Измерение энергии в трехфазных цепях переменного тока

Трехфазные счетчики активной энергии имеют в одном корпусе два или три измерительных механизма (вращающих элемента), подобных измерительному механизму однофазного счетчика.

Двухэлементные счетчики используются для учета активной энергии в трехфазных трехпроводных цепях переменного тока. Трехэлементными счетчиками учитывается активная энергия в трехфазных четырехпроводных цепях переменного тока.

Как в двухэлементных, так и в трехэлементных счетчиках диски вращающих элементов укрепляются на одной оси. Это позволяет получить общий вращающий момент подвижной части счетчика, равный алгебраической сумме вращающих моментов отдельных элементов. Таким образом, независимо от количества применяемых вращающих элементов в счетчиках устанавливается один счетный механизм.

Включение вращающих элементов счетчиков для учета активной энергии производится по схемам включения ваттметров для измерения активной мощности.

Генераторные зажимы токовых обмоток счетчиков обозначаются буквой Г, а зажимы, к которым подключается нагрузка, - буквой Н. Зажимы обмоток напряжения счетчиков, предназначенных для включения в трехфазные трех- или четырехпроводные цепи, обозначаются цифрами 1,2,3 и 0.

В трехфазных трехпроводных цепях для измерения активной энергии используются двухэлементные счетчики активной энергии типа САЗ или САЗУ.

В трехфазных четырехпроводных цепях для измерения активной энергии используются трехэлементные счетчики активной энергии типа СА4 или СА4У.

Рис.24 Схема включения двухэлементного трехфазного счетчика типа САЗ

 

Рис.25  Схема включения трехэлементного трехфазного счетчика типа СА4

 

Для измерения реактивной энергии в трехфазных цепях переменного тока набольшее распространение получили реактивные трехфазные счетчики индукционной системы, которые по своей конструкции аналогичны счетчикам активной энергии, но отличаются схемой внутреннего соединения обмоток и включением в сеть.

Двухэлементный трехфазный счетчик типа СР4 имеет дополнительную последовательную обмотку, включенную в рассечку того линейного провода, ку не включены основные токовые обмотки. Дополнительная обмотка разделена на две равные части, которые расположены на магнитопроводах последовательных электромагнитов счетчика, и имеют направление витков, обратное направлению витков основных токовых обмоток. Такой счетчик будет учитывать реактивную энергию в трехпроводных и четырехпроводных цепях с симметричной и несимметричной нагрузкой фаз, но при симметрии напряжений.

 

 

 

 

Рис.26  Схема включения двухэлементного счетчика реактивной энергии типа СР4.

При подключении счетчиков реактивной энергии следует соблюдать порядок чередования фаз. При емкостной нагрузке, чтобы избежать вращения диска в противоположном направлении, необходимо поменять местами входящие и выходящие провода (генераторные и нагрузочные клеммы).

Измерение фазы

Фазометры служат для измерения разности фаз между током и напряжением. Электродинамический фазометр имеет неподвижную катушку 5-6, состоящую из двух частей, и две подвижные катушки 1-2 и 3-4, расположенные под углом 90° друг к другу, т.е. представляет собой электродинамический логометр.

Логометрами называются электроизмерительные приборы, в которых нет механического противодействующего момента, и показания зависят не от величины тока, а от отношения токов. В логометрах подвижной частью являются две жестко связанные катушки. Токи, проходя по катушкам, создают два противоположно направленных вращающих момента, которые уравновешивают друг друга при некотором угле поворота подвижной системы прибора.

Подвижные катушки насажены на ось, на которой крепится указательная стрелка. Неподвижная катушка, выполненная из толстого провода, включается в цепь последовательно с нагрузкой, а подвижные катушки из тонкого провода – параллельно. Последовательно с одной подвижной катушкой включается активное сопротивление R, обеспечивающее равенство фаз между током и напряжением в ней. Последовательно со второй катушкой включается катушка индуктивности L, что создает сдвиг фаз, близкий к 90° между напряжением и током в ней.

Расположение подвижных катушек под углом 90° друг к другу создает противоположные вращающие моменты последних таким образом, что угол отклонения указательной стрелки пропорционален углу сдвига фаз между током и напряжением в цепи. Шкала фазометра проградуирована в cos φ. При положительном значении φ, что соответствует отставанию тока от напряжения (индуктивная нагрузка), указательная стрелка прибора отклоняется вправо от середины шкалы, а при отрицательном значении φ – отставание напряжения от тока (емкостная нагрузка) – указательная стрелка отклоняется влево. Середине шкалы соответствует в cos φ = 1 (φ = 0).

 

 

Рис. 27 Фазометр электродинамической системы

На основе электродинамических механизмов возмож­но построение фазометров для измерения соsφ и в трех­фазных цепях переменного тока. По принци­пу действия он подобен однофазному фазометру, но необходимые фазовые сдвиги между токами в обмотках рамок подвижной части прибора можно получить более просто, используя 120-градусные сдвиги между напряже­ниями и токами трехфазной цепи. Такой прибор дает правильные показания в трехфазной цепи с симмет­ричными напряжениями и токами. В случае несимметрич­ной трехфазной цепи можно говорить лишь о разности фаз между током и напряжением в каждой фазе.

Измерение частоты

       Измерение низких частот (до 2000 Гц) с относительно невысокой точностью производится при помощи стрелочных частотомеров, которые в зависимости от условий работы, назначения и диапазона измеряемых частот могут быть электродинамической, ферродинамической, вибрационной и других систем.

       В современной аппаратуре железнодорожной автоматики, телемеханики и всязи используется широкий спектр частот. Требования по обеспечению надежности и высококачественной работы аппаратуры вызывают необходимость измерения частоты в процессе из настройки и регулировки.

       В зависимости от измеряемой частоты и требуемой точности измерений выбирается соответствующий метод измерения.

       Стрелочный частотомер электродинамической системы представляет собой логометрическую схему. K — неподвижная катушка логометра из двух одинаковых частей для создания равномерного магнитного поля; К₁ и К₂ — подвижные катушки, жестко скрепленные под углом 90° и взаимодействующие с катушкой K; C, L, R — электрические емкость, индуктивность и сопротивление колебательного контура; С₁ — конденсатор, обеспечивающий сдвиг фаз (90°) между U и I₁; U — напряжение, частота которого измеряется; I и I₁ — токи в ветвях логометра. Величины L и С подобраны таким образом, что на частоте, соответствующей середине шкалы приборы, наступает резонанс напряжений, и ток  I совпадает по фазе с напряжением U. На резонансной частоте момент, действующий на катушку К₂, будет равен нулю. Тогда под действием момента катушки К₁ подвижная система прибора повернется так, что стрелка остановится на середине шкалы.

       При отклонении измеряемой частоты от резонансной изменятся величина и знак фазы тока I, в результате чего возникнет момент, действующий на катушку К₂, и подвижная часть повернется в ту или иную сторону на угол, зависящий от частоты. Таким образом, шкалу прибора можно проградуировать в герцах.

Рис.28 Частотомер электродинамической системы

       Электродинамический частотомер включается в измеряемую цепь параллельно и измеряет частоты от 25 до 2350 Гц.

       Вибрационные (резонансные) частотомеры применяются для измерения промышленной частоты с невысокой точностью. Их принцип основан на явлении механического резонанса. Прибор состоит из электромагнита и ряда упругих стальных пластин на общем основании, соединённом с якорем электромагнита. Электрическое напряжение измеряемой частоты подают на обмотку электромагнита, возникающие при этом колебания якоря передаются пластинам, по вибрации которых определяют значение измеряемой частоты. Двухсистемные вибрационные частотомеры (с двойной шкалой) используются для измерения двух частот в системах для их синхронизации. Частотомеры имеют отсчётное устройство в виде рядных вибрирующих пластин.

Рис. 29 частотомер вибрационной системы

       Электронно-счетные частотомеры по своим возможностям являются универсальными приборами. Их основное назначение - измерение частоты непрерывных и импульсных колебаний, осуществляемое в широком частотном диапазоне (примерно от 10 Гц до 100 МГц) при погрешности измерений не более 0,0005%. Кроме того, они позволяют измерять периоды низкочастотных колебаний, длительности импульсов, отношения двух частот (периодов) и т. д.

       Действие электронно-счётных частотомеров основано на дискретном счёте числа импульсов, поступающих за калиброванный интервал времени на электронный счётчик с цифровой индикацией. Синусоидальное напряжение измеряемой частоты поступает на входное устройство (ВУ) и далее на формирователь импульсов (ФИ), преобразующий напряжения в однополярные импульсы, повторяющиеся с той же частотой, что и измеряемое напряжение. Данные импульсы подаются на электронный счетчик (ЭСч) только в строго определенные промежутки времени, в течение которых открыт временной селектор (ВС). Открывание и закрывание временного селектора производит прямоугольный импульс, сформированный управляющим устройством (УУ). Длительность данного импульса, определяющая образцовый временной интервал (ΔТ), стабилизирована генератором стабильной частоты (Г), на выходе которого имеется делитель (ДЧ), обеспечивающий получение интервалов времени, кратных десяти. Электронный счетчик(ЭСч) подсчитывает количество импульсов измеряемой частоты, поступивших с выхода временного селектора за время ΔТ, и передает результат на цифровой индикатор (ЦИ).

Рис.30 структурная схема (а) и временные диаграммы (б)  электронно-счетного частотомера

Управляющее устройство, помимо временных интервалов, определяет продолжительность времени отсчета результата измерений и производит сброс показаний счетчика.

К недостаткам электронно-счётных частотомеров следует отнести сложность их схем, значительные габариты и массу, высокую стоимость.