ВРАЩАЮЩИЙСЯ ЭЛЕМЕНТ ИНДУКЦИОННОГО СЧЕТЧИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК G01R11/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности, к средствам измерения электрической энергии переменного тока.

Известен ряд вращающих элементов индукционных счетчиков электроэнергии, в которых регулировка внутреннего фазового сдвига между рабочими магнитными потоками последовательной и параллельной цепей (так называемого 90^o-го сдвига) осуществляется изменением потерь, вносимых на пути магнитного потока параллельной цепи счетчика путем введения в нерабочие зазоры магнитопровода параллельной цепи медных пластинок или короткозамкнутых витков.

Благодаря тому, что амплитуды магнитных потоков параллельной цепи при изменении потерь изменяются мало, регулировка фазового сдвига в таких устройствах не вызывает заметного изменения вращающего момента, что является большим достоинством подобных вращающих элементов.

Недостатком этих устройств является повышенная сложность конструкции магнитопровода параллельной цепи и регулировочных приспособлений, а также отсутствие компенсации температурного изменения 90^o-го сдвига.

Известны вращающие элементы, в которых регулировка 90^o-го сдвига осуществляется путем регулировки величины дополнительного магнитного потока параллельной цепи счетчика потока регулятора фазы, проходящего через короткозамкнутый виток.

Например, во вращающем элементе, примененном в счетчиках типа EJE8 фирмы Кржижик, поток регулятора фазы проходит через стальную скобу, закрепленную на боковых стержнях магнитного сердечника катушки напряжения, и ввернутый в эту скобу стальной винт, на который надета латунная трубка, входящая в отверстие в центральном стержне магнитного сердечника катушки напряжения. Поверх латунной трубки надет пакет медных колец, занимающий часть расстояния между скобой и сердечником.

При изменении глубины погружения стального винта внутрь сердечника катушки напряжения изменяется величина потока регулятора фазы, а следовательно, изменяются и потери энергии, вносимые медными кольцами в катушку напряжения, что и вызывает изменение фазового сдвига.

Поскольку потери, вносимые в магнитный поток регуляторы фазы, невелики вследствие недостаточно малого электрического сопротивления пакета медных колец (пакет имеет малую длину, а внутренний диаметр колец увеличен), для достижения достаточного диапазона регулировки фазового сдвига этот поток должен составлять заметную часть полного потока параллельной цепи, что ограничивает диапазон регулировки фазового сдвига.

Так как при регулировке фазового сдвига магнитный поток регулятора фазы уменьшается от некоторого начального значения до очень малых величин, то это вызывает значительные изменения рабочего потока (а следовательно, и вращающего момента), что и является основным недостатком известного вращающего элемента.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является выбранный в качестве прототипа вращающий элемент, в котором устройство для регулировки внутреннего фазового сдвига между рабочими магнитными потоками, создаваемыми цепью тока и цепью напряжения, содержит скобу из магнитомягкого материала, концами закрепленную на боковых стержнях сердечника напряжения, регулировочный винт из магнитомягкого материала, ввинченный в отверстие в центре скобы и проходящий через медную трубку, установленную между скобой и центральным стержнем сердечника напряжения, и отверстие в центральном стержне сердечника напряжения.

Для обеспечения температурной компенсации фазового сдвига внутри медной трубки установлена втулка из материала с отрицательным коэффициентом магнитной проницаемости.

При ввинчивании регулировочного винта в отверстие сердечника напряжения возрастает магнитный поток, проходящий через медную трубку. При этом увеличиваются потери, вносимые в катушку напряжения счетчика, что вызывает уменьшение фазового сдвига между напряжением и магнитным потоком, создаваемым катушкой напряжения.

Регулируя положение винта, добиваются 90^o-го внутреннего фазового сдвига.

Вследствие недостаточно малого электрического сопротивления медной трубки величина магнитного потока, проходящего через медную трубку, определяется в основном величиной немагнитного зазора между регулировочным винтом и центральным стержнем сердечника цепи напряжения, а магнитный поток незначительно отстает по фазе от вспомогательного магнитного потока, создаваемого катушкой напряжения и проходящего через немагнитные зазоры между центральным и боковыми стержнями сердечника напряжения. Поэтому если в процессе регулировки 90^o-го сдвига увеличивается магнитный поток, проходящий через медную трубку, вспомогательный поток уменьшается примерно на такую же величину (поскольку поток, проходящий через медную трубку, незначительно отстает по фазе от вспомогательного магнитного потока, а сумма этих потоков примерно постоянна). Это вызывает пропорциональное уменьшение рабочего магнитного потока, который проходит через диск счетчика.

Большие изменения амплитуды рабочего магнитного потока, возникающие при регулировке внутреннего фазового сдвига, приводят к усложнению процесса регулировки, особенно трехфазовых счетчиков.

Таким образом, основными недостатками известного устройства являются недостаточный диапазон регулировки фазового сдвига и большие измерения амплитуды рабочего магнитного потока, создаваемого цепью напряжения, возникающие при регулировке фазового сдвига.

Именно поэтому при всей своей простоте и надежности такие регуляторы не получили широкого применения.

К недостаткам прототипа следует также отнести недостаточную температурную компенсацию фазового сдвига, так как термокомпенсационная втулка из сплава с отрицательным коэффициентом магнитной проницаемости надета на стальной винт, магнитная проницаемость которого велика, и поэтому магнитный поток через термокомпенсационную втулку незначителен.

Предлагаемое техническое решение направлено на решение следующей задачи: расширение диапазона регулировки фазового сдвига и упрощение процесса внутреннего фазового сдвига при одновременном улучшении температурной стабильности фазового сдвига.

Сущность изобретения заключается в том, что во вращающий элемент индукционного счетчика, содержащий последовательную магнитную цепь, состоящую из П-образного магнитопровода и размещенных на нем токовых катушек, параллельную магнитную цепь, состоящую из разветвленного магнитопровода, катушки напряжения, размещенной на центральном стержне магнитопровода и закрепленной на боковых стержнях магнитопровода скобы с винтом для регулировки 90^o-го сдвига между рабочими потоками последовательной и параллельной цепей, согласно изобретению введена массивная пластина из материала с высокой электропроводностью, установленная в зазоре параллельной цепи и закрепленная на центральном стержне магнитопровода ферромагнитным стержнем с головкой.

Благодаря тому, что электрическое сопротивление короткозамкнутого витка, образованного пластиной, достаточно мало, вихревые токи, возбуждаемые в пластине при прохождении магнитного потока регулятора фазы через ферромагнитный стержень, настолько велики, что ограничивают величину этого магнитного потока даже при отсутствии воздушного зазора между регулировочным винтом и головкой ферромагнитного стрежня. Так как при отсутствии воздушного зазора между регулировочным винтом и головкой ферромагнитного стержня магнитный поток регулятора фазы сдвигается на угол, близкий к 90^o, то изменение величины этого потока в процессе регулировки фазы мало сказывается на величине рабочего потока параллельной цепи. Благодаря этому обеспечивается расширение диапазона регулировки фазового сдвига и упрощение процесса регулировки внутреннего фазового сдвига.

Для улучшения температурной стабильности фазового сдвига воздушный зазор между регулировочным винтом и головкой ферромагнитного стержня шунтируется втулкой из материала с отрицательным коэффициентом магнитной проницаемости.

На фиг. 1 представлен вращающийся элемент, вид спереди; на фиг. 2 - разрез Ф-Ф фиг. 1; на фиг. 3 векторные диаграммы магнитных потоков.

Вращающийся элемент включает параллельную цепь (цепь напряжения), содержащую катушку 1 напряжения, надетую на центральный стержень 3 магнитопровода параллельной цепи и включаемую на напряжение сети (т. е. параллельно нагрузке потребителя), последовательную цепь, содержащую П-образный сердечник 3 с размещенными на нем последовательно соединенными катушками тока 4, включаемыми последовательно с нагрузкой потребителя, короткозамкнутый виток 5, представляющий собой пластину с прямоугольным отверстием, изогнутую под прямым углом и надетую на центральный стержень 2, скобу 6, закрепленную на боковых стержнях 7 и 8 магнитопровода параллельной цепи, пластину 9, укрепленную на центральном стержне 2 магнитопровода параллельной цепи стержнем 10 с цилиндрической головкой 11, термокомпенсирующую втулку 12, размещенную между скобой 6 и пластиной 9, и регулировочный винт 13, проходящий через резьбовое отверстие в скобе 6 и термокомпенсирующую втулку 12 так, что между винтом 13 и цилиндрической головкой 11 стержня 10 образуется воздушный зазор 14 регулятора.

Магнитопроводы параллельной и последовательной цепей укреплены на раме 15 с противополюсом 16 таким образом, что между ними образован рабочий воздушный зазор 17, в котором вращается диск счетчика (не показан).

Противополюс 16 выполнен в виде отогнутого под прямым углом в сторону центрального стержня 2 отростка рамы 15.

В зазорах между центральным 2 и боковыми 7 и 8 стержнями параллельной цепи размещены немагнитные прокладки 18.

На один из стержней сердечника 3 токовой цепи надеты короткозамкнутые витки 19.

Пластина 9 выполнена из материала с высокой электропроводностью, например, из меди или алюминия. Скоба 6, стержень 10 и регулировочный винт 13 выполнены из магнитомягкой стали.

Вращающийся элемент работает следующим образом.

При протекании тока по обмоткам токовых катушек 4 создается магнитный поток последовательной цепи, замыкающийся через П-образный сердечник 3, рабочий воздушный зазор 17 и центральный стержень 2 магнитопровода параллельной цепи.

Под действием напряжения сети U в обмотке катушки 1 напряжения, содержащей W витков, протекает ток i и, следовательно, создается магнитодвижущая сила, равная произведению iW.

Поскольку индуктивность L катушки 1 напряжения велика и ее индуктивное сопротивление много больше активного сопротивления R, то можно считать, что амплитуда тока i не зависит от сопротивления обмотки катушки 1 напряжения:

где f 6,28F циклическая частота напряжения сети U, а F частота сети.

Поскольку по определению
iL = WΦ_u, (2)
где Φ_u магнитный поток катушки 1 напряжения, то, используя значение тока из выражения (1), получим:

Из-за наличия потерь магнитный поток Φ_u отстает от напряжения U на угол, несколько меньший 90^o.

Под действием магнитодвижущей силы iW образуются три магнитных потока:
рабочий поток Φ_o протекающий через центральный 2, боковые стержни 7 и 8 сердечника параллельной цепи, раму 15, противополюс 16, рабочий зазор 17 и короткозамкнутый виток 5. Благодаря наличию короткозамкнутого витка 5 магнитный поток Ф₀ дополнительно отстает от напряжения U на некоторый угол;
вспомогательный поток Φ_всп протекающий через центральный стержень 2, боковые стержни 7 и 8 и немагнитные прокладки 18 сердечника параллельной цепи;
поток регулятора Φ_p протекающий через центральный стержень 2, боковые стержни 7 и 8 сердечника параллельной цепи, скобу 6, регулировочный винт 13, воздушный зазор регулятора 14, стержень 10 и пластину 9.

Таким образом, общий поток Φ_u протекающий через центральный стержень 2, равен сумме трех потоков:
Φ_u = Φ_o + Φ_всп + Φ_p (4)
Заметим, что при изменении амплитуды и фазы магнитного потока регулятора Φ_p потоки Φ_o и Φ_всп изменяются так, что модуль суммы всех трех потоков остается постоянным в соответствии с выражением (3).

При протекании магнитного потока Φ_p в короткозамкнутом витке, образованном пластиной 9, будет наводится электродвижущая сила E, равная
E = -jfΦ_p (5)
где j мнимая единица.

Следовательно, в пластине 9 будет возбуждаться ток I_p, равный
I_p = -jfΦ_p/r (6)
где r электрическое сопротивление короткозамкнутого витка, образованного пластиной 9.

Поэтому результирующая магнитодвижущая сила, под действием которой протекает магнитный поток Φ_p изменится на величину тока I_p, и
можно записать
Φ_pR_м = iW - I_p (7)
где R_м магнитное сопротивление контура, по которому протекает магнитный поток Φ_p включая сопротивление воздушного зазора 14.

Объединяя выражения (6) и (7), получим
iW = Φ_p(R_м + jf/r) (8)
Таким образом, благодаря наличию пластины 9 магнитный поток Φ_p отстает по фазе от магнитодвижущейся силы iW. Величина этого отставания пропорциональна отношению f/rR_м.

Увеличивая воздушный зазор от минимального значения до максимального, когда регулирующий винт вывернут почти полностью, можно изменять вектор магнитного потока Φ_p от некоторого начального значения Φ_ро практически до нуля.

В предлагаемом техническом решении начальное значение магнитного сопротивления может быть очень мало, когда регулирующий винт 13 ввернут до упора в цилиндрическую головку 11 стержня 10, а размеры пластины 9 могут быть сделаны достаточно большими, чтобы магнитный поток Φ_po который в этом случае ограничивается практически только вихревыми токами, возникающими в пластине 9, не превышал значений потока насыщения стержня 10 и регулировочного винта 13.

В этом случае магнитный поток Φ_po отстает от магнитодвижущей силы iW на 90^o, как это следует из выражения (8) при R_м=0. (См. векторную диаграмму на фиг. 3a). При этом рабочий магнитный поток Φ_o отстает от напряжения U на угол несколько меньший 90^o, что достигается соответствующим подбором размеров короткозамкнутого витка 5.

При вывинчивании регулировочного винта 13 увеличивается воздушный зазор 14 между стержнем 10 и винтом 13 и соответственно увеличивается магнитное сопротивление R_м. В результате магнитный поток Φ_p уменьшается по амплитуде и сдвигается по фазе в сторону меньшего отставания от магнитодвижущей силы iW. Это приводит к увеличению фазового сдвига потоков Φ_o и Φ_всп. Амплитуда же этих потоков при этом изменяется незначительно, так как начальный фазовый сдвиг между ними и магнитным потоком φ_p близок с 90^o, а модуль суммы всех потоков не изменяется, как было показано ранее.

При некотором положении регулировочного винта 13 достигается 90^o-й внутренний фазовый сдвиг между рабочими магнитными потоками последовательной и параллельной цепей (фиг. 3б).

При дальнейшем вывинчивании регулировочного винта магнитный поток φ_p уменьшается практически до нуля (фиг. 3в).

Как видно из приведенных диаграмм, сумма потоков Φ_o + Φ_всп изменяется незначительно при изменении потока регулятора от начального значения Φ_po до нуля. Следовательно, незначительно изменяется и величина рабочего потока Φ_o так как соотношение между потоками Φ_o и Φ_всп постоянно.

Втулка 12 из материала с отрицательным коэффициентом магнитной проницаемости шунтирует воздушный зазор 14, обеспечивая температурную компенсацию фазового сдвига.

При повышении температуры происходит увеличение сопротивления обмотки катушки 1 напряжения, что приводит к уменьшению фазового сдвига. Одновременно при повышении температуры происходит увеличение магнитного сопротивления в цепи потока Φ_p регулятора вследствие уменьшения магнитной проницаемости втулки 12, которое приводит к уменьшению потока Φ_p компенсирующему уменьшение фазового сдвига.

Точная температурная компенсация фазового сдвига происходит в ограниченном диапазоне изменения воздушного зазора 14. Для того чтобы 90^o-й сдвиг между рабочими потоками достигался при величине воздушного зазора, соответствующей указанному диапазону, служат короткозамкнутые витки 19, надетые на сердечник 3 последовательной цепи. Разрезая эти витки, осуществляют грубую регулировку фазового сдвига так, чтобы 90^o-й сдвиг достигался при требуемом значении воздушного зазора 14.

При испытаниях опытного образца трехфазного счетчика, в котором использовано предлагаемое техническое решение, диапазон регулировки и температурная нестабильность 90^o-го сдвига измерялись по относительному изменению вращающего момента при cosΦ нагрузки, равном 0,5.

Экспериментально было получено:
диапазон изменения фазового сдвига 12
температурная нестабильность фазового сдвига не более ±0,02/^oC, а изменение амплитуды рабочего потока 0,2 при изменении фазового сдвига на 2^o.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности, к средствам измерения электрической энергии переменного тока. Цель изобретения достигается тем, что во вращающий элемент индукционного счетчика, содержащий последовательную и параллельную магнитные цепи с соответствующими обмотками возбуждения, для регулировки 90^o-го сдвига между рабочими потоками последовательной и параллельной цепей введена массивная пластина из материала с высокой электропроводностью, установленная в зазоре между скобой и центральным стержнем магнитопровода параллельной цепи и закрепленная на центральном стержне магнитопровода ферромагнитным стержнем с головкой. Благодаря тому, что электрическое сопротивление короткозамкнутого витка, образованного пластиной, достаточно мало, вихревые токи, возбуждаемые в пластине при прохождении магнитного потока регулятора фазы через ферромагнитный стержень, настолько велики, что ограничивают величину этого магнитного потока даже при отсутствии воздушного зазора между регулировочным винтом и головкой ферромагнитного стержня. Так как при отсутствии воздушного зазора между регулировочным винтом и головкой ферромагнитного стержня магнитный поток регулятора фазы сдвигается на угол, близкий к 90^o, то изменение величины этого потока в процессе регулировки фазы мало сказывается на величине рабочего потока параллельной цепи. Благодаря этому обеспечивается расширение диапазона и упрощение процесса регулировки внутреннего фазового сдвига. Для улучшения температурной стабильности фазового сдвига воздушный зазор между регулировочным винтом и головкой ферромагнитного стержня шунтируется втулкой из материала с отрицательным коэффициентом магнитной проницаемости. Изобретение позволяет расширить диапазон регулировки фазового сдвига и упростить процесс регулировки при одновременном улучшении температурной стабильности фазового сдвига. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вращающийся элемент индукционного счетчика электрической энергии, содержащий последовательную магнитную цепь, состоящую из П-образного магнитопровода, размещенных на нем токовых катушек, параллельную магнитную цепь, состоящую из разветвленного магнитопровода, катушки напряжения, размещенной на центральном стержне магнитопровода, закрепленной на боковых стержнях магнитопровода скобы с винтом для регулировки 90-градусного сдвига между рабочими потоками последовательной и параллельной цепей, отличающийся тем, что он снабжен короткозамкнутым витком, пластиной из материала с высокой электропроводностью, ферромагнитным стержнем с головкой, короткозамкнутый виток выполнен в виде пластины с прямоугольным отверстием, изогнутой под прямым углом, и установлен на центральном стержне магнитопровода параллельной цепи, пластина из материала с высокой электропроводностью установлена на указанном короткозамкнутом витке и закреплена ферромагнитным стержнем с головкой. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод последовательной магнитной цепи снабжен короткозамкнутыми витками, между скобой и ферромагнитным стержнем с головкой установлена втулка из материала с отрицательным температурным коэффициентом магнитной проницаемости, сквозь которую проходит винт для регулировки 90-градусного сдвига.