Contorul monofazat de inductie

CONTORUL MONOFAZAT DE INDUCTIE

Din punct de vedere constructiv, contorul monofazat de inductie se compune dintr-un dispozitiv wattmetric, al carui cuplu este proportional cu puterea activa si dintr-un mecanism integrator - sistem de roti dintate - care permite obtinerea energiei intr-un anumit interval de timp.

Dispozitivul de inductie este alcatuit din doi electromagneti de curent alternativ (dintre care unul de curent, avand infasurarea parcursa de curentul I absorbit de receptor, celalalt, de tensiune, avand infasurarea alimentata cu tensiunea de la bornele receptorului) si un disc de aluminiu.

Fig. 1 Dispozitivul cu trei fluxuri:

a - constructia de tip tangential; b - constructia de tip radial;

1 - electromagnet de curent; 2 - electromagnet de tensiune; 3 - disc; 4 - disc

5 - coloane laterale (a), sunt magnetic (b); 6 - magnet permanent

Cei doi electromagneti, de curent si de tensiune ( 1 respectiv 2 in figura 1, a si b) pot fi dispusi fie in acelasi plan situat perpendicular pe raza discului - constructie de tip tangential - (fig. 1, a), fie in plane perpendiculare, unul continand raza discului - constructie de tip radial - (fig. 1, b). Fluxul produs de curentul I_U are o componenta utila _u , care strabate discul inchizandu-se prin contrapolul 4 si o componenta inactiva ^'_u care se inchise fie prin coloanele laterale 5, la tipul tangential, fie prin suntul magnetic 5 la tipul radial. fluxul _I produs de curentul I strabate discul de doua ori, inchizandu-se partial prin aer si partial prin partea inferioara a electromagnetului de tensiune, situat de partea cealalta a discului.

Din interactiunea campurilor alternative magnetice create in intrefierul electromagnetilor de curent si de tensiune si discul de aluminiu, in care fluxurile _I si _U, variabile in timp, induc curenti turbionari, apare cuplul activ care roteste discul contorului. pentru obtinerea cupluilui rezistent sau antagonist se utilizeaza un magnet permanent 6.

In figura 2 a, se prezinta schema constructiva si modul de conectare la retea a unuio contor cu dispozitiv tangential, iar in figura 2 b, diagrama fazoriala a contorului monofazat de inductie.

Pentru determinarea expresiei cuplului activ se considera urmatoarele ipoteze simplificatoare:

a) se adopta un dispozitiv de inductie de forma din figura 3 a, la care

fluxurile electromagnetilor de curent si de tensiune intersecteaza discul o singura data;

b) se neglijeaza pierderile prin histerezis si prin curenti turbionari in

miezurile electromagnetilor si in disc;

c) se detaseaza din discul de aluminiu doua inele fictive, S₁ si S₂

(considerate legate rigid in punctul O de axul discului), avand raza egala cu distanta dintre cei doi electromagneti si latimea egala cu a electromagnetilor.

Se considera fluxurile utile in intrefierul electromagnetilor de curent si de tensiune defazate in timp cu un unghi .

Fig. 2 Contorul monofazat de inductie

a - detalii constructive; b - diagrama fazoriala;

1 - electromagnet de curent; 2 - eletromagnet de tensiune; 3 - disc; 4 - spire in scurtcircuit; 5 - surub de reglajal rezistentei spirelor in scurtcircuit; 6 - magnet permanent; 7 - surub de reglare a pozitiei magnetului permanent; 8 - surub reglabil; 9,10 - lamele

a.                                           b.

c.

Fig. 3 Schema constructiva simplificata a dispozitivului de inductie (contorului) cu doua fluxuri (a); diagrama fazoriala idealizata (b); sensurile marimilor din diagrama fazoriala (c)

In diafragma fazoriala prezentata in figura 3 b, deoarece s-au neglijat pierderile in fier, se poate reprezenta fluxul ₁ in faza cu I (curentul care parcurge infasurarea electromagnetului de curent), iar fluxul _U in faza cu I_U (curentul care parcurge infasurarea electromagnetului de tensiune). Curentul I_U este defazat cu un unghi in urma fata de tensiunea U , datorita reactantei inductive a circuitului electromagnetului de tensiune. Unghiul poarta denumirea de defazaj intern al contorului. Fluxurile alternative, decalate in spatiu si defazate in timp, vor produce tensiuni electromotoare de inductie:

fluxul _I (t) produce in inelul S₁ o t.e.m. de inductie:

fluxul _U (t) produce in inelul S₂ o t.e.m. de inductie:

Tensiunile electromotoare de inductie e₁ si e₂ vor produce in inelele S₁ si S₂

curenti i₁ si i₂ :

in care cu r₁ s-a notat rezistenta ohmica a inelului S₁ ;

,

in care cu r₂ s-a notat rezistenta ohmica a inelului S₂ .

Daca pentru fluxurile _I si _U se adopta sensurile pozitive indicate in figura 3 c, curentii turbionari indusi in discul de aluminiu vor avea sensurile date de regula burghiului drept. In inelul S₁ , parcurs de curentul i₁ , cand se gaseste in dreptul polului electromagnetului de tensiune E₂ este supus unei forte instantanee f₂ , a carei directie este indicata in figura. Inelul S₂ , parcurs de curentul i₂ , cand se gaseste in dreptul polului electromagnetului E₁ este supus unei forte instantanee f₁ .

Daca b₁ este valoarea instantanee a inductiei in interfierul electromagnetului de curent E₁ si l₁ - lungimea S₁ care intra sub polul electromagnetului E₁ , valoarea fortei va fi:

f₁=i₂l₁b_I=K₁i_2I(t),

iar valoarea medie a fortei pe o perioada rezulta:

deoarece curentul turbionar I₂ este proportional cu fluxul care l-a produs (I₂=K'_U). Semnul (-) din relatia de mai sus arata ca in realitate forta F₁ are sens contrat celui indicat pe figura pentru f₁ . Similar, se poate determina forta f₂ :

f₂=i₂l₂b_U=K₂i_1U(t)

Observatii:

Ansamblul inelelor fictive se roteste deci sub actiunea cuplului dat de

relatia M_a=F*OB=K'_4IUsin , fiecare inel iesind treptat de sub polul electromagnetului sub care se afla in momentul considerat in demonstratia anterioara; dupa ce inelele ies complet de sub actiunea polilor, ansamblul inelelor ar trebui sa se opreasca.

In realitate, discul este compus dintr-o infinitate de inele, fiind strabatut de o

panza de curenti turbionari indusi; astfel, in fiecare moment sunt create conditiile existentei unui cuplu activ.

3. La constructiile existente in practica, dispozitivul de inductie prezinta trei fluxuri (fluxul electromagnetului de curent _I este proportional cu curentul I care circula prin receptor, iar fluxul _U este proportional cu tensiunea U la bornele receptorului, se obtine pentru cuplul activ expresia:

M_a=K'₅UIsin=K'₅UIsin().

4. Pentru a se obtine proportionalitatea dintre cuplul activ si puterea activa este necesara realizarea unui defazaj intern =90s. Rezulta deci:

M_a=K'₅UIsin(90s-)=K'₅UIcos=K'₅P.

In realitate diagrama fazoriala a contorului se prezinta ca in figura 3 c, in care fluxurile _I si _U pot fi considerate proportionale cu curentii I si I_U care le-au produs, dar defazate fata de acestia cu unghiurile si , datorita pierderilor prin histerezis si prin curenti turbionari in miezurile electromagnetilor si in disc. Relatia care exprima cuplul activ devine: M_a=K'₅UIsin(-). Cu ajutorul fluxului magnetic de tensiune derivat prin coloanele laterale ale electromagnetului de tensiune, care mareste defazajul _U (deci ) si al spirelor in scurtcircuit 4 (fig.2 a) dispuse pe circuitul magnetic al electromagnetului de curent, prin care circula un curent ce poate fi reglat prin modificarea pozitiei surubului 5 variind rezistenta circuitului spiralelor, se poate obtine ca defazajul sa atinga valoarea =90s+_I ; astfel, cuplul activ devine proportional cu puterea activa.

5. Sub actiunea cuplului activ discul va avea o miscare de rotatie, careia i se opune cuplul de franare produs de magnetul permanent 6 (al carui flux magnetic este _M ), proportional cu viteza unghiulara:

-M_f=K'_{6 M}(d/dt)=K'₇N,

N fiind numarul de rotatii pe secunda al discului.

la echilibrul acestor cupluri (deci cand suma momentelor este numa M_a + M_i=0), rezulta:

K'₅P=K'₇(d/dt)=K'₇N,

relatie care arata ca viteza de regim permanent este proportionala cu puterea activa P consumata de receptor. integrand egalitatea in timpul t se obtine in partea stanga energia consumata, iar in partea dreapta numarul de rotatii n , efectuat de disc in intervalul t :

W=dt = dt = K_en.

In acest caz aparatul este un contor de energie activa, inregistrand energia consumata independent de valoarea puterii active P , care poate varia in timp (la sarcina nominala intermitenta, cu pauze si durate de cate 1 s, eroarea de inregistrare este sub 3^o/_oo).

6. Fata de functionarea (studiata simplificat) in realitate exista influiente suplimentare care pot produce erori importante, daca nu sunt compensate in mod corespunzator.

a. Nerealizarea exacta a defazajului intern = 90s . Pentru s, rezulta cuplul activ al contorului:

M_a=K'_4/iUsin( )=K'_4IUI sin()=K'₅UI sin()=K'₅UI sin cos-K'₅UIcosK'₅Psin - K'₅Q cos

Deci, cuplul activ rezulta proportional cu o combinatie de putere activa P si reactiva Q, ceea ce reprezinta o cauza insemnata de erori. Este deci necesar sa se prevada contorul cu un dispozitiv de reglaj al defazajului intern = 90s.

b. Franarea suplimentara datorita fluxurilor _I si _U . Discul contorului se misca nu numai in campul magnetului permanent, ci si in campurile magnetice ale electromagnetilor de curent si de tensiune; deci cuplul de franare total la care este supus discul contorului este dat de suma:

-M_f=(K'_{6 M}+K_{U U}+K_{I I} d/dt,

in care pe langa cuplul de franare in campul magnetului permanent mai intervin doua cupluri suplimentare:

- cuplul de franare in campul electromagnetului de tensiune:

-M_fU=K_{U I} K'_UU²;

- cuplul de franare in campul electromagnetului de curent:

-M_fI=K_{I I}K'_II².

Din cauza acestor cupluri suplimentare de franare, discul contorului se roteste mai incet, deci contorul indica in minus. Cuplul de franare in campul propiu zis al electromagnetului de tensiune fiind constant (pentru U = const.), se compenseaza in fabrica la tensiunea de referinta a contorului, regland pozitia magnetului permanent (surubul 7 din figura 2 a), astfel incat sa se obtina viteza nominala de rotatie a discului.

Cuplul datorat lui _I creste cu patratul fluxului, devenind deosebit de mare la suprasarcini. Pentru reducerea erorilor cauzate de acest cuplu se monteaza pe electromagnetul de curent un sunt magnetic (fig. 4 a) care, la sarcini mici este nesaturat, neinfluientand variatia practic proportionala a fluxului _I cu I ; la sarcini mari suntul se satureaza facand ca _I sa creasca si mai mult decat proportional cu curentul I, surplusul de cuplu activ compensand efectyk de franare. In acest mod se obtine imbunatatirea caracteristicii erorii de curent la contoarele moderne cu suprasarcini mari (fig 4 b).

Fig. 4 Circuitul electromagnetului de curent (a) si curba de sarcina (b

c. Influienta frecarilor. La sarcini reduse cuplul activ scade foarte mult si incep sa conteze frecarile in lagare si mecanismul inregistrator. Pentru micsorarea cuplului de frecari se utilizeaza lagare speciale, cu bila de otel situata intre doua pietre de lagar, suspensia magnetica etc. Reducereainfluientei cuplului remanent de frecari se realizeaza prin utilizarea de dispozitive de compensare care functioneaza pe baza producerii unei oarecare nesimetrii a fluxului de tensiune _U , creand astfel un cuplu activ supliomentar M_c dirijat de la fluxul defazat inainte (_U1) spre cel defazat in urma (_U2) (fig. 5 a). Nesimetria fluxului de tensiune se poate obtine fie cu ajutorul unor spire in scurtcircuit, fie prin introducerea partiala sub pol a unei placute din material neferomagnetic, fie prin asezarea langa pol a unei piese din material feromagnetic (fig 5).

Fig. 5 Relealizarea unui cuplu suplimentar de compensare a frecarilor

Ultimul procedeu este utilizat in constructia din figura 2 a, in care surubul reglabil 8 serveste la compensarea frecarilor prin plasarea sa asimetrica fata de mijlocul miezului. Pentru oprirea mersului in gol care poare surveni datorita cresterii tensiunii (care produce cuplul M_c ) sau scaderii cuplului de frecari, sunt prevazute doua lamele din material feromagnetic ( 9 si 10 in figura 2 a): lamela montata pe miezul electromagnetului de tensiune este magnetizata de fluxul de scapari al acestuia si atrage lamela fixata de axul contorului cand axul ajunge in dreptul ei, retinad-o si oprind mersul in gol.

d. Influientele exterioare sunt datorate temperaturii si campurilor magnetice. variatiile temperaturii produc variatii ale rezistentei discului, ale fluxului magnetului permanent si ale rezistentei bobinei de tensiune. Primul efect este practic fara importanta deoarece produce variatia in aceeasi masura a cuplurilor activ si de franare. Scaderea fluxului magnetului permanent cu cresterea temperaturii produce erori pozitive care, la unele contoare, se compenseaza prin utilizarea unor sunturi termomagnetice dispuse pe magnetul permanent. Variatiile rezistentei bobinei de tensiune a contorului face sa se modifice unghiul deci sa apara erori care pot avea valori diferite in functie de unghiul de defazaj al curentului de sarcina. Influienta campurilor magnetice exterioare este redusa, controlul fiind abia inchis de obicei in carcasa din tabla de otel. Influientele altor factori ca frecventa, tensiunea si incalzirea proprie se reduc prin dimensionarea convenabila a miezurilor si infasurarilor celor doi electromagneti ai contorului, trebuind ca in anumite limite de variatie sa nu depaseasca anumite valori prescrise de standarde (STAS 4198-68).

e. Influienta regimului deformant. Regim energetic alternativ permanent, la care variatia in timp a cel putin uneia dintre marimile de stare caracteristice - curent sau tensiune - este descrisa de o functie periodica sinusoidala, deosebit de frecvent, deoarece o retea moderna contine numeroase elemente deformante de prima categorie (transformatoare, mutatoare) ca si de a doua categorie (cabluri subterane, capacitati), regimul deformant influienteaza asupra indicatiei contoarelor de inductie . Cauzele de erori ale contorului de inductie in regimul deformant sunt: dependenta de frecventa a inductiilor utile; prezenta - datorita neliniaritatii caracteristicii de magnetizare - a armonicilor in fluxurile utile din intrefierul electromagnetilor; amortizarile suplimentare ale discului date de armonici.

Erorile in regim deformant, in anumite conditii, depasesc cu mult limitele impuse de clasa de precizie a aparatului (atingand valori de 10-20%), cu repercusiuni majore in facturarea energiei. In consecinta, in conditiile existentei unor curbe pronuntat distorsionate, este preferabila pentru determinarea energiei, utilizarea metodelor grafo-analitice asistate de calculator, sau folosirea unor aparate a caror functionare sa nu fie afectata de regimul deformant (contoare digitale).

Toate influientele anterior mentionare, asupra indicatiilor contorului, au ca rezultat final erori de inregistrare a energiei care trebuie reduse la minimum posibil. Eroarea unui contor se defineste prin relatia:

% =

in care W_m este energia inregistrata de contor, iar W este energia real consumata de receptor.

7. Datele caracteristice ale unui contor sunt: tensiunea de referinta, frecventa nominala, curentul de baza si de suprasarcina, constanta, clasa de precizie, consumurile proprii ale circuitelor sale si sensibilitatea (curentul de demaraj). Clasele de precizie ale contoarelor utilizate la tarifarea energiei electrice sunt 2,5 sau 2. Se construiesc contoare de clasa 1 sau mai mica, pentru verificari executate in fabricile constructoare de contoare si in laboratoarele metrologice. Consumul propriu al circuitelor contorului este 0.5 - 3 W (2 - 12 VA) fiind mai mic pentru bobinele de curent decat pentru cele de tensiune. Curentul de pornire (curentul la care discul incepe sa se roteasca) este de 0,3 - 0,5% din curentul de baza.

8. In figura 6 a, se reprezinta schema de montare directa a contorului intr-un circuit monofazat (contoarele se pot realiza pana la tensiuni de orginul 650V si curenti de 100A). Pentru valori mai mari ale tensiunii sau curentului, contoarele se monteaza indirect, prin intermediul transformatoarelor de masura, conform figurii 6 b, in care caz valorile nominale ale contorului sunt 100V , respectiv 5A, iar rapoartele de transmisie ale mecanismului integrator sunt altfel reglate incat indicatia sa reprezinte energia consumata in circuitul primar al transformatoarelor. Rapoartele de transformare respective sunt indicate in aceste cazuri pe placuta contorului.

a b

Fig. 6 Schema de montare a contorului intr-un circuit monofazat:

a - directa ; b - indirecta .

La montarea indirecta a contorului, circuitele bobinelor sale de curent si de tensiune se separa (se desface clema de legatura intre bornele de curent si de tensiune) si se alimenteaza de la circuitele secundare de curent, respectiv de tensiune ale transformatoarelor.

Instructiuni de protectie a muncii si P.S.I. specifice laboratorului de masurari electronice si electrotehnice

Instructiuni de protectie a muncii

Inaintea inceperii efectuarii montajului, precum si inaintea oricarei modificari a acestuia ,se verifica daca itrerupatoarele care fac legatura cu reteaua sunt deschise, respectiv cordonul de alimentare scos din priza.

Se examineaza aparatele de masura si dispozitivele de reglaj pentru a se depista eventualele defectiuni evidente si pentru a fi inlocuite.

Montajul se efectueaza cu conductoare bine izolate, de lungime adecvata, iar bornele trebuie bine stranse. Circuitele parcurse de curenti mari vor fi realizate cu conductoare de sectiune corespunzatoare , evitandu-se incalzirea acestora curentul de lucru.

Papucii sau terminalele conductoarelor nu trebuie sa faca scurtcircuite sau contact electric la masa metalica a aparatelor.

Dupa executarea conexiunilor se vor indeparta din vecinatatea montajului conductoarele si aparatele nefolosite, precum si alte obiecte metalice (surubelnita, patent, etc.).

Studentii care au de manevrat intrerupatoare, reostate ,etc. trebuie sa se asigure in prealabil ca nu vor atinge cu o alta parte a corpului parti metalice aflate sau nu sub tensiune ( bone, carcase, caloriferul, centura de punere la pamant, etc . )

Conectarea la tensiune a montajului initial sau a montajului modificat se face numai dupa ce acesta a fost verificat de conducatorul lucrarilor si acesta a incuviintat conectarea la sursa de alimentare.

Studentul care urmeaza sa puna schema sub tensiune este obligat sa avertizeze colegii din grupa de lucrari despre aceasta intentie si sa nu efectueze conectarea decat dupa ce s-a asigurat ca nimeni nu vine in contact cu partile instalatiei.

Nu se va modifica aranjarea aparatelor din montaj cat timp acesta se afla sub tensiune pentru a se evita atingerea partilor metalice sau desfacerea conexiunilor.

Este interzisa modificarea schemei aflate sub tensiune.

Nu se lasa montajul in functiune nesupravegheat.

La aparitia oricarui defect de natura electrica sau mecanica se deconecteaza imediat tensiunea de alimentare si se anunta conducatorul lucrarilor.

In timpul incercarilor experimentele, instalatiile nu trebuie suprasolicitate la tensiune sau curent pentru a nu le defecta si a nu provoca accidente.

La terminarea lucrarii, in primul rand se deconecteaza montajul de la sursa de alimentare prin actionarea intrerupatorului; apoi se desfac legaturile de la sursa de alimentare (tablou, priza, sursa de c.c ) pentru a se evita situatia in care s-ar putea efectua o noua manevra de conectare a sursei. Aceasta ar insemna punerea sub tensiune a montajului pe neasteptate, ceea ce ar putea provoca accidente sau deteriorari de aparate.

Se va retine ca in timpul lucrului, in montajele alimentate prin autotransformator, exista pericol de electrocutare cand primarul este conectat la tensiunea de 220 V, chiar daca tensiunea de iesire de la AT este de valoare mica, sau nula, intrucat AT nu separa circuitul de iesire de cel de intrare. In consecinta, pentru a preveni o eventuala electrocutare a operatorului, nu este suficienta aducerea in pozitia zero a cursorului AT, ci este obligatorie deconectarea primarului de la tensiunea de 220 V. Din aceleasi motive , tensiunea de la retea se va aplica la bornele marcate corespunzator ale primarului AT, anume: faza(RST) la 220 V si nulul la 0, cursorul fiind adus in prealabil in pozitia 0.

Instructiuni privind prevenirea si stingerea incendiilor (P.S.I.).

In scopul prevenirii si stingerii incendiilor , studentilor le revin urmatoarele obligatii:

sa cunoasca si sa respecte masurile de PSI specifice laboratorului.

sa sesizeze eventualele defectiuni ale aparatelor si dispozitivelor care ar putea conduce la accidente.

sa nu suprasolicite instalatiile si aparatele la tensiuni sau curenti mai mari decat valorile nominale.

sa intrerupa toate sursele de energie si sa deconecteze aparatele dupa efectuarea lucrarii.

sa nu intre in laborator cu tigari sau chibrituri aprinse.

sa nu arunce resturi de tigari sau chibrituri in cosurile pentru hartii.

sa nu intre in laborator cu materiale inflamabile.

sa cunoasca planul de evacuare al laboratorului care este afisat la loc vizibil.

sa actioneze eficace la stingerea eventualelor incendii.

Cand cauzele incendiului sunt de natura electrica, mai intai se intrerupe alimentarea cu energie electrica de le tabloul general din laborator. Apoi se actioneaza stingatoarele.