Badanie jednofazowego licznika.doc

Badanie jednofazowego licznika energii elektrycznej

1. Cel ćwiczenia

Poznanie budowy i działania liczników energii czynnej. Pomiary energii w obudowach jednofazowych i trójfazowych prądu przemiennego.

2. Zasada działania licznika energii

Pomiary zużycia energii elektrycznej dokonywane za pomocą liczników służą jako podstawa do rozrachunków między dostawcą energii a jej odbiorcami lub mają na celu kontrolę zużycia energii w sieciach elektroenergetycznych, w zakładach produkcyjnych itp. Ze wzglądu na to, że na wskaźnikach liczników oparte są rozliczenia finansowe, budowa i eksploatacja liczników podlega u nas przepisom i kontroli Polskiego Komitetu Normalizacji i Miar.

Energię można wyznaczyć z następującego równania:

gdzie: P - moc zmienna w czasie,

              (t2-t1) – czas trwania pomiaru energii.

              Energię elektryczną mierzy się dokonując pomiaru mocy z jednoczesnym całkowaniem w czasie. Licznikiem energii elektrycznej prądu przemiennego jest tarczowy watomierz indukcyjny zaopatrzony w mechanizm zliczający (liczydło). Na aluminiową tarczę licznika działa moment napędowy proporcjonalny do mocy mierzonej.

M=c1P

gdzie: c1 – stała zależna od konstrukcji licznika.

Na obracającą się pod wpływem momentu napędowego M, tarczę działa moment hamujący Mh, proporcjonalny do prędkości obrotowej

Mh=c2n

Moment hamujący pochodzi głównie od pola magnetycznego magnesu trwałego obejmującego tarczę. Jeżeli moment hamujący równy jest momentowi napędowemu, tarcza obraca się ruchem jednostajnym z prędkością:

Liczba obrotów wykonanych przez tarczę licznika w rozpatrywanym czasie jest proporcjonalna do ilości energii zużytej w tym czasie przez odbiornik:

N=cA

gdzie: c – stała licznika [obr/kWh].

Na tabliczce znamionowej licznika jest podana znamionowa stała licznika cn. Jeżeli w wyniku zmian warunków pomiaru, bądź też skutkiem wadliwego wykonania licznika wartość rzeczywista stałej cr odbiega od wartości znamionowej, to wskazania licznika są obciążone uchybem względnym pomiaru:

gdzie: Aw i Ar – wartość energii wskazanej i rzeczywistej.

3. Liczniki indukcyjne jednofazowe

Zasadę budowy licznika indukcyjnego ilustruje rys.1. Głównymi zespołami licznika są: elektromagnes napięciowy, elektromagnes prądowy, wirnik, magnes trwały i liczydło. Elektromagnesy mają rdzenie ferromagnetyczne wykonane z blach 'transformatorowych. Cewka elektromagnesu napięciowego ma dużą liczbę zwojów cienkiego drutu miedzianego. Cewka prądowa jest uzwojona grubym drutem o małej liczbie zwojów w dwóch sekcjach połączonych szeregowo. Wirnikiem jest tarcza aluminiowa osadzona na ułożyskowanej osi, połączonej przekładnią zębatą z liczydłem - bębnowym o pięciu lub sześciu bębnach cyfrowych. Pod wpływem sinusoidalnego napięcia i prądu doprowadzonych do odpowiednich cewek licznika powstają przemienne strumienie magnetyczne przenikające tarczę aluminiową w kilku miejscach. Strumienie magnety­czne napięciowy Φn i prądowy Φi indukują w tarczy prądy wirowe.

Rys. 1. Budowa licznika jednofazowego indukcyjnego.

Współdziałanie indukowanych prądów wirowych ze strumieniami ma­gnetycznymi przesuniętymi względem siebie w przestrzeni i w fazie powoduje powstawanie momentu napędowego M wprawiającego wirnik w ruch obrotowy.

              Można wykazać, że moment ten jest określony wzorem:

M=km ω Φn Φi  sinψ

w którym:              km – stała konstrukcyjna,

                            ω – pulsacja strumienia,

                            ψ – kąt fazowy między strumieniami Φn Φi.

Po przekształceniach, otrzymujemy wyrażenie:

M=kUI cos φ = k P

gdzie: k – stała,

              φ – kąt fazowy między napięciem i prądem.

              Aby powyższa zależność była ściśle spełniona stosuje się w licznikach odpowiednie metody korekcji. Często stosuje się umieszczenie na rdzeniu prądowym kilku dodatkowych zwojów Zk (rys. 1.) obciążonych pętlą z drutu oporowego o rezystancji regulowanej przesuwaną zworą. Rezystancyjne obciążenia uzwojenia Zk wprowadza dodatkowe przesunięcie fazowe strumienia prądowego, dzięki czemu możliwe jest wyregulowanie fazowe licznika.

Do korekcji stosuje się również pierścienie z cienkiego miedzianego drutu obejmujące rdzeń w obwodzie strumienia magnetycznego Φi oraz blaszkę mosiężną umieszczoną w szczelinie rdzenia. Moment napędowy jest równoważony momentem hamującym Mh, który powstaje w obracającej się tarczy aluminiowej przecinającej strumienie magnetyczne. W tarczy indukują się prądy proporcjonalne do stru­mienia i prędkości wirowania. Współdziałanie strumieni z indukowanymi prądami powoduje wytworzenie momentu obrotowego przeciwnie sklarowanego do kierunku wirowania. Powstający więc moment hamujący jest proporcjonalny do prędkości wirowania i do kwadratu strumienia magnetycznego:

Mh=c Φ2 n

Główna składowa momentu hamującego pochodzi od stałego w czasie strumienia magnesu trwałego. W celu korekcji błędu licznika pochodzą­cego od zmian strumienia Φi na skutek zmian prądu sieci stosuje się bocznik magnetyczny BM (rys. 1.) szybko nasycający się, umieszczony między biegunami rdzenia prądowego.

Strumień magnetyczny w boczniku, na skutek nasycenia, zwiększa się wolniej niż prąd w cewce prądowej, a roboczy strumień magne­tyczny prądowy Φi wzrasta szybciej niż prąd.

W licznikach, oprócz dwóch głównych momentów: napędowego i hamującego, występuje dodatkowo moment tarcia powstający w łożyskach, liczydle i na skutek tarcia o powietrze. Korekcja uchybu tarcio­wego (wynikłego z istnienia momentu tarcia) jest potrzebna ze względu na to, że odpowiednie przepisy wymagają, aby rozruch licznika następował przy mocy mierzonej nie mniejszej niż 0,5% mocy znamionowej. Liczniki indukcyjne jednofazowe są budowane na prądy znamionowe: 5, 10, 20A i napięcia znamionowe 100, 127, 220V. Obwody o wię­kszych prądach i napięciach dołącza się do liczników za pośre­dnictwem przekładników prądowych i napięciowych.

Obowiązująca obecnie norma PN-74/3-O65O4, dotyczy liczników indukcyjnych energii elektrycznej tylko klasy 2. Błędy dopuszczalne tych liczników określono w tablicy 1.

TABLICA 1.