§ 6 Как устроен электрический индукционный счетчик (для электриков).


Для начала приведу выдержку из стандартной заводской инструкции по устройству индукционного счетчика. Сразу предупрежу, что если вы не учились на электротехническом факультете университета, то следующий текст будет для Вас тяжеловат. Даже мне, как человеку очень тщательно изучавшему теоретические основы электротехники, пришлось 3-4 раза перечитать этот фрагмент чтобы понять, что автор имел ввиду. Вроде и написано по-русски, и с электротехнической точки зрения вроде ошибок нет, но мудрено так, что просто сил нет. Писал глубоко заумный профессор-теоретик или кандидат. Не для людей. Поэтому большинству не столь искушенному можно сразу прочитать постскриптум, в котором я все это постарался изложить гражданским языком.

Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый период времени, необходимо интегрировать во времени мгновенные значения активной мощности. Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени. На этом принципе работает любой счётчик электрической энергии. На рисунке ниже показана блок-схема электромеханического счётчика.

Блок-схема индукционного счетчика

Итак, выдержка из заводской инструкции:

Принцип действия индукционного счетчика

Счетчик электроэнергии является электроизмерительным прибором для измерения количества электроэнергии.
Принцип действия индукционных приборов основан на механическом взаимодействии переменных магнитных потоков с токами индуктированными в подвижной части прибора. В счетчике один из потоков создается электромагнитом, обмотка которого включена на напряжение сети (в которой измеряется электроэнергия). Этот поток пересекает подвижный алюминиевый диск и индуктирует в нем вихревые токи, замыкающиеся вокруг следа полюса электромагнита напряжения. Второй поток создается электромагнитом, обмотка которого включена последовательно в цепь тока. Этот поток наводит в диске также вихревые токи, замыкающиеся вокруг следа полюса своего электромагнита. Взаимодействие потока электромагнита напряжения с наведенными токами в диске потоком токового электромагнита с наведенными токами в том же диске потоком электромагнита напряжения, с другой стороны, вызывают электромагнитные силы, направленные по хорде диска и создающие вращающий момент. Такие счетчики называются двухпоточными.
Современные счетчики выполняются трехпоточными, в которых удвоенный вращающий момент создается за счет того, что магнитный поток цепи тока дважды пересекает алюминиевый диск.

Схематическое устройство однофазного индукционного трехпоточного счетчика с тангенциальной магнитной системой изображено на рис.1.

Схематическое устройство индукционнолго счетчика

Рис. 1 Схематическое устройство индукционного счетчика.

Магнитная система цепи напряжения Su Ш-образной формы расположена по хорде диска (отсюда название в отличие от радиальной системы, когда магнитная система цепи напряжения U-образной формы расположена по радиусу диска) и имеет ответвления Ш - шунтирующие магнитный поток и противополюс Р, магнитосвязанный с боковыми стержнями сердечника. Под магнитной системой цепи напряжения расположена U- образная магнитная система токовой цепи Si.
В зазоре между этими системами располагается алюминиевый подвижной диск
Д. На среднем стержне Ш - образного сердечника расположена многовитковая катушка из тонкого провода, включаемая на напряжение сети U. Ток Iu, проходящий по этой обмотке, создает общий магнитный поток Фобщ цепи напряжения, небольшая часть которого Фu, называемая рабочим потоком, пересекает диск и через противополюс Р замыкается на боковые стержни Ш-образного сердечника. Большая часть потока Фобщ, не пересекая диска, замыкается через магнитные шунты Ш, разветвляясь на две части ½ Фш. Этот нерабочий поток Фш, как будет показано ниже, необходим для создания необходимого сдвига между потоками Фu и Фi (внутреннего угла счетчика).
На нижней магнитной системе
Si располагается маловитковая катушка из толстого провода, включаемая последовательно в цепь тока нагрузки I. Магнитный поток Фiдважды пересекает алюминиевый диск и замыкается по магнитному шунту Ш верхнего сердечника и частично через его боковые стержни. Незначительная нерабочая часть потока Фi замыкается, не пересекая диск, через противополюс Р. Эти составляющие потока Фi на рисунке не показаны. Упрощенная векторная диаграмма измерительного элемента счетчика приведена на Рис.2 для общего случая, когда ток нагрузки отстает от напряжения U на угол j.

Векторная диаграмма

Рис. 2 Векторная диаграмма индукционного счетчика.

 Магнитный поток Фi, проходя по магнитопроводу, создает в нем потери на гистерезис и вихревые токи, вследствие чего вектор потока Фiотстает от создавшего его тока I на угол α1. Обычно этот угол невелик (около 10°) и используется при регулировке счетчика по внутреннему углу.
Катушка напряжения имеет большую индуктивную составляющую, вследствие чего ток Iu отстает от приложенного к ней напряжения U на угол 70°. Поток Фобщ отстает от породившего его тока Iu на угол
α2вследствие потерь на гистерезис и вихревые токи в сердечнике, причем составляющая этого потока Фu, пересекающая диск, отстает на больший угол вследствие дополнительных потерь на вихревые токи в алюминиевом диске. Угол сдвига фаз Y между потоками Фiи Фu для правильной работы счетчика должен равняться 90°, как это будет показано ниже.
На Рис. 3 изображен алюминиевый диск со следами полюсов магнитного потока Фuи потоков i и i. Крестиками обозначены для одного и того же момента времени потоки, направленные от наблюдателя, точкой - к наблюдателю.

Рис. 3 Токи в диске счетчика.

Поток Фu наведет в диске з.д.с. вихревые токи, эквивалентные току Iu`,замыкающемуся в диске вокруг следа полюса, поток Фi, пересекая диск дважды, наведет эквивалентные токи -Ii`, замыкающиеся вокруг следов «своих»полюсов.
Так как наведенные в диске э.д.с. отстают от своих магнитных потоков на 90°, то, если полагать сопротивление диска чисто активным, вызванные ими токи в диске будут совпадать по фазе с э.д.с. и, следовательно, отставать от породившего их потока тоже на угол 90°. Направление наведенных токов определяется по правилу буравчика. Наведенные потоком Фi токи, проходя в области следа полюса Фu в одном направлении, складываются. Наведенный ток Iu` проходит в области следов полюсов i и i и также дважды взаимодействует с потоком Фi, что приводит к увеличению электромагнитной силы взаимодействия, и в этом преимущество трехпоточных магнитных систем перед двухпоточными.

P.S. Итак, что же все вышесказанное означает? Приведем цитату из другого источника, она точно будет иллюстрировать первый вывод:

Индукционный приборэлектроизмерительный, устройство для измерений электрических величин в цепях переменного тока. В отличие от электроизмерительных приборов других систем, И. п. можно применять в цепях переменного тока одной определённой частоты; незначительные её изменения приводят к большим погрешностям показаний. В СССР индукционные амперметры, вольтметры распространения не получили; ваттметры с начала 50-х гг. 20 в. также не выпускаются. Современные И. п. изготовляют лишь как счётчики электрической энергии для однофазных и трёхфазных цепей переменного тока промышленной частоты (50 гц). По принципу действия И. п. аналогичен асинхронному электродвигателю : ток нагрузки, проходя по рабочей цепи прибора, создаёт бегущее или вращающееся магнитное поле, которое индуктирует ток в подвижной части и вызывает её вращение. По количеству переменных магнитных потоков, индуцирующих ток в подвижной части прибора, различают однопоточные и многопоточные И. п.

  Конструктивно И. п. состоит из магнитной системы, подвижной части и постоянного магнита. Магнитная система содержит 2 электромагнита с сердечниками сложной формы, на которых размещают обмотки с параллельным и последовательным включением в цепь нагрузки; подвижная часть — тонкий алюминиевый или латунный диск, помещаемый в поле магнитной системы; постоянный магнит создаёт тормозной момент . И. п. нечувствительны к влиянию внешних магнитных полей и обладают значительной перегрузочной способностью. 

  Лит.: Алукер Ш. М., Электроизмерительные приборы, 2 изд., М., 1966; Попов В. С., Электротехнические измерения и приборы, 7 изд., М.—Л., 1963.

1. То есть по своей сути индукционный счетчик - это банальный асинхронный двигатель и как всякий двигатель он может крутиться как в одну сторону, так и в другую. Для этого достаточно изменить направление тока в любой из его обмоток.

2.И еще хотелось бы акцентировать момент на одной фразе из заводской инструкции "Угол сдвига фаз Y между потоками Фiи Фu для правильной работы счетчика должен равняться 90°, "
Это означает, что для того, чтобы счетчик учитывал только активную энергию, магнитные потоки, создаваемые катушкой напряжения и катушкой тока должны быть сдвинуты по фазе на 90 градусов. Для этого в счетчиках применяют специальные шунты, которые регулируют этот угол. О них будет рассказано позже. Если шунты настроены неправильно, то счетчик будет кроме активной учитывать и реактивную энергию, или просто неточно учитывать энергию.