Трёхфазный электросчётчик

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

Из истории вопроса

В основу трёхфазной легла двухфазная система Николы Тесла. Счётчики сконструированы по подобию приборов, регистрирующих обычный переменный ток. Схема зависит от электрического интерфейса. К примеру, Тесла использовал коммутацию фаз наподобие применяемой в штепсельных розетках довоенной Германии (30-е) годы. Из-за этого счётчики ставились в разрыве каждой фазы, либо использовался сдвоенный. Аналогичным образом устроены трёхфазные счётчики.

Отличие здесь от цепи 220 В в том, что ток способен течь обратно по проводу соседней фазы. Но миновать местную нейтраль после ввода в здание не удаётся. Собственно, на этом основан принцип действия современных квартирных счётчиков. На входе в здание стоит три фазы. Единственная заводится в квартиру потому, что потребовалось бы на вторую ставить отдельный прибор. Следовательно, домовладельцам, имеющим на территории три фазы, счётчик требуется поставить трёхфазный.

Первые трёхфазные счётчики предназначались для промышленных двигателей и появились в начале 90-х годов XIX века. Эти изделия рассмотрены ниже, после описания конструкций однофазных счётчиков, принципы используются похожие.

Однофазные счётчики

Потребность в измерении потраченной энергии возникла с появлением спроса, 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, пока включены электроприборы. Название устоялось не сразу. Счётчики назывались:

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

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

Если ток переменный, нельзя применять обычные вольтметры и амперметры, чтобы увидеть значение. Стрелка гальванометра непрерывно металась бы по краям шкалы. Однако люди находили способы измерить нужный параметр. На начало XX века применялись три разновидности приборов:

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

Электролизный счётчик Эдисона

Исторически это первый из использовавшихся счётчиков, сведения о приборе стали известны общественности в 1881 году посредством Парижской выставки. На тот момент все используемые электрические приборы работали от постоянного напряжения. Неимоверное число готовых изделий продано в эксплуатацию. К началу XX века, когда переменный ток стал брать вверх, отдельные экземпляры пребывали в ходу. Главными достоинствами стали простота и надёжность.

Конструкция, показанная на рисунке, состоит из двух ёмкостей с сульфидом меди, куда погружены медные диски, укреплённые на двух плечах коромысельного механизма. Принцип действия описывается электролизом. При протекании тока между пластинами, первая частично растворяется, на второй образуется осадок из меди. Когда 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, качели совершают медленные колебания вправо и влево, пока счётчик пишет показания. Переменный ток подобным устройством регистрироваться не может. Вскоре оказались выявлены недостатки подобной конструкции:

1. При повышении температуры точность прибора уплывала, он занижал показания.
2. Вторым недостатком стали обилие движущихся частей и контакты реле.

Улучшенная модель (см. фото) не отличалась элегантностью: требовалось вынимать из раствора использованные диски, по весу определять количество потраченной энергии и вставлять свежие. Зато исключены подвижные части, а ток течёт в единственном 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 в конкретную сторону, по весу точно определялось количество потреблённой энергии. Способ не получил распространения и имел два ярко выраженных недостатка:

1. После выключения света аккумулятор потихоньку разряжался через спирали лампочек и изменял вес перенесённого металла.
2. Обнаружилось, что условия роста пластины показывают ярко выраженную зависимость от частоты и прочих факторов. Считалось сложным 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. 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) не отличается от однофазного асинхронного двигателя кухонной вытяжки. Специально сконструирован для компании Вестингауза, с которой работал Никола Тесла. Вспомогательная катушка (не видна на общем плане) статора расположена под углом, чтобы исключить зависание конструкции и однозначно задать направление вращения вала. Обе соединяются последовательно проводом. Как и конструкция Томсона, счётчик предназначен исключительно для переменного тока. Для ограничения скорости вращения на конец оси 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. Это не слишком безопасный из приборов. Ток входил в центр чаши, расположенной горизонтально между полюсами постоянного магнита, и растекался в стороны на пути к потребителю. За счёт взаимодействия полей дискообразной ртути и магнита конструкция вращала лопасть вала счётного механизма. Ртутный контакт сохранялся непрерывным за счёт металлического съёмного кольца. С каждым оборотом потребитель накручивал киловатт-часы. Очевидцы утверждают, что при необходимости устройство использовалось для переменного тока. Хотя авторы верят с трудом.

Счётчик Перри отличается от предыдущего – ртуть заменена медным цилиндром. Токосъёмник в виде кольца. Но ртуть в приборе присутствует, просто в меньшем количестве, образуя жидкий контакт.

Часовой счётчик

Изобретение относят на счёт Арона, в действительности его германский патент отклонили – аналогичное устройство содержал британский патент Айртона и Перри. Задумка не стала практически полезной, поэтому первой моделью считают образчик февраля 1883 года в авторстве Мр. Шулберга.

Часовой счётчик мало отличается от ходиков с кукушкой. Вершина маятника расположена между двумя электромагнитами, ток, изменяя направление, заставляет «часы» идти. Резонансная система настраивается, чтобы правильно отсчитывать «время» – энергию. Конструкция приспосабливается для переменного и постоянного тока. Видимо, дав 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 обзорах, инженер доказал, что три фазы переменного тока эффективнее двух. Но Никола Тесла ранее доказал, что многофазный ток его изобретение, и патент не отдаётся.

Первый трёхфазный счётчик

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

Термин многофазный применён не случайно, ранее были уже в ходу двухфазные счётчики. В научном обиходе приставка много – означает количество от трёх и более. Термин употреблён в совершенном согласии с общепринятыми нормами.

Томас Дункан получил право на изобретение 4 июля 1893 года (День Независимости США).

Устройство трёхфазного счётчика основывается на принципе, что использовался 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), ротор сделан из металлического цилиндра. Автор пишет, что берутся медь, серебро, железо – любой металлический сплав с повышенной проводимостью. Требование продиктовано условиями возникновения токов Фуко.

Цилиндр вращается в электромагнитом поле трёх фаз, через ось связан со счётным механизмом, не показанным на рисунке. Оси катушек статора смещены от нормали к касательной окружности, чтобы гарантированно придать ротору заданное направление вращения (поле направлено вдоль оси за пределами витков по плавной дуге). Принцип действия устройства 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. Статор неподвижен и жёстко укреплён, вращаться начинает ротор.
4. Каждый оборот соответствует по задумке автора конкретному количеству истраченной энергии.

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

1. Во-первых, разумеется, устройство вносит реактивное индуктивное сопротивление в цепь. Это плохо, обмотки двигателей поступают аналогично, взаимно усугубляя эффект. Дополняя друг друга, катушки создают большой угол сдвига фаз, увеличивая реактивную мощность. При определённом значении питание двигателей становится неэффективным.
2. Вторым недостатком становится факт, что автор предполагал равномерный расход мощности по всем фазам. Это очевидно, в ином случае обороты станут срываться. Нестабильная работа механической части наверняка не поспособствует правильному счету.
3. Третий недостаток проистекает из соображений асинхронности двигателя. Для работы необходимы токи индукции, возникающие лишь при разнице скоростей вращающегося поля (для США – 60 Гц) и статора. Автору следовало сделать цилиндр в виде трёхполюсного магнита из железняка. Прибор вращался бы вне зависимости от токов Фуко. Сложность остаётся: поле стремилось бы перемагнитить ротор.

Томас Дункан, видимо, осознавал перечисленные недостатки. Пишет по тексту, что приведённые на рисунках конструкции не считаются удачными вариантами реализации его идеи остаются прочие, не показанные в эскизах – для исключения плагиата и разворовывания идей. Одновременно Дункан заявляет о возможности подсчёта расхода четырёх и более фаз. Откуда проистекает непосредственно название патента.

Конструкция Шолленбергера

Однофазному счётчику Шолленбергера не зря уделено выше столько внимания. Работая на компанию Вестингауза, изобретатель неминуемо перешёл к конструкциям промышленного назначения: 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 не запрещено.

Текст патента опубликован 1 января 1895 года. Автор заявил, что открыл закономерность: если поместить катушку, питаемую переменным током в поле двух других, питающихся напряжением аналогичной частоты, крутящий момент зависит от ряда величин. Это определяет скорость или угол отклонения системы как функцию параметров:

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

Основываясь на этом факте, Шолленбергер и построил счётчик. Предназначался для работы в паре с двухфазными двигателями Николы Теслы, но автор быстро нашёл способы расширить возможности изобретения.

На скрине сбоку изображён двухфазный счётчик, автор показывает, что катушка статора способна вращаться в поле и отклоняться на некоторый угол. В первом случае удобно использовать подключённый механизм счётчика, 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 использовать вращение. Отдельные работают по принципу суперпозиции (векторного сложения напряжённостей) полей. На рисунке изображены большинство вариантов. Поля меняются синхронно во времени, заметно дрожание указателя, и эффективность прибора сильно зависит от продуманности конструкции механической части (инерция подвижной рамки). Впрочем, аналогично скажем про стрелочные датчики давления любой бойлерной.

Чарльз Терри и Уесли Карр засвидетельствовали факт подачи патента 15 сентября 1894 года, но в конструкции обнаруживается серьёзный недостаток: автор отказывается воспринимать факт, что потребление по фазам оказывается неравномерным. Впрочем, Шолленбергер учёл это в случае с поворотной конструкцией, что даёт грядущим инженерам намёк на изменения при конструировании.

Псевдофаза

Патент 796368 A находился на рассмотрении почти 9 лет, будучи заявлен 21 ноября 1896 года. Работая на компанию Эдисона и Томсона, автор был заинтересован кровно в постоянном токе. Патент предназначен для переменного тока, что противоречит интересам владельцев Дженерал Электрик. Следовательно, правообладатели могли войти в контакт с бюро и попросить придержать публикацию. Когда 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, здесь впервые вводится понятие пусковой обмотки. Однофазный счётчик, представленный на эскизах, является асинхронным двигателем с размножением полюсов за счёт сдвига фаз. Реактивным элементом стал не пусковой конденсатор, как в современных вариантах, а дроссель. И положительное, и отрицательное изменение фазы напряжения используется для создания вращающегося магнитного поля.

Проще: на конденсаторе напряжение отстаёт от тока, а на индуктивности – опережает. Оба сдвига фаз возможно использовать. Получается, что входные величины едины, но искусственно делятся для возможности измерения, как в современном однофазном компрессоре холодильника. Получается, фаза одна, дополненная искусственно созданной псевдофазой.

Недостатки очевидны: проходя подобную конструкцию, ток расходится с напряжением на приличный угол. Фактор мощности далёк от идеала. Современный вариант с конденсатором намного лучше, но, рискнём предположить, что на момент подачи патента субъект оставался неизученным. В 1896 году не существовало иных конденсаторов, кроме лейденских банок. Прочие конструкции не были доступны изобретателям в массе. Катушка Теслы с ярко выраженными ёмкостными свойствами служила лишь для компенсации собственных индуктивных свойств, что не подходит под нужды рассматриваемого класса приборов.

Описывать принцип действия нет необходимости, это распространённая схема. Просто вместо конденсатора для пуска асинхронного двигателя применили индуктивность (чтобы создать сдвиг фаз). Добавим, что после разгона вала обычно пусковая обмотка отключается, чтобы не вносить реактивную составляющую в потребление. В 1896 году это выглядело невозможным по очевидным соображениям: пускозащитные реле не применялись массово, оказывалось сложно настроить их на столь маломощную конструкцию специфичного назначения.

Трансформаторы тока

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

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

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

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

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

Электронные трёхфазные счётчики

Сегодня электронным счетчиком управляет микроконтроллер. В интернете распространена схема включения чипа MSP430F449. Легко заметить – 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 фазе. 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 точнее показания. В указанном случае погрешность гораздо меньше одной сотой процента, чего хватает для типичных применений. Представленный счетчик легко вычисляет активную мощность 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 и более быстродействующей предвидится техника. Потому что принцип оцифровки обычно заключен в постепенном повышении напряжения компаратора и сравнивании его с входной величиной. Форма сигнала напоминает лесенку, оканчивающуюся ступенькой, где сравнивающее устройство решает, что достигло требуемого уровня.

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

Из сказанного напрашивается вывод, что принцип подсчета мощности не слишком сильно изменился за прошедшие 150 лет с момента постановки задачи перед инженерами (в первую очередь, Эдисоном). Современные системы точнее, самые первые модели учитывали лишь ток, не занимались перемножением. И если заряжать 12-вольтовый аккумулятор через первые счетчики электроэнергии, возможно получить фантастическую цифру.

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