Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania, budowy i sposobu sprawdzania jednofazowych
elektromechanicznych i elektronicznych (cyfrowych) liczników energii czynnej.
2. Wprowadzenie
W zależności od zasady działania i konstrukcji liczniki energii dzieli się na dwie podstawowe grupy: liczniki
elektromechaniczne i liczniki elektroniczne. Liczniki elektroniczne dzieli się na liczniki analogowe, w których
mnożenie sygnałów prądowego i napięciowego odbywa się w sposób analogowy, najczęściej za pomocą
przetwornika typu TDM [1, 5] i liczniki cyfrowe, w których mnożenie sygnałów odbywa się po przetworzeniu
ich w sygnały cyfrowe lub w częstotliwościowe. Liczniki cyfrowe są zwykle zaopatrzone w mikroprocesor, stąd
ich nazwa liczniki mikroprocesorowe.
W Polsce najbardziej są rozpowszechnione liczniki elektromechaniczne. Jednakże ze względu na ich nie
najlepsze parametry (przede wszystkim duży pobór mocy) są one coraz częściej zastępowane przez
mikroprocesorowe liczniki cyfrowe.
3. Liczniki elektromechaniczne
3.1 Zasada pomiaru energii
Energię elektryczną czynną oblicza się ze wzoru
(
3.1)
∫
=
2
1
t
t
Pdt
W
w którym: P- moc czynna będąca funkcją czasu t; t=t
2
- t
1
- czas trwania pomiaru energii.
Pomiar energii wykonuje się przez pomiar mocy z jednoczesnym całkowaniem jej w czasie.
Elektromechanicznym licznikiem energii prądu przemiennego jest tarczowy watomierz indukcyjny
[2],
wyposażony w mechanizm liczący liczbę obrotów tarczy. Moment napędowy działający na tarczę aluminiową
jest proporcjonalny do mocy
P
c
M
1
1
=
(
3.2)
przy czym – stała konstrukcyjna
1
c
Na organ ruchomy licznika, tzw. wirnik, nie działa moment zwracający (brak sprężyny), a kąt obrotu wirnika
jest nieograniczony. Na obracającą się pod wpływem momentu napędowego M tarczę działa moment hamujący,
proporcjonalny do prędkości obrotowej
v
c
M
2
2
=
(
3.3)
Moment hamujący pochodzi głównie od pola magnetycznego magnesu trwałego obejmującego tarczę.
Wartość tego momentu zależy od prądów wirowych indukowanych w tarczy. Prądy indukowane są
proporcjonalne do prędkości v przecinania pola magnetycznego przez tarczę.
Prędkość tarczy określa zależność
dt
dN
r
2
dt
)
rN
2
(
d
dt
dl
v
π
=
π
=
=
(
3.4)
w której: r – odległość od osi obrotu tarczy do środka strumienia między nabiegunnikami magnesu, l=2πrN
– droga przebyta po N obrotach przez punkt tarczy oddalony o r od osi.
Jeśli moment napędowy i hamujący, działające na tarczę, są równe (
2
1
M
M
=
), to tarcza obraca się ruchem
jednostajnym, wówczas
dt
dN
r
2
c
P
c
2
1
π
=
( 3.5 )
Po przekształceniu
cdN
rdN
2
c
c
Pdt
1
2
=
π
=
(
3.6)
str. 1
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
przy czym
r
2
c
c
c
1
2
π
=
.
Po scałkowaniu powyższej zależności w czasie od do
t
otrzymuje się
1
t
2
(
3.7)
∫
∫
=
2
1
2
1
N
N
t
t
dN
c
Pdt
przy czym
i
- liczba obrotów tarczy w chwili rozpoczęcia i zakończenia pomiaru.
1
N
2
N
Lewa strona równania określa wartość mierzonej energii elektrycznej W, a prawa – liczbę obrotów tarczy
, czyli
2
1
N
N
N
−
=
cN
W
=
(
3.8)
Wynika stąd, że miarą energii może być liczba obrotów tarczy z uwzględnieniem stałej konstrukcyjnej c.
W praktyce na tabliczce znamionowej licznika jest podawana inna stała licznika K, będąca odwrotnością stałej c
W
N
c
1
K
=
=
(
3.9)
która wyraża liczbę obrotów wirnika odpowiadającą jednostce energii elektrycznej, np. 400obr/1 kW·h.
Na tabliczce znamionowej licznika jest podana znamionowa stała licznika
. Zależnie od właściwości
licznika i warunków pomiaru rzeczywista stała
różni się od stałej znamionowej. Wynika stąd błąd pomiaru
energii
N
K
P
K
N
N
P
P
P
N
P
P
W
K
K
K
K
N
K
N
K
N
W
W
W
−
=
−
=
−
=
δ
(
3.10)
przy czym:
W
W
,
- wartości energii wskazanej i rzeczywistej lub poprawnej (wartość rzeczywista na
ogół nie jest znana – wtedy korzysta się z wartości poprawnej , mierzonej przyrządem dostatecznie dokładnym).
P
W
Wyznaczenie błędu licznika wymaga określenia poprawnej stałej
licznika. W tym celu mierzy się
watomierzem przepływającą przez licznik moc P, stałą w czasie pomiaru oraz mierzy się czas
t
, w którym
wirnik wykonał N obrotów, wtedy
P
K
P
P
P
P
Pt
N
1000
3600
W
N
K
×
=
=
(
3.11)
przy czym P – moc w watach, - czas mierzony w sekundach; współczynnik liczbowy 3,6
×
pozwala
na zmianę watosekund (W·s) na kilowatogodziny (kW·h).
P
t
6
10
Na podstawie stałej znamionowej
licznika dla obranej liczby N obrotów wirnika i mocy P można
obliczyć tzw. czas znamionowy w sekundach
N
K
N
N
PK
N
1000
3600
t
×
=
(
3.12)
Błąd względny licznika oblicza się na podstawie stałych
i
lub na podstawie czasów
t
i
P
K
N
K
N
P
t
%
100
t
t
t
%
100
K
K
K
P
P
N
P
N
P
−
=
−
=
δ
(
3.13)
str. 2
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
3.2 Budowa jednofazowego licznika indukcyjnego
Zasadę budowy licznika jednofazowego ilustruje rys. 2.1.
U
I
BM
Al
Liczydło
k
I
~
N
S
Rys. 3.1. Uproszczona budowa licznika indukcyjnego jednofazowego
Głównym zespołem licznika są: elektromagnes napięciowy, elektromagnes prądowy, wirnik, magnes stały i
liczydło. Elektromagnesy mają rdzenie ferromagnetyczne wykonane z blach transformatorowych. Cewka
elektromagnesu napięciowego ma dużą liczbę zwojów cienkiego drutu miedzianego. Cewka prądowa jest
uzwojona grubym drutem o małej liczbie zwojów w dwóch sekcjach połączonych szeregowo. Wirnikiem jest
tarcza aluminiowa osadzona na ułożyskowanej osi połączonej przekładnią zębatą z liczydłem. W „klasycznych”
licznikach jest stosowane liczydło bębnowe o sześciu lub siedmiu bębnach cyfrowych. W nowszych
rozwiązaniach spotyka się liczydła cyfrowe.
Pod wpływem sinusoidalnego napięcia i prądu doprowadzonych do odpowiednich cewek licznika powstają
przemienne strumienie magnetyczne przenikające tarczę aluminiową w
kilku miejscach. Strumienie
magnetyczne, napięciowy
u
Φ
i prądowy
i
Φ
, indukują w tarczy prądy wirowe. Współdziałanie indukowanych
prądów wirowych ze strumieniami magnetycznymi przesuniętymi względem siebie w przestrzeni i w fazie
powoduje powstanie momentu napędowego M wprawiającego wirnik w ruch obrotowy.
Można wykazać, że moment obrotowy jest określony wzorem
ψ
Φ
Φ
ω
=
sin
k
M
i
u
m
(
3.14)
w którym:
- stała konstrukcyjna,
m
k
ω
- pulsacja strumieni,
ψ
- kąt fazowy między strumieniami
u
Φ
i
.
i
Φ
Strumienie magnetyczne
Φ
i
zamykają się w rdzeniach ze szczeliną powietrzną. W związku z tym
zależność strumieni od napięcia i prądu w cewkach jest praktycznie liniowa. Strumień prądowy jest
proporcjonalny do wywołującego go prądu
u
i
Φ
I
k
i
i
=
Φ
(
3.15)
Podobnie strumień napięciowy jest proporcjonalny do prądu
w cewce napięciowej, a tym samym
proporcjonalny do napięcia w cewce
u
I
u
u
u
u
u
Z
U
k
I
k
=
=
Φ
(
3.16)
przy czym
u
u
u
L
j
R
Z
ω
+
=
- impedancja obwodu napięciowego.
Cewka napięciowa ma dużą indukcyjność
, więc
u
L
u
u
L
R
ω
〈〈
i dlatego z dostatecznym przybliżeniem
można napisać
str. 3
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
u
u
u
L
U
k
ω
=
Φ
(
3.17)
Podstawiając do wzoru (3.14) zależności określające strumienie otrzymuje się
ψ
=
sin
kUI
M
(
3.18)
przy czym
const
L
k
k
k
k
u
i
u
m
=
=
(
3.19)
Aby moment napędowy był proporcjonalny do mocy czynnej przepływającej przez licznik, musi być
spełnione wymaganie
ϕ
=
ψ cos
sin
(
3.20)
w którym
ϕ
jest kątem fazowym między napięciem a prądem obciążenia.
Z ostatniej zależności wynika
(
3.21)
ϕ
−
=
ψ
0
90
Z wyidealizowanego wykresu wektorowego przedstawionego na rys.3.2 widać, że wymagania fazowe są
spełnione bez dodatkowych zabiegów konstrukcyjnych. Strumień prądowy
i
Φ
wywołany prądem I odbiornika,
jest w fazie z tym prądem. Strumień napięciowy
u
Φ
wytwarzany przez cewkę napięciową (o dużej
indukcyjności
) opóźnia się względem napięcia o
, otrzymuje się więc związek
u
L
0
90
(
3.22)
ϕ
=
ϕ
−
=
ψ
cos
)
90
sin(
sin
0
świadczący o proporcjonalności momentu napędowego ustroju indukcyjnego do mocy czynnej P
kP
cos
kUI
M
=
ϕ
=
(
3.23)
u
I
U
I
u
φ
ϕ
i
φ
ϕ
ψ
−
=
0
90
Rys. 3.2 Wyidealizowany wykres wektorowy licznika indukcyjnego
Wyidealizowany wykres wektorowy z rys.3.2 nie uwzględnia rezystancji uzwojenia napięciowego, strumieni
rozproszenia, strat mocy występujących w rdzeniach (na histerezę i prądy wirowe), strat w tarczy licznika itp.
W rzeczywistym liczniku przesunięcie fazowe między strumieniem
u
Φ
a napięciem U jest mniejsze niż
, a
strumień prądowy jest opóźniony o pewien kąt względem prądu I . W celu dokładnego zbliżenia zależności
są stosowane różne metody korekcji przesunięć fazowych w licznikach.
0
90
ϕ
ψ
−
=
0
90
Często stosowany sposób korekcji polega na umieszczeniu na rdzeniu prądowym kilku dodatkowych
zwojów
(rys.3.1) obciążonych pętlą z drutu oporowego o rezystancji regulowanej przesuwaną zworą.
Rezystancja uzwojenia
wprowadza dodatkowe przesunięcie fazowe strumienia prądowego, dzięki czemu
jest możliwe wyregulowanie fazowe licznika.
k
N
k
N
Moment napędowy jest równoważony momentem hamującym, który powstaje w tarczy aluminiowej wirnika
na skutek ruchu obrotowego tarczy w polu magnetycznym. W tarczy indukują się prądy proporcjonalne do
strumieni magnetycznych przecinających tarczę i do prędkości wirowania. Współdziałanie strumieni z
indukowanymi prądami powoduje wytworzenie momentu obrotowego, przeciwnie skierowanego do kierunku
str. 4
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
wirowania. Powstający moment hamujący jest proporcjonalny do prędkości wirowania i do kwadratu strumienia
magnetycznego
dt
dN
c
M
2
2
Φ
=
( 3.24)
przy czym c – stała konstrukcyjna.
Główna składowa momentu hamującego pochodzi od stałego w czasie strumienia magnesu trwałego. Druga
składowa momentu hamującego pochodzi od strumienia napięciowego, którego wartość zmienia się
nieznacznie, gdyż w zwykłych warunkach pracy licznika obwód napięciowy jest zasilany napięciem o wartości
zbliżonej do znamionowej. Trzecia składowa momentu hamującego – najmniejsza – pochodzi od strumienia
prądowego, którego wartość zmienia się wraz z prądem obciążenia. Wzrost prądu powoduje szybszy wzrost
momentu hamującego niż napędowego (ponieważ
zależy od
h
M
2
Φ
), powstaje więc ujemny błąd pomiaru
energii. Powstanie tego błędu uniemożliwia bocznik magnetyczny (BM na rys.3.1), szybko nasycający się,
umieszczony między biegunami rdzenia prądowego. Strumień magnetyczny w boczniku, na skutek nasycenia,
zwiększa się wolniej niż prąd w cewce prądowej, a wtedy roboczy strumień magnetyczny prądowy, a wraz
z nim moment napędowy, wzrasta szybciej niż prąd. W efekcie następuje korekcja błędu licznika.
Wartość momentu hamującego, a tym samym i stałej licznika, można nastawiać zmieniając położenie
magnesu trwałego. Zbliżenie biegunów magnesu do osi obrotu tarczy zmniejsza moment hamujący.
W licznikach, oprócz dwóch głównych momentów: napędowego i hamującego, występuje dodatkowo
moment tarcia
, powstający w łożyskach i liczydle. Błąd licznika wynikający z tarcia może być ograniczony
działaniem momentu kompensacyjnego
, który powinien działać stale, niezależnie od wartości prądu I w
obwodzie prądowym. Moment kompensujący jest wytwarzany na drodze rozdzielenia strumienia
t
M
k
M
u
Φ
na dwie
składowe, przesunięte względem siebie w fazie i w przestrzeni. Przykład rozwiązania konstrukcyjnego ilustruje
rys.3.3.
Przesunięcie fazowe składowej strumienia
k
Φ
zależy od głębokości wkręcenia w rdzeń śrubki mosiężnej, w
której indukują się prądy wirowe. Śrubkę mosiężną wkręca się tak, aby moment kompensacyjny prawie
zrównoważył moment tarciowy (
).
t
k
M
M
=
u
φ
v
k
φ
Rys. 3.3 Zasada wytwarzania momentu kompensującego
Moment kompensacyjny zależy od kwadratu napięcia doprowadzonego do licznika. Napięcie to ma
praktycznie wartość niezmienną, a więc stałą wartość ma również moment kompensacyjny. Zależy on natomiast
od prędkości tarczy. Dodatkowo, aby zapobiec zmianie momentu kompensacyjnego ze zmianą napięcia sieci
liczniki mają specjalne urządzenie hamujące – hamulczyk. Tworzy go kawałek drutu stalowego umocowany
poziomo na osi tarczy. Kiedy tarcza obraca się, wolny koniec drutu przesuwa się obok stalowej blaszki
przymocowanej do rdzenia i magnesowanej przez strumień rozproszenia obwodu napięciowego. Blaszka
przyciąga drut i hamuje tarczę. Hamulczyk zapobiega również obracaniu się tarczy licznika przy przerwanym
obwodzie prądowym.
3.3 Wymagania normalizacyjne
Liczniki indukcyjne, przeznaczone do bezpośredniego włączenia do obwodu prądowego są budowane na
prądy bazowe
: 5; 10; 15; 20; 30; 40 i 50 A, natomiast przeznaczone do włączenia przez przekładniki
prądowe mają prądy bazowe 1; 2,5; 3 lub najczęściej 5 A. Oprócz prądu bazowego licznika wytwórca podaje
prąd maksymalny
, który powinien być równy 125%
lub całkowitej wielokrotności tego prądu. Na
b
I
m
I
b
I
str. 5
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
przykład napis 10(50) A oznacza prąd bazowy 10 A i prąd maksymalny 50 A, który trwale może przepływać
przez licznik.
Napięcia odniesienia liczników obejmują szereg napięć znormalizowanych od 100 do 600 V, a liczniki
przeznaczone do połączenia za pośrednictwem przekładników napięciowych mają napięcia odniesienia od 57,7
(100/
3
) do 200 V.
Polska Norma PN-93/E-06504
1)
(tłumaczenie normy międzynarodowej IEC 521), dotycząca liczników
jednofazowych i trójfazowych energii czynnej przewiduje trzy klasy dokładności: 0,5; 1 i 2. Dopuszczalne
błędy liczników wyrażone w procentach wyznaczone w warunkach odniesienia (określonych normą) podano w
tab. 3.1. Zgodnie z normą prąd rozruchu, czyli najmniejsza wartość prądu powodująca trwały ruch tarczy, nie
powinien przekraczać 0,3; 0,4; 0,5%
, odpowiednio dla klasy 0,5; 1 i 2.
b
I
Przy braku prądu w obwodzie prądowym, w tzw. stanie jałowym przy napięciu w zakresie
80
÷110%
U
wirnik może wykonać nie więcej niż jeden obrót.
n
Obwód napięciowy licznika w warunkach odniesienia nie powinien pobierać mocy czynnej większej od 3 W
i pozornej większej od 12 V
⋅A dla klas 0,5 i 1 oraz 2 W i 8 V⋅A dla klasy 2. Dla obwodów prądowych
przewiduje się mniejszy pobór mocy.
Tabela 3.1. Dopuszczalne błędy liczników indukcyjnych
Wartość prądu
obciążenia licznika
Dopuszczalne błędy (%)
dla klas
Współczynnik
mocy
cos
ϕ
0,5 1 2
5%
b
I
1
±1
±1,5
±2,5
od 10%
do
b
I
m
I
1
±0,5
±1
±2
10%
b
I
0,5 ind.
±1,3
±1,5
±2,5
od 20%
do
b
I
m
I
0,5 ind.
±0,8
±1
±2
10%
b
I
0,8 poj.
±1,3
±1,5
od 20%
do
b
I
m
I
0,8 poj.
±0,8
±1
Liczniki jednofazowe stosuje się najczęściej do pomiaru energii elektrycznej w lokalach mieszkalnych
zasilanych jednofazowo. Sposób włączenia licznika do obwodu jest podobny jak watomierza. Na rys. 3.4
przedstawiono połączenie licznika z wykorzystaniem zacisków oznaczonych zgodnie z normą.
1
2
4
5
6
3
L
N
Rys. 3.4.Schemat przyłączenia licznika jednofazowego do sieci wg norm
IEC 521 (PN - 93/E - 06504); IEC 1036 (PN – EN 61036)
1)
Norma ta wprowadziła pojęcie prąd bazowy zamiast prąd znamionowy i napięcie odniesienia zamiast napięcie
znamionowe
str. 6
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
4. Liczniki elektroniczne
4.1 Liczniki z mnożnikami analogowymi
Elektroniczne liczniki energii elektrycznej mają przeznaczenie takie same jak liczniki indukcyjne, jednak ich
zasada działania i budowa jest zupełnie inna, a właściwości metrologiczne są znacznie lepsze.
W licznikach energii czynnej z mnożnikami analogowymi (rys.4.1) są wykonywane trzy zasadnicze operacje:
• mnożenia wartości chwilowych napięcia u(t) i prądu i(t), w wyniku czego otrzymuje się wartość mocy
chwilowej (
),
)
(
)
(
)
(
t
i
t
u
t
p
=
• uśredniania mocy chwilowej, co daje moc czynną (
∫
=
T
0
dt
)
t
(
p
T
1
P
),
• całkowania mocy w czasie w celu otrzymania wielkości proporcjonalnej do mierzonej energii
(
).
∫
=
2
1
t
t
Pdt
W
Schemat blokowy licznika energii z mnożnikiem analogowym przedstawiono na rys. 4.2.
i(t)
u(t)
p(t)
P
W
Układ
całkujący
(uśredniający)
Układ
całkujący
p(t)=u(t)i(t)
X
∫
=
T
dt
t
p
T
P
0
)
(
1
∫
=
2
1
t
t
Pdt
W
Rys. 4.1 Ilustracja zasady działania licznika z mnożnikiem analogowym
Sygnały proporcjonalne do napięcia i prądu doprowadza się do układu mnożącego za pośrednictwem
przetworników wejściowych. Przetwornik wejściowy w obwodzie napięciowym stanowi przekładnik
napięciowy lub dzielnik napięcia. Jako przetworniki wejściowe w obwodzie prądowym stosuje się przetworniki
prąd – napięcie lub przekładniki prądowe. W najprostszym rozwiązaniu przetwornik ten jest bocznikiem.
Całkowanie mocy czynnej w czasie realizuje się zwykle nie przez zastosowanie układu całkującego, ale przez
zamianę napięcia proporcjonalnego do mocy czynnej na częstotliwość ( f
cP
=
), a następnie na zliczaniu liczby
impulsów przez licznik w określonym czasie
1
2
t
t
t
−
=
. Liczba impulsów zliczonych przez licznik jest
proporcjonalna do energii (
).
cW
cPt
ft
N
=
=
=
Przetwornik
wejściowy
U
Przetwornik
wejściowy
I
Układ
uśredniający
Przetwornik
U/f
Licznik
X
~
Rys. 4.2 Schemat licznika elektronicznego z mnożnikiem analogowym
Licznik liczby impulsów może być licznikiem elektronicznym. W praktyce często stosuje się liczydła
bębnowe, jak w licznikach indukcyjnych, napędzane silnikiem krokowym (w którym kąt obrotu jest
proporcjonalny do liczby impulsów), aby przy zaniku napięcia sieci wskazanie licznika nie uległo skasowaniu.
Bloki elektroniczne licznika zasila się napięciem stałym z zasilacza, nie pokazanego na rys. 4.2.
Z wielu typów układów mnożących (rys. 4.3), obecnie w licznikach najczęściej wykorzystuje się mnożniki
impulsowe TDM (Time Division Multipler), rzadziej mnożniki o zmiennej transkonduktancji
(transkonduktancyjne). W starszych rozwiązaniach stosowano mnożniki hallotronowe i kwadratujące
[1, 5].
str. 7
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
Mnożniki
bezpośrednie
Mnożniki
impulsowe
Mnożniki
z działaniami
matematycznymi
Mnożniki
o zmiennej
transkonduktancji
elektro-
dynamiczne
hallotronowe
ze
sterowaną
rezystancją
logarytmiczne
kwadratujące
z funkcjami
trygonometry
-cznymi
całkujące
z
generatorem
zewnętrznym
z układem
całkującym
potencjo-
metryczne
z termo-
rezystorami
z magneto-
rezystorami
Analogowe układy mnożące
unipolarne
z foto-
rezystorami
Rys. 4.3 Podział analogowych układów mnożących
W układach mnożących z modulacją impulsową TDM wykorzystuje się zależność między wartością średnią
ciągu impulsów prostokątnych a ich amplitudą, czasem trwania i częstotliwością.
Wartość średnia impulsów jak na rys.4.4a wynosi
i
m
i
m
av
U
T
t
U
U
γ
=
=
(
4.1)
natomiast impulsów o dwóch polaryzacjach (rys.4.4 b)
γ
=
−
=
+
−
=
m
2
1
m
2
1
2
1
m
av
U
T
t
t
U
t
t
t
t
U
U
(
4.2)
gdzie: t
i
, t
1
, t
2
- czasy trwania impulsów (rys.4.4); T - okres; U
m
- amplituda;
γ
i
,
γ - współczynniki
wypełnienia.
a)
b)
0
t
u
i
(t)
U
m
t
i
T
0
t
u
i
(t)
U
m
t
1
T
- U
m
t
2
Rys. 4.4 Ciąg impulsów prostokątnych: a) o jednej polaryzacji; b) o dwóch polaryzacjach
W mnożnikach TDM stosuje się dwukrotną modulację impulsów. Jednym z napięć, np. U
x
(w przypadku
licznika proporcjonalnym do napięcia), moduluje się czas trwania (modulacja PWM) lub rzadziej częstotliwość
(modulacja PFM), drugim zaś, np. U
y
(w przypadku licznika proporcjonalnym do prądu), ich amplitudę
(modulacja PAM) (rys.4.5).
str. 8
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
a)
Modulacja
PWM
Modulacja
PAM
∫
u
i
(t)
u
1
(t)
u
2
(t)
u
y
(t)
u
x
(t)
u
wy
(t)
b)
0
t
u
i
(t)
0
t
u
x
(t)
0
t
u
1
(t)
0
t
u
y
(t)
0
t
u
2
(t)
0
t
u
wy
(t)
Rys. 4.5 Układ mnożący z modulacją impulsową: a) schemat blokowy; b) przebiegi napięć
Jeżeli
oraz
U
)
t
(
u
c
t
x
1
i
=
)
t
(
u
c
y
2
m
=
(
4.3)
to napięcie
)
t
(
u
)
t
(
Ku
)
t
(
u
)
t
(
u
T
c
c
U
)
t
(
u
y
x
y
x
2
1
av
wy
=
=
=
(
4.4)
gdzie: c
1
, c
2
, K – stałe przetwarzania.
str. 9
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
Bezpośrednią modulację szerokości impulsów stosuje się rzadko. Częściej zmienia się różnicę czasów
trwania dodatnich i ujemnych części impulsów. Do modulacji wykorzystuje się dodatkowe napięcie pomocnicze
o kształcie trójkątnym i komparator. Napięcie to może być wytworzone przez generator zewnętrzny lub też
może powstawać w samym układzie mnożnika
[1].
Błędy liczników z mnożnikami analogowymi zawierają się w zakresie od 0,05% (liczniki wzorcowe) do
pojedynczych procentów (liczniki użytkowe). Obecnie coraz częściej liczniki te są zastępowane licznikami
mikroprocesorowymi.
4.2 Liczniki mikroprocesorowe
Liczniki mikroprocesorowe mają najlepsze właściwości metrologiczne. Pozwalają one uzyskać błędy
pomiaru nawet na poziomie 0,02%, chociaż większość liczników do zastosowań domowych i przemysłowych
jest budowana w klasach 1 i 2. Oprócz pomiaru energii umożliwiają one pomiary szeregu innych wielkości, np.
mocy, prądu, napięcia i częstotliwości. Może być również rejestrowana całkowita energia pobierana w
określonym czasie, np. kwadransa, godziny czy doby oraz jej wartość maksymalna i minimalna. Zastosowanie
mikroprocesora pozawala też na wykonanie i innych obliczeń, z których najprostsze i najczęściej stosowane jest
obliczanie należności za zużytą energię, po wprowadzeniu odpowiednich taryf. Wyniki pomiarów mogą być
przesyłane na odległość, do komputera, celem przeprowadzenia dalszej ich obróbki lub do centralnego punktu
rejestracji, np. rozdzielni czy zakładu energetycznego. Coraz częściej tradycyjny odczyt wskazań licznika jest
zastępowany ich rejestracją poprzez podłączenie na czas odczytu zewnętrznego rejestratora. W praktyce funkcję
tę pełni zwykle laptop lub specjalizowany mikrokomputer.
Ze względu na budowę liczniki mikroprocesorowe można podzielić na dwie grupy: liczniki z bezpośrednim
przetwarzaniem analogowo–cyfrowym A/C sygnałów prądowych i
napięciowych oraz liczniki
z przetwarzaniem na częstotliwość.
Uproszczony schemat licznika z bezpośrednim przetwarzaniem A/C pokazano na rys. 4.6. Ilustruje on
zasadę działania licznika, natomiast nie zawiera wszystkich podzespołów, m.in. układów sterujących, układów
interfejsu, układów pomocniczych.
PP
PP
A/C
A/C
PLL
µΡ
Licznik
i odczyt
L
R
1
R
2
R
b
R
ALU
Pamięć
~
Rys. 4.6 Schemat licznika mikroprocesorowego z bezpośrednim przetwarzaniem A/C
W przedstawionym na rys.4.6 układzie sygnały proporcjonalne do napięcia u i prądu i są próbkowane
(układy próbkujące PP) w N chwilach czasowych w obrębie okresu T napięcia wejściowego. Próbki te są
przetwarzane w postać cyfrową przez dwa bipolarne przetworniki analogowo–cyfrowe A/C. Następnie
następuje mnożenie próbek, a całkowanie występujące we wzorze definicyjnym (3.1) jest zastąpione
sumowaniem. Operacje te są wykonywane przez mikroprocesor.
Energia jest określana z zależnością
∑
=
n
0
N
nT
i
N
nT
u
N
T
W
(
4.5)
przy czym n jest liczbą przedziałów próbkowania odległych w czasie o T/N.
W celu podziału okresu napięcia wejściowego na całkowitą liczbę przedziałów N wykorzystuje się pętlę
synchronizacji fazowej PLL
[4].
str. 10
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
W licznikach obecnie najczęściej stosuje się przetworniki A/C typu sigma–delta
[5]. Przetworniki sigma–
delta należą do grupy przetworników jednobitowych o dużej rozdzielczości i szybkości. Sygnał analogowy jest
przetwarzany w strumień bitów (0,1) z dużą częstotliwością. Przetworniki takie składają się z modulatora delta,
modulatora sigma, filtrów cyfrowych i układów kodujących (rys.4.7).
Modulator
Modulator
Filtry
cyfrowe
Koder
∆
∑
Sygnał
analogowy
Sygnał
cyfrowy
kodowany
Sygnał
cyfrowy
(0,1)
Rys. 4.7 Schemat blokowy przetwornika A/C sigma-delta
Modulacja delta (
∆ ) polega na przetworzeniu sygnału analogowego na falę prostokątną o współczynniku
wypełnienia zależnym od przyrostów sygnału przetwarzanego. Modulacja sigma (
∑ ) polega na przetworzeniu
sygnału na ciąg impulsów cyfrowych (0 odpowiada minimum fali analogowej, a 1 – maksimum),z
częstotliwością próbkowania znacznie wyższą od górnej częstotliwości sygnału przetwarzanego (nazywa się to
nadpróbkowaniem)
2)
.Po filtracji cyfrowej sygnał jest poddawany kodowaniu. Jeżeli sygnał ma być przesyłany
na odległość, często stosuje się kodowanie nadmiarowe (redundancyjne), m.in. w celu zwiększenia odporności
na zakłócenia. Kodowanie nadmiarowe polega na tym, że do kodowanej informacji dodaje się informację
dodatkową, która przy odbiorze umożliwia wykrycie ewentualnych błędów transmisji.
Przykładem licznika z przetwarzaniem sygnałów prądowych i napięciowych na częstotliwość jest badany
w ćwiczeniu licznik LAP–A1 firmy POZYTON. Jest to licznik wielotaryfowy z wewnętrznym przełączaniem
czterech stref czasowych, wyposażony w podtrzymywany bateryjnie zegar czasu rzeczywistego oraz nieulotną
pamięć EPROM i Flash ROM. Licznik ten ma możliwość komunikowania się z urządzeniami zewnętrznymi za
pośrednictwem zaimplementowanych sprzętowo i układowo interfejsów komunikacyjnych. Standardowo
licznik jest wyposażony w łącze komunikacyjne w podczerwieni (IRDA). Możliwa jest także jego rozbudowa o
dodatkowe media komunikacyjne, przesyłające wiadomości za pośrednictwem sieci niskiego napięcia lub za
pośrednictwem interfejsu optycznego w standardzie IEC 1107. Schemat blokowy licznika przedstawiono na rys.
4.8 .
Układy wejściowe zawierają m.in. przekładnik prądowy i przekładnik napięciowy. W celu zabezpieczenia
licznika przed przepięciami, często występującymi przy wyładowaniach atmosferycznych, na wejściu znajdują
się też dwustopniowe zabezpieczenia przepięciowe oraz filtr przeciwzakłóceniowy. Sygnały z przekładników są
podawane na wejście zintegrowanego przetwornika moc–częstotliwość (P/f). Impulsy z przetwornika P/f są
rejestrowane przez mikroprocesor, który je zlicza , analizuje i oblicza zużycie energii. Mikroprocesor jest
wyposażony w sterownik wyświetlacza LCD, dzięki czemu bez dodatkowych elementów steruje jego pracą.
Ponadto mikroprocesor obsługuje układy peryferyjne licznika: zegar czasu rzeczywistego RTC, pamięci
EPROM i Flash ROM, sygnalizator impulsu i przełącznik sekwencyjny. Inicjuje i utrzymuje też transmisję
danych przez interfejs IrDA (transmisja w podczerwieni).
W pamięci EPROM są przechowywane wszystkie dane dotyczące procesu inicjalizacji licznika,
wprowadzonych parametrów dla pomiaru wielotaryfowego i zmierzonych wartości energii w poszczególnych
strefach czasowych. Pamięć ta magazynuje również 96 pierwszych cykli pomiarowych, profil mocy 15, 30 lub
60 minutowy oraz wartości dwóch ostatnich okresów obrachunkowych z podziałem na stefy czasowe.
Pamięć Flash ROM jest wykorzystywana do przechowywania danych o profilu zużycia energii. Jest to
rejestracja pomiaru energii w 15, 30 lub 60 minutowych cyklach. Zastosowana pojemność pamięci umożliwia
zarejestrowanie 3360 cykli pomiarowych. Ponadto w pamięci tej są rejestrowane wartości 12 ostatnich okresów
obrachunkowych z podziałem na strefy czasowe.
Zegar czasu rzeczywistego RTC umożliwia dokładny pomiar czasu i daty, niezbędnych przy
wielotaryfowym pomiarze energii.
Ośmiocyfrowy wyświetlacz ciekłokrystaliczny LCD wyświetla. oprócz mierzonej wartości energii także
informacje tekstowe, np. o trybie pracy, jednostkach i aktywnej taryfie.
Sygnalizatorem impulsu jest dioda elektroluminescencyjna (LED) o czerwonej barwie świecenia.
“Mignięcie” diody sygnalizuje pojawienie się impulsu o stałej impulsowania zgodnej z podaną na tabliczce
znamionowej licznika.
Rolę przełącznika sekwencyjnego spełnia fotoelement. Służy on do przełączania impulsami świetlnymi
informacji wyswietlanych na wyświetlaczu LCD. Informacje te są wyświetlane na kolejnych ekranach.
2)
Z nadpróbkowaniem mamy do czynienia, jeżeli częstotliwość próbkowania jest wyższa od częstotliwości wynikającej
z twierdzenia Shannona, tj. od dwukrotnej górnej częstotliwości widma sygnału przetwarzanego.
str. 11
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
EPROM
4 kB
Zegar
RTC
Wyświetlacz
LCD
Złącze
komunikacyjne
IRDA
Przełącznik
sekwencyjny
Sygnalizator
impulsu
Układy
wejściowe
Przetwornik
P/f
Zasilacz
+5V;-10V
FLASH ROM
16 8 kB
×
ROM 32 kB RAM 1kB
µΡ
Rys. 4.8 Schemat blokowy licznika typu LAP–A1
Na ekranie 1, podstawowym, jest pokazywany numer bieżącej taryfy w zależności od zaprogramowanych
stref czasowych i od aktualnego czasu (symbole T1
←, T2←, T3←, T4←), wartości zmierzonej energii oraz
jednostka (kWh).
Na ekranach 2, 3 i 4 są wyświetlane wartości energii w kolejnych, zaprogramowanych strefach czasowych.
Na ekranie 5 są wyświetlane sumy wartości energii zmierzonych w czterech zaprogramowanych strefach
czasowych. Pojawia się wtedy znak sumy (
∑ ), liczba i jednostka (kWh).
Na wszystkich pięciu ekranach wskazujących bieżące zużycie energii jest wyświetlany “kroczący punkt”
w linii, symulujący ruch znacznika na tarczy licznika indukcyjnego. Jest to linijka (bargraf) energii.
Na ekranie 6 są wyświetlane sumy zużycia energii we wszystkich strefach czasowych, uwzględniające różną
taryfę w poszczególnych strefach. Pojawia się znak sumy (
∑ ) i jednostka monetarna (PLN).
Na ekranie 8 jest wyświetlana bieżąca data w porządku rok
→miesiąc→dzień, a na ekranie 9 bieżący czas w
porzadku godzina
→minuta→sekunda.
Niezależnie od bieżącej zawartości ekranów mogą pojawić się na nich znaki informacyjne:
L1
–
sygnalizacja odebrania przez licznik impulsu świetlnego i reakcji na niego przełącznika
sekwencyjnego,
L2 – sygnalizacja odebrania przez licznik informacji o próbie nawiązania komunikacji za pośrednictwem
łącza IRDA i rozpoczęcia wymiany danych.
L3 – sygnalizacja odebrania przez licznik informacji o próbie nawiązania łączności przez sieć energetyczną
i gotowości do wymiany danych.
Widok płyty czołowej licznika przedstawiono na rys. 4.9.
str. 12
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
10(60)A
kl. 1S
Licznik kilowatogodzin prądu jednofazowego
Typ: LAP-A1
1998
220V
Nr: 007-0000100
50Hz
RP T 96 250
POZYTON
MADE IN POLAND
–
+
T1
T2
T3
T4
L1 L2 L3
kWh
V
PLN
P
data godz.
∑
1
2
3
4
5
6
Rys. 4.9 Widok płyty czołowej licznika typu LAP-A1;
1 – wyświetlacz ciekłokrystaliczny; 2 – przełącznik sekwencyjny;
3 – sygnalizator impulsu; 4 – optozłącze komunikacyjne IRDA;
5 – element regulacyjny wykorzystywany przy wzorcowaniu;
6 – linijka energii
Podstawowe parametry techniczne licznika:
napięcie odniesienia (znamionowe) –
U
%
V
n
20
220
±
=
prąd bazowy (znamionowy) –
A
I
b
10
=
prąd maksymalny –
A
I
max
60
=
minimalny prąd rozruchu –
< 40mA
r
I
własny pobór mocy z obwodu napięciowego –
< 5VA;
<
2W
własny pobór mocy z obwodu prądowego –
< 0,05VA
błąd pomiaru w zakresie od 0,1
do
–
±1%
b
I
max
I
znamionowa stała licznika
– 600 imp./kWh.
N
K
Stałą dla liczników elektronicznych definiuje się podobnie jak dla liczników elektromechanicznych, z tym,
że liczbę obrotów zastępuje się liczbą impulsów N. Jest ona opisana zależnością
W
N
K
=
( 4.6)
Na tabliczce znamionowej licznika jest podawana znamionowa stała licznika
w
[
]
.
Rzeczywista stała
różni się od stałej znamionowej
. Wynikają stąd błędy pomiaru energii określone
wzorem (3.9), a więc takim samym jak dla liczników elektromechanicznych. Błędy można wyznaczyć również
ze wzorów (3.10
÷3.12).
N
K
kWh
/
.
imp
P
K
N
K
4.3 Przepisy normalizacyjne
Jednofazowe liczniki elektroniczne przeznaczone do bezpośredniego włączania w obwód prądowy są
budowane na takie same prądy bazowe jak liczniki indukcyjne. Liczniki przeznaczone do włączania przez
przekładniki prądowe mają prądy bazowe
=
n
I
1; 2; 5 A.
str. 13
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
Napięcia odniesienia (znamionowe) dla liczników przyłączanych bezpośrednio do sieci wynoszą: 120; 230;
277; 400; 480 V, a dla liczników przyłączanych przez przekładniki: 57,7; 63,5; 100; 110; 115; 120; 200 V.
Norma APr PN–EN 61036 (tłumaczenie normy międzynarodowej IEC 1036) przewiduje dwie klasy
dokłdności liczników – klasę 1 i klasę 2. Dopuszczalne błędy liczników przyłączanych bezpośrednio do sieci,
wyznaczone w warunkach odniesienia (określonych normą) podano w tablicy 4.1.
Tabela 4.1. Dopuszczalne błędy liczników elektronicznych
Wartość prądu
obciążenia licznika
Dopuszczalne
błędy (%) dla klas
Współczynnik
mocy
cos
ϕ
1 2
od 5%
b
I
do 10%
b
I
1
±1,5
±2,5
od 10%
do
b
I
m
I
1
±1
±2
od 10%
do 20%
b
I
b
I
0,5 ind.
0,8 poj.
±1,5
±1,5
±2,5
—
od 20%
do
b
I
m
I
0,5 ind.
0,8 poj.
±1
±1
±2
—
∗
od 20%
do
b
I
m
I
0,25 ind.
0,5 poj.
±3,5
±2,5
—
—
∗
liczniki spełniające to wymaganie mają symbol klasy 1S
Zgodnie z normą prąd rozruchu licznika klasy 1 nie powinien przekraczać 0,004
zaś licznika klasy 2 –
0,005
przy cos
ϕ = 1.
b
I
b
I
5. Badania
5.1 Przedmiot i zakres badań
Obiektami badań są dwa jednofazowe liczniki energii czynnej: licznik indukcyjny typu A52 firmy PAFAL i
licznik elektroniczny typu LAP–A1 firmy POZYTON. Parametry licznika indukcyjnego są następujące:
napięcie odniesienia (znamionowe) –
U
V
220
=
n
prąd bazowy (znamionowy) – I
A
10
b
=
prąd maksymalny –
40 A
=
max
I
klasa – 2
stała licznika
– 375 obr./kWh.
N
K
Parametry licznika elektronicznego podano w rozdz. 4.
Badania obejmują:
wyznaczenie prądów rozruchu obydwu liczników;
wyznaczenie zależności błędów podstawowych (mierzonych w warunkach znamionowych) obydwu
liczników od obciążenia;
badanie biegu jałowego licznika indukcyjnego;
przegląd i ocenę ekranów licznika elektronicznego.
str. 14
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
5.2 Układ pomiarowy
Schemat układu pomiarowego do badania liczników przedstawiono na rys. 5.1.
AT 1
AT 2
Tr
220/6V
1
2
P
30 Ω
A
mA
W
Wh1
Wh2
R
d
V
*
*
*
*
*
*
Wy
ϕ
Pf
3 × 220 V
f/t
Rys. 5.1 Schemat układu pomiarowego do badania liczników
Układ jest zasilany z sieci napięcia zmiennego 3
× 230 V. W układzie można wyróżnić dwa podstawowe
obwody: obwód napięciowy i obwód prądowy. Obwód napięciowy jest zasilany za pośrednictwem przesuwnika
fazowego Pf, umożliwiającego nastawianie żądanych kątów przesunięcia fazowego między napięciem a prądem
płynącym przez badane liczniki. Wartość napięcia nastawia się autotransformatorem AT1, mierzy się
woltomierzem V. Do nastawiania wartości prądu służy autotransformator AT2. Obwody prądowe badanych
liczników są zasilane za pośrednictwem transformatora obniżającego Tr W położeniu 1 przełącznika P
wyznacza się błędy podstawowe liczników, w zależności od wartości prądu, mierzonego amperomierzem A
i kąta przesunięcia fazowego. W położeniu 2 przełącznika P wyznacza się prąd rozruchu. W położeniu tym
w obwód prądowy jest włączony dodatkowy rezystor R
d
, ograniczający wartość płynącego prądu. Do pomiaru
prądu rozruchu służy miliamperomierz mA. Energię wyznacza się metodą pośrednią, przez pomiar mocy
watomierzem W i pomiar czasu czasomierzem cyfrowym f/t.
5.3 Przebieg ćwiczenia
5.3.1 Czynności wstępne
Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem z rys. 5.1.
Elementy nastawcze (autotransformatory) nastawić tak, aby po włączeniu do sieci napięcia i prądy były
minimalne.
Przełącznik P ustawić w położenie 1.
Po sprawdzeniu układu przez prowadzącego włączyć układ do sieci.
5.3.2 Skalowanie przesuwnika fazowego
Przed
przystąpieniem do właściwych pomiarów celowe jest przeprowadzenie skalowania przesuwnika
fazowego. Skalowanie polega na wyznaczeniu położeń twornika przesuwnika odpowiadającym określonym
kątom przesunięcia fazowego, przy których będą badane liczniki oraz określenie charakteru obciążenia.
Kolejność postępowania jest następująca:
Autotransformatorem TR1 nastawić napięcie równe napięciu znamionowemu badanych liczników (220 V).
Autotransformatorem TR2 nastawić prąd równy prądowi znamionowemu badanych liczników (10 A).
Obracając twornikiem przesuwnika fazowego Pf wyznaczyć takie jego położenie, w którym wskazanie
watomierza będzie maksymalne. Odpowiada ono
1
=
ϕ
cos
.
W położeniu tym sprawdzić, czy tarcza licznika obraca się we właściwym kierunku (zgodnie ze strzałką na
skali licznika) oraz czy licznik elektroniczny wysyła impulsy, co jest sygnalizowane „migotaniem” czerwonej
diody LED. Jeżeli praca któregokolwiek z liczników jest nie poprawna należy zmienić kierunek przepływu
prądu w obwodzie prądowym tego licznika. Podobna uwaga dotyczy również watomierza.
str. 15
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
Wyznaczyć kierunki obrotu twornika przesuwnika fazowego odpowiadające indukcyjnemu i
pojemnościowemu charakterowi obciążenia. W tym celu należy przy niezmienionych wartościach napięcia i
prądu obracać twornik przesuwnika do położenia, w którym wskazanie watomierza będzie zerowe (
0
=
ϕ
cos
).
Następnie zewrzeć zaciski prądowe watomierza krótkim przewodem o małej rezystancji i obserwować
wskazówkę watomierza. Odchylenie wskazówki w lewo świadczy o indukcyjnym charakterze obciążenia,
odchylenie w prawo - o charakterze pojemnościowym. Po wyznaczeniu charakteru obciążenia powrócić do
położenia początkowego, odpowiadającego
1
=
ϕ
cos
.
Wyznaczyć położenia twornika przesuwnika fazowego odpowiadające pozostałym kątom przesunięcia
fazowego, przy których będzie badany licznik, a więc
cos
5
0
,
=
ϕ
ind. i
8
0
,
cos
=
ϕ
poj. W celu określenia np.
położenia odpowiadającego
cos
5
0
,
=
ϕ
ind. należy obracać twornik przesuwnika w kierunku odpowiadającym
indukcyjnemu charakterowi kąta fazowego do położenia, w którym wskazanie watomierza zmaleje do połowy
odchylenia odpowiadającego
1
=
ϕ
cos
. W podobny sposób wyznaczyć położenie odpowiadające
8
0
,
cos
=
ϕ
poj.
5.3.3 Sprawdzanie licznika indukcyjnego
Badania
obejmują: sprawdzenie biegu jałowego, wyznaczenie prądu rozruchu i wyznaczenie błędu
podstawowego w warunkach znamionowych w zależności od prądu obciążenia dla
1
=
ϕ
cos
oraz
5
0
,
cos
=
ϕ
ind.
5.3.3.1 Sprawdzanie biegu jałowego
Sprawdzanie biegu jałowego przeprowadza się dla napięć równych odpowiednio 80%, 100% i 120%
napięcia odniesienia (znamionowego). Wartości te nastawia się kolejno autotransformatorem Tr1 i obserwuje
się zachowanie tarczy licznika. Obwód prądowy powinien być przy tym rozwarty (przełącznik P rozwarty).
Zgodnie z normą, jeżeli licznik działa poprawnie, to jego tarcza nie powinna wykonać więcej niż jeden obrót,
czyli nie poruszać się lub zatrzymać się w miejscu, w którym wskaźnik tarczy znajdzie się w obrębie wycięcia
tabliczki znamionowej.
5.3.3.2 Wyznaczanie prądu rozruchu
Prąd rozruchu wyznacza się przy napięciu odniesienia (znamionowym) i
1
=
ϕ
cos
. Wartości te należy
ustawić zatem przed przystąpieniem do właściwych pomiarów.
Autotransformator AT2 ustawić w pozycji zerowej, odpowiadającej minimalnej wartości prądu.
Przełącznik P ustawić w położeniu 2. Zwiększać prąd autotransformatorem AT2 do takiej wartości, aż
tarcza licznika wykona jeden pełny obrót. Wskazanie miliamperomierza mA zanotować w protokóle. Znając
prąd rozruchu, napięcie odniesienia i kąt przesunięcia fazowego można obliczyć moc rozruchu.
5.3.3.3 . Wyznaczanie błędów podstawowych
Błędy podstawowe licznika wyznacza się, mierząc liczbę obrotów tarczy N w określonym czasie t i moc P.
Błędy licznika oblicza się ze wzoru (3.13), a czas znamionowy ze wzoru (3.12). Do obliczeń można
wykorzystać również zależności (3.10) i (3.11). Aby wyznaczyć błędy licznika należy:
Przełącznik P ustawić w położeniu 1.
Autotransformatorem AT1 nastawić napięcie odniesienia (znamionowe).
Nastawić przesuwnikiem fazowym żądane przesuniecie fazowe. Celowe jest rozpoczęcie pomiarów od
1
=
ϕ
cos
.
Autotransformatorem AT2 nastawiać prąd obciążenia w zakresie od 5%
do 100%
. Dla kolejno
nastawianych wartości prądu mierzyć liczbę obrotów, czas i moc. Aby zmniejszyć błędy pomiaru liczba
obrotów powinna być możliwie jak największa, a przy małych wartościach prądu. można zmienić zakres
prądowy watomierza.
b
I
b
I
Pomiary powtórzyć przy
5
0
,
cos
=
ϕ
ind.
5.3.4 Sprawdzanie licznika elektronicznego
Badania
obejmują: przeprowadzenie przeglądu kolejnych ekranów licznika, wyznaczenie prądu
rozruchu i wyznaczenie błędu podstawowego w warunkach znamionowych w zależności od prądu obciążenia
dla
1
=
ϕ
cos
,
cos
5
0
,
=
ϕ
ind. oraz
cos
8
0
,
=
ϕ
poj.
5.3.4.1 Przegląd ekranów
Po włączeniu układu pomiarowego do sieci (rys. 5.1) i ustawieniu autotransformatorem AT1 napięcia
bazowego 220 V licznik automatycznie uruchamia podstawowy ekran wyświetlania.
str. 16
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
Przegląd kolejnych ekranów i odczyt zmierzonych wartości jest możliwy przez wysterowanie impulsem
świetlnym przełącznika sekwencyjnego przez czas ok. 10s.W przypadku zaprzestania przeglądania ekranów w
punkcie innym niż ekran podstawowy, po ok. 20s licznik samoczynnie powraca do ekranu podstawowego. Przy
wysterowaniu przełącznika sekwencyjnego impulsem świetlnym o czasie dłuższym od 20s, licznik rozpoczyna
automatyczny przegląd ekranów.
Należy dokonać przeglądu wszystkich ekranów. W protokóle zanotować jakie wartości są wyświetlane na
poszczególnych ekranach i jakie pojawiają się znaki informacyjne.
5.3.4.2 Wyznaczanie prądu rozruchu
Prąd rozruchu licznika elektronicznego wyznacza się podobnie jak licznika indukcyjnego. W celu
wyznaczenia prądu rozruchu należy zatem:
Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów ustawić napięcie odniesienia (znamionowe) i
1
=
ϕ
cos
.
Autotransformator AT2 ustawić w pozycji zerowej, odpowiadającej minimalnej wartości prądu.
Przełącznik P ustawić w położeniu 2. Zwiększać prąd autotransformatorem AT2 do takiej wartości, aż na
linijce energii przesunie się kolejny punkt. Wskazanie miliamperomierza mA zanotować w protokóle. Znając
prąd rozruchu, napięcie odniesienia i kąt przesunięcia fazowego można obliczyć moc rozruchu.
5.3.4.3 Wyznaczanie błędów podstawowych
Błędy podstawowe licznika elektronicznego wyznacza się identycznie jak licznika indukcyjnego, korzystając
ze wzorów (3.11) i (3.12). Badania należy przeprowadzić dla
1
=
ϕ
cos
,
5
0
,
cos
=
ϕ
ind. oraz dla
8
0
,
cos
=
ϕ
poj w zakresie prądów od 5%
do 100%
. Należy każdorazowo mierzyć oprócz wartości prądu
i mocy także czas, w którym licznik wysyła N impulsów. Liczbę N impulsów określa się następująco:
b
I
b
I
po ustawieniu prądu obciążenia należy odczekać do chwili, gdy po raz pierwszy zaświeci się dioda LED. Jest
to chwila włączenia czasomierza i początku zliczania;
od tej chwili liczy się kolejne impulsy, sygnalizowane kolejnymi mignięciami diody LED i mierzy się czas;
dla wartości prądu od 5%
do 10% jest dopuszczalny pomiar czasu dwóch impulsów, dla większych
wartości prądu należy mierzyć czas ok. 10 impulsów.
b
I
6. Opracowanie wyników
Zasadniczym celem przeprowadzonych badań jest stwierdzenie, czy badane liczniki spełniają wymagania
normalizacyjne. Należy zatem wykonać odpowiednie obliczenia i porównać otrzymane wyniki z wymaganiami
norm.
Należy sporządzić również wykresy zależności błędów od prądu obciążenia
( )
I
f
=
δ
, wyznaczonych przy
różnych kątów przesunięcia fazowego między napięciem a prądem. Celowe jest naniesienie charakterystyk dla
różnych
ϕ
cos
na jeden wykres.
Uzasadnić przebieg otrzymanych charakterystyk
Porównać właściwości i parametry badanych liczników: licznika indukcyjnego i licznika elektronicznego.
7. Zagadnienia do samodzielnego opracowania
Wyjaśnić sposób pomiaru energii czynnej i energii biernej.
Omówić zasadę działania i budowę jednofazowego licznika indukcyjnego.
Omówić i uzasadnić teoretycznie, jakie zależności dotyczące przesunięć fazowych powinny być spełnione w
liczniku indukcyjnym energii czynnej, aby jego wskazania były prawidłowe.
Wyjaśnić, jak powstaje moment hamujący w liczniku indukcyjnym i w jaki sposób można go zmieniać.
Wyjaśnić w jaki sposób kompensuje się w liczniku indukcyjnym tarcie oraz do czego służy hamulczyk.
Narysować krzywą błędów prawidłowo wyregulowanego licznika indukcyjnego i wyjaśnić jej przebieg.
Omówić najważniejsze czynniki wpływające na kształt tej krzywej.
Omówić zasadę działania i ogólną budowę licznika elektronicznego.
Narysować schemat licznika elektronicznego z mnożeniem analogowym i wyjaśnić jego działanie.
Omówić analogowe układy mnożące stosowane w licznikach.
Narysować schemat licznika elektronicznego mikroprocesorowego i wyjaśnić jego działanie.
Porównać właściwości i parametry liczników indukcyjnych i liczników elektronicznych.
Omówić najważniejsze przepisy normalizacyjne dotyczące liczników indukcyjnych i liczników
elektronicznych.
Narysować schemat podłączenia licznika do sieci i korzystając z tego schematu wyjaśnić przy jakich
zmianach wskazania licznika będą nieprawidłowe.
str. 17
Ćwiczenie – Liczniki energii elektrycznej
str. 18
Narysować schemat układu pomiarowego do badania liczników i omówić go. Podać metodykę wyznaczania
prądu rozruchu i błędów podstawowych.
Omówić sposób skalowania przesuwnika fazowego. Korzystając z wykresów wektorowych
wyjaśnić dlaczego przy
0
=
ϕ
cos
i zwarciu obwodu prądowego watomierza przewodem jego wskazówka
odchyla się w lewo , gdy obciążenie jest indukcyjne, a w prawo gdy pojemnościowe.
Wyjaśnić, dlaczego w układzie do badania liczników są rozdzielone obwody napięciowy i prądowy. Jaka
mocy jest pobierana z sieci i jaka moc jest wydzielana w licznikach i watomierzu ?
8. Literatura uzupełniająca
[1] J. Bolikowski, L. Czarnecki, M. Miłek: „Pomiary wartości skutecznej i mocy w obwodach o przebiegach
niesinusoidalnych”. WNT, Warszawa 1990.
[2] A.Chwaleba, M. Poniński: A. Siedlecki :”Metrologia elektryczna”. WNT, Warszawa 1998.
[3] J. Czajewski: Podstawy Metrologii Elektrycznej, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2004.
[4] P. Horowitz, W. Hill: „Sztuka elektroniki”. WKiŁ, Warszawa 1995.
[5] Z. Kulka, A. Libura, M. Nadachowski: „Przetworniki analogowo–cyfrowe i cyfrowo–analogowe.WKiŁ,
Warszawa 1985.
[6] W. Kwiatkowski, J. Olędzki: „Laboratorium miernictwa elektrycznego. Cz.
1”. Skrypt. Oficyna
Wydawnicza PW, Warszawa 1998.
[7] Normy:
PN–93/E–06504 „Liczniki indukcyjne energii czynnej prądu przemiennego klasy 0,5, 1 i 2”.
PN–EN 61056 „Liczniki statyczne energii czynnej prądu przemiennego (klasy 1 i 2)”.
Document Outline