Masurarea energiei electrice in circuite de c.a monofazat

Masurarea energiei electrice in circuite de c.a monofazat

Producerea, transportul si distributia energiei electrice.

Se stie ca energia electrica se obtine din alte forme de energie,ce se gasesc in natura sub forma de combustibil,caderi de apa,etc.Necesitatea unui consum tot mai mare de energie electrica a obligat economia mondiala la o exploatare intensiva a principalilor combustibili utilizati in acest scop:titeiul,carbunele si gazul natural.Cum rezervele din astfel de combustibil sunt limitate,a inceput sa se puna problema utilizarii lor tot mai rationale,pentru o valorificare maxima a acestora.Pentru aceasta este necesar ca,in primul rand,sa se evite risipa se energie indiferent sub ce forma ar fi utilizata.In paralel cu aceasta trebuie intensificata munca de creatie tehnico-stiintifico pentru:

-realizarea de noi tipuri de receptoare electrice cu randamente din ce in ce mai mari,care sa le inlocuiasca pe cele vechi cu consumuri energetice mari;

-realizarea de noi aggregate de transformare mai eficienta a energiei primare in energie electrica;

-amenajarea integrala a bazinelor hidrografice,astfel incat energia potentiala a apelor sa fie utilizata in mai mare masura pentru obtinerea energiei electrice;

-descoperirea de noi posibilitati de transformare economica in energie electrica a unor forme de energie mai putin utilizate in present,cum ar fi energiile nucleare,coliana,solara,geotermica etc

Producerea energiei electrice

In tehnica,energia electrica se obtine din alte forme de energie,in urma unor transformari care au la baza legea conservarii energiei.

Masina cea mai utilizata pentru obtinerea energiei electrice poarta denumirea de generator electric.Acesta transforma energia mecanica in energie electrica prin intermediul campului electromagnetic.La randul ei,energia mecanica este obtinuta prin transformare din energia termica,hidraulica sau coliana.

In afara acestor tipuri de generatoare,care asigura peste 95% din energia

electrica utilizata,in present mai sunt utilizate generatoare electrice care produc energie electrica din energie chimica sau din energie solara.

Generatoarele care transforma energia chimica in energie electrica,in urma unor reactii chimice,sunt bateriile electrice si acumulatoarele electrice.Bateria electrica este o sursa ce furnizeaza energia electrica intr-un circuit un timp limitat,dupa care nu mai este folosita.Acumulatorul electric este o sursa de energie electrica,dar care dupa descarcare poate fi incarcata si utilizata din nou.

Generatoarele care transforma energia solara in energie electrica se numesc baterii electrice solare si pot furniza energia electrica atat timp cat sunt supuse radiatiei solare.

Producerea energiei electrice prin transformarea

energiei termice

Aceasta reprezinta de multa vreme modul cel mai frecvent de producere a energiei electrice.Se utilizeaza energia dezvoltata prin arderea diferitilor combustibili clasici(carbune,pacura,gaze naturale),energia dezvoltata in urma unor reactii nucleare.

Instalatiile in care se produce energia electrica se numesc centrale electrice.Acestea poarta diferite denumiri,dupa sursa de energie folosita.Cele mai importante sunt:

-centralele termoelectrice,in care se utilizeaza combustibilii clasici si sunt cele mai raspandite in present;

-centralele nuclearoelectrice,in care se utilizeaza combustibil nuclear;acestea au luat o mare amploare in ultimii ani.

Principiul de functionare al unei centrale termoelectrice poate fi urmarit in figura 1.

In focarul cazanului CA se arde combustibilul CO.Prin ardere se elibereaza energie termica,ce este preluata de apa din cazan.Aceasta se transforma in abur la temperatura si presiune foarte mari,transformand astfel energia termica de ardere a combustibililor in energie mecanica,in turbine T volumul aburului se mareste brusc,eliberand energia mecanica.Arborele turbinei angreneaza generatorul electric GE,care transforma energia mecanica primita in energie electrica.Energia electrica astfel obtinuta este trecuta printr-o statie de ridicare a tensiunii SR.Numai dupa aceea ea este transportata catre consumatori.

Aburul,dup ace iese din turbine,deoarece are o temperatura inca ridicata,este condus la un schimbator de caldura SC,in care cedeaza cea mai

mare parte din caldura pe care o mai detine.Schimbatorul de caldura poarta numele de condensator,deoarece aici aburul este transformat in apa,prin condensare.In acest scop,caldura aburului este cedata unui circuit secundar de apa de racier.Din schimbatorul de caldura apa este absorbita de o pompa P,ce o retrimite in cazanul CA,de unde ciclul se reia,folosindu-se aceeasi cantitate de apa.Centralele termoelectrice au mai multe cazane,turbine si generatoare electrice,in functie de marimea lor.

In tara noastra cele mai folosite sunt centralele tremoelectrice ce utilizeaza drept combustibil carbuni,datorita rezervelor de carbune de care dispune.Cele mai mari dintre acestea sunt cele de la Rogojelu,Mintia,Isalnita

Figura 1.Schema de principiu a unei centrale termoelectrice

Principiul de functionare al unei centrale nuclearoelectrice este asemanator cu cel prezentat mai sus si poate fi urmarit in figura 2.Caracteristicile pentru aceste centrale este existenta a doua circuite de apa C1 si C2.Circuitul C1 este un circuit de apa iradiata,care preia energia dezvoltata in reactorul nuclear R(in urma reactiilor nucleare ale combustibilului nuclear CON) si o cedeaza circuitului de apa necontaminata C2,in schimbatorul de caldura SC.

Centralele nuclearoelectrice au un randament ridicat si sunt utilizate pe scara larga in multe din tarile lumii.

Figura 2.Schema de principiu a unei centrale atomoelectrice

Masurarea energiei electrice active in curent alternativ monofazat se

face cu ajutorul contoarelor monofazate.In curent alternative se utilizeaza contorul de inductie.

Montarea contorului se face in acelasi mod ca si wattmetrului monofazat:bobina de curent in serie pe circuit,iar bobina de tensiune in derivatie.

Ca si la wattmetru,bornele sunt polarizate,bornele din stanga considerandu-se borne de intrare.Sensul normal de rotire a discului contorului este indicat pe contor.Intrarea circuitului de tensiune se leaga la o borna auxiliara,legata printr-o placuta de borna de intrare a bobinei de curent.Placuta se poate face pentru anumite masurari si verificari.

Montarea contoarelor se face sau direct in circuit (figura 3a) sau cu bobina de curent montata pe un sunt (figura 3b),in cazul cand curentul din circuit depaseste valoarea nominala a curentului contorului.

a) b)

Figura 3.Schema de montaj a contorului monofazat    tip CM-1

fabricat de uzina''Electromagnetica''din Bucuresti:

a-montaj direct ; b-montaj indirect

Daca atat intensitatea curentului cat si tensiunea in circuit depaseste valorile nominale ale curentului si tensiunii contorului,acesta se monteaza indirect in circuit,folosind transformatoare de masura.

Unele contoare sunt special construite pentru a functiona impreuna cu transformatoare,avand curentul nominal de 5A(corespunzator intensitatii din secundarul transformatorului de curent),si tensiunea nominala de 100V (co-respunzatoare celei din secundarul transformatorului de tensiune).Aceste aparate indica direct valorile energiei din circuitul primar,pe placuta contorului indicandu-se rapoartele de transformare ale transformatoarelor cu care s-a facut etalonarea.Aceleasi rapoarte trebuie sa aiba si transformatoarele la care se leaga contoarele respective in exploatare.

La montaj se vor folosi atatea transformatoare de intensitate si de tensiune,cate bobine de curent si de tensiune are contorul.Daca nu se dispune de transformatoarele indicate pe placuta contorului,la calculul energiei electrice,trebuie sa se raporteze constantele transformatoarelor de masura folosite,la constantele pentru care a fost etalonat contorul.

In montajul cu transformatoare de masura,bobina de curent trebuie sa fie separata de cea de tensiune.Daca separarea nu este realizata constructive,se executa prin desfacerea placutei care leaga borna de intrare a bobinei de tensiune de borna de intrare a bobinei de curent.

Legarea contoarelor prin intermediul transformatoarelor de masura cere o deosebita atentie,pentru a nu se produce erori in masurarea energiei electrice.De asemenea,se asigura corespondenta dintre bornele de intrare la transformator si bornele de intrare la contor,atat la transformatorul de intensitate cat si la cel de tensiune,intocmai ca si la montajul indirect al wattmetrelor.In figura 4 este reprezentat montajul indirect al contorului monofazat.Montajul se realizeaza in modul urmator:primul conductor al circuitului se realizeaza la borna polarizata L1 a primarului transforma- torului de curent,iar la borna l1 a secundarului se leaga la borna polarizata a bobinei de curent a contorului(borna din stanga),borna cealalta a bobinei de curent legandu-se la borna l2 a secundarului transformatorului.

Figura 4.Schema de montaj a contorului monofazat in montaj indirect

Conductorul care se leaga la borna L1 se leaga si borna polarizata U a primarului transformatorului de tensiune,iar borna corespunzatoare u a secundarului se leaga la borna polarizata a bobinei de tensiune,cealalta borna legandu-se la borna υ a secundarului.

Contorul de inductie

Contorul de inductie,reprezentat in figura 3,se compune dintr-un dispozitiv de inductie si un mechanism integrator.

Figura 5.Contor de inductie monofazat.

Dispozitivul de inductie

Principiul de functionare a dispozitivului de inductie consta in actiunea campurilor magnetice create de circuite indicatoare fixe,asupra curentilor pe care aceste circuite ii induc in piese conductoare mobile.Din interactiunea dintre campurile magnetice si curentii indusi,apare un cuplu activ care pune in miscare piesa mobile.

Dispozitivul de inductie folosit in contoarele de c.a este realizat dintr-un disc de aluminiu ce se poate roti in jurul unui ax vertical si doi electromagneti(un electromagnet de curent 1 si un electromagnet de tensiune 2).

Functionarea.

Electromagnetul de curent se monteaza in serie cu consumatorul,deci este parcurs de curentul I din circuit.El produce un flux Ф,care strabate de doua ori discul in sensuri contrare.Electromagnetul de tensiune este montat in paralel cu consumatorul,deci este alimentat cu tensiunea de la bornele consumatorului.El creeaza un flux Фu,care strabate discul o singura data.Fluxurile Фu si Ф1 induc curentii in disc.

Datorita interactiunii dintre curentii indusi si fluxuri,ia nastere un cuplu activ care pune in miscare discul.Se poate demonstra ca acest cuplu activ este proportional cu cele doua fluxuri si cu sinusul unghiului α de defazaj intre ele:

Mu=KФ1 Фu sinα

Pentru ca sa se obtina un cuplu activ proportional cu puterea active,P=UIcosφ,unde φ este defazajul dintre tensiune si curent,dispozitivul de inductie se realizeaza astfel incat fluxul ФI sa fie proportional cu I si aproximativ in faza cu I,iar fluxul ФU sa fie proportional cu U si defazat cu aproximativ cu π/2 fata de U.In acest scop bobina electromagnetului de tensiune se realizeaza cu inductanta mare.

Tinand seama ca intre I si U exista defazajul φ si ca intre ФU si U s-a creat un defazaj de π/2,unghiul dintre doua fluxuri devine:

Avand in vedere cele de mai sus,se poate scrie:

Rezulta deci sa se obtina un cuplu activ proportional cu puterea active din circuit.

Cuplului activ i se opune un cuplu de franare,realizat cu un magnet permanent 3.Cand discul se roteste cu o viteza de rotatie n intersecteaza liniile de camp ale magnetului permanent si iau nastere in disc curentii indusi proportionali cu viteza de rotatie n.Din interactiunea acestor curenti cu fluxul creat de magnetul permanent,se obtine un cuplu de franare proportional si el cu viteza de rotatie a discului:

Mf=K2n

Cand cuplul de franare devine egal cu cuplul activ,discul se roteste cu viteza constanta.In acest caz:

Ma=Mf,

adica

K1P=K2n

de unde:

n=K1/K2P=K3P

Relatia K1P=K2n arata ca viteza de rotatie a discului este proportionala cu puterea active.

Numarul total de rotatii N=n(t2-t1) pe care le face discul intr-un interval de timp este proportional cu suma energiilor elementare consumate in intervalul de timp respective,adica:

Constanta C se numeste constanta reala a contorului.In practica se foloseste frecvent inversul acestei constante:

Cn se numeste constanta nominala a contorului si reprezinta numarul de rotatii pe care le face discul pentru un consum de energie egal cu 1 kWh.De obicei aceasta constanta este inscrisa pe carcasa contorului.De exemplu:

Cn=480rot/kWh.

Mecanismul integrator

Mecanismul integrator realizat cu roti dintate contine un sistem de transmisie si un dispozitiv de inregistrare.Sistemul de transmisie este astfel alcatuit incat la un numar de rotatii ale discului egal cu constanta nominala,sa se transmita primei roti a dispozitivului de inregistrare o miscare egala cu o zecime de rotatie.Cand aceasta roata care indica unitatile,face o rotatie completa,a doua roata dintata care indica zecile se va roti cu o zecime de rotatie s.a.m.d

Conectarea contoarelor in circuit

Conectarea contoarelor in circuit se face conform acelorasi scheme ca si in cazul wattmetrelor.

Pentru masurarea energiilor reactive se folosesc contoare de energie reactiva la care cuplul activ este proportional cu puterea reactiva.

Contoarele de energie uzuale sunt de clasa de precizie 2.Exista si contoare de clasa I sau 0,5 folosite ca etaloane sau in scopuri speciale.

Tensiunea nominala a contoarelor monofazate este de 220V,iar curentii nominali sunt de 10A sau de 5A.