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
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
Таблица 1
Измерители
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
При изготовлении вольтметра
(амперметра) выпрямительной системы
необходимо знать данные его выпрямительной
части: ток полного отклонения In
, напряжение полного отклонения Un и
номинальное сопротивление
2. Устройство и принципы
действия однофазного
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
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
Рис. 1. Блок-схема
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
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
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.
Рис. 3. Основные узлы простейшего цифрового счетчика электроэнергии
Сигналы, пропорциональные напряжению и току в сети, снимаются с датчиков и поступают на вход преобразователя. ИС преобразователя перемножает входные сигналы, получая мгновенную потребляемую мощность. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера, преобразующего его в Вт·ч и, по мере накопления сигналов, изменяющего показания счётчика. Частые сбои напряжения питания приводят к необходимости использования EEPROM для сохранения показаний счётчика. Поскольку сбои по питанию являются наиболее характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счётчике.
Алгоритм работы программы
(рис. 4) для простейшего варианта
такого счётчика довольно прост. При
включении питания
Рис. 4. Алгоритм работы программы
При записи в EEPROM значение накопленной энергии может быть утеряно в момент отключения напряжения. По этим причинам значение накопленной энергии записывается в EEPROM циклически друг за другом через определённое число изменений показаний счётчика, заданное программно, в зависимости от требуемой точности. Это позволяет избежать потери данных о накопленной энергии. При появлении напряжения микроконтроллер анализирует все значения в EEPROM и выбирает последнее. Для минимальных потерь достаточно записывать значения с шагом 100 Вт·ч. Эту величину можно менять в программе.
Схема цифрового вычислителя
показана на рис. 5. К разъёму X1 подключается
напряжение питания 220 В и нагрузка.
С датчиков тока и напряжения сигналы
поступают на микросхему преобразователя
КР1095ПП1 с оптронной развязкой
частотного выхода. Основу счётчика составляет
микроконтроллер MC68HC05KJ1 фирмы Motorola, выпускаемый
в 16-выводном корпусе (DIP или SOIC) и имеющий
1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Для хранения
накопленного количества энергии при
сбоях по питанию используется EEPROM
малого объёма 24С00 (16 байт) фирмы Microchip.
В качестве дисплея используется
8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый
любым недорогим контроллером, обменивающийся
с центральным
Реализация алгоритма
потребовала менее 1 Кбайт памяти
и менее половины портов ввода/вывода
микроконтроллера MC68HC05KJ1. Его возможностей
достаточно, чтобы добавить некоторые
сервисные функции, например, объединение
счётчиков в сеть по интерфейсу RS-485.
Эта функция позволит получать информацию
о накопленной энергии в
Определённый интерес
представляет собой семейство 8-разрядных
микроконтроллеров с
Рис. 5. Цифровой вычислитель для цифрового счетчика электроэнергии
Ещё более интересен вариант
счётчика электроэнергии без внешней
EEPROM и дорогостоящей внешней
Переход на цифровые автоматические системы учёта и контроля электроэнергии — вопрос времени. Преимущества таких систем очевидны. Цена их будет постоянно падать. И даже на простейшем микроконтроллере такой цифровой счётчик электроэнергии имеет очевидные преимущества: надёжность за счёт полного отсутствия трущихся элементов; компактность; возможность изготовления корпуса с учётом интерьера современных жилых домов; увеличение периода поверок в несколько раз; ремонтопригодность и простота в обслуживании и эсплуатации. При небольших дополнительных аппаратных и программных затратах даже простейший цифровой счётчик может обладать рядом сервисных функций, отсутствующих у всех механических, например, реализация многотарифной оплаты за потребляемую энергию, возможность автоматизированного учёта и контроля потребляемой электроэнергии.
Схем подключения
Счетчик является прибором, который реагирует не только на значение энергии, но и на направление ее передачи. Свойство счетчика реагировать на направление энергии приводит к обязательной необходимости включать токовую цепь счетчика и цепь напряжения согласованно, так чтобы при положительном направлении энергии диск вращался в соответствии со стрелкой. Перед рассмотрением конкретных схем включения счетчиков перечислим несколько общих положений
Зажимы токовой обмотки
счетчика и обмотки напряжения, подключаемые
со стороны источника питания, условно
называются однополярными. На схемах однополярные
выводы обмоток счетчика (начала обмоток)
обозначают звездочкой. Однополярный
зажим цепи напряжения всегда располагается
рядом с соответствующим
Ранее, при описании счетчиков,
отмечалось, что зажимы токовых обмоток
обозначаются буквами Г (генератор)
и Н (нагрузка). При этом генераторный
зажим соответствует началу обмотки,
а нагрузочный - ее концу. При подключении
счетчика необходимо следить за тем,
чтобы ток через токовые
Рис.1 Схемы включения однофазного счетчика активной энергии: а - при непосредственном включении; б - при полукосвенном включении в - при косвенном подключении;
Принципиальные схемы
включения трехфазного
|
Рис.2 Схемы включения трехфазного трехпроводного двухэлементного счетчика активной энергии типа САЗ (САЗУ): а - при непосредственном включении; б - при полукосвенном включении; в - при косвенном включении
Принципиальные электрические
схемы включения трехфазного
трехэлементного счетчика активной
энергии типа СА4 (СА4У) приведены
на рис.д, при этом на рис. а, б, в представлены
схемы включения
|
|
Рис.3 Схемы включения
трехфазного трехэлементного
На рис.4 показана схема включения с тремя однофазными ТН, первичные и вторичные обмотки которых соединены в звезду. При этом общая точка вторичных обмоток в целях безопасности заземляется. Это же относится и к вторичным обмоткам ТТ. На рис. в, г необходимо обратить внимание на наличие обязательной связи нулевого проводника сети с нулевым зажимом ( 0 ) счетчика. Выше отмечалось, что отсутствие такой связи может вызывать дополнительную погрешность при учете энергии в сетях с несимметрией напряжений. Схемы включения счетчиков реактивной энергии с 90 -м сдвигом типа СР4 (СР4У) в четырсхпроводную сеть приведены на рис. а, б, в. Порядок подведения напряжений и токов к счетчику такой же, как и у счетчика активной энергии. Схема косвенного включения этого же счетчика в трехпроводную сеть приведена на рис. г. Так как в средней фазе сети отсутствует ТТ, то вместо тока Ib к токовой обмотке второго элемента счетчика подведена геометрическая сумма токов Ia+Ic, которая, как-известно, равна -Ib.
Рис. 4 Схемы включения |
На рис.5 приведена схема
полукосвенного включения двухэлементного
счетчика реактивной энергии с разделенными
последовательными обмотками
Рис.5 Схема полукосвенного включения двухэлементного счетчика реактивной энергии с разделенными последовательными обмотками тина СР4 (СР4У) в четырехпроводную сеть
|
Рис.6 Схема включения
двухэлементного счетчика реактивной
энергии типа СРЗ (СРЗУ) с 60-м сдвигом
в трехпроводную сеть: а - при непосредственном
включении; б -при полукосвснном
включении; в - при косвенном включении
Ввиду того, что счетчики
активной и реактивной энергии обычно
используются вместе, на рис. в качестве
примера приведены схемы их совместного
включения. На рис.7 приведены схемы
полукосвснного включения счетчиков
в четырехпроводную сеть (380/220 В). Схема
на рис.требует для монтажа
Рис.7 Схема полукосвенного включения трехэлементных счетчиков активной и реактивной энергии в четырехпроводную сеть с совмещенными цепями тока и напряжения. |
Рис.8 Схема полукосвенного включения трехэлементных счетчиков активной и реактивной энергии в четырехпроводную сеть с раздельными цепями тока и напряжения. |