ĆWICZENIE 19

BADANIE JEDNOFAZOWEGO LICZNIKA INDUKCYJNEGO ENERGII

CZYNNEJ

19.1 Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, działaniem oraz

metodą sprawdzania jednofazowego licznika indukcyjnego energii
czynnej.

19.2 Wprowadzenie

19.2.1

Budowa i zasada działania jednofazowego licznika

indukcyjnego

Liczniki służą do pomiarów ilości energii. Pomiarów energii dokonuje

się w celu:
a) umożliwienia rozrachunku między dostawcami energii elektrycznej i

jej odbiorcami,

b) kontroli

zużycia energii elektrycznej w sieciach

elektroenergetycznych, zakładach przemysłowych, itp.
Ze względu na to że na wskazaniach liczników oparte są świadczenia

pieniężne, budowa i eksploatacja liczników podlega w Polsce przepisom
Polskiego Komitetu Normalizacji (PKN).

Uproszczona budowa ustroju napędowego jednofazowego licznika

indukcyjnego przedstawiona jest na rys.19.1.

Tarcza aluminiowa (1) stanowiąca wirnik umieszczona jest w

szczelinie między rdzeniem napięciowym (2) i rdzeniem prądowym (3).
Rdzenie wykonane są z blach transformatorowych. Kształty rdzeni są u
poszczególnych producentów różne. Istnieje jednak ogólna zasada, że
cewka napięciowa (4) wykonana z cienkich przewodów o dużej liczbie
zwojów wytwarza strumień magnetyczny (zwany napięciowym)
przenikający tarczę równolegle do osi tarczy, zaś cewka prądowa (5)
wykonana z grubych przewodów o małej liczbie zwojów wytwarza
strumień magnetyczny (zwany prądowym) przenikający tarczę
dwukrotnie w przeciwnych kierunkach także równolegle do osi ale w
innych miejscach niż strumień napięciowy.

Laboratorium metrologii elektrycznej

70

1

2 3 4 5

N

S

6

1

12

11

4

2

7

8

5
3

9

10

L

N

~

odbiorca

Rys. 19.1. Uproszczona budowa ustroju jednofazowego licznika indukcyjnego;

1-tarcza aluminiowa, 2-rdzeń napięciowy, 3-rdzeń prądowy, 4-cewka

napięciowa, 5-cewka prądowa, 6-rnagnes hamujący, 7-bocznik magnetyczny,

8-zwoje zwarte, 9- zwora do regulacji rezystancji zwojów zwartych, 10-

chorągiewka hamująca, 11-przekładnia zębata, 12-liczydło

W rzeczywistości tarczę przenikają nie całe wytworzone strumienie

magnetyczne, a ich składowe zwane strumieniem napięciowym
czynnym

Φ

U

i strumieniem prądowym czynnym

Φ

I

. Pozostałe części

strumieni zamykają przez bocznik magnetyczny. Oba rdzenie prądowy i
napięciowy umieszczone są blisko brzegu tarczy aluminiowej. Tarcza
jest osadzona na ułożyskowanej osi połączonej przekładnią zębatą (11)
z liczydłem (12) o pięciu lub sześciu bębnach cyfrowych (obecnie
produkowane liczniki wg [1] nie mogą mieć mniej niż sześć bębnów
cyfrowych).

Strumienie magnetyczne przenikając przez tarczę indukują w niej siły

elektromotoryczne, które z kolei powodują powstanie w tarczy prądów
wirowych. Współdziałanie indukowanych prądów wirowych ze
strumieniami magnetycznymi przesuniętymi względem siebie w
przestrzeni i w fazie powoduje powstanie momentu napędowego
wprawiającego tarczę w ruch. Moment ten jest określony wzorem:

(19.1)

β

sin

I

U

n

n

k

M

Φ

Φ

=

Ćwiczenie 19: Badanie jednofazowego licznika indukcyjnego energii czynnej

71

gdzie: k

-

stała zależna od częstotliwości, konduktywności tarczy,

wymiarów i budowy rdzeni oraz cewek,

Φ

U

- strumień napięciowy przenikający przez tarczę,

Φ

I

-

strumień prądowy przenikający przez tarczę,

β - kąt fazowy między strumieniami

Φ

U

i

Φ

I

.

W przybliżeniu strumień napięciowy

Φ

U

jest proporcjonalny do

napięcia U na cewce napięciowej, zaś strumień prądowy

Φ

I

do prądu I

w cewce prądowej. Moment napędowy M

n

wprawiający tarczę w ruch

jest więc proporcjonalny do napięcia i prądu:

(19.2)

β

sin

cUI

M

n

=

Po to, aby moment napędowy był proporcjonalny do mocy czynnej

(P=UIcos

φ) przepływającej przez licznik musi być spełnione wymaganie

(19.3)

φ

β cos

sin

=

czyli

(19.4)

φ

β

−

°

= 90

Wymaganie to jest spełnione w idealnym liczniku indukcyjnym. W

liczniku takim strumień prądowy

Φ

I

jest w fazie z wywołującym go

prądem I, zaś strumień napięciowy

Φ

U

opóźnia

się względem napięcia

U o 90

0

. Wykres wektorowy idealnego licznika indukcyjnego

przedstawiony jest na rys.19.2.

U

ϕ

Φ

U

Φ

Ι

I

β

Rys. 19.2. Wykres wektorowy idealnego licznika indukcyjnego

Laboratorium metrologii elektrycznej

72

Wykres wektorowy przedstawiony na rys.19.2 nie uwzględnia wpływu

rezystancji uzwojenia napięciowego, strumieni rozproszenia bocznika
magnetycznego, strat mocy występujących w rdzeniach (na histerezę i
prądy wirowe), strat w tarczy licznika, strat w zwojach zwartych, itp. W
rzeczywistym liczniku przesunięcie fazowe między strumieniem
napięciowym

Φ

U

przenikającym tarczę a napięciem U jest większe niż

90

0

, a strumień prądowy

Φ

I

przecinający tarczę jest opóźniony o pewien

kąt względem prądu I.

Uzyskanie warunku (19.4) możliwe jest dzięki odpowiedniej budowie

ustroju licznika. Regulacja kąta przesunięcia β między strumieniami
czynnymi odbywa się przez przecinanie zwojów zwartych
umieszczonych na rdzeniu prądowym (regulacja zgrubna) oraz przez
przesuwanie zwory po szynie regulacyjnej (regulacja precyzyjna).

Ustrój licznika pozbawiony jest momentu zwracającego (nie ma

sprężyn), a kąt obrotu organu ruchomego nie jest ograniczony jak w
miernikach elektrycznych. Dlatego też tarcza wskutek działania
momentu napędowego obraca się w sposób ciągły. Moment napędowy
M

n

równoważony jest momentem hamującym M

h

. Moment hamujący

uzyskiwany jest za pomocą magnesu trwałego. Magnes powoduje
powstanie w obracającej się tarczy prądów wirowych, które
współdziałając ze strumieniem magnetycznym działają hamująco.
Hamowanie jest proporcjonalne do prędkości obrotowej tarczy

(19.5)

ω

h

h

k

M

=

Przy stałym obciążeniu oba momenty M

n

i M

h

równoważą się. Tarcza

obraca się ruchem jednostajnym z prędkością

dt

dn

π

ω

2

=

(19.6)

gdzie: n - liczba obrotów tarczy.

Stąd

∫

∫

=

=

2

1

2

1

2

1

t

t

t

t

n

h

Pdt

k

dt

M

k

n

π

(19.7)

Obroty tarczy przekazywane są na liczydło za pośrednictwem

umieszczonego na osi ślimaka oraz kół zębatych. Przekładnia kół jest

Ćwiczenie 19: Badanie jednofazowego licznika indukcyjnego energii czynnej

73

dobrana w taki sposób, że licznik wskazuje energię bezpośrednio w
kWh. Energia zmierzona przez licznik wynosi

(19.8)

n

c

dn

c

dt

P

A

t

t

L

L

t

t

∫

∫

=

=

=

2

1

2

1

W powyższych rozważaniach nie uwzględniono występowania

momentu tarcia w łożyskach i liczydle. Moment ten działa hamująco na
obroty, powinien więc być jak najmniejszy.

Liczniki mają kompensację momentu tarcia przez wprowadzenie

dodatkowego momentu napędowego M

k

. Moment ten otrzymuje się

przez naruszenie symetrii przepływu strumienia napięciowego
czynnego

Φ

U

. W tym celu najczęściej wkręca się w rdzeń napięciowy

wkręt mosiężny lub umieszcza się w szczelinie powietrznej blaszkę
mosiężną lub miedzianą. Strumień przechodzący przez wkręt lub
blaszkę opóźnia się względem pozostałej części strumienia

Φ

U

. W

efekcie powstaje dodatkowy moment napędowy. Moment ten jest
proporcjonalny do kwadratu napięcia cewki napięciowej.

Przy wzroście napięcia sieci moment M

k

może przyjąć tak dużą

wartość, że uruchomi tarczę licznika mimo, że przez cewkę prądową nie
płynie prąd. To zjawisko nazywane biegiem jałowym licznika jest
zjawiskiem niepożądanym. Aby temu zapobiec licznik wyposażony jest
w chorągiewkę hamującą. Jest nią wygięty kawałek drutu stalowego
umocowany prostopadle do osi organu ruchomego. Kiedy tarcza obraca
się, wolny koniec drutu przesuwa się obok stalowej blaszki (języczka)
przymocowanej do rdzenia i namagnesowanej przez strumień
rozproszenia obwodu napięciowego. Blaszka przyciąga drut stalowy i
hamuje tarczę. Moment hamujący zależy od napięcia tak samo jak
moment dodatkowy M

k

. Zapewnia to skuteczne działanie chorągiewki

hamującej.

Przy obciążeniu licznika hamowanie chorągiewki nie zmienia średniej

prędkości tarczy, gdyż przy zbliżaniu się chorągiewki do języczka
następuje przyspieszenie ruchu obrotowego, a przy oddalaniu
opóźnienie. Chorągiewka powinna być tak umocowana, aby przy
zatrzymanej tarczy czerwony znak na tarczy był widoczny w okienku
licznika.

W liczniku poza momentem hamującym pochodzącym od magnesu

trwałego występują dodatkowe momenty hamujące. Strumienie

Φ

u

i

Φ

I

wytwarzają podobnie jak magnes trwały prądy wirowe, które
współdziałając z własnymi strumieniami magnetycznymi dają dodatkowe

Laboratorium metrologii elektrycznej

74

momenty hamujące. Momenty te zależą od kwadratu strumieni czynnych
i prędkości obrotowej tarczy.

Wpływ dodatkowego momentu hamującego pochodzącego od

strumienia napięciowego jest stosunkowo łatwy do skompensowania.
Moment ten zmienia się w normalnych warunkach pracy nieznacznie,
gdyż napięcie U w sieci niewiele się zmienia. Kompensacja tego
momentu odbywa się przez odpowiednie ustawienie magnesu trwałego.

Wpływ dodatkowego momentu hamującego pochodzącego od

strumienia prądowego jest znacznie trudniejszy do skompensowania.
Prąd I w liczniku, a tym samym strumień

Φ

I

zmieniają się podczas pracy

licznika w znacznych granicach. Licznik konstruowany jest tak, aby
strumień prądowy był znacznie mniejszy niż pozostałe strumienie
magnetyczne. Dalszą korekcję wpływu dodatkowego momentu
hamującego pochodzącego od strumienia prądowego uzyskuje się
przez konstruowanie bocznika magnetycznego tak, aby bocznik nasycał
się już przy stosunkowo małych prądach I. Wtedy strumień bocznika
wzrasta wolniej, zaś strumień czynny

Φ

I

a tym samym moment

napędowy M

n

wzrasta szybciej niż prąd I.

Na rys.19.3 przedstawiono przykładową krzywą błędów prawidłowo

wyregulowanego jednofazowego licznika indukcyjnego.

%I

n

δ [%]

2

1

−1

−2

100

200

300

400

500

Rys. 19.3. Krzywa błędów jednofazowego licznika indukcyjnego w zależności

od zmian obciążenia

Przy prądach mniejszych od 10 % I

n

błąd

δ jest dodatni, gdyż

dodatkowy moment napędowy M

k

mający na celu skompensowanie

tarcia jest większy od momentu tarciowego M

t

. W zakresie 30-60°% I

n

błąd jest ujemny z powodu małej wartości przenikalności magnetycznej
w rdzeniu prądowym. Dla większych obciążeń licznika w zakresie 60-

Ćwiczenie 19: Badanie jednofazowego licznika indukcyjnego energii czynnej

75

200% I

n

przenikalność wzrasta i błąd jest dodatni. Przy dalszym

wzroście obciążenia (do około 350% I

n

) błąd zmienia znak na ujemny na

skutek dominującego wpływu dodatkowego momentu hamującego
pochodzącego od czynnego strumienia prądowego. Dla obciążenia
około 400% I

n

błąd jest znowu dodatni na skutek nasycenia bocznika

magnetycznego rdzenia prądowego, co powoduje wzrost momentu
napędowego. Dla obciążeń powyżej 500% I

n

wszystkie środki

kompensacji są wyczerpane, zaś błąd ma wartość ujemną rosnącą ze
wzrostem obciążenia.

19.2.2

Wybrane wymagania PKN i badania dotyczące
jednofazowych: liczników energii czynnej

19.2.2.1 Uwagi ogólne

Obowiązująca norma [1] rozróżnia następujące rodzaje badań:
a) badania pełne umożliwiające wyczerpującą ocenę konstrukcji,

właściwości i wykonania licznika; badania te wykonuje się w celu
oceny nowych konstrukcji, okresowej kontroli (co najmniej raz na dwa
lata) lub w przypadku wprowadzenia zmian konstrukcyjnych albo
materiałowych, mogących mieć wpływ na jakość liczników.

b) badania niepełne polegające na sprawdzeniu, czy w wykonaniu nowo

wyprodukowanych liczników nie popełniono przypadkowych błędów:
badania te wykonuje się przy odbiorze technicznym produkcji
wewnątrz zakładu.
Oprócz [1] obowiązuje norma [2], którą należy stosować przy

odbiorze nowych liczników produkowanych seryjnie i uprzednio
sprawdzonych już na zgodność z wymaganiami wg [1].

Użytkowane liczniki podlegają obowiązkowi okresowego sprawdzania

tzw. legalizacji przez upoważnione przez Główny Urząd Miar instytucje.
Sposób sprawdzenia podaje instrukcja Prezesa PKNMiJ [4]. Okresy
ważności legalizacji liczników użytkowych [3] są następujące:
a) 5 lat dla liczników transformatorowych (przekładnikowych) do

pomiarów półpośrednich i pośrednich oraz dla liczników o mocy
znamionowej ponad 30 kW,

b) 20 lat dla liczników energii elektrycznej do pomiarów bezpośrednich

prądu jednofazowego produkcji Zakładów "MERA-PAFAL"
oznaczonych znakiem fabrycznym A52,

c) 15 lat dla innych liczników nie wyszczególnionych w pkt a i b .

Norma [1] dotyczy liczników indukcyjnych energii czynnej klasy 0,5; 1

i 2. Uprzednio obowiązująca norma obejmowała również liczniki klasy 3.
Liczniki tej klasy są w dalszym ciągu użytkowane. Przepisy [3] w
postanowieniach przejściowych ustalają że liczniki zalegalizowane przed

Laboratorium metrologii elektrycznej

76

25 września 1982r. mogą być nadal legalizowane, jeżeli odpowiadają
przepisom na podstawie których zostały zalegalizowane (instrukcja
Prezesa PKNMiJ [4]

precyzuje, że liczniki klasy dokładności 3

dopuszcza się przejściowo do legalizacji o ile wyprodukowane zostały
przed dniem 1 lipca 1975).

19.2.2.2 Oględziny

Podczas oględzin licznika należy sprawdzić:

1) czy zgłoszony do sprawdzenia licznik jest zgodny ze świadectwem

typu zatwierdzonego lub też jest sprowadzony z zagranicy na
podstawie zezwolenia Prezesa PKN,

2) czy osłona licznika i skrzynki zaciskowej oraz mechanizm nie są

uszkodzone,

3) czy obudowa i wnętrze licznika są czyste,
4) czy połączenia elektryczne są zgodne ze schematem podanym na

osłonie skrzynki zaciskowej,

5) czy istnieje możliwość takiego plombowania, aby dostęp do wnętrza

licznika możliwy był tylko po zerwaniu plomb,

6) czy połączenia osłony i skrzynki zaciskowej z podstawą licznika,

uniemożliwiające manipulacje wewnątrz zaplombowanego licznika są
szczelne.

19.2.2.3 Wytrzymałość elektryczna izolacji

Do sprawdzenia wytrzymałości elektrycznej izolacji używa się

transformatora probierczego o mocy nie mniejszej niż 500 V-A.

Wszystkie obwody licznika za wyjątkiem obwodów pomocniczych o

napięciu znamionowym nie przekraczającym 40 V powinny wytrzymać
względem metalowej obudowy licznika napięcie przemienne o wartości
skutecznej 2 kV i częstotliwości 50 Hz.

Izolacja pomiędzy obwodem prądowym a obwodem napięciowym

powinna wytrzymać napięcia przemienne o wartości skutecznej 600 V i
częstotliwości 50 Hz lub równe podwójnemu napięciu znamionowemu,
jeżeli jest ono wyższe niż 300 V. Zwora łącząca obwód napięciowy z
obwodem prądowym w liczniku bezpośrednim powinna być rozwarta.

19.2.2.4 Moc rozruchu

Wirnik licznika powinien ruszać i kontynuować ruch obrotowy przy

napięciu znamionowym, częstotliwości znamionowej, współczynniku
mocy równym jedności i obciążeniu podanym w tabl.19.1.

Ćwiczenie 19: Badanie jednofazowego licznika indukcyjnego energii czynnej

77

Tablica 19.1

Obciążenie w procentach prądu

znamionowego dla liczników klasy

Rodzaj licznika

0,5 1 2 3

Liczniki jednotaryfowe bez
urządzenia do blokady ruchu
wstecznego

0,3

0,4

0,5

0,75

Wszystkie inne liczniki

0,4

0,4

0,5

Sprawdzenie rozruchu polega na obciążeniu licznika prądem jak w

tabl. 19.1 i obserwacji wirnika. Wirnik licznika powinien się obracać i
wykonać co najmniej jeden pełny obrót. Podczas próby może się
obracać tylko jeden bęben liczydła.

19.2.2.5 Bieg jałowy

Sprawdzenie biegu jałowego polega na obserwacji ruchu wirnika przy

braku prądu w obwodzie prądowym licznika i zmianie napięcia w
zakresie od 80% do 110% U

n

(U

n

– napięcie znamionowe licznika).

Wirnik może wykonać najwyżej jeden obrót i powinien zatrzymać się tak,
aby barwny znak na tarczy licznika znalazł się w oknie tabliczki.
Podczas próby dopuszczalne jest obracanie się tylko jednego bębna
liczydła.

19.2.2.6 Błąd podstawowy

Błąd podstawowy licznika wyznaczony w warunkach odniesienia nie

powinien przekraczać wartości podanych w tabl. 19.2.

Tablica 19.2

Dopuszczalny błąd w % dla licznika

klasy

Wartość prądu

obc. licznika

Współczynnik

mocy cos

φ

0,5 1 2 3

5% I

n

1

±1

±1,

5

±2,5

±3,5

od 10% I

n

do I

max

1

±0,5 ±1 ±2 ±3

10% I

n

0,5

ind. ±1,3 ±1,5 ±2,5 ±3,5

od 20% I

n

do I

max

0,5

ind. ±0,8 ±1 ±2 ±3

10% I

n

0,8

poj.

±1,3

±1,5

-

-

od 20% I

n

do I

max

0,8

poj. ±0,8 ±1 -

-

Laboratorium metrologii elektrycznej

78

Występujący w tablicy 19.2 symbole oznaczają odpowiednio:
I

n

- prąd znamionowy licznika (powinien być podany na tabliczce

znamionowej licznika). Dla liczników bezpośrednich prąd ten
powinien wynosić 5; 10; 15; 20; 25; 30; 40 lub 50 A, zaś dla
liczników włączanych przez przekładniki prądowe 1; 2,5; 3 lub 5 A,

I

max

- prąd maksymalny licznika. Wartość tego prądu powinna być równa

125% I

n

(gdy na tabliczce znamionowej nie ma podanej wartości

prądu I

max

to na1eży przyjąć I

max

= I

n

, ) lub całkowitej krotności

prądu znamionowego.

Przy badaniach pełnych błąd podstawowy licznika wyznacza się dla

następujących obciążeń (napięcie zasilania równe napięciu
znamionowemu):
a) cos

φ = 1, I = 5%; 10%, 20%, 50%, 100%, 200% I

n

do I

max

b) cos

φ = 0,5 ind., I = 10%, 20%, 50%, 100%, 200% I

n

do I

max

Norma [1] zaleca wyznaczenie błędu podstawowego licznika metodą

pomiaru mocy i czasu. Dopuszcza się inne metody pomiarowe
gwarantujące określenie rzeczywistej wartości energii z błędem nie
przekraczającym 1/5 wartości granicy błędu licznika ustalonego dla jego
klasy dokładności. Przy określaniu błędów metodą pomiaru mocy i
czasu, moc należy mierzyć watomierzem co najmniej klasy 0,5
natomiast napięcie i prąd należy kontrolować przyrządami co najmniej
kl. 0,5. Czas odpowiadający wykonaniu przez wirnik określonej liczby
obrotów należy mierzyć z dokładnością do 0,05 s.

Jeżeli przy badaniu pełnym niektóre wartości błędów wykraczają

poza granice określone w tabi.19.2 dopuszcza się przesunięcia
wszystkich punktów charakterystyki o jednakową wartość podana w
tabl.19.3. Jeżeli przy takim przesunięciu charakterystyki określone w
tabl.19.2 znajdą się w granicach dopuszczalnych to wynik badania
uznaje się jako dodatni.

Tablica 19.3

Klasa licznika

0,5

1

2

3

Dopuszczalne przesuniecie punktów
charakterystyki błędów w %

±0,3

±0,5

±1,0

±1,5

Przy badaniach niepełnych norma [1] dopuszcza metody pomiaru

błędów podstawowych umożliwiające szybką ocenę jakości licznika z
błędem pomiaru nie przekraczającym 1/4 wartości granicy błędu licznika
w jego klasie dokładności. Błędy podstawowe wyznacza się dla
obciążeń (U = U

n

):

a) cos

φ = 1, I = 10%, 100 I

n

, I

max

;

b) cos

φ= 0,5 ind. I = 100% I

n

Ćwiczenie 19: Badanie jednofazowego licznika indukcyjnego energii czynnej

79

Przepisy wymagają, aby przy badaniach pełnych przed pomiarami

licznik był włączony na napięcie znamionowe na:
4 h - dla liczników klasy 0,5,
2 h - dla liczników klasy 1,
1 h - dla liczników klasy 2.

Obwód prądowy licznika należy włączyć przed każdym pomiarem na

czas nie krótszy niż 2 min., przy czym obwód ten powinien być
podłączony przewodem miedzianym o takim przekroju, dla którego
gęstość prądu przy obciążeniu maksymalnym nie przekracza 3 A/mm

2

.

Przy badaniach niepełnych obwód napięciowy licznika powinien być

zasilany napięciem znamionowym na co najmniej 1/2 h przed
rozpoczęciem pomiarów.

19.2.3 Metody sprawdzania liczników

19.2.3.1 Metoda pomiaru mocy i czasu

Metoda pomiaru mocy i czasu polega na pomiarze mocy obciążenia

licznika za pomocą watomierza i jednoczesnym pomiarze czasomierzem
(stoperem) czasu odpowiadającego obranej liczbie obrotów tarczy
licznika. Ze względu na dokładność pomiaru energii a także
wyeliminowanie błędu subiektywnego jaki powstaje przy ręcznym
pomiarze czasu, zaleca się do pomiaru stosować elektroniczny
czasomierz kwarcowy sterowany specjalnym urządzeniem z głowicą
fotoelektryczną, które zapewnia programowanie pomiaru czasu
określonej liczby obrotów tarczy.

Sprawdzenia jednofazowego licznika energii czynnej dokonuje się w

układzie przedstawionym na rys.19.4.

Układ regulacji

toru prądowego

Układ regulacji

toru

napięciowego z

przesuwnikiem

fazowym

A

W

V

Licznik

Aparatura pomiarowa

L

o

o

L

R

zasilanie

Rys. 19.4. Układ do sprawdzenia jednofazowego licznika energii czynnej

Laboratorium metrologii elektrycznej

80

Układ charakteryzuje się rozdzieleniem obwodu napięciowego i
prądowego. Pozwala to na łatwą regulację obciążenia. Układ ma
przesuwnik fazowy umożliwiający przesunięcie fazowe prądu względem
napięcia. Do pomiaru mocy służy watomierz, zaś woltomierz i
amperomierz służą do kontrolowania napięcia i natężenia prądu. Obwód
napięciowy i prądowy połączone są ze sobą w celu uniknięcia różnicy
potencjałów między cewką prądową i cewką napięciową watomierza.
Błąd względny licznika określa się ze wzoru:

%

100

⋅

−

=

r

r

n

t

t

t

δ

(19.9)

gdzie: t

r

- czas mierzony czasomierzem w s dla N obrotów wirnika

przy stałym obciążeniu P,

t

n

- czas znamionowy w s dla N obrotów wirnika obliczony wg

wzoru:

C

P

N

t

n

⋅

⋅

⋅

=

6

10

6

,

3

(19.10)

gdzie: N - obrana całkowita liczba obrotów wirnika,

P - moc w watach,
C - stała licznika w obr/kWh.

Dokładność pomiaru metodą mocy i czasu zależy nie tylko od

dokładności pomiaru mocy P, czasu t

r

i doboru liczby obrotów N, ale

również od stałości obciążenia w czasie trwania pomiaru.

19.2.3.2 Metoda sprawdzenia za pomocą licznika kontrolnego

Metoda sprawdzania za pomocą licznika kontrolnego polega na

porównaniu wskazań licznika sprawdzanego ze wskazaniami licznika
kontrolnego. Zaletą metody jest możliwość dokładnego pomiaru nawet
przy wahaniach obciążenia. Licznikiem kontrolnym jest licznik specjalnej
konstrukcji pozwalający odczytać na podziałce i liczydle zużycie energii
lub obroty tarczy z dużą dokładnością, np. 0,01 obrotu tarczy. Liczniki
kontrolne wyposażone są w mechanizm uruchamiany przyciskiem
(elektrycznie lub mechanicznie) pozwalającym na uruchomienie i
zatrzymanie tarczy licznika.

Błędy licznika badanego wyznacza się w układzie jak w metodzie

pomiaru mocy i czasu z tym, że licznik kontrolny zastępuje w tym
przypadku watomierz i czasomierz. Pomiar polega na odliczeniu obranej
liczby obrotów tarczy licznika sprawdzanego.

Ćwiczenie 19: Badanie jednofazowego licznika indukcyjnego energii czynnej

81

19.2.3.3 Metoda synchroniczna

Metoda synchroniczna sprawdzania licznika polega na porównaniu

prędkości obrotowej tarcz licznika sprawdzanego i licznika przyjętego za
wzorcowy. Za licznik wzorcowy przyjmuje się licznik o takich samych
danych co licznik sprawdzany; powinien on być jednak dokładnie
wyregulowany i sprawdzony z nałożoną osłoną.

Metoda synchroniczna jest dogodna przy jednoczesnym sprawdzaniu

większej liczby liczników (15 do 20 szt.) tego samego typu i o tych
samych danych znamionowych. Przy badaniu obwody prądowe
wszystkich liczników łączy się szeregowo, a napięciowe równolegle. Po
nastawieniu obciążenia, przy którym liczniki mają być sprawdzane,
wyłącza się prąd i napięcie. Nastawia się barwne znaki na tarczach
liczników tak, aby znajdowały się one w jednakowych położeniach
(położenie początkowe). Następnie włącza się prąd i napięcie i obserwu-
je ruch tarcz wszystkich liczników, bacząc na to, czy tarcze obracają się
zgodnie (synchronicznie) i czy któryś z liczników zbytnio nie przyspiesza
lub opóźnia swego ruchu, co mogłoby spowodować różnicę o cały (lub
prawie cały) obrót w stosunku do innych liczników.

Po odliczeniu obranej liczby obrotów tarczy licznika wzorcowego

wyłącza się prąd i napicie i porównuje położenie znaków tarcz liczników
sprawdzanych (położenie końcowe) z położeniem znaku na tarczy
licznika wzorcowego. Kąty przesunięcia barwnych znaków tarcz
liczników sprawdzanych względem znaku tarczy licznika wzorcowego są
miarą błędów.

19.2.3.4 Metoda bezpośredniego odczytania wskazań

Metoda bezpośredniego odczytywania wskazań polega na po-

równaniu wskazań odczytanych na liczydłach licznika sprawdzanego ze
wskazaniem liczydła licznika przyjętego za wzorcowy. Licznik
sprawdzany i wzorcowy mierzy tą samą ilość energii.

Metodę tą stosuje się do sprawdzenia równoczesnego większej liczby

liczników jednakowych, bądź różnych typów i różnych stałych licznika,
lecz o jednakowych wartościach znamionowych prądów i napięć.

Przepisy wymagają bardzo częstego sprawdzania licznika

wzorcowego (1 raz na 2 tygodnie).

19.2.3.5 Metoda impulsowa

Zasada metody impulsowej sprawdzania liczników polega na

określeniu odcinka czasu założonej liczby obrotów (1 lub 2 obroty)
wirnika licznika sprawdzanego przez porównanie go z liczbą impulsów o
określonym czasie trwania, pochodzących z nadajnika impulsów, w który
wyposażony jest licznik przygotowany jako wzorcowy.

Laboratorium metrologii elektrycznej

82

19.2.4 Liczniki energii elektrycznej z nadajnikiem impulsów

Klasyczne liczniki indukcyjne wymagają bezpośredniego odczytu

wskazań z liczydła w celu obliczenia należnych opłat za korzystanie z
energii elektrycznej. Obecnie budowane są już liczniki indukcyjne
wyposażone w nadajnik impulsów. Tarcza takiego licznika zawiera na
obwodzie otwory przez które przechodzi światło z diody
elektroluminescencyjnej do fototranzystora. Przy obracaniu tarczy
powstają impulsy, które po odpowiednim uformowaniu pozwalają na
przeprowadzenie zdalnych pomiarów i na bieżącą kontrolę poboru
energii elektrycznej.

19.3 Program ćwiczenia

19.3.1 Wyznaczyć stałą licznika i sprawdzić ją ze stałą licznika podaną

na tabliczce znamionowej. Stałą licznika wyznaczyć przez
narysowanie schematu kinematycznego przekładni.

19.3.2 Wyznaczyć błędy licznika dla następujących obciążeń:

a)

U = U

n

, cos

φ = 1, I = 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 200% I

n

,

b)

U = U

n

, cos

φ = 0,5 ind. , I=10%, 20%, 50%, 100%, 200% I

n

.

19.3.3 Sprawdzić, czy licznik spełnia wymagania PN odnośnie rozruchu.

19.3.4 Sprawdzić, czy licznik spełnia wymagania PN odnośnie biegu

jałowego.

19.4 Wskazówki do wykonania ćwiczenia i sprawozdania

Sprawdzenia licznika należy dokonać w układzie przedstawionym na

rys. 19.5.

V

W

A

L

1

L

2

L

3

L

4

PF

Tr1

R

r

Tr2

At

~ 220V

L

Rys. 19.5. Układ do sprawdzania liczników; PF -przesuwnik fazowy,

Tr1-transformator 220V/600V, Tr2-transformator 220V/3V,

At -autotransformator, R -rezystor do regulacji napięcia licznika.

Ćwiczenie 19: Badanie jednofazowego licznika indukcyjnego energii czynnej

83

Układ charakteryzuje się rozdzieleniem obwodu napięciowego i

prądowego. Pozwala to na łatwą regulację obciążenia, cos

φ oraz na

niewielkie zużycie energii przy pomiarze. Obwód napięciowy zasilany
jest z sieci przez przesuwnik fazowy pozwalający na regulację fazy bez
zmieniania wartości napięcia. Rezystor R służy do dokładnego
nastawienia napięcia. Obwód prądowy zasilany jest z sieci przez
autotransformator regulacyjny oraz przez transformator obniżający
napięcie sieci do kilku woltów.
Błąd całkowity δ

c

pomiaru energii wyraża się wzorem:

(19.11)

n

r

t

p

c

δ

δ

δ

δ

δ

+

+

+

=

gdzie:

δ

p

– błąd pomiaru mocy watomierzem wyznaczony ze wzoru:

α

α

δ

max

⋅

= klasa

p

(19.12)

δ

t

– błąd pomiaru czasu wyznaczony wzorem:

%

100

⋅

∆

=

t

t

t

δ

(19.13)

przy czym: ∆t – błąd bezwzględny użytego czsomierza,

t – czas zliczania N obrotów tarczy.

δ

r

– błąd związany ze skończoną reakcją osoby zliczającej obroty

tarczy i wyznaczony ze wzoru:

%

100

⋅

∆

=

t

t

r

r

δ

(19.14)

δ

n

– błąd związany z niestabilnością prądu i napięcia.

Przy pomiarze czasu za pomocą urządzenia wyposażonego w

głowicę fotoelektryczną można przyjąć błąd δ

r

= 0. Przy pomiarze czasu

stoperem można przyjąć ∆t

r

= 0,1 s.

Przy sprawdzaniu licznika należy stabilizować prąd i napięcie (a tym

samym moc wskazywaną przez watomierz) w takim stopniu, aby błąd δ

n

był do pominięcia. Przy założeniu, że błąd δ

n

jest do pominięcia,

otrzymać można z powyższych równań warunek określający czas
pomiaru:

Laboratorium metrologii elektrycznej

84

(

)

α

α

δ

max

%

100

⋅

−

⋅

∆

+

∆

≥

klasa

t

t

t

r

(19.15)

Liczbę obrotów przy mocy P

0

= I

0

· U

0

ustala się ze wzoru:

6

0

10

6

,

3

⋅

⋅

⋅

=

t

C

P

n

(19.16)

Przy badaniu licznika nie należy zliczać obrotów w ciągu określonego

czasu, lecz należy czasomierzem zmierzyć czas potrzebny na
wykonanie N pełnych obrotów tarczy licznika.

Wyjaśnienia wymaga sposób ustawienia na przesuwniku fazowym

fazy odpowiadającej cos

φ=1 i cosφ=0,5 ind. Jako przesuwnik stosuje się

zahamowany silnik indukcyjny pierścieniowy. Do uzwojenia stojana
doprowadza się napięcie trójfazowe. Z uzwojenia zahamowanego
wirnika otrzymuje się prąd, którego przesunięcie fazowe względem
doprowadzonego do stojana napięcia zależy od przestrzennego
położenia uzwojenia wirnika w stosunku do uzwojenia stojana.

Podziałka kątowa umieszczona na wale wirnika przesuwnika

fazowego określa kąt umowny. Kąt na podziałce równy zero nie
odpowiada cos

φ=1.

Ustalenia cos

φ=1 należy dokonać przy użyciu watomierza. Obracając

pokrętłem przesuwnika należy ustalić takie położenie wirnika w
przesuwniku fazowym, przy którym watomierz ma największe
odchylenie wskazówki (przy stałej wartości prądu i napięcia). Ustalenie
cos

φ=0,5 polega na takiej zmianie przesunięcia fazowego, przy którym

watomierz wskazuje połowę wskazania występującego przy cos

φ=1.

Przesunięcie ma charakter indukcyjny, jeżeli po nastawieniu za

pomocą przesuwnika fazowego cos

φ=0 (wskazanie watomierza równe

zero) zwieranie krótkim przewodem zacisków prądowych watomierza
powoduje ujemne odchylenie jego wskazówki. Zjawisko to wyjaśnia
wykres wskazowy przedstawiony na rys. 19.6b odnoszący się do układu
przedstawionego na rys. 19.6a.

Przy każdej zmianie watomierza, amperomierza, bądź zmianie

zakresów przyrządów należy przesunięcie fazowe ustawiać ponownie z
uwagi na włączenie do obwodu innych rezystancji i reaktancji.

Ćwiczenie 19: Badanie jednofazowego licznika indukcyjnego energii czynnej

85

I

I

I

cp

I

z

U

∆U

cp

∆U

cp

U

I

I

cp

I

z

a)

b)

Rys. 19.6. a) schemat układu do wyznaczenia charakteru przesunięcia

fazowego pomiędzy prądem a napięciem w cewkach watomierza: I

z

–prąd w

przewodzie zwierającym, I

CP

–prąd w cewce prądowej watomierza, ∆U

CP

–

napięcie na zaciskach prądowych watomierza: b) wykres wskazowy dla

rysunku a) w przypadku indukcyjnego przesunięcia fazowego między I i U.

W sprawozdaniu należy podać:

a) spis aparatury,
b) schemat kinematyczny przekładni licznika wraz z obliczeniem stałej

licznika C,

c) schemat układu pomiarowego,
d) tabele wyników i obliczeń,
e) wykres błędów licznika w zależności od obciążenia,
f) błąd całkowity pomiaru przy sprawdzaniu licznika,
g) wnioski dotyczące spełnienia przez licznik wymagań PKN,
h) uwagi i wnioski do ćwiczenia.

19.5 Zagadnienia do samodzielnego przygotowania

19.5.1 Zasada działania mierników indukcyjnych.

19.5.2 Szczegółowa budowa licznika indukcyjnego.

19.5.3 Wykres wektorowy rzeczywistego licznika indukcyjnego.

19.5.4 Budowa licznika indukcyjnego trójfazowego.

19.5.5 Wpływ temperatury na licznik indukcyjny.

19.5.6 Zasada działania licznika elektronicznego.

Laboratorium metrologii elektrycznej

86

19.6 Literatura

1. PN-87/E-06504 Liczniki energii elektrycznej. Liczniki indukcyjne

energii czynnej klasy 0,5; 1 i 2. Wymagania i badania.

2. PN-88/E-04222 Liczniki indukcyjne energii elektrycznej. Badania

odbiorcze.

3. Zarządzenie nr 42 Prezesa Polskiego Komitetu Normalizacji, Miar i

Jakości z dnia 12 czerwca 1981r. w sprawie ustalenia przepisów o
użytkowych licznikach energii elektrycznej prądu przemiennego
(Dziennik Normalizacji i Miar nr 10 z 1981r.).

4. Instrukcja nr 5 Prezesa Polskiego Komitetu Normalizacji Miar i

Jakości z dnia 16 lipca 1981r. o sprawdzaniu narzędzi do pomiaru
energii elektrycznej (Dziennik Normalizacji i Miar nr 25 z 1981 r.).

5. Jellonek A. i inni: Podstawy metrologii elektrycznej i elektronicznej.

PWN. Warszawa 1980.

6. Metal A., Żuchowski A.: Mierniki elektryczne. Obliczanie i konstrukcja.

PWN Warszawa - Poznań 1969.

7. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. WNT,

Warszawa 1975.

8. Barański A.: Sprawdzanie i legalizacja narzędzi do pomiarów

wielkości elektrycznych. WNT, Warszawa 1975.