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.

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.

Магнитная система цепи напряжения S_U 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 S_r.

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

На нижней магнитной системе S_I располагается мало-витковая катушка из толстого про-вода, включаемая последовательно в цепь тока нагрузки I. Магнитный по­ток Ф_I дважды пересекает алюминиевый диск и замыка­ется по магнитному шунту Ш верхнего сердечника и частично через его боковые стержни. Незначительная нерабочая часть потока Ф_I замыкается, не пересекая диск, через противополюс Р. Эти составляющие потока Ф_I 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 Ф_I, проходя по магнитопроводу, создает в нем потери на гистерезис и вихревые токи, вследствие чего вектор пото­ка Ф_I 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 I_U отстает от прило­женного к ней напряжения U на угол около 70°. Поток Ф_общ отстает от породившего его тока I_U на угол a₂ вследствие потерь на гис­терезис и вихревые токи в сердечнике, причем со­ставляющая этого потока Ф_U, пересекающая диск, отстает на больший угол вследствие дополнитель­ных потерь на вихревые токи   в   алюминиевом диске. Угол сдвига фаз y между потоками Ф_I и Ф_U ,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 Ф_U и потоков +Ф_I и  – Ф_I. Крестиками обозначены для одного и того же момента времени потоки, направленные от наблюдателя, точ­кой – к наблюдателю.

Поток Ф_U наведет в диске э.д.с. вихревые токи, эквивалентные току I^’_U, замыкающемуся в диске вокруг следа полюса, поток Ф_I, пересекая диск дважды, наве­дет эквивалентные токи – I^’_I, 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 Ф_I токи, проходя в области следа полюса потока Фи в одном направлении, складываются. Наведенный ток I^’_U проходит в области следов полюсов потоков +Ф_I и  – Ф_I 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 Ф_I с током 1^’_U и Ф_U с I^’_I 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.

На рис.1.3.4 изображены четыре экстремальных мо­мента взаимодействия маг­нитных потоков и токов в диске   при  90-градусном сдвиге по фазе между пото­ками Ф_I и Ф_U. Для положе­ния 1 магнитный поток Ф_I достиг максимального зна­чения, а поток Ф_U – в поло­жении перехода через нуле­вое значение. Так как токи, наводимые в диске, отстают от своих потоков на 90°, то в этот момент I^’_I переходит через  нулевое значение, а I^’_U достиг максимального значения. Взаимодействие Ф_I и I^’_U согласно «правилу левой руки» создает усилие F₁, направленное по часовой стрелке: