Электронный счетчик электроэнергии: принципы построения и работы

Введение

В течение последних десятилетий на смену индукционным счетчикам электроэнергии приходят электронные счетчики. В таких устройствах счетный механизм приводят в движение не катушки индукции, а специализированные электронные модули, а устройствами, выполняющими подсчет и отображение показаний, являются микроконтроллер и цифровой дисплей, соответственно. Все это позволяет уменьшить габариты приборов, а также, понизить их стоимость.

В составе фактически всех электронных счетчиков присутствует одна или несколько специализированных вычислительных микросхем, которые выполняют главные функции, связанные с преобразованиями и измерениями. На вход таких микросхем должна поступать информация о напряжении и силе тока со специальных датчиков в аналоговом формате. В микросхеме эта информация должна быть оцифрована и преобразована необходимым образом.

В итоговом результате, на выходе микросхемы должны сформироваться импульсные сигналы, частота которых будет пропорциональной текущей потребляемой мощности нагрузкой, которая подключена к счетчику. Импульсы должны поступать на счетное устройство, которое может представлять собой электромагнит, согласованный с зубчатыми передачами на шестерни с цифрами. В более дорогостоящих счетчиках, оснащенных цифровым дисплеем, может использоваться дополнительный микроконтроллер. Он должен подключаться к указанной выше микросхеме и к цифровому дисплею через необходимый интерфейс, и способен осуществлять накопление результата измерения электроэнергии в энергонезависимой памяти, а также, может обеспечить дополнительный функциональный набор прибора.

Принципы построения и работы электронного счетчика электроэнергии

Главным предназначением данного прибора является постоянное измерение потребляемой мощности на контролируемом участке электрической цепи и отображению ее значения в удобной для пользователя форме. Элементной базой электронного счетчика являются твердотельные электронные элементы, которые работают на полупроводниковых или микропроцессорных конструкциях.

Электронные счетчики производятся двух видов:

• для использования в цепи постоянного тока;
• для использования в цепи переменного тока, то есть, с напряжением синусоидальной гармонической формы.

Электронные счетчики электроэнергии постоянного тока используются, как правило, лишь на промышленных предприятиях, которые эксплуатируют мощное оборудование с высоким потреблением постоянной мощности (электрифицированный железнодорожный транспорт, электромобили и так далее). В бытовых целях они не применяются, и их выпускают ограниченными партиями.

Электронные счетчики электроэнергии переменного тока служат для учета энергии потребляемой:

• устройствами, предназначенными для однофазной системы питания;
• устройствами, предназначенными для трехфазной системы питания.

Конструкция электронного счетчика выполнена таким образом, что все его компоненты расположены внутри корпуса, который имеет:

• клеммную колодку для подсоединения электрических проводов,
• панель жидко -кристаллического индикатора (ЖКИ) дисплея,
• органы управления функционированием и передачей информации от счетчика,
• измерительные трансформаторы,
• печатную плату с твердотельными компонентами,
• защитный кожух.

Внешний вид и главные настройки одной из многочисленных моделей электронных счетчиков изображен ниже.

Рисунок 1. Электронный счетчик. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Готовность к использованию такого электронного счетчика должна подтверждаться:

• нанесенным клеймом поверителя, которое подтверждает прохождение счетчиком метрологической поверки на испытательном стенде и оценку его параметров в границах определенного производителем класса точности;
• целостностью пломбы предприятия энергетического надзора, которое является ответственным за правильное подключение счетчика к электрической цепи.

Внутренний вид плат электронного счетчика изображен на рисунке ниже

Рисунок 2. Внутренний вид плат электронного счетчика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На платах электронного счетчика не присутствуют никакие движущиеся и индукционные механизмы. А присутствие трех встроенных трансформаторов тока, которые используются как датчики с таким же числом четко видимых каналов на монтажной плате, говорит о том, что это трехфазное устройство.

Работа как трехфазных, так и однофазных электронных счетчиков выполняется по одинаковым внутренним алгоритмам. Исключением может считаться лишь тот факт, что в трех фазном счетчике, который является более сложным устройством, выполняется геометрическое суммирование величин всех трех составляющих каналов.

По этой причине принцип работы электронного счетчика можно в основном рассматривать на примере однофазной модели электронного счетчика. Для этого необходимо напомнить базовые законы электротехники, которые связаны с мощностью. Полное значение мощности должно определяться следующими составляющими:

1. Активная составляющая мощности.
2. Реактивная составляющая мощности, то есть, сумма индуктивной и емкостной нагрузки.

Активная и реактивная составляющие мощности, используемые в электронном счетчике, показаны на рисунке ниже.

Рисунок 3. Активная и реактивная составляющие мощности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Ток, который протекает по общей цепи однофазной сети, должен быть одинаковым на всех участках, а падение напряжения на отдельных ее элементах зависит от типа сопротивления и его значения. На активном сопротивлении оно должно совпадать с вектором проходящего тока по направлению, а на реактивном всегда имеет отклонения в сторону. При этом на индуктивности напряжение опережает ток по углу, а на емкости напряжение отстает от тока.