В каждую электрическую сеть квартиры или частного дома подключается электросчетчик, учитывающий потребленную электроэнергию. Отличительной особенностью данного прибора является его последовательное подключение. Это позволяет определять в полном объеме количество тока, проходящего через его обмотки. Принцип работы электросчетчика зависит от того, к какому типу относится тот или иной прибор.
В быту используются три вида счетчиков:
- Механические или индукционные, несмотря на простоту и дешевизну, они отличаются большими погрешностями, невозможностью тарификации и другими недостатками.
- Электронные счетчики обладают явными преимуществами в виде высокой точности, удобного интерфейса и многих других полезных функций.
- Третий вид приборов учета относится к гибридным устройствам, в которых имеется механическая и электронная часть. Они используются достаточно редко, поэтому более подробно следует рассмотреть два первых типа электросчетчиков.
Принцип работы индукционного счетчика
Еще совсем недавно индукционные счетчики были неотъемлемой частью электрических сетей в квартирах. Счетное устройство в этих приборах представлено вращающимся алюминиевым диском и цифровыми барабанами, отображающими показатели расхода электроэнергии в реальном времени.
Принцип действия подобных устройств достаточно простой. Электромагнитное поле, возникающее в катушках счетчика, взаимодействует с диском, выполняющим функцию подвижного токопроводящего элемента. В однофазном индукционном счетчике выполняется параллельное подключение одной из катушек к обмотке напряжения, которая служит сетью переменного тока. Другая катушка подключается последовательно на участке между обмоткой тока или нагрузкой и генератором электроэнергии.
Действие токов, протекающих по обмоткам, приводит к созданию переменных магнитных потоков, пересекающих вращающийся диск. Их величина составляет пропорцию между потребляемым током и входным напряжением. В соответствии с законом электромагнитной индукции в самом диске происходит возникновение вихревых токов, протекающих по направлению магнитных потоков.
Установка счетчика электроэнергии
Вихревые токи и магнитные потоки начинают взаимодействовать между собой в диске. В результате, появляется электромеханическая сила, которая и приводит к созданию вращающегося момента. Таким образом, возникает пропорция между полученным вращающимся моментом и произведением двух магнитных потоков, возникающих в обмотках тока и напряжения, умноженных на синус сдвига фазы между ними.
Нормальная работа индукционного электросчетчика возможна только при условии фазового сдвига, равного 90 градусам. Такой сдвиг можно получить, разложив магнитный поток обмотки напряжения на две части. Получается, что диск прибора вращается с частотой, пропорциональной активно потребляемой мощности. Поэтому непосредственный расход электроэнергии будет находиться в пропорции с количеством оборотов диска. Полученные данные о потреблении передаются на механическое счетное устройство, ось которого связана с осью подвижного диска с помощью зубчатой передачи. Такая конструкция обеспечивает синхронное вращение обоих элементов.
Другие исполнители на Юду
Рейтинг: 4,9
Сделано это с одной целью – снизить нагрузку на электроподстанции. Низкая цена на электроэнергию будет стимулировать некоторых потребителей пользоваться некоторыми электроприборами ночью, тем самым уменьшая нагрузку на сеть.
Несомненными преимуществами двухтарифного типа электросчетчиков, работающих по принципу «день-ночь» считаются:
- Возможность сэкономить на коммунальных платежах
- Снижение нагрузки на электростанцию
- Снижение вредного влияния на окружающую среду – неравномерное потребление топлива на электростанциях в разное время суток. Днем и вечером загрязнение происходит крайне интенсивно
Наряду с преимуществами у двухтарифного электросчетчика существуют и некоторые недостатки:
- Не везде разница в тарифах ощутима и выгодна
- После подключения двухтарифного счетчика учета электричества следует правильно эксплуатировать бытовые приборы, иначе ни о какой экономии не будет идти и речи
Способы проверки правильности работы двухфазного электронного счетчика
Плату за электроэнергию потребители производят по показаниям электросчетчиков. Однако известны случаи, когда приборы учета электричества по ряду причин дают сбои. Проверить, правильно ли работает ваш энергосчетчик, можно самостоятельно, без вызова на дом специалиста энергоучастка.
Проверка электросчетчика – это выявление возможной разницы между реальными показаниями и показаниями, которые списываются с табло прибора.
Каким образом можно проверить, правильно ли работает двухфазный электронный счетчик:
1 способ – самый важный – проверка правильности подсоединения счетчика
2 способ – самоход
Самоход – это способ поиска неисправности в работе прибора, когда лампочка светового указателя двухтарифного электронного счетчика начинает непрерывно сигналить при недоступности нагрузки на энергосеть и наличию в ней напряжения.
Проверить самоход правильно достаточно просто. Оставьте подключенным вводную и отсоедините питание всех отходящих от щитка коммутаты. Теперь необходимо внимательно проследить за работой электросчетчика – если самохода нет, то лампочка светового указателя электронного счетчика моргнет не более одного раза – счетчик работает правильно.
3 способ – энергопотребляющий прибор и секундомер
Отключаем от сети все электроприборы и включаем все выходящие из щитка автоматы. Для точности определения показаний счетчика используем обычную лампу накаливания с мощностью 100 Вт. Возьмем три лампы общей мощностью в 300 Вт. Энергосберегающие лампы использовать крайне нежелательно, т.к. они способствуют появлению сбоев в показаниях счетчика.
Подготовьте секундомер и при включенных лампах (300 Вт) засеките время интервала десяти сигналов лампочки светового указателя электронного двухфазного счетчика.
4 способ – число передачи
Число передачи – это то количество световых миганий, которые наблюдаются на протяжении одного часа при нагрузке в 1 кВт.
Измерение показаний электронного счетчика производится в соответствии со следующими единицами измерения — .
Посмотреть показания счетчика можно на его лицевом табло.
Это одни из наиболее простых и популярных способов проверки правильности работы счетчика системы «день-ночь». Существуют и иные методы – с использованием расчетных формул для выявления процента погрешности работы счетчика.
Принцип работы однотарифного электросчетчика
Принцип работы электросчетчика электромеханического типа достаточно простой. При включении электроприборов на вход счетчика поступают сигналы о напряжении и силе тока, которые фиксируются соответствующими датчиками и передаются на преобразователь. Он, в свою очередь, оцифровывает эти сигналы и преобразует их в импульсы определенной частоты. Импульсы передаются на электромагнит счетного механизма, далее, посредством зубчатой передачи, сигнал поступает на колесики барабана. В результате данные отображаются в виде конкретных цифр.
H00011857
Обзор и устройство современных счётчиков электроэнергии
За последнее время на смену индукционным счётчикам электроэнергии пришли электронные. В данных счётчиках счётный механизм приводится во вращение не с помощью катушек напряжения и тока, а с помощью специализированной электроники. Кроме того, средством счёта и отображения показаний может являться микроконтроллер и цифровой дисплей соответственно. Всё это позволило сократить габаритные размеры приборов, а также, снизить их стоимость.
В состав практически любого электронного счётчика входит одна или несколько специализированных вычислительных микросхем, выполняющие основные функции по преобразованию и измерению. На вход такой микросхемы поступает информация о напряжении и силе тока с соответствующих датчиков в аналоговом виде. Внутри микросхемы данная информация оцифровывается и преобразуется определённым образом. В результате, на выходе микросхемы формируются импульсные сигналы, частота которых пропорциональна текущей потребляемой мощности нагрузки, подключенной к счётчику. Импульсы поступают на счётный механизм, который представляет собой электромагнит, согласованный с зубчатыми передачами на колёсики с цифрами. В случае с более дорогостоящими счётчиками с цифровым дисплеем применяется дополнительный микроконтроллер. Он подключается к вышесказанной микросхеме и к цифровому дисплею по определённому интерфейсу, ведёт накопление результата измерения электроэнергии в энергонезависимую память, а также, обеспечивает дополнительный функционал прибора.
Рассмотрим несколько подобных микросхем и моделей счётчиков, которые мне попадались под руку.
Ниже на рисунке в разобранном виде изображён один из наиболее дешёвых и популярных однофазных счётчиков «НЕВА 103». Как видно из рисунка, устройство счётчика довольно простое. Основная плата состоит из специализированной микросхемы, её обвески и узла стабилизатора питания на основе балластового конденсатора. На дополнительной плате размещён светодиод, индицирующий потребляемую нагрузку. В данном случае – 3200 импульсов на 1 кВт*ч. Также есть возможность снимать импульсы с зелёного клеммника, расположенного вверху счётчика. Счётный механизм состоит из семи колёсиков с цифрами, редуктора и электромагнита. На нём отображается посчитанная электроэнергия с точностью до десятых кВт*ч. Как видно из рисунка, редуктор имеет передаточное отношение 200:1. По моим замечаниям, это означает «200 импульсов на 1 кВт*ч». То есть, 200 импульсов, поданных на электромагнит, поспособствуют прокрутке последнего красного колёсика на 1 полный оборот. Это соотношение кратно соотношению для светодиодного индикатора, что весьма не случайно. Редуктор с электромагнитом размещён в металлической коробке под двумя экранами с целью защиты от вмешательства внешним магнитным полем.
В данной модели счётчика применяется микросхема ADE7754. Рассмотрим её структуру.
На пины 5 и 6 поступает аналоговый сигнал с токового шунта, который расположен на первой и второй клеммах счётчика (на фотографии в этом месте видно повреждение). На пины 8 и 7 поступает аналоговый сигнал, пропорциональный напряжению в сети. Через пины 16 и 15 есть возможность устанавливать усиление внутреннего операционного усилителя, отвечающий за ток. Оба сигнала с помощью узлов АЦП преобразуются в цифровой вид и, проходя определённую коррекцию и фильтрацию, поступают на умножитель. Умножитель перемножает эти два сигнала, в результате чего, согласно законам физики, на его выходе получается информация о текущей потребляемой мощности. Данный сигнал поступает на специализированный преобразователь, который формирует готовые импульсы на счётное устройство (пины 23 и 24) и на контрольный светодиод и счётный выход (пин 22). Через пины 12, 13 и 14 конфигурируются частотные множители и режимы вышеперечисленных импульсов.
Стандартная схема обвески практически представляет собой схему рассматриваемого счётчика.
Общий минусовой провод соединён с нулём 220В. Фаза поступает на пин 8 через делитель на резисторах, служащий для снижения уровня измеряемого напряжения. Сигнал с шунта поступает на соответствующие входы микросхемы также через резисторы. В данной схеме, предназначенной для теста, конфигурационные пины 12-14 подключены к логической единице. В зависимости от модели счётчика, они могут иметь разную конфигурацию. В данном кратком обзоре эта информация не столь важна. Светодиодный индикатор подключен к соответствующему пину последовательно вместе с оптической развязкой, на другой стороне которой подключается клеммник для снятия счётной информации (К7 и К8).
Из этого же семейства микросхем существуют похожие аналоги для трёхфазных измерений. Вероятнее всего, они встраиваются в дешёвые трёхфазные счётчики. В качестве примера на рисунке ниже представлена структура одной из таких микросхем, а именно ADE7752.
Вместо двух узлов АЦП, здесь применено их 6: по 2 на каждую фазу. Минусовые входы ОУ напряжения объединены вместе и выводятся на пин 13 (ноль). Каждая из трёх фаз подключается к своему плюсовому входу ОУ (пины 14, 15, 16). Сигналы с токовых шунтов по каждой фазе подключаются по аналогии с предыдущим примером. По каждой из трёх фаз с помощью трёх умножителей выделяется сигнал, характеризующий текущую мощность. Эти сигналы, кроме фильтров, проходят через дополнительные узлы, которые активируются через пин 17 и служат для включения операции математического модуля. Затем эти три сигнала суммируются, получая, таким образом, суммарную потребляемую мощность по всем фазам. В зависимости от двоичной конфигурации пина 17, сумматор суммирует либо абсолютные значения трёх сигналов, либо их модули. Это необходимо для тех или иных тонкостей измерения электроэнергии, подробности которых здесь не рассматриваются. Данный сигнал поступает на преобразователь, аналогичный предыдущему примеру с однофазным измерителем. Его интерфейс также практически аналогичен.
Стоит отметить, что вышеописанные микросхемы служат для измерения активной энергии. Более дорогие счётчики способны измерять как активную, так и реактивную энергию. Рассмотрим, например, микросхему ADE7754. Как видно из рисунка ниже, её структура намного сложнее структуры микросхем из предыдущих примеров.
Микросхема измеряет активную и реактивную трёхфазную электроэнергию, имеет SPI интерфейс для подключения микроконтроллера и выход CF (пин 1) для внешней регистрации активной электроэнергии. Вся остальная информация с микросхемы считывается микроконтроллером через интерфейс. Через него же осуществляется конфигурация микросхемы, в частности, установка многочисленных констант, отражённых на структурной схеме. Как следствие, данная микросхема, в отличие от предыдущих двух примеров, не является автономной, и для построения счётчика на базе этой микросхемы требуется микроконтроллер. Можно зрительно в структурной схеме пронаблюдать узлы, отвечающие по отдельности за измерение активной и реактивной энергии. Здесь всё гораздо сложнее, чем в предыдущих двух примерах.
В качестве примера рассмотрим ещё один интересный прибор: трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32». Как видно из фотографии ниже, данный счётчик ещё не эксплуатировался. Он мне достался в неопломбированном виде с небольшими механическими повреждениями снаружи. При всём при этом он находился полностью в рабочем состоянии.
Как можно заметить, глядя на основную плату, прибор состоит из трёх одинаковых узлов (справа), цепей питания и микроконтроллера. С нижней стороны основной платы расположены три одинаковых модуля на отдельных платах по одному на каждый узел. Данные модули представляют собой микросхемы AD71056 с минимальной необходимой обвеской. Эта микросхема является однофазным измерителем электроэнергии.
Модули запаяны вертикально на основную плату. Витыми проводами к данным модулям подключаются токовые шунты.
За пару часов удалось срисовать электрическую схему прибора. Рассмотрим её более детально.
Справа на общей схеме изображена схема однофазного модуля, о котором говорилось выше. Микросхема D1 этого модуля AD71056 по назначению похожа на микросхему ADE7755, которая рассматривалась ранее. На четвёртый контакт модуля поступает питание 5В, на третий – сигнал напряжения. Со второго контакта снимается информация в виде импульсов о потребляемой мощности через выход CF микросхемы D1. Сигнал с токовых шунтов поступает через контакты X1 и X2. Конфигурационные входы микросхемы SCF, S1 и S0 в данном случае расположены на пинах 8-10 и сконфигурированы в «0,1,1».
Каждый из трёх таких модулей обслуживает соответственно каждую фазу. Сигнал для измерения напряжения поступает на модуль через цепочку из четырёх резисторов и берётся с нулевой клеммы («N»). При этом стоит обратить внимание, что общим проводом для каждого модуля является соответствующая ему фаза. А вот, общий провод всей схемы соединён с нулевой клеммой. Данное хитрое решение по обеспечению питанием каждого узла схемы расписано ниже.
Каждая из трёх фаз поступает на стабилитроны VD4, VD5 и VD6 соответственно, затем на балластовые RC цепи R1C1, R2C2 и R3C3, затем – на стабилитроны VD1, VD2 и VD3, которые соединены своими анодами с нулём. С первых трёх стабилитронов снимается напряжение питания для каждого модуля U3, U2 и U1 соответственно, выпрямляется диодами VD10, VD11 и VD12. Микросхемы-регуляторы D1-D3 служат для получения напряжения питания 5В. Со стабилитронов VD1-VD3 снимается напряжение питания общей схемы, выпрямляется диодами VD7-VD9, собирается в одну точку и поступает на регулятор D4, откуда снимается 5В.
Общую схему составляет микроконтроллер (МК) D5 PIC16F720. Очевидно, он служит для сбора и обработки информации о текущей потребляемой мощности, поступающей с каждого модуля в виде импульсов. Эти сигналы поступают с модулей U3, U2 и U1 на пины МК RA2, RA4 и RA5 через оптические развязки V1, V2 и V3 соответственно. В результате на пинах RC1 и RC2 МК формирует импульсы для механического счётного устройства M1. Оно аналогично устройству, рассматриваемому ранее, и также имеет соотношение 200:1. Сопротивление катушки высокое и составляет порядка 500 Ом, что позволяет подключать её непосредственно к МК без дополнительных транзисторных цепей. На пине RC0 МК формирует импульсы для светодиодного индикатора HL2 и для внешнего импульсного выхода на разъёме XT1. Последний реализуется через оптическую развязку V4 и транзистор VT1. В данной модели счётчика соотношение составляет 400 импульсов на 1 кВт*ч. На практике при испытании данного счётчика (после небольшого ремонта) было замечено, что электромагнитная катушка счётного механизма срабатывает синхронно со вспышкой светодиода HL2, но через раз (в два раза реже). Это подтверждает соответствие соотношений 400:1 для индикатора и 200:1 для счётного механизма, о чём говорилось ранее.
Слева на плате расположено место для 10-пинового разъёма XS1, который служит для перепрошивки, а также, для UART интерфейса МК.
Таким образом, трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32» состоит из трёх однофазных измерительных микросхем и микроконтроллера, обрабатывающий информацию с них.
В заключение стоит отметить, что существует ряд моделей счётчиков куда более сложней по своей функциональности. К примеру, счётчики с удалённым контролем показаний по электролинии, или даже через модуль мобильной связи. В данной статье я рассмотрел только простейшие модели и основные принципы построения их электрических схем. Заранее приношу извинения за возможно неправильную терминологию в тексте, ибо я старался излагать простым языком.
- счетчик электроэнергии
- обратная разработка
- pic16
- Реверс-инжиниринг
- Производство и разработка электроники
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.
Статья: Электронный счетчик электроэнергии: принципы построения и работы
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
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.
Начинай год правильно
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽
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:
- Активная составляющая мощности.
- 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.
