Индукционные приборы

Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуцированных магнитными потоками этих электромагнитов в подвижной части.

Условные обозначения индукционных приборов представлены в табл. 8.1. По существовавшей классификации в названии типа прибора используется буква И (например, И440).

В настоящее время для измерений широко применяются индукционные счетчики электрической энергии переменного тока.

Индукционные счетчики электрической энергии переменного тока. На рис. 8.17 в упрощенном виде показано устройство индукционного счетчика. Он состоит из двух электромагнитов 1 и 5, сердечники которых набраны из тонких листов электротехнической стали, алюминиевого диска 3, закрепленного на оси подвижной части, постоянного магнита 4, счетного механизма 2 и других узлов.

Рисунок 8.17 – Устройство индукционного счетчика и схема его включения в цепь

Рассмотрим более подробно распределение магнитных потоков в индукцион­ном счетчике (рис. 8. 18, а).

Трехстержневой электромагнит 1 имеет обмотку из тонкого медного провода с числом витков порядка 8-12 тысяч, включенную параллельно нагрузке. При прохождении по обмотке тока I_U создается магнитный поток Ф_U, который в нижней части среднего сердечника разветвляется на рабочий поток Ф_р и нерабочий, или вспомогательный, поток Ф_в. Рабочий поток Ф_р пронизывает диск 2, индуцируя в нем вихревые токи, и замыкается через стальной противополюс 3. Нерабочий поток Ф_в не пересекает диск, а замыкается через боковые стержни сердечника 1. Он не принимает непосредственного участия в создании вращающего момента и служит для получения необходимого сдвига фаз между потоком Ф_р и напряжением сети U. Обмотка сердечника 1 из-за большого числа витков обладает значительной индуктивностью, и ток в ней I_U отстает от напряжения U на угол, близкий к 90°. Нерабочий поток Ф_в вызывает в сердечнике 1 незначительные потери, поэтому он отстает от тока I_U на небольшой угол (1-2°). Рабочий поток Ф_р отстает от этого же тока на существенно больший угол (20-25°), поскольку, кроме потерь в стали, имеются активные потери в алюминиевом диске. Поток Ф_U является геометрической суммой потоков Ф_р и Ф_в.

Рисунок 8.18 – Индукционный счетчик: а – схема; б – векторная диаграмма

П-образный электромагнит 4 имеет обмотку с небольшим числом витков, выполненную из медного сравнительно толстого провода и включенную последова­тельно с нагрузкой цепи Z. По этой обмотке проходит ток нагрузки I, который при ее активно-индуктивном характере (наиболее часто встречающийся характер нагрузки) отстает от напряжения U на угол φ (рис. 8.18, б). Ток I создает магнитный поток Ф_I, который отстает от тока I на угол α (порядка 5-15°) из-за наличия потерь в стали электромагнита. Поток Ф_I дважды пересекает диск 2 (рис. 8.18, а), индуцируя в нем вихревые токи, которые, согласно закону электромагнитной индукции, отстают по фазе от потока на угол 90° (сопротивление диска считается чисто активным).

Дальнейший анализ работы индукционного счетчика показывает, что значение вращающего момента зависит от взаимодействия магнитных потоков Ф_I и Ф_р и от угла сдвига фаз между ними ψ и вычисляется согласно выражению

где k' – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции электромагнитов и диска.

Из-за наличия воздушных зазоров сердечники обоих электромагнитов находятся в ненасыщенном состоянии, поэтому потоки Ф_I и Ф_р будут пропорциональны токам в обмотках, то есть

где Z_U – полное сопротивление параллельной обмотки, которое при неизменной частоте – величина постоянная.

Подставляя значения потоков в уравнение (8.35) и объединяя постоянные, получим:

Для того чтобы показания счетчика соответствовали потребляемой нагрузкой энергии, его вращающий момент должен быть пропорционален активной мощности переменного тока, то есть

Для этого необходимо, чтобы sin ψ = cos φ, а это будет в том случае, если угол сдвига фаз между потоками Ф_I и Ф_р

Из векторной диаграммы, приведенной на рис. 8.18, б, следует, что ψ = β - α - φ. Таким образом, для выполнения условия (8.37) угол β - α должен быть равен 90°.

Выполнение этого условия достигается конструкцией электромагнита 1, ко­торая позволяет получить угол β > 90°. Для регулировки угла α на электромагнит 4 (рис. 8.18, а) накладывают короткозамкнутые витки ω и обмотку 5, замкнутую на проволочный резистор R, выполненный в виде петли с перемещающимся контактом. Регулируя сопротивление R, меняют потери на пути потока Ф_I и, следовательно, изменяют угол α, добиваясь, таким образом, равенства β - α = 90° и выполнения условия (8.37), а значит и соотношения (8.36).

Роль противодействующего момента в счетчиках выполняет тормозной момент М_т, возникающий при вращении алюминиевого диска 3 подвижной части в поле постоянного магнита 4 (см. рис. 8.17). Так как значения индуцируемых в диске вихревых токов пропорциональны скорости изменения магнитного потока

ка, то есть скорости вращения диска то тормозной момент определяется выражением

где k₁ – коэффициент пропорциональности.

Под действием вращающего момента диск начинает вращаться с ускорением, что увеличивает тормозной момент до тех пор, пока моменты неуравновесят друг друга (М_вр = М_т) и вращение не станет равномерным. С учетом зависимо­стей (8.36) и (8.38) имеем

Интегрируя последнее равенство в пределах интервала времени Δt, получим:

где W – энергия, израсходованная в нагрузке за интервал времени Δt, N – число оборотов диска за этот же интервал времени; С – постоянная счетчика.

Отсчет энергии производится по Показаниям счетного механизма 2 (рис. 8.17) – счетчика оборотов, градуированного в единицах энергии. Единице электрической энергии (обычно 1 кВт∙ч), регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика (диска). Это соотношение, которое называется передаточным числом А, указывается на лицевой панели счетчика.

В настоящее время промышленностью выпускается довольно большое количество типов индукционных счетчиков, среди которых отметим СА4У-И682, СА4У-И670М и СР4У-И689.

Основные характеристики счетчиков электрической энергии. Величина, обратная передаточному числу, то есть отношение зарегистрированной энергии к числу оборотов диска, называется номинальной постоянной С_ном. Значения А и С_ном зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика остаются неизменными.

Количество энергии, действительно прошедшее через счетчик за один оборот подвижной части, называется действительной постоянной С. Действительная постоянная зависит от тока нагрузки, частоты и внешних условий (температуры, давления и т. д.). Зная значения С и С_ном, можно определить относительную погрешность (в процентах) счетчика:

где W' – энергия, измеренная счетчиком; W – действительное значение энергии, прошедшей через счетчик.

В соответствии с ГОСТ 6570-96 счетчики активной энергии должны выпускаться классов точности 0,5; 1,0; 2,0 и 2,5 (с 01.07.97 выпуск счетчиков класса 2,5 прекращен); счетчики реактивной энергии – 1,5; 2,0 и 3,0.

Для каждого класса точности счетчиков нормативными документами установлен порог чувствительности (в процентах) счетчика, определяемый как

где I_min и I_ном – минимальное значение тока, при котором диск счетчика начинает безостановочно вращаться, и номинальное для счетчика значение тока в токовой обмотке соответственно. Порог чувствительности определяется при номинальных значениях напряжения и частоты, cos φ = 1 Например, для счетчиков класса точности 1,0 значение ΔS < 0,4 %, а для счетчиков классов точности 1,0 и 2,0 – ΔS <0,5 %. Самоходом называется вращение диска при отсутствии тока в нагрузке, но при наличии напряжения в параллельной цепи счетчика. Такое явление возникает, если момент, компенсирующий действие момента трения, превосходит сам момент трения. В соответствии с установленными требованиями самохода не должно быть при любом напряжении от 80 до 110 % от номинального.

Под действием внешних факторов у счетчиков появляются дополнительные погрешности, возникающие вследствие искажения формы кривой тока и напряжения, колебаний напряжения и частоты, резкого перепада мощности в нагрузке и т. п.

Кроме однофазных индукционных счетчиков промышленностью выпускаются также трехфазные счетчики активной и реактивной энергии. Трехфазные счетчики представляют собой, фактически, три (трехэлементные) или два (двухэлементные) счетчика, объединенных одной осью вращения. Двухэлементные счетчики применяют при измерении энергии в трехпроводных трехфазных це­пях, а трехэлементные – в четырехпроводных цепях (с нулевым проводом).

1 Для обозначения Международной системы единиц принято сокращение СИ (от начальных букв слов Systeme International).

2 Следует отметить, что терминологию в области средств электроизмерительной техники в настоящее время еще нельзя считать окончательно установившейся.

3 При нелинейной функции преобразования чувствительность и коэффициент преобразования зависят от входного сигнала.

4 Приращения могут быть положительными и отрицательными.

5 В этом параграфе будут рассматриваться только систематические погреш­ности. Оценка случайных погрешностей должна производиться е учетом их зако­нов распределения и коррелированности.

6 Абсолютные единицы физических величин и абсолютные системы единиц - единицы и системы единиц, основанные на единицах длины, массы и времени.

7 Эту теорему для случая описания погрешностей можно трактовать так: если имеется достаточно большое число независимых причин возникновения погрешностей, то результатом действия этих причин будет погрешность, рас­пределенная по нормальному закону, если ни одна из этих причин не является существенно преобладающей над остальными,

8 Δ_н и Δ_в должны быть указаны со своими знаками. В общем случае |Δ_н| может быть не равна |Δ_в|. Если границы погрешности симметричны, т. е. |Δ_н| =|Δ_в| = Δ, то результат измерения может быть записан так: А ± Δ; Р.

9 Среднее квадратическое отклонение в некоторых случаях может быть известно из предыдущих экспериментов или из технической документации на применяемые средства измерения.

10 Разница в законах распределения выражений (2.7) и (2.8) объясняется рм, что в знаменателе выражения (2.7) стоит среднее квадратическое отклоне­ние - неслучайная величина, а в знаменателе выражения (2,8) стоит его оценка - случайная величина.

11 Закон распределения этих величин может быть весьма сложным даже при нормальном законе распределения случайных погрешностей аргументов.

12 Среди этих составляющих не должно быть существенно преобладающих над остальными.

13 Петров В.П., Рясный Ю.В. Оценка суммарной погрешности средств измерений. – Измерительная техника, 1977, №2.

14 В системе уравнений (2.31) все x является функциями времени.

184