Однофазный индукционный счетчик электрической энергии

Однофазный индукционный счетчик электрической энергии

Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии переменного магнитного поля с вихревыми токами, индуцируемыми этим же полем в проводящем подвижном диске или цилиндре. Индукционные приборы пригодны лишь для переменных токов, так как ток в диске или цилиндре может индуцироваться лишь действием переменного магнитного потока. В настоящее время промышленность выпускает только индукционные счетчики электрической энергии.

Индукционный счетчик имеет две катушки с сердечниками: токовую катушку и катушку напряжения. Поэтому переменное магнитное поле создается двумя магнитными потоками Ф₁ и Ф₂, сдвинутыми на некоторый угол по фазе и в пространстве. При этом осуществляется взаимодействие потоков с «чужими» (а не со «своими») индукционными токами.

Токовую катушку (рис. 1) навивают толстым проводом на стальной сердечник и включают последовательно с нагрузкой. Магнитный поток Ф_х в ней пропорционален току нагрузки.

Рисунок 1

Катушку напряжения (рис. 2) навивают большим числом витков тонкого провода на стальной сердечник.

Индуктивное сопротивление этого электромагнита намного больше активного, поэтому данную цепь можно считать чисто индуктивной (ток в катушке напряжения отстает по фазе на π/2).

Рисунок 2

Таким образом, счетчик состоит из двух электромагнитов и подвижного алюминиевого диска. Схематически устройство индукционного однофазного счетчика показано на рис. 3. Легкий алюминиевый диск Д укреплен на оси, которая связана с помощью червячной передачи со счетным механизмом, и вращается в зазоре электромагнитов. Магнитный поток Ф₁ электромагнита U-образной формы (рис.1) создается током приемника электрической энергии, так как его обмотка включена последовательно в цепь нагрузки. Можно считать, что поток Ф₁ пропорционален току: Ф₁ ~ I .

Рисунок 3

На втором электромагните (рис. 2) расположена обмотка, включенная параллельно приемнику электрической энергии, и ток в ней пропорционален напряжению сети U.

Обмотка состоит из большого числа витков тонкого провода и создает магнитный поток Ф₂, значение которого пропорционально U: Ф₂ ~ U. Индуктивное сопротивление этого электромагнита несравненно больше активного, поэтому можно считать, что ток в его обмотке сдвинут по фазе от напряжения на π/2. Таким образом, магнитные потоки, сдвинутые по фазе и в пространстве, образуют «бегущее» магнитное поле, пересекающее диск.

Вихревые токи, индуцируемые в диске магнитными потоками, пропорциональны им: I₀₁ ~ Ф₁ и I₀₂ ~ Ф₂. Среднее за период значение электромагнитной силы, возникающей при взаимодействии магнитного поля и вихревого тока и действующей на диск, определяется формулой F = ФI cosϒ , где ϒ — угол сдвига по фазе между потоком Ф и током I.

Из этой формулы видно, что взаимодействие между индуцированным током в диске и созданным им магнитным полем не создает электромагнитной силы, так как ϒ = 0.

Электромагнитные силы появляются только в результате взаимодействия магнитного потока Ф₁ с током I_в2 и потока Ф₂ с током I_в1 и создают вращающий момент.

Под действием этого вращающего момента диск пришел бы в ускоренное вращение, и число оборотов не соответствовало бы израсходованной электрической энергии. Поэтому необходимо наличие противодействующего момента.

Противодействующий момент создается постоянным магнитом, в поле которого вращается диск, и является тормозным моментом, пропорциональным частоте вращения диска. Когда моменты равны, частота вращения диска постоянна (установившийся режим) и число оборотов диска пропорционально расходу электроэнергии.

Индукционные счетчики обладают слабой чувствительностью к внешним магнитным полям и изменениям температуры окружающей среды и хорошо выдерживают перегрузки. Однако они очень чувствительны к изменению частоты переменного тока в сети, поэтому предназначаются для работы только на определенной частоте (обычно 50 Гц).