9.1.3.Электронные частотомеры

Электронные частотомеры имеют погрешность =(0,5…2,5)% в диапазоне (20…50010³) Гц. Наибольший интерес при оценке качества электроснабжения вызывает измерение отклонения f измеряемой частоты от номинального значения f₀. В измерительном преобразователе отклонения частоты напряжение подается на компаратор К, в котором формируются прямоугольные импульсы, подаваемые через дифференциатор Дф на счетчик импульсов СчИ1 (рис. 9.4). В CчИ1 производится подсчет количества импульсов, имеющих период T_f=1/f=1/(f₀+f), за определенный период считывания Т_с= N₀/f₀., где величина N₀ выбирается исходя из требований к точности измерения. Значение f₀ =1/Т₀ задается эталонным генератором импульсов ЭГИ. Он же выдает импульсы считывания Т_с для обоих счетчиков импульсов.

Р и с. 9.4. Электронный преобразователь отклонения частоты

С выхода СчИ1 снимается подсчитанное за время Т_с число импульсов N_f , которое подается на первый вход вычитающего устройства ВУ. На счетчик СчИ2 подаются эталонные импульсы¸ следующие с частотой f₀ , и импульсы считывания Т_с. В результате подсчета на выходе СчИ2 формируется число N₀ , подаваемое на второй вход ВУ, в котором определяется значение N_f= N₀– N_f . Искомой величиной в цифровом виде (с учетом знака) является значение f=N_f/N₀ .

Для измерения активной мощности в однофазной и трехфазной цепях применяют одно-, двух– и трехэлементные ваттметры или совокупность датчиков тока и напряжения, сигналы с выходов которых потом перемножаются. Для измерения реактивной мощности используют, как правило, одно– , двух– и трехэлементные варметры, а также совокупность датчиков токов, напряжений и электронных измерителей сдвига фаз. На рис. 9.5 показан пример применения одноэлементного ваттметра на базе электродинамического измерительного механизма для измерения активной мощности в однофазной сети. Работа механизма основана на взаимодействии магнитных полей неподвижной 1 и подвижной 2 катушек, по которым протекают токи I₁ и I₂ соответственно. Подвижная катушка укреплена на оси и находится внутри неподвижной. Весь прибор экранируется для защиты от влияния внешних электромагнитных полей. Взаимная индуктивность катушек М₁₂ зависит от их формы и расположения, зазора между обмотками и от значения протекающих токов.

Достоинствами электродинамического механизма являются высокая точность (до класса 0,5…0,1), стабильность, простота конструкции. Недостатки – невысокая чувствительность, существенная зависимость погрешности от механических перегрузок, большое собственное потребление мощности.

а б

Р и с. 9.5. Измерение активной мощности в однофазной сети электродинамическим ваттметром: а – схема электродинамического измерительного механизма; б – схема включения одноэлементного ваттметра при измерении активной мощности

Реактивная мощность в однофазной цепи равна:

Q=UIsin . (9.2)

В трехфазной цепи реактивная мощность определяется по формуле

. (9.3)

Отличие реактивной мощности от активной заключается в том, что вращающий момент пропорционален синусу угла между векторами тока и напряжения. Для измерения реактивной мощности применяются рассмотренные выше механизмы с измененными схемами включения в цепь. При этом токовые обмотки включаются без изменений, а потенциальные обмотки подключаются к напряжениям, которые на 90⁰ отстают от напряжений, подаваемых на эти обмотки при измерении активной мощности.

Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый период времени T, необходимо проинтегрировать мгновенные значения активной мощности P_a.

. (9.4)

Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени P=UI. В соответствии с выражением (9.4) работают все известные типы измерителей электрической энергии.

На рис. 9.6 показан широко распространенный индукционный измерительный механизм электромеханического одноэлементного счетчика.

Принцип действия механизма основан на взаимодействии двух или нескольких магнитных потоков с токами, индуктированными ими в подвижном алюминиевом вращающемся диске. Измеряемое напряжение U, приложенное к высокоиндуктивной обмотке напряжения, создает ток IU, имеющий фазовый угол сдвига относительно вектора напряжения, равный 900. Ток IU в среднем стержне магнитопровода 1 создает магнитный поток Ф, из которого выделяется рабочий поток Ф_U. Этот поток пересекает диск 3 и замыкается на противополюс 9. Поток Ф_U отстает от тока I_U на угол _U. Измеряемый ток I создает в магнитопроводе 2 поток Ф_I, который дважды пересекает диск 3 и захватывает магнитопровод 1. Поток Ф_I отстает от тока I на угол _I. Таким образом, диск 3 пересекают два несовпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг потока Ф_U и Ф_I.

Возникающие при этом в диске токи, взаимодействуя с потоками, создают вращающий момент

, (9.5)

где с – постоянная величина, определяемая конструктивными особенностями вращающегося механизма; f – частота изменения потоков Ф_U и Ф_I;  – угол между потоками Ф_U и Ф_I; k – коэффициент пропорциональности.

Р и с. 9.6. Индукционный измерительный механизм одноэлементного электромеханического счетчика

Изменяя количество короткозамкнутых витков 7 и сопротивление резистора 8 добиваются равенства . Тогда выражение (9.5) принимает вид

. (9.6)

Постоянная угловая скорость вращения диска  _д при фиксированном значении потребляемой мощности обеспечивается с помощью постоянного магнита 6 таким образом, чтобы тормозящий момент

М_т = с₁ _д, (9.7)

где с₁ – постоянная величина, определяемая конструктивными особенностями измерительного механизма.

Приравнивая (9.6) и (9.7), получим

. (9.8)

Из (8.30) видно, что при наличии нагрузки в выходной цепи измерительного механизма диск за фиксированное время Т выполнит некоторое количество оборотов, пропорциональное потребленной активной энергии:

W=cN. (9.9)

Р и с. 9.7. Структурная схема аналогового электромеханического преобразователя электрической энергии

Путем изменения схем подключения тока и напряжения в индукционном измерительном механизме можно добиться выполнения равенства . В этом случае прибор будет измерять реактивную энергию.

Для измерения энергии в трехфазных цепях применяют двух– и трехэлементные индукционные механизмы. При этом на общую ось механизма устанавливаются три диска, а подсчет энергии ведется на основе алгебраического суммирования вращающих моментов.

Другой тип устройства – аналоговый электронный измеритель. Структурная схема электронного счетчика энергии однофазного переменного тока показана на рис. 9.7. Чувствительными элементами преобразователя являются датчики тока и напряжения. Устройство перемножения сигналов с накапливающим элементом на конденсаторе выполняют функции измерителя энергии.