Короткі теоретичні відомості.
Питання раціонального економічного витрачання електроенергії набуває все більш важливого значення. Визначальною умовою рішення цих питань є організація доступної і якісної системи обліку електроенергії, яка споживається. Метою обліку є:
1) розрахунок за електроенергію з енергозберігаючою організацією;
2) контроль витрати активної електроенергії в окремих цехах на енергоємних агрегатах, технологічних лініях та інших об’єктах;
3) визначення кількості реактивної потужності, отриманої споживачем від енергопостачальної організації або переданої їй, коли за цими даними проводять розрахунки або контроль за дотриманням заданого режиму роботи компенсаторних пристроїв підприємства;
4) складання електробалансів по підприємству в цілому, а також по найбільш енергоємним агрегатам, цехам і групам споживачів, що дає можливість на їх основі проводити аналіз ефективності використання електроенергії в виробничих процесах, виявляти непродуктивні витрати, розробляти і здійснювати заходи щодо їх зниження і усунення;
5) розрахунок зі споживачами (субабонентами), які отримують електроенергію через підстанції підприємства.
Для вимірювання активної електричної енергії, що витрачається в колах однофазного струму, застосовуються електричні лічильники індукційної системи. Індукційний вимірювальний механізм складається з одного або декількох нерухомих електромагнітів і рухомої частини, виконаної за звичай у вигляді алюмінієвого диску. Змінні магнітні потоки, спрямовані перпендикулярно площині диску, пронизуючі останній, індукують в ньому вихрові струми. Взаємодія потоків з струмами в диску викликає переміщення рухомої частини. На мал. 4.1. схематично показано будову однофазного індукційного лічильника. Диск Д, є рухомим елементом лічильника, який знаходиться в повітряному зазорі магнітної системи, що складається з феромагнітних сердечників, зібраних з електротехнічної сталі товщиною 0,35 мм, і двох самостійних нерухомих обмоток I і II. Одну з обмоток (I), виконану тонким ізольованим дротом і такою, що має велике число витків (6000-10000), а тому, і значну індуктивність, підключають до напруги U в мережу, а іншу (II), з малим числом витків (2 × 15 – 2 × 1), виконану товстим ізольованим дротом, включають послідовно з електричними приймачами. Через черв’ячну передачу і систему зубчастих коліс вісь диску пов’язана з лічильним пристроєм роликового типу, за допомогою якого здійснюється підрахунок числа обертів диску.
При протіканні змінного струму по обмоткам створюються магнітні потоки, один з яких пропорційний величині підведеної напруги, U, а другий – струму навантаження I. Ці потоки, зрушені між собою за фазою і не співпадають в просторі, створюють загальне магнітне поле, яке біжить і збуджує в рухливому алюмінієвому диску відповідні ЕРС і вихрові струми. Вихрові струми взаємодіють з магнітним полем, яке біжить, і утягують диск в обертання. Середнє значення моменту оберту, що виникає, визначається співвідношенням:
Моб = К1 U I cos (4.1)
Малюнок 4.1. Будова однофазного індукційного лічильника за трьома потоками з тангенціальною магнітною системою.
де K1 – коефіцієнт, який залежить від конструктивних особливостей лічильника;
U – напруга, підведена до його паралельної обмотки;
I – струм, що протікає по послідовній обмотці лічильника;
cos – коефіцієнт потужності електричних приймачів.
Взаємодія магнітного поля спеціального постійного підковоподібного магніту М, між полюсами якого обертається диск, та вихрових струмів, що індукують в ньому, створює гальмівний момент Мг, пропорційний швидкості обертання диску:
Mг = K2 n, (4.2)
де K2 - коефіцієнт пропорційності;
n - число обертів диску лічильника за одиницю часу.
При рівномірному обертанні диску з достатньо великою швидкістю, щоб можна було знехтувати тертям, має місце співвідношення:
Моб = Mг (4.3)
Виконуємо підстановку і отримуємо:
К1 U I cos = K2 n, (4.4)
звідки
U I cos = С0 n, (4.5)
де С0 - співвідношення постійних коефіцієнтів K2 і К1.
З рівності (4.5) видно, що активна потужність
P = U I cos (4.6)
пропорційна швидкості обертання n диску лічильника:
P = С0 n, [Вт](4.7)
а витрата електричної енергії W за час t, що враховується лічильним механізмом лічильника, буде:
W = 
N, [Вт] (4.8)
де N - число обертів диску лічильника за час t.
В залежності від передавального числа зубчастих коліс і черв’ячної передачі, які знаходяться між лічильними механізмами і віссю диску лічильника, кожній одиниці зареєстрованої електроенергії відповідає визначене число обертів диску N, проведене на щитку лічильника, який називається передавальним числом лічильного механізму, наприклад, 1 кВт год – 5000 обертів диску. Величина С0, зворотна передавальному числу лічильного механізму, представляє собою енергію, зареєстровану лічильним механізмом за один оберт лічильника, і називається номінальною постійною лічильника, яка при його випробуванні за звичай виражається в Вт с/об. Якщо 1 кВт год відповідає Nобертам диску, то номінальна постійна лічильника, виражена в Вт с/об, може бути визначена як:
С0 = 
. [ 
(4.9)
Значення N і С0 залежать тільки від конструкції лічильного механізму і для даного лічильника залишаються незмінними. Величина витраченої електроенергії за який-небудь час визначається різницею відліку за лічильним механізмом, проведеною в кінці і на початку періоду, що розглядається:
С0 = 
. [ (4.10)
Величина називається дійсною постійною С лічильника електроенергії і представляє собою кількість енергії, яка споживається електроприймачами за час одного повного оберту диску. Дійсна постійна на відмінність від номінальної залежить від струму навантаження, а також від зовнішніх умов (температури, частоти і т. і.).
Відхилення дійсної постійної С лічильника від його номінальної постійної С0 характеризує відносну погрішність лічильника:
= 
100%, (4.11)
де W – значення величини електричної енергії, визначене за показниками лічильника, який перевіряється, за той самий проміжок часу, який підраховано за формулою (4.8);
W0 – дійсне значення величини електроенергії, що витрачено за деякий проміжок часу t, який визначається за показниками зразкових приладів.
W = С0 N, [Вт](4.12)
де N – ціле число обертів диску за той самий час.
Лічильники активної енергії випускають класів точності 0,5; 1,0; 2,0; 2,5; лічильники реактивної енергії – 1,5; 2,0; 3,0. Технічні характеристики однофазних лічильників електроенергії представлені в таблиці 4.1.
На мал. 4.2. приведена типова крива відносної погрішності однофазного лічильника індукційної системи в залежності від його навантаження, вираженого у відсотках від номінальної, причому звив її на початку пояснюється помітним впливом тертя в механізмі за малого навантаження.
Малюнок 4.2. Залежність відносної погрішності однофазного індукційного лічильника від навантаження.
Таблиця 4.1.
| Тип лічильника | Клас точності | Номінальні струми, А | Номінальна напруга, В | Потужність, що споживається, Вт |
| СО-І445Е, І445Т | 2,0 | 2,5; 5; 10; 20 | 110; 127; 220; 230; 240; 250; 380 | 1,3 |
| СО-І449Е, І449Т | 2,0 | 2,5; 5; 10; 15; 20 | 110; 115; 120; 127; 220; 230; 240; 250; 380 | 1,5 |
| СО-І446 | 1,0 – 3,0 | 2,5; 5; 10; 20 | 127; 220 | |
| СО-5У | 1,0 – 3,0 | 2,5; 5; 10; 15; 20 |
Клас точності лічильників має відносну основну погрішність та інші метрологічні характеристики. Так, ГОСТ 8.259-77 «Лічильники електричні активної і реактивної енергії індукційні. Методи і засоби перевірки» встановлює наступні значення відносної погрішності і реактивної енергії класу точності 2,5 (табл. 4.2).
Таблиця 4.2.
| Навантаження, % | Допустиме значення відносної погрішності, % | |||
| однофазних лічильників | трьохфазних лічильників | |||
| при cos = 1 | при cos = 0,5 | при cos = 1 | при cos = 0,5 | |
| ± 3,5 | — | ± 3,5 | — | |
| — | ± 4,0 | — | ± 3,5 | |
| ± 2,5 | — | ± 2,5 | — | |
| ± 2,5 | ± 4,0 | — | ± 2,5 | |
| — | — | ± 2,5 | — | |
| ± 2,5 | — | — | — |
Найменша потужність Рmin або найменший струм Imin, за яких диск лічильника починає без зупинок обертатися, що виражені в відсотках від відповідних номінальних величин за номінальної напруги (для лічильників активної енергії при коефіцієнті потужності cos = 1), називається чутливістю S лічильника:
S = 
100%, (4.13)
або
S = 
100%, (4.14)
де Iн – номінальний струм лічильника, вказаний в його паспорті.
Державним стандартом (ГОСТ 6570-75) встановлено поріг чутливості (в відсотках) лічильника. Вказана величина не повинна перевищувати 0,4% для лічильника класу 2,5, чутливість повинна бути не більше за 1%.
В неправильно відрегульованих лічильниках за відсутності навантаження може спостерігатись обертання диску. Це явище називається самоходом лічильника. В правильно відрегульованих лічильниках самохід не повинен мати місце при напрузі від 80 до 110% номінальної. Включення ненавантаженого лічильника може викликати тільки поворот його диску не більше за один оберт, після чого диск повинен зупинитись і весь час залишатися нерухомим.
Так як на показники лічильника мають вплив температури, частоти змінного струму та інші фактори, то перевірка його повинна проводитися за визначених умов. Так, температура повітря в приміщенні, в якому проводиться перевірка лічильника, повинна бути не нижче за + 17С і не вище за +23С, напруга, яка підводиться до паралельної обмотки лічильника за визначеної погрішності, не повинна відрізнятися від номінальної більше чим на 3%, а частота – не більше чим на 2%.
Крім того, перед перевіркою лічильник активної енергії з метою прогріву його частин повинен проробити в номінальному режимі і коефіцієнті потужності cos = 1 не менше 15 хвилин, а потім не менше 10 хвилин за любого навантаження, для якого визначається величина відносної погрішності лічильника.
Власне перевірці передує зовнішній огляд, при проведенні якого повинно бути встановлено відповідність лічильника наступним вимогам:
лічильник повинен представлятися до перевірки з монтажною схемою;
щиток лічильного механізму не повинен мати видимого перекосу;
цифри роликового лічильного механізму не повинні уходити за межі віконець більше чим на 1/5 своєї висоти (ця вимога не відноситься до крайнього з права ролику, а також до інших роликів, якщо вони в даний час обертаються разом з крайнім з права роликом при переході через нуль);
на кожусі або маркувальній табличці повинно бути вказано стрілкою напрям обертання диску;
відмітка на диску для візуального відрахування обертів повинна бути чітко нанесеною;
лічильник повинен мати пристосування для навішування пломб.
На мал. 4.3. і мал. 4.4. вказано схеми підключення однофазних лічильників активної енергії безпосереднього включення.
Мал. 4.3. Схема підключення лічиль- Мал.4.4. Схема підключення лічиль-
ників типів СО-І445Е, СО-І445Т, СО- ників типів СО-І445Е, СО-І445Т, СО-
І449Т, СО-І446, за ГОСТ 6570-75 І449Т, СО-І446, СО-І449Е за Британ-
ським стандартом В357
Перевірка правильності роботи лічильника активної енергії однофазного струму може бути проведена шляхом контролю швидкості обертання його диску за показниками контрольних вольтметра і амперметра, зразкового ватметра і секундоміра, причому для забезпечення необхідної точності результатів відмірювань по ним необхідно, щоб показники електровимірювальних приладів завжди були не менше 50% від їх верхньої межі виміру, за винятком випробування, яке проводиться для визначення величини чутливості лічильника.
При перевірці лічильника класу 2,5 вольтметр і амперметр, які слугують тільки для контролю значень напруги і струму, можуть бути класу 2,5, а ватметр – класу 0,5, астатичний або екранований. Секундоміри, які періодично перевіряються, можуть мати поправку для інтервалу в 60 с не більше 0,1 с.
Необхідна точність перевірки досягається ще й тим, що під час рахування числа обертів диску величина навантаження підтримується постійною з точністю ± 0,5%. Число обертів диску, яке відраховується при перевірці лічильника, обирають таким, щоб відповідний час був не менше 50 с.