Погрешность индукционных трехфазных счетчиков

Индукционные приборы

Принцип действия основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуктированными в подвижном алюминиевом диске.

Должно быть не менее двух переменных магнитных потоков, пересекающих диск и сдвинутых в пространстве и по фазе.

Вращающий момент .

Область применения: в качестве однофазных и трехфазных счетчиков электрической энергии.

Счетчики электрической энергии

В счетчике: ; ; .

Вращающий момент: .

Противодействующий (тормозной) момент:

При скорость вращения диска

; ; ;

Число оборотов диска ,

– действительная постоянная счетчика.

Уравнение преобразования:

Энергия, регистрируемая счетчиком: Wизм = CнN

Погрешность счетчика: .

Трехфазный счетчик состоит из двух или трех однофазных механизмов, действующих на общую ось.

Счетчики активной и реактивной энергии отличаются передаточным числом счетного механизма и схемами включения в цепь нагрузки.

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Приведены результаты исследования погрешности индукционных счетчиков электрической энергии, а также электрических потерь в асинхронном двигателе в условиях высокого уровня гармоник в кривых тока и напряжения при использовании частотного преобразователя фирмы « Mitsubishi » ( E 500 FR — E 540-5,5 K — EC ) в качестве источника несинусоидального напряжения. Показано, что погрешность индукционных счетчиков электроэнергии и электрические потери в асинхронном двигателе при несинусоидальных режимах в цепях с ШИМ возрастают на несколько десятков процентов.

Как известно, в системах электроснабжения в связи с увеличением потребителей электроэнергии, работающих в импульсном режиме, а также систем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), частотных преобразователей в системах электроприводов с асинхронными двигателями, нелинейных нагрузок, тиристорных преобразователей и т.п. возникает высокий уровень высших гармоник.

В связи с этим вопрос измерения электрической энергии в этих условиях остается актуальным, несмотря на то, что вопросам измерения электрической энергии, как при синусоидальных режимах, так и в условиях несинусоидальности электромагнитных процессов, посвящено значительное количество работ, например [1…6].

Для измерения электрической энергии в системах электроснабжения в настоящее время применяются как индукционные, так и электронные счетчики электроэнергии. Причем последние чаще всего строятся на основе аналогово-цифровых преобразователей с использованием микропроцессорных вычислителей, т. е. в процессе вычисления электроэнергии применяется дискретизация измерений по времени и квантование входных сигналов, пропорциональных текущим значениям тока и напряжения на нагрузке, что неизбежно порождает погрешность вычисления энергии.

В данной работе представлены результаты исследования погрешности индукционных счетчиков электрической энергии, а также потерь мощности в асинхронном двигателе в условиях высокого уровня гармоник в кривых тока и напряжения. При этом был использован специальный электронный счетчик электрической энергии, позволяющий получить достоверную информацию в условиях несинусоидальности, вызванной ШИМ.

В качестве такого электронного счетчика использован специально разработанный для этих целей электронный счетчик, обеспечивающий с достаточно высокой точностью вычисление текущего значения электроэнергии по сравнению с индукционным счетчиком, в соответствии с выражением:

, (1)

где — мгновенное значение напряжения на нагрузке;

— мгновенное значение тока нагрузки;

— текущее время измерения.

В структурной схеме такого счетчика в качестве перемножителя мгновенных значений и используется импульсное перемножающее устройство, импульсный интегратор и цифровой счетчик импульсов, что позволяет обеспечить суммарную погрешность измерения текущего значения электроэнергии порядка нескольких десятых долей процента (0,1¸0,2%) в условиях высокого уровня высших гармоник на частотах кратных 50 Гц, вплоть до частот в несколько десятков килогерц, и использовать его как образцовое средство измерения электрической энергии.

В данной работе не ставится цель описания полной структурной и принципиальной электрической схем такого счетчика (заинтересованным организациям и учреждениям такая информация может быть предоставлена). Одна из задач состоит в определении возможного уровня погрешности индукционного счетчика в несинусоидальных режимах с высоким уровнем искажения кривых тока и напряжения на нагрузке.

Исследования проводились с использованием частотного преобразователя (ЧП) Mitsubishi E 500 FR — E 540-5,5 K — EC с номинальной мощностью 5,5 кВт. В качестве нагрузки использовались нагревательные элементы и асинхронный двигатель. Структурная схема установки с нагревательными элементами и временные диаграммы токов и напряжений представлены на рис. 1 и рис. 2.

Рис. 1. Структурная схема установки: Wh 1, Wh 3 — индукционные счетчики электроэнергии СО 505; Wh 2, Wh 4 – электронные счетчики электроэнергии; ТТ – трансформатор тока; ДН – датчик напряжения; ЧП — частотный преобразователь; R н — сопротивление нагрузки.

Перед проведением эксперимента в условиях несинусоидальности предварительно была осуществлена проверка на идентификацию показаний электронных и индукционных счетчиков при работе на одну и ту же нагрузку в режиме близком к синусоидальному. Схема включения приборов представлена на рис. 3. Временная диаграмма кривой напряжения на нагрузке приведена на рис. 2а.

а)

б)

в)

Рис. 2. Временные диаграммы фазных напряжений (а и в) и фазных токов (б и в)

на входе и выходе ЧП для случая линейной активной нагрузки

Рис. 3. Схема проверки индукционных и электронных счетчиков на

идентификацию показаний при режиме близком к синусоидальному

При проведении эксперимента использован следующий режим работы частотного преобразователя:

— частота основной гармоники напряжения на выходе ЧП f = 50 Гц;

— частота ШИМ напряжения на выходе ЧП – 1 кГц;

— сопротивление нагрузки частотного преобразователя R _H = 38 Ом (режим близкий к номинальному)

Было проведено несколько опытов с достаточно точным измерением времени работы счетчиков электроэнергии и регистрацией их показаний.

По показаниям электронных счетчиков электроэнергии определено среднее значение коэффициента полезного действия частотного преобразователя при указанной нагрузке:

где — среднее значение мощности на выходе ЧП;

— среднее значение потребляемой ЧП мощности;

(Среднеквадратическое отклонение показаний от среднего значения составляло 0,05%)

В результате проведенных измерений по схеме рис. 1 были установлены относительные значения разностей показаний электронных и индукционных счетчиков электроэнергии в процентах по входу и выходу ЧП, которые с учетом статистической обработки составили следующие значения:

, .

Из полученных результатов следует, что при одних и тех же значениях нагрузки в условиях несинусоидальных режимов в цепях с ШИМ, основная погрешность индукционных счетчиков электроэнергии в несколько десятков раз превышает их основную погрешность при синусоидальном режиме.

Приведенные результаты исследования получены, как уже упоминалось, для линейной активной нагрузки. В связи с тем, что ЧП используются в основном для питания асинхронных двигателей (АД) с целью регулирования оборотов, был проведен эксперимент по определению потерь мощности в АД при питании его от ЧП Mitsubishi E 500 FR — E 540-5,5 K — EC . Для экспериментальных исследований был использован асинхронный двигатель АИР100 L 2 Y 3 (ном. мощность 5.5 кВт, 3000 об/мин). В качестве нагрузки АД применен нагруженный на нагреватель генератор постоянного тока со смешанным возбуждением. Предварительно проводилось измерение мощности потребляемой АД и нагрузкой при синусоидальном режиме. После обработки экспериментальных данных было установлено, что при питании АД от ЧП при прочих равных условиях потери мощности в АД возрастают на 30% по сравнению с синусоидальным режимом. Это приводит к изменению теплового режима работы АД и необходимости снижения его нагрузки. Причины возрастания потерь в АД при несинусоидальных режимах известны и в данной работе не обсуждаются. Главная цель состояла в установлении уровня этих потерь.

1. Впервые экспериментально установлен уровень основной погрешности (десятки процентов) индукционных счетчиков электрической энергии в условиях несинусоидальности, создаваемой ШИМ.

2. Потери в регулируемых асинхронных двигателях, питание которых осуществляется от ЧП, также возрастает по сравнению со стандартным режимом питания на несколько десятков процентов, что приводит к перегреву АД и необходимости снижения мощности нагрузки.

1. Касаткин А. С. Электротехника: учебное пособие для вузов / А. С. Касаткин, М. В. Немцов. – 5е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1999. – 364 с.

2. Зыкин Ф. А Измерение и учет электроэнергии / Ф. А. Зыкин, В. С. Каханович. – М.: Энергоиздат, 1982. – 105 с.

3. Гореликов Н. И. Методы и средства цифровых измерений мощности: (обзор, классификация) / Н. И. Гореликов, О. И. Чайковский // Приборы и системы управления. – 1973. — №3. — С. 10 – 13.

4. Скрябинский В. С. Особенности учета электрической энергии / В. С. Скрябинский // Повышение качества электрической энергии в распределительных сетях / Ин-т энергетики АН УССР. — Киев, 1974. — С. 198 – 199.

5. Голобородько Е. И. Аналого-цифровой метод вычисления интеграла от произведения двух аналоговых величин / Е. И. Голобородько, А. И. Дивеев, Ф. А. Зыкин, Т. С. Плотникова // Изв. вузов. Приборостроение. – 1977. — №3. — С. 62 – 68.

6. Черемисин В. Т. Совершенствование методов расчета режимов приема и потребления электрической энергии в условиях несимметрии и несинусоидальности электротяговой нагрузки переменного тока: Дис. д-ра техн. наук / В. Т. Черемисин; ОмГАПС. – Омск: Изд-во ОмГАПС, 1996. – 250 c .

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

• Справочник электрика
  • Бытовые электроприборы
  • Библиотека электрика
  • Инструмент электрика
  • Квалификационные характеристики
  • Книги электрика
  • Полезные советы электрику
  • Электричество для чайников
• Справочник электромонтажника
  • КИП и А
  • Полезная информация
  • Полезные советы
  • Пусконаладочные работы
• Основы электротехники
  • Провода и кабели
  • Программа профессионального обучения
  • Ремонт в доме
  • Экономия электроэнергии
  • Учёт электроэнергии
  • Электрика на производстве
• Ремонт электрооборудования
  • Трансформаторы и электрические машины
  • Уроки электротехники
  • Электрические аппараты
  • Эксплуатация электрооборудования
• Электромонтажные работы
  • Электрические схемы
  • Электрические измерения
  • Электрическое освещение
  • Электробезопасность
  • Электроснабжение
  • Электротехнические материалы
  • Электротехнические устройства
  • Электротехнологические установки

Классификация и технические характеристики индукционных счетчиков

Различают однофазовые и трехфазные счетчики. Однофазовые счетчики используются для учета электроэнергии у потребителей, питание которых осуществляется однофазовым током (в главном, бытовых). Для учета электроэнергии трехфазного тока используются трех фазные счетчики.

Трехфазные счетчики можно систематизировать последующим образом.

По роду измеряемой энергии — на счетчики активной и реактивной энергии.

Зависимо от схемы электроснабжения, для которой они предусмотрены ,—
на трехпроводные счетчики, работающие в сети без нулевого провода, и
четырехпроводные, работающие в сети с нулевым проводом.

По методу включения счетчики можно поделить на
3 группы

— Счетчики конкретного включения (прямого включения) , врубаются в сеть без измерительных трансформаторов. Такие счетчики выпускаются для сетей 0,4/0,23 кВ на токи до 100 А.

— Счетчики полукосвенного включения , своими токовыми обмотками врубаются через трансформаторы тока. Обмотки напряжения врубаются конкретно в сеть. Область внедрения
— сети до 1 кВ.

— С четчики косвенного включения , врубаются в сеть через трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Область внедрения
— сети выше 1 кВ.

Счетчики косвенного включения изготовляются 2-ух типов.
Трансформаторные счетчики — созданы для включения через измерительные трансформаторы, имеющие определенные наперед данные коэффициенты трансформации. Эти счетчики имеют десятичный пересчетный коэффициент (10п).
Трансформаторные универсальные счетчики — созданы для включения через
измерительные трансформаторы, имеющие любые коэффициенты
трансформации. Для универсальных счетчиков пересчетный коэффициент определяется по коэффициентам
трансформации установленных измерительных трансформаторов.

Зависимо от предназначения счетчику присваивается условное обозначение. В
обозначениях счетчиков буковкы и числа означают: С — счетчик; О — однофазовый; Л
— активной энергии; Р — реактивной энергии; У — универсальный; 3 либо 4 для трех- либо
четырехпрводной сети.

Пример обозначения: СА4У — Трехфазный трансформаторный универсальный четырехпроводиый счетчик активной энергии.

Если па табличке счетчика поставлена буковка М, это
означает, что счетчик предназначен для работы и при отрицательных температурах (-15°
— +25°С).

Электросчетчики специального предназначения

Счетчики активной и реактивной энергии, снабженные дополнительными устройствами, относятся к счетчикам специального предназначения. Перечислим некие из их.

Двухтарифные и многоторифные счетчики — используются для учета электроэнергии, тариф на которую меняется зависимо от времени суток.

Счетчики с подготовительной оплатой — используются для учета электроэнергии бытовых потребителей, живущих в отдаленных и недоступных населенных пт.

Счетчики с указателем наибольшей нагрузки — используются для расчетов с потребителями по двухставочному тарифу (за израсходованную электроэнергию и критическую нагрузку).

Телеизмерительные счетчики — служат для учета электроэнергии и дистанционной передачи показаний.

К счетчикам специального предназначения относятся и примерные счетчики , созданные для поверки счетчиков общего предназначения.

Технические свойства электросчетчиков

Техно черта счетчика определяется последующими основными параметрами.

Номинальное напряжение и номинальный ток счетчиков — у трехфазных счетчиков указываются в виде произведения числа фаз на номинальные значения тока и напряжения, у четырехпроводных
счетчиков указываются линейные и фазные напряжения. Например- 3/5 А; 3X380/220 В.

У трансформаторных счетчиков заместо номинальных тока и напряжения указываются номинальные коэффициенты трансформации измерительных трансформаторов, для работы с которыми счетчик предназначен, к примеру: 3X150/5 А. 3X6000/100 В.

На счетчиках, именуемых перегрузочными, указывается значение наибольшего тока конкретно после номинального, к примеру 5
— 20 А.

Номинальное напряжение счетчиков прямого и полукосвенного включения должно соответствовать номинальному
напряжению сети, а счетчиков косвенного включения — вторичному номинальному напряжению трансформаторов напряжения.
Точно так же номинальный ток счетчика косвенного либо полукосвенного включения должен соответствовать вторичному номинальному току трансформатора тока (5 либо 1
А).

Счетчики допускают долгосрочную перегрузку по току без нарушения корректности учета: трансформаторные
и трансформаторные универсальные — 120%; счетчики прямого включения — 200% и поболее (зависимо от типа)

Класс точности счетчика — это его большая допустимая относительная погрешность, выраженная в процентах.
Счетчики активной энергии должны изготавливаться классов точности 0,5; 1,0; 2,0; 2,5; счетчики реактивной энергии
— классов точности 1,5; 2,0; 3,0.
Трансформаторные и трансформаторные универсальные счетчики учета активной и реактивной энергии должны быть класса точности 2,0 и поболее четкие.

Класс точности устанавливается для критерий работы, именуемых нормальными. К ним относятся: прямое чередование фаз; равномерность и симметричность нагрузок по фазам; синусоидальность тока и напряжения (коэффициент линейных искажений менее 5%); номинальная частота (50 Гц±0,5%); номинальное напряжение (±1%); номинальная нагрузка; cos
фи = l (для счетчиков активной энергии) и sin фи = 1 (для счетчиков реактивной энергии); температура окружающего воздуха 20°+3°С (для счетчиков внутренней установки); отсутствие наружных магнитных полей (индукция менее 0,5 мТл); вертикальное положение счетчика.

Передаточное число индукционного счетчика — это число оборотов его диска, соответственное единице измеряемой энергии.

К примеру, 1 кВт-ч равен 450 оборотам диска. Передаточное число указывается на табличке счетчика.

Неизменная индукционного счетчика — это значение энергии, которое он
определяет за 1 оборот диска.

Чувствительность индукционного счетчика — определяется минимальным значением тока (в процентах к номинальному) при номинальном напряжении и cos
фи = l (sin фи = 1),
который вызывает вращение диска без остановки. При всем этом допускается одновременное перемещение менее 2-ух роликов счетного механизма.

Порог чувствительности не должен превосходить: 0,4% — для счетчиков класса точности 0,5; 0,5%—для счетчиков классов точности 1,0; 1,5;
2 и 1,0% — для счетчиков класса точности 2,5 и 3,0

Емкость счетного механизма — определяется числом часов работы счетчика при номинальных напряжении и токе, по истечении которых счетчик дает начальные
показания.

Собственное потребление мощности (активной и полной) обмотками счетчиков — ограничено эталоном. Так, для трансформаторных и трансформаторных универсальных счетчиков потребляемая мощность в каждой токовой цепи при номинальном токе не должна превосходить 2,5 В-А для всех классов точности, не считая 0,5. Мощность, потребляемая одной обмоткой напряжения счетчиков до 250 В: для классов точности 0,5; 1;1,5 — активная
3 Вт, полная 12 В-А, для классов точности 2,0; 2,5; 3,0 —
соответственно 2 Вт и 8 В-А.

Способ регулировки индукционных электросчетчиков

Использование: в электроизмерительной технике при регулировке электрических индукционных счетчиков. Сущность изобретения: способ регулировки индукционных счетчиков включает последовательную регулировку внутреннего угла счетчика, компенсационного момемта, тормозного момента и регулировку для устранения самохода счетчика, определение относительной погрешности при различных токах нагрузки и определение по полученным данным значения тока нагрузки по формуле, приведенной в описании. 1 табл.

Изобретение относится к электрическим измерениям, а именно к электрическим индукционным счетчикам. Индукционные электрические счетчики, несмотря на простоту их устройства, производят сложные математические операции перемножения cмещенных по фазе синусоидальных сигналов и интегрирование получающихся произведений. При этом обе указанные операции выполняются диском счетчика, угол поворота которого определяется интегралом от произведения наведенных в диске токов и взаимодействующих с ними магнитных полей. Наличие в индукционных счетчиках многофункционального элемента вращающегося диска определяют сложность регулировки такого счетчика.

Известно техническое решение [1] обеспечивающее удобство регулировки тормозного момента счетчика благодаря возможности перемещения тормозного момента с помощью винтовой передачи. Однако этот способ не решает задачи комплексной регулировки счетчиков с целью обеспечения правильных показаний при различных значениях нагрузки.

Известен способ регулировки антисамоходного момента индукционных электросчетчиков [2] Способ заключается в том, что определяют скорость вращения диска при работе последнего при нагрузки 5-20% от номинальной. Эта скорость сравнивается с расчетной, и по результату сравнения производится перемещение регулирующего устройства. Этот способ обладает тем же недостатком, что и описанный выше.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ регулировки индукционных счетчиков [3] заключающийся в последовательно производимых регулировках внутреннего угла счетчика, компенсационного момента при малом токе нагрузки и тормозящего момента при большом токе нагрузки. Каждую из этих регулировок производят так, чтобы обеспечить расчетное значение скорости вращения диска счетчика для данной нагрузки. После выполнения этих операций производится регулировка при нулевом токе нагрузки с целью устранения самохода счетчика.

Недостатком этого способа регулировки является низкий процент выхода счетчиков с малыми значениями погрешностей, т.е. счетчиков высокого класса точности.

Целью изобретения является повышение качества регулировки, выражающееся в повышении процента выхода высокоточных счетчиков.

Для достижения цели предлагается способ регулировки индукционных счетчиков электроэнергии, заключающийся в том, что последовательно производят регулировку внутреннего угла счетчика, регулировку компенсационного момента, регулировку тормозного момента при номинальном токе нагрузки и регулировку для устранения самохода счетчика, отличающийся тем, что после указанных действий определяют погрешности счетчика при значении тока нагрузки I₁, равном 0,3-0,6 от номинального значения тока нагрузки, и при значении тока нагрузки I₂, равном 1,5-3 от номинального значения тока нагрузки, и если погрешности счетчика при этих значениях тока нагрузки не превышают допустимые значения, соответствующие классу точности счетчика, то завершают регулировку, а если хотя бы одна из указанных погрешностей превышает допустимое значение, проводят дополнительную регулировку тормозного момента при токе нагрузки I_рег I_ном1 + [(_1max—₁)- -(_2max—₂)] (1) где 6-12 коэффициент, определяемый экспериментально и зависящий от типа счетчика; ₁ относительная погрешность при значении тока нагрузки, равном I₁; _1max максимально допустимая относительная погрешность при значении тока нагрузки, равном I₁; ₂ относительная погрешность при значении тока нагрузки, равном I₂; _2max максимально допустимая относительная погрешность при значении тока нагрузки, равном I₂.

Сущность изобретения заключается в проведении дополнительной регулировки скорости вращения диска счетчика (или числа оборотов за заданное время) при значении тока нагрузки, выбранном на основании измерения погрешности счетчика при значениях нагрузки, отличающихся от значений нагрузки, при которых проводилась предварительная регулировка скорости вращения диска. Выбор величины этого тока рассчитывают по приведенной выше формуле (1), полученной в результате обработки экспериментальных данных. Содержание этой формулы сводится к следующему. Кривая погрешностей счетчиков имеет форму, представленную на рис. 3-90 [4] Поэтому, если регулировкой установить расчетную скорость вращения диска счетчика при номинальном или близком к нему значении тока нагрузки, то при меньшей нагрузке погрешность будет отрицательной, а при большей положительной. Формула (1) учитывает то, что при смещении тока нагрузки, при котором производится регулировка тормозного момента в сторону меньших значений, точность в этой области повышается, а в области токов нагрузки, больших номинального, ухудшается. Обратное происходит при смещении значения тока нагрузки, при котором производится регулировка, в сторону значений, больших номинального.

Выбор значений тока нагрузки по формуле (1), при котором производится регулировка, позволяет уменьшить наибольшую из погрешностей на участке значений тока нагрузки, меньших номинального, и на участке значений тока нагрузки, больших номинального. При этом обеспечивается то, что погрешность на другом участке не превысит допустимое значение.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Выполняют регулировку внутреннего угла счетчика, для чего с помощью внешнего резистора и амперметра устанавливают номинальное значение тока нагрузки. С помощью фазовращателя устанавливают угол сдвига фаз напряжений, подаваемых на входы счетчика, равным 90. Далее регулирующий орган внутреннего угла счетчика устанавливают так, чтобы диск счетчика был неподвижен. Затем перемещением тормозного магнита добиваются расчетной частоты вращения диска при номинальном токе нагрузки и нулевом сдвиге фаз в обмотках тока и напряжения. Затем при токе нагрузки, равном 5-15% от номинального, проводят регулировку компенсационного момента, добиваясь соответствующей этому току нагрузки расчетной скорости вращения диска.

Указанные регулировки ввиду взаимовлияния повторяют 2-3 раза, пока положение регулирующих органов не будет существенно меняться при повторении регулировок. После этого производят измерение времени, за которое диск счетчика совершает N оборотов при значениях тока нагрузки 0,3-0,6 от номинального и при значениях тока нагрузки в 1,5-3 больших, чем номинальный ток нагрузки, и определяют соответствующие относительные погрешности по формуле (2), где t_N расчетное время N оборотов диска; t показание секундомера за N оборотов диска, t_N (3) где А передаточное число счетчика в оборотах диска на 1 кВт ч; I ток нагрузки.

После определения по формуле (2) соответствующих относительных погрешностей ₁ и ₂ их сравнивают с максимально допустимыми для них значениями _1max и _2max, Если ₁ Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в каскадах модуляции в схемах обработки сигналов

Способ регулировки индукционных электросчетчиков