Принцип работы электросчетчика: импульсный, индукционный и трехфазный

Принцип работы электросчетчика

В каждую электрическую сеть квартиры или частного дома подключается электросчетчик, учитывающий потребленную электроэнергию. Отличительной особенностью данного прибора является его последовательное подключение. Это позволяет определять в полном объеме количество тока, проходящего через его обмотки. Принцип работы электросчетчика зависит от того, к какому типу относится тот или иной прибор.

  1. Какие виды электросчетчиков бывают
  2. Принцип работы индукционного счетчика
  3. Принцип работы электронного счетчика электроэнергии

Какие виды электросчетчиков бывают

В быту используются три вида счетчиков:

  1. Механические или индукционные, несмотря на простоту и дешевизну, они отличаются большими погрешностями, невозможностью тарификации и другими недостатками.
  2. Электронные счетчики обладают явными преимуществами в виде высокой точности, удобного интерфейса и многих других полезных функций.
  3. Третий вид приборов учета относится к гибридным устройствам, в которых имеется механическая и электронная часть. Они используются достаточно редко, поэтому более подробно следует рассмотреть два первых типа электросчетчиков.

Принцип работы индукционного счетчика

Еще совсем недавно индукционные счетчики были неотъемлемой частью электрических сетей в квартирах. Счетное устройство в этих приборах представлено вращающимся алюминиевым диском и цифровыми барабанами, отображающими показатели расхода электроэнергии в реальном времени.

Принцип действия подобных устройств достаточно простой. Электромагнитное поле, возникающее в катушках счетчика, взаимодействует с диском, выполняющим функцию подвижного токопроводящего элемента. В однофазном индукционном счетчике выполняется параллельное подключение одной из катушек к обмотке напряжения, которая служит сетью переменного тока. Другая катушка подключается последовательно на участке между обмоткой тока или нагрузкой и генератором электроэнергии.

Действие токов, протекающих по обмоткам, приводит к созданию переменных магнитных потоков, пересекающих вращающийся диск. Их величина составляет пропорцию между потребляемым током и входным напряжением. В соответствии с законом электромагнитной индукции в самом диске происходит возникновение вихревых токов, протекающих по направлению магнитных потоков.

Вихревые токи и магнитные потоки начинают взаимодействовать между собой в диске. В результате, появляется электромеханическая сила, которая и приводит к созданию вращающегося момента. Таким образом, возникает пропорция между полученным вращающимся моментом и произведением двух магнитных потоков, возникающих в обмотках тока и напряжения, умноженных на синус сдвига фазы между ними.

Нормальная работа индукционного электросчетчика возможна только при условии фазового сдвига, равного 90 градусам. Такой сдвиг можно получить, разложив магнитный поток обмотки напряжения на две части. Получается, что диск прибора вращается с частотой, пропорциональной активно потребляемой мощности. Поэтому непосредственный расход электроэнергии будет находиться в пропорции с количеством оборотов диска. Полученные данные о потреблении передаются на механическое счетное устройство, ось которого связана с осью подвижного диска с помощью зубчатой передачи. Такая конструкция обеспечивает синхронное вращение обоих элементов.

Принцип работы электронного счетчика электроэнергии

До недавних пор все измерения потребленной электроэнергии осуществлялись с помощью индукционных счетчиков. Постепенно, с развитием микроэлектроники, произошел существенный сдвиг в деле совершенствования приборов учета и контроля потребляемой электроэнергии. Были созданы современные цифровые электронные системы управления с применением новейших микроконтроллеров. Это позволило многократно повысить точность измерений, а отсутствие механики значительно повысило надежность счетчика.

Для электронных электросчетчиков разработана специальная элементная база и методы обработки поступающей информации. После обработки цифровых данных стал возможен одновременный подсчет не только активной, но и реактивной мощности. Данный фактор приобретает важное значение при организации учета в трехфазных сетях. В результате, были созданы многотарифные электросчетчики, учитывающие накопленную энергию в течение определенного времени суток. Данные приборы способны автоматически определять тот или иной тариф.

Как устроен и работает электронный счетчик электроэнергии

Основное назначение этого прибора сводится к постоянному измерению потребляемой мощности контролируемого участка электрической схемы и отображению ее величины в удобном для человека виде. Элементная база использует твердотельные электронные компоненты, работающие на полупроводниках или микропроцессорных конструкциях.

Такие приборы выпускают для работы с цепями тока:

1. постоянной величины;

2. синусоидальной гармонической формы.

Приборы учета электроэнергии постоянного тока работают только на промышленных предприятиях, эксплуатирующих мощное оборудование с большим потреблением постоянной мощности (электрифицированный железнодорожный транспорт, электромобили…). В бытовых целях они не используются, выпускаются ограниченными партиями. Поэтому в дальнейшем материале этой статьи их рассматривать не будем, хотя принцип их работы отличается от моделей, работающих на переменном токе, в основном конструкцией датчиков тока и напряжения.

Электронные счетчики мощности переменного тока изготавливаются для учета энергии электрических устройств:

1. с однофазной системой напряжения;

2. в трехфазных цепях.

Конструкция электронного счетчика

Вся элементная база располагается внутри корпуса, снабженного:

клеммной колодкой для подключения электрических проводов;

панелью ЖКИ дисплея;

органами управления работой и передачи информации от прибора;

печатной платой с твердотельными элементами;

Внешний вид и основные пользовательские настройки одной из многочисленных моделей подобных устройств, выпускаемых на предприятиях республики Беларусь, представлен на картинке.

Работоспособность такого электросчетчика подтверждается:

нанесенным клеймом поверителя, подтверждающим прохождение метрологической поверки прибора на испытательном стенде и оценке его характеристик в пределах заявленного производителем класса точности;

ненарушенной пломбой предприятия энергонадзора, ответственного за правильное подключение счетчика к электрической схеме.

Внутренний вид плат подобного прибора показан на картинке.

Здесь нет никаких движущихся и индукционных механизмов. А наличие трех встроенных трансформаторов тока, используемых в качестве датчиков с таким же количеством явно просматриваемых каналов на монтажной плате, свидетельствуют о трехфазной работе этого устройства.

Электротехнические процессы, учитываемые электронным счетчиком

Работа внутренних алгоритмов трехфазных или однофазных конструкций происходит по одним и тем же законам, за исключением того, что в 3-х фазном, более сложном устройстве, идет геометрическое суммирование величин каждого из трех составляющих каналов.

Поэтому принципы работы электронного счетчика будем преимущественно рассматривать на примере однофазной модели. Для этого вспомним основные законы электротехники, связанные с мощностью.

Ее полная величина определяется составляющими:

реактивной (суммы индуктивной и емкостной нагрузок).

Ток, протекающий по общей цепи однофазной сети, одинаков на всех участках, а падение напряжения на каждом ее элементе зависит от вида сопротивления и его величины. На активном сопротивлении оно совпадает с вектором проходящего тока по направлению, а на реактивном отклоняется в сторону. Причем на индуктивности оно опережает ток по углу, а на емкости — отстает.

Электронные счетчики способны учитывать и отображать полную мощность и ее активную и реактивную величину. Для этого производятся замеры векторов тока с напряжением, подведенных на его вход. По значению отклонения угла между этими входящими величинами определяется и рассчитывается характер нагрузки, предоставляется информация обо всех ее составляющих.

В различных конструкциях электронных счетчиков набор функций неодинаков и может значительно отличаться своим назначением. Этим они кардинально выделяются от своих индукционных аналогов, которые работают на основе взаимодействия электромагнитных полей и сил индукции, вызывающих вращение тонкого алюминиевого диска. Конструктивно они способны замерять только активную или реактивную мощность в однофазной либо трехфазной цепи, а значение полной — приходится вычислять отдельно вручную.

Принцип измерения мощности электронным счетчиком

Схема работы простого прибора учета с выходными преобразователями показана на рисунке.

В нем для замера мощности используются простые датчики:

тока на основе обычного шунта, через который пропускается фаза цепи;

напряжения, работающего по схеме широко известного делителя.

Сигнал, снимаемый таким датчиками, мал и его увеличивают с помощью электронных усилителей тока и напряжения, после которых происходит аналогово-цифровая обработка для дальнейшего преобразования сигналов и их перемножения с целью получения величины, пропорциональной значению потребляемой мощности.

Далее производится фильтрация оцифрованного сигнала и вывод на устройства:

Применяемые в этом схеме входные датчики электрических величин не обеспечивают измерения с высоким классом точности векторов тока и напряжения, а, соответственно, и расчет мощности. Эта функция лучше реализуется измерительными трансформаторами.

Схема работы однофазного электронного счетчика

В ней измерительный ТТ включен в разрыв фазного провода потребителя, а ТН подключен к фазе и нулю.

Сигналы с обоих трансформаторов не нуждаются в усилении и направляются по своим каналам на блок АЦП, осуществляющий преобразование их в цифровой код мощности и частоты. Дальнейшие преобразования выполняет микроконтроллер, осуществляющий управление:

ОЗУ — оперативным запоминающим устройством.

Через ОЗУ выходной сигнал может передаваться дальше в канал информации, например, с помощью оптического порта.

Функциональные возможности электронных счетчиков

Низкая погрешность измерения мощности, оцениваемая классом точности 0,5 S или 02 S разрешает эксплуатировать эти приборы в целях коммерческого учета использованной электроэнергии.

Конструкции, предназначенные для замеров в трехфазных схемах, могут работать в трех или четырехпроводных электрических цепях.

Электронный счетчик может непосредственно подключаться к действующему оборудованию или иметь конструкцию, позволяющую использовать промежуточные, например, высоковольтные измерительные трансформаторы. В последнем случае, как правило, осуществляется автоматический перерасчет измеряемых вторичных величин в первичные значения тока, напряжения и мощности, включая активную и реактивную составляющие.

Счетчик фиксирует направление полной мощности со всеми ее составляющими в прямом и обратном направлении, хранит эту информацию с привязкой ко времени. При этом пользователю можно снимать показания энергии по ее приращению за определенный период времени, например, текущие или выбранные из календаря сутки, месяц или год либо — накоплению на определенное назначенное время.

Фиксация значений активной и реактивной мощности за определенный период, например, 3 или 30 минут, как и быстрый вызов ее максимальных значений в течение месяца значительно облегчает анализ работы энергетического оборудования.

В любой момент можно просмотреть мгновенные показатели активного и реактивного потребления, действующего тока, напряжения, частоты в каждой фазе.

Наличие функции многотарифного учета энергии с использованием нескольких каналов передачи информации расширяет условия коммерческого применения. При этом создаются тарифы для определенного времени, например, каждого получаса выходного либо рабочего дня по сезонам или месяцам года.

Для удобства работы пользователя на дисплее выводится рабочее меню, между пунктами которого можно перемещаться, используя рядом расположенные органы управления.

Электронный счетчик электроэнергии позволяет не только считывать информацию непосредственно с дисплея, но и просматривать ее через удаленный компьютер, а также осуществлять ввод дополнительных данных или их программирование через оптический порт.

Защита информации

Установка пломб на счетчик производится в два этапа:

1. на первом уровне доступ внутрь корпуса прибора запрещается службой технического контроля завода после изготовления счетчика и прохождения им государственной поверки;

2. на втором уровне пломбирования блокируется доступ к клеммам и подключенным проводам представителем энергоснабжающей организации или энергонадзора.

Все события снятия и установки крышки оборудованы сигнализацией, срабатывание которой фиксируется в памяти журнала событий с привязкой ко времени и дате.

Система паролей предусматривает ограничение пользователей к доступу информации и может содержать до пяти ограничений.

Читайте также:  Новогодние салаты 2020: новинки рецептов с фото и подробным описанием

Нулевой уровень полностью снимает ограничения и позволяет просматривать все данные местно или удаленно, синхронизировать время, корректировать показания.

Первый уровень пароля дополнительного доступа предоставляется работникам монтажной или эксплуатационной организации систем АСКУЭ для наладки оборудования и записи параметров, не оказывающих влияние на коммерческие характеристики.

Второй уровень пароля основного доступа назначается ответственным работником энергонадзора на счетчике, прошедшем наладку и полностью подготовленном к работе.

Третий уровень основного доступа дается работникам энергонадзора, осуществляющим снятие и установку крышки со счетчика для доступа к его клеммным зажимам или проведению удаленных операций через оптический порт.

Четвертый уровень предоставляет возможности установки аппаратных ключей на плату, удаление всех установленных пломб и возможность работы через оптический порт для усовершенствования конфигурации, замены калибровочных коэффициентов.

Приведенный перечень возможностей, которыми обладает электронный счетчик электроэнергии, является общим, обзорным. Он может выставляться индивидуально и отличаться даже на каждой модели одного производителя.

Обзор и устройство современных счётчиков электроэнергии

За последнее время на смену индукционным счётчикам электроэнергии пришли электронные. В данных счётчиках счётный механизм приводится во вращение не с помощью катушек напряжения и тока, а с помощью специализированной электроники. Кроме того, средством счёта и отображения показаний может являться микроконтроллер и цифровой дисплей соответственно. Всё это позволило сократить габаритные размеры приборов, а также, снизить их стоимость.

В состав практически любого электронного счётчика входит одна или несколько специализированных вычислительных микросхем, выполняющие основные функции по преобразованию и измерению. На вход такой микросхемы поступает информация о напряжении и силе тока с соответствующих датчиков в аналоговом виде. Внутри микросхемы данная информация оцифровывается и преобразуется определённым образом. В результате, на выходе микросхемы формируются импульсные сигналы, частота которых пропорциональна текущей потребляемой мощности нагрузки, подключенной к счётчику. Импульсы поступают на счётный механизм, который представляет собой электромагнит, согласованный с зубчатыми передачами на колёсики с цифрами. В случае с более дорогостоящими счётчиками с цифровым дисплеем применяется дополнительный микроконтроллер. Он подключается к вышесказанной микросхеме и к цифровому дисплею по определённому интерфейсу, ведёт накопление результата измерения электроэнергии в энергонезависимую память, а также, обеспечивает дополнительный функционал прибора.

Рассмотрим несколько подобных микросхем и моделей счётчиков, которые мне попадались под руку.

Ниже на рисунке в разобранном виде изображён один из наиболее дешёвых и популярных однофазных счётчиков «НЕВА 103». Как видно из рисунка, устройство счётчика довольно простое. Основная плата состоит из специализированной микросхемы, её обвески и узла стабилизатора питания на основе балластового конденсатора. На дополнительной плате размещён светодиод, индицирующий потребляемую нагрузку. В данном случае – 3200 импульсов на 1 кВт*ч. Также есть возможность снимать импульсы с зелёного клеммника, расположенного вверху счётчика. Счётный механизм состоит из семи колёсиков с цифрами, редуктора и электромагнита. На нём отображается посчитанная электроэнергия с точностью до десятых кВт*ч. Как видно из рисунка, редуктор имеет передаточное отношение 200:1. По моим замечаниям, это означает «200 импульсов на 1 кВт*ч». То есть, 200 импульсов, поданных на электромагнит, поспособствуют прокрутке последнего красного колёсика на 1 полный оборот. Это соотношение кратно соотношению для светодиодного индикатора, что весьма не случайно. Редуктор с электромагнитом размещён в металлической коробке под двумя экранами с целью защиты от вмешательства внешним магнитным полем.

В данной модели счётчика применяется микросхема ADE7754. Рассмотрим её структуру.

На пины 5 и 6 поступает аналоговый сигнал с токового шунта, который расположен на первой и второй клеммах счётчика (на фотографии в этом месте видно повреждение). На пины 8 и 7 поступает аналоговый сигнал, пропорциональный напряжению в сети. Через пины 16 и 15 есть возможность устанавливать усиление внутреннего операционного усилителя, отвечающий за ток. Оба сигнала с помощью узлов АЦП преобразуются в цифровой вид и, проходя определённую коррекцию и фильтрацию, поступают на умножитель. Умножитель перемножает эти два сигнала, в результате чего, согласно законам физики, на его выходе получается информация о текущей потребляемой мощности. Данный сигнал поступает на специализированный преобразователь, который формирует готовые импульсы на счётное устройство (пины 23 и 24) и на контрольный светодиод и счётный выход (пин 22). Через пины 12, 13 и 14 конфигурируются частотные множители и режимы вышеперечисленных импульсов.

Стандартная схема обвески практически представляет собой схему рассматриваемого счётчика.

Общий минусовой провод соединён с нулём 220В. Фаза поступает на пин 8 через делитель на резисторах, служащий для снижения уровня измеряемого напряжения. Сигнал с шунта поступает на соответствующие входы микросхемы также через резисторы. В данной схеме, предназначенной для теста, конфигурационные пины 12-14 подключены к логической единице. В зависимости от модели счётчика, они могут иметь разную конфигурацию. В данном кратком обзоре эта информация не столь важна. Светодиодный индикатор подключен к соответствующему пину последовательно вместе с оптической развязкой, на другой стороне которой подключается клеммник для снятия счётной информации (К7 и К8).

Из этого же семейства микросхем существуют похожие аналоги для трёхфазных измерений. Вероятнее всего, они встраиваются в дешёвые трёхфазные счётчики. В качестве примера на рисунке ниже представлена структура одной из таких микросхем, а именно ADE7752.

Вместо двух узлов АЦП, здесь применено их 6: по 2 на каждую фазу. Минусовые входы ОУ напряжения объединены вместе и выводятся на пин 13 (ноль). Каждая из трёх фаз подключается к своему плюсовому входу ОУ (пины 14, 15, 16). Сигналы с токовых шунтов по каждой фазе подключаются по аналогии с предыдущим примером. По каждой из трёх фаз с помощью трёх умножителей выделяется сигнал, характеризующий текущую мощность. Эти сигналы, кроме фильтров, проходят через дополнительные узлы, которые активируются через пин 17 и служат для включения операции математического модуля. Затем эти три сигнала суммируются, получая, таким образом, суммарную потребляемую мощность по всем фазам. В зависимости от двоичной конфигурации пина 17, сумматор суммирует либо абсолютные значения трёх сигналов, либо их модули. Это необходимо для тех или иных тонкостей измерения электроэнергии, подробности которых здесь не рассматриваются. Данный сигнал поступает на преобразователь, аналогичный предыдущему примеру с однофазным измерителем. Его интерфейс также практически аналогичен.

Стоит отметить, что вышеописанные микросхемы служат для измерения активной энергии. Более дорогие счётчики способны измерять как активную, так и реактивную энергию. Рассмотрим, например, микросхему ADE7754. Как видно из рисунка ниже, её структура намного сложнее структуры микросхем из предыдущих примеров.

Микросхема измеряет активную и реактивную трёхфазную электроэнергию, имеет SPI интерфейс для подключения микроконтроллера и выход CF (пин 1) для внешней регистрации активной электроэнергии. Вся остальная информация с микросхемы считывается микроконтроллером через интерфейс. Через него же осуществляется конфигурация микросхемы, в частности, установка многочисленных констант, отражённых на структурной схеме. Как следствие, данная микросхема, в отличие от предыдущих двух примеров, не является автономной, и для построения счётчика на базе этой микросхемы требуется микроконтроллер. Можно зрительно в структурной схеме пронаблюдать узлы, отвечающие по отдельности за измерение активной и реактивной энергии. Здесь всё гораздо сложнее, чем в предыдущих двух примерах.

В качестве примера рассмотрим ещё один интересный прибор: трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32». Как видно из фотографии ниже, данный счётчик ещё не эксплуатировался. Он мне достался в неопломбированном виде с небольшими механическими повреждениями снаружи. При всё при этом он находился полностью в рабочем состоянии.

Как можно заметить, глядя на основную плату, прибор состоит из трёх одинаковых узлов (справа), цепей питания и микроконтроллера. С нижней стороны основной платы расположены три одинаковых модуля на отдельных платах по одному на каждый узел. Данные модули представляют собой микросхемы AD71056 с минимальной необходимой обвеской. Эта микросхема является однофазным измерителем электроэнергии.

Модули запаяны вертикально на основную плату. Витыми проводами к данным модулям подключаются токовые шунты.

За пару часов удалось срисовать электрическую схему прибора. Рассмотрим её более детально.

Справа на общей схеме изображена схема однофазного модуля, о котором говорилось выше. Микросхема D1 этого модуля AD71056 по назначению похожа на микросхему ADE7755, которая рассматривалась ранее. На четвёртый контакт модуля поступает питание 5В, на третий – сигнал напряжения. Со второго контакта снимается информация в виде импульсов о потребляемой мощности через выход CF микросхемы D1. Сигнал с токовых шунтов поступает через контакты X1 и X2. Конфигурационные входы микросхемы SCF, S1 и S0 в данном случае расположены на пинах 8-10 и сконфигурированы в «0,1,1».

Каждый из трёх таких модулей обслуживает соответственно каждую фазу. Сигнал для измерения напряжения поступает на модуль через цепочку из четырёх резисторов и берётся с нулевой клеммы («N»). При этом стоит обратить внимание, что общим проводом для каждого модуля является соответствующая ему фаза. А вот, общий провод всей схемы соединён с нулевой клеммой. Данное хитрое решение по обеспечению питанием каждого узла схемы расписано ниже.

Каждая из трёх фаз поступает на стабилитроны VD4, VD5 и VD6 соответственно, затем на балластовые RC цепи R1C1, R2C2 и R3C3, затем – на стабилитроны VD1, VD2 и VD3, которые соединены своими анодами с нулём. С первых трёх стабилитронов снимается напряжение питания для каждого модуля U3, U2 и U1 соответственно, выпрямляется диодами VD10, VD11 и VD12. Микросхемы-регуляторы D1-D3 служат для получения напряжения питания 5В. Со стабилитронов VD1-VD3 снимается напряжение питания общей схемы, выпрямляется диодами VD7-VD9, собирается в одну точку и поступает на регулятор D4, откуда снимается 5В.

Общую схему составляет микроконтроллер (МК) D5 PIC16F720. Очевидно, он служит для сбора и обработки информации о текущей потребляемой мощности, поступающей с каждого модуля в виде импульсов. Эти сигналы поступают с модулей U3, U2 и U1 на пины МК RA2, RA4 и RA5 через оптические развязки V1, V2 и V3 соответственно. В результате на пинах RC1 и RC2 МК формирует импульсы для механического счётного устройства M1. Оно аналогично устройству, рассматриваемому ранее, и также имеет соотношение 200:1. Сопротивление катушки высокое и составляет порядка 500 Ом, что позволяет подключать её непосредственно к МК без дополнительных транзисторных цепей. На пине RC0 МК формирует импульсы для светодиодного индикатора HL2 и для внешнего импульсного выхода на разъёме XT1. Последний реализуется через оптическую развязку V4 и транзистор VT1. В данной модели счётчика соотношение составляет 400 импульсов на 1 кВт*ч. На практике при испытании данного счётчика (после небольшого ремонта) было замечено, что электромагнитная катушка счётного механизма срабатывает синхронно со вспышкой светодиода HL2, но через раз (в два раза реже). Это подтверждает соответствие соотношений 400:1 для индикатора и 200:1 для счётного механизма, о чём говорилось ранее.

Читайте также:  Обои на основе флизелина и виниловые полотна: о преимуществах

Слева на плате расположено место для 10-пинового разъёма XS1, который служит для перепрошивки, а также, для UART интерфейса МК.

Таким образом, трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32» состоит из трёх однофазных измерительных микросхем и микроконтроллера, обрабатывающий информацию с них.

В заключение стоит отметить, что существует ряд моделей счётчиков куда более сложней по своей функциональности. К примеру, счётчики с удалённым контролем показаний по электролинии, или даже через модуль мобильной связи. В данной статье я рассмотрел только простейшие модели и основные принципы построения их электрических схем. Заранее приношу извинения за возможно неправильную терминологию в тексте, ибо я старался излагать простым языком.

Принцип работы электросчетчика

Принцип работы электросчетчиков

У каждого из нас в квартире, доме, гараже присутствует прибор учета электроэнергии, проще говоря электросчетчик.

Он подсчитывает количество потребленной активной электроэнергии за определенное количество времени.

Электронные электросчетчики

В них все реализуется с помощью микропроцессорной техники, схема ниже:

ТТ – трансформатор тока

С помощью датчиков тока ДТ и датчиков напряжения ДН снимаются значения тока и напряжения сети.

После датчиков сигналы поступают на аналогово-цифровой преобразователь, где сигнал с аналогового превращается в цифровой и поступает на микроконтроллер.

Микроконтроллер в свою очередь производит вычисления и отправляет данные на дисплей или через интерфейс на другое устройство.

С помощью таких электросчетчиков можно централизовано вести учет электроэнергии различных линий.

Главным достоинством электронных электросчетчиков над индукционными является:

  • отсутствие вращающихся частей, что снижает вероятность поломки;
  • возможность вести учет электроэнергии по различным тарифам с автоматическим переключением по времени суток (многотарифные счетчики);
  • меньшая погрешность измерения, особенно при малых нагрузках;
  • возможность передачи данных на расстояние через интерфейсы, что не требует постоянного присутствия для снятия данных;
  • удобность применения;
  • большая стоимость;
  • большая вероятность выхода из строя при больших скачках напряжения и тока сети;
  • более дорогостоящий и трудный ремонт;
  • выше чувствительность к климатическим условиям (например перепад температур);
  • труднее диагностировать неисправности;

Принцип работы электронного электросчетчика

Схема подключения однофазного электросчетчика

Данная схема предназначена для подключения любого однофазного счетчика электрической энергии.

Однофазные счетчики чаще всего подключают по схеме прямого включения в сеть и только в очень редких случаях через трансформаторы тока.

В клеммной колодке однофазного счетчика электроэнергии расположены 4 контакта:

  • 1 клемма — ввод фазы
  • 2 клемма — выход фазы на нагрузку (в квартиру)
  • 3 клемма — ввод нуля
  • 4 клемма — выход нуля на нагрузку (в квартиру)
  • винт напряжения — для отключения катушки напряжения в индукционных счетчиках при проведении государственной поверки.

Красным цветом обозначены токовая катушка (обмотка) и фазный провод, синим цветом — катушка (обмотка) напряжения и нулевой провод.

В данной схеме перед счетчиком электроэнергии установлен вводной автоматический выключатель.

Эту схему можно использовать для электроснабжения своей квартиры, дачи или коттеджа.

Схема подключения трехфазного электросчетчика

Принцип работы счетчика

Сигналы с датчиков тока и напряжения поступают на входы АЦП микропроцессора и преобразуются в коды. Микропроцессор, перемножая цифровые коды, получает величину, пропорциональную мощности. Интегрирование мощности во времени дает информацию о величине энергии.

Микропроцессор управляет всеми узлами счетчика и реализует измерительные алгоритмы в соответствии со специализированной программой; периодически определяет тарифную зону, формирует импульсы телеметрии, ведет учет электроэнергии, времени и календаря; обрабатывает поступившие команды по интерфейсу и, при необходимости, формирует ответ.

Кроме данных об учтенной электроэнергии в памяти счетчика хранятся калибровочные коэффициенты, тарифное расписание, серийный номер, версия программного обеспечения счетчика. Калибровочные коэффициенты заносятся в память на предприятии-изготовителе. При отсутствии напряжения питания процессор переходит на питание от литиевой батареи с напряжением 3 В и емкостью 120 мА·ч. Процессор синхронизирован кварцевым резонатором, работающем на частоте 32,768 кГц. Блок питания вырабатывает два гальванически изолированных напряжения для питания микропроцессора и цепей интерфейса.

Упростить алгоритм обработки информации и снизить затраты на комплектацию позволяет структурная схема:

Структурная схема счетчика ватт-часов активной энергии переменного тока Меркурий-200»

В этой структуре микроконтроллер (МК) выполняет функцию счетчика импульсов, пропорциональную активной мощности, вывод информации на дисплей и ряд специальных функций (изменение тарифов, сохранение информации в аварийных режимах, вывод служебной информации на внешние устройства и пр.). По мере накопления импульсов, соответствующих ватт-часам, значение накопленной энергии выводится на дисплей и записывается во FLASH-память. Если произойдет сбой, временное исчезновение напряжения сети, информация о накопленной энергии сохраняется во FLASH-памяти. После восстановления питающего напряжения эта информация считывается микроконтроллером, выводится на индикатор и счет продолжается с этой величины.

В случае реализации многотарифного СЭ, устройство должно обеспечивать обмен информацией с внешними устройствами по последовательному интерфейсу. Он может использоваться для задания тарифов, инициализации и коррекции таймера реального времени, получения информации о накопленных значениях энергии и т. д. Кроме того, интерфейс может обеспечивать подключение группы распределенных в пространстве СЭ в сеть с возможностью доступа к каждому из них.

Структурная схема многотарифного счетчика

Алгоритм работы структуры следующий. Память энергонезависимого ОЗУ разбита на 13 банков, в каждом из которых хранится информация о накопленной энергии по четырем тарифам: общем, льготном, пиковом и штрафном.

В первом банке накопления производятся с момента начала эксплуатации счетчика, следующие 12 банков соответствуют накоплениям за 11 предыдущих и за текущий месяц. Накопления за текущий месяц записываются в соответствующий банк, и таким образом имеется возможность определить, сколько было накоплено энергии за любой из 11 предшествующих месяцев.

Перед началом эксплуатации счетчика на заводе-изготовителе обнуляют содержимое банков памяти, т.е. накопление начинается с нулевых значений.

Переключение тарифов осуществляется по временным критериям: для каждого дня недели определяется свое тарифное расписание, т.е. времена начала основного и льготного тарифов и от нуля до трех интервалов времени для пикового тарифа. До 16 произвольных дней в году могут быть определены как праздничные, в эти дни работает тарифное расписание для воскресенья.

В счетчике может быть установлен режим ограничения по мощности и по количеству израсходованной энергии за месяц. В этом режиме счетчик фиксирует количество энергии, израсходованной сверх лимита. При превышении установленного лимита энергии производится либо переход на накопление по штрафному тарифу, либо отключение пользователя от энергосети. Штрафной тариф также может быть установлен принудительно (по интерфейсу связи) в случае, например, задолженности по оплате.

Каждый раз при включении счетчика в сеть (после очередного пропадания напряжения) фиксируется время и дата этого момента для возможности последующего контроля. Также предусмотрена запись времени и даты несанкционированного снятия крышки устройства.

Через специальный разъем к счетчику можно подключить картридер для считывания информации с индивидуальной электронной карточки о количестве энергии, оплаченной потребителем.

Просмотр информации по предыдущим 11 месяцам производится при нажатии специально предусмотренной кнопки на корпусе счетчика. При каждом нажатии последовательно выводится информация о каждом тарифе соответствующего месяца, после чего происходит переход на предыдущий месяц, и процесс повторяется. Номер просматриваемого месяца и год отображаются на индикаторе даты. Если нажатия кнопки не происходит несколько секунд, счетчик возвращается в нормальный режим работы. При подключении картридера эта кнопка позволяет просмотреть количество энергии по каждому тарифу, имеющемуся в распоряжении у пользователя.

Устройство и принцип работы электросчетчика

Учет расхода потребляемой электрической энергии на объектах любой формы собственности осуществляется с помощью электросчетчиков. Правильный выбор прибора отражается на экономии электроэнергии, что является первостепенной задачей в настоящее время. Ни один объект не будет включен к сетям энергопоставляющих компаний без установки электросчетчика. Правила его выбора, места установки и подключения регламентируются нормативно-технической документацией, среди которых ПУЭ занимает основное место. Каждый домовладелец оформляет договор на подключение к сетям, где модель счетчика должна быть обязательно указана. Это необходимо для того, чтобы осуществлять поверку счетчика, периодичность которой для каждой модели устанавливается предприятием-изготовителем.

Счетчик для учета электроэнергии

Классификация

Отечественные и зарубежные производители выпускают огромный ассортимент электросчетчиков. Разобраться поможет классификация устройств по следующим признакам:

  • принципу работы (индукционные и электронные);
  • количеству фаз или классу напряжения (одно,- и трехфазные);
  • способу подключения (напрямую и через измерительные трансформаторы);
  • количеству тарифов (одно-, двух,- и трехтарифные);
  • типу тарификатора (внешний и внутренний);
  • классу точности (0,2s; 0,2; 0,5s; 0,5; 1,0; 2,0; 2,5);
  • измеряемому току (базовый, стартовый и максимальный);
  • типу интерфейсов (импульсный, ИК порт, RS 232, RS 485, волоконно-оптическую линию связи, CAN, PLC-модем и GSM).

Устройство и принцип работы

Конструкция счетчика зависит от принципа его работы и осуществляемых функций. Индукционный однофазный счетчик используется в однофазных переменных сетях и состоит из следующих частей:

  • корпуса составного;
  • двух обмоток: токовой и напряжения;
  • двух магнитопроводов: обмотки тока и обмотки напряжения;
  • противополюса;
  • диска алюминиевого;
  • механизма червячного типа;
  • механизма счетного;
  • магнита постоянного, служащего для торможения диска;
  • оси, на которой закреплены счетный механизм, червячная передача и алюминиевый диск.

Схематическое устройство однофазного электросчетчика индукционного типа

Принцип работы устройства заключается в следующем. 2 электромагнита представляют измерительный механизм счетчика. Они расположены под углом 90° друг к другу. В магнитном поле этих электромагнитов находится диск, выполненный из алюминия. Счетчик включается в работу путем подсоединения с электроприемниками токовой обмотки последовательно, а с электроприемниками напряжения – параллельно. При прохождении переменного тока по обмоткам в сердечниках возникают магнитные потоки переменной величины. Они пронизывают диск, в результате чего индуцируют вихревые токи. При взаимодействии последних с магнитными потоками создается усилие, которое вращает диск. Он, в свою очередь, связан со счетным механизмом, который учитывает частоту вращения диска. Цифры, расположенные на счетном механизме фиксируют расход электрической энергии.

При увеличении тока нагрузки возникает больший вращающий момент, что заставляет диск вращаться быстрее.

Принцип работы трехфазных индукционных счетчиков аналогичен выше описанному счетчику, с той лишь разницей, что их используют в трехфазных сетях переменного тока.

Вид спереди трехфазного индукционного электросчетчика со снятой крышкой

Вид сбоку со снятой задней частью корпуса трехфазного индукционного счетчика

С развитием электронных технологий появились счетчики учета расхода электроэнергии электронного типа. Принцип действия их довольно прост. Специальный преобразователь входные аналоговые сигналы с датчиков тока и напряжения преобразует в цифровой импульсный код. Он подается на микроконтроллер, который фиксирует количество потребляемой электроэнергии на дисплее изделия. Отсюда основными частями электронного счетчика являются:

  • кожух защитный;
  • трансформаторы измерительные тока и напряжения;
  • преобразователь;
  • микроконтроллера, являющиеся органом управления и передачи информации на дисплей;
  • колодка клеммная для подсоединения эл. проводов.
Читайте также:  Пробковые панели для стен, как приклеить своими руками

Работа однофазных и трехфазных электронных счетчиков осуществляется по одним и тем же законам, с той лишь разницей, что в 3-хфазном осуществляется суммирование величин каждого из трех каналов.

Структурная схема работы однофазного счетчика электронного типа

Из схемы видно, что трансформатор тока включен в разрыв фазного провода, а трансформатор напряжения подключен к нулю и фазе. Сигналы величины тока и напряжения с помощью преобразователя преобразуются в мощность и частоту в цифровом виде, в дальнейшем микроконтроллер управляет оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), электронным реле и дисплеем, на котором отражается цифровая информация, фиксирующая расход электроэнергии на подключенном к счетчику объекте. ОЗУ в некоторых моделях может играть роль передатчика информации, что дает возможность контролировать работу счетчика на расстоянии.

Электронные счетчики для замеров расхода электроэнергии в трехфазных схемах, могут работать как в трех,- так и четырехпроводных цепях. Устройства хранят информацию с привязкой ко времени. Показания можно снимать за определенный период времени и фиксировать следующие показатели:

  • активное потребление;
  • реактивное потребление;
  • действующие значения напряжения и тока;
  • частоту в каждой фазе.

Все это позволило создать многотарифные счетчики для подсчета потребления электроэнергии в разное время суток, по дням недели или сезонам.

Видео про счетчик

Из чего состоит и как работает счетчик потребления электроэнергии, расскажет видео ниже.

Разобравшись в устройстве электросчетчиков, с уверенностью можно сказать, что электронные аналоги намного лучше индукционных, они более точно отражают информацию, ее удобно считывать и просматривать, при необходимости дистанционно. Единственное преимущество индукционных счетчиков – это их цена, которая гораздо ниже, чем у электронных моделей.

Клапан предохранительный – все о типах, принципе работы и устройстве

Обязательным элементом каждой гидросистемы, функционирующей под высоким давлением, считается предохранительный клапан. Устройство специально предназначено для защиты систем от чрезмерного превышения давления, ограничивая его предельную границу. При приближении к опасной отметке сбросной клапан срабатывает, осуществляя сброс рабочей среды до момента нормализации внутрисистемного давления.

Устройство предохранительных клапанов

Предохранительный клапан – это специальная трубопроводная арматура, функционирующая от рабочей среды. Существуют различные типы предохранительных устройств, но сбросные клапаны пользуются наибольшей популярностью благодаря эффективности работы при относительной несложности конструкции.

Конструкция предохранительного клапана зависит от его типа, но чаще применяются клапаны с пружинным механизмом прямого действия, обязательными компонентами которых являются задатчик с запорным органом. Задатчик отвечает за силовое воздействие на чувствительный элемент, непосредственно связанный с запорным органом, состоящим из запора и седла. В роли затвора обычно выступает золотник, а в качестве задатчика используется стальная пружина.

Принцип работы

Когда клапан пребывает в закрытом положении, чувствительный элемент находится под воздействием рабочего давления системы. Когда в системе начинают возникать процессы, провоцирующие повышение уровня давления выше рабочего, сила притяжения золотника к седлу снижается. В момент, когда сила равняется нулю, наступает уравновешивание рабочих сил от воздействия давления внутри системы и задатчика на чувствительный элемент. Начинается открытие запорного клапана. Если внутрисистемное давление продолжает расти, осуществляется выпуск рабочей среды через открытый клапан. Когда давление в системе постепенно падает и приходит в норму после сброса рабочей среды, запорный орган под воздействием усилия задатчика закрывается.

Чтобы клапан закрылся, давление должно опуститься до отметки на 10-15% ниже, нежели уровень нормального давления в системе. Это связано с тем, что для возвращения запорного элемента в герметичное положение требуется усилие значительно большее, нежели то, которого было достаточно для поддержания его в закрытом положении до момента открытия.

Разновидности клапанов предохранительного типа

Существуют разные типы предохранительных клапанов, которые классифицируются по наличию определенных признаков.

По принципу действия выделяют два типа сбросных клапанов:

  • Клапаны прямого действия срабатывают непосредственно под воздействием рабочей среды.
  • Клапаны сбросные обратного действия реагируют на силу постороннего источника давления или открываются под воздействием электричества.

По типу подъема замыкающего органа сбросные предохранительные клапаны подразделяют на:

  • Устройства пропорционального действия, которые чаще используются для несжимаемой среды, хотя конструкция предусматривает возможность применения для сжимаемых сред. Клапаны открываются пропорционально росту давления в системе, с подъемом затвора клапан сбрасывает рабочую среду равномерно.
  • Устройства двухпозиционного действия моментально открываются на полный ход, когда достигается предельное давление клапана. Применяются для сжимаемых сред (пар, воздух, газы).

В зависимости от высоты подъема замыкающего органа:

  • Малоподъемные клапаны, высота подъема в которых составляет около 0,05 диаметра седла, характеризуются минимальной пропускной способностью, поэтому не подходят для мощных промышленных систем. Устройства обычно имеют пропорциональный механизм действия и отличаются простотой конструкции.
  • В полноподъемных клапанах, которые, как правило, функционируют на основании двухпозиционного механизма, высота подъема устройства равняется или превышает диаметр седла. Клапаны имеют высокую пропускную способность и характеризуются более сложной конструкцией, нежели малоподъемные устройства, поэтому их стоимость выше

По типу оказываемой нагрузки на золотник клапаны сбросные подразделяют на:

  • Рычажно-грузовые или грузовые клапаны – устройства, в которых давлению противодействует усилие, создаваемое рычажно-грузовым механизмом. В зависимости от массы груза и длины рычага определяется давление срабатывания и диапазон давлений.
  • В пружинных клапанах внутрисистемному давлению противодействует предохранительный пружинный механизм. Сила сжатия стальной пружины определяет давление, при котором срабатывает пружинный механизм. Диапазоны настройки пружинного клапана зависят от упругости пружины. Невысокая цена, простота и надежность конструкции делают пружинные клапаны оптимальным вариантом для различных инженерных систем и маломощных промышленных установок.

Регулировка предохранительных клапанов

Регулировка предохранительного клапана осуществляется после окончания процесса монтажа. При помощи стальной пружины клапан настраивают таким образом, чтобы усилие золотника прижимало устройство к седлу запорного органа и предотвращало несвоевременный сброс рабочей среды. Настройка предохранительного клапана пружинного осуществляется при помощи специального винта. Конструкция предохранительного клапана устроена таким образом, что затяжка пружины сверх установленной величины, полностью исключена.

Преимущества применения предохранительных клапанов

Сбросные клапаны активно используются для предохранения от возникновения неполадок в системах, работающих под высоким давлением.
Преимущества использования клапанов, обеспечивающих нормализацию давления в системе, очевидны:

  • Невысокая цена устройства при длительном сроке эксплуатации.
  • Простота конструкции и легкость в эксплуатации.
  • Несложность монтажа и выбора рабочих настроек.
  • Разнообразие типов и габаритных размеров позволяет подобрать наиболее подходящий сбросной клапан в зависимости от технических характеристик системы.
  • Возможность использования устройств в агрессивной среде.
  • В зависимости от типа устройства бывают клапаны, которые устанавливаются как в горизонтальном, так и в вертикальном положении.

Предохранительный клапан – относительно недорогой и надежный элемент, который является обязательной частью любой системы, работающей под высоким давлением. Правильный выбор предохранительного устройства, профессиональный монтаж, своевременное обслуживание и устранение неполадок обеспечит бесперебойное функционирование системы на протяжении длительного времени.

Предохранительные клапаны

Предохранительные клапаны обычно устанавливаются в напорную линию параллельно. В случае достижения давления настройки предохранительный клапан открывается и пропуская поток (или часть потока) из напорной линии в сливную.

Принцип работы предохранительного клапана

На рисунке показан предохранительный клапан седельного типа.

Основными элементами предохранительного клапана являются:

  1. корпус;
  2. пружина;
  3. запорно-регулирующий элемент;
  4. седло.

В исходом состоянии усилие Fпр пружины 2 прижимает запорно-регулирующий элемент (конус) 3 к седлу 4. Напорная линия отделена от сливной.

В случае если сила Fг давления потока на запорно-регулирующий элемент превысит силу Fпр, конус сместится вверх, пропуская поток из напорной линии в сливную.

При отсутствии давления в линии слива величина усилия Fг определяется по формуле:

Где А – площадь уплотняемой поверхности.

Регулировка давления настройки предохранительного клапана осуществляется путем изменения предварительного поджатия пружины.

Предохранительные клапаны прямого действия

В клапанах прямого действия на запорно-регулирующий элемент с одной стороны действует усилие пружины, с противоположной – сила давления жидкости.

Пружину в таких клапанах называют силовой, т.к. именно она оказывает силовое воздействие, удерживающее запорно-регулирующий элемент до момента открытия.

Предохранительный клапан седельного типа, рассмотренный ранее, является примером клапана прямого действия. К этому же типу относят клапаны золотникового типа.

В исходном состоянии золотник 3, установленный в корпусе 1, перекрывает каналы в напорной и сливной линиях. При увеличении силы давления до величины превышающей усилие пружины 2, золотник будет перемещаться вверх, открывая канал для прохода потока из напорной линии в сливную.

Характеристика клапана прямого действия

Характеристика предохранительного клапана прямого действия имеет достаточно большой подъем.

Клапаны прямого действия склонны к автоколебаниям. При больших расходах и высоких давлениях размеры пружины должны быть очень большими.

Устройство демпфирования

На работу предохранительного клапана влияют не только статические, но и динамические нагрузки.

Для снижения негативного влияния автоколебаний подпружиненного запорно-регулирующего элемента в предохранительных клапанах прямого действия используют устройства демпфирования.

Наиболее распространенным устройством демпфирования является – демпфирующий поршень, который жестко связан с запорно-регулирующим элементом.

Для демпфирования в поршне может быть выполнен узкий канал или снята лыска, как в примере показанном на рисунке.

Во время движения поршня жидкость движется в малом зазоре. При этом возникает демпфирующее усилие направленное в сторону противоположную движению поршня.

В конструкции большинства современных гидравлических предохранительных клапанов прямого действия присутствует демпфирующий поршень.

Предохранительные клапаны непрямого действия

При увеличении расхода через предохранительный клапан необходимо увеличивать и диаметры подводных каналов и запорно-регулирующего элемента. Вследствие увеличения площади уплотняемой поверхности потребуется и увеличение усилия поджатия пружины, а значит и увеличение самой пружины.

Для обеспечения относительно небольших габаритов клапана при больших значениях расхода используют предохранительные клапаны непрямого действия, состоящие из основного и управляющего клапана.

Клапан управления представляет собой классический предохранительный клапан прямого действия. Этот клапан способен пропустить лишь небольшой расход. Однако при его открытии за счет возникшего перепада давления на постоянном дросселе 6 запорно-регулирующий элемент 5 переместится вверх соединив напорную линию со сливом.

Пружина 4 в этом клапане мягкая, она предназначена для возвращения запорно-регулирующего элемента в исходное состояние.

Настройка клапана осуществляется регулировочным винтом 1, который позволяет изменить предварительное поджатие силовой пружины 2.

Характеристика клапана непрямого действия

Характеристика предохранительного клапана непрямого действия более пологая, клапан этой конструкции имеет меньшие габариты, чем аналогичный клапан прямого действия.

Оцените статью
Добавить комментарий