Електромерите

01.01.2010, Брой 1/2010 / Технически статии / Електроинсталации

 

Част 1. Видове електроенергия, устройство и особености на индукционните електромери

Измерването на консумираната от потребителите електроенергия е задължителна част от работата на всяка електрическа мрежа. Точността на измерване е безспорно важна, тъй като грешките водят до ощетяване на доставчика или потребителя. Не по-малко важно за доставчика е да се гарантира сигурността на измерването от електромерите и на невъзможността за злоумишлена промяна на показанията им. Не на последно място са и разходите по редовното отчитане на консумираните количества. Всички тези проблеми съществуват още от зората на производството и разпределението на електроенергия и са актуални и днес. Един от основните фактори за ограничаването им е усъвършенстването на електромерите. Благодарение на разширеното използване на електронни решения, през последното десетилетие настъпиха не само качествени изменения в структурата на електромерите и подобрение на техните параметри, но бяха създадени и нови възможности за използването им.
В настоящата част на материала се изясняват трите вида електроенергия, устройството и особеностите на еднофазните и трифазните индукционни електромери и някои съвременни нововъведения, разширяващи приложенията им. Част 2 е посветена на електронните електромери.


› Реклама



Трите електроенергии
Напрежението на електрическите мрежи по цял свят е синусоидално, т.е. стойността му се променя във времето по съответния закон. Поради това е прието то да се оценява с ефективната си стойност (“напрежение 220 V”), което е в сила и за синусоидален ток. Реално напрежението и токът само на част от консуматорите са с такава форма, като непрекъснато нараства броят на тези, които поради естеството на действието си я променят, например електрическите лампи с димери и електродвигателите с регулируеми обороти. В такива случаи напрежението и токът се оценяват със своите средноквадратични стойности.
Всеки потребител представлява товар за електрическата мрежа, когато му е приложено напрежението й и през него протича ток. Произведението на средноквадратичните стойности на тези две величини е мощността на товара, а умножаването й с времето, през което той е свързан към мрежата, представлява доставяната от нея електроенергия. Особено важно е, че доставяната електроенергия не винаги изцяло се консумира от товара и съответно превръща в желания друг вид енергия (светлинна, топлинна, механична). Причината за това е съществуването на фазова разлика (нарича се и дефазиране) на тока спрямо напрежението на част от товарите. Прието е тя да се отбелязва с j и наличието й се оценява чрез фактора на мощността cosj. Когато промените на тока настъпват едновременно с тези на напрежението фазова разлика няма, стойността на cosj е 1 и произведението UI на средноквадратичните стойности на напрежението и тока представлява активната мощност Ра на товара, измервана във ватове (W) или киловати (kW). Умножаването й по времето определя доставяната активна енергия, която изцяло се консумира от товара и съответно реално се използва. Прието е тя да се измерва в киловатчаса (kWh), например 1 kWh се получава при работа на товар с активна мощност 1 kW продължение на 1 час или на друг с мощност 100 W в продължение на 10 часа. Това е случаят на т. нар. активни товари, например лампи с нажежаема нишка и нагреватели.
Поради естеството на електродвигателите токът през тях закъснява по отношение на приложеното им напрежение, което е характерно и за други консуматори с общо наименование индуктивни товари. Закъснението означава наличие на фазова разлика и получаване на cosj по-малък от 1. В такъв случай активната мощност е произведението UIcosj и е по-малка от тази на активни товари със същото напрежение и ток.
Този факт има много важен практически смисъл - появата на фазова разлика между тока и напрежението на един товар реално намалява неговата активна мощност и съответно полезната активна енергия, която той консумира от мрежата. Логично е именно тя да се отчита от електромера и съответно заплаща. Това се прави от масово разпространените електромери за активна енергия, които отчитат реалното потребление. Те, обаче, не са изгодни за производителите. Причината е, че доставяната от тях електроенергия е по-голяма и съответства на т. нар. привидна мощност, равна на UI и измервана във VА (волтампери). Мощността на всяка електроцентрала, е максималната привидна мощност, която тя може да достави в електрическата мрежа. Активните товари могат да я консумират изцяло, докато индуктивните ползват само част от нея. Неизползваната част се нарича реактивна мощност (Pr) и на нея й съответства реактивна енергия. Тя се произвежда, но не се използва, тъй като по време на единия полупериод на мрежовото напрежение (10 ms) тя постъпва в товара, а по време на следващия полупериод се връща обратно в мрежата. Мерната единица за реактивната мощност е Var (волтампери реактивни), а за реактивната енергия - kWarh (киловатчас реактивни) с аналогичен смисъл на kWh.
Реактивната мощност може да е твърде голяма, тъй като тя не е разликата между привидната и активната мощност, а се изчислява като Pr = UI(1-cos2j).
Принципното решение на този проблем е намерено отдавна - по подходящ начин към индуктивните товари се свързва кондензатор, а през последното десетилетие и на значително по-сложни устройства за корекция на фактора на мощността. Те твърде успешно изпълняват предназначението си да доближат cosj до 1, но имат два недостатъка. Първият е, че реално не е възможно да се осигури той да е точно равен на 1, т.е. винаги има някаква реактивна енергия, макар и значително по-малка. Вторият недостатък е свързан с нежеланието на някои потребители да влагат допълнителни средства за подобряване на cosj, въпреки че са задължени от съответните нормативни документи. Това са причините за появата и все по-масовото разпространение на електромери за реактивна енергия - потребителят я плаща, независимо че не я е ползвал. Така от една страна той вече има интерес от подобряването на cosj, а от друга производителят не търпи загуби. Въвеждането на електромерите за реактивна енергия има и не по-малко важен екологичен ефект - намаляване “излишното” производство на електроенергия с всички благоприятни последици от това.


› Реклама


Еднофазни индукционни електромери
Първият такъв електромер е създаден през 1889 г. и принципът му, макар и с много подобрения, се използва и днес. Устройството на еднофазен електромер (фиг. 1) показва, че той съдържа електромагнит с две намотки. Напрежителната е с много навивки от тънък проводник и се свързва към мрежовото напрежение, като създава пропорционален на него магнитен поток. Двете последователно свързани токови намотки са с малко навивки от дебел проводник и през тях протича токът на веригата, чиято консумирана мощност ще се измерва. Тези намотки създават друг магнитен поток, пропорционален на тока. Двата потока преминават през тясната въздушна междина между полюсите на електромагнита, където е поставен алуминиев диск с диаметър 80-100 mm и дебелина около 1,2 mm. В него се индуцират токове и от взаимодействието им с магнитния поток се получава механична сила, пропорционална на активната мощност, която го завърта. Скоростта на въртене на диска е пропорционална на тази мощност, поради което броят на оборотите му е пряко свързан с консумираната активна енергия. За нейното точно измерване е необходимо токът на напрежителната намотка да изостава от нейното напрежение на 90 градуса, което реално не се получава заради нейното омично съпротивление. Това дефазиране се осигурява чрез закъснителната намотка и свързания като неин товар резистор за настройка на закъснението. Стойността на активната енергия се отчита чрез механичен брояч, свързан с оста на диска с червячна предавка, която не е показана на фиг. 1. Точността на отчитане се гарантира от двата постоянни магнита, чийто поток през диска се регулира по подходящ начин при фабричната настройка на електромера. Същевременно магнитите се използват и за спиране на диска след прекратяване на консумацията. Така описаният принцип на действие определя другото наименование - електромеханични електромери.
Важно е да се отбележи, че ако между тока и напрежението на товара има фазова разлика от 90 градуса, върху диска не се получава механична сила и той остава неподвижен. Това означава, че описаният електромер не отчита реактивна енергия. От друга страна, за реализиране на електромери за реактивна енергия, е необходимо по конструктивен път в тях да се създаде фазова разлика от 90 градуса на тока спрямо напрежението. Тя се събира със съществуващата разлика между тока и напрежението на реактивен товар, получава се 0 градуса и завъртане на диска. Когато такъв електромер се свърже към активен товар (с нулева фазова разлика между тока и напрежението му) конструктивно създадената фазова разлика не позволява завъртане на диска - електромерът не отчита активна енергия.
Схемата на свързване на всеки еднофазен електромер е дадена в неговата документация, а един пример е на фиг. 2. С 1 е означена токовата намотка, а с 2 - напрежителната, като се вижда често използваното преминаване на неутралата през връзка в електромера. Дадената номерация на изводите е примерна и може да е различна за всеки модел електромери. В немалко каталози клема 1 (свързана към фазата) се нарича токов вход, клема 2 е токов изход, 3 е “нулевата” входна и 4 - изходна клема.

Трифазни индукционни електромери
Те се използват за консуматори с голяма мощност, например над десетина kW, които се свързват към трите фази на мрежата. Действието им е подобно на еднофазните, но имат две или три двойки намотки. Тези с две двойки са предназначени за мрежи без изтеглена неутрала (трипроводни с товари по схема триъгълник) и начинът на свързването им е показан на фиг. 3. Простото обяснение защо не се следи и токът в третата фаза (в случая L2) е, че тъй като сумата на токовете на трите фази е 0 той е равен на сумата на двата измервани, но с обратна посока на тях. Двете двойки намотки едновременно въздействат на диска, поради което показанието на брояча е пропорционално на консумираната енергия от трите фази. Дали тя ще е активна или реактивна се определя по същия начин, както при еднофазните електромери. За мрежи с изтеглена неутрала (четирипроводни с товари по схема звезда) се използват електромери с три двойки намотки, всяка от които отчита тока на една от фазите и напрежението между нея и неутралата.


 

Основни параметри
Двата най-важни параметъра, обикновено написани на лицевия панел на електромера, са неговият основен (базов) ток Ib и максималният ток Imax. Първият е най-голямата стойност на тока през електромера, който може да протича неограничено дълго време. Максималният ток също може да тече дълго време без опасност от повреда или промяна на останалите параметри (т. нар. метрологични характеристики), но това би трябвало да е само по изключение. Този ток е 2 до 6 пъти по-голям от основния, а означаването им е във вида Ib(Imax), Ib-Imax или Ib/Imax например 5(20) А. Типичните граници, в които са двата тока, са между 1,5(6) А и 30(100) А. В някои каталози на електромери се дава и минималният ток, при който те започват да отчитат нормално. Обикновено той е няколко десети от % от основния ток и фигурира в означението на някои модели електромери. Например 0,1-20(60) А означава негова стойност 0,1 А. Използваният в част от каталозите термин активен диапазон на тока е между минималния ток и Imax. При индукционните електромери намаляването на минималния ток е трудно поради ограничения от механичната конструкция (малкият ток създава слабо магнитно поле, което не може да завърти диска), но наличието му е от значение за електроразпределителните дружества.
Друг параметър е номиналното мрежово напрежение (нарича се и предписано напрежение) Un, според чиито стойности има два вида електромери - за едно напрежение, като се дават е допустимите му граници (например 220V±20%) и за Un в широки граници, например от 100 до 500 V. Също параметър е номиналната мрежова честота (предписана честота) заедно с допустимите граници на изменението й, обикновено  47,5 и 52,5 Hz, извън които не се гарантират останалите параметри. Константата на електромера показва броя на оборотите на диска при консумиране на 1 kWh (например 600 об/kWh) от електромерите за активна енергия и при 1 kVAh в тези за реактивна енергия. Почти винаги тя е написана на лицевия панел на електромера.
За електроразпределителните компании и потребителите е еднакво важна грешката на измерване на енергията, определяна от класа на точност на електромера. За електромери за активна енергия в жилища и офиси най-често се използват клас 1 (означава се и като 1.0) с максимална грешка ±1% и клас 2 (или 2.0) с нейна стойност ±2%. По-рядко се използва клас 0,5S (или клас А) с грешка ±0,5%, а само за специални цели (някои индустриални предприятия) има електромери класове 0,1 и 0,2. Електромерите за реактивна енергия обикновено са с клас 2 или 3. Реалната грешка обикновено е по-малка, като зависи от мрежовото напрежение (нараства при отдалечаване от номиналната му стойност), мрежовата честота (нараства при отдалечаване от 50 Hz) и температурата (нараства с отдалечаване от стойността, при която електромерът фабрично е калибриран).
Особеност и недостатък на индукционните електромери е, че в процеса на експлоатацията им грешката може значително да нарастне и да достигне няколко десетки процента. Това се дължи не само на присъщите на всяка механична система причини, но и на неизбежно съществуващите в електрическата мрежа импулси на тока и напрежението, поради което някои индукционни електромери имат специални устройства за потискането им. Нарастването на грешката определя необходимостта от периодично проверяване и калибриране на индукционните електромери в специализирани лаборатории. Калибровката се прави с помощта на специални сервизни регулатори в електромерите, чрез които споменатите постоянни магнити се преместват много фино.
В повечето каталози като параметри се дават консумираните мощности от напрежителната и токовата намотка, всяка от които е няколко VА.
В зависимост от мястото на монтиране на електромера трябва да се избере модел с подходящ обхват на работната температура. Най-големите граници за индукционните електромери са от -25 до +55 °C.
Многотарифни електромери
Целта на въвеждането на повече от една тарифа е чрез увеличаване на цената да се ограничи ползването на електроенергия в най-натоварените часове на деннощието и съответно чрез намаляването й то да се стимулира в нощните часове. Това е важно за производителите на електроенергия, тъй като са необходими по-малко “върхови” електроцентрали, които работят само по няколко часа в денонощието, например между 7 и 8 и от 19 до 21 часа.
Най-масово разпространени са двете тарифи, между които електромерите автоматично се превключват чрез часовник. В индукционните електромери от този тип за всяка тарифа има отделен брояч. Просто и евтино решение за часовниците е да ползват мрежовата честота като източник на импулси за работата си. От гледна точка на електроразпределителните дружества това е сериозен недостатък, тъй като поради непрекъснатите нейни изменения се получава изместване на периода на евтината тарифа, например вместо 22-06 часа той може да стане 02-10 часа. За избягване на това в някои страни превключването се осъществява чрез специален радосигнал - в Англия той е в обхвата на дългите вълни (честота 198 kHz). В други държави известната у нас дневна тарифа е разделена на две, т.е. има трета, най-скъпа тарифа за часовете с най-голяма консумация.

Дистанционно отчитане на индукционни електромери
То се свежда до предаване към специален приемен център на показанията на електромера, където те се обработват и записват. Подобни устройства се използват сравнително рядко в индукционните електромери, тъй като малко след появата им на пазара са пуснати първите електронни електромери, в които аналогична функционалност се осигурява много по-лесно. Действието им в индукционните електромери се заключава в предаване за всеки оборот на диска по 1 или 2 токови импулса, обикновено 10 или 20 mA. За целта се използва специална двупроводна линия, свързвана към два допълнителни извода (импулсен изход) на електромера.



 

 

ОЩЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМАТА

Проектиране на водопроводни системи за многоетажни сградиТехнически статии

Проектиране на водопроводни системи за многоетажни сгради

В контекста на водопроводните системи терминът "многоетажни" се прилага за сгради, които са твърде високи, за да бъдат водоснабдявани чрез нормалното налягане на обществената водопроводна мрежа.

Водоснабдяването в типична двуетажна сграда от 8-12 метра може да се осигури при нормални условия, но по-високите сгради се нуждаят от системи за повишаване на налягането.

Мобилни приложения за сигурност в домаТехнически статии

Мобилни приложения за сигурност в дома

Технологичното развитие в областта на системите за сигурност, интелигентните сградни решения и персоналните мобилни устройства значително трансформираха концепцията за защита на дома.

Мобилните приложения в сферата на сигурността за жилищни и сградни приложения са сравнително нов продуктов сегмент в сферата на домашната автоматизация, но все по-убедително се нареждат сред търсените от потребителите решения.

Пречистване на въздуха в училища и детски градиниТехнически статии

Пречистване на въздуха в училища и детски градини

Постигането и поддържането на висока чистота на въздуха в ясли, детски градини и училища в съответствие с актуалните здравни норми е сериозно предизвикателство.

В тези институции, с оглед на някои характерни рискове, свързани с дейността им, е задължително прилагането на необходимите мерки и технологии за пречистване на въздуха и поддържане на параметрите му в регламентираните граници.

Подподови кабелни системиТехнически статии

Подподови кабелни системи

Въпреки тенденцията на преход към безжични комуникации и технологии през последните десетилетия производството на кабелни системи всъщност се разширява. Кабелните комуникации предлагат по-голяма сигурност, особено на физическо ниво, за множество приложения.

При проектирането и конструирането на сгради се прилагат няколко стратегии за управление на кабелните системи. Сред най-популярните методи е използването на различни типове подови/подподови системи за кабелен мениджмънт.

Видео базирани системи за пожарозащитаТехнически статии

Видео базирани системи за пожарозащита

Във все повече приложения се използва един сравнително нов тип системи за пожарозащита, базирани на видеокамери, които осигуряват редица предимства пред традиционните решения.

Освен с високотехнологични камери, най-модерните видео базирани системи за пожароизвестяване на пазара разполагат с интелигентни инструменти за видеоанализ, които надграждат конвенционалните методи за детекция на дим и пламъци и позволяват изключително ранна детекция в редица критични приложения.

Нови технологии в жилищните ОВК приложенияТехнически статии

Нови технологии в жилищните ОВК приложения

Нараства броят на ОВК потребителите, които използват интелигентни платформи за автоматизация и управляват своите ОВК системи и други сградни услуги чрез мобилни приложения за смартфон или таблет.

Освен "умните", все по-голям дял от пазара заемат и "зелените" технологии, които гарантират по-малки сметки за електроенергия и по-щадяща за околната среда работа на ОВК инсталациите в дома в съчетание с оптимален микроклимат.


АБОНИРАЙ СЕ БЕЗПЛАТНО СЕГА

 

Уеб дизайн от Ей Ем Дизайн. Списание ТД Инсталации. TLL Media © 2018 Всички права запазени. Карта на сайта.

Top