Устройство и принцип работы цифрового электросчетчика

Конструкция и принцип работы

Измерительный аппарат совместим с однофазными и трехфазными цепями переменного тока. Его конструкция представлена:

• корпусом из термостойкого пластика или металла с клеммной колодкой;
• дисплеем – ЖК-индикатором, где отображаются данные и время, или механическим;
• источником запитки электронной схемы;
• токовым трансформатором – выполняет функции измерителя;
• микроконтроллером, преобразующим сигнал на входе в электрические величины;
• телеметрическим выходом для интеграции с АСКУЭ;
• часами – позволяют отслеживать реальное время и даты;
  

  

• супервизором – отслеживает колебания напряжения на входе и подает команду сброса микроконтроллеру, когда напряжение выключается либо включается;
• системой управления;
• оптическим портом, позволяющим снимать показания устройства.

Принцип работы цифрового счетчика электроэнергии заключается в прямом замере напряжения и тока. Он оцифровывает информацию, передавая ее на индикатор и сохраняя в памяти. Импульсы входных электронных твердотелых элементов создают под воздействием тока напряжения. Количество импульсов зависит от активности энергии.

Какими бывают электрические счетчики

По принципу работы счетного механизма эти устройства бывают трех типов:

1. Механические – в их основе шестеренчатый редуктор, который приводит в движение тот самый загадочный вращающийся диск.
2. Электронные – подсчет ведет генератор импульсов, результаты отображаются на жидкокристаллическом дисплее.
3. Гибридные – генератор импульсов работает в паре с шаговым электродвигателем, аналогичным тем, что работают в кварцевых часах. Результаты выдаются тем же способом, что и у механических приборов – цифрами на разрядных кольцах, приводимых в движение шестеренчатым редуктором.

Самое интересное в том, что принцип работы электросчетчика основан на одном и том же явлении – электромагнитной индукции.

Обозначение показателей цифрового счетчика

На территории РФ приборы начали применять с момента приватизации энергетической отрасли и подорожания электричества. Электронные устройства обладают рядом положительных характеристик:

• точность показаний при быстрой перемене напряжения или его снижении;
• учет электроэнергии по нескольким тарифам;
• подсчет различных типов энергии с помощью одного аппарата;
• одновременно замеряется мощность, количество и качество энергоресурсов;
• хранение данных в памяти и наличие к ним пользовательского доступа;
• предотвращение несанкционированного доступа и хищения электричества;
• дистанционное снятие показаний и предварительный подсчет потерь;
• совместимость с автоматическими сервисами коммерческого учета электроэнергии.

На основании данных электронного счетчика определяется несколько показаний:

• Энергозатраты за конкретный временной период. Понадобится вычесть из конечных показаний начальные. При необходимости расчетные данные умножают на коэффициент трансформации;
• Подключение бытовой техники и освещения в определенный момент. Устанавливается по загоранию/выключению светового индикатора.
• Параметры мощности, величины проходящего тока, процессы перегрузки сети и счетчика.

Цифровые приборы можно запрограммировать на дневную и ночную тарификацию. Для этого достаточно выбрать время подсчета.

И все-таки оно вертится!

Наиболее наглядно устройство электросчетчика видно на примере однофазного бытового устройства механического типа. Его принципиальная схема приведена на рисунке ниже.

1. Ш-образный сердечник
2. П-образный сердечник
3. Редуктор
4. Постоянный магнит
5. Диск

К клеммам 1 и 2, в которые зажимается фазный провод, подключена катушка с небольшим количеством витков, установленная на П-образный металлический сердечник. Она называется токовой, поскольку включение последовательное. К клемме 1 также подключен еще один провод, идущий на другую катушку с большим количеством витков и установленную на Ш-образный металлический сердечник.

Место соединения разъемное, крепежом является винт, называемый «винт напряжения», поскольку второй конец катушки соединен с клеммой 3, к которой подключается нулевой провод и соединение параллельное. Сердечники катушек расположены под углом 900 друг к другу, а в разрыве между ними находится край алюминиевого диска.

При прохождении переменного электрического тока через катушки в сердечниках наводится пульсирующее магнитное поле. Их произведением является вихревой магнитный поток, вращающийся всегда в одну сторону. По закону электромагнитной индукции этот вихрь наводит электрический ток в алюминиевом диске и понуждает его вращаться вслед за собой.

Все это очень напоминает устройство асинхронного однофазного электродвигателя с пусковой и рабочей обмотками. Различие только в том, что счетчик электроэнергии является измерительной машиной, поэтому для точности показаний в нем надо исключить все факторы, которые могут их изменить.

Например, момент инерции. Именно поэтому ротор, роль которого играет диск, выполняется из алюминия – наиболее легкого электропроводящего материала, не подверженного вторичному намагничиванию. Дисковидная форма выбрана по той причине, что побочным явлением электромагнитной индукции является нагревание металлов так называемыми токами Фуко.

В проводниках плоской формы они быстрее затухают. Это свойство используется, например, в высоковольтных трансформаторах большой мощности, первичная обмотка которых выполняется проводником прямоугольного сечения.

Вторым отличием механического счетчика от асинхронного двигателя является наличие в его конструкции тормоза – постоянного магнита, расположенного у края диска. Он нужен для того, чтобы вращение было равномерным, без ускорения, а остановка происходила мгновенно, без выбега. Положение этого магнита можно менять, меняя величину электрической мощности, на которую устройство не реагирует. Обычной заводской настройкой является 25 Вт.

Диск насажен на ось, на одном конце которой находится червячная шестерня. Через нее и приводится в действие редуктор счетного механизма. Смена положений обмоток действительно может привести к реверсированию. Для этого надо лишь изменить порядок подключения: фазу подать на клемму 3 и снять ее с четвертой. Для борьбы с мошенничеством в редукторе установлен храповой механизм, блокирующий вращение в обратную сторону.

Трехфазные счетные механические устройства устроены подобным же образом. Но есть тонкости: если схема построена с глухозаземленной нейтралью – фазы на выходе силового трансформатора подстанции соединены звездой и линия состоит из трех проводников, то в счетчике два диска на одной оси. А при обычном для линий до 1000 вольт соединении треугольником и наличии отдельной нейтрали (четыре провода) дисков три. При этом подсчет расхода электрической мощности ведется в любом случае, даже если задействована хотя бы одна фаза.

Принцип действия электронного счетчика основан на использовании второго, скорее побочного действия электромагнитной индукции – нагревании проводников. Температурные датчики – это могут быть термопары или терморезисторы, преобразуют тепло в электрический сигнал, который играет роль управляющего воздействия.

Подавляющее большинство электронных счетных устройств строятся на микросхемах серий МРС 3905, 3906 или 3909. Принципиально они состоят из трех модулей:

1. Двух операционных усилителей (аналог катушек тока и напряжения).
2. Генератора незатухающих колебаний, имеющего собственный блок питания и подключенного к одной из фаз.
3. Счетчика импульсов.

Операционные усилители работают в паре с термодатчиками и подают электрический управляющий сигнал на генератор незатухающих колебаний, частота которых меняется в зависимости от его величины.

Если показания электросчетчика выводятся на жидкокристаллический дисплей, то количество импульсов за единицу времени учитывается отдельной микросхемой, преобразующей его в кодовый сигнал. При использовании механических редукторов импульсы поступают непосредственно на шаговый двигатель. Чем выше частота их следования, тем быстрее он вращается.

В трехфазных приборах электрического учета таких управляющих микросхем три, а в однофазных – одна.

Индукционные

Индукционные модели работают по принципу создания электромагнитного поля в катушке и его взаимодействия с токопроводящим диском. Однофазный аппарат подключается к катушке-сети переменного тока параллельно. Магнитные потоки и вихревые токи взаимодействуют между собой только в диске. Индукционный счетчик будет функционировать нормально при фазовом сдвиге в 90 градусов. Энергозатраты зависят от интенсивности вращения диска, которая соответствует мощности потребления.

Принцип работы эл счетчика основывается на подсчетах мощности активного и реактивного типа. Это позволяет точно подсчитывать энергозатраты, если в помещении трехфазный тип подключения.

Индукционные модели считают расход по единому тарифу, цифровые приборы отслеживают параметры в зависимости от времени суток. Точность измерения нового счетчика – 1-й категории, традиционные выпускаются с классом точности 2,5.

По сравнению с индукционным цифровой счетчик на собственные нужды затрачивает минимум энергоресурсов. Традиционные устройства нельзя поставить снаружи, а электронные могут работать в условиях мороза, защищены от воздействия влаги и пыли.

После включения в розетку любого электроприбора, возрастает нагрузка и соответственно увеличивается скорость вращения магнитного диска.

Наверное, всем знакомы счетчики, которые имеют вращающийся диск.

Схема работы — проста и понятна, чем выше скорость вращения этого колесика, тем, соответственно, больше идет расход электроэнергии.

Чтобы определить показания израсходованной энергии – достаточно посмотреть на обозначения, которые находятся на специальных крутящихся барабанах.

Такие счетчики имеют следующий принцип работы:

1. Внутри устройства есть 2 катушки – первая это катушка напряжения, а вторая токовая. Магнитные потоки, которые они образуют, проникают через алюминиевый диск. А потоки, идущие от токовой катушки, проникают по несколько раз. В результате этого образуются электромеханические силы, которые собственно и вращают этот диск.

2. 

   После вращения дисковая ось начинает взаимодействие уже с самим счетным механизмом, которым является червячная передача.А уже непосредственно от неё поступает информация на сами цифровые барабаны, которые мы видим на счетчике.

   В зависимости от скорости вращения диска, зависит и мощность сигнала — чем она больше, тем выше мощность, а соответственно больший расход энергии.

3. В те моменты, когда потребляемая мощность снижается, начинает действовать магнит торможения. Именно за счет постоянного взаимодействия его с вихревыми потоками и происходит уменьшение частоты вращения диска.В этом случае магнит является источником электромеханической силы, которая имеет противоположную направленность кручения диска, что и уменьшает его скорость, и может его полностью остановить.

Надежность показаний и необходимость ремонта

Качественный цифровой электросчетчик отличается высокой точностью. Проверить параметры без нарушения целостности корпуса и пломб можно так:

1. После прекращения подачи напряжения индикатор останавливается. Если учет продолжается – устройство неисправно.
2. Счетчик всегда жужжит при работе, о неполадках свидетельствует самоход.
3. Показания искажаются при отключении всех бытовых приборов. Обязательно проверяется наличие самохода.

Тестирования лучше производить ночью, в условиях минимальной нагрузки на электросеть. Если самохода нет, импульсы индикатора отсутствуют на протяжении 15 минут. Импульс, возникший, когда подключение не произведено, означает поломку.

Какие электросчетчики лучше?

Приборы учета с вращающимся диском нередко преподносятся как нечто архаичное и подлежащее замене. Энергоснабжающие организации могут просто вынуждать потребителей делать это, аргументируя тем, что электронные точнее. Но, поскольку дьявол кроется в деталях, давайте попробуем разобраться в том, стоит ли идти на поводу у монополистов.

• Если класс точности менее 2,5. Он указан на лицевой панели прибора – цифра в кружке.
• Количество целочисленных разрядов в показаниях менее пяти. Дробный разряд указывается кольцом красного цвета и его значение не учитывается.
• Если прибор рассчитан на токи менее 30 ампер.

Недостатки:

• Невысокая точность измерений.
• Большие габариты и вес, выглядят малоэстетично.
• Могут шуметь.
• Нельзя учитывать расход по многотарифному плану.
• Для снятия показаний приходится лезть под потолок – неудобно и рискованно.

Достоинства:

• Учитывают только активную, полезную составляющую электрической энергии.
• Не реагируют на потребителей мощностью менее 25 ват (например, светодиодные лампы).
• Спокойно переносят перегрузки в сети, не выходят из строя в грозу.
• Относительно дешевы.

Положительные качества:

• Высокая точность измерений.
• Малые габариты и вес.
• Можно установить модель, учитывающую несколько суточных тарифов.
• Есть возможность (при наличии блоков GPRS и Wi-Fi) снимать показания дистанционно и даже автоматически их отправлять поставщику.

Недостатки:

• Учитывают не только полезную активную, но и реактивную, паразитную, составляющую электроэнергии.
• Чувствительны к качеству поставляемого электричества, могут выходить из строя в грозу.
• Хороший электронный счетчик электроэнергии не может стоить дешево.

Зная устройство, а также достоинства и недостатки приборов учета электрической энергии, вы без труда можете решить, стоит ли вам менять имеющийся, а если приобретать, то какой именно. Можно сказать точно, что счетчики с вращающимся диском не стоит считать архаикой и отказываться от них. Для сельской местности – это оптимальный вариант.

Критерии подбора

Перед покупкой устройства стоит обращать внимание на ряд параметров:

• Допустимая величина тока. Цифровые модели рассчитаны на ток 5-60А, что подходит для квартир и частных домов.
• Дата проверки. На трехфазном счетчике должна находится пломба не старше 1 года.
• Количество пломб. Первое опломбирование делают государственные органы – отметку проставляют на кожухе. Вторая пломба на зажимной крышке – от предприятия энергоснабжения.
• Опционал. Чем больше функций, тем дороже счетчик. Но внутренний тарификатор создает график нагрузки, а в журнале событий отмечается повышение и понижение напряжения в каждой фазе.
• Обслуживание и гарантии. Качественные модели имеют большой гарантийный период. Сервисный центр бренда есть в городе покупателя.
• Интервал проверки. Оптимально – от 10 до 16 лет.
• Интеграция с АСКУЭ. Показания автоматически передаются провайдеру.
• Фазность. Информация указывается на табло. Однофазный аппарат имеет маркировку 220 или 230 В, трехфазный – 220/380 В или 230/400 В.
• Количество тарифов. Двухтарифная схема исключает переплаты за электричество в ночное время.
• Способ монтажа. Цифровой аппарат крепится на винтах (корпус S или Ш) или дин-рейках (корпус R или P).

Список лучших аппаратов учета

Потребители и профессиональные электрики рекомендуют несколько устройств.

Меркурий 201.8

Прочный бюджетный прибор с разрешением ЖК-экрана 7 разряда и классом точности 1. Рассчитан на сеть с напряжением 220-230 В и силой тока 5-80 А. Исправно работает в условиях жары и мороза при влажности до 90 %. Оснащен:

• модульным корпусом;
• измерительным токовым конвертером;
• винтовыми клеммами;
• светодиодной подсветкой зоны показаний.

Эксплуатационный срок модели – 30 лет, ревизионный – 16 лет.

Нева М. Т.123

Аппарат с рабочим напряжением 230 В и номинальным током 5 А. Гарантия изготовителя – 30 лет. Предназначен для измерения:

• частоты напряжения в сети;
• активной мощности электролинии;
• показателей токового напряжения и силы.

Модель имеет 1 класс точности, может устанавливаться в офисах, домах, торговых залах и квартирах.

Класс точности модели – 1. Она не подвергается климатическим, электромагнитным и механическим повреждениям. Устройство рассчитано на силу тока 5-60 А, рабочее напряжение 220-230 В. Может работать без сбоев при температуре от -45 до 70 градусов и влажности 98 %. Дополнительные возможности:

• шпунт;
• память энергонезависимого типа;
• интерфейсы связи;
• пользовательское перепрограммирование;
• вывод данных за нужный период времени;
• снятие информации без напряжения.

В память счетчика нельзя внести корректировки.

Плюсы и минусы механических моделей

• надежность в эксплуатации;
• долговечность;
• отсутствие подверженности к скачкам напряжения;
• более дешевые, нежели электронные.

А вот что касается недостатков, то их несколько больше, чем положительных сторон:

• низкий класс точности;
• близкая к нулю защита от воровства электричества;
• повышенное потребление тока самим счетчиком;
• при уменьшении нагрузки – пропорционально увеличивается и погрешность в расчете;
• большой размер счетчика.

• многотарифность;
• возможность ведения учета в двух направлениях;
• легкий доступ к данным;
• возможность долговременного хранения данных об потреблении электроэнергии;
• на экран выводится мощность и объем потребляемой энергии;
• высокий класс точности;
• фиксация всех попыток несанкционированного хищения электричества;
• возможность получить данные счетчика дистанционно;
• незначительные габариты.

Что касается недостатков таких устройств, то их крайне мало:

• высокая чувствительность к колебаниям напряжения;
• повышенная цена в сравнении с индукционными;
• сложность, а зачастую и невозможность ремонта.