Чем отличаются однофазные и трехфазные счетчики: Что такое трехфазный счетчик электроэнергии и зачем он нужен?

Содержание

Трёхфазные счётчики электроэнергии | Советы бывалого прораба

Статья «Трёхфазные счётчики электроэнергии. Установка» полностью дает представление о трехфазных электросчетчиках, о различиях между двухфазными и трехфазными счетчиками, а также подробно рассмотрен принцип работы. В работе представлен способ подключения этих счетчиков и принципы расчета расходов электроэнергии. Статья, несмотря на свои размеры, достаточно легко читается и дает полное представление о счетчиках.

Принципиальных отличий между однофазным счётчиком расхода электроэнергии и трёхфазным нет. Можно в принципе поставить на каждую фазу по однофазному счётчику и вести учёт отдельно по фазам. Разница лишь в том, что изначально трёхфазные счётчики устанавливались в распределительных сетях, и служили нуждам специалистов-энергетиков. Для квартир и коттеджей трёхфазные счётчики не применялись, так как снабжение отдельных домов было однофазным. Поэтому указанные счётчики должны были вести учёт гораздо большего числа параметров, чем просто киловатт-часы расхода.

Какие же это параметры?

Дело в том, что подсчёт мощности (как и напряжения, и силы тока) в цепи переменного тока гораздо сложнее, чем в цепи постоянного тока.

Например, мы имеем участок цепи переменного тока, сила тока в котором меняется от плюс 5 А до минус 5 А, то есть величина тока переменная, постоянно меняющаяся. Какое значение принять за силу тока в цепи для подсчёта мощности? Пиковое значение 5 ампер? Нет, это будет явно завышено. Если принять во внимание, что для нагрева нити лампочки или электроплиты не имеет значения, в каком направлении протекает ток, то и знак синусоиды (плюс-минус) в этом случае не имеет значения. Мысленно перевернув на графике синусоиды отрицательных значений вверх, получим график из полусинусоид.

Очевидно, что, определяя действующую силу тока, нужно найти такое эквивалентное значение постоянного тока, которое будет производить то же самое действие (ту же самую работу), что и полусинусоиды переменного тока. Это значение называется среднеквадратичным (интегральным) и соответствует высоте прямоугольника, равного по площади двум полусинусоидам (длина прямоугольника равна длине двух полусинусоид).

Всегда, когда говорят о токе или напряжении в сети переменного тока имеют в виду среднеквадратичное значение. Оно равняется примерно 0,7 от максимального (пикового значения) И полностью соответствует понятию силы тока для подсчёта мощности.

Далее, мощность постоянного тока (Р) вычисляется просто, как произведение напряжения (U) на силу тока (I) Для переменного тока эта формула не годится, потому что не учитывает сдвиг фаз графика изменения напряжения и графика изменения тока. При сдвиге фаз напряжение будет меняться не пропорционально току (как это следует из закона Ома), следовательно, и мощность будет меняться не пропорционально ни напряжению, ни току. Выходит закон Ома перестаёт действовать? Нет, он будет верным всегда, только при переменном токе он будет соблюдён для каждого момента времени.

Активная мощность переменного тока вычисляется как произведение силы тока и напряжения сети (их среднеквадратичные значения) на косинус «фи» (греческой буквой «фи» обозначают угол сдвига фаз тока и напряжения). Эта величина будет заведомо меньше чем простое произведение тока и напряжения.

Не углубляясь в тонкости теории комплексных чисел, которая используется в расчётах цепей переменного тока, с их мнимыми и действительными составляющими (изучение теории комплексных чисел не является целью данной статьи), поясним, что в сетях переменного тока полная мощность является геометрической (векторной) суммой активной мощности (которая производит полезную нам работу) и реактивной (паразитной) мощности, которая никакой полезной работы не производит.

Физический смысл реактивной мощности состоит в том, что она образуется от реактивных токов, заряжающих конденсаторы, протекающих в обмотках двигателей, затем возвращающихся обратно в цепь, но, тем не менее, нагревающих провода. Другими словами, величина реактивных токов характеризуют потери в сети. А мерой этих потерь и будет косинус «фи».

От чего же он зависит?

Если переменный ток протекает через простое активное сопротивление, например спираль электроплиты, то косинус «фи» будет равен единице, а реактивная мощность равна нулю. Но это идеальный случай, потому что в реальности даже два длинных провода, идущие рядом друг с другом, представляют собой для переменного тока некую электрическую ёмкость, по которой будет происходить утечка тока. Значит утечка переменного тока, протекающего по проводам неизбежна в любом случае. И неизбежно появление реактивной составляющей.
Правда нужно уточнить, что емкость двух проводов весьма мала, сопротивление большое и ток утечки маленький. Но на длинных сетях ЛЭП (линий электропередач) эти ёмкостные потери становятся чувствительны из-за большой длины проводов.

Поэтому в воздушных электропередачах провода располагают далеко друг от друга, разумеется, в первую очередь для исключения пробоя, но также и для уменьшения ёмкостных потерь.

Если в цепи будет электродвигатель, то его реактивное сопротивление уже заметно. На двигателях (табличках) обычно пишут значение косинуса «фи», как правило, он лежит в пределах 0,7-0,9. Энергетики «борются» за косинус «фи» и стремятся повысить его значение ближе к единице, так как это означает уменьшение потерь.
Каким образом?

Дело в том, что реактивные сопротивления сдвигают фазу тока относительно фазы напряжения вперёд или назад в зависимости от того, какое реактивное сопротивление нагружает цепь. Индуктивное сопротивление сдвигает фазу тока назад (ток начинает отставать от напряжения). А ёмкостное сопротивление наоборот сдвигает фазу тока вперёд, он начинает опережать напряжение.

То есть индуктивное и емкостное сопротивление способны друг друга компенсировать, уменьшая реактивную составляющую мощности. Это явление используется на практике – для компенсации индуктивной реактивной мощности в цепь иногда добавляются конденсаторы, добавляющие ёмкостную реактивную мощность. Обе реактивные мощности взаимно компенсируют друг друга.

Кстати, больше единицы значение косинуса не бывает, так что если прочтёте в рекламе, что косинус «фи» установки равен, например, 1,2 – не верьте!

Переходя к теме статьи, назовём дополнительные параметры, важные для специалистов энергетиков, – это кроме активной мощности, реактивная мощность и косинус «фи» в цепях.

Трёхфазные счётчики, предназначенные для промышленных предприятий и стоящие у энергетиков, ведут учёт активной, реактивной мощностей, суммируют указанные мощности по времени, и показывают значение косинуса «фи» в любой момент времени.

Кроме этого современные трёхфазные счётчики могут вести учёт по нескольким (более 10-ти) тарифам в течение продолжительного времени (до года).

Так же позволяют выяснить наличие краж электроэнергии на отдельных участках.

Трёхфазные счётчики

Трёхфазные счётчики – это сложное измерительное оборудование. По принципу действия счётчики электроэнергии делятся на устаревшие индуктивные и современные электронные. Нужно заметить, что в последнее время индуктивные счётчики уступают место современным электронным счётчикам, потому что имеют ряд существенных недостатков – невысокую точность, недостаточное количество параметров учёта и т.д. И если в однофазных сетях, то есть в быту, они ещё широко распространены, то для трёхфазных сетей уже практически не применяются. Электронные счётчики с помощью микросхем преобразуют протекающий переменный ток в ряд импульсов, после подсчета, которых можно определить необходимые параметры.

Существуют несколько способов подключения трёхфазных счётчиков к сети

  1. Прямое включение.
  2. Включение через трансформаторы тока и трансформаторы напряжения (при больших токах и больших напряжениях):
    1. через трансформаторы тока в 4-проводную сеть;
    2. двухэлементного электросчетчика через трансформаторы тока в 3-проводную сеть;
    3. через трансформаторы тока и трансформаторы напряжения в 3-проводную и 4-проводную сеть;
    4. через 2 трансформатора тока и 2 трансформатора напряжения в 3-проводную сеть.
    5. трансформаторы тока и напряжения и применяются в целях расширения пределов измеряемых величин.

Для бытовых нужд (квартиры, коттеджи, дачи) применяется только прямое включение. Поскольку включение через трансформаторы вряд ли представляет интерес читателям данной статьи, остановимся на прямом подключении обычного трёхфазного электросчётчика для дачи или коттеджа. Такие счётчики обычно ограничиваются по току в пределах 50 – 100 А, и измеряют активную мощность. Также заметим, что трёхфазные бытовые счётчики измеряют активную мощность по фазам и способны разделять подсчёты в зависимости от различных тарифов (дневной, ночной и т.д.)

Установка такого счётчика практически ничем не отличается от установки однофазного счётчика, за исключением того, что подключать придётся четыре пары контактов вместо двух пар (для четырёхпроводной электросети линейным напряжением 380 вольт). Точно так же счётчик устанавливается во входном щитке, вначале ставится выключатель сети для возможности обесточивания счётчика и сетей после него, затем ставится сам счётчик.

Схема коммутации имеется на крышке счётчика, заметим только, что в счётчиках входной и выходной контакты фаз и нуля располагаются всегда рядом. Затем на каждую из фаз и ноль ставятся однополюсные автоматы защиты и УЗО.

Заметим также, что установка счётчиков должна проводиться специалистами «Энергосбыта», после работы счётчик должен быть запломбирован.

Читайте также:

  • Установка, снятие на поверку однофазных счетчиков электроэнергии

  • Какие электросчетчики стоит выбирать?

Трёхфазный электросчётчик: история, конструкция, модели

Содержание

  • 1 Из истории вопроса
    • 1.1 Однофазные счётчики
    • 1.2 Электролизный счётчик Эдисона
    • 1.3 Моторизованные счётчики
    • 1.4 Часовой счётчик
  • 2 Конструкции конца XIX века
    • 2.1 Первый трёхфазный счётчик
    • 2.2 Конструкция Шолленбергера
    • 2.3 Псевдофаза
    • 2.4 Трансформаторы тока
  • 3 Электронные трёхфазные счётчики

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.

Разница между однофазным и трехфазным оборудованием со сравнительной таблицей

Система электроснабжения в основном подразделяется на два типа, т. е. однофазную и трехфазную систему. Одна фаза используется там, где требуется меньше энергии и для работы с небольшими нагрузками. Три фазы используются в крупных отраслях промышленности, фабриках и на производственных предприятиях, где требуется большое количество энергии.

Одно из основных различий между однофазным и трехфазным питанием заключается в том, что однофазное питание состоит из одного проводника и одного нейтрального провода, тогда как трехфазное питание использует три проводника и один нейтральный провод для замыкания цепи. Некоторые другие различия между ними объясняются ниже в сравнительной таблице.

Сравнительная таблица: однофазная V/S трехфазная

  • Сравнительная таблица
  • Определение
  • Ключевые отличия
База для сравнения Однофазный Трехфазный
Определение Электропитание через один проводник. Электропитание через три проводника.
Форма волны
Количество проводов. Для замыкания цепи требуется два провода. Для замыкания цепи требуется четыре провода.
Напряжение Переноска 230 В Переноска 415 В
Название фазы Разделенная фаза Без другого названия
Возможность передачи энергии Минимум Максимум
Сеть Простой Сложный
Отказ питания Происходит Не происходит
Потеря Максимум Минимум
Подключение источника питания
Эффективность Меньше Высокая
Экономичный Меньше Больше
Применение Для бытовой техники. В крупных производствах и для работы с тяжелыми грузами.

Определение однофазного

Однофазный требует двух проводов для замыкания цепи, т. е. проводника и нейтрали. По проводнику течет ток, а нейтраль является обратным путем тока. Одна фаза обеспечивает напряжение до 230 вольт. В основном он используется для работы небольших бытовых приборов, таких как вентилятор, холодильник, мясорубка, нагреватель и т. д. Проводники не совпадают по фазе и находятся на расстоянии 120º друг от друга. Трехфазная система также используется как однофазная. Для малой нагрузки одна фаза и нейтраль могут быть взяты из трехфазного источника питания.

Трехфазное питание непрерывно и никогда полностью не падает до нуля. В трехфазной системе мощность может подаваться либо по схеме звезды, либо по схеме треугольника. Соединение по схеме «звезда» используется для передачи на большие расстояния, поскольку оно имеет нейтраль для тока короткого замыкания.

Соединение треугольником состоит из трех фазных проводов и без нейтрали.

Основные различия между однофазным и трехфазным питанием

  1. В однофазном питании питание проходит по одному проводнику, тогда как в трехфазном питании питание осуществляется по трем проводникам.
  2. Для однофазного источника питания требуется два провода (один фазный и один нейтральный) для замыкания цепи. Трехфазный требует трех фазных проводов и одного нейтрального провода для замыкания цепи.
  3. Однофазное питание обеспечивает напряжение до 230 В, тогда как трехфазное питание обеспечивает напряжение до 415 В.
  4. Максимальная мощность передается по трем фазам по сравнению с однофазным питанием.
  5. Однофазная сеть имеет два провода, что делает ее простой, тогда как трехфазная сеть усложняется, поскольку состоит из четырех проводов.
  6. Однофазная система имеет только один фазный провод, и если неисправность возникает в сети, то блок питания полностью выходит из строя. Но в трехфазной системе сеть имеет три фазы, и если неисправность произойдет на любой из фаз, две другие будут непрерывно подавать питание.
  7. Эффективность однофазного питания меньше по сравнению с трехфазным питанием. Потому что для трехфазного питания требуется меньше проводника по сравнению с однофазным питанием для эквивалентной схемы.
  8. Однофазное питание требует большего обслуживания и становится более дорогим по сравнению с трехфазным питанием.
  9. Однофазное питание в основном используется в доме и для питания небольших нагрузок. Трехфазное питание используется в крупных отраслях промышленности и для работы с большими нагрузками.

Соединение трех фаз звездой позволяет использовать два разных напряжения (например, 230 вольт и 415 вольт). Напряжение 230 В подается по однофазному и одному нейтральному проводу, а трехфазное подается между любыми двумя фазами.

Однофазное и трехфазное питание

  1. Дом