4.6. Приборы электростатической системы

Действие электростатического прибора (в дальнейшем ЭС - прибора) основано на использовании силы, возникающей между пластинами воздушного конденсатора, заряды на которых имеют разные знаки. Схематический чертеж ЭС - прибора представлен на рис.31. Измеряемое напряжение u(t) прикладывается к неподвижным и подвижным пластинам, которые под действием указанной силы втягиваются в пространство между неподвижными пластинами. Вращающий момент пропорционален квадрату напряжения и содержит поэтому постоянную и переменную составляющую. Частота первой гармоники переменной составляющей в два раза больше частоты первой гармоники измеряемого напряжения. В силу инерционности подвижной части переменная составляющая вращающего момента фильтруется, и подвижная часть отклоняется на угол, пропорциональный постоянной составляющей, то есть среднему значению вращающего момента:

,

где T - период измеряемого тока, - постоянный коэффициент.

Устройство и принцип действия ЭС - прибора говорят о том, что ЭС - прибором может быть только вольтметр, обеспечивающий измерение постоянного напряжения и действующего значения переменного напряжения. ЭС - вольтметр выделяется среди вольтметров всех систем, в том числе и электронных, своим экстремально высоким сопротивлением, которое при измерении постоянного напряжения равно сопротивлению изоляции. При измерении переменного напряжения собственное сопротивление ЭС-вольтметра опреде­ляется его емкостью, не превышающей нескольких сот пикофарад.

Основным недостатком вольтметров электростатической системы является низкий вращающий момент, из-за чего диапазон измеряемых напряжений ограничен снизу значением 30 В, и он может применяться только при условии защиты от вибраций и тряски.

С другой стороны, вольтметры электростатической системы обеспечивают измерение высоких напряжений до 300 кВ без использования делителя напряжения и практически без собственного потребления мощности от объекта.

Достигнутый предел допускаемой основной приведенной погрешности ЭС вольтметров - 0,5%. Частотный диапазон: 0 Гц, 40¸ Гц.

4.7. Приборы индукционной системы

Единственной разновидностью приборов индукционной системы являются счетчики активной и реактивной электрической энергии переменного тока, по-

требляемой нагрузкой. Устройство счетчика электрической энергии схематически представлено на рис. 32. Подвижной частью этого прибора является диск из электропроводящего материала (обычно это алюминий, как обладающий наименьшим весом). Диск вращается на оси, закрепленной в подпятниках, которые должны быть износоустойчивыми и создавать минимальный и неизменный во времени момент трения. Вращающий момент создается двумя электро­магнитами, расположенными по разные стороны от диска. Их расположение таково, что вихревые токи, создаваемые ими в диске, взаимодействуют с полями этих электромагнитов, и при этом взаимодействии возникает момент, пропорциональный произведению токов:

.

Если в одном из электромагнитов протекает ток нагрузки (назовем эту цепь по аналогии с подобной цепью ЭД ваттметра последовательной, см. п. 4.3), а в другом электромагните протекает ток, пропорциональный напряжению на нагрузке, то есть (назовем эту цепьпараллельной , как соответствующую цепь ЭД ваттметра, см. п. 4.3), где R - добавочное сопротивление параллельной цепи, то средний вращающий момент, как и в случае ЭД ваттметра, будет пропорционален активной мощности:

,

где j - угол сдвига фазы между током и напряжением в нагрузке.

Собственное сопротивление последовательной обмотки (тока) делают как можно меньше (десятые доли Ом), а сопротивление параллельной обмотки (напряжения) - как можно больше (единицы и десятки кОм).

Если бы противодействующий момент создавался пружинкой, то угол поворота диска был бы пропорционален мощности. Однако, отсутствие противодействующей пружинки позволяет диску вращаться, то есть выполнять операцию интегрирования угловой скорости его вращения. Если угловая скорость вращения диска пропорциональна мощности, то угол поворота диска (который индицируется индикатором с округлением до целого числа оборотов) пропорционален интегралу от мощности, то есть энергии. Для обеспечения этой пропорциональности противодействующий момент создается стабилизированным постоянным магнитом. Тормозной противодействующий момент возникает за счет того, что при движении диска в поле магнита в диске возникает ток, пропорциональный скорости его вращения, и этот ток взаимодействует с полем магнита, тормозя вращение, как это происходит при рекуперативном торможении электрического двигателя постоянного тока.

Равномерное вращение имеет место тогда, когда равны моменты: вращающий и противодействующий, то есть, когда . Поскольку вращающий момент пропорционален мощностиP, а противодействующий пропорционален угловой скорости вращения w,

,

где - коэффициенты пропорциональности,- момент трения в подпятниках.

Отсюда, пренебрегая моментом трения, получаем:

,,

где a(t) - угол поворота диска счетчика за время t, A(t) - электрическая энергия, потребленная за время t, - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, количество оборотов диска счетчика, пропорционально энергии. Вращение диска через червячное зацепление передается на счетчик числа оборотов, которое индицируется на цифровом индикаторе.

Бытовые и промышленные счетчики предназначены для измерения количества электрической энергии, выделяемой переменным током частотой 50 Гц.

Метрологические свойства счетчиков электрической энергии:

- бытовые счетчики предназначены для измерения электрической энергии при напряжении 220 В и токах 5.0, 10.0, предел допускаемой основной относительной погрешности (то есть приведенной к текущему показанию) 2.5%,

- промышленные счетчики предназначены для измерения перетоков большой электрической энергии при напряжении 3000 В и токах до 1000 А, предел допускаемой основной относительной погрешности (то есть приведенной к текущему показанию) от 0.5%.

Нормированием и международной унификацией свойств счетчиков электрической энергии занимается специальный комитет международной электротехнической комиссии (МЭК), поскольку результаты измерений перетоков электрической энергии через государственные границы являются основой для соответствующих расчетов и экономических санкций.

Схема включения счетчика электрической энергии точно такая, как схема включения ваттметра (сравнить рис. 28 в и схему рис. 32). Так же, как у ваттметра, генераторные зажимы счетчика обозначены звездочкой. После присоединения счетчика к электрической цепи корпус счетчика и все присоединительные зажимы пломбируются во избежание экономических злоупотреблений.