Устройство и принципы действия однофазного индукционного счетчика. Включение счетчика в цепь

Содержание

 

1. Расширение пределов измерения амперметров на постоянном токе. Расчет шунтов            3

2. Устройство и принципы  действия однофазного индукционного  счетчика. Включение счетчика в  цепь         8

Задачи                   26

Список использованной литературы              27

 

 

 

 

1. Расширение пределов измерения амперметров на постоянном токе. Расчет шунтов

 

Стрелочные (электромеханические) амперметры и вольтметры содержат измерительный  механизм (микро- или миллиамперметр), измерительный преобразователь: шунты  или добавочные резисторы для  расширения пределов измерений и  выпрямительную систему, если предусматривается  измерение переменных токов и  напряжений. Наиболее широко в стрелочных электромеханических приборах применяются  измерительные механизмы магнитоэлектрической системы. Основные характеристики некоторых  из них приведены в табл. 1.

Таблица 1

Измерители магнитоэлектрической системы

Расширение предела измерений  по току осуществляют путем включения  шунта параллельно измерителю. В  многопредельных приборах более  удобен не индивидуальный шунт на каждый предел измерений, а так называемый универсальный шунт. При этом можно  обойтись простыми гнездами, зажимами или обычным переключателем, в  то время как при индивидуальных шунтах нужный предел измерений можно  выбирать лишь при помощи специального безобрывного переключателя. В противном  случае в момент переключения измерительный  механизм (рамка милли- или микроамперметра) оказывается под многократной токовой перегрузкой со всеми вытекающими последствиями.

Рис. 1. Схема многопредельного амперметра с "универсальным" шунтом.

 

Для расширения предела измерений  измерителя Р (рис. 1) по току в N раз (I1 = NIn) требуется шунт сопротивлением:

где r — внутреннее сопротивление  измерителя.

Составные части сопротивления  шунта определяют по формулам:

Расширение предела  измерений по напряжению осуществляют, включая последовательно с измерителем добавочный резистор. Схемы многопредельных вольтметров показаны на рис. 2. Сопротивление каждого добавочного резистора для вольтметра, изображенн ого на рис. 2, а, определяют по формуле:

где U — выбранный предел измерения; Iи — ток полного  отклонения стрелки измерителя; r —  внутреннее сопротивление измерителя.

Для вольтметра, выполненного по схеме, изображенной на рис. 2, б, сопротивления  добавочных резисторов вычисляют по формулам:

и т.д. для каждого последующего предела измерений.

Рис. 2. Схема многопредельного вольтметра с отдельными добавочными  резисторами (а) и с составными (б).

В вольтметрах невысокого класса точности допустимо применение непроволочных резисторов. Причем удобнее  каждое добавочное сопротивление составлять из двух резисторов. Так легче обеспечить требуемое сопротивление. Например, 327,91 кОм можно получить, подобрав пару резисторов с нужным отклонением  сопротивления от номинального значения, из резисторов с номинальным сопротивлением 330 кОм (20 или 10%-ного ряда) и 910 Ом (5 %-ного ряда).

Приборы, содержащие выпрямительную систему, позволяют измерять напряжения и токи с частотами до нескольких десятков килогерц при практически равномерной шкале, за исключением небольшого участка в ее начале. Измеряемые переменные токи и напряжения преобразуются полупроводниковыми выпрямителями в постоянный ток, регистрируемый магнитоэлектрическим измерителем. Выпрямительная система может быть выполнена по однополупериодной или двухполупериодной (мостовой) схеме.

Рис. 3. Схема измерителя с однополупериодной (а) и двухполупериодной (б) выпрямительной системой и графики  тока.

В однополупериодной схеме (рис. 3, а) резистор R служит для выравнивания сопротивления выпрямительной части  для токов обоих направлений  и сопротивление его выбирается равным внутреннему сопротивлению  измерителя r. При измерении синусоидального  тока с действующим значением I средневыпрямленное значение тока, отклоняющее стрелку  измерителя, Iсрв  0,45 I. Поэтому при токе полного отклонения измерителя Iи предельное действующее значение измеряемого выпрямительной частью прибора переменного тока будет:

В двухполупериодной схеме (рис. 3, б) получается более высокая  чувствительность. В этой схеме измеритель Р включен в диагональ моста, образованного четырьмя диодами. Здесь  через измеритель ток проходит оба  полупериода в одном и том  же направлении. Поэтому средневыпрямленное значение тока Iсрв  0,9 I, а предельное значение измеряемого тока Iп 1,11 Iи. Недостаток двухполупериодной схемы по сравнению с однополупериодной состоит в некотором расширении неравномерного участка в начале шкалы из-за уменьшения напряжения, приложенного к каждому диоду. В практических схемах вместо двух смежных диодов (например, VD1 и VD2 или VD3 и VD4) иногда включают резисторы сопротивлением в несколько тысяч Ом. Это хотя и ухудшает чувствительность прибора, но зато повышает температурную стабильность и улучшает равномерность шкалы.

Градуируют шкалы приборов выпрямительной системы в действующих  значениях синусоидального тока. Если форма кривой измеряемого тока отличается от синусоиды, то возникает  погрешность, зависящая от коэффициента формы кривой kф = I/Iсрв.

При изготовлении вольтметра (амперметра) выпрямительной системы  необходимо знать данные его выпрямительной части: ток полного отклонения In , напряжение полного отклонения Un и  номинальное сопротивление переменному  току rn = Un/In, которое можно определить опытным путем по аналогии с методикой.

 

2. Устройство и принципы  действия однофазного индукционного  счетчика. Включение счетчика в  цепь

 

Счетчик представляет собой  измерительную ваттметровую систему  и является интегрирующим (суммирующим) электроизмерительным прибором. Принцип  действия индукционных приборов основан  на взаимодействии переменных магнитных  потоков с токами, индуктированными ими в подвижной части прибора (в диске). Электромеханические силы взаимодействия вызывают движение подвижной части. Схематическое устройство однофазного счетчика показано на рис. Основными его узлами являются электромагниты 1 и 2, алюминиевый диск 3, укрепленный на оси 4, опоры оси - подпятник 5 и подшипник 6, постоянный магнит 7. С осью связан при помощи зубчатой передачи 8 счетный механизм (на рисунке не показан), 9 - противополюс электромагнита 1. Электромагнит 1 содержит Ш - образный магнитопровод, на среднем стержне которого расположена многовитковая обмотка из тонкого провода, включенная на напряжение сети U параллельно нагрузке Н. Эта обмотка в соответствии со схемой включения называется параллельной обмоткой или обмоткой напряжения. При номинальном напряжении 220 В параллельная обмотка имеет обычно 8-12 тысяч витков провода диаметром 0,1 - 0,15 мм. Электромагнит 2 расположен под магнитной системой цепи напряжения и содержит U - образный магнитопровод, с расположенной на нем обмоткой из толстого провода с малым количеством витков. Данная обмотка включена последовательно с нагрузкой и поэтому называется последовательной или токовой обмоткой. Через нее протекает полный ток нагрузки /. Обычно количество ампер-витков этой обмотки находится в пределах 70 - 150, т.е. при номинальном токе 5 А обмотка содержит от 14 до 30 витков. Комплекс деталей, состоящий из последовательной и параллельной обмоток с их магнитопроводами, называется вращающим элементом счетчика.

Ток протекающий по обмотке  напряжения создает общий переменный магнитный поток цепи напряжения, небольшая часть которого (рабочий  поток) пресекает алюминиевый диск находящийся в зазоре между обоими электромагнитами. Большая часть  магнитного потока цепи напряжения замыкается через шунты и боковые стержни  магнитопровода (нерабочий поток), который  разделяется на две части и  необходим для создания требуемого угла сдвига фаз между магнитными потоками цепи напряжения и цепи нагрузки (токовой цепи). Магнитный поток  цепи напряжения прямо пропорционален приложенному напряжению (напряжению сети).

Ток нагрузки протекающий  через токовую обмотку, создает  переменный магнитный поток, который  также пересекает алюминиевый диск и замыкается по магнитному шунту  верхнего магнитопровода и частично через боковые стержни. Незначительная часть (нерабочий поток) замыкается через противополюс не пересекая  диск. Так как магнитопровод токовой  обмотки имеет U-образную конструкцию, то его магнитный поток пересекает диск дважды.

Таким образом, всего через  диск счетчика проходят три переменных магнитных потока. Согласно закону электромагнитной индукции, переменные магнитные потоки обоих обмоток  при пересечении диска, наводят  в нем ЭДС (каждый свою т.е. две), под  действием которых в диске  вокруг следов этих потоков протекают  соответствующие вихревые токи (правило  “буравчика” вспоминаем). В результате взаимодействия магнитного потка обмотки  напряжения и вихревого тока от магнитного потока токовой обмотки и с другой стороны магнитного потока токовой обмотки и вихревого тока от обмотки напряжения, возникает электромеханические силы, которые создают вращающий момент, действующий на диск. Этот момент пропорционален произведению указанных магнитных потоков и синусу угла сдвига фаз между ними.

Активная мощность потребляемая нагрузкой определяется как произведение силы тока на приложенное напряжение и на косинус угла между ними. Так как магнитные потоки обоих  обмоток пропорциональны напряжению и току, то можно добившись конструктивным путем равенства синуса угла между  потоками и косинуса угла между вектором тока и напряжения осуществить пропорциональность вращающего момента счетчика с коэффициентом  измеряемой активной мощности. Синус  одного угла равен косинусу другого  угла если между ними сдвиг 90 град., чего и достигают в конструкциях счетчиков (применение короткозамкнутых витков, дополнительных обмоток замкнутых  на регулируемое сопротивление, перемещение  винтового зажима) Вращающий момент пропорциональный мощности сети приводит диск счетчика во вращение, частота  вращения которого устанавливается, когда  вращающий момент уравновешивается тормозным моментом. Для создания тормозного момента в счетчике имеется  постоянный магнит, который своими полюсами охватывает диск. Силовые  линии магнитного поля, пересекая  диск, наводят в нем дополнительную ЭДС, пропорциональную частоте вращения диска. Эта ЭДС в свою очередь  вызывает протекание в диске вихревого  тока, взаимодействие которого с потоком  постоянного магнита приводит к  возникновению электромеханической  силы, направленной против движения диска, т.е. приводит к созданию тормозного момента. Регулировку тормозного момента, а следовательно частоты вращения диска производят путем перемещения  постоянного магнита в радиальном направлении. При приближении магнита  к центру диска, частота вращения уменьшается.

Таким образом добившись  постоянной частоты вращения диска  счетчика получаем, что измеряемое счетчиком количество энергии получается из произведения числа оборотов диска  счетчика и С- коэф. пропорциональности, постоянной счетчика.

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. 1 показана блок-схема электромеханического счётчика.

Рис. 1. Блок-схема электромеханического счетчика электрической энергии

Реализация цифрового  счётчика электрической энергии (рис. 2) 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.

Рис. 2. Блок-схема цифрового  счетчика электрической энергии

Не менее 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.

Перейдём к анализу  построения простейшего варианта цифрового  счётчика на наиболее дешёвом (менее  доллара) 8-разрядном микроконтроллере Motorola. В представленном решении реализованы  все минимально необходимые функции. Оно базируется на использовании  недорогой ИС преобразователя мощности в частоту импульсов КР1095ПП1 и  8-разрядного микроконтроллера MC68HC05KJ1 (рис. 3). При такой структуре микроконтроллеру требуется суммировать число импульсов, выводить информацию на дисплей и осуществлять её защиту в различных аварийных режимах. Рассматриваемый счётчик фактически представляет собой цифровой функциональный аналог существующих механических счётчиков, приспособленный к дальнейшему усовершенствованию.