Принцип работы счетчика электроэнергии

Бытовой счетчик электроэнергии: принцип работы и устройство, преимущества и недостатки различных типов оборудования

Сегодня в каждом доме находится огромное количество различных электрических приборов, и чтобы отслеживать потребление ими электроэнергии,устанавливается приборы учета.

Но, когда необходимо их заменять, возникает проблема, ведь придя в магазин мы видим огромное количество разных вариантов. А не имея нужных знаний мы теряемся в выборе, не понимая, что к чему. Чтобы этого не случалось, стоит разобраться, какие есть виды счетчиков и их особенности.

Сегодня существует всего несколько типов счетчиков, это: электронные и механические (еще их называют индукционными).

Устройство и принцип работы

На практике применяются различные трехфазные счетчики электроэнергии, отличающиеся принципом действия:

• Индукционные – представляют собой набор обмоток тока и напряжения для каждого из фазных проводников, которые приводят в движение алюминиевый диск, вращающийся от воздействия электромагнитных полей.
• Электронные – осуществляют измерение и подсчет данных без использования подвижных элементов. Основой реализации электронных трехфазных электросчетчиков является система преобразования аналогового сигнала в цифровой.
• Гибридные – представляют собой переходной этап от индукционных моделей с механическими вращающимися частями к электронным.

Каждый тип счетчика обладает своими конструктивными особенностями, поэтому в качестве примера рассмотрим обобщенную модель электронного трехфазного прибора учета, как наиболее перспективного.

Рис. 1. Устройство трехфазного счетчика электроэнергии

Конструктивно такой счетчик электроэнергии состоит из:

• Датчиков тока и напряжения, которые предназначены для измерения электрических величин в электрической цепи.
• Электронного преобразователя – осуществляет вычисление мощности и по всем фазным потребителям. Может быть представлен несколькими отдельными модулями.
• Микроконтроллера – предназначен для приема счетных импульсов и преобразования сигнала в другие виды.
• Дисплея – предназначен для отображения величины мощности и других параметров электрической цепи.
• Блок памяти – присутствует в электронных моделях, позволяет хранить и извлекать нужную информацию о расходах электроэнергии.
• Блок зажимов – может разделяться на силовые и слаботочные. Первые из них предназначены для включения в трехфазную линию, а вторые для передачи данных по линиям связи.

Принцип действия трехфазного счетчика электроэнергии заключается в измерении силы тока и разности потенциалов для каждого из фазных проводников посредством датчиков тока и напряжения. Затем и ток, и напряжения по каждому фазному выводу проходит этап перемножения в электронном блоке, у индукционных счетчиков электроэнергии эта процедура осуществлялась посредством воздействия полей обмоток на алюминиевый диск. От электронного блока за вычисленную единицу мощности формируется счетный импульс и передается на микроконтроллер. В зависимости от количества поданных импульсов микроконтроллер вычисляет количество потребленных киловатт-часов.

Микроконтроллер представляет собой логическую единицу трехфазного счетчика электрической энергии. Он подает команду на дисплей о смене данных по мере транзита мощности через датчики. Вместе с тем микроконтроллер трехфазного электросчетчика может извлекать из блока памяти информацию об израсходованной мощности за определенный период или в определенном тарифе, что особенно актуально для многотарифных счетчиков электроэнергии. Также микроконтроллер может транслировать информацию по каналам связи через систему АСКУЭ на удаленный диспетчерский пункт.

Устройство и принцип работы

Конструкция счетчика зависит от принципа его работы и осуществляемых функций. Индукционный однофазный счетчик используется в однофазных переменных сетях и состоит из следующих частей:

• корпуса составного;
• двух обмоток: токовой и напряжения;
• двух магнитопроводов: обмотки тока и обмотки напряжения;
• противополюса;
• диска алюминиевого;
• механизма червячного типа;
• механизма счетного;
• магнита постоянного, служащего для торможения диска;
• оси, на которой закреплены счетный механизм, червячная передача и алюминиевый диск.

Схематическое устройство однофазного электросчетчика индукционного типа

Принцип работы устройства заключается в следующем. 2 электромагнита представляют измерительный механизм счетчика. Они расположены под углом 90° друг к другу. В магнитном поле этих электромагнитов находится диск, выполненный из алюминия. Счетчик включается в работу путем подсоединения с электроприемниками токовой обмотки последовательно, а с электроприемниками напряжения – параллельно. При прохождении переменного тока по обмоткам в сердечниках возникают магнитные потоки переменной величины. Они пронизывают диск, в результате чего индуцируют вихревые токи. При взаимодействии последних с магнитными потоками создается усилие, которое вращает диск. Он, в свою очередь, связан со счетным механизмом, который учитывает частоту вращения диска. Цифры, расположенные на счетном механизме фиксируют расход электрической энергии.

При увеличении тока нагрузки возникает больший вращающий момент, что заставляет диск вращаться быстрее.

Принцип работы трехфазных индукционных счетчиков аналогичен выше описанному счетчику, с той лишь разницей, что их используют в трехфазных сетях переменного тока.

Вид спереди трехфазного индукционного электросчетчика со снятой крышкой

Вид сбоку со снятой задней частью корпуса трехфазного индукционного счетчика

С развитием электронных технологий появились счетчики учета расхода электроэнергии электронного типа. Принцип действия их довольно прост. Специальный преобразователь входные аналоговые сигналы с датчиков тока и напряжения преобразует в цифровой импульсный код. Он подается на микроконтроллер, который фиксирует количество потребляемой электроэнергии на дисплее изделия. Отсюда основными частями электронного счетчика являются:

• кожух защитный;
• трансформаторы измерительные тока и напряжения;
• преобразователь;
• микроконтроллера, являющиеся органом управления и передачи информации на дисплей;
• колодка клеммная для подсоединения эл. проводов.

Работа однофазных и трехфазных электронных счетчиков осуществляется по одним и тем же законам, с той лишь разницей, что в 3-хфазном осуществляется суммирование величин каждого из трех каналов.

Структурная схема работы однофазного счетчика электронного типа

Из схемы видно, что трансформатор тока включен в разрыв фазного провода, а трансформатор напряжения подключен к нулю и фазе. Сигналы величины тока и напряжения с помощью преобразователя преобразуются в мощность и частоту в цифровом виде, в дальнейшем микроконтроллер управляет оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), электронным реле и дисплеем, на котором отражается цифровая информация, фиксирующая расход электроэнергии на подключенном к счетчику объекте. ОЗУ в некоторых моделях может играть роль передатчика информации, что дает возможность контролировать работу счетчика на расстоянии.

Электронные счетчики для замеров расхода электроэнергии в трехфазных схемах, могут работать как в трех,- так и четырехпроводных цепях. Устройства хранят информацию с привязкой ко времени. Показания можно снимать за определенный период времени и фиксировать следующие показатели:

• активное потребление;
• реактивное потребление;
• действующие значения напряжения и тока;
• частоту в каждой фазе.

Все это позволило создать многотарифные счетчики для подсчета потребления электроэнергии в разное время суток, по дням недели или сезонам.

Электронные приборы учета

Рассмотрение этих достаточно сложных и сравнительно дорогих устройств начнем с изучения принципа работы электронного счетчика, для понимания которого необходимо ознакомиться со всеми его функциональными узлами. Их взаимодействие и порядок формирования итоговых показаний лучше всего иллюстрирует приводимая ниже блок-схема.

Из неё следует, что в состав электронного устройства входят следующие модули:

• Входные трансформаторы напряжения и тока;
• Преобразователь аналоговых уровней;
• Микроконтроллер и ОЗУ;
• Дисплей, индицирующий показания счетчика, учитывающего электрическую энергию (точнее её расход).

При появлении на входе преобразователя аналоговых входных сигналов U и I на выходе они трансформируются в цифровой код, который поступает затем в микроконтроллер. После дополнительной обработки и подсчёта импульсы выдаются на дисплей, на котором и индицируется точное показание потребленной электроэнергии.

Необходимо отметить! Микроконтроллер работает по заранее введённой программе, учитывающей время суток и длительность интервалов учета электроэнергии по заданному тарифу. В зависимости от текущего времени, осуществляется её подсчёт и вывод на дисплей соответствующего показания.

Так реализуется принцип работы однофазного счетчика по заданному тарифу.

Обратите внимание! Для трехфазных электронных приборов учета схема подсчета расходуемой энергии аналогична (он осуществляется по несколько изменённой программе).

В этом случае по итогам оценки каждой из фаз в интеграторе осуществляется суммирование соответствующих сигналов, а на индикатор поступает результирующий код. Помимо перечисленных составных частей, в корпусе электронного прибора имеются специальные клеммные колодки, к которым подводятся и от которых отводятся учитываемые счетчиком токи.

Электрический счетчик

Устройство электрического счетчика электроэнергии для многих пользователей остается загадкой, так как мало кто решается на вскрытие прибора. Принципиальную схему такого устройства вы можете увидеть на картинке.

Принцип работы электронного счетчика электроэнергии предельно прост и понятен. В приборе есть особые датчики, которые подключаются к электросети. Данные с этих датчиков поступают на преобразователь, задачей которого является трансформация аналогового сигнала в цифровой код. Полученный код направляется на микроконтроллер, где впоследствии подвергается расшифровке. В ходе расшифровки прибор подсчитывает количество потребляемого тока, выдавая рассчитанное значение на цифровой дисплей.

Принцип работы индукционного счетчика

Еще совсем недавно индукционные счетчики были неотъемлемой частью электрических сетей в квартирах. Счетное устройство в этих приборах представлено вращающимся алюминиевым диском и цифровыми барабанами, отображающими показатели расхода электроэнергии в реальном времени.

Принцип действия подобных устройств достаточно простой. Электромагнитное поле, возникающее в катушках счетчика, взаимодействует с диском, выполняющим функцию подвижного токопроводящего элемента. В однофазном индукционном счетчике выполняется параллельное подключение одной из катушек к обмотке напряжения, которая служит сетью переменного тока. Другая катушка подключается последовательно на участке между обмоткой тока или нагрузкой и генератором электроэнергии.

Действие токов, протекающих по обмоткам, приводит к созданию переменных магнитных потоков, пересекающих вращающийся диск. Их величина составляет пропорцию между потребляемым током и входным напряжением. В соответствии с законом электромагнитной индукции в самом диске происходит возникновение вихревых токов, протекающих по направлению магнитных потоков.

Вихревые токи и магнитные потоки начинают взаимодействовать между собой в диске. В результате, появляется электромеханическая сила, которая и приводит к созданию вращающегося момента. Таким образом, возникает пропорция между полученным вращающимся моментом и произведением двух магнитных потоков, возникающих в обмотках тока и напряжения, умноженных на синус сдвига фазы между ними.

Нормальная работа индукционного электросчетчика возможна только при условии фазового сдвига, равного 90 градусам. Такой сдвиг можно получить, разложив магнитный поток обмотки напряжения на две части. Получается, что диск прибора вращается с частотой, пропорциональной активно потребляемой мощности. Поэтому непосредственный расход электроэнергии будет находиться в пропорции с количеством оборотов диска. Полученные данные о потреблении передаются на механическое счетное устройство, ось которого связана с осью подвижного диска с помощью зубчатой передачи. Такая конструкция обеспечивает синхронное вращение обоих элементов.

Методы проверки счетчика

Самоход

Если проверяемый прибор подключен правильно, следует переходить к определению наличия так называемого самохода. Этим словом обозначена одна из неисправностей, при которой прибор ведет учет несуществующего электричества. Перед тем как проверить правильность показаний электросчетчика, нужно устранить самопроизвольные движения диска, если они имеются. Для этого нужно отключить все электроприборы. Важно помнить, что требуется именно отключить, а не перевести в режим ожидания.

Более правильный результат будет достигнут при отключении групповых автоматов, которые размещены после счетчика. Однако они не всегда присутствуют. Также стоит оставить в работе вводной автомат. В этих условиях индикатор счетчика (если он электронный) не должен сделать более 1 вспышки за 5–10 минут простоя, а диск индукционного прибора – больше одного оборота. Чем больше этот отрезок времени, тем лучше, однако лучше ознакомиться с прилагающимися к прибору документами, в которых это время указано точно.

Погрешность

Далее измеряется погрешность показаний. Чтобы проверить точность счетчика, следует применить лампу накаливания и мультиметр. Оптимально будет воспользоваться электронной версией мультиметра и не использовать в качестве нагрузки бытовые приборы. Суть в том, что современные модели бытовой техники способны самостоятельно регулировать мощность и поэтому, учитывая использование их паспортной мощности в замерах, произвести достоверную проверку электросчетчика не получится.

Процесс «контрольного замера» выглядит так:

1. замер сетевого напряжения;
2. замер силы тока лампы;
3. определение фактической силы тока в лампе;
4. замер времени, за которое диск подключенного к сети счетчика прокрутится 10 раз с одновременным контролем напряжения в сети. Для электронных моделей – 10 миганий индикатора;
5. определение постоянной счетчика, которая, как правило, указана на передней панели. Например, 3200 имп./кВт-ч;
6. расчет фактического потребления электричества;
7. расчет затраченной за время проверки мощности тока;
8. проверка счетчика на погрешность по формуле 1000*число оборотов/постоянная счетчика;
9. определение величины погрешности. Допустимое значение погрешности – до 10%

Намагниченность

Если однажды потребитель решил остановить прибор, на котором установлена антимагнитная пломба, следует обратить внимание на наклейку или индикатор, которые при наличии намагниченности изменяют свой цвет. Если проверяющие органы заметят это, потребитель может столкнуться с проблемами.

Счетчик более простой конструкции можно проверить следующим образом. Следует взять тонкую иголку и поднести ее к панели – если она притянется, это будет свидетельствовать о намагниченности счетчика. Обычно спустя 2–3 дня после снятия магнита это явление исчезает. В случае если намагниченность не уходит сама, нужно применить демагнитизатор.