Меню

Устройство счетчика потребления электроэнергии

Принцип действия и устройство счётчиков электрической энергии

С помощью электросчетчиков осуществляется учет израсходованной электрической энергии. Электросчетчики бывают индукционные и электронные.

Измерительный механизм индукционного однофазного счетчика электрической энергии (электроизмерительный прибор индукционной системы) состоит из двух электромагнитов, расположенных под углом 90° друг к другу, в магнитном поле которых находится легкий алюминиевый диск. Схема устройства счетчика электрической энергии показана на рисунке 1.

Для включения счетчика в цепь его токовую обмотку соединяют с электроприемниками последовательно, а обмотку напряжения — параллельно. При прохождении по обмоткам индукционного счетчика переменного тока в сердечниках обмоток возникают переменные магнитные потоки, которые, пронизывая алюминиевый диск, индуцируют в нем вихревые токи.

Взаимодействие вихревых токов с магнитными потоками электромагнитов создает усилие, под действием которого диск вращается. Последний связан со счетным механизмом, учитывающим частоту вращения диска, т.е. расход электрической энергии.

Рис. 1. Схема устройства счетчика электрической энергии: 1 — обмотка тока, 2 — обмотка напряжения, 3 — червячный механизм, 4 — счетный механизм, 5 — алюминиевый диск, б — магнит для притормаживания диска.

Рис. 2. Устройство индукционного электросчетчика

Для учета потребленной электроэнергии в сетях переменного трехфазного тока применяются трехфазные индукционные электросчетчики , принцип действия которых аналогичен однофазным.

В настоящее время все более широкое применение получили электронные (цифровые) электросчетчики . Электронные счетчики обладают рядом преимуществ по сравнению с индукционными счетчиками:

— малые габаритные размеры,

— отсутствие вращающихся частей,

— возможность учета электроэнергии по нескольким тарифам,

— измерение суточных максимумов нагрузки,

— учет как активной, так и реактивной мощности,

— возможность дистанционного учета электроэнергии.

Рис. 3. Схема устройства электронного счетчика электроэнергии

В настоящее время учёт электроэнергии, в основном, производится по одному тарифу (то есть стоимость электроэнергии одинакова независимо от времени потребления). Однако, начинает вводится многотарифные системы оплаты, при которых стоимость электрической энергии различна по часам суток или по дням недели.

Указанный подход обеспечит более равномерное потребление электроэнергии потребителями и снижение максимальной нагрузки энергосистемы. Поэтому уже выпускаются электронные счётчики со встроенными часами, которые питаются от аккумуляторной батареи, что обеспечивает учёт электроэнергии по разным интервалам времени, задаваемым программно.

Как правило, электронные счётчики имеют жидкокристаллический индикатор, на котором отображаются потребляемая электроэнергия по каждому из тарифов, текущая потребляемая мощность, текущее время и дата и другие измеряемые прибором параметры.

Источник

Обзор и устройство современных счётчиков электроэнергии

За последнее время на смену индукционным счётчикам электроэнергии пришли электронные. В данных счётчиках счётный механизм приводится во вращение не с помощью катушек напряжения и тока, а с помощью специализированной электроники. Кроме того, средством счёта и отображения показаний может являться микроконтроллер и цифровой дисплей соответственно. Всё это позволило сократить габаритные размеры приборов, а также, снизить их стоимость.

В состав практически любого электронного счётчика входит одна или несколько специализированных вычислительных микросхем, выполняющие основные функции по преобразованию и измерению. На вход такой микросхемы поступает информация о напряжении и силе тока с соответствующих датчиков в аналоговом виде. Внутри микросхемы данная информация оцифровывается и преобразуется определённым образом. В результате, на выходе микросхемы формируются импульсные сигналы, частота которых пропорциональна текущей потребляемой мощности нагрузки, подключенной к счётчику. Импульсы поступают на счётный механизм, который представляет собой электромагнит, согласованный с зубчатыми передачами на колёсики с цифрами. В случае с более дорогостоящими счётчиками с цифровым дисплеем применяется дополнительный микроконтроллер. Он подключается к вышесказанной микросхеме и к цифровому дисплею по определённому интерфейсу, ведёт накопление результата измерения электроэнергии в энергонезависимую память, а также, обеспечивает дополнительный функционал прибора.

Рассмотрим несколько подобных микросхем и моделей счётчиков, которые мне попадались под руку.

Ниже на рисунке в разобранном виде изображён один из наиболее дешёвых и популярных однофазных счётчиков «НЕВА 103». Как видно из рисунка, устройство счётчика довольно простое. Основная плата состоит из специализированной микросхемы, её обвески и узла стабилизатора питания на основе балластового конденсатора. На дополнительной плате размещён светодиод, индицирующий потребляемую нагрузку. В данном случае – 3200 импульсов на 1 кВт*ч. Также есть возможность снимать импульсы с зелёного клеммника, расположенного вверху счётчика. Счётный механизм состоит из семи колёсиков с цифрами, редуктора и электромагнита. На нём отображается посчитанная электроэнергия с точностью до десятых кВт*ч. Как видно из рисунка, редуктор имеет передаточное отношение 200:1. По моим замечаниям, это означает «200 импульсов на 1 кВт*ч». То есть, 200 импульсов, поданных на электромагнит, поспособствуют прокрутке последнего красного колёсика на 1 полный оборот. Это соотношение кратно соотношению для светодиодного индикатора, что весьма не случайно. Редуктор с электромагнитом размещён в металлической коробке под двумя экранами с целью защиты от вмешательства внешним магнитным полем.

В данной модели счётчика применяется микросхема ADE7754. Рассмотрим её структуру.

На пины 5 и 6 поступает аналоговый сигнал с токового шунта, который расположен на первой и второй клеммах счётчика (на фотографии в этом месте видно повреждение). На пины 8 и 7 поступает аналоговый сигнал, пропорциональный напряжению в сети. Через пины 16 и 15 есть возможность устанавливать усиление внутреннего операционного усилителя, отвечающий за ток. Оба сигнала с помощью узлов АЦП преобразуются в цифровой вид и, проходя определённую коррекцию и фильтрацию, поступают на умножитель. Умножитель перемножает эти два сигнала, в результате чего, согласно законам физики, на его выходе получается информация о текущей потребляемой мощности. Данный сигнал поступает на специализированный преобразователь, который формирует готовые импульсы на счётное устройство (пины 23 и 24) и на контрольный светодиод и счётный выход (пин 22). Через пины 12, 13 и 14 конфигурируются частотные множители и режимы вышеперечисленных импульсов.

Читайте также:  Горводоканал официальный поверка счетчиков

Стандартная схема обвески практически представляет собой схему рассматриваемого счётчика.

Общий минусовой провод соединён с нулём 220В. Фаза поступает на пин 8 через делитель на резисторах, служащий для снижения уровня измеряемого напряжения. Сигнал с шунта поступает на соответствующие входы микросхемы также через резисторы. В данной схеме, предназначенной для теста, конфигурационные пины 12-14 подключены к логической единице. В зависимости от модели счётчика, они могут иметь разную конфигурацию. В данном кратком обзоре эта информация не столь важна. Светодиодный индикатор подключен к соответствующему пину последовательно вместе с оптической развязкой, на другой стороне которой подключается клеммник для снятия счётной информации (К7 и К8).

Из этого же семейства микросхем существуют похожие аналоги для трёхфазных измерений. Вероятнее всего, они встраиваются в дешёвые трёхфазные счётчики. В качестве примера на рисунке ниже представлена структура одной из таких микросхем, а именно ADE7752.

Вместо двух узлов АЦП, здесь применено их 6: по 2 на каждую фазу. Минусовые входы ОУ напряжения объединены вместе и выводятся на пин 13 (ноль). Каждая из трёх фаз подключается к своему плюсовому входу ОУ (пины 14, 15, 16). Сигналы с токовых шунтов по каждой фазе подключаются по аналогии с предыдущим примером. По каждой из трёх фаз с помощью трёх умножителей выделяется сигнал, характеризующий текущую мощность. Эти сигналы, кроме фильтров, проходят через дополнительные узлы, которые активируются через пин 17 и служат для включения операции математического модуля. Затем эти три сигнала суммируются, получая, таким образом, суммарную потребляемую мощность по всем фазам. В зависимости от двоичной конфигурации пина 17, сумматор суммирует либо абсолютные значения трёх сигналов, либо их модули. Это необходимо для тех или иных тонкостей измерения электроэнергии, подробности которых здесь не рассматриваются. Данный сигнал поступает на преобразователь, аналогичный предыдущему примеру с однофазным измерителем. Его интерфейс также практически аналогичен.

Стоит отметить, что вышеописанные микросхемы служат для измерения активной энергии. Более дорогие счётчики способны измерять как активную, так и реактивную энергию. Рассмотрим, например, микросхему ADE7754. Как видно из рисунка ниже, её структура намного сложнее структуры микросхем из предыдущих примеров.

Микросхема измеряет активную и реактивную трёхфазную электроэнергию, имеет SPI интерфейс для подключения микроконтроллера и выход CF (пин 1) для внешней регистрации активной электроэнергии. Вся остальная информация с микросхемы считывается микроконтроллером через интерфейс. Через него же осуществляется конфигурация микросхемы, в частности, установка многочисленных констант, отражённых на структурной схеме. Как следствие, данная микросхема, в отличие от предыдущих двух примеров, не является автономной, и для построения счётчика на базе этой микросхемы требуется микроконтроллер. Можно зрительно в структурной схеме пронаблюдать узлы, отвечающие по отдельности за измерение активной и реактивной энергии. Здесь всё гораздо сложнее, чем в предыдущих двух примерах.

В качестве примера рассмотрим ещё один интересный прибор: трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32». Как видно из фотографии ниже, данный счётчик ещё не эксплуатировался. Он мне достался в неопломбированном виде с небольшими механическими повреждениями снаружи. При всё при этом он находился полностью в рабочем состоянии.

Как можно заметить, глядя на основную плату, прибор состоит из трёх одинаковых узлов (справа), цепей питания и микроконтроллера. С нижней стороны основной платы расположены три одинаковых модуля на отдельных платах по одному на каждый узел. Данные модули представляют собой микросхемы AD71056 с минимальной необходимой обвеской. Эта микросхема является однофазным измерителем электроэнергии.

Модули запаяны вертикально на основную плату. Витыми проводами к данным модулям подключаются токовые шунты.

За пару часов удалось срисовать электрическую схему прибора. Рассмотрим её более детально.

Справа на общей схеме изображена схема однофазного модуля, о котором говорилось выше. Микросхема D1 этого модуля AD71056 по назначению похожа на микросхему ADE7755, которая рассматривалась ранее. На четвёртый контакт модуля поступает питание 5В, на третий – сигнал напряжения. Со второго контакта снимается информация в виде импульсов о потребляемой мощности через выход CF микросхемы D1. Сигнал с токовых шунтов поступает через контакты X1 и X2. Конфигурационные входы микросхемы SCF, S1 и S0 в данном случае расположены на пинах 8-10 и сконфигурированы в «0,1,1».

Каждый из трёх таких модулей обслуживает соответственно каждую фазу. Сигнал для измерения напряжения поступает на модуль через цепочку из четырёх резисторов и берётся с нулевой клеммы («N»). При этом стоит обратить внимание, что общим проводом для каждого модуля является соответствующая ему фаза. А вот, общий провод всей схемы соединён с нулевой клеммой. Данное хитрое решение по обеспечению питанием каждого узла схемы расписано ниже.

Читайте также:  Счетчик вкт 7 блок питания

Каждая из трёх фаз поступает на стабилитроны VD4, VD5 и VD6 соответственно, затем на балластовые RC цепи R1C1, R2C2 и R3C3, затем – на стабилитроны VD1, VD2 и VD3, которые соединены своими анодами с нулём. С первых трёх стабилитронов снимается напряжение питания для каждого модуля U3, U2 и U1 соответственно, выпрямляется диодами VD10, VD11 и VD12. Микросхемы-регуляторы D1-D3 служат для получения напряжения питания 5В. Со стабилитронов VD1-VD3 снимается напряжение питания общей схемы, выпрямляется диодами VD7-VD9, собирается в одну точку и поступает на регулятор D4, откуда снимается 5В.

Общую схему составляет микроконтроллер (МК) D5 PIC16F720. Очевидно, он служит для сбора и обработки информации о текущей потребляемой мощности, поступающей с каждого модуля в виде импульсов. Эти сигналы поступают с модулей U3, U2 и U1 на пины МК RA2, RA4 и RA5 через оптические развязки V1, V2 и V3 соответственно. В результате на пинах RC1 и RC2 МК формирует импульсы для механического счётного устройства M1. Оно аналогично устройству, рассматриваемому ранее, и также имеет соотношение 200:1. Сопротивление катушки высокое и составляет порядка 500 Ом, что позволяет подключать её непосредственно к МК без дополнительных транзисторных цепей. На пине RC0 МК формирует импульсы для светодиодного индикатора HL2 и для внешнего импульсного выхода на разъёме XT1. Последний реализуется через оптическую развязку V4 и транзистор VT1. В данной модели счётчика соотношение составляет 400 импульсов на 1 кВт*ч. На практике при испытании данного счётчика (после небольшого ремонта) было замечено, что электромагнитная катушка счётного механизма срабатывает синхронно со вспышкой светодиода HL2, но через раз (в два раза реже). Это подтверждает соответствие соотношений 400:1 для индикатора и 200:1 для счётного механизма, о чём говорилось ранее.

Слева на плате расположено место для 10-пинового разъёма XS1, который служит для перепрошивки, а также, для UART интерфейса МК.

Таким образом, трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32» состоит из трёх однофазных измерительных микросхем и микроконтроллера, обрабатывающий информацию с них.

В заключение стоит отметить, что существует ряд моделей счётчиков куда более сложней по своей функциональности. К примеру, счётчики с удалённым контролем показаний по электролинии, или даже через модуль мобильной связи. В данной статье я рассмотрел только простейшие модели и основные принципы построения их электрических схем. Заранее приношу извинения за возможно неправильную терминологию в тексте, ибо я старался излагать простым языком.

Источник



Устройство электросчетчика

Без электрического счетчика не обходится в наши дни ни один объект, относящийся к типовым потребителям электроэнергии (независимо от их формы собственности). Знание устройства электросчетчика и принципа работы этого механизма позволит его хозяину лучше разобраться во всех тонкостях учёта, а также понять порядок начисления и снятия показаний. Владение этой информацией будет полезно и при выборе нового прибора, устанавливаемого в городской квартире или частном доме (рисунок далее по тексту).

Понимание того, как устроены электросчетчики, способствует выработке иного отношения к расходованию доставляемого энергоносителя, дорожающего год от года и требующего вложения дополнительных средств.

Виды счетчиков

Правила выбора и виды учетных приборов, допустимых к установке в частном жилье и на производстве, строго регламентируются действующими нормативными актами, включая ПУЭ.

Перед тем, как установить счетчик электроэнергии в квартире или цехе, каждый хозяин оформляет договор на его подключение к электросетям, в котором обязательно указывается выбранная модель.

Дополнительная информация. Знание типа и марки конкретного образца счётного устройства (электросчётчика) необходимо для того, чтобы своевременно провести его поверку, периодичность которой устанавливается для каждой модели индивидуально.

Производителями приборов этого класса освоен выпуск огромного количества различных моделей и типов промышленных и бытовых счетчиков энергии. Разобраться со всем многообразием учетных устройств можно лишь в том случае, если попытаться классифицировать их по тем или иным признакам, а именно:

  • Заявленный принцип работы электросчетчика данной модели;
  • Количество учитываемых фаз (фазность электрического прибора);
  • Указываемый в паспорте класс точности;
  • Способ снятия показаний (вариант подключения);
  • Тарификация учета;
  • Электрические параметры (ток и мощность прибора).

Согласно первому из этих признаков все учетные приборы делятся на индукционные счетчики (ИС) и электронные аппараты, а по второму – на однофазные и трёхфазные изделия. Кроме того, в соответствии со способом интегрирования в измеряемую цепь, они подразделяются на приборы прямого включения и устройства, подсоединяемые через специальные токовые трансформаторы – ТТ (смотрите фото ниже).

Точность различных образцов электросчётчиков может варьироваться от 0,2 до 2,5, а по наличию особых режимов снятия показаний они делятся на одно- 2-х и 3-х тарифные приборы. Электрические (токовые и мощностные) характеристики этих устройств выбираются, исходя из условий их эксплуатации.

Устройство и принцип работы ИС

Перед знакомством с устройством счетчика, в первую очередь, обратим внимание на то, что оно зависит как от принципа его действия, так и от функциональных возможностей. Так, устаревшие индукционные образцы в основном используются в однофазных питающих цепях и не могут обеспечить высокую точность измерений и режим с несколькими тарифами.

Читайте также:  Установка счетчика социальный найм квартира

Для того чтобы понять принцип работы индукционного прибора, следует ознакомиться со всеми деталями его устройства. Классические представители этого класса состоят из следующих основных частей:

  • Корпуса, состоящего из двух половинок;
  • Двух обмоток с магнитными сердечниками, одна из которых является токовой, а другая – рассчитана на измерение напряжения;
  • Противовеса полюсов и алюминиевого диска, насаженного на ось с червячным редуктором;
  • Счетного механизма и тормозного магнита.

Простыми словами, работу индукционного счетчика можно представить следующим образом.

Основой измерительной частью прибора являются два электромагнита, изготовленные в виде соленоидов, расположенных под углом 90 градусов. На обмотку одного из них поступает токовая составляющая измеряемой электрической мощности, а на другую катушку подается соответствующее ей напряжение (смотрите фото ниже).

Важно! В соответствии с электрической схемой учетного узла, его токовая обмотка включается в измерительную цепь последовательно, а катушка напряжения – параллельно.

Такой способ их подключения обеспечивает наведение в зазоре между электромагнитными сердечниками суммарной ЭДС, пропорциональной произведению тока и напряжения, то есть мощности.

В это общее для обоих сердечников поле помещается закреплённый на оси алюминиевый диск, передающий вращающий момент через червячный редуктор на простейший счётный механизм. Под воздействием суммарной ЭДС, создаваемой поданным на схему напряжением (оно всегда постоянно) и изменяющимся, в зависимости от нагрузки током, легкий диск начинает вращаться.

Заметьте! Скорость его вращения пропорциональна величине формируемого в зазоре общего э/м поля, а, следовательно – и потребляемой квартирной сетью мощности.

Ответ на вопрос, как работает электромеханический индукционный счетчик, оказывается совсем простым: чем быстрее крутится его диск с меткой в средней части, тем больше расходуется энергии в данной потребительской сети.

Принцип действия 3-х фазного прибора этого же типа ничем существенно не отличается от уже описанного ранее. Разница будет лишь в конструкции счетных узлов и э/м катушек, число которых увеличивается вдвое (по количеству дисков). Внешний вид трехфазного счетчика приведён на рисунке ниже.

По мере совершенствования производственных технологий на смену уже устаревшим устройствам индукционного типа приходят современные электронные приборы, обеспечивающие более высокое качество учёта электроэнергии.

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.

Особенности подключения

Устройство электросчетчика, с точки зрения его подключения к питающей линии, также должно учитываться при выборе прибора, подходящего для конкретных условий эксплуатации. В этом случае основное внимание уделяется следующим моментам:

  • При сетевом напряжении 220 Вольт в электрических цепях используются уже описанные ранее однофазные индукционные приборы или электронные счётные устройства;
  • В силовые цепи, рассчитанные на 380 Вольт, должны включаться трехфазные приборы учёта, позволяющие измерять не только активную, но и реактивную составляющую электрической мощности;

Дополнительная информация. Они также позволяют определять мгновенное направление потоков энергии.

  • Чисто внешнее их отличие от однофазных изделий состоит в больших габаритах и наличии на клеммнике 8-ми контактов вместо четырёх;
  • Что касается внутреннего устройства такого прибора, то для вывода показаний на лицевую панель также используется один механический счётчик, но импульсы на него поступают с двух дисков;
  • Суммирование каждой из учитываемых фаз происходит за счёт особой схемы подключения токовых катушек и обмоток напряжения;
  • В электронных трехфазных приборах подсчёт общей расходуемой мощности осуществляется программным путём.

По результатам обзора конструктивных особенностей и принципов работы счетчика можно с уверенностью сказать, что электронные приборы превосходят свои индукционные аналоги практически по всем показателям. Они не только с большей точностью учитывают объёмы потребляемой электроэнергии, но и обеспечивают удобную форму их представления (фото ниже).

Помимо этого, в этих современных изделиях предусматривается очень удобная для эксплуатационных условий возможность дистанционного снятия показаний и многотарифного учёта расходуемого энергоносителя.

Видео

Источник