Разработка цифрового счетчика активной энергии

Ранее, при описании счетчиков, отмечалось, что зажимы токовых обмоток  обозначаются буквами Г (генератор) и Н (нагрузка). При этом генераторный зажим соответствует началу обмотки, а нагрузочный - ее концу. При подключении счетчика необходимо следить за тем, чтобы ток через токовые обмотки проходил от их начал к концам. Для этого провода со стороны источника питания должны подключаться к генераторным зажимам (зажимам Г) обмоток, а провода, отходящие от счетчика в сторону нагрузки, должны быть подключены к нагрузочным зажимам (зажимам Н). Для счетчиков, включаемых с измерительными трансформаторами, должна учитываться полярность как ТТ, так и ТН. Это особенно важно для трехфазных счетчиков, имеющих сложные схемы включения, когда неправильная полярность измерительных трансформаторов не всегда сразу обнаруживается на работающем счетчике. Если счетчик включается через ТТ, то к началу токовой обмотки подключается провод от того зажима вторичной обмотки ТТ, который однополярен с выводом первичной обмотки, подключенным со стороны источника питания. При этом включении направление тока в токовой обмотке будет таким же, как и при непосредственном включении. Для трехфазных счетчиков входные зажимы цепей напряжения, однополярные с генераторными зажимами токовых обмоток, обозначаются цифрами 1, 2, 3. Тем самым определяется заданный порядок следования фаз 1-2-3 при подключении счетчиков. Следует заметить, что при подключении схема внутренних соединений не должна вызывать каких-либо сомнений или неясностей, так как все требуемые внутренние подключения сделаны при изготовлении счетчиков. Важно следить лишь за правильностью внешних подключений. На рис.a.6.в приведены типовые схемы включения счетчиков активной и реактивной энергии как при непосредственном их включении в электрическую сеть, так и с измерительными трансформаторами. На рис.а, б, в изображены принципиальные схемы включения однофазного счетчика активной энергии с указанием  полярности измерительных трансформаторов. Вторичные обмотки ТТ и ТН в целях  безопасности заземлены. Принципиально безразлично, что заземлять - начала или концы обмоток измерительных трансформаторов.

 

Рисунок 2 - Схемы  включения однофазного счетчика активной энергии: а - при непосредственном включении; б - при полукосвенном  включении в - при косвенном подключении

 

Принципиальные схемы  включения трехфазного трехпроводного двухэлементного счетчика активной энергии типа     САЗ (САЗУ) приведены на рис. а, б, в. Здесь особо отметим, что к зажиму с цифрой 2 обязательно подключается средняя фаза, т.е. та фаза, ток которой к счетчику не подводится. При включении счетчика с ТН зажим этой фазы заземляется. На схеме рис.в у Т1 заземлены зажимы со стороны источника питания (т.е. зажимы .И 1), но можно было бы заземлять зажимы и со стороны нагрузки. Счетчики типа САЗ применяются главным образом с измерительными трансформаторами, и поэтому приведенная схема рис. в является основной при учете активной энергии в электрических сетях 6 кВ и выше.

 

Рисунок 3 - Схемы  включения трехфазного трехпроводного двухэлементного счетчика активной энергии типа   САЗ (САЗУ): а - при непосредственном включении; б - при полукосвенном включении

 

Рисунок 4 - Схемы  включения трехфазного трехэлементного  счетчика активной энергии типа СА4 (СА4У) а - при полукосвенном включении  в трехпроводную сеть; б - при косвенном  включении в трехпроводную сеть; в - при непосредственном включении в четырехпроводную сеть; г - при полукосвенном включении в четырехнроводную сеть

На рисунке 4 показана схема  включения с тремя однофазными  ТН, первичные и вторичные обмотки  которых соединены в звезду. При  этом общая точка вторичных обмоток в целях безопасности заземляется. Это же относится и к вторичным обмоткам ТТ. На рис. в, г необходимо обратить внимание на наличие обязательной связи нулевого проводника сети с нулевым зажимом ( 0 ) счетчика. Выше отмечалось, что отсутствие такой связи может вызывать дополнительную погрешность при учете энергии в сетях с несимметрией напряжений. Схемы включения счетчиков реактивной энергии с 90 -м сдвигом типа СР4 (СР4У) в четырехпроводную сеть приведены на рис. а, б, в. Порядок подведения напряжений и токов к счетчику такой же, как и у счетчика активной энергии. Схема косвенного включения этого же счетчика в трехпроводную сеть приведена на рис. г. Так как в средней фазе сети отсутствует ТТ, то вместо тока Ib к токовой обмотке второго элемента счетчика подведена геометрическая сумма токов Ia+Ic, которая, как-известно, равна -Ib.  

Основными внешними факторами, влияющими на погрешность измерений  электросчетчика, являются:

- уровень напряжения сети;

- частота питающего напряжения;

- температура окружающего воздуха;

- самонагрев;

- угол наклона (для индукционных счетчиков);

- несинусоидальность питающего напряжения;

- неустановившиеся режимы;

- порядок чередования фаз (для трехфазных счетчиков);

- неравномерность нагрузки фаз (для трехфазных счетчиков);

- несимметричность напряжения (для трехфазных счетчиков);

- отсутствие “нуля” (для трехэлементных трехфазных счетчиков);

Так  как при неизменном токе нагрузки ее мощность пропорциональна приложенному напряжению, то скорость вращения подвижной части счетчика (последовательная и параллельная обмотки со своими магнитопроводами, не путать с диском индукционного счетчика) должна меняться пропорционально напряжению на параллельной обмотке. В действительности строгая пропорциональность между напряжением, приложенным к параллельной обмотке счетчика, и скоростью вращения его подвижной части обычно не соблюдается. На это есть несколько причин:

1) наличие момента собственного торможения рабочим магнитным потоком параллельной обмотки. Этот момент меняется пропорционально третьей степени напряжения. Основной же вращающий момент при неизменном токе нагрузки меняется приблизительно пропорционально напряжению. Поэтому, при увеличении напряжения момент самоторможения увеличивается быстрее, чем вращающий и появляется положительная погрешность. И наоборот, при уменьшении напряжения момент самоторможения уменьшается быстрее, чем основной вращающий момент, появляется отрицательная погрешность. При изменении напряжения на 10% от номинала, погрешность составляет 0.5-1.5%.

2) при изменении напряжения возникает погрешность от нелинейности. Эта погрешность возникает в результате изменения соотношения между магнитными проводимости рабочего и нерабочего участков параллельной цепи. Поскольку нерабочиц магнитный поток параллельной обмотки обычно в несколько раз больше рабочего, то нерабочие участки магнитной цепи, имеющие приблизительно такое же сечение, что и рабочие участки, находятся в более насыщенном состоянии. Поэтому погрешность от нелинейности при увеличении напряжения положительна, так как магнитное сопротивление нерабочих участков с повышением напряжения растет и следовательно нерабочий магнитный поток относительно уменьшается, а рабочий увеличивается.

3) наличие компенсационного момента. Так как значение компенсационного момента пропорционально квадрату напряжения приложенного к параллельной обмотке, то при увеличении напряжения этот момент увеличивается быстрее, чем основной вращающий момент. Данная погрешность зависит также от тока нагрузки - чем больше ток, тем меньше влияние.

Изменение частоты питающего  напряжения оказывает влияние не только на соотношение между вращающим  и тормозными моментами, но и на фазы магнитных потоков образующих магнитный  поток. На это есть несколько причин:

1) изменение рабочего магнитного потока последовательной обмотки связано с тем, что при изменнеии частоты приблизительно ей изменяется угол потерь. В результате этого изменяется составляющая тока нагрузки идущая на создание рабочего магнитного потока токовой обмотки. Чем больше частота, тем больше угол потерь и тем меньше рабочий магнитный поток токовой обмотки.

2) изменение рабочего магнитного потока параллельной обмотки связано с тем, что при изменении частоты изменяются активные потери на пути рабочего и нерабочего магнитных потоков. Потери на пути рабочего потока являются значительными, на пути нерабочего потока незначительны. Соотношение между потоками меняется, что и вызывает дополнительную погрешность.

3) изменение самоторможения параллельной цепи связано с приблизительно обратно пропорциональной зависимостью рабочего магнитного потока от частоты. Момент торможения пропорционален квадрату рабочего потока, то при увеличении частоты этот момент уменьшается, появляется дополнительная отрицательная погрешность.

4) изменение компенсационного момента связано с прямой зависимостью этого момента от частоты. Следовательно, при увеличении частоты, появляется дополнительный компенсационный момент, положительная погрешность.

При изменении температкуры окружающего воздуха меняется электрическое сопротивление диска счетсика, короткозамкнутых витков на пути магнитных потоков и параллельной обмотки. Также изменяется магнитный поток постоянного магнита создающего тормозной момент. В результате возникают дополнительная амплитудная и фазовая температурные погрешности. Основные причины:

1) изменение магнитного потока тормозного магнита. При увеличении температуры поток постоянного магнита уменьшается, следовательно возникает положительная погрешность

2) изменение рабочего магнитного потока последовательной обмотки. В зависимости от изменения температуры, меняется сопротивление диска счетчика изменяются активные потери на пути данного потока

3) изменение рабочего магнитного потока параллельной обмотки. Изменения аналогичны п.2

Погрешность от самонагрева  появляется при длительной работе счетчика при большой нагрузке и вызывается теплом выделяемым в последовательной цепи, влияние ее аналогично влиянию  от температуры окружающего воздуха.

При эксплуатации счетчика его положение может отличаться от строго вертикального, это приводит к дополнительной погрешности у индукционных счетчиков. Связано это с тем, что крепление подвижной части в опорах, особенно в нижней опоре, на является абсолютно жестким и наклон приводит к перемещению подвижной части на опоре. В результате изменяется относительное расположение диска, вращающего элемента и постоянного магнита, что приводит к изменению вращающего и тормозного моментов, следовательно и скорости вращения диска. При углах 2-5 град. и при нагрузках выше 50 % от номинальных, погрешность ничтожно мала. В случае малых нагрузок эта погрешность очень заметна.

Наличие нелинейной нагрузки, например выпрямительных устройств, сварочных  аппаратов, приводит к искажению  кривой тока нагрузки, т.е. к отклонению этой кривой от синусоиды. В свою очередь несинусоидальный ток, протекая по электрической цепи, вызывает несинусоидальное падение напряжения на сопротивлениях ее элементов. Поэтому даже при синусоидальной кривой напряжения генераторов, форма кривой напряжения потребителей будет несинусоидальной. Таким образом ток в последовательной катушке и напряжение в параллельной будут иметь искаженную форму кривых, это приводит к дополнительной погрешности.  Однако, в отношении влияния формы кривой на показания счетчика общие выводы сделать трудно, анализ возникающих погрешностей в каждом случае проще сделать экспериментально.

В некоторых случаях счетчики работают  в таком режиме, когда ток нагрузки претерпевает резкие и частые колебания. Такие колебания могут иметь место при электрической сварке, при частых пусках и остановках двигателей и т.п. Если считать, что при включении нагрузки ток устанавливается мгновенно, то установившееся значение скорости вращения подвижной части счетчика достигается с некоторым запозданием. Зависимость скорости вращения подвижной части счетчика от времени выражается экспонентой, постоянная времени которой определяется параметрами счетчика, и в частности моментом инерции его подвижной части. Аналогичные процессы происходят и при отключении нагрузки. Скорость вращения подвижной части также снижается по экспоненте. Очевидно, что погрешность тем меньше. чем меньше момент инерции нго подвижной части, номинальная скорость вращения и момент собственного торможения магнитным потоком токовой обмотки и чем больше вращающий момент. Погрешность возрастает с уменьшением нагрузки и уменьшением длительности цикла изменения нагрузки.

Показания трехфазного счетчика не должны зависеть от чередования  фаз, однако в определенной степени это не так. Это объясняется наличием в счетчике вредных дополнительных моментов, направление которых при изменении чередования фаз меняется на противоположное. На это есть причины:

1) вихревые токи в диске создаваемые рабочим магнитным потоком параллельной обмотки каждого элемента счетчика распространяясь по диску попадают в область рабочего магнитного потока параллельной обмотки другого элемента и взаимодействуют с ним. В результате этих взаимодействий возникает дополнительный вращающий момент, направление которого зависит о чередования фаз.

2) по такой же схеме взаимодействуют вихревые токи последовательных обмоток.

3) аналогично взаимодействуют вихревые токи магнитных потоков последовательных и параллельных обмоток.

На практике, при “неправильном” чередовании фаз, трехфазный индукционный счетчик “самоходит”.

При неравномерной нагрузке фаз правильность изменений показаний  счетчика теоретически должна сохраняться. Однако на практике наблюдается другая картина. Причин несколько:

1) неравенство вращающих моментов создаваемых отдельными вращающими элементами. Для уменьшения этой составляющей лабораторным способом добиваются равенства моментов каждого элемента.

2) наличие компенсационного момента. обмотка напряжения того элемента в котором отключена последовательная обмотка (нет нагрузки), остается включенной. Следовательно, компенсационный момент этой цепи продолжает действовать на подвижную часть счетчика. Чем меньше нагрузка, тем выше компенсационный момент. Положительная погрешность.