Измерение мощности и энергии в цепях постоянного и переменного тока

Практическое занятие № 4

 

Одними из важнейших показателей характеризующих работу электрических сетей является мощность и количество потребленной энергии за период работы. Для оценки количества электрической энергии используется такая внесистемная единица измерения как киловатт-час (кВт·ч) равный 3,6·10⁶ Дж, единицей измерения соответствующей системе СИ является джоуль (Дж). Для измерения электрической энергии используют счетчики электрической энергии индукционной системы. Более современными являются цифровые счетчики энергии.

В основу работы индукционных счетчиков положено преобразование электрической энергии в токи Фуко, а затем в механическое перемещение.

Рассмотрим механические силы, возникающие в результате взаимо­действия магнитных потоков и вихревых токов в диске, и зависимость вращающего момента от токов в электромагнитах. Среднее за период зна­чение силы взаимодействия переменных магнитного потока и электрического тока можно выразить уравнением

; (34)

где ψ - сдвиг фаз между магнитным потоком и электрическим током.

Измеряемая величина подается на катушку тока (рис.2.17) 5,6 и катушку напряжения 2,7. Магнитные поля, создаваемые этими катушками, пересекают алюминиевый диск 8 и наводят в нем вихревые токи, создается вращающий момент и диск начинает вращаться.

2 3702 20042 3328 19108 3294 19177 2887 18277 2819 13535 2751 13604 2208 14192 1664 14642 1121 14712 747 8446 577 8585 272 8550 34 8308 34" o:allowoverlap="f">

Рисунок 2.17 – Индукционная система приборов 1 – ось, 2 – магнитопровод катушки напряжения, 3 – постоянный магнит, 4 – противополюс, 5 – магнитопровод катушки тока, 6 – обмотка катушки тока, 7 – обмотка катушки напряжения, 8 - диск

 

; (35)

где k - коэффициент пропорциональности зависит от протекающей через счетчик мощности;

U – напряжение на параллельной обмотке;

I – ток на последовательной обмотке;

– угол сдвига фаз между током и напряжением.

Тормозной момент создаваемый постоянным магнитом

; (36)

где С_Т – постоянная зависящая от геометрических размеров постоянного магнита, зазора и диска;

- поток создаваемый постоянным магнитом;

ω - угловая частота вращения диска.

Энергия, потребленная счетчиком на собственные нужды

; (37)

где Р - мощность сети;

t – время за которое счетчик сделал заданное число оборотов.

Замыкаются магнитные поля на катушки по противополюсу 4. Противодействующий момент создается постоянным магнитом 3.

Регистрация показаний осуществляется роликовым счетным механизмом и не требует создания момента успокоения.

Основными характеристиками счетчиков, являются следующие величины.

- Номинальная постоянная счетчика это энергия, показанная счетным механизмом на один оборот.

; (38)

где N – номинальная постоянная счетчика, характеризует количество оборотов выполняемое диском на 1 кВт·ч в нормальных условиях;

- Действительная постоянная счетчика – характеризует работу счетчика в условиях отличных от номинальных.

; (39)

где n – действительная постоянная счетчика, характеризует количество оборотов, выполняемое диском на 1 кВт·ч, в условиях отличных от нормальных;

Относительная погрешность счетчика

. (40)

Если действительная постоянная счетчика больше номинальной то он дает заниженные показания, если номинальная больше то завышенные.

В зависимости от величины допустимой погрешности индукционные счетчики делятся на следующие классы точности – 1.0, 2, 2.5. Величина погрешности зависит от нагрузки, включенной в сеть, чем больше нагрузка, тем меньше действие силы трения и тем точнее показания, при снижении нагрузки на показания оказывает влияние трение диска о воздух, снижение магнитной проницаемости магнитопровода, трение в счетном механизме, трение в подшипника. Влияние этих факторов устраняется введением конструктивных дополнений – короткозамкнутого витка, поводка, которые создают компенсационный момент. Однако при перекомпенсации у счетчика появляется так называемый самоход, который выражается во вращении диска только под действием приложенного напряжения при отсутствии нагрузки.

Приборы используются в качестве счетчиков, активной и реактивной энергии в однофазных и трехфазных сетях, амперметров, вольтметров, фазометров и др.

Достоинства: сильное собственное магнитное поле, нечувствительность к внешним магнитным полям, большой вращающий момент.

Недостатки: пригодны только для переменного тока, чувствительны к колебаниям напряжения, частоты, температуры; большая масса; большое собственное потребление энергии.

В цифровых счетчиках выходной величиной является электрическая величина вместо момента вращения, чаще всего ей является напряжение, которое преобразуется в последовательность импульсов с последующим их преобразованием в угол поворота счетного механизма. Конструктивно счетчик выполняется на основе измерительного преобразователя активной мощности первичным звеном, которого является трансформатор тока. Полученный сигнал с преобразователя поступает на интегратор, который выполняет роль памяти на случай аварийного отключения, а так же для промежуточного хранения результатов измерения.

Для получения всего спектра характеристик необходимо измерить любые два значения из ряда: активная мощность, реактивная мощность, полная мощность, угол сдвига фаз. Блок схема счетчика энергии представлена на рисунке 2.18.

Датчик напряжения

Датчик тока

Преобразователь мощность-частота КР1095ПП1

ПЗУ

Микроконтроллер МС88НС05КJ1

Контроллер ЖКИ К1820ВГ2

ЖКИ

 

Рисунок 2.18 – Блок схема цифрового счетчика электрической энергии

Полученное с преобразователей напряжения и тока значение подается на преобразователь мощности, где формируется сигнал в виде импульсов определенной частоты. На микроконтроллере накапливаются сигналы соответствующие 1 Вт·ч. По мере накопления сигнал передается на ПЗУ. Точность измерения растет с увеличением частоты дискретизации. Через специальный разъем к счетчику можно подключить картридер для записи информации.

Программирование осуществляется по протоколу RS-485 посредством фиксированной системы команд. В программное обеспечение включается ряд команд для автоматического тестирования и калибровки счетчика. Для индивидуального доступа каждый счетчик имеет адрес и пароль, что позволяет дистанционно произвести обмен информацией. Скорость обмена по витой паре может быть выбрана из фиксированного ряда: 75, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бод.

Недостатки: при увеличении частоты дискретизации растет сложность программного обеспечения, высокая стоимость.

Достоинства цифровых счетчиков: достижим любой класс точности в зависимости от выбора комплектующих, при обработке подученного сигнала можно одновременно определять несколько параметров исследуемой сети, использование в качестве многотарифных счетчиков, использование внешнего доступа к показаниям а так же дистанционная диагностика и управление.

ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример

Определите номинальную и действительную постоянную счетчика, относительную погрешность измерения если паспортные данные имеют следующие значения: номинальное напряжение 220 В, номинальный ток 5 А, номинальная частота 50 Гц, 1 кВт·час составляет 1280 оборотов. Счетчик поверен при параметрах 220 В, 5 А, и сделал 150 оборотов за 6 минут.

Решение

Номинальная постоянная счетчика

(Вт·с)/об.

Действительная постоянная

(Вт·с)/об.

Поправочный коэффициент

Относительная погрешность измерения

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: