Электрические измерения. Электрические измерения 12. 1 Значение электрических измерений

• Название: Электрические измерения 12. 1 Значение электрических измерений
• Анкор: Электрические измерения.doc
• Дата: 23.05.2018
• Размер: 0.69 Mb.
• Имя файла: Электрические измерения.doc
• Тип: Документы; #19564
• страница: 4 из 6

12.9. СЧЕТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Энергия, получаемая потребителями от электростанции или отдаваемая станцией в сеть, учитывается счетчиками электрической энергии.

Подвижная часть показывающих приборов при измерениях поворачивается на некоторый угол; в счетчиках подвижная часть вращается, причем частота ее вращения должна быть пропорциональна мощности контролируемого объекта. Вращающий момент в большинстве счетчиков пропорционален мощности; ему противодействует тормозной момент, пропорциональный частоте вращения подвижной части. Он заменяет в счетчике противодействующий момент показывающих приборов. Для создания тормозного момента в счетчиках обычно применяются устройства магнитоиндукционного успокоения. На ось подвижной части счетчика насаживается алюминиевый диск, который вращается в поле постоянного магнита (рис. 12.20). Этот тормозной момент можно определить следующим образом: в диске наводится ЭДС, прямо пропорциональная потоку постоянного магнита Ф и средней окружной скорости υвращения части диска, находящейся между полюсами:



где п — частота вращения диска (оборотов в минуту); R — средний радиус части диска, находящийся между полюсами. Угловая скорость вращения диска ω = υ/R.

Под действием этой ЭДС в диске возникает ток, значение которого прямо пропорционально удельной проводимости у материала диска:



Воздействие поля постоянного магнита на ток в диске создает тормозной момент, прямо пропорциональный току и потоку:



или после подстановки выражений для тока и ЭДС



Таким образом, тормозной момент прямо пропорционален частоте вращения диска п, что и требуется для работы счетчика.

Вращающий момент движущего механизма счетчика должен быть прямо пропорционален мощности:



Этот момент при установившейся частоте вращения подвижной части должен быть равен тормозному моменту. Следовательно, мощность

Интеграл от мощности по времени



где N — суммарное число оборотов подвижной части за время t₂ — t₁. Величина



— это электрическая энергия, израсходованная в контролируемой цепи за тот же промежуток времени t₂ —t₁. Таким образом,



где С_сч — постоянная счетчика.

Число оборотов подвижной части N регистрирует счетный механизм, соединенный с осью счетчика червячной передачей. Передаточное число между осью и счетным механизмом выбирается так, чтобы счетный механизм показывал непосредственно киловатт-часы, а не числа оборотов подвижной части.

В современных счетчиках могут быть измерительные механизмы индукционной, электродинамической, ферродинамической и магнитоэлектрической систем. Но для измерения энергии переменного тока применяются только индукционные счетчики, а счетчики электродинамической и ферродинамической систем — только в установках постоянного тока, например, на транспорте, магнитоэлектрические счетчики—лишь для специальных измерений, например в качестве счетчиков ампер-часов аккумуляторных батарей.
Общие особенности устройства счетчиков наглядно можно показать на примере электродинамического счетчика (рис. 12.21). Как и ваттметр, счетчик энергии имеет цепь тока (последовательную) и цепь напряжения (параллельную). Первую образуют две неподвижные катушки 1, ток в которых равен постоянному току I контролируемой установки. Этот тон возбуждает главное магнитное поле счетчика и, следовательно, основной магнитный поток движущего элемента счетчика



где k_ф — постоянный коэффициент.

На оси подвижной части прибора укреплены три катушки 2 — якоря счетчика, их концы присоединены и укрепленным на оси и изолированным друг от друга пластинам коллектора 3. По коллектору скользят щетки 4, через которые ток I_я поступает в катушки якоря. На рис. 12.22 показана схема подключения катушек якоря к пластинам коллектора. Электродинамическая сила воздействия главного магнитного поля на катушки с токами якоря заставляет катушки поворачиваться вокруг оси, а наличие коллектора обеспечивает непрерывность вращения якоря — коллектор и щетки изменяют направление тока в катушке, когда она приближается к положению, в котором направление ее магнитного потока совпадает с направлением главного потока. В цепь якоря (рис. 12.21) включен добавочный резистор 6 с большим сопротивлением r_Л, и так как цепь якоря находится под напряжением 11 контролируемой установки, то ток в якоре



где Е_я— ЭДС, индуктируемая в катушках якоря при их вращении в главном магнитном поле; r_я— сопротивление якоря. Счетчик рассчитывается так, что ЭДС Е_я


Так как в счетчике находится электродинамический механизм, то его вращающий момент (12.3) пропорционален произведению токов подвижной и неподвижной катушек II_ядМ/да, или



где k_вр — постоянный коэффициент пропорциональности. Отметим, что при вращении якоря этот момент периодически изменяется (пульсирует) из-за относительного перемещения катушек, а здесь записано его среднее за оборот значение.

Для получения тормозного момента в счетчике использовано магнитоиндукцион-ное торможение: поле постоянного магнита 9 (рис. 12.21) воздействует на насаженный на ось счетчика тормозной алюминиевый диск 8. Катушки защищены от поля постоянного магнита экраном 7. Следовательно, в счетчике создается тормозной момент (12.8), прямо пропорциональный частоте вращения п якоря.

Таким образом, в счетчике выполнены оба условия, обеспечивающие прямую пропорциональность между частотой вращения оси счетчика и количеством учитываемой энергии. На чувствительность и точность счетчика может заметно влиять трение в счетном механизме (11 и 12), щеток о коллектор и в подшипниках 13 и 14. Особенно существенно снижение чувствительности, вызываемое трением; из-за него при малых нагрузках счетчик не будет вращаться, т. е. не будет учитываться потребляемая энергия. Чтобы исключить этот недостаток, все счетчики снабжаются компенсаторами трения. В электродинамическом счетчике компенсатором трения служит небольшая катушка 5, включенная последовательно в цепь якоря. Магнитное поле этой катушки воздействует на ток I_я катушек 2 и создает вращающий момент, пропорциональный произведению токов катушки и якоря. Так как это один и тот же ток I_я = k_uU, то вспомогательный вращающий момент



Этот момент счетчика не зависит от тока нагрузки. Он должен уравновешивать момент сил трения M_Тр, т. е. желательно, чтобы М_всп = М_тр.

Таким образом, полное уравнение моментов счетчика такое:



Однако наличие постоянного момента M_ВСП, не зависящего от нагрузки, создает опасность самохода счетчика — безостановочного вращения якоря при отсутствии нагрузки. Самоход может возникнуть из-за увеличения момента М_всп вследствие повышения напряжения Uили же из-за уменьшения момента М_тр, например вследствие вибраций стены, на которой укреплен счетчик. Для предупреждения самохода счетчик снабжается тормозным крючком 10 — куском стальной проволоки, припаянной к оси счетчика или к диску и притягиваемой тормозным магнитом 9. Эту силу притяжения вспомогательный момент не может преодолеть. Но если диск счетчика начал вращаться, то притяжение тормозного крючка не изменяет средний вращающий момент счетчика, так как в течение одной половины оборота притяжение замедляет вращение диска, а в течение другой половины оборота ускоряет.

Для регулирования частоты вращения счетчика переставляют тормозной магнит вдоль радиуса диска, а для регулирования чувствительности изменяют положение катушки компенсатора трения.

Электродинамический счетчик в принципе может работать и в цепи переменного тока, но выгоднее применять при переменном токе более простой, дешевый и выносливый к перегрузкам индукционный счетчик.
Схема устройства однофазного индукционного счетчика показана на рис. 12.23.

В индукционном счетчике алюминиевый диск должен пронизывать не менее чем два переменных магнитных потока; при этом вращающий момент создается вследствие взаимодействия одного переменного потока с током, индуктируемым в диске другим переменным потоком. При наличии только одного переменного потока диск счетчика безостановочно вращаться не может.

Чтобы получить в общей форме выражение вращающего момента приборов индукционной системы, предположим, что подвижную часть— диск пронизывают два переменных магнитных потока:



(рис. 12.24). Они индуктируют в соответствующих контурах диска ЭДС, каждая из которых отстает по фазе от индуктирующего ее потока на четверть периода:



Эти ЭДС вызывают в диске вихревые токи i₁ и i₂.



Исследуя общий характер процесса, можно пренебречь при промышленной частоте 50 Гц индуктивным сопротивлением контуров вихревых токов в диске и считать их совпадающими по фазе с ЭДС:



где r_д1, r_д2 — активные сопротивления контуров. Силы, воздействующие на подвижную часть, пропорциональны соответствующим потокам и токам, т, е.



где k₁ и k₂— постоянные коэффициенты, которые учитывают геометрические параметры механизма. Эти силы при одинаковом направлении магнитных потоков и одинаковом направлении токов (рис. 12.24) направлены встречно; поэтому среднее значение вращающего момента можно определить через интеграл за период Г от произведения разности сил (F₂— F₁) на плечо Rо их приложения (рис. 12.23):



Учитывая, что



после простых преобразований найдем:



где сопротивления r_д1 и r_д2 обратно пропорциональны удельной проводимости y материала диска (алюминия).

Обозначив постоянный множитель в выражении вращающего момента k_вр, получим:



Вращающий момент пропорционален угловой частоте ω, следовательно, индукционный прибор пригоден для измерения в цепи переменного тока одной определенной частоты. Вращающий момент пропорционален также удельной проводимости γ материала диска. Последний изготовляется из алюминия — материала со значительным температурным коэффициентом сопротивления — около 0,004 °С ^-1 (см. табл. 1.2), т. е. изменение температуры диска на 10 °С вызывает изменение вращающего момента на 4 %. Однако в счетчиках вращающий и тормозной моменты в одинаковой степени зависят от электрического сопротивления диска и температурные влияния на показаниях счетчика сказываются мало.

Вращающий момент индукционного прибора (12.9) должен быть в счетчике пропорционален активной мощности Р = UI cosφ. Для этого необходимо, чтобы один из двух магнитных потоков, например Ф_2m, был пропорционален напряжению U, а второй Ф_1m пропорционален току I.

Электромагнит цепи напряжения счетчика устроен так, что большая часть пути магнитного потока Ф₂ проходит по ферромагнитному участку магнитопровода (рис. 12.23). Поэтому можно считать (7.2), что U= 4,44 fω_vФ_2т= Ф_2m • const.

Электромагнит цепи тока счетчика имеет U-образную форму — его магнитный поток примерно половину пути проходит в воздухе. Так как магнитное сопротивление ферромагнитного участка магнитопровода незначительно по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного промежутка, то им можно пренебречь и выразить мгновенное значение потока этого электромагнита следующим образом (6.7):



где R_м — магнитное сопротивление воздушного промежутка. Величины в правой части (12.10), кроме тока I, постоянные, следовательно,



и поток Ф_1т пропорционален току I.

Вращающий момент счетчика должен быть пропорционален и cosφ. Так как в выражении вращающего момента (12.9) содержится лишь одна функция сдвига фаз sin ψ, то необходимо получить sin ψ= cosφ, или ψ = π/2 — φ.

Можно приближенно считать, что комплекс потока Ф₁ совпадает по фазе с током I(рис. 12.25). Следовательно, угол сдвига фаз между векторами Uи Ф₂ должен быть равен π/2, для того чтобы получить ψ = π/2 — φ. Рассмотренная ранее векторная диаграмма (см. рис. 7.8) катушки с магнитопроводом (см. рис. 7.7, а) показывает, что сдвиг фаз между вектором напряжения, приложенного к катушке, и вектором потока в магнитопроводе будет равен π/2, если подобрать соответствующее значение индуктивности рассеяния при неизменных прочих параметрах. В индукционном счетчике предусмотрена такая возможность. Потокосцепление рассеяния с обмоткой напряжения ω_vсодержит составляющую ω_vФ₃, где Ф₃ — поток, замыкающийся помимо диска. Значение этой составляющей потокосцепления рассеяния можно изменять, регулируя ширину воздушного зазора на пути потока Ф₃, например, с помощью подвижной ферромагнитной пластины П (см. рис. 12.23).

Момент сил трения в индукционном счетчике существенно меньше, чем в электродинамическом, так как подвижная часть индукционного счетчика легче. Но в обоих счетчиках трение в счетном механизме значительное, поэтому компенсация трения необходима и в индукци­онном счетчике. Во всех конструкциях индукционных счетчиков для создания вспомогательного момента используется один и тот же общий принцип — нарушение симметрии в магнитной цепи потока Ф₂ (про­порционального напряжению (/). Таким образом осуществляется условие для создания вращающего момента индукционным путем. На сердечнике электромагнита укрепляется короткозамкнутый виток медной проволоки т_К, охватывающий часть поверхности поперечного сечения сердечника вблизи диска. Магнитное поле тока витка, накладываясь на основное поле, создает под витком небольшой магнитный поток, сцепленный с диском; совместно с основным потоком этот поток создает вспомогательный момент, компенсирующий момент трения. Для учета энергии в трехфазных системах служат счетчики трехфазного тока, в которых два или три движущихся элемента индукционных счетчиков воздействуют на общую ось счетчика и через нее на счетный механизм. Схемы этих счетчиков соответствуют схемам измерения мощности методами двух ваттметров (см. рис. 3.13, а) или трех ваттметров (см. рис. 3.14) или некоторым специальным способам измерений.
12.10. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Омметр является прибором для измерения сопротивлений методом непосредственного отсчета, т. е. снабжен шкалой, градуированной в омах. В большинстве омметров применяется магнитоэлектрический измерительный механизм: для менее ответственных измерений — магнитоэлектрический механизм, в котором противодействующий момент создается пружинами, а для более ответственных измерений — магнитоэлектрический логометр.

В омметрах без логометра, предназначенных для измерения больших сопротивлений, измерительный механизм ИМ соединяется последовательно с объектом, сопротивление которого измеряется (рис. 12.26, а).

По закону Ома ток в цепи



где U— напряжение гальванической батареи (аккумулятора); r_х— измеряемое сопротивление; r_к — сопротивление катушки измерительного механизма; г_д — постоянное сопротивление добавочного резистора, помещенного внутри корпуса прибора.

При условии, что напряжение неизменно, прибор может быть проградуирован для непосредственного отсчета по его шкале значений, измеряемого сопротивления г_х. Нулевому значению тока соответствует» деление шкалы r_х= ∞, а нулевому значению r_х— значение тока I = U/(rk + г_д). Для контроля источника питания у прибора есть ключ К, замыкающий накоротко выводы, к которым присоединяется элемент с сопротивлением r_х. При замкнутом контрольном ключе - стрелка измерительного механизма должна быть на нулевом делении шкалы сопротивлений (r_х = 0). Шкала у прибора с последовательным соединением весьма неравномерна.

Для измерения малых сопротивлений (порядка десятых долей ома) применяется параллельное соединение измерительного механизма с измеряемым объектом (рис. 12.26, б). В этом случае ток через измерительный механизм



При параллельном соединении нулевому значению сопротивления соответствует нулевое значение тока через измерительный механизм, а при r_х= ∞ ток наибольший: I = U/(r_к+ r_д). Шкала сопротивлений также весьма неравномерная. При разомкнутом контрольном ключе К. стрелка должна быть на делении r_х= ∞.

Напряжение Uисточника уменьшается с течением времени; поэтому для корректирования работы прибора (в некоторых ограниченных пределах) омметры обоих типов снабжаются регулируемыми магнитными шунтами. Такой шунт представляет собой стальную пластинку, через которую проходит часть магнитного потока постоянного магнита измерительного механизма (рис. 12.27). Положение пластинки по отношению к постоянному магниту можно изменять поворотом винта, укрепленного на корпусе прибора. Таким способом изменяется магнитная индукция в воздушном зазоре прибора, а следовательно, и вращающий момент (12.2). Замкнув контрольный ключ К в цепи рис. 12.26, а, и разомкнув К в цепи рис. 12.26 б, следует до тех пор регулировать магнитный шунт, пока стрелка не станет на контрольное деление r_х= 0 у омметра с последовательным соединением или r_х= ∞. у омметра с параллельным соединением.

Основной недостаток омметров без логометра, помимо зависимости показаний от напряжения U, — малое значение этого напряжения, что особенно существенно при измерениях сопротивления изоляции. Последнее сильно зависит от напряжения; поэтому измерение сопротивления изоляции должно производиться при напряжении не меньшем, чем рабочее напряжение установки. Чтобы получить такое напряжение, в качестве источника применяются индукторы — маленькие магнитоэлектрические генераторы постоянного тока с ручным приводом. Номинальная ЭДС такого индуктора — от 100 до 2500 В.

Повышение напряжения источника питания увеличивает чувствительность измерения (омметры с индукторами обычно именуются мегаомметрами(Для измерения очень больших сопротивлений — порядка 10" Ом — применяются электронные тераомметры (1 тераом = 10¹² Ом))в соответствии с пределами их рабочей шкалы). Так как ЗДС индуктора непостоянна — пропорциональна частоте вращения якоря, то измерительным механизмом в мегаомметрах обычно служит магнитоэлектрический логометр. Омметры с логометром изготовляются и при питании от сети переменного тока через выпрямитель.

На рис. 12.28 показаны две основные схемы соединений омметра с логометром и индуктором. По существу эти схемы аналогичны двум схемам рис. 12.26. В обеих схемах последовательно с одной из катушек логометра соединяется резистор с постоянным сопротивлением r_д1. Вторая катушка логометра для измерения больших сопротивлений (рис. 12.28, а) соединяется через добавочный резистор с сопротивлением r_д2 последовательное объектом измеряемого сопротивления r_х, а у логометра для измерения малых сопротивлений (рис. 12.28, б) вторая катушка включается параллельно с объектом измеряемого сопротивления r_x. При изменении ЭДС Е индуктора вращающие моменты обеих катушек, направленные в противоположные стороны, изменяются одинаково, т. е. изменение ЭДС не влияет на отклонение подвижной части, которое зависит лишь от отношения сопротивлений цепей двух катушек прибора (12.7). Поэтому можно проградуировать шкалу прибора в единицах сопротивления.

В некоторых омметрах посредством переключателя один и тот же измерительный механизм соединяется последовательно или параллельно с объектом измеряемого сопротивления. Такой прибор имеет две шкалы — одну для больших сопротивлений (мегаомы) и вторую для относительно малых (килоомы).