Pozdravljeni dragi gostje Spletno mesto z opombami električarja.
Veliko člankov smo že posvetili temi merjenja električne energije, vendar nismo imeli dovolj časa, da bi razumeli strukturo in princip delovanja električnega števca.
Zato je današnji članek posvečen principu delovanja enofaznih in trifaznih števcev električna energija.
Kot že veste, so električni števci glede na načelo delovanja razdeljeni na 2 vrsti:
- indukcija
- elektronski
Oglejmo si podrobneje načelo delovanja vsake vrste števca.
Načelo delovanja indukcijskega električnega števca
1 - trenutni oz serijsko navijanje(tuljava)
2 - vzporedna tuljava (navitje) ali napetostna tuljava
3 - mehanizem za štetje v obliki polžastega orodja
4 — trajni magnet ustvariti zaviranje in gladko gibanje diska
5 - aluminijasti disk
Fi je magnetni tok, ki ga ustvari tok bremena
Фu je magnetni pretok, ki ga ustvari tok v napetostni tuljavi
Električni števec je sestavljen iz 2 tuljav (navitij): napetostne tuljave in tokovne tuljave, katerih elektromagneti se med seboj nahajajo v prostoru pod kotom 90°. V reži med temi elektromagneti je aluminijast disk, ki je na spodnji in zgornji strani nameščen na ležajih in potisnih ležajih. Na osi diska je nameščen polž, ki preko zobnikov prenaša vrtenje na števni mehanizem (boben).
Tokovna tuljava je zaporedno povezana v vezju in je sestavljena iz velika količina obrne. Takšna tuljava je navita z debelo žico oziroma naravnost nazivni tokštevec električne energije.
Napetostna tuljava je vzporedno povezana z vezjem in je sestavljena iz velikega števila ovojev. Navijanje tanka žica s premerom približno 0,06 - 0,12 (mm).
Ko na napetostno tuljavo dovedemo izmenično napetost in ko skozi tokovno tuljavo teče bremenski tok, se v reži inducirata izmenična magnetna toka Фi in Фu, ki inducirata vrtinčne tokove v aluminijastem disku. Ko ti tokovi medsebojno delujejo z vrtinčnimi tokovi v disku, nastane navor - disk se začne vrteti.
Število vrtljajev aluminijastega diska na določen čas- to bo naša porabljena električna energija.
Ko se bremenski tok poveča (na primer, da smo na omrežje priključili dodatno breme), se bo v tokovni tuljavi pojavil večji navor in disk se bo hitreje vrtel.
IN elektronski števec električne energije pretvornik pretvori vhod analogni signali iz tokovnih in napetostnih senzorjev v digitalno impulzno kodo. Ta koda se pošlje mikrokontrolerju, kjer se dešifrira in izračuna, nato pa na zaslonu električnega števca prikaže količino porabljene električne energije.
P.S. Hvala za vašo pozornost. Avtor spletnega mesta "Opombe električarja".
Električni števec, natančneje, merilnik porabe električne energije je posebna naprava, ki je namenjena obračunavanju električne energije, ki jo porabi breme. Po tehnični zamisli je kombinacija števca porabljene električne energije s števcem, ki prikazuje odčitek. Obstajajo električni števci za merjenje energije stalne oz AC. AC števci električne energije so na voljo v enofaznih in trifaznih tipih. Po principu delovanja električni števci lahko induktivni in elektronski.
Kratka zgodovina nastanka električnega števca
Italijan Galileo Ferraris (1847-1897) je leta 1885 izvedel zanimivo opazovanje vrtenja polnega rotorja v obliki kovinskega diska ali valja pod vplivom dveh polj izmeničnega toka, ki nista v fazi. To odkritje je služilo kot izhodiščna ideja za ustvarjanje indukcijskega motorja in hkrati odprlo možnost razvoja indukcijski meter.
Prvi merilnik te vrste je leta 1889 izdelal Madžar Otto Titutz Blati, ki je delal v tovarni Ganz v Budimpešti na Madžarskem. Idejo so patentirali električni števec za izmenične tokove (patent izdan v Nemčiji, št. 52.793, patent pridobljen v ZDA, št. 423.210).
V takšni napravi je Blatiju uspelo doseči notranji fazni zamik skoraj 90°, kar je omogočilo, da je merilnik precej natančno prikazoval vatne ure. Električni števec tega modela je že uporabljal zavorni trajni magnet, ki je omogočal širok razpon meritev količine porabljene energije, uporabljen pa je bil tudi register ciklometričnega tipa.
Naslednja leta so zaznamovale številne izboljšave, ki so se kazale v zmanjšanju teže in velikosti naprave, razširitvi obsega dovoljene obremenitve, kompenzacija sprememb faktorja obremenitve, vrednosti napetosti in temperature. Trenje v nosilcih vrtljivega rotorja števca je bilo znatno zmanjšano z zamenjavo potisnih ležajev s krogličnimi; kasneje so bili uporabljeni dvojni kamni in magnetni ležaji. Stabilna življenjska doba števca se je znatno povečala zaradi povečanja tehnične lastnosti zavora elektromagnetni sistem in neuporaba olja v nosilcih rotorja in mehanizmu za štetje. Veliko kasneje je bil za industrijske porabnike ustvarjen trifazni indukcijski števec, ki je uporabljal kombinacijo dveh ali treh merilnih sistemov, nameščenih na enem, dveh ali celo treh ločenih diskih.
Shema za priključitev števca indukcijski tip
Indukcijski tip splošni primer je izredno preprost in je sestavljen iz dveh navitij (tokovnega in napetostnega) ter priključnega bloka, na katerega so speljani njuni kontakti. Pogojni diagram, preko katerega je priključen enofazni električni števec, v standardni električni plošči stanovanjske zgradbe ima naslednjo obliko:
Tu je faza "A" označena z rumeno črto, faza "B" z zeleno, faza "C" z rdečo, nevtralna žica"N" - vrstice modra barva a je ozemljitveni vodnik "PE" rumeno-zelena črta. Paketno stikalo se zdaj pogosto zamenja s sodobnejšim dvopolni odklopnik z zaščito pred preobremenitvijo. Treba je opozoriti, da med povezovalnim diagramom indukcijskega števca in podobna shema pri priključitvi elektronskega števca ni bistvenih razlik.
Običajni diagram za priključitev električnega števca v trifazno štirižično omrežje z napetostjo 380 voltov izgleda takole:
Tukaj barvne oznake podoben prejšnjemu diagramu povezave števca za enofazno omrežje.
Pomembno je upoštevati neposredno fazno zaporedje trifazno omrežje na kontaktnem bloku števca. Določite ga lahko s faznim indikatorjem ali napravo VAF. V neposrednem vrstnem redu je menjava napetostnih faz naslednja: ABC, BCA, CAB (če greste v smeri urinega kazalca). V obratnem vrstnem redu je menjavanje napetostnih faz naslednje: ASV, SVA, VAS. V tem primeru nastane dodatna napaka in pride do samopogona rotorja indukcijskega števca delovne energije. IN električni števec reaktivne energije, obratni vrstni red menjave faz bremena in napetosti vodi do vrtenja rotorja v nasprotni smeri.
Shema električne povezave enofazni indukcijski električni števec
V diagramu označujejo rdeče črte fazna žica in tokovna tuljava, modra barva pa je nevtralna žica in napetostna tuljava.
Električni diagram povezave trifazni števec indukcijski tip pri neposredna povezava v štirižilnem omrežju 380 voltov:
Tukaj: faza "A" označuje rumena, faza "B" - zelena, faza "C" - rdeča, ničelna žica "N" - modra; L1, L2, L3 – označujejo tokovne tuljave; L4, L5, L6 - označujejo napetostne tuljave; 2, 5, 8 – napetostni kontakti; 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 11 - kontakti za priključitev zunanje električne napeljave na trifazni števec.
Načelo delovanja in zasnova indukcijskega števca električne energije
Tokovno navitje, zaporedno povezano s porabnikom električne energije, ima majhno število ovojev, ki so naviti z debelo žico, ki ustreza nazivnemu toku tega števca. To zagotavlja minimalno njegovo upornost in uvaja napako pri merjenju toka.
Napetostno navitje, priključeno vzporedno z obremenitvijo, ima veliko število ovojev (8000 - 12000), ki so naviti s tanko žico, kar zmanjša porabo toka število vrtljajev v prostem tekuštevec. Ko je povezan z njim izmenična napetost, in bremenski tok teče v tokovnem navitju, so elektromagnetna polja zaprta skozi aluminijasto ploščo, ki je rotor, in v njem inducira tako imenovane vrtinčne tokove. Ti tokovi delujejo z elektromagnetnim poljem in ustvarjajo navor, ki poganja premični aluminijasti disk.
Trajni magnet, ki ustvarja magnetni tok skozi disk merilnika, ustvarja učinek zavornega (proti) momenta.
Konstantnost hitrosti vrtenja diska se doseže z ravnovesjem vrtilnih in zavornih sil.
Število vrtljajev rotorja na uro bo sorazmerno s porabljeno energijo, kar je enako dejstvu, da je vrednost enakomerne hitrosti vrtenja diska v ustaljenem stanju sorazmerna s porabljeno močjo, če je navor, ki deluje na disk, ustreza moči porabnika, na katerega je števec priključen.
Trenje v kinematičnih parih mehanizma indukcijskega števca ustvarja napake v odčitki meritev. Vpliv trenja je še posebej pomemben pri majhnih (do 5-10% nazivne vrednosti) obremenitvah za indukcijski števec, ko je lahko velikost negativne napake 12 - 15%. Za zmanjšanje vpliva tornih sil v indukcijskem števcu uporabite posebno napravo, ki se imenuje kompenzator trenja.
Bistveni parameter števec električne energije izmenični tok - prag občutljivosti naprave, ki pomeni vrednost najmanjše moči, izraženo v odstotkih nazivne vrednosti, pri kateri se rotor števca začne enakomerno vrteti. Z drugimi besedami, prag občutljivosti je minimalna poraba električne energije, ki jo števec lahko zabeleži.
V skladu z GOST je vrednost praga občutljivosti za indukcijske števce različne razrede natančnost ne sme biti večja od 0,5 - 1,5%. Stopnja občutljivosti se nastavi z vrednostjo kompenzacijskega momenta in zavornega momenta, ki ga ustvari posebna protisamohodna naprava.
Načelo delovanja elektronskega števca
Indukcijski števci porabe električne energije imajo kljub svoji preprostosti in nizki ceni številne pomanjkljivosti, ki temeljijo na uporabi mehanskih gibljivih elementov, ki nimajo zadostne stabilnosti parametrov med dolgotrajnim delovanjem naprave. Elektronski števec električne energije nima teh pomanjkljivosti, ima nizek prag občutljivosti in večjo natančnost pri merjenju porabe energije.
Res je, da izgradnja elektronskega števca zahteva uporabo visoko specializiranih integrirana vezja(IC), ki lahko pomnoži tokovne in napetostne signale ter oblikuje nastalo vrednost v obliki, primerni za obdelavo z mikrokrmilnikom. Na primer mikrovezja, ki pretvarjajo aktivna moč- na vrednost hitrosti ponavljanja impulza. Skupno število prejetih impulzov, ki jih integrira mikrokrmilnik, je premo sorazmerno s porabljeno električno energijo.
Blok diagram elektronskega števca
Nič manj pomembna za popolno delovanje elektronskega števca je prisotnost vseh vrst storitvene funkcije, kot so oddaljeni dostop do števca za daljinsko spremljanje odčitkov, ugotavljanje dnevne in nočne porabe energije in mnogi drugi. Uporaba digitalnega prikazovalnika omogoča uporabniku programsko nastavitev različnih formatov za prikaz informacij, na primer prikaz podatka o količini porabljene energije v določenem intervalu, nastavitev različnih tarif ipd.
Za izvajanje določenih nestandardnih funkcij, na primer ujemanje ravni signala, bodo potrebni dodatni IC-ji. Trenutno se je začela proizvodnja specializiranih mikrovezij - pretvornikov moči v proporcionalno frekvenco - in specializiranih mikrokrmilniških naprav, ki imajo podoben pretvornik na enem čipu. Toda pogosteje kot ne, so predragi za uporabo v gospodinjskih indukcijskih števcih. Zato številni svetovni proizvajalci mikrokontrolerjev razvijajo specializirana nizkocenovna mikrovezja, posebej zasnovana za takšne aplikacije.
Kakšno vrsto ima? shema električnega vezja števca z uporabo najpreprostejše digitalne možnosti na najcenejšem (manj kot dolar) 8-bitnem mikrokrmilniku Motorole? V obravnavani rešitvi so implementirane vse minimalne zahtevane funkcije naprave. Temelji na uporabi poceni IC, ki pretvarja moč v impulzno frekvenco tipa KR1095PP1 in 8-bitne mikrokrmilniške naprave MC68HC05KJ1. S to arhitekturo števca mora mikrokrmilnik sešteti prejeto število impulzov, prikazati informacije na zaslonu in zaščititi napravo v različnih nenormalnih načinih. Opisani števec je pravzaprav digitalni funkcionalni analog obstoječih mehanskih števcev, prirejen za nadaljnje izboljšave.
Shema električnega vezja najpreprostejšega digitalnega števca električne energije
Signali, enakovredni vrednosti napetosti in toka v omrežju, so sprejeti od senzorjev in dobavljeni na vhod pretvornika. Mikrovezje pomnoži vhodne signale in tvori trenutno vrednost porabe energije. Ta vrednost se pošlje mikrokrmilniku in pretvori v vatne ure. Ko se podatki kopičijo, se odčitki števca na LCD-prikazovalniku spremenijo. Prisotnost pogostih okvar v napajalni napetosti naprave vodi do potrebe po uporabi EEPROM za zagotovitev varnosti odčitkov števca. Ker so izpadi napajalne napetosti najpogostejša nenormalna situacija, je taka zaščita obvezna v vsakem elektronskem števcu.
Shema električnega vezja števca(digitalni računalnik) je podan spodaj. Preko konektorja X1 sta priključena omrežna napetost 220 V in električni porabnik. Senzorji napetosti in toka ustvarjajo signale, ki se dovajajo v mikrovezje KR1095PP1 pretvornika, ki ima optosklopniško izolacijo frekvenčnega izhoda. Jedro števca je mikrokontroler MC68HC05KJ1 proizvajalca Motorola, izdelan v 16-polnem ohišju (DIP ali SOIC ohišje) in opremljen z 1,2 KB ROM-a in 64 bajti RAM-a. Za shranjevanje nabranega zneska porabljena energija Med izpadi električne energije se uporablja EEPROM z majhno kapaciteto pomnilnika 24C00 (16 bajtov) podjetja Microchip. Zaslon je 7-segmentni 8-bitni LCD, ki ga krmili poljubni poceni mikrokrmilnik, ki izmenjuje podatke s centralnim mikrokrmilnikom preko protokolov SPI ali I2C in je povezan preko konektorja X2.
Osnovni algoritem delovanja števca je zahteval manj kot 1 KB pomnilnika in manj kot polovico vseh V/I vrat na mikrokrmilniku MC68HC05KJ1. Njegovo tehnične zmogljivosti dovolj za dopolnitev števca z nekaterimi servisnimi funkcijami, na primer z možnostjo združevanja števcev v lokalno omrežje prek vmesnika RS-485. Ta funkcija vam omogoča pridobivanje podatkov o porabi energije v servisni center in daljinsko izklopiti elektriko, če potrošnik ne plača. Omrežje, ki vsebuje takšne števce, je lahko opremljeno s stanovanjskim večstanovanjska stavba. Vsi odčitki števcev preko omrežja bodo na daljavo poslani v nadzorni center.
Praktično zanimiva je uporaba družine 8-bitnih mikrokontrolerjev s čipom, ki vsebuje vgrajen FLASH pomnilnik. To omogoča programiranje neposredno na sestavljeni plošči. Zagotavlja tudi varnost pred vdori programsko kodo in udobje posodabljanja programske opreme brez izvajanja namestitvenega dela.
Digitalni računalnik za elektronski števec električne energije
Bolj zanimiva je možnost elektronskega števca električne energije brez uporabe zunanjega EEPROM-a in dragega zunanjega nehlapnega RAM-a. V tem primeru je v nujnih primerih možno beleženje odčitkov in drugih servisnih informacij v notranji FLASH pomnilnik mikrokontrolerja. S tem je dodatno zagotovljena zahtevana zaupnost podatkov, ki je ni mogoče zagotoviti v primeru uporabe zunanjega kristala, ki ni zaščiten pred nepooblaščenim dostopom nepooblaščenih oseb. Takšen elektronski števec električne energije s katero koli stopnjo kompleksnosti in funkcionalnosti je mogoče ustvariti z uporabo mikrokrmilnika Motorola iz družine HC08 s pomnilnikom FLASH, vgrajenim v glavni čip.
Prehod na digitalni daljinski upravljalnik avtomatska sredstva obračun in nadzor porabe električne energije je vprašanje časa. Tehnične in potrošniške prednosti takih sistemov so očitne. Njihovi stroški se bodo vedno zmanjšali. In tudi če se uporablja preprost mikrokrmilnik, ima tak elektronski števec električne energije očitne prednosti: visoka zanesljivost zaradi popolne odsotnosti gibljivih delov; miniaturni; možnost izdelave števca v ohišju ob upoštevanju notranjih značilnosti sodobnega stanovanjske zgradbe; večkratno povečanje intervala preverjanja; visoka vzdržljivost in izjemna enostavnost vzdrževanja in delovanja. Tudi majhni dodatni stroški strojne in programske opreme v najpreprostejšem digitalnem števcu ga lahko dopolnijo s številnimi servisnimi funkcijami, ki so v osnovi odsotne pri vseh mehanskih števcih električne energije, na primer uporaba večtarifnega zaračunavanja porabljene energije, možnost izvajanja avtomatiziranega merjenje in nadzor porabe električne energije.
Glej tudi diagrame.
Vsi vemo, zakaj potrebujemo števec električne energije - za pravilno obračunavanje porabe električne energije. Na podlagi odčitkov električnega števca se plača "za svetlobo". V tem članku bi radi bralcem povedali o zasnovi in principu delovanja števca električne energije. Za vas bomo upoštevali tako elektronski model kot stari model - indukcijo.
Indukcija
Stari števci električne energije so sestavljeni iz naslednjih elementov:
- Serijsko navitje, imenovano tudi tokovna tuljava. Sestavljen je iz več zavojev debele žice.
- Vzporedno navitje (napetostna tuljava). Nasprotno, zgrajena je iz velikega števila ovojev tanke žice.
- Mehanizem za štetje. Nameščen na osi aluminijastega diska.
- Trajni magnet, katerega namen je upočasniti in zagotoviti nemoteno gibanje diska.
- Aluminijasti disk. Nameščen na ležaje in potisne ležaje.
Kot je razvidno iz diagrama, je zasnova indukcijskega števca električne energije precej preprosta. Kar zadeva načelo delovanja, je tudi preprosto. Najprej se izmenična napetost dovede do vzporednega navitja (napetostne tuljave) in nato teče do druge, tokovne tuljave. Med elektromagnetoma tuljav nastanejo magnetni vrtinčni tokovi, ki dejansko prispevajo k vrtenju diska. Večji kot je tok, hitreje se bo disk vrtel. Po drugi strani mehanizem za štetje deluje po naslednjem principu: vrtenje z diska se prenaša na boben skozi polžasto gonilo (to olajša polž, nameščen na osi diska, ki prenaša vrtenje skozi zobnik, kot lahko videti na zgornjem diagramu).
Jasno si oglejte, kako deluje indukcijski števec električne energije, video si lahko ogledate spodaj:
Diagram delovanja starega števca električne energije
Upoštevajte načelo delovanja enofazni števec Napajanje starega modela je podobno kot pri trifaznem.
Elektronski
Elektronski števec na primer nima ne diska ne polžastega gonila. Zasnova novega tipa števcev električne energije je prikazana na spodnji sliki in fotografiji:
