Измерение мощности в цепи однофазного синусоидального тока

  где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции электромагнитов и диска.

  Из-за наличия воздушных зазоров сердечники обоих электромагнитов находятся в ненасыщенном состоянии, поэтому потоки Ф_I и Ф_р будут пропорциональны токам в обмотках, то есть 

  Ф_I = k_II; Ф_р = k_uI_u U/Z_u,

  где Z_U — полное сопротивление параллельной обмотки, которое при неизменной частоте — величина постоянная.

  Подставляя  значения потоков в уравнение (5.1) и объединяя постоянные, получим:

  M_вр = kUI sinψ

  Для того чтобы показания счетчика соответствовали  потребляемой нагрузкой энергии, его вращающий момент должен быть пропорционален активной мощности переменного тока, то есть

  M_вр = kUI cosφ = kP (5.2)

  Для этого необходимо, чтобы sinψ= cosφ, а это будет в том случае, если угол сдвига фаз между потоками Ф_I, и Ф_р

  ψ=90°-φ(5.3)

  Из  векторной диаграммы, приведенной на рис. 15, б, следует, что ψ = β - α -φ. Таким образом, для выполнения условия (5.3) угол β - α должен быть равен 90°.

  Выполнение  этого условия достигается конструкцией электромагнита 1, которая позволяет получить угол β> 90°. Для регулировки угла α на электромагнит 4 (рис. 15, а) накладывают короткозамкнутые витки w и обмотку 5, замкнутую на проволочный резистор R, выполненный в виде петли с перемещающимся контактом. Регулируя сопротивление R, меняют потери на пути потока Ф_I и, следовательно, изменяют угол α, добиваясь, таким образом, равенства β - α = 90° и выполнения условия (5.3), а значит и соотношения (5.2).

  Роль  противодействующего момента в  счетчиках выполняет тормозной  момент М_т, возникающий при вращении алюминиевого диска 3 подвижной части в поле постоянного магнита 4 (см. рис. 15). Так как значения индуцируемых в диске вихревых токов пропорциональны скорости изменения магнитного потока, то есть скорости вращения диска dα/dt, то тормозной момент определяется выражением

  М_т = k₁ dα/dt(5.4)

  где k₁ — коэффициент пропорциональности.

  Под действием вращающего момента диск начинает вращаться с ускорением, что увеличивает тормозной момент до тех пор, пока моменты не уравновесят друг друга (М_вр= М_т) и вращение не станет равномерным. С учетом зависимостей (5.2) и (5.4) имеем

  Kp = k₁ (dα/dt) или Pdt = (k₁/ k ) * dα

  Интегрируя  последнее равенство в пределах интервала времени ∆t, получим:

  w=cn

  где W — энергия, израсходованная в нагрузке за интервал времени ∆t, N— число оборотов диска за этот же интервал времени; С — постоянная счетчика.

  Отсчет  энергии производится по показаниям счетного механизма 2 (рис. 15) — счетчика оборотов, градуированного в единицах энергии. Единице электрической энергии (обычно 1 кВтч), регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика (диска). Это соотношение, которое называется передаточным числом А, указывается на лицевой панели счетчика.

  В настоящее время промышленностью  выпускается довольно большое количество типов индукционных счетчиков, среди которых отметим СА4У-И682, СА4У-И670М и СР4У-И689. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Цифровые  счетчики электрической  энергии.

 Ещё несколько лет назад контроль потребления и сбережение электроэнергии не были столь актуальны. Всех вполне устраивали цены на электроэнергию и  соответствующая система её учёта  на базе электромеханических (индукционных) счётчиков. Принцип их работы основан на подсчёте количества оборотов диска, вращающегося в бегущем магнитном поле. Частота вращения пропорциональна мощности, а количество оборотов — потребляемой электроэнергии. Такие счётчики просты, надёжны и дёшевы.

 При переходе России на рыночные отношения, у поставщиков электроэнергии возникла проблема контроля и управления её потреблением. В свою очередь, потребитель заинтересован в том, чтобы не переплачивать. В результате, стало необходимо увеличение сервисных функций счётчиков. Поставщикам необходим оперативный доступ ко всей информации о количестве проданной электроэнергии на данный момент и дистанционный контроль. Потребитель заинтересован в экономии электроэнергии за счёт использования различных тарифов (дневной, ночной и так далее) и в удобном способе оплаты. Альтернатива этому — применение электронных платежей, вплоть до установления картридеров непосредственно в сами счётчики для оплаты.

 Современные механические счётчики не могут справиться с поставленными задачами, при условии оптимального соотношения цена/качество. Поэтому необходим новый подход к системам учёта электроэнергии и проведения платежей.

 В настоящее  время, при стремительном развитии микроэлектроники и снижении цен на электронные компоненты, цифровые системы управления постепенно вытесняют своих аналоговых конкурентов. Это, в первую очередь обусловлено большим разнообразием микроконтроллеров и резким снижением их стоимости. Одно из главных преимуществ цифровых систем управления на базе микроконтроллеров — это гибкость и многофункциональность, достигаемые не аппаратно, а программно, не требуя дополнительных материальных затрат. Переход на микроконтроллерное управление счётчиков электрической энергии имеет ряд преимуществ, в первую очередь, повышение точности и надёжности, а так же многофункциональность, достигаемая за счёт малых аппаратных затрат.

 В зависимости  от требований, современные цифровые счётчики должны в любой момент времени  оперативно передавать требуемые данные по различным каналам связи на диспетчерские пункты энергоснабжающих предприятий для оперативного контроля и экономических расчётов потребления электроэнергии.

 Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый период времени, необходимо интегрировать во времени мгновенные значения активной мощности. Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени. На этом принципе работает любой счётчик электрической энергии. На рис. 13 показана блок-схема электромеханического счётчика.

     Рисунок 13 Блок-схема электромеханического счетчика электрической энергии

Реализация  цифрового счётчика электрической энергии (рис. 15) требует специализированных ИС, способных производить перемножение сигналов и предоставлять полученную величину в удобной для микроконтроллера форме. Например, преобразователь активной мощности — в частоту следования импульсов. Общее количество пришедших импульсов, подсчитываемое микроконтроллером, прямо пропорционально потребляемой электроэнергии.

Рисунок 15 Блок-схема цифрового счетчика электрической энергии 

Важную  роль играют всевозможные сервисные функции, такие как дистанционный доступ к счётчику, к информации о накопленной энергии и многие другие. Наличие цифрового дисплея, управляемого от микроконтроллера, позволяет программно устанавливать различные режимы вывода информации, например, выводить на дисплей информацию о потреблённой энергии за каждый месяц, по различным тарифам и так далее.

Для выполнения некоторых нестандартных функций, например, согласования уровней, используются дополнительные ИС. Сейчас начали выпускать специализированные ИС — преобразователи мощности в частоту — и специализированные микроконтроллеры, содержащие подобные преобразователи на кристалле. Но, зачастую, они слишком дороги для использования в коммунально-бытовых индукционных счётчиках. Поэтому многие мировые производители микроконтроллеров разрабатывают специализированные микросхемы, предназначенные для такого применения.

Примеры цифровых счётчиков электрической энергии

Счетчики  электрической энергии  СОЛО

      Счетчик однотарифный предназначен для учета  и измерения активной электроэнергии в сетях 220 В частотой 50 Гц.

• Класс точности 1; 2
• Тип счетного механизма ЭМ или ЖКИ Номинальное напряжение, В 220
• Рабочее напряжение, В 176 – 242
• Номинальный (максимальный ток), А 5(60)
• Цена деления младшего разряда, кВт·ч 0,1
• Постоянная счетчика, имп/кВт·ч 6400 или 3200
• Потребляемая мощность, не более:
• в цепи напряжения, В·А (Вт)
• в цепи тока, В А 8,0 (2,0) 0,5
• Габаритные размеры, мм, не более:
• в круглом корпусе 215х134х113
• в прямоугольном корпусе208х132х69,3
• Масса, кг 0,7
• Минимальная наработка на отказ, ч141 000
• Межповерочный интервал, лет16
• Средний срок службы, лет 30

 

Электронный электросчётчик Меркурий-200

Измерение и учет электроэнергии в бытовом, мелкомоторном и производственном секторах

• класс точности: 2.0

• номинальный-максимальный ток, A: 5-50

• номинальная  частота 50 Гц

• полная и активная мощность потребляемая цепью напряжения 10В.А и 2,0 Вт соответственно

• полная мощность потребляемая цепью тока не более 2,5 В.А 

• диапазон рабочих  температур, 0С: от -20 до +55

• межповерочный  интервал: 8 или16 лет (см.модификации)

• средний срок службы: не менее 30 лет 

• количество тарифных зон: 1-4

• многотарифные счетчики имеют последовательный встроенный интерфейс CAN, обеспечивающий обмен информацией с компьютером

• возможность  крепления как традиционным способом, так и на DIN-рейку 

СTС5605, СТС5602 Серия счётчиков  трехфазных микропроцессорных  комбинированных

Назначение: Счетчики серии СТС5605, СТС5602 - трехфазные, многотарифные, электронные, цифровые, комбированные  приборы, сочетающие в себе многофункциональный  микропроцессорный счетчик и  измеритель показателей качества электрознергии. Счетчики серии СТС5605 трансформаторного включения предназначены для измерения активной и реактивной электроэнергии на промышленных предприятиях и объектах энергетики. Применяются в системах АСКУЭ для передачи измеренных величин на диспетчерский пункт контроля, учета и распределения электрической энергии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      7. Список литературы:

1. Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душина «Основы метрологии и электрические измерения»

2. Э.Г.  Атамалян «Приборы и методы  измерения электрических величин»

3. Мейзда  «Электронные измерительные приборы и методы измерений»