберметра під’єднується до рамки 2 допоміжного механізму, ручка якої виведена на панель приладу. Повертаючи рамку допоміжного механізму встановлюють стрілку на нуль шкали.

4.4. Визначити магнітну індукцію В:

,

де: S – площа перетину витка котушки.

4.5. Визначити напруженість магнітного поля Н в середині постійного магніта:

,

де: ₀ – магнітна постійна 12510-8Fн/м

3. Контрольні питання

5.1. На якому принципі працює веберметр?

5.2. Які ще методи виміру магнітного потоку існують?

Лабораторна робота №10 Тема

Застосування електронно-променевого осцилографа для вимірювання кута зсуву фаз та частоти

2. Мета

2.1.Навчитися застосовувати осцилограф для виміру куту зсуву фаз та частоти

2. Технічне забезпечення

Таблиця 10.1.

Назва	Тип	Кіл	Номінальні значення	Ціна поділки	Клас точності	Система механізма
Генератор	ГЗ-33	1
Осцилограф	С1-67	1
Коло у стенді		1
ЛАТР		1
Вольтметр	Э59	1

2. Порядок виконання

4.1. Зібрати схему рис.19.1.

Рисунок 19.1 – Схема виміру кута зсуву фаз і частоти

4.2. Положення перемикачів генератора:

множинник - 1, шкала приладу - 1, предмети шкал – АТТ, 600, частота– 50Гц.

4.3. Ввімкнути генератор, встановити після прогріву напругу на виході 10В.

4.4. Ввімкнути осцилограф вимикачем “СЕТЬ”.

4.5. Положення ручок осцилографа: підсилювач - , підсилення, калібр– праворуч до фіксації, стнхронізація - , вольт/поділ – 10, час/поділ – 5mS.

4.6. На вхідY напруга з клем 1, 3.

На вхід Х – з клем 2, 3.

4.7.Встановити зображення еліпса у центрі екрану. Зміряти кут зсуву фаз струму та напруги. Для цього зарисувати зображення еліпса з поділками сітки екрану.

Синус куту визначається як відношення: ;=arcsin.

4.8. Для вимірювання частоти методом фігур Ліссажу необхідно ввімкнути прилади й зібрати схему рис.19.2, не змінюючи положень регуляторів генератора та осцилографа.

Рисунок 19.2 – Схема виміру потужності у трифазному колі

4.9. Ввімкнути схему, встановити автотрансформатором напругу 5 В.

4.10. Змінюючи частоту напруги генератора встановити на екрані одну з фігур Ліссажу.

4.11. Визначити частоту напруги, що подається на вихід Х. Для визначення відношення частот необхідно підрахувати найбільше число точок пересічень вертикальної Nу та горизонтальної Nх прямими фігури, що спостерігається.

Після цього скласти відношення ,

де: fх і fу – частоти напруг, що подаються на входи каналів Y та Х осцилографа.

Звідси: ;.

Наприклад:

4.12.Дані дослідів занести до табл.19.2.

Таблиця 19.2

1 дослід		2 дослід
sіn		Nх	Nу	fо=fу
-	град	-	-	Гц

4.13. Скласти звіт за необхідною формою.

2. Контрольні питання

5.1. Які засоби виміру фазового зсуву й частоти ви знаєте?

5.2. Накреслити схему електродинамічного фазометра й пояснити його принцип дії.

Таблиця 19.1.

Назва	Тип	Кіл	Номінальні значення	Ціна поділки	Клас точності	Система механізма
Генератор	ГЗ-33	1	30 В	1 В/под	2,5	електронний
Осцилограф	С1-67	1		2 В/под	5	електронний
Коло у стенді		1	R C
ЛАТР		1	220 В
Вольтметр	Э59	1	75 В	0,2 В/под	0,5	електромагн.

Рисунок 19.1 – Схема виміру кута зсуву фаз і частоти (1 дослід)

Рисунок 19.2 – Схема виміру потужності у

трифазному колі (2 дослід)

Таблиця 19.2

ab	cd	sіn		Nх	Nу	fо=fу
под	под	-	град			Гц
14	22			4	6
				7	9

Електронно-променевий осцилограф - прилад для візуального спостереження електричних процесів, представлених у формі напруги, а також виміру різних параметрів сигналів, що визначають їхні миттєві значення й тимчасові характеристики. Крім того, осцилограф може бути використаний для виміру фазового зрушення між двома синусоїдальними напругами, частоти й складових комплексного опору.

Основним вузлом осцилографа є електронопромінева трубка, що представляє собою скляну колбу, у якій створений вакуум Група електродів, що включає катод К с ниткою розжарення сітку С и аноди А і А₂, утворить так звану «електронну гармату», призначену для одержання вузького пучка електронного променя. Системи що відхиляє промінь трубки складається із двох пар пластин: вертикальні пластини використаються для відхилення променя по вертикалі (це пластини що відхиляють вертикально - ВП), горизонтальні пластини - для відхилення променя по горизонталі (це пластини, що відхиляють горизонтально - ГП). Екран Е трубки покривається спеціальною речовиною — люмінофором, що має здатність світитися під дією електронів, що вдаряються в нього.

Необхідність введення підсилювачів Вγ і Ух пояснюється малою чутливістю трубки, внаслідок чого спостереження малих сигналів вимагає їхнього попереднього посилення.

Процес примусової генерації генератором розгорнення напруги із частотою, рівній або кратній частоті досліджуваного сигналу, називається синхронізацією. Для здійснення синхронізації в схему генератора ГР уводиться синхронізуючий сигнал.