поверка однофазного счётчика

Работа № 5
ПОВЕРКА ОДНОФАЗНОГО СЧЁТЧИКА
1. Цель работы
1.1. Ознакомиться с конструкциями и принципом работы однофазного
индукционного счётчика электрической энергии.
1.2. Освоить включение и методику поверки счётчика.
2. Задание
2.1. Определить:
а) показания счётчика при разных величинах нагрузки и cos   1 ;
б) то же самое при cos   0,5 ;
в) отсутствие самохода;
г) порог чувствительности.
2.2. Вычислить:
а) номинальную и действительную постоянные счётчика;
б) погрешности показаний счётчика;
в) погрешности определения действительной постоянной;
г) фактическое значение cos  .
2.3. Начертить кривую относительных погрешностей счётчика в зависимости от
тока нагрузки.
3. Теоретическая часть
Счётчик электрической энергии в большинстве случаев является измерительным
прибором индукционной системы. По конструктивному выполнению различают две
разновидности индукционных счётчиков – радиальные и тангенциальные. В обоих
случаях вращающий момент (для измерительного механизма индукционной системы)
равен:
M Bp  Cf12 sin  ,
(5.1)
где
C - коэффициент пропорциональности;
f
- частота тока;
1 и 2 - действующие значения магнитных потоков, пронизывающих диск;

- угол сдвига фаз между потоками 1 и 2 .
На рис. 5.1. показано схематическое устройство тангенциального счётчика,
который в настоящее время нашёл наибольшее распространение в нашей стране.
Обмотка OU выполняется из большого числа витков тонкого провода и
включается в сеть параллельно нагрузке.
Ввиду малости активного сопротивления по сравнению с индуктивным этой же
обмотки можно принять
ZU  X U  2fLU
Тогда магнитный поток параллельного электромагнита равен
U
U
U  KU IU  KU
 KU
2fLU
f
(5.2)
(5.3)
1
L
2
1
1
S
U
OU
U
U
1
L
2
I
I

2
2
3
I
OI
I
4
4
5
Рис. 5.1. Схематическое изображение тангенциального счётчика:
1)
2)
3)
4)
5)
параллельный электромагнит;
диск;
стальной винт;
последовательный электромагнит;
регулировочное сопротивление.
Обмотка OI выполнена из небольшого количества витков относительно толстого
провода и включается последовательно с нагрузкой, по ним протекает один и тот же
ток нагрузки I, создающий магнитный поток
I   I I
Подставляя выражения потоков в уравнение (5.1), получают:
U
(5.4)
M Bp  CfKI IKU sin   K 2 IU sin 
f
На векторной диаграмме (см. рис. 5.2) показаны
U num
важнейшие
векторы токов и потоков, определяющие
I
 нагр
вращающий
момент счётчика:
I
U - вектор напряжения сети;
1
I - вектор тока нагрузки, отстающий на
IU

угол  от вектора напряжения.
L

Вектор потока  I отстаёт от вектора тока I на угол
L
 I за счёт потерь в диске и сердечнике
U
электромагнита.
IU - вектор тока в параллельной обмотке отстаёт от
U

вектора напряжения на угол, близкий к . Вектор
2
нерабочего
потока
,
замыкающий
в
сердечнике
и не

Рис.5.2. Упрощенная
L
векторная диаграмма
пронизывающий диск, отстаёт от тока IU на угол  L
счётчика
за счёт незначительных потерь сердечнике.
Рабочий поток U пронизывает диск и создаёт в нем вихревые токи, поэтому вектор
потока U отстаёт от тока IU на угол U  больший  L .
Из векторной диаграммы следует, что     1   . Если выполнить условие:


   I  , то    
2
2
и тогда


sin   sin      cos  .
(5.5)
2

Вращающий момент механизма счётчика при выполнении указанных условий равен.
M Bp  K 2 IU cos   K 2 P .
(5.6)
Условие    I 

выполняется благодаря наличию нерабочего потока  L и
2
точно регулируется изменением сопротивления дополнительной обмотки на
последовательном электромагните.
Противодействующий момент создаётся вращением диска в поле постоянного
магнита:
M пр  K 3 M I M ,
(5.7)
где  M - магнитный поток постоянного магнита;
I M - величина индуцированных в диске вихревых токов.
Согласно закону электромагнитной индукции имеем:
I M  K 4M  ,
где  - скорость вращения диска.
Тогда M пр  K 3 M K 4 M   K 5 .
(5.8)
(5.9)
Кроме M пр имеется ещё два дополнительных противодействующих момента,
создаваемых потоками U и  I ; они также пропорциональны скорости вращения диска.
При установившейся скорости вращения диска:
M Bp  M пр
или
K 2 IU cos   K 2 P  K5 ,
(5.10)
т.е. скорость вращения диска пропорциональна потребляемой мощности. Интегрируя
(5.10) в пределах времени от t1 до t 2 , получают
t1
t1
 K IU cos dt  K dt ,
2
t2
5
(5.11)
t2
или
(5.12)
W  CN ,
где W – энергия, израсходованная в цепи за промежуток времени t 2  t1 ;
N - количество оборотов диска счётчика за тот же промежуток времени.
Отсчёт энергии производится по показаниям счётного механизма, который считает
обороты диска.
Единице регистрируемой энергии (1 кВтч) соответствует определенное количество
оборотов диска (А – об/кВтч), называемое передаточным числом и указываемое на
щитке счётчика.
Величина обратная передаточному числу называется номинальной постоянной
счётчика C H
1
W * s / apgr 
(5.13)
A
и показывает энергию, регистрируемую за один оборот диска.
Для данной конструкции величины A и C H являются неизменными.
Действительная постоянная счётчика C показывает энергию, израсходованную
потребителем за время одного оборота диска, и она определяется при поверке счётчика.
Ввиду наличия трения в механизме счётчика и зависимости потоков от частоты,
напряжения, тока нагрузки и cos  , а также ряда других факторов, при одной и той же
потребляемой мощности скорость вращения может изменяться в некоторых пределах.
Поэтому действительная постоянная C не совпадает с номинальной постоянной C H и
она также меняется в некоторых пределах, вызывая появление погрешности показаний
счётчика.
По известным постоянным C и C H погрешность счётчика  определяется
CH 
следующим образом:
W   W CH  C
(5.14)


* 100% ,
W
C
где W   C H N – регистрируемая энергия;
W  CN - фактически израсходованная энергия, которая определяется при поверке
счётчика опытным путём по показателям образцового ваттметра и секундомера:
W  Pt
 %
cos  0,5
2,0
1,0
I/ I H %
0
1,0
2,0
100
200
300
cos   1
Рис.5.3 Зависимость погрешности счётчика от тока нагрузки.
Типичный характер изменения погрешности счётчика в зависимости от тока
нагрузки показан на рис.5.3. Эта погрешность является основной для счётчика.
Точность определения относительной погрешности счётчика зависит только от
точности определения действительной постоянной C , так как номинальная постоянная
C H , определяемая механической конструкцией счётного механизма, известна с
большой точностью.
Согласно ГОСТ 6570-60 по точности учёта электрической энергии счётчики
активной энергии изготавливаются следующих классов 1,0; 2,0 и 2,5 на номинальные
токи 5; 10 и 20 А и номинальные напряжения 127 или 220 В.
Соответствие счётчика определенному классу определяется измерением его
погрешностей в разных режимах работы, определяемых величиной тока нагрузки
и cos  , при соблюдении следующих условий:
а) изменение частоты не более чем  0,5% от номинальной;
б) отклонение напряжения не более чем  1% от номинального;
в) температура окружающего воздуха 20  3 0 С;
г) не синусоидальность напряжения и тока не выше 5%;
д) предварительный прогрев цепей напряжения не менее 60 мин., цепей тока – 15
мин. под каждой нагрузкой;
е) одновременное изменение цифр счётного механизма не более 3 X ;
ж) напряженность внешнего магнитного поля не более 80 А/m;
з) отклонение от вертикального положения не более 1 0 .
При соблюдении указанных условий относительно погрешности счётчика не
должны превышать значений, указанных в таблице 5.1.
Допустимые пределы погрешностей индукционных счётчиков
Таблица 5.1.
Ток нагрузки %
Допускаемые относ. погрешности
Коэффициент
от номин.
мощности
класс 1,0
класс 2,0
класс 2,5
5
 2
 2,5
10
 1
 2
 3,5
cos   1
свыше 10 до 150
 1
свыше 10 до 200
 2
 2,5
10
 2
 2,5
cos   0,5
20  150
 1
 2
 4
Поверка счётчиков должна производиться таким методом, при котором предельная
погрешность определения действительного расхода энергии была бы примерно в 3 раза
меньше допустимой погрешности счётчика; отклонение стрелок всех измерительных
приборов не менее 35% длины шкалы.
Порогом чувствительности счётчика называют минимальную нагрузку (ток или
мощность), выраженную в процентах от номинальной, при которой диск счётчика
начинает вращаться без остановки.
I мин
P
(5.15)
* 100%  мин * 100%
I ном
Pном
Порог чувствительности определяется при номинальных напряжении и частоте и
cos   1 . При этом порог чувствительности не должен превышать 0,5 % для счётчиков
классов 1,0 и 2,0 и 1% для остальных классов. Отклонение стрелки показывающего
прибора должно быть не меньше 5 делений шкалы.
Для того, чтобы при малых нагрузках погрешность счётчика (от трения в
подшипниках и в счётном механизме) не превышала установленных стандартом
пределов, в счётчике создаётся дополнительный вращающий момент, компенсирующий
момент трения. Если компенсирующий момент слишком велик, то наблюдается такое
явление, когда диск счётчика вращается при разомкнутой цепи последовательного
электромагнита под действием одного напряжения.
Согласно требованиям стандартов счётчик не имеет самохода, если при отсутствии
тока в последовательной обмотке и изменении напряжения от 80 до 110% от
номинального диск счётчика не делает более одного полного оборота.
S
4. Описание лабораторной установки
Поверка счётчика проводится по схеме рис.5.4. Как видно из схемы,
последовательная и параллельная обмотки счётчика питаются раздельно от двух
A
B
R
ATp HTp
1
П
2
C
A1 TT A2
wh
И1
И2
A
P
W
V
K
C
Рис.5.4. Схема поверки счётчика.
независимых цепей. Это даёт возможность осуществлять плавную и независимую
регулировку тока и напряжения, удобно изменять значение cos  , что в конечном
счете, приводит к уменьшению расхода энергии от сети и отпадает необходимость в
громоздких нагрузочных реостатах.
Для повышения cos  в цепи питания последовательных обмоток, включен
резистор R .
Для исследования погрешности счётчика при разных значениях cos  служит
переключатель П. В положении 1 обе цепи питаются одним и тем же напряжением
U AC . Сопротивление последовательной цепи счётчика можно считать чисто активным
и тогда ток совпадает по фазе с напряжением питания, что соответствует активной
нагрузке счётчика ( cos   1 ). При переводе переключателя П в положение 2,
параллельные обмотки питаются напряжением U AC , а последовательные –
напряжением U BC , которое отстаёт от
напряжения U AC на 60 . Этому соответствует
U AC
U AB
индуктивный характер нагрузки счётчика и
cos   0,5 (см. рис.5.5.).
ПРИМЕЧАНИЕ: При небольших токах в
верхнем контуре можно исключить
60 0
трансформатор тока (ТТ), соединив А1 с И1,
А2 с И2 (см. рис.5.4.).
I нагр
U BC
U CA
Согласно индукции, поверку счётчика
необходимо производить при положительных
углах сдвига фаз (индуктивный характер
Рис.5.5 Векторная диаграмма,
нагрузки). Знак угла сдвига фаз можно
поясняющая установку cos
определить при помощи конденсатора С,
переключателем П.
который включается последовательно с
параллельной обмоткой ваттметра.
Как известно, показание электродинамического ваттметра пропорционально
скалярному произведению токов, протекающих в его катушках. Поэтому
I
U
IU
IU
 
а) индуктивный
сдвиг
I
U
 IU
I

б) емкостный
сдвиг
Рис.5.6. Векторные диаграммы,
поясняющие определение знака угла
сдвига фаз.
при изменении фазы тока IU в
параллельной обмотке ваттметра
подключением ёмкости, показание
ваттметра при положительном угле 
уменьшается (рис5.6.а), а при
отрицательном – увеличивается
(рис5.6.б).
Конденсатор включается только
момент определения знака угла  , во
время поверки счётчика он заканчивается
ключом К.
5. Порядок выполнения работы
5.1. Собрать схему лабораторный установки (рис.5.4) для поверки однофазного
счётчика электрической энергии.
5.2. Проверить правильность включения всех приборов, особое внимание уделяя
согласованному включению счётчика и ваттметра.
5.3. Проверить плавность регулировки напряжения и тока.
5.4. Определить, какой необходимо выбрать коэффициент трансформатора тока и
сколько делений надо выставить по амперметру для получения тока нагрузки
величиной 5; 10; 20; 50; 75; 100; 150; 200% от I HOM для данного счётчика, соблюдая
при этом требования ГОСТа. Результаты расчётов записать в таблицу 5.2.
5.5. Установить по вольтметру и амперметру номинальные напряжение и ток
счётчика и дать приборам предварительный прогрев в течении 10 -15 мин.
5.6. Определить показания счётчика при вышеупомянутых значениях тока
нагрузки и cos    , для чего:
а) переключатель П ставить в положение 1;
б) установить напряжение на счётчике равное U HOM ;
в) установить ток нагрузки 5% от I HOM (см.п.5.4);
г) записать показание ваттметра в таблицу 5.2;
д) определить по секундомеру время, за которое диск счётчика сделает N полных
оборотов, записать их в таблицу.
Примечания: 1. Количество оборотов диска должно быть не менее 10 или время
вращения не менее 120 с.
2. Счёт количества оборотов диска начинать только после того, как он приобрёл
постоянную скорость вращения, т.е. через 15  20 с после включения тока.
Результаты измерений при поверке счётчика
№
П.П
I
KTT
U
% A
-
V
t
P
1
Таблица 5.2.
N
Самоход
W
CW
s
apgr
I МИН
mA
U м ин 
есть, нет
U ном 
U макс 
-
Примечания
cos   1
-
cos   0,5
5.7. Повторить п.5.6. для остальных тока нагрузки (см.п.5.4).
5.8. Определить показания счётчика при указанных значениях тока нагрузки и
cos   0,5 , для чего:
а) переключатель П ставить в положение 2;
б) установить номинальные напряжение и ток нагрузки счётчика;
в) проверить знак фазового угла;
г) если угол сдвига фаз окажется отрицательным, поменять местами провода,
идущие к реостату Р и повторить п.5.8в;
д) повторить п.п. 5.6б – 5.7.
5.9. Проверить счётчик на самоход:
а) отсоединить провод, подключенный к зажиму Л1 трансформатора тока;
б) включить напряжение и убедиться, что при его изменении в пределах 80  110%
от U HOM , диск не вращается.
5.10. Определить порог чувствительности счётчика:
а) между проводами, идущими к клеммам Л1  Л 2 трансформатора тока, включить
миллиамперметр с пределом измерения 100-200 mА;
б) включить питание и установить номинальное напряжение на параллельной
обмотке счётчика (переключатель П находится в положении 1);
в) постепенно увеличивая ток, определить то его минимальное значение, при
котором диск счётчика начинает безостановочно вращаться (сделает не менее одного
полного оборота). Результат записать в таблицу.
5.11. Вычислить все необходимые величины и заполнить таблицу расчетов 5.3.
Результаты расчётов
№
П.П
Таблица 5.3.
I
A
CH
C
%
Apgr/
KW*h
W*s/
apgr
W*s/
apgr
C

%
%
cos 
действ.
-
S
Примечания
%
cos   1
cos   0,5
5.12. Указать класс точности, к которому можно отнести поверяемый счётчик по
результатам поверки, а также ответить, требует ли счётчик регулировки и как ее
осуществлять.
6 Контрольные вопросы
1. Устройство и принцип работы индукционного тангенциального счётчика.
2. При каких условиях вращающий момент счётчика пропорционален активной
мощности?
3. Чем создается противодействующий момент?
4. Как возникает в счётчике тормозной момент и чем он компенсируется?
5. Что называется самоходом счётчика и как он устраняется?
6. Каким образом производится регулировка счётчика?
7. Что называется порогом чувствительности счётчика?
8. Какие могут быть источники погрешностей счётчика?
9. Какие факторы могут вызвать отклонение значения cos  от ожидаемого и как
определить знак cos  ?
10. Где расходуется энергия, учтенная счетчиком, в режиме поверки?