Трёхфазный электросчётчик

Трёхфазный электросчётчик – это прибор учёта потреблённой энергии. От обычного отличается также множеством разновидностей и функций. Это обусловлено особенностями тарификации производственных нужд.

Из истории вопроса

В основу трёхфазной легла двухфазная система Николы Тесла. И счётчики сконструированы по образу и подобию приборов, регистрирующих обычный переменный ток. Схема зависит от электрического интерфейса. Так, например, Тесла использовал коммутацию фаз наподобие той, что применялась в штепсельных розетках довоенной Германии (30-е) годы. Из-за этого счётчики нужно было поставить в разрыве каждой фазы, либо использовать сдвоенный. Аналогичным образом устроены и трёхфазные счётчики.

Отличие здесь от цепи 220 В в том, что ток может течь обратно по проводу соседней фазы. Но миновать местную нейтраль после ввода в здание он никак не может. Собственно, на этом основан принцип действия и современных квартирных счётчиков. Потому что на входе в здание обычно имеется три фазы. Но лишь одна из них заводится в квартиру именно потому, что потребовалось бы на следующую ставить отдельный прибор. Следовательно, домовладельцам, имеющим на своей территории три фазы, и счётчик нужно поставить трёхфазный.

Первые трёхфазные счётчики были предназначены для промышленных двигателей и появились в начале 90-х годов XIX века. Эти изделия будут рассмотрены ниже, после описания конструкций однофазных счётчиков, потому что принципы будут использованы похожие.

Однофазные счётчики

Потребность в измерении потраченной энергии возникла так скоро, как появился спрос. А произошло это примерно в 70-е годы XIX века. С тех пор принцип действия электросчётчика мало изменился. Потреблённая энергия находилась интегрированием функции произведения напряжения на ток на заданном участке времени. То есть, пока включены электроприборы. Название устоялось не сразу. Какое-то время счётчики могли называться:

  1. Эргометр.
  2. Джоульметр.
  3. Энергометр.
  4. Ваттметр.

Последнее название не совсем соответствовало назначению, поскольку счётчик измеряет энергию, а не мощность. Если напряжение постоянное, то интегрировать нужно лишь потребляемый ток. Такой упрощённый тип счётчиков именовался кулонометром, либо измерителем уровня.

Если ток переменный, то нельзя применять обычные вольтметры и амперметры, чтобы увидеть значение. Потому что стрелка гальванометра непрерывно металась бы из одного края шкалы в другой. Тем не менее, люди находили способы измерить нужный параметр. На момент начала XX века существовали по крайней мере три разновидности приборов:

  • Электролизные счётчики.
  • Моторизованные счётчики.
  • Часовые счётчики.

Электролизный счётчик Эдисона

Исторически это первый из использовавшихся счётчиков, сведения о нем стали известны общественности в 1881 году посредством Парижской выставки. На тот момент все используемые где-либо электрические приборы работали от постоянного напряжения. Неимоверное число готовых изделий было продано в эксплуатацию. Так, что даже к началу XX века, когда переменный ток стал брать вверх, отдельные экземпляры ещё были в ходу. Главными его достоинствами стали простота и надёжность.

Конструкция, показанная на рисунке, состоит из двух ёмкостей с сульфидом меди, куда погружены медные же диски, укреплённые на двух плечах коромысельного механизма. Принцип действия полностью описывается электролизом. При протекании тока с одной пластины на другую, первая частично растворяется, тогда как на второй образуется осадок из меди. Когда какое-либо плечо начинает перевешивать, механизм делает засечку на очередную потреблённую единицу энергии и меняет через реле (напоминает коромысельный двигатель Джозефа Генри, см. Электромагнитное реле) направление протекания тока.

Таким образом, эти качели совершают медленные колебания вправо и влево, пока счётчик пишет свои показания. Понятно, что переменный ток подобным устройством регистрироваться не может. Вскоре были выявлены и недостатки подобной конструкции:

  1. При повышении температуры точность прибора уплывала, и он начинал занижать свои показания.
  2. Вторым недостатком, естественно, являются обилие движущихся частей и контакты реле.

Улучшенная модель (см. фото) также не отличалась элегантностью: нужно было вынимать из раствора использованные диски, по весу определять количество потраченной энергии и вставлять свежие. Зато исключены подвижные части, а ток течёт всегда в одном направлении. Температурные флуктуации устранены посредством подбора раствора, меняющего сопротивление обратно пропорционально меди. В результате эффект двух веществ взаимно скомпенсирован.

Для переменного тока использовался с 1887 года электролитический счётчик Лоури-Холла. Измерение велось по изменению пластин аккумулятора, включённого в цепь освещения. Металл переносился только в одну сторону, и по его весу можно было точно сказать, сколько потреблено энергии. Этот способ не получил широкого распространения и имел два ярко выраженных недостатка:

  1. После выключения света аккумулятор потихоньку разряжался через спирали лампочек и изменял вес перенесённого металла.
  2. Было обнаружено, что условия роста пластины имеют ярко выраженную зависимость от частоты и некоторых других факторов. Так, что было сложно достичь приемлемой точности.

Моторизованные счётчики

Первый моторизованный счётчик запатентован в 1882 году профессорами Айртоном и Перри, но страдал от сил механического трения. Это ограничение преодолено в счётчике ватт-часов Элиу Томсона. Принцип действия основывается на токах индукции (Араго-Фуко). Скорость вращения вала небольшого сервомотора пропорциональна потребляемому току. В свою очередь за счёт индукции приводится во вращение медный диск, связанный со счётным механизмом. Примечательно, что за счёт продуманной конструкции направление движения вала не зависело от полярности напряжения, но прибор обладал высоким нижним порогом регистрируемого тока по очевидным причинам.

Счётчик (патент US388003 A) Шолленбергера  (14 августа 1888 года) ничем не отличается от однофазного асинхронного двигателя какой-нибудь кухонной вытяжки. Специально сконструирован для компании Вестингауза, с которой работал Никола Тесла. Вспомогательная катушка (не видна на общем плане) статора расположена под углом для того, чтобы исключить зависание конструкции и однозначно задать направление вращения вала. Обе соединяются последовательно проводом. Как и конструкция Томсона, этот счётчик предназначен только для переменного тока. Для ограничения скорости вращения оси, на конец её крепятся 4 лопасти, взаимодействующие с атмосферным воздухом.

Прославленный Википедией счётчик Ферранти изобретён в 1884 году и использует подвижный контакт из металлической ртути, чем напоминает конструкцию Фарадея первой половины XIX века. Понятно, что это не самый безопасный из всех существующих приборов. Ток входил в центр чаши, расположенной горизонтально между полюсами постоянного магнита, и растекался во все стороны на пути к потребителю. За счёт взаимодействия полей дискообразной ртути и магнита эта конструкция начинала вращать лопасть вала счётного механизма. Ртутный контакт сохранялся непрерывным за счёт металлического съёмного кольца. С каждым оборотом потребитель накручивал свои киловатт-часы. Очевидцы утверждают, что при необходимости это устройство можно было использовать и для переменного тока. Хотя авторы в это верят с трудом.

Счётчик Перри отличается от предыдущего лишь тем, что ртуть заменена медным цилиндром. Токосъёмник также имеет вид кольца. Но ртуть в этом приборе тоже есть, просто в меньшем количестве. Она так же, как и раньше, образует жидкий контакт.

Часовой счётчик

Изобретение относят на счёт Арона, но на самом деле его германский патент был отклонён, поскольку аналогичное устройство содержал британский патент Айртона и Перри. Как бы то ни было, задумка не была практически полезной, поэтому первой моделью обычно считают образчик февраля 1883 года в авторстве Мр. Шулберга.

Часовой счётчик мало чем отличается от обычных ходиков с кукушкой. Вершина маятника расположена между двумя электромагнитами, и ток, изменяя направление, заставляет «часы» идти. Резонансная система настраивается так, чтобы правильно отсчитывать «время», по-другому – энергию. Эта конструкция может быть приспособлена как для переменного, так и постоянного тока. И наверняка именно она дала название современной мере киловатт-часов.

Конструкции конца XIX века

Произведённый авторами поиск показывает, что конструкции трёхфазных счётчиков появились уже через несколько лет после неудачной попытки Доливо-Добровольского взять патент на использование трёх фаз. Как уже упоминалось в других обзорах, этот инженер доказал, что три фазы переменного тока эффективнее двух. Но Никола Тесла ранее доказал, что многофазный ток является его изобретением, и никому другому патент отдан не будет.

Первый трёхфазный счётчик

Патент US500868 A взят на многофазный счётчик. Это первое упоминание о трёхфазном подсчитывающем устройстве, которое только можно найти в интернете. Исходя из сказанного, нельзя утверждать с вероятностью 100%, что это первый трёхфазный счётчик, но во всяком случае устройство представляет собой ранний образчик в рассматриваемом контексте.

Термин многофазный применён, быть может, не зря, и ранее были уже в ходу двухфазные счётчики. Поиск по этому вопросу не производился, так что любой желающий может его осуществить по патентам Гугл. Следует также заметить, что в научном обиходе приставка много- обычно означает количество от трёх и более. Так что термин употреблён в совершенном согласии с общепринятыми нормами.

Томас Дункан получил своё право на изобретение 4 июля 1893 года (День Независимости США). Остаётся лишь гадать, по какой причине клерки засиделись на работе. Один из вариантов ответа может заключаться в том, что с 1870 года этот праздник не оплачивался. Проще говоря, неявка на рабочее место являлась вполне законной, но денег за это никто бы не пожаловал. Следовательно, бюро решило слегка подзаработать.

Устройство трёхфазного счётчика основывается на том же принципе, что использовался и для однофазной модели, запатентованной автором чуть раньше (US 415825, 21 декабря 1891 года). По сути это асинхронный двигатель, изобретённый Теслой. На статоре стоят три равноудалённые друг от друга катушки по числу фаз (А, В, С), а ротор сделан из металлического цилиндра. Автор пишет, что это могут быть медь, серебро, железо – любой металлический сплав с высокой проводимостью. Требование продиктовано условиями возникновения токов Фуко.

Цилиндр вращается в электромагнитом поле трёх фаз и через ось связан со счётным механизмом, не показанным на рисунке. Оси катушек статора смещены от нормали к касательной окружности. Это сделано для того, чтобы гарантированно придать ротору заданное направление вращения (поле направлено вдоль оси за пределами витков по плавной дуге). Принцип действия устройства ничем не отличается от асинхронного двигателя, изобретённого Николой Теслой на основании теории Араго (и опытов Фуко):

  1. На катушках действуют напряжения, смещённые по фазе равномерно на 120 градусов.
  2. Возникающее вокруг обмотки поле индуцирует в металлическом цилиндре токи Фуко (Араго) такого направления, что конструкции отталкиваются друг от друга.
  3. Поскольку статор неподвижен и жёстко укреплён, то вращаться начинает ротор.
  4. Каждый оборот соответствует по задумке автора некоторому количеству истраченной энергии.

Связь между величинами очевидна. Сегодня для изменения скорости вращения асинхронного двигателя варьируют вольтаж. Этим уменьшается или увеличивается именно ток, а напряжение является вторичным фактором. В рассматриваемом же случае вольтаж постоянен и задаётся поставщиком энергии. А вот потребители, включённые последовательно с тремя катушками, задают ток и, следовательно, мощность. Из сказанного можно сделать вывод, что первому трёхфазному счётчику присущи следующие недостатки:

  1. Во-первых, разумеется, устройство вносит реактивное индуктивное сопротивление в цепь. Это очень плохо, потому что и обмотки двигателей делают то же самое, взаимно усугубляя эффект. Дополняя друг друга, катушки создают большой угол сдвига фаз, увеличивая реактивную мощность. При некотором её значении питание двигателей становится неэффективным.
  2. Вторым недостатком является тот факт, что автор предполагал равномерный расход мощности по всем фазам. Это очевидно, потому что в ином случае обороты станут срываться. Нестабильная работа механической части наверняка не поспособствует правильному счету.
  3. Третий недостаток проистекает из тех соображений, что двигатель асинхронный. В переводе на русский это означает, что для его работы необходимы токи индукции, возникающие лишь при разнице скоростей вращающегося поля (для США – 60 Гц) и статора. Автору следовало бы сделать цилиндр в виде трёхполюсного магнита из железняка. В таком случае тот вращался бы вне зависимости от токов Фуко. Сложность в том, что поле стремилось бы перемагнитить ротор, но это уже совсем другая история, а вопрос решается в пределах темы синхронных двигателей.

Томас Дункан, видимо, и сам осознавал все эти недостатки. Потому что пишет по тексту, что приведённые на рисунках конструкции не являются самыми удачными вариантами реализации его идеи. Есть и другие, которые в эскизах не показаны. Скорее всего, это сделано для исключения плагиата и разворовывания идей. Одновременно Дункан заявляет о возможности подсчёта расхода четырёх и более фаз. Откуда и проистекает непосредственно название патента.

Конструкция Шолленбергера

Однофазному счётчику Шолленбергера не зря было уделено выше столько внимания. Работая на компанию Вестингауза, изобретатель неминуемо должен был перейти к конструкциям промышленного назначения. А это две фазы Николы Теслы и три – Доливо-Добровольского. В патенте US531866A говорится прямо, что методика нацелена на промышленность. Но мудрый изобретатель одновременно заявляет, что в быту использовать её тоже не запрещено.

Текст патента опубликован и вовсе 1 января 1895 года. Видимо, клерки всерьёз решили сгореть на работе. Автор заявил, что открыл следующую закономерность: если поместить катушку, питаемую переменным током в поле двух других, питающихся напряжением той же частоты, крутящий момент зависит от нескольких величин. В свою очередь это определяет скорость или угол отклонения системы, как функцию следующих параметров:

  1. Магнитные напряжённости полей катушек.
  2. Синус угла разницы фаз питающих напряжений.

Основываясь на этом факте, Шолленбергер и построил свой счётчик. Как и было указано выше, прежде всего он предназначался для работы в паре с двухфазными двигателями Николы Теслы, но автор быстро нашёл способы расширить возможности своего изобретения.

На скрине сбоку изображён двухфазный счётчик, и автор показывает, что катушка статора может не только вращаться в поле, но также и отклоняться на некоторый угол. В первом случае удобно использовать подключённый механизм счётчика, тогда как во втором – пользоваться стрелкой и циферблатом. Что позволяет одновременно фиксировать процесс визуально и оценивать истраченные киловатт-часы.

Следует обратить внимание, что в конструкциях не обязательно нужно использовать вращение. Некоторые работают по принципу суперпозиции (векторного сложения напряжённостей) полей. На рисунке изображены многие из этих вариантов. Поскольку все поля меняются синхронно во времени, то может быть заметно дрожание указателя, и в целом эффективность прибора сильно зависит от продуманности конструкции механической части (инерция подвижной рамки). Впрочем, то же самое можно сказать про стрелочные датчики давления какой-нибудь бойлерной.

Чарльз Терри и Уесли Карр засвидетельствовали факт подачи патента 15 сентября 1894 года, но в конструкции по-прежнему имеется серьёзный недостаток: автор отказывается воспринимать тот факт, что потребление по фазам может быть неравномерным. Впрочем, Шолленбергер по крайней мере учёл это в случае с поворотной конструкцией, что даёт многим грядущим инженерам (а они, разумеется, читают свежую прессу с публикациями) хотя бы намёк на то, что нужно учесть при конструировании.

Псевдофаза

Патент 796368 A находился на рассмотрении почти 9 лет, будучи заявлен ещё 21 ноября 1896 года. Работая на компанию Эдисона и Томсона, автор был заинтересован кровно в постоянном токе. Быть может, это одна из причин столь долгой задержки. Патент предназначен для переменного тока, что противоречит интересам владельцев Дженерал Электрик. Следовательно, правообладатели могли войти в контакт с бюро и попросить придержать публикацию. Как только Тесла взял вверх и начал строить башню Ворденклиф, постоянный ток стал изживать себя. К 1905 году стало очевидно, что мир уже не станет прежним. Тогда патент и опубликовали.

Конструкция Чарльза Штайнметца примечательна тем, что впервые здесь вводится понятие пусковой обмотки. По сути, однофазный счётчик, представленный на эскизах, является асинхронным двигателем с размножением полюсов за счёт сдвига фаз. Но реактивным элементом здесь является не пусковой конденсатор, как в современных вариантах, а дроссель. И положительное, и отрицательное изменение фазы напряжения может быть использовано для создания вращающегося магнитного поля, что и имеет место быть в данном случае.

Ещё проще: на конденсаторе напряжение отстаёт от тока, а на индуктивности – опережает. Но тот и другой сдвиг фаз можно использовать. Получается, что входные величины едины, но искусственно делятся для возможности их измерения. Точно так же, как в любом современном однофазном компрессоре какого-нибудь холодильника. Получается, что фаза одна, но её дополняет искусственно созданная псевдофаза.

Недостатки очевидны: проходя подобную конструкцию, ток расходится с напряжением на приличный угол. Это значит, что фактор мощности далёк от идеала. Современный вариант с конденсатором намного лучше, но, рискнём предположить, что на момент подачи патента субъект не был хорошо изучено. Хотя бы потому, что в 1896 году ещё не существовало иных конденсаторов кроме лейденских банок. Ещё точнее: прочие конструкции не были доступны изобретателям в своей массе. Катушка Теслы же со своими ярко выраженными ёмкостными свойствами могла служить лишь для компенсации её же индуктивных свойств, что в данном случае не подходит полностью под нужды рассматриваемого класса приборов.

Описывать принцип действия здесь нет необходимости, поскольку это широко распространённая схема. Просто вместо конденсатора для пуска асинхронного двигателя применили индуктивность (чтобы создать сдвиг фаз). Можно добавить сюда, что после разгона вала обычно пусковая обмотка отключается, чтобы не вносить реактивную составляющую в потребление. Но на момент 1896 года это было бы невозможным, по очевидным соображениям: пускозащитные реле не применялись широко, а тем более сложным было бы настроить их на столь маломощную конструкцию специфичного назначения.

Трансформаторы тока

Конструкция Георга Хуммеля примечательна тем, что как две капли воды напоминает современный измеритель самой постановкой идеи. Патент US 633695 A черным по белому показывает, что уже на исходе 1897 года его создатель знал о неравномерном потреблении по трём фазам. Поэтому конструкция впервые использует несимметричную схему включения: трансформаторы забирают межфазный ток для оценки.

Представленная схема с изолированной нейтралью, поэтому счётчик вполне работоспособен. Внимание привлекает исполнительная часть механизма. Это двигатель с неявными полюсами, образованными шихтованным сердечником магнитопровода. Для вращения фаз (!) используется одна из двух его обмоток (см. предыдущий подзаголовок). В результате всего одна фаза создаёт вращающееся магнитное поле и позволяет счётчику накручивать киловатт-часы.

Схема съёма сигнала дана на рисунке, из которого видна идентичность идеи современным вариантам. Является она предтечей и трёхфазных ваттметров, где катушка напряжения перпендикулярна катушке тока, а величины снимаются при помощи трансформаторов. Коренное отличие в том, что Хуммель оперирует линейными величинами, а современные измерители – фазными (относительно нейтрали).

Мелкие нюансы можно прочесть в тексте, сопровождающем патент. Так например, написано, что сдвиг фаз на обмотке составляет не 90, а всего лишь 30 градусов. Поэтому и полюса расположены соответственно. Малый сдвиг фаз объясняется наличием сравнительно большого активного сопротивления обмотки и сложностями получения высокой индуктивности.

Больше нет смысла перебирать патенты, потому что основы измерения потребляемой энергии изложены. Осталось лишь посмотреть, как устроен трёхфазный электросчётчик современного типа.

Электронные трёхфазные счётчики

Сегодня электронным счетчиком управляет микроконтроллер. В интернете широко распространена схема включения чипа MSP430F449. Легко заметить, что это часовой счетчик с кварцевым резонатором на 32,768 кГц. Пока тикает «механизм», аналого-цифровой преобразователь снимает показания трех трансформаторов тока и фиксирует напряжение по каждой из фаз. Для опоры служит вывод нейтрали, на рисунке не показанный.

Двоичная информация поступает к микроконтроллеру, где производится перемножение величин и их интеграция по времени с использованием частоты кварцевого резонатора. Чем меньше интервал дискретизации электронной схемы, тем более точными получаются показания. В данном случае погрешность гораздо меньше одной сотой процента, что вполне достаточно для типичных применений. Представленный счетчик может легко вычислять как активную мощность, так и реактивную, производя преобразование Фурье, либо пользуясь иными алгоритмами.

Вторым фактором, влияющим на точность, является разрядность аналого-цифрового преобразователя. Чем она выше, тем меньше погрешности. Но тем и более быстродействующей должна быть техника. Потому что принцип оцифровки обычно заключен в постепенном повышении напряжения компаратора и сравнивании его с входной величиной. Форма сигнала при этом напоминает лесенку, которая оканчивается той ступенькой, где сравнивающее устройство решает, что достигло требуемого уровня.

Преимущество электроники в возможности цифровой обработки, скорость которой зависит только от тактовой частоты и производительности микроконтроллера. Это в первую очередь разрядность ядра, за которую сейчас борются операционные системы во всем мире, а во вторую – принципиальная электрическая схема процессора, его архитектура.

Из сказанного можно сделать вывод, что принцип подсчета мощности не слишком сильно изменился за прошедшие 150 лет с момента постановки проблемы перед инженерами (в первую очередь, Эдисоном). Современные системы более точны, потому что самые первые модели учитывали только ток. Они не занимались перемножением. И если заряжать 12-вольтовый аккумулятор через первые счетчики электроэнергии, то можно получить фантастическую цифру.

Это касается всех типов приборов, рассмотренных выше. Они используют магнитный поток или скорость электролиза, которые зависят лишь от величины тока. Современным же АЦП проще измерять напряжение. В частности, токовые их входы представляют собой высокоомный делитель напряжения. Этому пока что нет альтернативы, потому что чувствительные датчики Холла на данном этапе развития технологии использовать нерентабельно.

Читайте также:  Индикаторная отвёртка