Ciao, cari ospiti Sito web delle note dell'elettricista.
Abbiamo già dedicato molti articoli al tema della misurazione dell'elettricità, ma non abbiamo avuto abbastanza tempo per comprendere la struttura e il principio di funzionamento del contatore elettrico.
Pertanto, l'articolo di oggi è dedicato al principio di funzionamento dei contatori monofase e trifase energia elettrica.
Come già sapete, i contatori elettrici si dividono in 2 tipologie in base al loro principio di funzionamento:
- induzione
- elettronico
Diamo uno sguardo più da vicino al principio di funzionamento di ciascun tipo di contatore.
Principio di funzionamento di un contatore elettrico a induzione
1 - corrente o avvolgimento in serie(bobina)
2 - bobina parallela (avvolgimento) o bobina di tensione
3 - meccanismo di conteggio sotto forma di ingranaggio a vite senza fine
4 — magnete permanente per creare una frenata e un movimento fluido del disco
5 - disco in alluminio
Fi è il flusso magnetico creato dalla corrente di carico
Фu è il flusso magnetico creato dalla corrente nella bobina di tensione
Il contatore elettrico è composto da 2 bobine (avvolgimenti): una bobina di tensione e una bobina di corrente, i cui elettromagneti si trovano ad un angolo di 90° l'uno rispetto all'altro nello spazio. Nello spazio tra questi elettromagneti si trova un disco di alluminio, montato su cuscinetti e reggispinta sui lati inferiore e superiore. Sull'asse del disco è installata una vite senza fine che trasmette la rotazione al meccanismo di conteggio (tamburo) tramite ingranaggi.
La bobina di corrente è collegata in serie nel circuito ed è composta da grande quantità gira. Tale bobina viene avvolta con un filo spesso, rispettivamente, dritto corrente nominale contatore elettrico.
La bobina di tensione è collegata in parallelo al circuito ed è composta da un gran numero di spire. Avvolgendosi filo sottile con un diametro di circa 0,06 - 0,12 (mm).
Quando viene applicata una tensione alternata alla bobina di tensione e quando la corrente di carico scorre attraverso la bobina di corrente, nello spazio vuoto vengono indotti flussi magnetici alternati Фi e Фu, che inducono correnti parassite nel disco di alluminio. Quando questi flussi interagiscono con le correnti parassite nel disco, si verifica una coppia: il disco inizia a ruotare.
Il numero di giri del disco di alluminio per certo tempo- questa sarà la nostra elettricità consumata.
Quando la corrente di carico aumenta (ad esempio, abbiamo collegato un carico aggiuntivo alla rete), nella bobina corrente apparirà più coppia e il disco ruoterà più velocemente.
IN contatore elettrico elettronico il convertitore converte l'input segnali analogici dai sensori di corrente e tensione al codice degli impulsi digitali. Questo codice viene inviato al microcontrollore, dove viene decrittografato e calcolato, quindi visualizza la quantità di elettricità consumata sul display del contatore elettrico.
PS Grazie per l'attenzione. Autore del sito "Appunti dell'Elettricista".
Contatore elettrico più precisamente il misuratore del consumo di energia elettrica è uno speciale dispositivo atto a contabilizzare l'energia elettrica consumata da un carico. Secondo la sua idea tecnica, si tratta di una combinazione di un contatore dell'energia elettrica consumata con un meccanismo di conteggio che visualizza le letture. Esistono contatori elettrici per misurare l'energia costante o AC. I contatori elettrici CA sono disponibili nei tipi monofase e trifase. Secondo il principio di funzionamento contatori elettrici possono essere induttivi ed elettronici.
Una breve storia della creazione di un contatore elettrico
Nel 1885, l'italiano Galileo Ferraris (1847-1897) fece un'interessante osservazione della rotazione di un rotore solido sotto forma di un disco o cilindro metallico sotto l'influenza di due campi di corrente alternata sfasati. Questa scoperta è servita come idea di partenza per la creazione di un motore a induzione e allo stesso tempo ha aperto la possibilità di sviluppo misuratore di induzione.
Il primo contatore di questo tipo fu creato nel 1889 dall'ungherese Otto Titutz Blati, che lavorava nello stabilimento Ganz di Budapest, in Ungheria. Hanno brevettato l'idea contatore elettrico per correnti alternate (brevetto rilasciato in Germania, n. 52.793, brevetto ottenuto negli USA, n. 423.210).
In un dispositivo del genere, Blati è riuscito a ottenere uno sfasamento interno di quasi 90°, che ha permesso al misuratore di visualizzare i wattora in modo abbastanza accurato. Il contatore elettrico di questo modello utilizzava già un magnete permanente frenante, che forniva un'ampia gamma di misurazioni della quantità di energia consumata, e veniva utilizzato anche un registro di tipo ciclometrico.
Gli anni successivi furono caratterizzati da numerosi miglioramenti, manifestati nella riduzione del peso e delle dimensioni del dispositivo, ampliando la gamma carichi ammessi, compensazione per variazioni del fattore di carico, valori di tensione e temperatura. L'attrito nei supporti del rotore rotante del contatore è stato notevolmente ridotto sostituendo i cuscinetti reggispinta con cuscinetti a sfera, successivamente sono state utilizzate doppie pietre; cuscinetti magnetici. La durata operativa stabile del misuratore è aumentata significativamente grazie all'aumento caratteristiche tecniche freno sistema elettromagnetico e mancato utilizzo di olio nei supporti del rotore e nel meccanismo di conteggio. Molto più tardi, per i consumatori industriali, fu creato un contatore a induzione trifase, che utilizzava una combinazione di due o tre sistemi di misurazione installati su uno, due o anche tre dischi separati.
Schema per il collegamento del contatore tipo ad induzione
Tipo ad induzione caso generaleè estremamente semplice ed è composto da due avvolgimenti (corrente e tensione) e da una morsettiera su cui vengono portati i relativi contatti. Diagramma condizionale, attraverso il quale è collegato un contatore elettrico monofase, in un quadro elettrico standard condomini ha la seguente forma:
Qui la fase “A” è indicata con una linea gialla, la fase “B” con il verde, la fase “C” con il rosso, filo neutro"N" – linee colore blu a, il conduttore di terra “PE” è una linea giallo-verde. Il batch switch viene ora spesso sostituito da uno più moderno interruttore bipolare con protezione da sovraccarico. Va notato che tra lo schema di collegamento del contatore di tipo a induzione e schema simile collegando un contatore elettronico non ci sono differenze fondamentali.
Lo schema convenzionale per il collegamento di un contatore elettrico in una rete trifase a quattro fili con una tensione di 380 volt si presenta come segue:
Qui designazioni di colore simile allo schema di collegamento del contatore precedente per una rete monofase.
È importante osservare la sequenza diretta delle fasi rete trifase sul blocco contatti del contatore. Può essere determinato utilizzando un indicatore di fase o un dispositivo VAF. In ordine diretto, l'alternanza delle fasi di tensione è la seguente: ABC, BCA, CAB (se si va in senso orario). In ordine inverso, l'alternanza delle fasi di tensione è la seguente: ASV, SVA, VAS. In questo caso, viene creato un errore aggiuntivo e si verifica l'autospinta del rotore del contatore a induzione per l'energia attiva. IN contatore elettrico energia reattiva, l'ordine inverso di alternanza delle fasi di carico e delle tensioni porta alla rotazione del rotore nella direzione opposta.
Schema collegamenti elettrici contatore elettrico a induzione monofase
Nel diagramma, le linee rosse indicano filo di fase e una bobina di corrente, e il colore blu è il filo neutro e la bobina di tensione.
Schema elettrico connessioni contatore trifase tipo ad induzione a collegamento diretto in una rete a quattro fili da 380 volt:
Qui: la fase “A” denota giallo, fase "B" - verde, fase "C" - rosso, filo neutro "N" - blu; L1, L2, L3 – indicano le bobine di corrente; L4, L5, L6 - indicano le bobine di tensione; 2, 5, 8 – contatti di tensione; 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 11 – contatti per il collegamento del cablaggio elettrico esterno a un contatore trifase.
Principio di funzionamento e progettazione di un contatore elettrico a induzione
L'avvolgimento di corrente, collegato in serie al consumatore di elettricità, ha un piccolo numero di spire, che sono avvolte con un filo spesso corrispondente alla corrente nominale di questo contatore. Ciò garantisce un minimo della sua resistenza e introduce un errore di misurazione della corrente.
L'avvolgimento di tensione, collegato in parallelo al carico, ha un gran numero di spire (8000 - 12000), che sono avvolte con un filo sottile, che riduce il consumo di corrente velocità al minimo contatore. Quando è collegato ad esso tensione alternata e la corrente di carico scorre nell'avvolgimento di corrente, i campi elettromagnetici vengono chiusi attraverso il disco di alluminio, che è il rotore, inducendo in esso le cosiddette correnti parassite. Queste correnti interagiscono con il campo elettromagnetico e creano una coppia che aziona il disco mobile di alluminio.
Un magnete permanente che crea un flusso magnetico attraverso il disco del misuratore crea l'effetto di una coppia frenante (contrastante).
La costanza della velocità di rotazione del disco si ottiene con un equilibrio tra le forze rotanti e frenanti.
Il numero di giri del rotore all'ora sarà proporzionale all'energia consumata, il che equivale al fatto che il valore della velocità di rotazione uniforme del disco a regime stazionario è proporzionale alla potenza consumata se la coppia che agisce sul disco è adeguato alla potenza del consumatore a cui è collegato il contatore.
L'attrito nelle coppie cinematiche del meccanismo del contatore a induzione crea errori letture di misurazione. L'influenza dell'attrito è particolarmente significativa con carichi piccoli (fino al 5-10% del valore nominale) per un misuratore a induzione, quando l'entità dell'errore negativo può essere del 12-15%. Per ridurre l'influenza delle forze di attrito in un contatore a induzione, utilizzare dispositivo speciale, che è chiamato compensatore di attrito.
Parametro Essenziale contatore di energia elettrica corrente alternata - la soglia di sensibilità del dispositivo, che implica il valore della potenza minima, espresso in percentuale del valore nominale, al quale il rotore del misuratore inizia a ruotare costantemente. In altre parole, la soglia di sensibilità è consumo minimo elettricità che il contatore è in grado di registrare.
Secondo GOST, il valore della soglia di sensibilità per i contatori a induzione varie classi la precisione non deve essere superiore a 0,5 - 1,5%. Il livello di sensibilità è impostato dal valore della coppia di compensazione e dalla coppia frenante, creata da uno speciale dispositivo anti-semovente.
Principio di funzionamento di un contatore elettronico
I contatori a induzione per il consumo di energia elettrica, nonostante la loro semplicità e il basso costo, presentano una serie di svantaggi, che si basano sull'uso di elementi meccanici in movimento che hanno una stabilità dei parametri insufficiente durante il funzionamento a lungo termine del dispositivo. Un contatore elettrico elettronico non presenta questi svantaggi, ha una soglia di sensibilità bassa e una maggiore precisione nella misurazione del consumo energetico.
È vero, la costruzione di un contatore elettronico richiede l'impiego di personale altamente specializzato circuiti integrati(IC), che può moltiplicare i segnali di corrente e tensione e formare il valore risultante in una forma conveniente per l'elaborazione da parte di un microcontrollore. Ad esempio, i microcircuiti che convertono potenza attiva- al valore della frequenza di ripetizione degli impulsi. Il numero totale di impulsi ricevuti integrati dal microcontrollore è direttamente proporzionale all'elettricità consumata.
Schema a blocchi di un contatore elettronico
Non meno importante per il pieno funzionamento di un contatore elettronico è la presenza di tutti i tipi di funzioni di servizio, come l'accesso remoto al contatore per il monitoraggio a distanza delle letture, la determinazione dei consumi energetici diurni e notturni e molti altri. L'uso di un display digitale consente all'utente di impostare in modo programmatico vari formati per la visualizzazione delle informazioni, ad esempio visualizzare informazioni sulla quantità di energia consumata in un determinato intervallo, impostare tariffe diverse, ecc.
Per eseguire determinate funzioni non standard, ad esempio la corrispondenza dei livelli di segnale, saranno necessari circuiti integrati aggiuntivi. Attualmente è iniziata la produzione di microcircuiti specializzati - convertitori di frequenza proporzionali - e di dispositivi microcontrollori specializzati aventi un convertitore simile su un singolo chip. Ma, nella maggior parte dei casi, sono troppo costosi per essere utilizzati nei contatori a induzione domestici. Pertanto, molti produttori globali di microcontrollori stanno sviluppando microcircuiti specializzati a basso costo progettati appositamente per tali applicazioni.
Che tipo ha? schema elettrico del contatore utilizzando l'opzione digitale più semplice sul microcontrollore a 8 bit più economico (meno di un dollaro) di Motorola? Nella soluzione in esame sono implementate tutte le funzioni minime richieste del dispositivo. Si basa sull'uso di un circuito integrato economico che converte la potenza in frequenza di impulsi del tipo KR1095PP1 e di un dispositivo microcontrollore a 8 bit MC68HC05KJ1. Con questa architettura del contatore, il microcontrollore deve sommare il numero di impulsi ricevuti, visualizzare le informazioni sul display e proteggere il dispositivo in varie modalità anomale. Il contatore descritto è infatti un analogo funzionale digitale dei contatori meccanici esistenti, adattato per ulteriori miglioramenti.
Schema elettrico del più semplice contatore elettrico digitale
I segnali equivalenti ai valori di tensione e corrente nella rete vengono ricevuti dai sensori e forniti all'ingresso del convertitore. Il microcircuito moltiplica i segnali di ingresso, formando un valore istantaneo di consumo energetico. Questo valore viene inviato al microcontrollore e convertito in wattora. Man mano che i dati si accumulano, le letture del contatore sul display LCD cambiano. La presenza di frequenti interruzioni di corrente del dispositivo porta alla necessità di utilizzare EEPROM per garantire la sicurezza delle letture dei contatori. Poiché i guasti all'alimentazione elettrica rappresentano la situazione anomala più comune, tale protezione è richiesta in qualsiasi contatore elettronico.
Schema elettrico del contatore(computer digitale) è riportato di seguito. Attraverso il connettore X1 vengono collegate la tensione di rete 220 V e l'utenza elettrica. I sensori di tensione e corrente generano segnali forniti al microcircuito KR1095PP1 del convertitore, che dispone di isolamento fotoaccoppiatore dell'uscita di frequenza. Il cuore del contatore è il microcontrollore MC68HC05KJ1 prodotto da Motorola, realizzato in un pacchetto a 16 pin (pacchetto DIP o SOIC) e dotato di 1,2 KB di ROM e 64 byte di RAM. Per salvare l'importo accumulato energia consumata In caso di interruzioni di corrente viene utilizzata una EEPROM con una piccola capacità di memoria di 24C00 (16 byte) della Microchip. Il display è un LCD a 7 segmenti e 8 bit, controllato da qualsiasi microcontrollore economico che scambia dati con il microcontrollore centrale tramite protocolli SPI o I2C ed è collegato tramite il connettore X2.
L'algoritmo operativo sottostante per il contatore richiedeva meno di 1 KB di memoria e meno della metà di tutte le porte I/O sul microcontroller MC68HC05KJ1. Il suo capacità tecniche sufficiente per integrare il contatore con alcune funzioni di servizio, ad esempio la possibilità di combinare i contatori rete locale tramite interfaccia RS-485. Questa funzionalità consente di ottenere dati sul consumo energetico in centro servizi e spegnere a distanza l'elettricità se il consumatore non paga. Una rete contenente tali contatori può essere dotata di un residenziale condominio. Tutte le letture dei contatori tramite la rete verranno inviate in remoto al centro di controllo.
Di interesse pratico è l'uso di una famiglia di microcontrollori a 8 bit con un chip contenente memoria FLASH incorporata. Ciò permette di programmarlo direttamente sulla scheda assemblata. Fornisce inoltre sicurezza contro gli attacchi hacker codice del programma e la comodità di aggiornare il software senza eseguire lavori di installazione.
Computer digitale per contatore elettrico elettronico
Più interessante è l'opzione di un contatore elettrico elettronico senza l'uso di EEPROM esterna e costosa RAM esterna non volatile. In questo caso, in caso di emergenza, è possibile registrare letture e altre informazioni di servizio nella memoria FLASH interna del microcontrollore. Ciò garantisce inoltre la necessaria riservatezza dei dati, che non può essere garantita se viene utilizzato un cristallo esterno non protetto dall'accesso non autorizzato da parte di persone non autorizzate. Un contatore elettrico elettronico di questo tipo con qualsiasi livello di complessità e funzionalità può essere creato utilizzando un microcontrollore Motorola della famiglia HC08 con memoria FLASH integrata nel chip principale.
Effettuare la transizione al telecomando digitale mezzi automatici la contabilità e il controllo del consumo di elettricità è una questione di tempo. I vantaggi tecnici e di consumo di tali sistemi sono evidenti. Il loro costo diminuirà invariabilmente. E anche se viene utilizzato un semplice microcontrollore, esiste un contatore elettrico elettronico di questo tipo evidenti vantaggi: alta affidabilità per la completa assenza di parti in movimento; miniatura; la possibilità di produrre un contatore in un alloggiamento tenendo conto delle caratteristiche interne del moderno edifici residenziali; aumentare più volte l'intervallo di verifica; elevata manutenibilità ed estrema facilità di manutenzione e funzionamento. Anche piccoli costi aggiuntivi hardware e software nel più semplice contatore digitale possono completarlo con una serie di funzioni di servizio che sono fondamentalmente assenti in tutti i contatori elettrici meccanici, ad esempio l'uso della tariffazione multitariffa per l'energia consumata, la capacità di implementare sistemi automatizzati misurazione e controllo dei consumi elettrici.
Vedi anche i diagrammi.
Sappiamo tutti perché abbiamo bisogno di un contatore elettrico: per contabilizzare correttamente il consumo di elettricità. Sulla base delle letture dei contatori elettrici si effettuano i pagamenti “per la luce”. In questo articolo vorremmo raccontare ai lettori la struttura e il principio di funzionamento di un contatore elettrico. Per te considereremo sia il modello elettronico che il vecchio modello: l'induzione.
Induzione
I vecchi contatori elettrici sono costituiti dai seguenti elementi:
- Avvolgimento in serie, chiamato anche bobina di corrente. È costituito da diversi giri di filo spesso.
- Avvolgimento parallelo (bobina di tensione). Al contrario, è costituito da un gran numero di spire di filo sottile.
- Meccanismo di conteggio. Installato sull'asse di un disco di alluminio.
- Un magnete permanente, il cui scopo è rallentare e garantire un movimento regolare del disco.
- Disco in alluminio. Montato su cuscinetti e reggispinta.
Come si può vedere nello schema, la progettazione di un contatore elettrico a induzione è abbastanza semplice. Anche il principio di funzionamento è semplice. Innanzitutto viene applicata tensione alternata all'avvolgimento parallelo (bobina di tensione) e poi passa alla seconda bobina di corrente. Tra i due elettromagneti delle bobine si creano correnti parassite magnetiche che, di fatto, contribuiscono alla rotazione del disco. Maggiore è la corrente, più velocemente girerà il disco. A sua volta, il meccanismo di conteggio funziona secondo il seguente principio: la rotazione dal disco viene trasmessa al tamburo attraverso un ingranaggio a vite senza fine (ciò è facilitato da una vite senza fine installata sull'asse del disco, che trasmette la rotazione attraverso un ingranaggio, come può essere visto nel diagramma sopra).
Vedi chiaramente come funziona contatore elettrico a induzione, puoi guardare il video qui sotto:
Schema di funzionamento di un contatore elettrico di vecchio tipo
Si prega di notare che il principio di funzionamento contatore monofase L'alimentazione elettrica del vecchio modello è simile al modello trifase.
Elettronico
Un contatore elettronico, ad esempio, non ha né disco né vite senza fine. Il design del nuovo tipo di contatori elettrici è mostrato nello schema e nella foto qui sotto:
