Для учета расхода активной и реактивной электрической энергии служат электрические счетчики. Счетчики учитывают расход энергии за некоторый период времени: за час, за сутки, за месяц и т. д. Этим они существенно отличаются от амперметров, вольтметров или ваттметров, которые фиксируют те или иные параметры в данный момент времени.
Действие электрических счетчиков переменного тока основано на индукционном принципе, а именно — на взаимодействии вращающегося магнитного поля с находящимся в нем металлическим диском. Вращающееся магнитное поле в счетчиках создается двумя неподвижными подковообразными электромагнитами, плоскости которых расположены в пространстве перпендикулярно одна другой (рис. 6.7). Магнитный поток нижнего электромагнита 1 создается токовой катушкой, состоящей из небольшого числа витков провода большого сечения и включаемой в цепь последовательно, как амперметр. Магнитный поток верхнего электромагнита 2 создается катушкой напряжения, состоящей из большого числа витков тонкого провода и включаемой в цепь параллельно, как вольтметр. Из-за разной индуктивности обеих катушек, а также вследствие особого устройства электромагнита с катушкой напряжения между магнитными потоками двух электромагнитов получается*сдвиг по фазе на V4 периода, т. е. на 90°. В результате этого создается вращающееся магнитное поле, аналогично тому, как оно создается тремя катушками трехфазного тока.
В воздушном промежутке между электромагнитами помещен вращающийся на оси алюминиевый диск 3. Вращающееся магнитное поле наводит в нем вихревые токи, в результате взаимодействия которых с полем диск вращается в сторону вращения поля. При вращении диск преодолевает тормозящее действие постоянного магнита 4.
Вращающий момент, действующий на диск счетчика, прямо пропорционален магнитным потокам электромагнитов, которые, в свою очередь, пропорциональны токам в их обмотках. Иными словами, вращающий момент так же, как у ваттметров, будет пропорционален мощности, развиваемой электрическим током. Чем больше мощность, тем больше вращающий момент, тем менее сказывается действие тормозящего магнита и тем, следовательно, больше будет и скорость вращения диска.
Рис. 6.7. Принципиальное устройство электрического счетчика переменного тока
Рис. 6.8. Схема включения электрических счетчиков:
а — однофазного активной энергии; б — трехфазного активной энергии
С осью, на которой вращается диск, при помощи червячка и шестеренок 5 связан счетный механизм: количество оборотов диска за данный отрезок времени определяет расход электрической энергии за то же время.
Счетчики электрической энергии выпускают однофазные и трехфазные. Однофазные счетчики применяют для учета электроэнергии в квартирах (бытовая нагрузка). Схема включения однофазного счетчика показана на рис. 6.8, а.
Трехфазные счетчики применяют для учета силовой нагрузки в трехпроводных сетях. Эти счетчики имеют две токовые катушки и две катушки напряжения, которые действуют на вращающийся механизм так, что счетчик учитывает суммарный расход электрической энергии всей трехфазной системы. Схема включения трехфазного счетчика активной энергии показана на рис. 6.8, б.
Для учета активной энергии в четырехпроводных сетях, например жилых домов, существуют специальные счетчики с тремя токовыми катушками.
Для учета реактивной энергии выпускают специальные счетчики, по принципиальному устройству сходные со счетчиками активной энергии, но отличающиеся от них выполнением катушек и соединением катушек между собой.
Счетчики реактивной энергии устанавливают на промышленных предприятиях и стройках при мощности электроустановки на них 100κΒΑ и выше.
С помощью показаний счетчиков реактивной и активной энергии определяют средневзвешенный коэффициент мощности (cos φ) электроустановки за тот или иной период времени (обычно за месяц). Для этого расход реактивной энергии в кВАр-ч заданный месяц делят на расход активной энергии в кВт·ч за то же время. Частное от деления будет численно равно тангенсу угла сдвига фаз φ:
(6.1)
Определив таким образом tg φ, по тригонометрическим таблицам находят соответствующее ему значение cos φ.
Ежемесячное определение средневзвешенного коэффициента мощности в электроустановках необходимо в связи с тем, что электроэнергия, расходуемая на стройках и предприятиях, оплачивается с учетом величины коэффициента мощности у потребителя. При низких его значениях (меньше 0,92) уплачивается штраф, при высоких значениях производится скидка с оплаты за энергию.
Для ориентировки приведем некоторые значения tg φ и соответствующие им значения cos φ: