Методические рекомендации к лабораторным работам: "Проверка работоспособности телеметрического выхода счетчика", "Комплекс технических средств «Энергия»", "Программирование микропроцессорного устройства «Энергия–микро»", страница 5

1.3. Принцип действия индукционного счетчика

Счетчик электроэнергии является электроизмеритель­ным прибором для измерения количества электроэнергии.

Подпись: Рис.1.3.1. Схематическое устройство 
индукционного счетчика.
Принцип действия индукционных приборов основан на механическом взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуктированными в подвижной части прибора. В счетчике один из потоков создается электро­магнитом, обмотка которого включена на напряжение сети (в которой измеряется электроэнергия). Этот поток пересекает подвижный алюминиевый диск и индуктирует в нем вихревые токи, замыкающиеся вокруг следа полю­са электромагнита напряжения. Второй поток создается электромагнитом, обмотка которого включена последовательно в цепь тока. Этот поток наводит в диске также вихревые токи, замыкающиеся вокруг следа полюса своего электромагнита. Взаимодействие потока электро­магнита напряжения с наведенными токами в диске по­током токового электромагнита, с одной стороны, и взаи­модействие потока токового электромагнита с наведенными токами в том же диске потоком электромагнита напряжения, с другой стороны, вызывают электромагнит­ные силы, направленные по хорде диска и создающие вращающий момент. Такие счетчики называются двух­поточными.

Современные счетчики выполняются трехпоточными, в которых удвоенный вращающий момент создается за счет того, что магнитный поток цепи тока дважды пересекает алюминиевый диск.

Схематическое устройство однофазного индукционно­го трехпоточного счетчика с тангенциальной магнитной системой изображено на рис. 1.3.1.

Подпись: Рис.1.3.2. Векторная диаграмма индукционного счетчика.Магнитная система цепи напряжения SU Ш-образной формы расположена по хорде диска (отсюда название в отличие от радиальной системы, когда магнитная си­стема цепи напряжения U-образной формы расположена по радиусу диска) и имеет ответвления Ш – шунтирую­щие магнитный поток и противополюс Р, магнитосвязан-ный с боковыми стержнями сердечника. Под магнитной системой цепи напряжения расположена U-образная магнитная система токовой цепи Sr.

В зазоре между этими си­стемами располагается алю­миниевый подвижной диск Д. На среднем стержне Ш-образного сердечника распо­ложена многовитковая катушка из тонкого провода, включаемая на Подпись: Рис.1.3.3. Токи в диске счетчиканапряжение сети U. Ток IU , проходящий по этой обмотке, создает об­щий магнитный поток Фобщ цепи напряжения, неболь­шая часть которого ФU, называемая рабочим потоком, пересекает диск и через противополюс Р замыкается на боковые стержни Ш-образното сердечника. Большая часть потока Фобщ, не пересекая диска, замыкается через магнитные шунты Ш, разветвляясь на две части 1/2Фш. Этот нерабочий поток Фш, как будет показано ниже, не­обходим для создания необходимого сдвига между пото­ками ФU и ФI (внутреннего угла счетчика).

Подпись: Рис.1.3.4.  Взаимодействие токов в диске с магнитными потоками.
а – направление токов в диске; б – векторные диаграммы маг¬нитных потоков, пересекающих диск; в – мгновенные значения магнитных потоков и токов в диске; г  –  мгновенные значения результирующей электромагнитной
На нижней магнитной системе SI располагается мало-витковая катушка из толстого про-вода, включаемая последовательно в цепь тока нагрузки I. Магнитный по­ток ФI дважды пересекает алюминиевый диск и замыка­ется по магнитному шунту Ш верхнего сердечника и частично через его боковые стержни. Незначительная нерабочая часть потока ФI замыкается, не пересекая диск, через противополюс Р. Эти составляющие потока ФI на рисунке не показаны. Упрощенная векторная диаграмма измерительного элемента счетчика приведена на рис. 1.3.2 для общего случая, когда ток нагрузки I отста­ет от напряжения U на угол j. Магнитный поток ФI, проходя по магнитопроводу, создает в нем потери на гистерезис и вихревые токи, вследствие чего вектор пото­ка ФI отстает от создавшего его тока I на угол a1. Обычно этот угол невелик (около 10°) и используется при регулировке счетчика по внутреннему углу.

Катушка напряжения имеет большую индуктивную составляющую, вследствие чего ток IU отстает от прило­женного к ней напряжения U на угол около 70°. Поток Фобщ отстает от породившего его тока IU на угол a2 вследствие потерь на гис­терезис и вихревые токи в сердечнике, причем со­ставляющая этого потока ФU, пересекающая диск, отстает на больший угол вследствие дополнитель­ных потерь на вихревые токи   в   алюминиевом диске. Угол сдвига фаз y между потоками ФI и ФU ,для правильной работы счетчика должен равнять­ся 90°, как это будет показано ниже.

На рис.1.3.3 изображен алюминиевый диск со следами полюсов магнитного потока ФU и потоков +ФI и  – ФI. Крестиками обозначены для одного и того же момента времени потоки, направленные от наблюдателя, точ­кой – к наблюдателю.

Поток ФU наведет в диске э.д.с. вихревые токи, эквивалентные току IU, замыкающемуся в диске вокруг следа полюса, поток ФI, пересекая диск дважды, наве­дет эквивалентные токи – II, замыкающиеся вокруг следов «своих» полюсов.

Так как наведенные в диске э.д.с. отстают от своих магнитных потоков на 90°, то, если полагать сопротивле­ние диска чисто активным, вызванные ими токи в диске будут совпадать по фазе с э.д.с. и, следовательно, отставать от породившего их потока тоже на угол 90°. Направление наведенных токов определяется по «пра­вилу буравчика». Наведенные потоком ФI токи, проходя в области следа полюса потока Фи в одном направлении, складываются. Наведенный ток IU проходит в области следов полюсов потоков +ФI и  – ФI и также дважды взаимодействует с потоком Ф/, что приводит к увеличе­нию электромагнитной силы взаимодействия, и в этом преимущество трехпоточных магнитных систем перед двухпоточными.

Возникающие электромагнитные силы от взаимодей­ствия потока ФI с током 1U и ФU с II определяются по «правилу левой руки» и в общем случае, как показано на рис. 1.3.3, направлены встречно, т. е. Результирующая магнитная сила F=F1-F2

Рассмотрим вопрос возникновения электромагнитных сил более подробно.

Подпись: Рис.1.3.5. Векторная диаграмма токов в диске счетчикаНа рис.1.3.4 изображены четыре экстремальных мо­мента взаимодействия маг­нитных потоков и токов в диске   при  90-градусном сдвиге по фазе между пото­ками ФI и ФU. Для положе­ния 1 магнитный поток ФI достиг максимального зна­чения, а поток ФU – в поло­жении перехода через нуле­вое значение. Так как токи, наводимые в диске, отстают от своих потоков на 90°, то в этот момент II переходит через  нулевое значение, а IU достиг максимального значения. Взаимодействие ФI и IU согласно «правилу левой руки» создает усилие F1, направленное по часовой стрелке: