1. Cel ćwiczenia

Poznanie budowy i działania liczników energii czynnej. Pomiary energii w obudowach jednofazowych i trójfazowych prądu przemiennego.

2. Zasada działania licznika energii

Pomiary zużycia energii elektrycznej dokonywane za pomocą liczników służą jako podstawa do rozrachunków między dostawcą energii a jej odbiorcami lub mają na celu kontrolę zużycia energii w sieciach elektroenergetycznych, w zakładach produkcyjnych itp. Ze wzglądu na to, że na wskaźnikach liczników oparte są rozliczenia finansowe, budowa i eksploatacja liczników podlega u nas przepisom i kontroli Polskiego Komitetu Normalizacji i Miar.

Energię można wyznaczyć z następującego równania:

gdzie: P - moc zmienna w czasie,

(t₂-t₁) - czas trwania pomiaru energii.

Energię elektryczną mierzy się dokonując pomiaru mocy z jednoczesnym całkowaniem w czasie. Licznikiem energii elektrycznej prądu przemiennego jest tarczowy watomierz indukcyjny zaopatrzony w mechanizm zliczający (liczydło). Na aluminiową tarczę licznika działa moment napędowy proporcjonalny do mocy mierzonej.

M=c₁P

gdzie: c₁ - stała zależna od konstrukcji licznika.

Na obracającą się pod wpływem momentu napędowego M, tarczę działa moment hamujący M_h, proporcjonalny do prędkości obrotowej

M_h=c₂n

Moment hamujący pochodzi głównie od pola magnetycznego magnesu trwałego obejmującego tarczę. Jeżeli moment hamujący równy jest momentowi napędowemu, tarcza obraca się ruchem jednostajnym z prędkością:

Liczba obrotów wykonanych przez tarczę licznika w rozpatrywanym czasie jest proporcjonalna do ilości energii zużytej w tym czasie przez odbiornik:

N=cA

gdzie: c - stała licznika [obr/kWh].

Na tabliczce znamionowej licznika jest podana znamionowa stała licznika c_n. Jeżeli w wyniku zmian warunków pomiaru, bądź też skutkiem wadliwego wykonania licznika wartość rzeczywista stałej c_r odbiega od wartości znamionowej, to wskazania licznika są obciążone uchybem względnym pomiaru:

gdzie: A_w i A_r - wartość energii wskazanej i rzeczywistej.

3. Liczniki indukcyjne jednofazowe

Zasadę budowy licznika indukcyjnego ilustruje rys.1. Głównymi zespołami licznika są: elektromagnes napięciowy, elektromagnes prądowy, wirnik, magnes trwały 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 - bębnowym o pięciu lub sześciu bębnach cyfrowych. Pod wpływem sinusoidalnego napięcia i prądu doprowadzonych do odpowiednich cewek licznika powstają przemienne strumienie magnetyczne przenikające tarczę aluminiową w kilku miejscach. Strumienie magnety­czne napięciowy Φ_n i prądowy Φ_i indukują w tarczy prądy wirowe.

Rys. 1. Budowa licznika jednofazowego indukcyjnego.

Współdziałanie indukowanych prądów wirowych ze strumieniami ma­gnetycznymi przesuniętymi względem siebie w przestrzeni i w fazie powoduje powstawanie momentu napędowego M wprawiającego wirnik w ruch obrotowy.

Można wykazać, że moment ten jest określony wzorem:

M=km ω Φn Φi sinψ

w którym: k_m - stała konstrukcyjna,

ω - pulsacja strumienia,

ψ - kąt fazowy między strumieniami Φ_n Φ_i.

Po przekształceniach, otrzymujemy wyrażenie:

M=kUI cos φ = k P

gdzie: k - stała,

φ - kąt fazowy między napięciem i prądem.

Aby powyższa zależność była ściśle spełniona stosuje się w licznikach odpowiednie metody korekcji. Często stosuje się umieszczenie na rdzeniu prądowym kilku dodatkowych zwojów Z_k (rys. 1.) obciążonych pętlą z drutu oporowego o rezystancji regulowanej przesuwaną zworą. Rezystancyjne obciążenia uzwojenia Z_k wprowadza dodatkowe przesunięcie fazowe strumienia prądowego, dzięki czemu możliwe jest wyregulowanie fazowe licznika.

Do korekcji stosuje się również pierścienie z cienkiego miedzianego drutu obejmujące rdzeń w obwodzie strumienia magnetycznego Φ_i oraz blaszkę mosiężną umieszczoną w szczelinie rdzenia. Moment napędowy jest równoważony momentem hamującym M_h, który powstaje w obracającej się tarczy aluminiowej przecinającej strumienie magnetyczne. W tarczy indukują się prądy proporcjonalne do stru­mienia i prędkości wirowania. Współdziałanie strumieni z indukowanymi prądami powoduje wytworzenie momentu obrotowego przeciwnie sklarowanego do kierunku wirowania. Powstający więc moment hamujący jest proporcjonalny do prędkości wirowania i do kwadratu strumienia magnetycznego:

M_h=c Φ² n

Główna składowa momentu hamującego pochodzi od stałego w czasie strumienia magnesu trwałego. W celu korekcji błędu licznika pochodzą­cego od zmian strumienia Φ_i na skutek zmian prądu sieci stosuje się bocznik magnetyczny BM (rys. 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 roboczy strumień magne­tyczny prądowy Φ_i wzrasta szybciej niż prąd.

W licznikach, oprócz dwóch głównych momentów: napędowego i hamującego, występuje dodatkowo moment tarcia powstający w łożyskach, liczydle i na skutek tarcia o powietrze. Korekcja uchybu tarcio­wego (wynikłego z istnienia momentu tarcia) jest potrzebna ze względu na to, że odpowiednie przepisy wymagają, aby rozruch licznika następował przy mocy mierzonej nie mniejszej niż 0,5% mocy znamionowej. Liczniki indukcyjne jednofazowe są budowane na prądy znamionowe: 5, 10, 20A i napięcia znamionowe 100, 127, 220V. Obwody o wię­kszych prądach i napięciach dołącza się do liczników za pośre­dnictwem przekładników prądowych i napięciowych.

Obowiązująca obecnie norma PN-74/3-O65O4, dotyczy liczników indukcyjnych energii elektrycznej tylko klasy 2. Błędy dopuszczalne tych liczników określono w tablicy 1.

TABLICA 1.

Wartość prądu	Współczynnik mocy obciążenia	Dopuszczalne błędy w %
5% In	1	± 2,5
od 10% In do Imax	1	± 2,0
10% In	0,5 ind	± 2,5
od 20% In do Imax	0,5 ind	± 2,0

Przy braku prądu w obwodzie prądowym, w tzw. stanie jałowym, przy napięciu w zakresie 80±110% U_n wirnik może wykonać nie więcej niż jeden pełen obrót. Liczniki jednofazowe stosuje się najczęściej do pomiaru energii elektrycznej w lokalach mieszkalnych zasilanych jednofazowo. Sposób włączenia licznika do obwodu jest identyczny jak watomierza (rys. 2a.).

Rys. 2a.

Rys. 2b.

Rys. 2b. przedstawia licznik jednofazowy z dwoma cewkami prądowymi w przewodzie fazowym i zerowym. Takie rozwiązanie zapobiega możliwości nielegalnego poboru energii elektrycznej.

4. Liczniki indukcyjne trójfazowe i specjalne

Energię czynną w obwodach trójfazowych mierzy się licznikami indukcyjnymi trójfazowymi o dwóch lub trzech organach napędowych. W sieciach trójfazowych czteroprzewodowy używa się liczników trójustrojowych. Trzy aluminiowe tarcze są osadzone na wspólnej osi jedna nad drugą. Każda tarcza stanowi organ ruchomy oddzielnego ustroju. Momenty napędowe i hamujące ustrojów sumują się, liczba obrotów osi licznika jest więc proporcjonalna do całkowitej energii mierzonej przez trzy ustroje. W sieciach trójfazowych, trójprzewodowych energię elektryczną mierzy się licznikami dwustrójowymi, pracującymi w układzie Arona. Liczniki trójfazowe są budowane na prądy znamionowe 1, 5, 10, 25 i 50 A oraz znamionowe napięcia międzyprzewodowe 100, 220, 380, 500 i 660 V. Obowiązująca obecnie norma PH-74/E-06504 dotyczy liczników trójfazowych tylko klasy 2. Dopuszczalne uchyby tych liczników są takie same jak liczników jednofazowych (tabela 1). Przy rozrachunkach między dostawcami a odbiorcami energii elektrycznej stosowane są często taryfy przewidujące dopłaty za mały współczynnik mocy, za pobieranie energii elektrycznej w pewnych godzinach, lub w nocy taryfy ulgowe. Aby umożliwić korzystanie z takich taryf, buduje się liczniki specjalne, np. liczniki energii biernej, liczniki energii wielotaryfowe, liczniki maksymalne i inne.

5. Badania techniczne liczników

5.1. Sprawdzenie biegu jałowego.

Przy rozwartych obwodach prądo­wych licznika przyłącza się do obwodów napięciowych napięcie równe 1,1 U_n i obserwuje tarczę. Tarcza może wykonać nie więcej niż jeden pełny obrót. Tak samo postępuje się przy napięciu równym 0,8U_n.

5.2. Sprawdzanie prądu rozruchu.

Sprawdza się, czy przy prądzie o natężeniu 0,05 I_n, przy napięciu znamionowym, częstotliwości znamionowej i cosφ = 1, tarcza wykona pewnie i bez zatrzymania dwa pełne obroty. W czasie próby niedopuszczalne są jakiekolwiek drgania licznika.

5.3. Pomiar uchybu podstawowego w zależności od obciążenia.

Pomiaru dokonuje się metodą pomiaru, mocy i czasu. Metoda ta polega na pomiarze mocy obciążenia licznika z jednoczesnym pomiarem czasu, w którym tarcza wykona pewną określoną liczbę obrotów N. Liczbę obrotów N oraz dokładność przyrządów pomiarowych na­leży tak dobrać, aby zapewnić dokładność pomiarów nie niniejszą niż 0,5%. Uchyb licznika określa się ze wzoru:

gdzie: N' - liczba obrotów, jaką tarcza powinna wykonać w czasie t obliczona na podstawie stałej licznika i energii po­branej przez odbiornik,

N - liczba obrotów, jaką tarcza wykonała w czasie t.

6. Pomiary laboratoryjne

1. Dokonać oględzin badanego licznika oraz wynotować dane znamionowe.

2. Sprawdzenie licznika podczas biegu jałowego.

1. połączyć układ wg schematu na rys. 3.,

Rys. 3.

2. za pomocą autotransformatora ustawić napięcie 1,1U_n oraz obserwować licznik,

3. za pomocą autotransformatora ustawić napięcie 0,8U_n oraz obserwować licznik.

3. Sprawdzenie prądu rozruchu licznika.

1. połączyć układ wg schematu na rys. 4.,

Rys. 4.

2. za pomocą rezystora regulowanego R_v ustawić wartość prądu pobieranego na 0,05 I_n oraz obserwować licznik,

4. Pomiar uchybu podstawowego licznika

1. połączyć układ wg schematu na rys.5.,

Rys. 5.

2. dla obciążeń zbliżonych do 10% i 100% mocy znamionowej dokonać pomiaru uchybu podstawowego licznika odpowiednio w czasie 30s i 10 min. Wyniki pomiarów napięcia i prądu notować co 1 minutę w tabeli poniżej.

Lp.		1.	2.	3.	4.	…
U	V
I	A
P	W
t	s	0	60	120	180	…
x	-

x - ilość obrotów tarczy

Energię pobraną przez odbiornik obliczyć ze wzoru:

gdzie: P_i - moc w i-tym przedziale czasowym,

t_i - i-ty przedział czasu.

5. Przeprowadzić analizę wyników pomiarów oraz wyprowadzić wnioski.

6. Podać numery i dane przyrządów użytych do pomiarów.

7. Zagadnienia do przygotowania

1. Budowa i działanie liczników energii elektrycznej

1. jednofazowych

2. trójfazowych

2. Badania techniczne liczników

8. Literatura

1. J. Gąszczak, Z. Orzeszkowski: Podstawy miernictwa elektrycznego cz. II.

2. S. Lebson: Podstawy miernictwa elektrycznego.

3. S. Lebson, J. Kaniowski: Pomiary elektryczne.

4. A. Chwaleba, M. Poniński, A. Siedlecki: Metrologia elektryczna.

Badanie jednofazowego licznika energii elektrycznej

- 9 -

---