Исследование счетчиков электрической энергии: Методические указания к лабораторной работе

            ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА

ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО

ТРАНСПОРТА

имени академика В. Н. ОБРАЗЦОВА

Кафедра “Теоретические основы электротехники”

Лаборатория электрических измерений

ИССЛЕДОВАНИЕ СЧЕТЧИКОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Методические указания к лабораторной работе

ЛЕНИНГРАД

1978

Цель работы - знакомство с устройством различных счетчиков электрической энергии и их применением, опытное определение их основных характеристик.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

            При подготовке к работе необходимо проработать материал по учебнику [1] или [2]. Рассматриваемые в работе счетчики применяются для учета электрической энергии на железнодорожном транспорте, в том числе на тяговых подстанциях и электроподвижном составе.

Как известно, электрическая энергия определяется выражением

,                                                   (1)

где   – мощность, потребляемая нагрузкой.

Таким образом, счетчики электрической энергии должны суммировать мощность, потребляемую нагрузкой за определенный промежуток времени. В зависимости от рода тока в нагрузке применяются счетчики для цепей постоянного и переменного тока. В данной работе исследуются счетчики для цепей постоянного тока: ферродинамический счетчик киловатт-часов типа СКВТ-Д621 и электронные типа СКВТ-Ф600 или СКВТ-Ф604, а также для цепей переменного тока: индукционный однофазный типа СО-И446 и электронный типа СКВТ-Ф440. В дальнейшем название и тип счетчиков будут обозначаться кратко, например, счетчик Ф600.

Электромеханические счетчики

Ферродинамический счетчик. Принцип действия счетчика основан на взаимодействии магнитного потока и проводника с током. На рис.1 показано (упрощенно) устройство ферродинамического счетчика Д621. В счетчике имеются неподвижная и подвижная обмотки. Неподвижная (токовая) обмотка 1 уложена в пазу цилиндрического сердечника 2 из пермолоя* и подключена к шунту Ш, по

                которому протекает ток  нагрузки. Магнитный поток, создаваемый неподвижной обмоткой, замыкается через воздушный зазор и внешний магнитопровод 3, выполненый также из пермалоя. Индукция  магнитного поля в зазоре между сердечником и магнитопроводом порпорциональна току нагрузки:

,                                          (2)

где  – коэффициент порпорциональности, зависящий от конструктивного выполнения обмотки и параметров применяемого шунта.

Кроме токовой обмотки, на сердечнике (2) у некоторых типов счетчиков (например, Д620) расположена компенсационная обмотка (на рисунке не показана), создающая дополнительный вращающий момент для компенсации трения подвижной части. Компенсационная обмотка питается от паралельной цепи счетчика, которая, в свою очередь, состоит из подвихной обмотки 4, коллектора со щетками 5 и добавочного резистора 14.

Подвижная обмотка 4 состоит из трех одинаковых секий, расположенных под углом 120⁰. Секции соеденены между собой треугольником и рписоеденены к коллектору 5. Каждая секция из большого числа витков тонкого провода. Секции, прикрепленные к верхнему 6 и нижнему 7 алюминиевым каркасам, образуют жесткую цилиндрическую конструкию подвижной части счетчика, которая вращается в зазоре между сердечником и внешним магнитопроводом. На верхнем каркасе крепятся также конденсаторы и резисторы схемы, предотвращающей коммутационное искрение коллнкторных щеок.

Стальная ось 9, которая свободно порходит через отверстие в сердечнике, вращается в подшипниках 10, 11. На оси крепятся подвижная обмотка счетчика, тормозной диск 8, червяк редуктора механизма и коллектор. Счетный механизм 12 роликового типа аналогичен механизму индукционных счетчиков [2].

Через подвижную обмотку, независимо от тока нагрузки, будет проходить ток , пропорциональный рпиложенному напряжению :

,                                                  (3)

где - коэффициент пропорциональности, зависящий от величин сопротивлений добавочного резистора и подвижной обмотки.

При взаимодействии магнитного потока неподвижной обмотки и тока  возникает вращающий момент:

,

где - коэффициент пропорциональности.

После подстановки значений  и  из формул (2) и (3) и замены коэффициентов  на , получим

.

Тормозной момент, создаваемый полем постоянного магнита (13) и действующий на диск, пропорционален скорости вращения диска n

,

где  - коэффициент пропорциональности.

При установившейся скорости вращения диска

.                                                   (4)

Проинтегрировав левую и правую части равенства (4) в пределах от  до , получим

,

где - энергия, израсходованная в нагрузке за время ;

- действительная постоянная счетчика;

- число оборотов диска за время .

Однофазный индукционный счетчик (тангенциальный). Принцип действия основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых двумя электромагнитами, с вихревыми токами, индуктируемыми в алюминиевом диске. При синусоидальной форме тока и напряжения вращающий момент, действующий на диск:

,

где  – действующие значения напряжения и тока;

k - коэффициент пропорциональности;

j - угол сдвига фаз между током и напряжением;

 - активная мощность, потребляемая нагрузкой.

Тормозной момент создается так же, как и в ферродинамическом счетчике, полем постоянного магнита.

Таким образом, при установившеся скорости вращения диска энергия , регистрируемая счетчиком за кокое-то время, будет пропорциональна числу оборотов  за то же время:

,

где  – номинальная постоянная счетчика.

Подробно ознакомиться с принципом действия и устройством индукционного счетчика можно в [1] или [2].

Электронные счетчики

Счетчики, работающие на электроподвижном составе, должны обладать высокой перегрузочной способностью, тряскоустойчивостью, минимальной погрешностью от изменения температуры окружающей среды и взаимодействия внешних магнитных полей. Этим требованиям удовлетворяют электронные счетчики. Электронные счетчики не имеют подвижных элементов, поэтому они не боятся вибраций и могут обеспечивать дистанционный отсчет показаний.

Согласно выражению (1) электронная схема счетчика должна измерить мощность и проинтегрировать ее в интерале времени . Основой построения схем электронных счетчиков является преобразование измеряемой энергии во время-импульсный код с последующим интегрированием и регистрацией числа импульсов. Время-импульсный код предсталяет собой серию прямоугольных импульсов, следующих с определенной частотой [2].

24В   5Вт

+

            Счетчик типа Ф600. Структурная схема счетчика представлена на рис.2. Напряжение  сети через добавочный резистор ДР подается на вход аналого-дискретного интегратора АДИ. Падение напряжения на шунте Ш, пропорциональное току , подается на широтно-импульсный модулятор ШИМ, где преобразуется в последовательность импульсов. Длительность импульсов  на выходе ШИМ порпорциональна току . В свою очередь, длительность импульса  определяет время заряда интегрирующего конденсатора ИК в блоке АДИ (рис.3).  

 На блок АДИ поступают одновременно напряжение , пропорциональное приложеному напряжению , и импульсы с выхода ШИМ. АДИ осуществляет операции умножения  на  и интегрирования полученного произведения во времени. Работа этого блока основана на принципе ступеньчатого заряда ИК током  при замыкании ключа  (см. рис 3). Роль ключа  выполняет  электронная схема (на рис.3 не показана), управляемая имупльсами с выхода ШИМ. Управляющие импульсы следуют спостоянной частотой, но имеют, как сказано выше, переменную длительность .