5.8 Трехфазные счетчики электрической энергии.

Трехфазные счетчики электрической энергии имеют две или три вращающих группы магнитов, каждая из которых включает электромагнит параллельной цепи с обмоткой напря­жения и электромагнит последовательной цепи с обмоткой тока. Наиболее распространен в качестве электромагнита параллельной цепи трехстержневой электромагнит с противополюсом. Магнитопровод такого электромагнита изображен на рис. 5.21.

Рис. 5.21. Трехстержневой электромагнит с противополюсом:

1 – трехстержневой магнитопровод электромагнита параллельной цепи; 2 – противополюс; 3 – шунты; 4 – алюминиевый вращающий диск счетчика

Рассмотренный электромагнит работает следующим образом. Рабочий магнитный поток Ф_р, возбуждаемый обмоткой напряжения электромагнит, пронизывает диск 4, замы­каясь через противополюс 2. Магнитный поток рассеяния Ф_L , также создаваемый параллельной обмоткой, замыкается через стержни магнитопровода 1 и шунты 3. Поток Ф_L используется только для того, чтобы получить сдвиг по фазе между потоком Ф_р и тем потоком Ф_I, который создается электромагнитом последовательной цепи с помощью токовой обмотки. Электромагнит последовательной цепи имеет П – образный магнитопровод с одной токовой обмоткой.

Особенностями конструкции трехфазного счетчика, изображенного на рис. 5.22. является наличие двух алюминиевых дисков 3, жестко связанных с осью вращения 4, а также наличие двух тормозных постоянных магнитов 5.

Рис. 5.22. Упрощенная конструкция трех­фазного счетчика для четырехпроводной сети:

1 - электромагнит параллельной цепи с обмоткой на­пряжения; 2 - электромагнит последовательной цепи с обмоткой тока; 3 - диск алюминиевый; 4 - ось вращения; 5 - тормозные постоянные магниты

Схема включения указанного счетчика в четырехпроводную сеть приведена на рис. 5.23.

Рис. 5.23. Схема включения трехфазного счетчика в трехпроводную сеть:

1 - токовая обмотка электромагнита последовательной цепи; 2 - обмотка напряжения электромагнита параллельной цепи

Для учета электроэнергии в трехпроводных сетях используются двухэлементные счетчики. Их схема включения в трехпроводную сеть показана на рис. 5.24.

Рис. 5.24. Схема включения двухэлементного счетчика в трехфазную сеть.

Класс точности для счетчиков активной энергии: 0,5 ;1,0; 2,0 ; 2,5.

6. Электронные приборы (электронные вольтметры)

Электронный вольтметр является прибором с преобразованием рода тока.

Введем обозначения: В - выпрямитель; У - усилитель переменного тока; УПТ - усилитель постоянного тока; М - модулятор.

Достоинства магнитоэлектрического измерительного механизма (МЭИМ) и, в первую очередь, такие, как высокая точ­ность и равномерность шкалы, предопределили его использование в элек­тронных вольтметрах.

На рис. 6.1. изображена структурная схема универсального электронного вольтмет­ра, состоящего из выпрямителя, усилителя постоянного тока и МЭИМ. В этой схеме реализуется два входа:

• переменного тока- через выпрямитель В;

• постоянного тока - через усилитель постоянного тока УПТ

Рис. 6.1. Схема универсального электронного вольтметра постоянного и переменного тока

Порог чувствительности по напряжению на переменном токе составляет

U₀ = 0.1- 0.2 В. Это объясняется тем, что первым блоком на переменном токе

явля­ется выпрямитель.

Порог чувствительности определяется порогом чувствительности диодов выпрямителя.

Рис. 6.2. Входная характеристика полупроводного диода:

а) – реальная; б) – аппроксимация двумя прямыми линиями

Недостатки универсального электронного вольтметра:

наличие порога чувствительности на переменном токе (0,1-0,2 В); дрейф нуля на постоянном токе.

Достоинства универсального электронного вольтметра:

• благодаря использованию на входе по переменному току высокочастотных выпрямительных диодов можно достичь максимальной частоты измеряемого сигнала до fmax=300 МГц;

• чувствительность по постоянному току рассматриваемого ЭВ во много раз выше, чем по переменному току (до единиц микровольт).

На рис. 6.3. изображена структурная схема электронного вольтметра переменноготока

Рис. 6.3. Структурная схема электронного вольтметра переменного тока

Недостатки электронного вольтметра переменного тока:

- благодаря тому, что на входе рассматриваемого ЭВ находится усилитель переменного тока верхняя граница частотного диапазона измеряемого сигна­ла не превышает значения f_max=3 МГц, что соответствует параметрам стан­дартного измерительного усилителя переменного тока.

Достоинства электронного вольтметра переменного тока:

- благодаря тому, что на входе рассматриваемого ЭВ находится усилитель переменного тока порог чувствительности такого ЭВ достигает 1мкВ , что соответствует стандартным значениям параметров измерительного усилителя переменного тока.

На базе схемы рис. 6.3 могут быть реализованы два типа вольтметров

переменного тока: вольтметр средних значений и вольтметр действую­щих значений.

В вольтметрах средних значений после выпрямителя В (рис. 6.3.) вводит­ся интегратор и делитель напряжения, определяющий размер шкалы прибо­ра.

В вольтметрах действующих значений после выпрямителя В вводится квадратичный преобразователь с масштабирующим устройством, опреде­ляющим размер шкалы прибора.

На рис. 6.4. изображена структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Рис. 6.4. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока с модуляцией-демодуляцией входного сигнала

Электронный вольтметр постоянного тока на рис. 6.1 имеет существенный недостаток, связанный с неконтролируемым дрейфом нуля, т.к. стандартный УПТ, применяющийся в этой схеме может иметь значительную не контролируемую аддитивную составляющую погрешности. Это свойственно всем стандартным УПТ.

В рассматриваемой схеме электронного вольтметра входной сигнал напряжения постоянного тока преобразуется с помощью модулятора в напряжение переменного тока с заданным апмлитудным информационным признаком. Модулированный сигнал усиливается усилителем У переменного тока и с помощью специального выпрямителя демодулируется в постоянное напряжение, поскольку усилитель переменного тока не имеет аддитивной погрешности, то аддитивная составляющая погрешности рассматриваемой схемы на несколько порядков меньше, чем на схеме рис. 6.1.

Схема, изображенная на рис. 6.1, применяется в универсальных вольтметрах (на постоянном токе его диапазон составляет от 1 В до 300 В, на переменном токе диапазон напряжения тот же, а верхняя граница частотного диапазона достигает 300 МГц.

Схема, изображенная на рис. 6.3, применяется в микро- и милливольтметрах переменного тока. На базе этой схемы разрабатываются вольтметры средних значений и вольтметры действующих значений.

Схема, изображенная на рис. 6.4, применяется в прецизионных вольтметрах постоянного тока. Класс точности от 0.01 до 0.5. Нижняя граница диапазона измерения до 1 мкВ.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 6.5, а) или закрытым (рис. 6.6, а) входами, где и_п и и_вых — входное и выходное напряжения преобразователя.

Рис. 6.5. Схема (а) и временные диаграммы сигналов ( б и в) преобразователя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом.

Рис. 6.6. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б) преобразователя амплитудных значений с закрытым входом

В амплитудных преобразователях с открытым входом конденса­тор заряжается практически до максимального и_{х mах} положитель­ного (при данном включении диода) значения входного напряже­ния (см. рис. 6.5, б.) Пульсации напряжения u_вых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда и_вх u_вых, и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда и_вх u_вых. Как видно из рисунка, отпирание диода и подзаряд конденсатора происходит лишь в короткие промежутки вре­мени θ, определяемые постоянными времени заряда _з, и разряда _Р. Для того чтобы пульсации напряжения на выходе преобразо­вателя были незначительными, необходимо обеспечить _з l/ƒ_в , _Р l/ƒ_н, где ƒ_в , ƒ_н — верхняя и нижняя границы частотного диа­пазона вольтметра. При этом среднее значение выходного напря­жения и_ср и_{х mах} и, следовательно, угол отклонения указателя измерительного механизма

k_V и_{х mах}

где k_V — коэффициент преобразования вольтметра.

Особенностью амплитудных преобразователей с открытым входом является то, что они пропускают постоянную составляю­щую входного сигнала (положительную для данного включения диода). Так, при и_вх = U₀ + U_m sin с U₀>U_m (см. рис. 6. 5, в) среднее значение выходного напряжения и_ср =U₀+ U_m. Следова­тельно, = k_v (U₀+U_m). Очевидно, при и_вх<0 подвижная часть ИМ не будет отклоняться, поскольку в этом случае закрыт диод Д.

В преобразователях с закрытым входом (рис. 6. 6, а, б) в уста­новившемся режиме на резисторе R независимо от наличия по­стоянной составляющей входного сигнала имеется пульсирующее напряжение u_R, изменяющееся от 0 до -2U_m, где U_m — ампли­туда переменной составляющей входного напряжения. Среднее значение этого напряжения практически равно U_m. Для уменьше­ния пульсаций выходного напряжения в таких преобразователях устанавливается фильтр нижних частот R_фC_ф. Таким образом, показания вольтметра в этом случае определяются только ампли­тудным значением переменной составляющей входного напряже­ния и_х, т. е. =k_VU_m.

Особенности амплитудных преобразователей с открытым и закрытым входами следует учитывать при измерении электрон­ными вольтметрами.

Поскольку шкала вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении на­пряжений другой формы необходимо делать соответствующий пересчет, если известен коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы U_m =k_а.с. U_пр= 1,4U_пр, где k_а.с = 1,41 — коэффициент амплитуды синусоиды; U_пр - значение напряжения, отсчитанное по шкале прибора. Действующее зна­чение измеряемого напряжения U=U_m/k_а= 1,4 U_пр / k_а, где k_а -коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. В качестве выходного измерительного механизма предпочтительным является МЭИМ, представляющий собой хороший электромеханический интегратор напряжения U_вых.