Устройство и принцип работы индукционного счетчика
Принцип действия электромеханического счетчика заключается в том, что на подвижную часть действуют два основных момента: вращающий и тормозной. Вращающий момент пропорционален учитываемой величине, а тормозной - скорости вращения подвижной части.
Основными элементами однофазного индукционного счетчика (рисунок 1) являются: катушка напряжения расположенная на магнитопроводе 1, катушка токовая на магнитопроводе 4, вращающийся алюминиевый диск 5, передаточный механизм счетного устройства 2, постоянный магнит 3.
Рисунок 1 − Индукционный электросчетчик
Токовая катушка включается в сеть последовательно, поэтому ее называют последовательной цепью. Катушка выполнена из провода достаточно большого сечения, способного выдержать ток нагрузки. Количество витков токовой катушки относительно невелико и находится в пределах от 14 до 30.
Располагаются витки в равном количестве на обоих стержнях U-образного магнитопровода, набранного из электротехнической стали. Сердечник служит для концентрации определенным образом той части магнитного потока, которая пересекает диск счетчика, и создает вращающий момент. Наличие сердечника также уменьшает магнитное сопротивление создаваемому обмоткой магнитному потоку.
Обмотка напряжения подключается на фазное напряжение сети и постоянно находится в работе параллельно с потребителем, поэтому ее называют параллельной цепью. Катушка напряжения служит для создания магнитного потока, пропорционального напряжению сети.
Конструктивно она отличается от токовой большим количеством витков, порядка 8-12 тыс., и малым сечением проводника 0,1-0,15 мм2 [2].
Большое количество витков создает значительное индуктивное сопротивление по сравнению с активным сопротивлением обмотки, что играет важную роль при реализации 90°-го сдвига и позволяет снизить собственное потребление энергии счетчиком, определяемой по формуле:
, (2.1.)
где Рu тем меньше, чем больше угол φ между напряжением и током в параллельной обмотке. В идеальном случае активным сопротивлением можно пренебречь, тогда ток отстает по фазе от напряжения на 90° и cosφ → 0.
Магнитные потоки катушек тока и напряжения (рисунок 2), пересекающие диск (рабочие потоки), наводят в диске токи трансформации, которые создают вращающий момент, определяемый по формуле:
, (2.2.)
где с - конструктивный коэффициент;
Фа – поток, создаваемый катушкой тока;
Фв – поток, создаваемый катушкой напряжения;
ψ – угол сдвига фаз между потоками, создаваемыми катушкой тока и напряжения.
Рисунок 2 − Распределение магнитных потоков
Для создания противодействующего момента, пропорционально скорости вращения диска, применяются постоянные тормозные магниты, магнитный поток которых пересекает вращающийся диск из электропроводящего материала.
Токи, возникающие в этом диске, пропорциональны скорости его вращения, и, следовательно, противодействующий момент, образующийся в результате взаимодействия потока магнита с токами в диске, также пропорционален скорости вращения.
При пересечении диском потока Фт, создаваемого тормозным магнитом, в нем наводится ЭДС, направленная от центра диска к внешней окружности. ЭДС определяется по формуле:
, (2.3.)
где с - некоторый постоянный коэффициент;
n - скорость вращения диска.
Сила Fт взаимодействия потока тормозного магнита с токами в диске прямо пропорциональна ЭДС резания и направлена на торможение диска. В зависимости от расстояния между тормозным магнитом и центром диска изменяется величина тормозного момента, определяемая как произведение плеча на значение силы:
, (2.4.)
где h - плечо силы Fт, зависит от расположения магнита;
; (2.5.)
k - конструктивный коэффициент счетчика.
Это значит, что изменяя расположение магнита, можно отрегулировать скорость вращения диска, тем самым откалибровать вращение диска в соответствии с передаточным числом [3].
Счетный механизм (рисунок 3) представляет собой счетчик оборотов роликового типа, отградуированный в киловатт-часах (с десятичным множителем).
Рисунок 3 – Счетный механизм индукционного счетчика
Вращение диска через червячную пару и зубчатую передачу сообщается ролику с нанесенными цифрами. Когда ролик совершит полный оборот, то с помощью зубчатого колеса находящийся на оси, передаст движение следующему ролику, и тот продвинется на одну десятую оборота. Третий ролик сделает уже одну десятую оборота при полном обороте второго и т. д. Чаще всего роликовый счетный механизм имеет пять или шесть роликов. Ролики прикрыты алюминиевым щитком с вырезанными цифровыми окошками. На щитке-табличке наносятся паспортные данные и заводской номер счетчика. Счетный механизм работает без смазки.
Кожух и крышка зажимной коробки имеют отверстия для установки пломбы. На наружной стороне крышки зажимной коробки обычно прикреплен съемный щиток для указания коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов [4].
Одним из важных условий правильной работы счетчика является правило 90°-го сдвига. Заключается оно в выражении:
, (2.6.)
где φ - угол сдвига фаз между током и напряжением сети;
ψ - угол сдвига фаз между потоками создаваемыми катушкой тока и напряжения. Иначе это условие можно записать так:
. (2.7.)
При конструировании счетчика элементы его конструкции выбираются таким образом, чтобы соблюсти правило 90°-го сдвига. Однако вследствие разброса характеристик электротехнических материалов, из которых изготавливают детали, точного соблюдения условия 90°-го сдвига не выполняется. Поэтому для точной подгонки в счетчиках применяют устройства регулирования. Обычно такие устройства представляют собой короткозамкнутые витки из меди или алюминия или обмотку из нескольких витков медного провода, замкнутого на регулируемое сопротивление или медные пластинки на пути магнитного потока.
Для характеристики счетчика введены следующие параметры:
1. Действительная постоянная счетчика (2.8.) представляет собой значение электрической энергии в ватт-секундах,
(2.8.)
где W – энергия, израсходованная нагрузкой за время t;
N – число оборотов за время t;
Pt – электрическая мощность действительно израсходованной за время одного оборота диска.
С зависит от нагрузки; определяют ее по показаниям контрольных приборов при разных нагрузках.
2. Номинальная постоянная счетчика CH - это количество электроэнергии, которое учитывает счетный механизм за время одного оборота диска. На практике часто применяют величину, обратную номинальной постоянной счетчика
(2.9.)
называемую передаточным числом счетчика. Передаточное число — число оборотов диска, соответствующее израсходованной энергии в 1 кВт (или 1гВт*ч); указывается оно на щитке счетчика.
3. Относительная погрешность счетчика
, (2.10.)
где W1 - учтенная счетчиком энергия;
W2 – действительно израсходованная энергия (вычисленная по показаниям точных приборов).
Так какW1=CB*N и W2=C*N, то
. (2.11.)
4. Поправочный коэффициент (2.12.) – число, на которое надо умножать показание счетчика, чтобы получить действительно израсходованную энергию W2
. (2.12.)
5. Чувствительность счетчика (2.13.) – наименьший ток или мощность, выраженные в процентах от номинального, при которых счетчик работает безостановочно при номинальном напряжении. 
(2.13.)
6. Самоход счетчика — вращение диска более 1 оборота при отключенной нагрузке [5].
Счетчики электрической энергии должны удовлетворять следующим нормам:
1) счетчик не должен иметь самохода при напряжении от 90 до 110% номинального;
2) погрешность счетчика не должна превышать его класс точности при нагрузках 25, 50, 75 и 100% номинальной;
3) счетчик класса точности 2,5 должен иметь чувствительность не более 2%.
Для регулировки подвижной системы счетчика применяют следующие меры:
1) для регулировки потока электромагнита от обмотки напряжения изменяют положение магнитного шунта этого электромагнита;
2) для регулировки потока от токовой катушки на последнюю навивают несколько витков, замкнутых на проволоку с большим удельным сопротивлением в виде петли, и надевают несколько тонких короткозамкнутых алюминиевых колец (индукционный ток в короткозамкнутых обмотках и витках размагничивает электромагнит). Для грубой регулировки потока разрезают кольца, после чего регулировку осуществляют плавным изменением длины проволочной петли;
3) для регулировки скорости вращения диска изменяют расстояние постоянного магнита от оси вращения, что приводит к изменению значения противодействующего момента [6].