4.7. Индукционные приборы
Принцип работы индукционного измерительного механизма основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с вихревыми токами, индуцированными ими в подвижном диске. Такие механизмы используются лишь в счетчиках электрической энергии. Поскольку энергия является интегралом по времени от мощности, счетчики энергии должны быть чувствительны к мощности и обладать интегрирующими свойствами.
На рис. 4.9 представлено устройство индукционного измерительного механизма однофазного счетчика.
Рис. 4.9. Измерительный механизм счетчика энергии
Подвижная часть механизма представлена алюминиевым диском 3, насаженным на ось 4, которая свободно вращается в подпятниках. Неподвижная часть содержит два электромагнита: последовательный 1 и параллельный 2. Обмотка первого включена последовательно с нагрузкой, обмотка второго находится под переменным напряжением сети. Переменные токи i1, i2 возбуждают магнитные потоки Ф1, Ф2, которые пронизывают диск и наводят в нем вихревые токи. Их взаимодействие с магнитными потоками вызывает возникновение вращающего момента, который приводит диск во вращение. Чтобы вращение диска было равномерным, необходим тормозной момент. Он создается постоянным магнитом 5 аналогично успокаивающему моменту в магнитоиндукционных успокоителях. Вращение диска через червячную передачу 6 передается отсчетному устройству, которое тарировано в единицах электрической энергии. В соответствии с принципами электромеханики вращающий момент пропорционален частоте, произведению магнитных потоков и синусу угла сдвига фаз между ними:
.
Магнитопроводы электромагнитов ненасыщенны, поэтому потоки Ф1, Ф2 можно полагать пропорциональными токам I1, I2. Пренебрегая активным сопротивлением обмотки параллельного электромагнита, имеем
где L2 – индуктивность обмотки параллельного электромагнита.
Подставив значения потоков в уравнение для момента, получим
(4.14)
где
коэффициент пропорциональности при
вращающем моменте. Для дальнейшего
преобразования рассмотрим векторную
диаграмму (рис. 4.10).
Магнитные потоки
и
отстают от возбуждающих их токов на
углы 1 и 2,
обусловленные магнитными потерями в
сердечниках. На диаграмме видно, что
потоки
и
сдвинуты по фазе на угол
.
Рис. 4.10. Векторная диаграмма счетчика
Если электромагниты выполнить так, чтобы углы магнитных потерь были одинаковы, то
и вращающий момент окажется пропорционален активной мощности
.
(4.15)
Тормозной момент при магнитоиндукционном торможении пропорционален скорости вращения
,
где
– угловая скорость вращения диска.
Приравняв вращающий и тормозной моменты, получим
.
Проинтегрируем обе части полученного равенства в интервале времени от t1 до t2:
.
Здесь WЭ – количество энергии, поступившей в нагрузку за время t2 –t1; N – число полных оборотов диска за то же время.
Таким образом, имеем
или
.
Величина
имеет размерность
и называется номинальной постоянной
счетчика. Она показывает, какое количество
энергии учитывается счетчиком за один
оборот диска.
В окончательном виде уравнение преобразования приобретает вид
.
(4.16)
Погрешности и их нормирование. Номинальная постоянная зависит лишь от конструкции данного типа счетчика и должна быть известна заранее. Однако вместо нее на передней панели счетчика указывают передаточное отношение А, показывающее, какому числу полных оборотов диска соответствует энергия, равная одному киловатт – часу. Поэтому совершенно очевидным является соотношение
.
Действительная постоянная конкретного экземпляра счетчика определяется опытным путем при его поверке и может отличаться от номинальной как в ту, так и в другую сторону. При этом относительная погрешность учета энергии составит
.
(4.17)
Класс точности счетчика устанавливается по пределу основной допустимой погрешности, т.е. по погрешности, которая возникает, когда факторы, влияющие на нее, не выходят за допустимые границы. К числу таких факторов относятся величина напряжения и его форма, частота, температура, характер нагрузки и коэффициент мощности. Поэтому при поверке счетчика должны соблюдаться следующие условия:
номинальное напряжение;
стандартная частота;
синусоидальность кривой напряжения;
нормальная температура.
Государственным стандартом для индукционных счетчиков предусмотрены классы точности 0,5; 1,0; 2,0; 2,51.
Отклонения влияющих факторов вызывают появление дополнительной погрешности, которая в ряде случаев может превысить основную.