Принцип дії індукційного лічильника

Індукційні лічильники підрозділяються на дві групи: однофазні лічильники й трифазні лічильники. Конструкції їх найрізноманітніші, однак принцип дії й основи теорії є загальними не тільки для лічильників, але для всіх взагалі індукційних вимірювальних приладів.

Індукційний лічильник, власне кажучи, являє собою мініатюрний асинхронний двигун змінного струму, завдання якого складається в обертанні рахункового механізму, що дозволяє відрахувати витрата електричної енергії за певний проміжок часу. Рушійний механізм лічильника складається з декількох нерухомих котушок, зв’язаних між собою магніто-проводами з феромагнітного матеріалу, які створюють обертаюче поле, що індукує струми в рухливій частині (алюмінієвому диску) лічильника й викликає його круговий рух.

На мал. 1 наведене схематичний пристрій однієї із конструкцій однофазного лічильника. Як видно з малюнка, основними частинами лічильника є:

а) електромагнітний елемент, побудований із двох самостійних магнітів М_и й M_i, які складаються із тонкої листової сталі;

б) диск Д с віссю, що внизу опирається на нижній підп’ятник Д_О, а вгорі входить у підшипник З;

в) гальмівний постійний магніт М.

Крім перерахованих частин, невід’ємною частиною лічильника є лічильний механізм із черв’ячною передачею, що на малюнку не показаний.

На електромагніт М_и, схожий за формою на перевернуту букву «Б», поміщена обмотка з великою кількістю (порядку 10 000) витків тонкого ізольованого мідного дроту.

 

 

 

Рис.1 Схематичний пристрій індукційного лічильника

 

 

Ця обмотка вмикається в ланцюг напруги U і називається паралельною обмоткою. Вона має великий індуктивний опір, внаслідок чого протікаючий через неї струм складає декілька міліампер. Паралельна обмотка призначена для створення магнітного потоку Ф, що, як буде сказано нижче, необхідний для створення обертаючого моменту диска й для регулювання його ходу. На електромагніт M_і, схожий за формою на перевернуту букву «П», розміщена послідовна обмотка, що складається з невеликого числа витків товстого мідного дроту, через яку проходить весь струм навантаження І. Послідовна обмотка призначається для створення магнітного потоку Ф_і, який також необхідний для створення обертаючого моменту диску.

Протікаючий по паралельній обмотці струм створює змінний магнітний потік Ф, що розділяється на дві частини Ф_u і Ф_N. Потік Ф_u проходить через диск лічильника і є робочим потоком, а потік Ф_N, проходить через магнітний шунт, і називається потоком розсіювання й служить тільки для регулювання правильності роботи лічильника.

Потік Ф_u проходячи через диск, викликає появу в ньому, як у коротко-замкнутому витку, електрорушійної сили, що створює струм I_u.

Струм, що протікає по послідовній обмотці, створює потік Ф_і, що проходить через диск двічі в різних напрямках (знизу вверх й зверху вниз). Цей потік створює в диску два замкнутих струми: +І_і й -І_і.

На рис. 2 зображені схеми магнітних потоків і струмів у диску в деякий момент часу, причому на рис. 2, а показаний розподіл струму І_u и магнітних потоків Ф_ий Ф_і, а на
рис.2 б – розподіл струмів +І_і й -І_і, а також магнітних потоків Ф_u і Ф_i. Хрестиками й крапками показані позитивні й негативні напрямки потоків у диску.

Як видно з рис 2 а, права частина контуру струму 1_u виявляється під дією потоку + Ф_i, а ліва – під дією потоку - Ф_i За правилом лівої руки легко визначити, що взаємодія між струмом I_u і потоками +Ф_i й - Ф_i дає силу, що утворить обертаючий момент, спрямований проти руху годинникової стрілки. З рис. 2 б ясно, що струми +І_і й -І_і, взаємодіючи з потоком + Ф_u, створюють силу, що утворює другий обертаючий момент, спрямований за годинниковою стрілкою.

Із сказаного випливає, що при позитивних напрямках потоків і струмів на диск буде діяти результуючий обертаючий момент, рівний різниці моментів, утворених взаємодією струму I_u з потоком Ф_i і струму I_i з потоком Ф_u. Напрямок результуючого обертаючого моменту й величина його будуть залежати від абсолютного значення кожного з моментів, а також від фази потоку Ф_i по відношенню до фази потоку Ф_u.

 

 

А б

Рис. 2 Розташування магнітних потоків і потоків у диску лічильника

 

Якщо, наприклад, змінити фазу потоку Ф_і, то буде відповідно змінена й фаза струму І_і, створювана потоком Ф_і, а внаслідок цього зміниться й сила взаємодії між струмом І_і і потоком Ф_u.

В загальному результаті взаємодії між магнітними потоками й струмами в диску створюється обертаючий момент, пропорційний добутку струму в послідовній обмотці І на напругу, прикладена до паралельної обмотки U, і на косинус кута між ними (cos φ), тобто цей обертаючий момент, а разом із цим і швидкість обертання диска лічильника виявляються пропорційними потужності навантаження (Р = IU cos φ).

Сумарне число обертів диска, зроблене за відомий проміжок часу, буде залежати від швидкості його обертання (тобто від потужності навантаження) і від часу включення; таким чином, число обертів стає мірою витрати енергії в ланцюзі, у яку включений лічильник. Допустимо, що при навантаженні 200 Вт диск лічильника робить 10 об/хв, отже, при витраті енергії в 60 х 200= 12 000 Вт•сек. відповідає 10 обертам диска, тобто на один оберт диска доводиться 12000:10=1200 Вт•сек. Якщо збільшити навантаження вдвічі, тобто зробити її рівну 400 вт, то швидкість руху диска зросте також удвічі й він буде робити 20 об./хв. У цьому випадку на 20 обертів диска буде доводитися 60х400 = 24000 Вт•сек, тобто знову 24000:20 = 1200 Вт•сек на один оберт диску. Таким чином, виявляється, що кількість енергії, що відповідає одному оберту диску даного лічильника, залишається тим самим. Число ватт-секунд, що доводяться на один оберт диску, називається постійною лічильника. Постійна завжди вказується на лічильнику особливим написом, наприклад:

 

1 оберт диска = 0,01 кВт • год.

 

Підрахувавши число обертів диска, можна визначити витрату енергії за увесь час включення лічильника. Для цієї мети служить спеціальний рахунковий механізм, зв’язаний черв’ячною передачею з віссю диску.

Дія електромагнітного елемента на диск змушує його обертатися зі швидкістю, прямо пропорційною потужності навантаження, але ця пропорційність зберігається тільки за умови повільного руху диска (приблизно 60—80 об./хв). При більш швидкому обертанні диска опір повітря робить шкідливі дії на показання лічильника з погляду збереження його основної погрішності. Для забезпечення тієї швидкості обертання диска, при якій опір повітря не вносить помітної погрішності, застосований гальмовий магніт. Гальмуюча дія магніту на алюмінієвий диск може бути пояснене в такий спосіб. При обертанні диска в постійному магнітному потоці індукується, як і у всякому іншому провіднику, електрорушійна сила, що викликає замкнуті струми в диску, називаються вихровими струмами. Ці струми будуть взаємодіяти з магнітними лініями постійного магніту. За правилом лівої руки легко переконатися, що ця взаємодія буде спрямована убік, протилежну обертанню диска, тобто вихрові струми гальмують його.