В электросчетчиках используются три технологии работы. Исторически сложилось так, что индукционные счетчики были стандартом, но в последние годы все чаще устанавливаются передовые гибридные и полупроводниковые счетчики. По данным Управления энергетической информации США (EIA), к концу 2018 года только 17% счетчиков в США все еще были индукционными. Во всем мире стандарты счетчиков различаются в зависимости от страны. Некоторые страны, такие как Италия и Швеция, стандартизировали твердотельные счетчики, в то время как другие, такие как Бразилия, Китай, Германия и Мексика, начали широкое внедрение усовершенствованных счетчиков только в 2019 году. Консультант Вуд Маккензи подсчитал, что количество усовершенствованных счетчиков в мире удвоится. с 665 миллионов до 1.2 миллиарда в период с 2017 по 2024 год.
Индукционный счетчик
Индукционный счетчик использует самую старую технологию, просто механический счетчик с вращающимся диском. Чем быстрее вращается диск, тем больше энергии потребляется. На самом деле счетчик представляет собой небольшой электродвигатель, скорость вращения которого пропорциональна количеству проходящего через него электричества.
Счетчик включает в себя механизм, который подсчитывает обороты диска или количество оборотов диска. Затем эти данные отображаются в регистре, состоящем из циферблатов, которые вращаются с помощью зубчатой передачи. Система зубчатых передач преобразует количество оборотов в число, указывающее количество энергии, или кВтч, прошедшее через счетчик.
Эта технология используется с начала прошлого века и имеет ряд преимуществ. Это недорогая, известная технология, и она относительно точна в течение длительного периода времени. Недостатком индукционного счетчика является то, что данные, которые могут быть записаны, ограничены. Большинство индукционных счетчиков регистрируют только кВтч и ограничиваются указанием того, сколько энергии было использовано с момента последнего считывания показаний счетчика. Они не сообщают, когда использовалась мощность, максимальное потребление или другие полезные количества. Некоторые индукционные счетчики были разработаны для выставления счетов за время использования за счет включения таймера и отдельного регистра, который показывает использование энергии в период пиковой нагрузки. Но опять же, эти данные ограничены по сравнению с другими типами счетчиков.
Твердотельный измеритель
Твердотельный счетчик, обычно называемый интеллектуальным счетчиком, представляет собой новейшую технологию учета доходов, используемую в электротехнической промышленности. Эти счетчики полностью электронные и не имеют движущихся частей, которые могут изнашиваться. По сути, это небольшие микропроцессорные электронные системы записи данных и связи. Интеллектуальные счетчики измеряют и количественно определяют электрические импульсы, которые затем сохраняются в памяти счетчика. Они имеют возможность записывать, хранить и извлекать большие объемы информации, такие как потребление электроэнергии, спрос и другие электрические величины, такие как коэффициент мощности (%), реактивная мощность (кВАр), общая мощность (кВА) и напряжение. Они также могут записывать и отслеживать отключения и другие события. Бортовая система связи, использующая проводную или беспроводную технологию, также обеспечивает возможность либо удаленного считывания данных со счетчика, либо потоковой передачи данных в режиме реального времени на другие устройства или системы. Некоторые счетчики также могут связываться с домашними сетями (HAN), системами управления зданием и устройствами управления нагрузкой. Коммунальные предприятия могут удаленно считывать твердотельные счетчики, подключив их к инфраструктуре автоматизированного считывания показаний счетчиков (AMR).
(фото предоставлено Стивеном Джонсом)
Способность интеллектуального счетчика сопоставлять использование электроэнергии с отметкой времени предоставляет полезную информацию как для потребителя, так и для коммунального предприятия, которую исторически индукционный счетчик не мог предоставить. При подключении к усовершенствованной измерительной инфраструктуре счетчик может напрямую сообщать коммунальному предприятию об отключении электроэнергии, а также может включать удаленный выключатель, который позволяет коммунальному предприятию подключать или отключать услугу без отправки бригады на объект. Многие коммунальные предприятия и производители счетчиков работают над созданием новых услуг, предоставляемых технологией интеллектуальных счетчиков, таких как рыночное ценообразование, программы реагирования на спрос на основе цен, которые предлагают клиентам кредиты или платежи в обмен на сокращение потребления энергии в периоды высоких цен, а также возможность для удаленного контроля и управления интеллектуальными приборами за счетчиком. Интеллектуальный счетчик позволил объединить учет доходов и сбор информации в одном устройстве.
Основные преимущества интеллектуальных счетчиков включают в себя возможность измерения и записи нескольких величин и больших объемов информации, а также простоту и легкость поиска данных. Это включает в себя возможность для коммунальных служб внедрять автоматическое считывание показаний счетчиков и включать новые услуги. К основным недостаткам твердотельных счетчиков на сегодняшний день относятся высокие первоначальные капитальные затраты и меньшая надежность по сравнению с индукционными счетчиками. Кроме того, большие скачки напряжения и переходные процессы молнии могут быстро повредить электронные компоненты счетчика, что приведет к сбоям в работе счетчика и более частым заменам, чем в случае с прочными индукционными счетчиками. И даже без деградации из-за всплесков или переходных процессов срок службы электронных компонентов намного короче, чем срок службы механических компонентов, используемых в индукционном счетчике.
Гибридный счетчик
Гибридный счетчик сочетает в себе механический счетчик с твердотельным регистром. Вот как это работает. Небольшой электродвигатель, подключенный к вращающемуся диску, соединен с инициатором импульсов для создания импульсов, которые сохраняются в памяти. Затем эти данные могут быть загружены через телекоммуникационную систему.
Преимущество этой технологии заключается в том, что она сочетает в себе надежность индукционного счетчика с возможностями хранения данных и удаленной связи твердотельного счетчика. Хотя гибридные счетчики стоят больше, чем индукционные счетчики, они стоят меньше, чем твердотельные счетчики.
Счетчик энергии индукционного типа
Однофазный счетчик энергии индукционного типа является типом счетчика энергии. Это один из старейших типов счетчиков энергии, который очень часто используется для промышленных и бытовых цепей переменного тока.
Индукционный счетчик электроэнергии работает на принцип индукционных приборов. В счетчике электроэнергии индукционного типа в обмотках создается 2 потока. Эти потоки контактировали с металлическим диском и создавали ЭДС. Эта ЭДС создает вихревые токи на теле. Взаимодействие этих потоков и вихревых токов создает крутящие моменты, заставляющие диск вращаться.
Конструкция счетчика электроэнергии индукционного типа
Однофазный счетчик электроэнергии индукционного типа состоит из 4 основных частей:
- Операционная система
- Перемещение системы
- Система торможения
- Система регистрации
Все эти части однофазного индукционного счетчика электроэнергии подробно описаны ниже:
Операционная система
Электромагниты являются основным компонентом операционной системы. Итак, операционная система состоит из двух электромагнитов, известных как шунтирующий магнит и последовательный магнит. Сердечник этих двух магнитов изготовлен из пластин кремнистой стали.
В последовательном магните катушка (имеющая несколько витков толстой проволоки) электромагнита соединена последовательно с нагрузкой. Принимая во внимание, что катушка шунтирующего магнита (имеющая много витков тонкой проволоки) подключена к напряжению питания.
На центральном плече шунтирующего магнита предусмотрена затеняющая лента из меди. Цель применения этой затеняющей полосы к шунтирующему магниту состоит в том, чтобы привести поток, создаваемый шунтирующим магнитом, точно в квадратуре с приложенным напряжением.
Перемещение системы
Подвижная система состоит из легкого алюминиевого диска, закрепленного на шпинделе. Шпиндель поддерживается на двух концах, на одном конце стальной осью, а на другом конце он поддерживается подшипниками из драгоценных камней.
Алюминиевый диск помещается в воздушный зазор между последовательным магнитом и шунтирующим магнитом. Диск расположен так, что диск пересекает поток, создаваемый обоими магнитами. А изменение магнитного поля индуцирует вихревые токи на диске.
Таким образом, когда потоки, создаваемые магнитами, и индуцируемый вихревой ток на диске взаимодействуют, он создает отклоняющий момент на диске.
Система торможения
Тормозная система состоит из постоянного магнита, расположенного рядом с алюминиевым диском. Относительное движение алюминиевого диска и постоянного магнита вызывает вихревые токи в диске. Вихревой ток взаимодействует с потоком постоянного магнита и создает тормозной момент.
Тормозной момент пропорционален скорости вращения диска. Постоянный магнит является регулируемым, поэтому тормозной момент можно регулировать, перемещая постоянный магнит в различные радиальные положения относительно диска.
Принципиальная схема тормозной системы показана ниже:
Система регистрации
Функция системы регистрации состоит в том, чтобы непрерывно записывать числовое значение, пропорциональное количеству оборотов, сделанных диском. Вращение основного диска может передаваться на разные стрелки разных циферблатов для регистрации показаний счетчика.
Показания счетчика можно определить, умножив число оборотов на постоянную счетчика. Показания счетчика получаются в киловатт-часах (кВтч).
Работа счетчика энергии индукционного типа
Счетчик энергии индукционного типа состоит из алюминиевого диска, помещенного между двумя электромагнитами (последовательным и шунтирующим магнитом). Последовательный магнит имеет катушку тока, а шунтирующий магнит имеет катушку давления. Поскольку обмотка катушки давления имеет большое количество витков тонкой проволоки, это делает ее высокоиндуктивной.
Когда напряжение подается на катушку давления, индуцируется поток, который отстает на 90° от потока, создаваемого токовой катушкой. Это создает вихревые токи в диске. Взаимодействие вихревого тока и магнитного поля создает на диске крутящий момент. Благодаря этому крутящему моменту диск начинает вращаться.
Система регистрации считает обороты диска, а постоянный магнит дополнительно контролирует вращение диска.
Векторная диаграмма и экспанляция
Ниже представлена векторная диаграмма однофазного счетчика электроэнергии индукционного типа:
V = напряжение питания
I = ток нагрузки
Φ = фазовый угол нагрузки
β = фазовый угол алюминиевого диска
α = фазовый угол между шунтирующим и последовательным магнитными потоками
Δ = фазовый угол между напряжением питания и катушкой давления
При напряжении питания подается ток Ip течет через напорную катушку и создает поток Φp это в той же фазе, что и яp. поток Φp делится на две части Φa и Φb. Основная часть полного потока катушки давления Φa проходили через боковые щели из-за низкого сопротивления. Оставшаяся часть потока Φb проходит через диск и отвечает за создание крутящего момента на диске.
Поток Фb пропорциональна Ib таким образом, оно также пропорционально напряжению питания V и отстает на 90°. Таким образом, поток Φb индуцирует ЭДС вихрей Eep в диске, который дополнительно индуцирует вихревой ток Ieb. Вихревой ток Ieb будет отставать от ЭДС вихрей Eeb на угол β.
Ток нагрузки протекает через последовательную катушку магнитного тока и создает поток Φx. Поток Φx пропорциональна току нагрузки и синфазна с ним. Точно так же этот поток также индуцирует ЭДС вихрей Eex в диске, который, в свою очередь, индуцирует вихревой ток Iex в диске.
Теперь вихревой ток Iex взаимодействует с Φb и создает крутящий момент. Аналогично вихревой ток Ieb взаимодействует с Φx и создает другой крутящий момент. Оба момента противоположны по направлению. Таким образом, результирующий крутящий момент представляет собой разницу между этими двумя крутящими моментами.
Результирующий отклоняющий момент на диске из-за обоих потоков определяется выражением
Где К1 это постоянная
Крутящий момент может быть далее записан как
если Z, ω, β — константы
Если N — скорость вращения диска, то тормозной момент
В установившемся режиме крутящий момент должен быть равен тормозному моменту.
Тогда скорость диска
N = KVI sin (90°-Ѳ) = KVI cos Ѳ
Общее число оборотов = ʃNdt = ʃKVI sin(δ-Ѳ)dt
Общее число оборотов = K ʃVI cosѲdt
Ошибки индукционного счетчика электроэнергии
- Ошибка фазового угла
Индукционный счетчик энергии показывает точную энергию, только если фазовый угол между потоком катушки давления и напряжением питания составляет 90°.
- Ошибка из-за изменения темп.
Погрешности из-за изменения температуры в счетчиках индукционного типа обычно невелики, поскольку различные эффекты имеют тенденцию нейтрализовать друг друга. Повышение темп. снижает крутящий момент. И поток тормозного магнита также уменьшается из-за повышения температуры, что еще больше снижает тормозной момент.
Таким образом, различные эффекты, вызванные приращением температуры, стремятся нейтрализовать друг друга.
- Ошибка из-за перегрузки
При более высокой нагрузке в счетчике энергии индукционного типа тормозной момент превышает отклоняющий момент, и счетчики энергии имеют тенденцию вращаться с более низкой скоростью, из-за чего показания счетчика ниже, чем фактические показания.
