Принцип работы счетчика электроэнергии

Принцип работы электронного счетчика.

Рис. 1. Блок-схема электромеханического счетчика электрической энергии

Реализация цифрового счётчика электрической энергии (рис. 2) требует специализированных ИС, способных производить перемножение сигналов и предоставлять полученную величину в удобной для микроконтроллера форме. Например, преобразователь активной мощности — в частоту следования импульсов. Общее количество пришедших импульсов, подсчитываемое микроконтроллером, прямо пропорционально потребляемой электроэнергии.

Рис. 2. Блок-схема цифрового счетчика электрической энергии

Не менее важную роль играют всевозможные сервисные функции, такие как дистанционный доступ к счётчику, к информации о накопленной энергии и многие другие. Наличие цифрового дисплея, управляемого от микроконтроллера, позволяет программно устанавливать различные режимы вывода информации, например, выводить на дисплей информацию о потреблённой энергии за каждый месяц, по различным тарифам и так далее.

Для выполнения некоторых нестандартных функций, например, согласования уровней, используются дополнительные ИС. Сейчас начали выпускать специализированные ИС — преобразователи мощности в частоту — и специализированные микроконтроллеры, содержащие подобные преобразователи на кристалле. Но, зачастую, они слишком дороги для использования в коммунально-бытовых индукционных счётчиках. Поэтому многие мировые производители микроконтроллеров разрабатывают специализированные микросхемы, предназначенные для такого применения.

Перейдём к анализу построения простейшего варианта цифрового счётчика на наиболее дешёвом (менее доллара) 8-разрядном микроконтроллере Motorola. В представленном решении реализованы все минимально необходимые функции. Оно базируется на использовании недорогой ИС преобразователя мощности в частоту импульсов КР1095ПП1 и 8-разрядного микроконтроллера MC68HC05KJ1 (рис. 3). При такой структуре микроконтроллеру требуется суммировать число импульсов, выводить информацию на дисплей и осуществлять её защиту в различных аварийных режимах. Рассматриваемый счётчик фактически представляет собой цифровой функциональный аналог существующих механических счётчиков, приспособленный к дальнейшему усовершенствованию.

Рис. 3. Основные узлы простейшего цифрового счетчика электроэнергии

Сигналы, пропорциональные напряжению и току в сети, снимаются с датчиков и поступают на вход преобразователя. ИС преобразователя перемножает входные сигналы, получая мгновенную потребляемую мощность. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера, преобразующего его в Вт·ч и, по мере накопления сигналов, изменяющего показания счётчика. Частые сбои напряжения питания приводят к необходимости использования EEPROM для сохранения показаний счётчика. Поскольку сбои по питанию являются наиболее характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счётчике.

Алгоритм работы программы (рис. 4) для простейшего варианта такого счётчика довольно прост. При включении питания микроконтроллер конфигурируется в соответствии с программой, считывает из EEPROM последнее сохранённое значение и выводит его на дисплей. Затем контроллер переходит в режим подсчёта импульсов, поступающих от ИС преобразователя, и, по мере накопления каждого Вт·ч, увеличивает показания счётчика.

Рис. 4. Алгоритм работы программы

При записи в EEPROM значение накопленной энергии может быть утеряно в момент отключения напряжения. По этим причинам значение накопленной энергии записывается в EEPROM циклически друг за другом через определённое число изменений показаний счётчика, заданное программно, в зависимости от требуемой точности. Это позволяет избежать потери данных о накопленной энергии. При появлении напряжения микроконтроллер анализирует все значения в EEPROM и выбирает последнее. Для минимальных потерь достаточно записывать значения с шагом 100 Вт·ч. Эту величину можно менять в программе.

Схема цифрового вычислителя показана на рис. 5. К разъёму X1 подключается напряжение питания 220 В и нагрузка. С датчиков тока и напряжения сигналы поступают на микросхему преобразователя КР1095ПП1 с оптронной развязкой частотного выхода. Основу счётчика составляет микроконтроллер MC68HC05KJ1 фирмы Motorola, выпускаемый в 16-выводном корпусе (DIP или SOIC) и имеющий 1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Для хранения накопленного количества энергии при сбоях по питанию используется EEPROM малого объёма 24С00 (16 байт) фирмы Microchip. В качестве дисплея используется 8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый любым недорогим контроллером, обменивающийся с центральным микроконтроллером по протоколу SPI или I 2 C и подключаемый к разъёму Х2.

Реализация алгоритма потребовала менее 1 Кбайт памяти и менее половины портов ввода/вывода микроконтроллера MC68HC05KJ1. Его возможностей достаточно, чтобы добавить некоторые сервисные функции, например, объединение счётчиков в сеть по интерфейсу RS-485. Эта функция позволит получать информацию о накопленной энергии в сервисном центре и отключать электричество в случае отсутствия оплаты. Сетью из таких счётчиков можно оборудовать жилой многоэтажный дом. Все показания по сети будут поступать в диспетчерский центр.

Определённый интерес представляет собой семейство 8-разрядных микроконтроллеров с расположенной на кристалле FLASH-памятью. Поскольку его можно программировать непосредственно на собранной плате, обеспечивается защищённость программного кода и возможность обновления ПО без монтажных работ.

Рис. 5. Цифровой вычислитель для цифрового счетчика электроэнергии.

Ещё более интересен вариант счётчика электроэнергии без внешней EEPROM и дорогостоящей внешней энергонезависимой ОЗУ. В нём можно при аварийных ситуациях фиксировать показания и служебную информацию во внутреннюю FLASH-память микроконтроллера. Это к тому же обеспечивает конфиденциальность информации, чего нельзя сделать при использовании внешнего кристалла, не защищённого от несанкционированного доступа. Такие счётчики электроэнергии любой сложности можно реализовать с помощью микроконтроллеров фирмы Motorola семейства HC08 с FLASH-памятью, расположенной на кристалле.

Переход на цифровые автоматические системы учёта и контроля электроэнергии — вопрос времени. Преимущества таких систем очевидны. Цена их будет постоянно падать. И даже на простейшем микроконтроллере такой цифровой счётчик электроэнергии имеет очевидные преимущества: надёжность за счёт полного отсутствия трущихся элементов; компактность; возможность изготовления корпуса с учётом интерьера современных жилых домов; увеличение периода поверок в несколько раз; ремонтопригодность и простота в обслуживании и эксплуатации. При небольших дополнительных аппаратных и программных затратах даже простейший цифровой счётчик может обладать рядом сервисных функций, отсутствующих у всех механических, например, реализация многотарифной оплаты за потребляемую энергию, возможность автоматизированного учёта и контроля потребляемой электроэнергии.

Назначение, устройство, принцип работы счетчиков электрической энергии

Назначение, устройство, принцип работы

Для учета электрической энергии, выработанной на станциях и переданной потребителям, применяют счетчики электрической энергии. Их устанавливают на шинах генераторного напряжения, на отходящих линиях и на стороне НН понизительных подстанций потребителей. Для учета активной энергии применяют однофазные типов СО, СОУ или трехфазные индукционной системы типов САЗ (САЗУ), а для реактивной энергии — счетчики типов СР4 (СР4У). В обозначениях счетчиков буквы и цифры означают: С — счетчик, О — однофазный, А — активной энергии, Р — реактивной энергии, У — универсальный, 3 и 4 — для трех- и четырехпроводных сетей.
Обмотки счетчиков рассчитаны на включение непосредственна в сеть и через измерительные трансформаторы тока и напряжения. Счетчики для непосредственного включения изготовляются на 5, 10, 20, 30 и 50 А, а через трансформаторы тока — до 2000 А, вторичный номинальный ток счетчика при этом для всех случаев будет 5 А. Номинальные напряжения счетчиков для обмоток непосредственного включения: 127, 220 и 380 В, а через трансформаторы напряжения—100 В. При наличии трансформаторов счетчики можно подключать к шинам станций с рабочими напряжениями 500, 600 В или 3, 6, 10 и 35 кВ.
На однофазных трансформаторных подстанциях мощность 4 — 10 кВ-А, напряжением 6—10/0,23 кВ устанавливают счетчик активной энергии СО2М. Его присоединяют к трансформатору тока, установленному за однофазным трансформатором, поэтому он учитывает всю электроэнергию, проходящую через трансформатор. Счетчик имеет подогрев — тепловое сопротивление ПЭ-75.
На однотрансформаторных подстанциях потребителей напряжением 6—10/0,4 кВ, мощностью 100—250 кВ-А устанавливают трехфазные индукционные счетчики активной энергии типов СА4У или СА4И. Счетчики электроэнергии предназначены для четырехпроводной цепи и имеют семь выводов: по два для подключения к каждому из трех трансформаторов тока и один для подключения к нулевому проводу. Такие счетчики устанавливаются со стороны низкого напряжения силового трансформатора до шин, к которым подключены отходящие низковольтные линии, поэтому они учитывают всю электроэнергию, пропускаемую трансформатором.
Конструктивно механизм счетчика монтируется на литой стойке, расположенной в прямоугольном стальном или пластмассовом цоколе, закрывается пластмассовой крышкой. Универсальные счетчики имеют на лицевой стороне крышки съемный щиток и устройство для его опломбирования. Счетчики выпускаются, классом точности 2,0 за исключением счетчиков реактивной энергии непосредственного включения, которые имеют класс точности 3,0.
Устройство и принцип их работы рассмотрим на примере однофазного счетчика типа С0-2М (рисунок 1).
В пластмассовом корпусе расположен стальной сердечник 1, снабженный обмоткой напряжения. Она выполнена из большого числа витков провода малого диаметра и включается в цепь параллельно. Токовая обмотка 4 намотана на сердечник 5 и состоит из малого числа витков провода большого диаметра. Эта обмотка включается в цепь последовательно и рассчитана на номинальный ток 5 А. Между сердечниками имеется воздушный зазор, в котором может свободно вращаться алюминиевый диск 3, закрепленный на оси 2. Для регулировки счетчика служит установленный на стальной скобе постоянный магнит 7. Выводы обмоток подключаются к четырем клеммам б счетчика, которые закрываются крышкой и пломбируются.

Рисунок 1 – Электрический счетчик

При включении счетчика по его обмоткам текут токи, создающие магнитный поток в воздушном зазоре. Этот поток пересекает алюминиевый диск и индуктирует в нем вихревые токи. Взаимодействие токов в диске с магнитным потоком в обмотках вызывает появление механической силы, приводящей диск во вращение. Диск связан зубчатой передачей со счетным механизмом счетчика, дающим показания в кВт • ч.
В схеме включения однофазного счетчика (рисунок 2, а) фазный провод подключается к первой клемме Г (генераторный зажим), а нулевой провод — к третьей клемме Г. Провода, отходящие к электроприемникам, подключаются ко второй и четвертой клеммам, обозначенным буквой Н (нагрузка).
Для измерения расхода электроэнергии в трехфазных электроустановках можно воспользоваться тремя однофазными счетчиками, включенными в каждую фазу по схеме, приведенной на рисунок 2, б. При этом расход энергии определяется как сумма показаний трех счетчиков. Значительно удобнее, однако, пользоваться трехфазными счетчиками, которые представляют собой три однофазных счетчика, собранных в одном корпусе и имеющих общий счетный механизм.

Рисунок 2 – Схемы включения счетчиков:
а — однофазного, б — трёх однофазных в трёхфазную сеть, в — трехфазного

В схеме включения трехфазного трехэлементного счетчика типа СА4 (рисунок 2, в) три фазы подаются на зажимы Г, трехфазная нагрузка подключается на зажимы Н, а на зажимы О подается нулевой провод.
Схемы включения всегда приводятся на обратной стороне крышки счетчика любого типа, закрывающей контакты.
Токовая обмотка счетчика для установки в квартире рассчитана на номинальный ток 5 А, но в современных жилых домах имеются большие многокомнатные квартиры, которые потребляют значительно большую силу тока. В целом же по дому токовая нагрузка может доходить до нескольких сотен ампер. Ясно, что в цепь с такими токами счетчики непосредственно включать нельзя. Для понижения переменного электрического токи большой силы до значения, удобного для измерения стандартными измерительными приборами, предназначен трансформатор тока, или измерительный трансформатор.
Трансформатор тока типа ТК-20 (рисунок 3) имеет стальной сердечник 2 с обмотками. Первичная обмотка 3 с выводами Л1 и Л2 выполнена из провода большого сечения, рассчитанного на ток, который необходим для нормальной работы электроустановки. Вторичная обмотка 4 и выводы И1 и И2 вторичной обмотки подключены к клеммнику 1. Она имеет такое количество витков, чтобы при номинальном токе первичной обмотки в ней индуктировался ток 5 А.

Рисунок 3 – Трансформатор тока ТК-20

Трансформаторы тока выпускаются с разными коэффициентами трансформации: 10/5, 15/5, 20/5 А и применяются в зависимости от величины рабочего тока потребителя.
В настоящее время планируется введение в эксплуатацию систем автоматического учета потребления энергии. Создание таких систем стало возможным благодаря разработке электронных счетчиков. Например, счетчики электрической активной энергии электронные прямого включения типа «Энергия — 9» предназначены для учета электрической активной энергии в однофазных цепях переменного тока частотой 50 Гц, в зависимости от исполнения по одному или нескольким дифференцированным во времени тарифам.
Счетчики, в зависимости от исполнения, обеспечивают также:
— формирование базы данных, содержащей измерительную информацию;
— передачу интерфейсными каналами измерительной информации, хранимой в базе данных, устройствам учета электрической энергии высшего уровня.
Область применения счетчиков – учет электрической энергии на промышленных (мелкомоторных) предприятиях и в коммунально бытовой сфере в условиях применения дифференцированных во времени тарифов на электрическую энергию.
Счетчики, имеющие последовательный интерфейс и телеметрический импульсный выход могут быть применены в автоматизированных системах учета и контроля электрической энергии.

В схеме включения однофазного счетчика совместно с трансформатором тока (рисунок 4, а) первичная обмотка трансформатора Л1 — Л2 включена последовательно в линейный провод с большим током, а токовая обмотка счетчика подключена ко вторичной обмотке трансформатора тока (выводы И1 — И2). Как и в обычной схеме, обмотка напряжения должна быть подключена к фазному и нулевому проводу. С этой целью на схеме между выводами Л1 и И1 сделана перемычка, а третий зажим счетчика соединен с нулевым проводом.
Схемы включения трех однофазных, а также одного трехфазного счетчика совместно с трансформаторами тока приведены на рисунок 4, 6, в.
В случае, если счетчик работает с трансформатором тока, для определения действительного расхода электроэнергии необходимо расход, показанный счетчиком, умножить на коэффициент трансформации измерительного трансформатора.

Рисунок 4 – Схемы включения счетчиков с трансформаторами тока:
а — однофазного, б—трехфазного, в — трех однофазных в трехфазную сеть

Принцип действия и устройство счётчиков электрической энергии

С помощью электросчетчиков осуществляется учет израсходованной электрической энергии. Электросчетчики бывают индукционные и электронные.

Измерительный механизм индукционного однофазного счетчика электрической энергии (электроизмерительный прибор индукционной системы) состоит из двух электромагнитов, расположенных под углом 90° друг к другу, в магнитном поле которых находится легкий алюминиевый диск. Схема устройства счетчика электрической энергии показана на рисунке 1.

Для включения счетчика в цепь его токовую обмотку соединяют с электроприемниками последовательно, а обмотку напряжения — параллельно. При прохождении по обмоткам индукционного счетчика переменного тока в сердечниках обмоток возникают переменные магнитные потоки, которые, пронизывая алюминиевый диск, индуцируют в нем вихревые токи.

Взаимодействие вихревых токов с магнитными потоками электромагнитов создает усилие, под действием которого диск вращается. Последний связан со счетным механизмом, учитывающим частоту вращения диска, т.е. расход электрической энергии.

Рис. 1. Схема устройства счетчика электрической энергии: 1 — обмотка тока, 2 — обмотка напряжения, 3 — червячный механизм, 4 — счетный механизм, 5 — алюминиевый диск, б — магнит для притормаживания диска.

Рис. 2. Устройство индукционного электросчетчика

Для учета потребленной электроэнергии в сетях переменного трехфазного тока применяются трехфазные индукционные электросчетчики , принцип действия которых аналогичен однофазным.

В настоящее время все более широкое применение получили электронные (цифровые) электросчетчики . Электронные счетчики обладают рядом преимуществ по сравнению с индукционными счетчиками:

— малые габаритные размеры,

— отсутствие вращающихся частей,

— возможность учета электроэнергии по нескольким тарифам,

— измерение суточных максимумов нагрузки,

— учет как активной, так и реактивной мощности,

— возможность дистанционного учета электроэнергии.

Рис. 3. Схема устройства электронного счетчика электроэнергии

В настоящее время учёт электроэнергии, в основном, производится по одному тарифу (то есть стоимость электроэнергии одинакова независимо от времени потребления). Однако, начинает вводится многотарифные системы оплаты, при которых стоимость электрической энергии различна по часам суток или по дням недели.

Указанный подход обеспечит более равномерное потребление электроэнергии потребителями и снижение максимальной нагрузки энергосистемы. Поэтому уже выпускаются электронные счётчики со встроенными часами, которые питаются от аккумуляторной батареи, что обеспечивает учёт электроэнергии по разным интервалам времени, задаваемым программно.

Как правило, электронные счётчики имеют жидкокристаллический индикатор, на котором отображаются потребляемая электроэнергия по каждому из тарифов, текущая потребляемая мощность, текущее время и дата и другие измеряемые прибором параметры.

Как устроен и работает электронный счетчик электроэнергии

Основное назначение этого прибора сводится к постоянному измерению потребляемой мощности контролируемого участка электрической схемы и отображению ее величины в удобном для человека виде. Элементная база использует твердотельные электронные компоненты, работающие на полупроводниках или микропроцессорных конструкциях.

Такие приборы выпускают для работы с цепями тока:

1. постоянной величины;

2. синусоидальной гармонической формы.

Приборы учета электроэнергии постоянного тока работают только на промышленных предприятиях, эксплуатирующих мощное оборудование с большим потреблением постоянной мощности (электрифицированный железнодорожный транспорт, электромобили…). В бытовых целях они не используются, выпускаются ограниченными партиями. Поэтому в дальнейшем материале этой статьи их рассматривать не будем, хотя принцип их работы отличается от моделей, работающих на переменном токе, в основном конструкцией датчиков тока и напряжения.

Электронные счетчики мощности переменного тока изготавливаются для учета энергии электрических устройств:

1. с однофазной системой напряжения;

2. в трехфазных цепях.

Конструкция электронного счетчика

Вся элементная база располагается внутри корпуса, снабженного:

клеммной колодкой для подключения электрических проводов;

панелью ЖКИ дисплея;

органами управления работой и передачи информации от прибора;

печатной платой с твердотельными элементами;

Внешний вид и основные пользовательские настройки одной из многочисленных моделей подобных устройств, выпускаемых на предприятиях республики Беларусь, представлен на картинке.

Работоспособность такого электросчетчика подтверждается:

нанесенным клеймом поверителя, подтверждающим прохождение метрологической поверки прибора на испытательном стенде и оценке его характеристик в пределах заявленного производителем класса точности;

ненарушенной пломбой предприятия энергонадзора, ответственного за правильное подключение счетчика к электрической схеме.

Внутренний вид плат подобного прибора показан на картинке.

Здесь нет никаких движущихся и индукционных механизмов. А наличие трех встроенных трансформаторов тока, используемых в качестве датчиков с таким же количеством явно просматриваемых каналов на монтажной плате, свидетельствуют о трехфазной работе этого устройства.

Электротехнические процессы, учитываемые электронным счетчиком

Работа внутренних алгоритмов трехфазных или однофазных конструкций происходит по одним и тем же законам, за исключением того, что в 3-х фазном, более сложном устройстве, идет геометрическое суммирование величин каждого из трех составляющих каналов.

Поэтому принципы работы электронного счетчика будем преимущественно рассматривать на примере однофазной модели. Для этого вспомним основные законы электротехники, связанные с мощностью.

Ее полная величина определяется составляющими:

реактивной (суммы индуктивной и емкостной нагрузок).

Ток, протекающий по общей цепи однофазной сети, одинаков на всех участках, а падение напряжения на каждом ее элементе зависит от вида сопротивления и его величины. На активном сопротивлении оно совпадает с вектором проходящего тока по направлению, а на реактивном отклоняется в сторону. Причем на индуктивности оно опережает ток по углу, а на емкости — отстает.

Электронные счетчики способны учитывать и отображать полную мощность и ее активную и реактивную величину. Для этого производятся замеры векторов тока с напряжением, подведенных на его вход. По значению отклонения угла между этими входящими величинами определяется и рассчитывается характер нагрузки, предоставляется информация обо всех ее составляющих.

В различных конструкциях электронных счетчиков набор функций неодинаков и может значительно отличаться своим назначением. Этим они кардинально выделяются от своих индукционных аналогов, которые работают на основе взаимодействия электромагнитных полей и сил индукции, вызывающих вращение тонкого алюминиевого диска. Конструктивно они способны замерять только активную или реактивную мощность в однофазной либо трехфазной цепи, а значение полной — приходится вычислять отдельно вручную.

Принцип измерения мощности электронным счетчиком

Схема работы простого прибора учета с выходными преобразователями показана на рисунке.

В нем для замера мощности используются простые датчики:

тока на основе обычного шунта, через который пропускается фаза цепи;

напряжения, работающего по схеме широко известного делителя.

Сигнал, снимаемый таким датчиками, мал и его увеличивают с помощью электронных усилителей тока и напряжения, после которых происходит аналогово-цифровая обработка для дальнейшего преобразования сигналов и их перемножения с целью получения величины, пропорциональной значению потребляемой мощности.

Далее производится фильтрация оцифрованного сигнала и вывод на устройства:

Применяемые в этом схеме входные датчики электрических величин не обеспечивают измерения с высоким классом точности векторов тока и напряжения, а, соответственно, и расчет мощности. Эта функция лучше реализуется измерительными трансформаторами.

Схема работы однофазного электронного счетчика

В ней измерительный ТТ включен в разрыв фазного провода потребителя, а ТН подключен к фазе и нулю.

Сигналы с обоих трансформаторов не нуждаются в усилении и направляются по своим каналам на блок АЦП, осуществляющий преобразование их в цифровой код мощности и частоты. Дальнейшие преобразования выполняет микроконтроллер, осуществляющий управление:

ОЗУ — оперативным запоминающим устройством.

Через ОЗУ выходной сигнал может передаваться дальше в канал информации, например, с помощью оптического порта.

Функциональные возможности электронных счетчиков

Низкая погрешность измерения мощности, оцениваемая классом точности 0,5 S или 02 S разрешает эксплуатировать эти приборы в целях коммерческого учета использованной электроэнергии.

Конструкции, предназначенные для замеров в трехфазных схемах, могут работать в трех или четырехпроводных электрических цепях.

Электронный счетчик может непосредственно подключаться к действующему оборудованию или иметь конструкцию, позволяющую использовать промежуточные, например, высоковольтные измерительные трансформаторы. В последнем случае, как правило, осуществляется автоматический перерасчет измеряемых вторичных величин в первичные значения тока, напряжения и мощности, включая активную и реактивную составляющие.

Счетчик фиксирует направление полной мощности со всеми ее составляющими в прямом и обратном направлении, хранит эту информацию с привязкой ко времени. При этом пользователю можно снимать показания энергии по ее приращению за определенный период времени, например, текущие или выбранные из календаря сутки, месяц или год либо — накоплению на определенное назначенное время.

Фиксация значений активной и реактивной мощности за определенный период, например, 3 или 30 минут, как и быстрый вызов ее максимальных значений в течение месяца значительно облегчает анализ работы энергетического оборудования.

В любой момент можно просмотреть мгновенные показатели активного и реактивного потребления, действующего тока, напряжения, частоты в каждой фазе.

Наличие функции многотарифного учета энергии с использованием нескольких каналов передачи информации расширяет условия коммерческого применения. При этом создаются тарифы для определенного времени, например, каждого получаса выходного либо рабочего дня по сезонам или месяцам года.

Для удобства работы пользователя на дисплее выводится рабочее меню, между пунктами которого можно перемещаться, используя рядом расположенные органы управления.

Электронный счетчик электроэнергии позволяет не только считывать информацию непосредственно с дисплея, но и просматривать ее через удаленный компьютер, а также осуществлять ввод дополнительных данных или их программирование через оптический порт.

Защита информации

Установка пломб на счетчик производится в два этапа:

1. на первом уровне доступ внутрь корпуса прибора запрещается службой технического контроля завода после изготовления счетчика и прохождения им государственной поверки;

2. на втором уровне пломбирования блокируется доступ к клеммам и подключенным проводам представителем энергоснабжающей организации или энергонадзора.

Все события снятия и установки крышки оборудованы сигнализацией, срабатывание которой фиксируется в памяти журнала событий с привязкой ко времени и дате.

Система паролей предусматривает ограничение пользователей к доступу информации и может содержать до пяти ограничений.

Нулевой уровень полностью снимает ограничения и позволяет просматривать все данные местно или удаленно, синхронизировать время, корректировать показания.

Первый уровень пароля дополнительного доступа предоставляется работникам монтажной или эксплуатационной организации систем АСКУЭ для наладки оборудования и записи параметров, не оказывающих влияние на коммерческие характеристики.

Второй уровень пароля основного доступа назначается ответственным работником энергонадзора на счетчике, прошедшем наладку и полностью подготовленном к работе.

Третий уровень основного доступа дается работникам энергонадзора, осуществляющим снятие и установку крышки со счетчика для доступа к его клеммным зажимам или проведению удаленных операций через оптический порт.

Четвертый уровень предоставляет возможности установки аппаратных ключей на плату, удаление всех установленных пломб и возможность работы через оптический порт для усовершенствования конфигурации, замены калибровочных коэффициентов.

Приведенный перечень возможностей, которыми обладает электронный счетчик электроэнергии, является общим, обзорным. Он может выставляться индивидуально и отличаться даже на каждой модели одного производителя.

Устройство и принцип действия счетчиков электроэнергии

Первые приборы учета электроэнергии появились в 19 столетии. Объяснить это можно массовыми исследованиями электромагнетизма, которые проводили ученые. Сегодня электросчетчики делятся на несколько видов и устанавливаются во всех помещениях, где люди потребляют электричество. Основная его задача – стабилизировать и при правильном использовании свести к минимуму оплату за коммунальные услуги.

1. Классификация приборов учета электроэнергии
2. Устройство и принцип работы электросчетчика
3. Принципиальная схема электросчетчика

Классификация приборов учета электроэнергии

Все счетчики для электроэнергии классифицируются по видам в зависимости от типа подключения, конструктивных особенностей и измеряемых величин. Приборы делятся на прямо включаемые в силовую магистраль и устройства, которые подсоединяются к электрической цепи при помощи измерительных трансформаторов.

В зависимости от конструктивных особенностей электрические счетчики делятся на следующие виды:

Электромеханические или индукционные. Принцип действия электросчетчика следующий: на подвижную деталь, изготавливаемую из проводящего материала, оказывает непосредственное влияние магнитное поле, которое формируется неподвижными токопроводящими катушками. Подвижная деталь – это диск, а катушки продуцируют токи, приводя в действие этот диск. Объем потребляемого ресурса прямо пропорционален числу оборотов этого диска.

Счетчик индукционный однотарифный

Статический или электронный прибор учета. Принцип работы электронного счетчика электроэнергии следующий: электронные, они же твердотельные, детали восприимчивы к воздействию напряжения и переменного тока, что на выходе создает импульсы, количество которых равно объему измеряемого энергоресурса. Такое устройство электросчетчика позволяет измерять активную энергию на преобразовании напряжения и аналоговых сигналов тока на счетные импульсы.

Гибридные типы приборов учета встречаются довольно редко. Особенность устройства электрического счетчика заключается в схожести конструкции механических и электронных приборов.

Электрические счетчики классифицируют на несколько видов по измеряемым величинам и по количеству тарифов. В первом случае приборы учета бывают однофазными и трехфазными, во втором – одно- и двухтарифными.

Устройство и принцип работы электросчетчика

Чтобы в режиме реального времени и непрерывно производить учет активного энергопотребления переменного тока, требуется устанавливать однофазные или трехфазные индукционные приборы учета. Если же важен учет постоянного тока, который широко распространен на железной дороге и всех видах электротранспорта, монтируют электродинамические приборы учета.

Индукционные электрические счетчики оснащены диском, изготовленным из алюминия, при потреблении ресурса этот подвижный элемент вращается из-за вихревых потоков, созданных индукционными катушками. В данном случае встречаются две разные силы – магнитное поле индукционных катушек и магнитное поле вихревых токов. Образованные в результате токи протекают в цепи параллельной нагрузки. Каждая катушка оснащена сердечником, который намагничивается переменным током. Воздействие непрерывного переменного тока приводит к тому, что полюса электромагнитов постоянно изменяются. Это приводит к прохождению между ними магнитного поля. Именно оно тянет за собой алюминиевый диск, образуя вращение.

Скорость вращения диска прямо пропорциональна величине токов, находящихся в обеих катушках. При производстве электросчетчиков применяются простые соединительные приемы из механики, благодаря чему вращающийся диск связан с цифровыми показаниями на панели.

Учет потребляемого ресурса основывается на прямом напряжении напряжения и тока. Все данные подаются на индикатор, в усовершенствованных моделях данные сохраняются в памяти устройства.

Последние годы люди все чаще отдают предпочтение электронным двухтарифным конструкциям. Непрерывно увеличивающийся спрос объясним следующим перечнем достоинств:

• Приборы более точно считывают информацию, что позволяет сократить расходы на оплату коммунальных услуг.
• В сравнении с механическими электросчетчиками они имеют компактные размеры и более привлекательный внешний вид.
• Автоматически переключаются на дневной и ночной тарифы, участие человека не требуется. Еще на этапе производства прибор программируют на два временных интервала – с 07:00 до 23:00 и с 23:00 до 07:00.
• Усовершенствованные модели нуждаются в проверке один раз в течение 5-16 лет. Требуется такая проверка для правильности учета и начисления средств. Проверкой должна заниматься энергопоставляющая компания.

Первая проверка работоспособности устройства проводится еще в заводских условиях, дата обязательно должна быть указана в сопроводительной документации.

Среди недостатков двухтарифных приборов учета выделяют высокую стоимость и их ненадежность в сравнении с механическими аналогами. Как показывает практика, электронные модели чаще выходят из строя.

Принципиальная схема электросчетчика

Схема работы всех видов электрических приборов не имеет принципиальных отличий, все они похожи.

Для замера мощности задействовано несколько простых датчиков:

• Датчики напряжения, работа которых основывается на схеме известного делителя.
• Датчики тока на основе обыкновенного шунта, сквозь который проходит фаза электрической магистрали.

Сигнал, который фиксируется этими датчиками, мал, поэтому его требуется усиливать при помощи электронных усилителей. Потом осуществляется аналогово-цифровая обработка для трансформации сигналов и их перемножения.

Следующие этапы – фильтрация оцифрованного сигнала и вывод на дисплей прибора данных:

• интегрирования;
• индикации;
• передачи вычислений;
• преобразование.

В этой схеме используемые входные датчики не способны обеспечить измерения высокого класса точности векторов, следовательно, и расчет мощности.

Если требуется высокая точность измерений, схему дополнительно оснащают специальными измерительными трансформаторами.

Если в сравнении рассматривать принципиальную схему работы однофазного электронного прибора учета, в ней дополнительно ТН подсоединен к нулю и фазе, а ТТ – неотъемлемая составляющая разрыва фазного провода. Поскольку сигналы поступают из двух трансформаторов, дополнительное усиление сигнала не требуется. Все дальнейшие преобразования выполняет микроконтроллер, он осуществляет управление дисплеем, оперативным запоминающим устройством и электронным реле. Выходной сигнал через ОЗУ может дальше передаваться в информационный канал.

Как работает счетчик электроэнергии старого и нового образца

• Индукционный
• Электронный

Индукционный

Старые электросчетчики состоят из следующих элементов:

1. Последовательная обмотка, именуемая также токовой катушкой. Состоит из нескольких витков толстого провода.
2. Параллельная обмотка (катушка напряжения). Устроена, наоборот, из большого количества витков провода маленькой толщины.
3. Счетный механизм. Устанавливается на оси алюминиевого диска.
4. Постоянный магнит, назначение которого – тормозить и обеспечивать плавный ход диска.
5. Диск из алюминия. Крепится на подшипниках и подпятниках.

вихревые токи

Как видно на схеме, устройство индукционного счетчика электроэнергии достаточно простое. Что касается принципа работы, он также несложен. Сначала переменное напряжение подается на параллельную обмотку (катушку напряжения) и далее протекает на вторую, токовую катушку. Между двумя электромагнитами катушек возникают магнитные вихревые токи, которые, собственно, и способствуют вращению диска. Чем больше сила тока, тем быстрее будет крутиться диск. В свою очередь счетный механизм работает по следующему принципу: вращение от диска передается к барабану за счет червячной передачи (этому способствует установленный на оси диска червяк, который передает вращение через шестеренку, что видно на схеме выше).

Наглядно увидеть, как работает индукционный электросчетчик, вы можете на видео ниже:

Обращаем ваше внимание на то, что принцип работы однофазного счетчика электроэнергии старого образца аналогичен трехфазной модели.

Электронный

В электронном счетчике, к примеру, Энергомера ЦЭ6803В, нет ни диска, ни червячной передачи. Устройство счетчиков электроэнергии нового образца показано на схеме и фото ниже:

Принцип действия электронной модели заключается в том, что датчики тока и напряжения передают сигналы на преобразователь. Последний, в свою очередь, передает код на микроконтроллер для дальнейшей расшифровки и передачи данных на дисплей. В результате мы видим, сколько киловатт электроэнергии израсходовано на данный момент.

На этом видео подробно рассматривается устройство электронного и индукционного счетчика:

Что касается многотарифных приборов учета, типа «день-ночь» или трехтарифные модели, в их устройстве дополнительно встроен модуль памяти, который запоминает количество тока, «намотанное» в разных режимах: днем и ночью. Это нужно для того, чтобы правильно подсчитывать оплату за электроэнергию (с 23:00 до 7:00 стоимость киловатта меньше, чем в остальное время суток). Про преимущества и недостатки двухтарифных электросчетчиков можете прочитать в нашей статье.

Существуют также модели приборов учета электроэнергии с пультом. В их конструкцию внесен механизм, который может блокировать систему подсчета израсходованного электричества.

Вот и все, что хотелось рассказать вам о том, какое устройство и принцип работы счетчиков электроэнергии. Надеемся, информация была для вас понятной и полезной!

Будет полезно прочитать:

Назначение и разновидности счетчиков электрической энергии

Невозможно представить среду обитания современного человека без электричества. А где оно есть, там непременно должен быть и электросчетчик. За электроэнергию нужно платить, а для этого знать, сколько ее потреблено за расчетный период, принимаемый равным одному месяцу. Для этого и нужен электросчетчик: он показывает, какое количество киловатт-часов израсходовано потребителем с момента его установки.

Поскольку это прибор для коммерческого учета, то контролирующими органами принимаются меры для защиты его от несанкционированного доступа. Для этого клеммная крышка, корпус счетчика и коммутационный аппарат на вводе пломбируются. Нарушение пломб являются поводом для солидного штрафа.

Вид современных пломб

Как и любой измерительный прибор, предназначенный для коммерческих измерений, счетчик подлежит государственной поверке. Приборы учета, приобретаемые в магазине, уже прошли ее, и в их паспорте должна стоять соответствующая отметка, либо к нему приложен сертификат. В процессе эксплуатации поверка должна производиться в установленные производителем сроки, указанные в паспорте. На практике же проще заменить прибор на новый, так как стоимость поверки немногим ниже его цены, а на время поверки счетчик нужно заменить другим.

Рекомендуем ознакомиться со следующими похожими статьями по электрическим счетчикам:

1. Индукционные электросчетчики
2. Электронные счетчики
3. Учет с трансформаторами тока

Индукционные электросчетчики

Такая конструкция была изобретена изначально и с небольшими изменениями работает уже не одно десятилетие. Это – электромеханический прибор, электрическая часть которого состоит из двух катушек: токовой и напряжения. Их задача – приводить во вращение диск, механически соединенный с помощью червячной передачи со счетным механизмом. В зависимости от величины тока и напряжения скорость вращения диска изменяется. При отсутствии потребляемого тока диск должен остановиться, но при неисправности или неправильной регулировке счетчика он потихоньку продолжает крутиться. В этом недостаток индукционных счетчиков – возможность возникновения «самохода».

Второй недостаток – невозможно вести учет электроэнергии раздельно по тарифам.

Индукционный электросчетчик

Электронные счетчики

Это современные приборы, созданные на базе электронных компонентов. Основной принцип работы остался тем же, только вместо катушек подключаются датчики, преобразующие значения тока и напряжения в цифровой сигнал. Процессор счетчика обрабатывает его и суммирует за дискретные промежутки времени. Для этого в состав каждого электронного счетчика входят часы, питающиеся от встроенной батарейки. Они самостоятельно генерируют данные о дате и текущем времени, первоначальные значения которых устанавливаются на заводе. При помощи программного обеспечения значения времени можно корректировать при помощи ноутбука, подключенного к счетчику специальным кабелем. Программы и кабели для каждой модели прибора различны.

Электронный счетчик

Электронные счетчики выпускаются однотарифными или многотарифными. Первые стоят дешевле, но раздельный учет электроэнергии во времена суток, соответствующие разным тарифным зонам, позволяет экономить электроэнергию.

двухтарифный учет		Сравнительная стоимость (Москва, 2016 год), руб/кВт∙ч
дневная зона	07:00 – 23:00	5,57
ночная зона	23:00 – 07:00	1,43
Трехтарифный учет
пиковая зона	07:00-10:00, 17:00 – 21:00	5,58
полупиковая зона	10:00 – 17:00, 21:00 – 23:00	4,63
ночная зона	23:00 – 07:00	1,43

Помимо данных о потребленной электроэнергии, даты и времени эти приборы выводят на дисплей текущие значения потребляемого тока, мощности и напряжения в сети. Кроме этого, в счетчики встраиваются реле, формирующие команды на отключение нагрузки или на сигнал при превышении заданного значения измеряемого параметра. Есть и другие функции, но они актуальны для счетчиков промышленного применения и в быту не используются.

Зато очень полезная функция полупроводниковых счетчиков – дистанционная передача данных в офис сбытовой компании. При этом отпадает необходимость снимать показания вручную и куда-то их передавать. Программа обработки в офисе сама формирует квитанции об оплате. Исключается человеческий фактор, причина многочисленных ошибок.

Для реализации этой функции счетчики объединяются в автоматизированные системы учета (АИИСКУЭ). Данные передаются через модемы, персональные для каждого прибора или работающие с группой приборов, объединенными информационными кабелями. Модем может устанавливаться отдельно, но может входить в состав некоторых моделей счетчиков, в этом случае имеется слот под установку SIM-карты.

GSM-модем для передачи данных от электросчетчика

Работа узлов учета в составе такой системы позволяет своевременно выявлять хищения электроэнергии или неисправности счетчиков. Сумма показаний отдельных приборов в многоквартирном доме должна с определенной точностью соответствовать показаниям счетчика на вводе в дом. Если условие перестает выполняться, вычисляется абонент, данные по которому внезапно изменились. Если он не выявлен, в дом направляются инспекторы с целевой проверкой.

Учет с трансформаторами тока

Приборы, непосредственно измеряющие ток нагрузки, называются счетчиками прямого включения. Но они выпускаются на максимальный ток нагрузки только до 100 А.

В случае необходимости учета в цепях большей мощности применяются трансформаторы тока. Счетчики, предназначенные для работы в таких схемах, имеют номинальный ток 5 А. Трансформаторы тока понижают измеряемый ток в количество раз, определяемое коэффициентом трансформации. Например, коэффициент 200/5 означает, что номинальный ток трансформатора тока – 200 А, при этом он может работать с нагрузкой с номиналом в 5А. Коэффициент трансформации его равен 40. На эту величину нужно умножать разницу показаний электросчетчика для получения значения потребленной электроэнергии.

Трансформаторы тока