Принцип работы индукционного счетчика

Принцип действия индуктивного электросчетчика

Естественно, что при постоянно меняющихся нагрузках отслеживать показания ваттметра с секундомером было бы крайне непрактично. Поэтому придумали прибор (электросчетчик), где момент силы, возникающий от электромагнитного взаимодействия катушек напряжения и тока, используется для вращения привода счетного механизма. Теоретически можно считать, что напряжение в сети не меняется, значит, изменение силы электромагнитного взаимодействия катушек прямо пропорционально зависит от тока подключенной нагрузки.

Индукционный счетчик — вид изнутри

В качестве привода счетного механизма в счетчиках используется алюминиевый диск, где катушками напряжения и тока индуцируются вихревые токи, электромагнитное поле которых взаимодействует с магнитными полями данных катушек, создавая момент силы.

Поэтому электромагнитные механические счетчики еще называют индукционными

. В индукционном электросчетчике магнитопроводы катушек тока и напряжения размещены под углом 90º и образуют зазор, в котором размещен алюминиевый диск, что позволяет создавать в нем момент силы для его вращения.

Устройство индукционного электросчетчика

Из школьной физики известно, что сила, постоянно воздействующая на тело без помех, заставляет его ускоряться до бесконечности. Таким образом, в идеальном механизме счетчика (без трения) постоянная мощность раскрутила бы диск до бесконечных оборотов. Поэтому в устройстве электросчетчика имеется постоянный магнит для торможения алюминиевого диска привода счетного устройства.

Поскольку алюминий является немагнитным металлом, сила торможения зависит только от скорости вращения диска. Правильная настройка баланса между ускоряющей диск силой и тормозным моментом позволяет установить зависимость вращения привода счетного механизма только от потребляемой мощности и устранить самоход и вращение в обратную сторону. По данному принципу работают индукционные однофазные и трехфазные счетчики электрической энергии, у которых на одном валу имеется два алюминиевых диска.

Трехфазный индукционный электросчетчик

Преимущества и недостатки индукционных электросчетчиков

Описанное выше устройство счетного механизма используется в различных моделях счетчиков электроэнергии на протяжении многих десятилетий благодаря простоте и надежности

конструкции. Катушка напряжения, имеющая много витков, намотанная тонким проводом, диаметром 0,06 – 0,12 мм имеет большую стойкость к длительным перенапряжениям – очень часто однофазные электросчетчики находились под напряжением почти 380В из-за обрыва ноля, но в последствии продолжали исправно работать.

Токовая катушка имеет несколько витков с поперечным сечением, достаточным для того, чтобы выдерживать ток кратковременного короткого замыкания. Поскольку в индукционных электросчетчиках нет других электротехнических элементов и радиодеталей, они очень устойчивы к всплескам напряжения и электромагнитным влияниям разрядов молний. Простой и дешевый счетный механизм, состоящий из червячной передачи на валу алюминиевого диска и цифрового барабана, позволяет индукционным счетчикам исправно служить на протяжении десятилетий в сложных климатических условиях.

Несложное устройство счетного механизма индукционного электросчетчика

Из-за несовершенной конструкции, трения и старения механизмов индукционные электросчетчики имеют существенные недостатки:

  • низкий класс точности;
  • большая погрешность, увеличивающаяся при небольших токах нагрузки;
  • значительное собственное потребление электроэнергии;
  • отсутствие учета реактивной энергии у бытовых счетчиков;
  • учет электрической энергии происходит только в одном направлении;
  • отсутствует защита от взлома, вмешательства в работу и хищения электроэнергии.

Пломба на устаревшем индукционном электросчетчике является единственной защитой от несанкционированного доступа внутрь корпуса

Большинство описанных выше недостатков индукционных счетчиков на руку их владельцам, так как учет электроэнергии происходит с погрешностью, выгодной для получателя. Придумано множество способов обмана индукционного счетчика. Поэтому многие поставщики электрической энергии стараются заменить устаревшие убыточные для них электросчетчики на новые более точные гибридные или электронные счетчики электроэнергии у своих потребителей. В некоторых странах производится бесплатная замена устаревших индуктивных электросчетчиков в принудительном порядке.

Устаревшие и убыточные для поставщиков электроэнергии индукционные счетчики активно выводятся из эксплуатации

Как меряет энергию электрический счетчик

Как всегда, сначала — немного теории, так сказать вступительное слово.

Прежде всего — счетчик отличается от всех остальных домашних электрических устройств тем, что он включен ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО со всеми приборами. То есть, схема электросчетчика устроена так, что через него проходит весь ток, который он учитывает. Ну а если ток проходит не весь, то это очень не нравится контролирующим органам энергонадзора.

Ток проходит в счетчике через специальный калиброванный шунт с определённым сопротивлением (сотые доли Ома). По закону Ома, на проводнике, через который проходит ток, образуется напряжение, прямо пропорциональное току и сопротивлению:

U = I·R

Этим напряжением однозначно определяется ток. Напряжение измеряется, и значит ток тоже становится известен, косвенным образом.

Мощность, потребляемая приборами в квартире, равна току, умноженному на напряжение:

P = I·U

Но как узнать, сколько мощности «съели» электроприборы? Для этого мощность умножают на время, получают электрическую энергию:

E = I·U·t

За единицу измерения электрической энергии, которая показывает, сколько киловатт прошло через счетчик в течение часа приняли киловатт в час, сокращённо — кВт·час

Строго говоря, энергию правильней измерять в Джоулях, как нас этому учили в школе, но исторически прижилась единица измерения кВт·час

. Писать нужно именно с точкой, как например полная электрическая мощность измеряется вВ·А .

А реализуется учёт и индикация этих «Электроджоулей» путем нехитрых электрических преобразований и устройств. Рассмотрим их ниже.

Устройство и принцип работы

Прибор состоит из трёх одинаковых узлов (справа), цепей питания и микроконтроллера

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;

    Внешний вид электронного электросчетчика

  • 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.

Конструкция счетчика зависит от принципа его работы и осуществляемых функций. Индукционный однофазный счетчик используется в однофазных переменных сетях и состоит из следующих частей:

  • корпуса составного;
  • двух обмоток: токовой и напряжения;
  • двух магнитопроводов: обмотки тока и обмотки напряжения;
  • противополюса;
  • диска алюминиевого;
  • механизма червячного типа;
  • механизма счетного;
  • магнита постоянного, служащего для торможения диска;
  • оси, на которой закреплены счетный механизм, червячная передача и алюминиевый диск.

Схематическое устройство однофазного электросчетчика индукционного типа

Принцип работы устройства заключается в следующем. 2 электромагнита представляют измерительный механизм счетчика. Они расположены под углом 90° друг к другу. В магнитном поле этих электромагнитов находится диск, выполненный из алюминия. Счетчик включается в работу путем подсоединения с электроприемниками токовой обмотки последовательно, а с электроприемниками напряжения – параллельно.

При увеличении тока нагрузки возникает больший вращающий момент, что заставляет диск вращаться быстрее.

Принцип работы трехфазных индукционных счетчиков аналогичен выше описанному счетчику, с той лишь разницей, что их используют в трехфазных сетях переменного тока.

Вид спереди трехфазного индукционного электросчетчика со снятой крышкой

Вид сбоку со снятой задней частью корпуса трехфазного индукционного счетчика

С развитием электронных технологий появились счетчики учета расхода электроэнергии электронного типа. Принцип действия их довольно прост. Специальный преобразователь входные аналоговые сигналы с датчиков тока и напряжения преобразует в цифровой импульсный код. Он подается на микроконтроллер, который фиксирует количество потребляемой электроэнергии на дисплее изделия. Отсюда основными частями электронного счетчика являются:

  • кожух защитный;
  • трансформаторы измерительные тока и напряжения;
  • преобразователь;
  • микроконтроллера, являющиеся органом управления и передачи информации на дисплей;
  • колодка клеммная для подсоединения эл. проводов.

Работа однофазных и трехфазных электронных счетчиков осуществляется по одним и тем же законам, с той лишь разницей, что в 3-хфазном осуществляется суммирование величин каждого из трех каналов.

Структурная схема работы однофазного счетчика электронного типа

Из схемы видно, что трансформатор тока включен в разрыв фазного провода, а трансформатор напряжения подключен к нулю и фазе. Сигналы величины тока и напряжения с помощью преобразователя преобразуются в мощность и частоту в цифровом виде, в дальнейшем микроконтроллер управляет оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), электронным реле и дисплеем, на котором отражается цифровая информация, фиксирующая расход электроэнергии на подключенном к счетчику объекте. ОЗУ в некоторых моделях может играть роль передатчика информации, что дает возможность контролировать работу счетчика на расстоянии.

Электронные счетчики для замеров расхода электроэнергии в трехфазных схемах, могут работать как в трех,- так и четырехпроводных цепях. Устройства хранят информацию с привязкой ко времени. Показания можно снимать за определенный период времени и фиксировать следующие показатели:

  • активное потребление;
  • реактивное потребление;
  • действующие значения напряжения и тока;
  • частоту в каждой фазе.

И все-таки оно нагревается!


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.

Уличные счетчики электроэнергии для частного дома и дачи

ЛЭМЗ ЦЭ-2726-СОЛО-G05

Прибор рассчитан для работы на улице в интервале температур от –15 до +40°С. Контактный ряд находится также под герметичной съемной крышкой. В устройстве имеется стопор реверса и защита от постороннего доступа.

Технические характеристики:

  • Тип сети: однофазный
  • Количество тарифов: 1
  • Класс точности: 1
  • Принцип работы: электромеханика
  • Стоимость: 900 – 950 руб
  • Недостатки: не обнаружено

Энрон ТОПАЗ 103-5(60)1-ШР1Э-О4

Двухтарифный счетчик электроэнергии Топаз рассчитан на работу в сети с силой тока до 50 А и возможностью дифференцированного учета по трем тарифам. Тип интерфейса имеет специальное обозначение RS 485, что говорит о совместимости его функционала с системами АИИС КУЭ (Автоматизированная система коммерческого учёта электроэнергии). Передняя приборная панель герметично закрыта крышкой из прозрачного пластика. Сзади корпуса имеются пазы для легкой установки счетчика на DIN-рейку.

Технические характеристики:

  • Тип сети: однофазный
  • Количество тарифов: 2
  • Класс точности: 1
  • Принцип работы: электронный
  • Стоимость: 1200 – 1300 руб
  • Недостатки: непрочный корпус

Марка Тайпит, это петербуржский концерн с множеством производственных филиалов на территории РФ. Его продукция поставляется и за рубеж. Модель МТ-324-1A является новой разработкой. Прибор рассчитан на работу в однофазной сети с силой тока до 50 А. Электроника надежно защищена от внешних электромагнитных воздействий и неблагоприятных погодных условий. Это отличное решение для уличной установки на территории частного дома.

Технические характеристики:

  • Тип сети: однофазный
  • Количество тарифов: 4
  • Класс точности: 1
  • Принцип работы: электронный
  • Стоимость: 3229 – 3400 руб
  • Недостатки: не обнаружено

Меркурий 231ART 01-Ш

Лучший двухтарифный счетчик — Меркурий 231ART 01-Ш. Он отличается высокой точностью измерений. При возникновении неисправностей, в системе счетчика автоматически запускается режим самодиагностики, и по кодам ошибок можно легко определить причину сбоя и быстро восстановить функционал.

Технические характеристики:

  • Тип сети: трехфазный
  • Количество тарифов: 2
  • Класс точности: 1
  • Принцип работы: электронный
  • Стоимость: 2450 – 2800 руб
  • Недостатки: не обнаружено

ISKRA ME382-D2 10(100)A

Электросчетчик ISKRA ME382-D2 спроектирован и изготовлен в соответствии с международными стандартами ISO-9001 и ISO-14001. Электросчетчик обеспечивает учет параметров электроэнергии гораздо лучше, чем требует европейский стандарт IEC-62053-21.

Измерение активной энергии ведется в 2-х направлениях, реактивной энергии — в 2-х направлениях плюс по 4 квадрантам. Счетчик измеряет полную энергию и мощность, а также мгновенные значения фазных напряжений, силы тока, частоты и коэффициента мощности. В функционал прибора входит регистрация сумм принятой / отданной энергии и мощности.

В счетчике есть возможность использования тарифного расписания для регистрации активной энергии и максимальной мощности (8 тарифов, 12 сезонных и 12 недельных программ, 16 масок, 16 режимов). Накопленные данные будут передаваться по раздельным каналам через SM/GPRS-модем или M-Bus /протокол DLMS/IDIS.

Эта марка счетчиков предназначена и для бытового использования, и для промышленного в пределах температур от –40°С до +70°С. Для защиты прибора и обеспечения правильной работы есть фольгированный экран и аварийный силовой контактный размыкатель. Прибор абсолютно надежен, так как выполнен с защитой от пыли, воды и грязи по классу IP54. Возможна установка этого счетчика на улице. Модель ME382 отлично подойдет для больших домов с интенсивным использованием электроприборов.

Технические характеристики:

  • Тип сети: трехфазный
  • Количество тарифов: 8
  • Класс точности: 1
  • Принцип работы: электронный
  • Стоимость: 25000 – 27700 руб
  • Недостатки: сложный функционал, высокая цена

Iek CCE-3C1-3-01-3

Трехфазный экономичный эл. счетчик модели Star имеет аналоговую шкалу учета и светодиодную индикацию режимов работы. На задней панели имеются пазы для крепления прибора на динрейку.

Технические характеристики:

  • Тип сети: трехфазный
  • Количество тарифов: 1
  • Класс точности: 1
  • Принцип работы: электромеханический
  • Стоимость: 380 – 650 руб
  • Недостатки: не обнаружено

Перспективы российского рынка умных электосчетчиков

По оценкам GS Group, в России в целом подлежат замене или новой установке до 80 млн умных электросчетчиков, при этом средняя стоимость такого прибора оценивается в 4 тыс. рублей. При массовом производстве возможно его удешевление, в том числе, за счет роста рынка отечественных комплектующих при гарантированном заказе, отмечают в компании.

Монтаж кристалла на подложку в GS Nanotech

Весь потенциал внутреннего российского рынка интеллектуального учета электроэнергии в GS Group оценивают в 320 млрд руб. В компании оценивают предельный потенциал рынка таких чипов в 16 млрд руб.

В компании также объяснили CNews, что комплект электроники для создания умного электросчетчика в настоящее время оценивается в сумму до 200 руб. при оптовом заказе, однако эта оценка является ориентировочной и может измениться как в большую, так и в меньшую стороны. Более точно о цене можно будет говорить по завершению процесса валидации – именно по ее итогам в функциональность контроллера могут быть внесены изменения. Список партнеров – производителей счетчиков, с которыми производится валидация чипов, в GS Group пока не раскрывают.

На вопрос CNews о временных рамках освоения всего объема рынка умных электросчетчиков в GS Group пояснили, что во многом это зависит от будущей конъюнктуры рынка, при этом процесс может занять от четырех до шести лет.

Почему в России набирают популярность отечественные серверы с открытой архитектурой
Инфраструктура

«Мы готовы производить до 30 миллионов чипов в год, что полностью закроет потребность рынка в микропроцессорах для счетчика», – заявил Андрей Мартынов.

На вопрос CNews о возможности выхода на внешние рынки с электроникой для умных электросчетчиков в GS Group отметили, что потенциал для выхода на рынок СНГ и дальнего зарубежья есть, и в компании готовы к этому, но в настоящее время стратегические приоритеты связаны с российским рынком.

Как работает индукционный счётчик

Суть работы индукционных счетчиков электроэнергии, основан на таком принципе, когда на движущуюся деталь в одно время воздействует крутящийся и затормаживающий момент. Данный момент имеет пропорцию величине учёта, момент торможения имеет пропорцию скорости раскрутки движущейся части. Состоит индукционный однофазный счетчик электроэнергии из нескольких элементов:

  • Катушки напряжения, что расположили на магнитопроводе;
  • Диск вращения из алюминия;
  • Передаточный механизм устройства учёта;
  • Катушки тока на магнитопроводе;
  • Постоянный магнит.

Сделана катушка из провода с большим сечением, что может выдерживать большую нагрузку. Витки на катушки имеются в небольших количествах, обычно 13-30 витков на катушке. Распределены они в равномерном положении на двух стержнях магнитопровода, что имеет U форму и сделан из электротехнической стали. Сердцевина работает для создания определённой концентрации магнитного потока, который пересекает счётный диск и вращает его.

Подсоединяется обмотка напряжения на фазу напряжения сети и всегда имеет работоспособное состояние, наравне с потребителем, из-за этого она имеет название параллельной цепи. Катушка напряжения требуется для производства магнитного потока, который будет пропорционален сетевому напряжению. Она имеет определённые конструктивные отличия от катушки тока тем, что имеет больше витков, около 8000 – 12 000 и небольшим сечением проводника 0.1 – 0.15 мм2. В большом количестве витки создают более высокое индуктивное сопротивление, чем имеет активное сопротивление обмотки, что является довольно важным для соблюдения правила сдвига на 90° и даёт возможность уменьшит потребление электроэнергии, на однофазном счётчике.

Магнитный поток катушки тока и катушки напряжения, что проходят по диску, образуют в нём трансформационные токи, за счёт чего создаётся вращающийся момент. Чтобы создать противодействующий момент, что будет пропорционален скорости движения диска, используются постоянные тормозные магниты, чей магнитный поток пересекает крутящийся диск из электропроводящего материала.

Образующиеся в диске токи резания, всегда соблюдают скорость вращения пропорционально диска. То есть когда счётчик работает, он соблюдает определённую закономерность,чем большая мощность потребления, тем более быстро будет происходить вращение диска по его оси. Момент противодействия, что образуется при взаимодействии магнитного потока с дисковым током, всегда будет пропорционален скорости вращения. Когда диск проходит волну, что создаёт тормозной магнит, на нём наводится ЭДС резания, что идёт от середины диска. Потоковая сила тормозного магнита при взаимодействии с током диска имеет прямую пропорциональность ЭДС резания и имеет направление против движения диска. Замедляющий процесс зависит от дальности магнита от центра диска, определяется как произведение плеча на значение силы. То есть регулировка быстроты кручения происходит путём перемещения магнита, что позволяет настроить его в зависимости от передаточного числа.

Для более точной настройки на счётчиках используют специальные устройства для регулировки. Данные приборы – это короткозамкнутые медные, алюминиевые витки, или обмотка из витков провода из меди, что замкнут на настраиваемое сопротивление.

Учиться на чужих ошибках

В начале 1990-х годов зарубежных производителей измерительной продукции захлестнула примерно такая же эйфория, которую сейчас переживает Россия. Так, например, в Англии доля электронных счетчиков электроэнергии достигла 95 %, однако, на сегодняшний день эта цифра уменьшилась до 65 %.

Из Европы заводы по производству индукционных счетчиков перенесены в развивающиеся страны и производят миллионы счетчиков, находящих нишу и выполняющих свою функцию.

Энергосистемы России (Красноярскэнерго, Татэнерго, Брянскэнерго) стабильно закупают индукционные счетчики так же, как и электронные, отдавая предпочтение их надежности и учитывая плохое качество сетей, особенно в сельской местности. Ведь ресурс индукционного счетчика – десятки лет и даже через 50 лет некоторые образцы будут соответствовать заданному классу точности.

Проблема выбора индукционного или электронного счетчика несколько надумана. Они предназначены для разных секторов рынка.

Рано отказываться от применения индукционных счетчиков. Как и не стоит недооценивать электронные

Прежде всего, надо решить, есть ли возможность и необходимость воспользоваться всеми преимуществами счетчиков и не обращать внимание на их недостатки?

Выбор счетчика – это результат взвешенного решения, анализа отдельной ситуации.

Отличия электронных счетчиков от индукционных

Устройство индукционного счетчика электроэнергии

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.