Принцип действия электромеханического счетчика

Электромеханический счетчик представляет собой измерительную ваттметровую систему и является интегрирующим (суммирующим) электроизмерительным прибором. Принцип его работы основан на подсчете количества оборотов металлического диска, вращающегося со скоростью, которая пропорциональна мощности, проходящей через счетчик. Расположенные рядом с диском катушки приводят его во вращение, наводя вихревые токи и вызывая действие силы, которая пропорциональна мгновенному току и напряжению. После отключения питания постоянный электромагнит демпфирует диск, останавливая его вращение. Схематичное изображение конструкции однофазного счетчика показано на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схематическое изображение электромеханического счетчика.

Основными его узлами являются электромагниты 1 и 2, алюминиевый диск 3, укрепленный на оси 4, опоры оси - подпятник 5, подшипник 6, постоянный магнит 7. При помощи зубчатой передачи 8 с осью связан счетный механизм (на рисунке не показан), 9 - противополюс электромагнита 1. Электромагнит 1 содержит Ш - образный магнитопровод, на среднем стержне которого расположена многовитковая обмотка из тонкого провода, включенная на напряжение сети U параллельно нагрузке Н. Эта обмотка в соответствии со схемой включения называется параллельной обмоткой или обмоткой напряжения. При номинальном напряжении 220 В параллельная обмотка имеет обычно 8-12 тысяч витков провода диаметром 0,1 - 0,15 мм. Электромагнит 2 расположен под магнитной системой цепи напряжения и содержит U - образный магнитопровод, с расположенной на нем обмоткой из толстого провода с малым количеством витков. Данная обмотка включена последовательно с нагрузкой и поэтому называется последовательной или токовой обмоткой. Через нее протекает полный ток нагрузки. Обычно количество ампер-витков этой обмотки находится в пределах 70 - 150, то есть, при номинальном токе 5 А обмотка содержит от 14 до 30 витков. Комплекс деталей, состоящий из последовательной и параллельной обмоток с их магнитопроводами, называется вращающим элементом счетчика.

Ток, протекающий по обмотке напряжения, создает общий переменный магнитный поток цепи напряжения, небольшая часть которого (рабочий поток) пресекает алюминиевый диск, находящийся в зазоре между обоими электромагнитами. Большая часть магнитного потока цепи напряжения замыкается через шунты и боковые стержни магнитопровода (нерабочий поток), который разделяется на две части и необходим для создания требуемого угла сдвига фаз между магнитными потоками цепи напряжения и цепи нагрузки (токовой цепи). Магнитный поток цепи напряжения прямо пропорционален приложенному напряжению (напряжению сети).

Ток нагрузки, протекающий через токовую обмотку, создает переменный магнитный поток, который также пересекает алюминиевый диск и замыкается по магнитному шунту верхнего магнитопровода, и частично через боковые стержни. Незначительная часть (нерабочий поток) замыкается через противополюс, не пересекая диск. Так как магнитопровод токовой обмотки имеет U-образную конструкцию, то его магнитный поток пересекает диск дважды.

Таким образом, всего через диск счетчика проходят три переменных магнитных потока. Согласно закону электромагнитной индукции, переменные магнитные потоки обоих обмоток при пересечении диска, наводят в нем ЭДС, под действием которых в диске вокруг следов этих потоков протекают соответствующие вихревые токи. В результате взаимодействия магнитного потока обмотки напряжения и вихревого тока от магнитного потока токовой обмотки, возникает электромеханические силы, которые создают вращающий момент, действующий на диск. Этот момент пропорционален произведению указанных магнитных потоков и синусу угла сдвига фаз между ними.

Активная мощность, потребляемая нагрузкой определяется, как произведение силы тока на приложенное напряжение и на косинус угла между ними. Так как магнитные потоки обоих обмоток пропорциональны напряжению и току, то можно добившись конструктивным путем равенства синуса угла между потоками и косинуса угла между вектором тока и напряжения, осуществить пропорциональность вращающего момента счетчика с коэффициентом измеряемой активной мощности. Синус одного угла равен косинусу другого угла, если между ними сдвиг 90 град., чего и достигают в конструкциях счетчиков (применение короткозамкнутых витков, дополнительных обмоток замкнутых на регулируемое сопротивление, перемещение винтового зажима и т.д.). Вращающий момент пропорциональный мощности сети приводит диск счетчика во вращение, частота вращения которого устанавливается, когда вращающий момент уравновешивается тормозным моментом. Для создания тормозного момента в счетчике имеется постоянный магнит, который своими полюсами охватывает диск. Силовые линии магнитного поля, пересекая диск, наводят в нем дополнительную ЭДС, пропорциональную частоте вращения диска. Эта ЭДС в свою очередь вызывает протекание в диске вихревого тока, взаимодействие которого с потоком постоянного магнита приводит к возникновению электромеханической силы, направленной против движения диска, т.е. приводит к созданию тормозного момента. Регулировку тормозного момента, следовательно, и частоту вращения диска производят путем перемещения постоянного магнита в радиальном направлении. При приближении магнита к центру диска, частота вращения уменьшается.

Таким образом, добившись постоянной частоты вращения диска счетчика получаем, что измеряемое количество энергии получается из произведения числа оборотов диска счетчика на коэффициент пропорциональности, постоянной счетчика.[2]

Рисунок 1.2 - Структурная схема электромеханического счетчика электроэнергии.

Электромеханический счетчик имеет ряд недостатков: отсутствие дистанционного автоматического снятия показаний, однотарифность, погрешности учёта, плохая защита от краж электроэнергии, дороговизна, а также низкой функциональности, неудобства в установке и эксплуатации по сравнению с современными электронными приборами.

Следующим этапом необходимо рассмотреть принцип действия электронных счетчиков электроэнергии.