9. Вимірювання енергії

Вирази для електричної енергії, що є інтегралом від потужності по часу, отримують інтегруванням виразів для потужності. Тому лічильник електричної енергії складається з вимірювального перетворювача потужності та інтегратора, яким є механічний або електричний лічильник.

Для вимірювань та обліку енергії постійного струму застосовують електродинамічні та феродинамічні лічильники електричної енергії. Вони будуються на базі вимірювачів активної потужності з подальшим інтегруванням їх вихідного сигналу за виразом . В її окремих випадках, коли основним показником технологічного процесу є кількість спожитих ампер-годин або вольт-годин (в гальванічних ваннах під час зарядження акумуляторів і т.д.) застосовують лічильники ампер-годин або вольт-годин.

В колах змінного струму промислової частоти вимірювання та облік електричної енергії здійснюється головним чином за допомогою індукційних лічильників електричної енергії.

Прилад складається з магнітопроводів 4, на який намотана катушка (число витків w1) і 7 з катушкою напруги з більшою кількістю витків w2, алюмінієвого диска 5, постійного магніта 8 для створення протидіючого моменту, протиполюсної пластинки 9 для направлення основної частини потоку Ф2 через алюмінієвий диск (робоча частина потоку). До клем Г подають живлення від мережі , до клем Н – провідники що ведуть до навантаження.Початок катушки напруги підключається до початку струмової катушки через допоміжну клему 2 і перемичку 1. В середині лічильника знаходиться перемичка 13.

При включенні лічильника до мережі і при ввімкненні навантаження по струмовій катушці починає проходити струм навантаження І1, що створює намагнічуючу силу І1w1 і магнітний потік Ф1, який зверху і знизу пронизує диск, наводячи в ньому ЕРС і вихровий струм Ів1, такий що створений ним потік Фв намагається зменшити Ф1. (напрямок струму за правилом правої руки). При проходженні струму І2 по катушці напруги в ній створюється магнітний потік Ф2, частина якого Ф_L розсіюється через бокові відводи, а інша частина – робочий потік Фр пронизує диск знизу вверх. В результатів взаємодії Фр і Ів1 на диск діє сила F1, що створює відносного нього перший обертальний момент. Змінний потік Фр індукує в диску струм Ів2, що попадає в поле дії потоку Ф1, в результаті взаємодії на диск діє сила F2, що створює другий обертальний момент.

Результуючий обертальний момент пропорційний добутку двох потоків, що пронизують диск і синусу кута зсуву між ними. . Оскільки в лічильнику на шляху магнітних потоків Фi і Фu є великі повітряні зазори можна вважати, що залежність між потоками і струмами I_I, I_U лінійна, тобто

Ф₁ = К₁I_H; Ф₂ = К₂I_U = K_U¹U.

В індукційних лічильниках для отримання обертального моменту пропорційного активній потужності конструктивними методами добиваються виконання умови: y = p/2 - j, де j - кут зсуву фаз між струмом і напругою на навантаженні.

Цей момент викликає обертання диска в полі постійного магніта, в диску виникають вихрові струми і створюється гальмівний (протидіючий момент) пропорційний швидкості обертання диска , - кількість обертів диска за одиницю часу. При включенні навантаження швидкість обертання диска збільшується доки . Звідси , домноживши обидві частини на час t отримаємо , де - число оборотів диска за час t, с – постійна лічильника (кількість енергії за один оберт).

Для виконання операції інтегрування по часу, в індукційних лічильниках використовуються рахункові механізми.

Індукційний лічильник електричної енергії.

Схема вмикання однофазного лічильника в низьковольтну мережу зі струмом меншим номінального аналогічна до схеми вмикання ватметра. При вимірюванні енергії порівняно потужних споживачів, лічильник вмикається через вимірювальні трансформатори струму, а при високих напругах - через вимірювальні трансформатори струму і вимірювальні трансформатори напруги (див. рис). Покази лічильника множать на коефіцієнти трансформації k_HI i k_HU.

Основним недоліком індукційних лічильників є їх порівняно невисокий клас точності (не більше 1,0) та вузький частотний діапазон (45-62 Гц). Наявність вищих гармонік сигналу погіршує їх роботу.

Для обліку активної електроенергії в трифазних колах застосовують спеціальні дво- і триелементні лічильники енергії.

Вищу точність вимірювань забезпечують електронні лічильники. Структурна схема такого лічильника наведена на рис.

Структурна схема електронного лічильника електричної енергії

Лічильник виконується на базі первинного перетворювача потужності ППН в напругу Up=kpP. А оскільки одним з найзручніших варіантів інтегрування напруги є її проміжне перетворення в частоту, в схемі передбачений перетворювач напруги в частоту ПНЧ і подальше інтегрування частоти f_P (підрахунок імпульсів) за допомогою інтегрувального пристрою ІП. Вихідний код N і буде пропорційний спожитій енергії за відповідний проміжок часу. Здебільшого як інтегрувальний пристрій використовують мікропроцесор.

Похибка таких лічильників для обліку енергії промислової частоти при коефіцієнті потужності в межах 1,0...0,5 становить ±0,1... 1,0%.