§ 2.11. ОДНОФАЗНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Принцип действия приборов индукционной системы основан на взаимодействии переменного магнитного потока с индукционным током. В настоящее время промышленность выпускает лишь индукционные счетчики электрической энергии. Поэтому при изучении приборов индукционной системы ограничимся рассмотрением только такого счетчика. При этом отметим, что индукционные приборы по принципу их действия пригодны лишь для переменных токов, так как в диске или цилиндре ток может индуцироваться лишь действием переменного магнитного потока.

Если на пути переменного магнитного потока поместить, например, край алюминиевого диска, способного вращаться вокруг некоторого центра, то в диске будет наводиться переменный индукционный ток, взаимодействующий с этим потоком. Однако, применив правило левой руки, легко убедиться, что результирующая сила, действующая на диск, равна нулю. В результате взаимодействия ток будет растягиваться (или сниматься). Поэтому для создания вращающего момента часто используют два магнитных потока,

сдвинутых относительно друг друга по фазе на некоторый (например, на угол. При этом осуществляется взаимодействие потоков с «чужими» (а не «со своими») индукционными токами.

Индукционный счетчик имеет две катушки с сердечниками: то ковую и катушку напряжения.

Токовую катушку (рис. 2-19, а) навивают толстым проводом на стальной сердечник и включают последовательно с нагрузкой. Магнитный поток в ней пропорционален току нагрузки.

Катушку напряжения (рис. 2-19, б) обычно навивают большим числом витков тонкого провода на стальной сердечник. Индуктивное сопротивление этого электромагнита несравненно больше активного поэтому эту цепь можно считать чисто индуктивной ток в катушке напряжения отстает по фазе на

Край алюминиевого диска одновременно пронизывается обоими потоками: дважды — потоком Ф; токовой катушки и один раз — потоком катушки напряжения (рис. 2-20). Эти потоки индуцируют в диске токи соответственно. При этом происходит взаимодействие: ток взаимодействует с потоком Ф; (рис. 2-21, а), а ток с потоком (рис. 2-21, б). Направление индукционных токов зависит от того, возрастает или убывает создающий в данный момент поток. Это надо учесть при определении направления действующих на диск сил Учитывая изменения токов используя правило Ленца и применяя правило левой руки, находим, что силы создающие вращающий момент, имеют одинаковое направление — от опережающего потока к отстающему. Найдем значения этих сил.

По закону Ампера

где — переменные величины. Тогда мгновенное значение силы равно

где . Для сил можно записать:

Построим векторную диаграмму (рис. 2-23). За основной вектор примем вектор приложенного напряжения U. Пусть нагрузка такова, что ток отстает по фазе от напряжения на некоторый угол Этот ток создает в электромагните магнитный поток совпадающий с

Рис. 2-19

Рис. 2-20

Рис. 2-21

Рис. 2-22

Рис. 2-23

ним по фазе. Магнитный поток Ф; индуцирует в диске ЭДС которая, как известно, отстает по фазе от потока на 90°. Под действием этой ЭДС в диске возникает индукционный ток Если предположить сопротивление материала диска чисто активным, то совпадут по фазе.

Катушку напряжения, имеющую большое число витков и стальной почти замкнутый сердечник, можно рассматривать как чисто индуктивную нагрузку. Поэтому ток в этой катушке можно считать «отстающим» по фазе напряжения U на 90°. Этот ток создает магнитный поток совпадающий с ним по фазе. Магнитный поток в свою очередь, наводит в диске ЭДС индукции отстающую от него по фазе на 90°. Под действием ЭДС в диске возникает индукционный ток совпадающий по фазе с ЭДС . На основании векторной диаграммы можно записать:

тогда

Значение результирующей силы F, действующей на диск, равно

а вращающего момента, действующего на диск,

где . Под действием вращающего момента диск пришел бы в ускоренное вращение и число оборотов не соответствовало бы израсходованной электрической энергии, поэтому необходимо наличие противодействующего момента.

Противодействующий момент в индукционном счетчике создается действием поля постоянного магнита и электромагнитов на движущийся край диска (рис. 2-24):

где — постоянный коэффициент, учитывающий толщину, материал диска и индукцию поля постоянного магнита; v — значение линейной скорости движения диска; R — радиус диска; — коэффициент, постоянный для данного прибора.

Движение диска станет равномерным, когда вращающий и противодействующий моменты окажутся равными

Умножим обе части последнего равенства на промежуток времени

где — число оборотов за время электрическая энергия за то же время t. Тогда

где с — постоянная счетчика; W — энергия, израсходованная нагрузкой за время

Таким образом, число оборотов N диска индукционного прибора пропорционально израсходованной электрической энергии. Такой прибор называют индукционным счетчиком электрической энергии.

Схематически устройство индукционного однофазного счетчика показано на рисунке 2-25. Легкий алюминиевый диск Д укреплен на вертикальной оси. Диск связан со счетным механизмом через червячную передачу (на схеме не показано). На некотором расстоянии от центра диска расположены два неподвижных электромагнита: Электромагнит имеет вид опрокинутой буквы П. По его обмотке проходит весь ток нагрузки. Магнитный поток этого электромагнита дважды пронизывает диск в противоположных направлениях, замыкаясь через воздух.

Электромагнит имеет вид перевернутой буквы Б. Его обмотка

Рис. 2-24

Рис. 2-25

рассчитана на напряжение сети и включается параллельно нагрузке. Магнитный поток Ф этого электромагнита разветвляется и частично пронизывает диск в одном направлении, а частично замыкается через средний стержень с регулируемым воздушным зазором. Этот стержень называют магнитным шунтом для потока Ф.

Система двух электромагнитов создает вращающий момент. Противодействующий момент, пропорциональный скорости вращения диска, создается электромагнитами и постоянным магнитом М. Наведенный полем этого магнита, индукционный ток в диске, взаимодействуя с создавшим его потоком, препятствует (в соответствии с законом Ленца) этому вращению, в результате создается противодействующий момент.

Счетчик регистрирует энергию в электрических единицах. Об израсходованной энергии судят по разности показаний счетного механизма за интересующий промежуток времени. У включенного счетчика обмотка напряжения постоянно находится под напряжением сети, и этим объясняется гудение счетчика даже при отключенной нагрузке.

Для характеристики счетчика введены следующие параметры:

1. Действительная постоянная счетчика представляет собой значение электрической энергии в ватт-секундах,

действительно израсходованной за время одного оборота диска; С зависит от нагрузки; определяют ее по показаниям контрольных приборов при разных нагрузках.

2. Номинальная постоянная счетчика - это количество электроэнергии, которое учитывает счетный механизм за время одного оборота диска. На практике часто применяют величину, обратную номинальной постоянной счетчика

называемую передаточным числом счетчика. Передаточное число — число оборотов диска, соответствующее израсходованной энергии в ; указывается оно на щитке счетчика.

3. Относительная погрешность счетчика

где учтенная счетчиком энергия и W — действительно израсходованная энергия (вычисленная по показаниям точных приборов).

Так как

4. Поправочный коэффициент на которое надо умножать показание счетчика, чтобы получить действительно израсходованную энергию

5. Чувствительность счетчика наименьший ток или мощность, выраженные в процентах от номинального, при которых счетчик работает безостановочно при номинальном напряжении.

6. Самоход счетчика — вращение диска более 1 оборота при отключенной нагрузке.

Счетчики электрической энергии должны удовлетворять следующим нормам:

1) счетчик не должен иметь самохода при напряжении от 90 до 110% номинального;

2) погрешность счетчика не должна превышать его класс точности при нагрузках 25, 50, 75 и 100% номинальной;

3) счетчик класса точности 2,5 должен иметь чувствительность не более 2%.

Для регулировки подвижной системы счетчика применяют следующие меры:

а) для регулировки потока электромагнита от обмотки напряжения изменяют положение магнитного шунта этого электромагнита;

б) для регулировки потока от токовой катушки на последнюю навивают несколько витков, замкнутых на проволоку с большим удельным сопротивлением в виде петли, и надевают несколько тонких короткозамкнутых алюминиевых колец (индукционный ток в короткозамкнутых обмотках и витках размагничивает электромагнит). Для грубой регулировки потока разрезают кольца, после чего регулировку осуществляют плавным изменением длины проволочной петли;

в) для регулировки скорости вращения диска изменяют расстояние постоянного магнита от оси вращения, что приводит к изменению значения противодействующего момента.

Наряду со счетчиками активной энергии на практике широко применяют счетчики реактивной энергии, принцип действия которых рассмотрен отдельно (см. § 2.18 и § 2.19).