Теоретично, для обліку електроенергії в трифазних трипровідних та чотирипровідних системах можуть застосовуватись один або кілька однофазних лічильників, включених за певною схемою. Однак такі схеми вимагають суворого дотримання симетричного навантаження та напруги, що не завжди можливо забезпечити.
Крім того, облік по одній або двох фазах призводить до значних похибок, тому в даний час найбільшого поширення набули трифазні триелементні лічильники. У статті як приклад такого приладу обліку представлена схема СА4У-І672М.
Електрочітчик має три обертові елементи, що діють на одну рухому частину. Рухлива частина найчастіше має два диски. Обертальні елементи мають ту ж конструкцію і пристрій, що і однофазних.
Це стосується всіх трифазних приладів обліку, крім лічильників реактивної енергії, що базуються на обертових елементах з внутрішнім зсувом, відмінним від 90°, а саме 60° та 180°.
У лічильниках реактивної енергії за основу також береться конструкція елемента, що обертає, схожа з однофазним, і вживаються заходи для отримання необхідного внутрішнього зсуву фаз (короткозамкнені витки, шунтуючі опори).
Трифазний індукційний лічильник можна як систему, що складається з трьох однофазних; кожному елементі такої системи відбуваються самі фізичні процеси. При чисто активному навантаженні кут зсуву фаз між робочими потоками кожного елемента становить 90°.
Повний момент, що обертає, втричі більше, ніж момент одного елемента. Навантажувальна крива, а також інші характеристики триелементного приладу будуть такими ж, як і однофазного лічильниказ такою самою номінальною швидкістю обертання.
Нагадаємо, навантажувальна крива - це сума кривих складових похибок від тертя, самогальмування і зміщення елемента, що обертається, похибка від нелінійної залежності робочого потоку і струму. послідовного ланцюга.
Наявність зсуву фаз напруг у трифазній системі вносить певні похибки при створенні крутного моменту в рухомій частині. Для першого елемента, що обертає, умовно приймаємо φ1=0°. Тоді зсув наступних двох фаз відповідно дорівнюватиме φ2=60°, φ3=120°.
Значить, кут зсуву фаз між робочими потоками для першого намагнічує елемента ψ1=0°- φ, для другогоψ2=60°- φ, для третього ψ3=120°- φ. При активному навантаженні (cosφ=1) і симетричному навантаженні по фазах ці зрушення дорівнюють ψ1= 0°, ψ2= 60°, ψ3= 120°.
Отже сумарний момент моментів елементів Мвр не дорівнює потрійному значенню моменту М1 одного з обертових елементів, коли напруга і струм цього елемента збігаються по фазі, а дорівнює:
Мвр = М1sin0°+ М2sin60°+ М3sin120°=√3 М1;
Крім того, якщо він матиме ту ж номінальну швидкість, що й однофазний, то їх навантажувальні криві в області великих навантаженьбудуть різні. Зумовлено це тим, що сумарний момент власного гальмування трифазного лічильникадорівнює потрійному моменту власного гальмування одного елемента, а сумарний момент, що обертає, власного гальмування більше обертового моменту одного елемента в √3 разів.
Похибка трифазного лічильника від власного гальмування буде 2/√3, що становить 1,16 рази більше, ніж однофазного з таким же обертовим елементом і номінальною швидкістю обертання рухомої частини.
Щоб триелементний трифазний прилад обліку мав таку ж навантажувальну криву, що й однофазний, необхідно, щоб його номінальна швидкість була в 1,16 рази менше, ніж у однофазного. Як і однофазних лічильників, швидкість обертання диска можна відрегулювати переміщенням постійного магніту вздовж радіуса диска; конструкцією для цього передбачено два постійні магніти.
Облік реактивної енергії проводиться за тими ж схемами, що і облік активної, але при цьому вимірювальні механізми повинні мати внутрішній кут зсуву фаз між робочими потоками послідовного і паралельного ланцюгів не 90°, як має місце при обліку активної енергії, а 0° (180 °).
Для отримання такого зсуву послідовно з обмоткою паралельного ланцюга обертового індукційного елемента включають додаткове активний опірі, крім того, шунтують обмотку послідовного ланцюга активним опором.
Такі електролічильники реактивної енергії називають лічильниками з 180 ° зсувом. Їхньою відмінністю є відсутність “схемної” похибки при будь-якій асиметрії ланцюга.
Нижче наведено кілька найбільш поширених схем обліку реактивної енергії: схема триелементного приладу обліку в трипровідних і чотирипровідних ланцюгах (а), схема двоелементного лічильника з розділеними послідовними обмотками (схема Бергтольда) для обліку в трипровідних ланцюгах (в), і схема лічильника з 60° для обліку у трипровідних ланцюгах (с).
Для отримання обертового елемента з 60° зсувом, послідовно з обмоткою паралельного ланцюга елемента з 90° зсувом включають додатковий активний опір. На шляху неробочих потоків паралельного ланцюга включають короткозамкнуті витки, що призводить до зменшення внутрішнього зсуву між робочими потоками.
Багатьом відомий такий термін, як реактивна електрична енергія. Для сприйняття звичайної людини це досить складне поняття. Тому в першу чергу необхідно з'ясувати всі відмінні риси реактивної та активної енергій. Найбільш важливою відмінністю реактивної енергії є те, що виникнення її можливе лише в мережах, що характеризуються змінним струмом. У з'єднанні з постійним струмомцієї енергії не може. Так відбувається через її природні особливості.
В основному, лічильник реактивної енергії є деяким цифровим пристроєм, робота якого полягає в тому, що він перетворює потужність в сигнал аналогового характеру, який надалі перевтілюється в електричні імпульси. Їхня сума і означає кількість споживаної електроенергії.
Цей прилад складається з корпусу, виконаного з пластмаси. У ньому встановлюється три трансформатори та плата, в яку вбудований блок обліку. Зовні даного пристрою кріпляться світлодіодні лампочки, а також екран рідкокристалічної структури.
Електрика змінного характеру йде до споживачів від потужностей, що виробляють, через кілька трансформаторів понижувальної дії, конструкція яких виконана так, що в ньому розподілені обмотки підвищеного і зниженої напруги. Якщо сказати точніше, то між даними обмотками немає безпосереднього фізіологічного контакту, але, незважаючи на це, електрика проходить по заданому шляху.
Даному явищу є дуже просте пояснення. Передача електроенергії здійснюється через повітряний простір за допомогою електромагнітного поля. А, як відомо, повітря є чудовим діелектриком. Дане електромагнітне поле є змінним, і тому з'являється почергово в кожній з обмоток трансформатора і завжди перетинає протилежну обмотку, не маючи з нею прямого контакту, створює в її мережах електрорухову силу.
Коефіцієнт корисної діїу сьогоднішніх трансформаторах досить високий, і завдяки цьому втрати електричної енергіїдуже малі і вся наявна сила непостійного струму з першої обмотки переходить на другу. Така сама робота відбувається і в конденсаторі. Тільки тут головну роль відіграє електричне поле.
Такі величини, як індуктивність і ємність, створюють реактивну енергію, яку кожен період часу віддають джерелу непостійного струму деяку частину енергії. Накопичення і віддача цієї енергії не дозволяють спокійному перебігу активної енергії, тому вона виконує всю кількість необхідної роботи в мережах, перетворюючись у своїй механічну чи теплову роботи.
Споживачі, у яких створюється велика кількість індуктивного навантаження, застосовують спеціальні пристрої, Які називаються конденсаторами. Робиться це для того, щоб компенсувати та максимально зменшити протидію реактивної енергії. Ця енергія істотно впливає величину всіх втрат електроенергії. Слід зазначити, що може негативно позначитися і сумісності електромагнітного характеру всіх приладів. Тому виникає необхідність контролю над її кількістю.
Найчастіше ця проблема виникає на промислових підприємствах. Для того щоб налагодити роботу електричних мереж проводиться встановлення датчиків, які окремо вважають активну та реактивну енергії: лічильник активної енергії та лічильник реактивної енергії. Лічильник реактивної енергії в трифазних електричних мережахвидає дані у двох величинах: вольти та ампери.
Призначення, будова, принцип роботи
Для обліку електричної енергії, виробленої станціях і переданої споживачам, застосовують лічильники електричної енергії. Їх встановлюють на шинах генераторної напруги, на лініях, що відходять, і на стороні ПН понизливих підстанцій споживачів. Для обліку активної енергії застосовують однофазні типи СО, СОУ або трифазні індукційні системи типів САЗ (САЗУ), а для реактивної енергії - лічильники типів СР4 (СР4У). У позначеннях лічильників літери та цифри означають: С - лічильник, Про - однофазний, А - активної енергії, Р - реактивної енергії, У - універсальний, 3 та 4 - для трьох-і чотирипровідних мереж.
Обмотки лічильників розраховані на включення безпосередньо в мережу та через вимірювальні трансформатори струму та напруги. Лічильники для безпосереднього включення виготовляються на 5, 10, 20, 30 і 50 А, а через трансформатори струму - до 2000 А, вторинний номінальний струм лічильника для всіх випадків буде 5 А. Номінальна напругалічильників для обмоток безпосереднього включення: 127, 220 і 380 В, а через трансформатори напруги-100 В. За наявності трансформаторів лічильники можна підключати до шин станцій з робочими напругами 500, 600 В або 3, 6, 10 та 35 кВ.
На однофазних трансформаторних підстанціяхпотужність 4 – 10 кВ-А, напругою 6-10/0,23 кВ встановлюють лічильник активної енергії СО2М. Його приєднують до трансформатора струму, встановленого за однофазним трансформатором, тому він враховує всю електроенергію, що проходить через трансформатор. Лічильник має підігрів – тепловий опір ПЕ-75.
На однотрансформаторних підстанціях споживачів напругою 6-10/0,4 кВ потужністю 100-250 кВ-А встановлюють трифазні індукційні лічильники активної енергії типів СА4У або СА4І. Лічильники електроенергії призначені для чотирипровідного ланцюга та мають сім висновків: по два для підключення до кожного з трьох трансформаторів струму та один для підключення до нульового дроту. Такі лічильники встановлюються з боку низької напруги. силового трансформаторадо шин, до яких підключені низьковольтні лінії, що відходять, тому вони враховують всю електроенергію, що пропускається трансформатором.
Конструктивно механізм лічильника монтується на литій стійці, розташованій у прямокутному сталевому чи пластмасовому цоколі, закривається пластмасовою кришкою. Універсальні лічильники мають на лицьовій стороні кришки знімний щиток та пристрій для його опломбування. Лічильники випускаються класом точності 2,0 за винятком лічильників реактивної енергії безпосереднього включення, які мають клас точності 3,0.
Пристрій і принцип роботи розглянемо з прикладу однофазного лічильника типу С0-2М (рисунок 1).
У пластмасовому корпусі розташований сталевий сердечник 1, з обмоткою напруги. Вона виконана з великої кількості витків дроту малого діаметра і вмикається в ланцюг паралельно. Струмкова обмотка 4 намотана на сердечник 5 і складається з малого числа витків дроту великого діаметра. Ця обмотка включається в ланцюг послідовно і розрахована на номінальний струм 5 А. Між сердечниками є повітряний зазор, в якому може вільно обертатися алюмінієвий диск 3, закріплений на осі 2. Для регулювання лічильника служить встановлений на сталевий скобі постійний магніт 7. Висновки обмоток підключаються до чотирьох клем лічильника, які закриваються кришкою і пломбуються.
Рисунок 1 – Електричний лічильник
При включенні лічильника за його обмотками течуть струми, що утворюють магнітний потік у повітряному зазорі. Цей потік перетинає алюмінієвий диск та індукує в ньому вихрові струми. Взаємодія струмів у диску з магнітним потоком в обмотках викликає появу механічної сили, що приводить диск у обертання. Диск пов'язаний зубчастою передачею з рахунковим механізмом лічильника, що дає показання кВт год.
У схемі включення однофазного лічильника (рисунок 2, а) фазний провід підключається до першої клеми Г (генераторний затискач), а нульовий провід - до третьої клеми Г. Провід, що відходять до електроприймачів, підключаються до другої та четвертої клем, позначених буквою Н (навантаження ).
Для вимірювання витрати електроенергії у трифазних електроустановках можна скористатися трьома однофазними лічильниками, включеними в кожну фазу за схемою, наведеною на малюнок 2 б. У цьому витрата енергії окреслюється сума показань трьох лічильників. Значно зручніше, однак, користуватися трифазними лічильниками, які є три однофазних лічильника, зібраних в одному корпусі і мають загальний рахунковий механізм.
Рисунок 2 – Схеми включення лічильників:
а - однофазного, б - трьох однофазних трифазну мережу, в - трифазного
У схемі включення трифазного триелементного лічильника типу СА4 (рисунок 2, в) три фази подаються на затискачі Г, трифазна навантаження підключається на затискачі Н, а на затискачі подається нульовий провід.
Схеми включення завжди наводяться на звороті кришки лічильника будь-якого типу, що закриває контакти.
Струмкова обмотка лічильника для установки в квартирі розрахована на номінальний струм 5 А, але в сучасних житлових будинках є великі багатокімнатні квартири, які споживають значно більшу силу струму. Загалом по дому струмове навантаження може сягати кількох сотень ампер. Зрозуміло, що ланцюг з такими струмами лічильники безпосередньо включати не можна. Для зниження змінного електричного струмувеликої сили до значення, зручного для вимірювання стандартними вимірювальними приладами, призначений трансформатор струму, або вимірювальний трансформатор.
Трансформатор струму типу ТК-20 (рисунок 3) має сталевий осердя 2 з обмотками. Первинна обмотка 3 з висновками Л1 і Л2 виконана з дроту великого перерізу, розрахованого на струм, необхідний нормальної роботи електроустановки. Вторинна обмотка 4 та висновки І1 та І2 вторинної обмотки підключені до клемника 1. Вона має таку кількість витків, щоб при номінальному струміпервинної обмотки у ній індуктувався струм 5 А.
Малюнок 3 – Трансформатор струму ТК-20
Трансформатори струму випускаються з різними коефіцієнтами трансформації: 10/5, 15/5, 20/5 А та застосовуються залежно від величини робочого струму споживача.
Наразі планується введення в експлуатацію систем автоматичного обліку споживання енергії. Створення таких систем стало можливим завдяки розробці електронних лічильників. Наприклад, лічильники електричної активної енергії електронні прямого включеннятипу «Енергія - 9» призначені для обліку електричної активної енергії в однофазних ланцюгах змінного струмучастотою 50 Гц, залежно від виконання за одним або декількома диференційованими в часі тарифами.
Лічильники, залежно від виконання, забезпечують також:
- Формування бази даних, що містить вимірювальну інформацію;
- передачу інтерфейсними каналами вимірювальної інформації, що зберігається в базі даних, пристрої обліку електричної енергії вищого рівня.
Область застосування лічильників – облік електричної енергії на промислових (дрібномоторних) підприємствах та у комунально-побутовій сфері в умовах застосування диференційованих у часі тарифів на електричну енергію.
Лічильники, що мають послідовний інтерфейс та телеметричний імпульсний вихід можуть бути застосовані в автоматизованих системахобліку та контролю електричної енергії.
Схеми включення
У схемі включення однофазного лічильника спільно з трансформатором струму (рисунок 4, а) первинна обмотка трансформатора Л1 - Л2 включена послідовно лінійний провід з великим струмом, а струмова обмотка лічильника підключена до вторинній обмотцітрансформатора струму (висновки І1 – І2). Як і у звичайній схемі, обмотка напруги повинна бути підключена до фазного та нульового дроту. З цією метою на схемі між висновками Л1 та І1 зроблена перемичка, а третій затискач лічильника з'єднаний з нульовим дротом.
Схеми включення трьох однофазних, а також одного трифазного лічильника спільно з трансформаторами струму наведено на малюнок 4, 6, ст.
У випадку, якщо лічильник працює з трансформатором струму, для визначення дійсної витрати електроенергії необхідно витрати, показані лічильником, помножити на коефіцієнт трансформації вимірювального трансформатора.
Рисунок 4 – Схеми включення лічильників із трансформаторами струму:
а - однофазного, б-трифазного, - трьох однофазних в трифазну мережу