Счетчик представляет собой измерительную ваттметровую систему и является интегрирующим (суммирующим) электроизмерительным прибором. Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуктированными ими в подвижной части прибора (в диске). Электромеханические силы взаимодействия вызывают движение подвижной части. Схематическое устройство однофазного счетчика представлено на рисунке 8.
Основными его узлами являются электромагниты 1 и 2, алюминиевый диск 3, укрепленный на оси 4, опоры оси – подпятник 5 и подшипник 6, постоянный магнит 7. С осью связан при помощи зубчатой передачи 8 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 ампервитков этой обмотки находится в пределах 70 – 150, т.е. 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.
Рисунок 8 – Устройство однофазного индукционного счетчика
Ток, протекающий по обмотке напряжения, создает общий переменный магнитный поток цепи напряжения, небольшая часть которого (рабочий поток) пересекает 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, на 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 обеих обмоток при пересечении диска наводят в нем две ЭДС, под действием которых в диске вокруг следов этих потоков протекают соответствующие вихревые токи (правило “буравчика”). В результате взаимодействия магнитного потока обмотки напряжения и вихревого тока от магнитного потока токовой обмотки и с другой стороны магнитного потока токовой обмотки и вихревого тока от обмотки напряжения, 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° , что 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 стабилизируется, 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, а следовательно частоты 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 счетчиком количество энергии определяется как произведение числа оборотов диска счетчика на коэффициент пропорциональности С (постоянная счетчика).
И ндукционный трех фазный электросчетчик работает по томуже принципу что и однофазный. В индукционной системы подвижная часть (диск) вращается во время потребления электроэнергии. Диск вращается за счёт вихревых токов, наводимых в нём магнитным полем катушек счётчика, магнитное поле вихревых токов взаимодействует с магнитными полями катушек счётчика. Один из трех элементов счетчика содержит два электромагнита; обмотка одного включена в сеть последовательно (токовая обмотка), другого – параллельно (обмотка напряжения). Между этими электромагнитами расположен вращающийся алюминиевый диск, его ось которого соединена со счетным механизмом счётчика, а также со вторым диском, на котором установлено еще два (на две фазы) элемента. Третий диск отсутствует, ради экономии. Протекающие по обмоткам электромагнитов токи создают магнитные потоки. Под действием которых у диска появляется вращающий момент. Чем больше расходуется электроэнергии, тем больший ток в контролируемой цепи и в токовой обмотке счётчика и тем больше момент и скорость вращения диска. Трёхфазные электросчетчики на напряжение 380 В применяются в основном для учёта электроэнергии на подстанциях, предприятиях и т. п.
Устройство и принцип работы гибридного электромеханического счетчика.
Гибридный счетчики электроэнергии необходимо разделять на несколько разных узлов: схема счетчика, блок питания, корректирующие цепи и т. д. Блок питания преобразует переменное входное напряжение в низкое постоянное и обеспечивает питание электронных цепей счетчика. Схема счетчика измеряет ток, который потребляется нагрузкой, с помощью трансформатора тока (датчика), через который и протекает измеряемый ток. Другие блоки счетчика электроэнергии выполняют ряд различных функций: вывод показаний и управление через Ethernet, WiMax, Wi-Fi, ZeegBee сети, управление дисплеем, термокомпенсация счетчика, коррекция точности, и т. п. Счетчик состоит из микросхемы обработки, трех трансформаторов тока, цепи питания, электромеханического счетного устройства и дополнительных цепей. В качестве регистра электроэнергии используется простое электромеханическое отсчетное устройство, в котором применен двухфазный шаговый двигатель. Электропитание счетчика обеспечивает источник, построенный на токовом трансформаторе и двухполупериодном выпрямителе.
Устройство и принцип работы электронного (цифрового) счетчика.
До недавнего времени вопрос измерения электроэнергии, сводился к применению электромеханических счётчиков, принцип работы основан на подсчёте оборотов металлического диска, вращающегося в переменном магнитном поле, которое, создаётся двумя электромагнитами. Магнитный поток должен быть пропорционален току, текущему через нагрузку, а второго — напряжению. При этом скорость вращения диска пропорциональна мощности, а количество оборотов — потребляемой энергии.
Развитие микроэлектроники наметило переворот в области создания промышленных и бытовых систем учета, который, в первую очередь, связан с использованием систем управления на базе микроконтроллеров.
В цифровых системах учета достижим практически любой класс точности, при выборе соответствующей элементной базы и алгоритмов обработки информации. Отсутствие механических частей значительно повышает надёжность.
Обработка информации в цифровом виде позволяет одновременно подсчитывать как активную, так и реактивную составляющие мощности, это является важным, например, при учёте энергии в трёхфазных сетях.
Появляется возможность создания многотарифных электросчётчиков. При работе такого системе учета значение накопленной энергии записывается в буфер текущего тарифа. Выбор тарифа осуществляется автоматически. Например, “льготный” тариф может быть установлен на одно время, “пиковый” тариф — “штрафной” тариф, во второе, а в остальное время будет действовать “основной” тариф.
В простейшем случае цифровой системы учета, когда требуется лишь измерение импульсов, вывод информации на дисплей и защита при аварийных сбоях (как, фактически, цифрового аналога механических счётчиков), система может быть построена, на базе простейшего микроконтроллера.
Блок-схема такого счетчика электроэнергии представлена на рисунке. Сигналы, поступают через соответствующие трансформаторные датчики на входы микросхемы-преобразователя. С её выхода снимается частотный сигнал, поступающий на вход микроконтроллера. Микроконтроллер складывает количество пришедших импульсов, преобразовывая его для получения количества энергии в Вт·ч. По мере накопления каждой единицы, значение накопленной энергии выводится на монитор и записывается во FLASH-память. Если происходит сбой, исчезновение напряжения сети, информация о накопленной энергии сохраняется в памяти. После восстановления напряжения эта информация считывается микроконтроллером и выводится на индикатор, счёт продолжается с этой величины. Этот алгоритм потребовал менее 1 Кбайт памяти микроконтроллера. В качестве дисплея может использоваться простейший 6-. 8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый контроллером.
В случае реализации многотарифного электросчетчика, устройство должно обеспечивать обмен информацией с внешним миром по п оследовательному интерфейсу. Интерфейс может использоваться для задания тарифов, включения и установки таймера времени, получения информации о накопленных значениях электроэнергии и так далее. . Блок-схема такого устройства, реализованного на микроконтроллере фирмы Motorola представлена на рисунке.
Рассмотрим алгоритм работы электросчётчика. Память энергонезависимого ОЗУ разбита на 13 банков, в каждом хранится информация о накопленной электроэнергии по четырём тарифам: общем, льготном, пиковом, штрафном. В первом банке учет производятся с момента начала эксплуатации электросчётчика, следующие 12 банков соответствуют накоплениям за 11 предыдущих и за текущий месяцы. Учет за текущий месяц записываются в соответствующий банк, таким образом, имеется возможность узнать, сколько было накоплено энергии за любой из 11 последних месяцев. Перед началом работы счётчика на заводе-изготовителе обнуляют содержимое банков памяти, и накопление начинается с нулевых значений.
Смена тарифов осуществляется по временным условиям: для каждого дня недели свое тарифное расписание, то есть времена начала основного и льготного тарифов — для пикового тарифа. 16 произвольных дней в году могут быть определены как праздничные, в эти дни работает тарифное расписание как для воскресенья.
В электросчётчике может быть установлен режим ограничения по количеству израсходованной за месяц энергии и по мощности. В тех режимах счётчик фиксирует количество электроэнергии, израсходованной выше лимита. При превышении установленного лимита электроэнергии производится или переход на накопление по штрафному тарифу, или отключение пользователя от энергосети. Штрафной тариф может быть установлен принудительно (по интерфейсу связи) в случае, например, задолженности.
При включении счётчика в сеть (например, после очередного пропадания напряжения в сети) фиксируется время и дата момента для возможности контроля. Также предусмотрена запись даты несанкционированного снятия крышки счетчика.
Через особый разъём к счётчику можно подключить ридер для считывания информации с индивидуальной электронной карточки о объеме энергии, оплаченном потребителем. При исчерпании лимита счётчик может отключить потребителя от электросети.
