Měření práce elektrického proudu
Elektrická práce (energie) je v obecném případě časovému integrálu elektrického výkonu. Pro její výpočet můžeme napsat všeobecně platný vztah

Pokud se zatížení nemění, můžeme práci elektrického proudu určit jako součin výkonu a času W=Pt.

Pro větší náhled kliknout.
Diagram elektrické práce - časový integrál elektrického výkonu

Pro měření elektrické práce se používají integrační přístroje, tzv. elektroměry. Jsou to v podstatě wattmetry, které mají proudovou a napěťovou cívku, ale od běžných wattmetrů se odlišují tím, že jejich otočné ústrojí nemá direktivní moment a ústrojí pracuje na rovnováze impulzů pohybového a brzdícího momentu.

Elektroměry můžeme rozdělit podle druhu proudu, pro který jsou určeny na:

• elektroměry pro stejnosměrný proud,
• elektroměry pro střídavý proud.

Střídavé elektroměry můžeme podle počtu měřicích ústrojí dále rozdělit na jedno a trojfázové a podle typu práce, jejíž spotřebu měří na:

• elektroměry pro měření činné práce,
• elektroměry pro měření jalové práce,
• elektroměry pro měření zdánlivé práce.

Elektroměry pro stejnosměrný proud
Pro měření práce stejnosměrného proudu se používají integrační přístroje s elektrodynamickým měřicím ústrojím. Základní schéma přístroje, nazývaného také watthodinovým elektroměrem je na obrázku.

Pro větší náhled kliknout.

Proud odebíraný ze sítě protéká dvěma pevnými cívkami a vytváří budicí magnetické pole, v němž se otáčí soustava otočných cívek propojených s komutátorem. Vinutí otočného systému je zpravidla tvořeno trojicí otočných cívek a je připojeno na dvojici kartáčků s sérii s předřadným rezistorem Rp. Celé uspořádání připomíná principem stejnosměrný motorek. Komutátor je velmi důležitou součástí elektroměru, protože pokud bychom neměnili směr proudu v otočných cívkách, tak by se po vykonání půlobrátky zastavily, protože by na ně nepůsobil žádný pohybový moment.

Do obvodu pevných cívek je ještě zařazena tzv. kompenzační cívka, jejíž pole vyvolává při konstantním napětí sítě přídavný moment, který kompenzuje momenty tření ústrojí. Tato kompenzace však platí pouze pro jeden směr toku elektrické energie.

Elektrodynamické elektroměry se používaly k měření odběru energie hlavně ve starých stejnosměrných sítích. Dnes se již téměř nepoužívají, protože stejnosměrné rozvodné sítě již byly zrušeny a pro měření práce střídavého proudu jsou mnohem vhodnější elektroměry indukční. Ve střídavých obvodech se elektrodynamické elektroměry používají pouze výjimečně, a to tehdy, jde-li o proud se značným obsahem vyšších harmonických.

Elektroměry pro měření činné práce
Velikost práce střídavého proudu se v současné době určuje výhradně pomocí indukčních elektroměrů. Měřicí ústrojí se skládá ze dvou elektromagnetů s jádry tvaru E. Horní napěťový elektromagnet nese napěťovou cívku tvořenou mnoha závity tenkého drátu. Napěťová cívka je navinutá na středním sloupku jádra. Spodní elektromagnet nese cívku proudovou s malým počtem závitů vinutých silným vodičem. Proudová cívka je rozdělena na dvě poloviny, každá z nich je navinutá na jednom krajním sloupku. Ve vzduchové mezeře mezi oběma elektromagnety se otáčí hliníkový kotouč. Jeho otáčky se přenáší pomocí šnekového kola na počítací mechanismus. Hliníkový kotouč elektroměru slouží jak pro vyvozování pohybového momentu, tak i pro vyvozování brzdicího (tlumicího) momentu. Brzdicí moment je vytvářen pomocí permanentního magnetu, jehož mezerou kotouč také prochází.

Pro větší náhled kliknout.
Klasické provedení jednofázového elektroměru

I když proudový a napěťový elektromagnet mají jiné tvary, platí i v tomto případě, že střední hodnota pohybového momentu je úměrná součinu magnetických toků obou elektromagnetů a sinu jejich fázového posunu, tedy

Aby byl pohybový moment úměrný činnému výkonu, musí být tok ΦUm úměrný napětí U a tok ΦIm úměrný proudu a dále musí být činitel sin Ψ roven účiníku cos φ, musí tedy pro oba úhly platit

Na následujícím obrázku je nakreslen zjednodušený fázorový diagram indukčního ústrojí. Proud zátěže má oproti napětí fázový posun φ. Následkem ztrát v jádře elektromagnetu je tok ΦIm oproti proudu I zpožděn o úhel δφl. Magnetický tok napěťového elektromagnetu ΦUm by měl být v ideálním případě zpožděn o 90° za napětím U (kdyby byla napěťová cívka ideální indukčnost).

Pro větší náhled kliknout.
Zjednodušený fázorový diagram indukčního ústrojí.

Ve skutečnosti je zpoždění toku za napětím větší a jeho celkový fázový posun oproti napětí tedy je 90° + δφU. Pro velikost úhlu y můžeme také psát

Pro splnění podmínky Ψ = 90° - φ, neboli sin Ψ = cos j je tedy třeba, aby platilo

Velkého posunu magnetického toku ΦUm proti napětí U dosáhneme navinutím napěťového elektromagnetu velkým počtem závitů tenkého drátu, potom je činný odpor vůči induktivní reaktanci cívky velmi malý a přesná hodnota fáze toku se nastaví pomoc závitu nakrátko, jehož odpor lze měnit posunem zkratovací spojky. K doregulování se také u některých modernějších typů elektroměrů používají plíšky, které se zasouvají do vzduchových mezer mezi napěťovým jádrem a magnetickými bočníky.

Pro větší náhled kliknout.

Tím se mění rozptylový tok elektromagnetu a tedy i poloha fázoru toku ΦUm. Rozběh elektroměru při malém zatížení se usnadňuje pomocí přídavného momentu daného nesouměrností magnetického toku napěťového jádra. Má-li měřicí ústrojí vyvozovat točivý moment, musí být magnetický tok napěťového jádra nesouměrný. Toho se dosáhne vykláněním jazýčku umístěného na jádru proudového elektromagnetu a sahajícím do vzduchové mezery nebo u modernějších konstrukcí závitem nakrátko z měděného plechu nasazeným na prostředním sloupku napěťového jádra. Těmito opatřeními se kompenzuje i vliv tření otočného ústrojí.

Správná konstanta elektroměru (co nejmenší chyba) se nastavuje pomocí změny polohy (posunem, u novějších přístrojů natočením) brzdícího permanentního magnetu. Posouváním magnetu více do středu kotouče se jeho brzdící účinky zmenšují a vysouváním k obvodu kotouče se zvyšují.
Zapojení proudových a napěťových obvodů elektroměru je podobné jako zapojení wattmetrů. Aby byla možnost chybného zapojení a následného chybného měření omezena na minimum, mají svorkovnice všech elektroměrů stejné (normalizované) uspořádání.

Zapojení jednofázového elektroměru

Principem válečkového (bubínkového) počítacího strojku je otáčivý pohyb z hřídelky, na níž je upevněn kotouč, který je přenášen na počítací strojek pomocí šnekového převodu. Vlastní počítací strojek je složen z potřebného počtu souosých válečků s vodorovnými osami. Každý váleček má na levé straně svého obvodu zářez, do něhož jednou za otáčku zapadne zub pastorku, který pootočí další, sousední váleček o jednu desetinu obvodu.

Pro větší náhled kliknout.
Schematické znázornění principu válečkového počítacího strojku.

Práci trojfázového proudu měříme trojfázovými elektroměry. Podle toho, zda se používají ve čtyřvodičové či trojvodičové síti se vyrábějí se třemi nebo dvěmi měřicími ústrojími.

V naší síti má trojfázová rozvodná soustava nízkého napětí vždy vyveden střední vodič, takže elektrickou práci měříme elektroměry se třemi měřicími ústrojími. Na společné hřídelce jsou umístěny dva kotouče, na dolní působí dvě měřicí ústrojí a na horní jedno. Počítadlo potom udává součet elektrické práce změřené ústrojími v jednotlivých fázích.

Zapojení trojfázových elektroměrů je stejně jako zapojení elektroměrů jednofázových jednotné (dáno normou). Proudové cívky elektroměrů bývají obvykle dimenzovány na proudy 5, 10 nebo 40A, napěťové na napětí 400 nebo 230V. Pokud musíme měřit elektrickou práci zařízení s většími proudy (odběr podniků, škol,...), je třeba použít měřicích transformátorů proudu.

Pro větší náhled kliknout.
Zapojení běžného trojsystémového elektroměru.

V rozvodné soustavě, kde není vyveden střední vodič, což jsou v naší síti rozvody vysokého napětí, se používá pro zapojení elektroměrů schéma nakreslené na následujícím obrázku. Toto zapojení je obdobou Aronova zapojení pro měření činného výkonu.

Pro větší náhled kliknout.

V tomto případě se používají elektroměry se dvěmi měřicími ústrojími. Protože se tyto elektroměry používají pro měření činného výkonu v sítích vysokého napětí, jsou do jejich obvodů zařazeny měřicí transformátory napětí a proudu.

Značka počtu měřicích ústrojí je vždy uvedena na štítku elektroměru.

Protože odběr elektrické energie se posuzuje v denním období podle jiných zásad než v noci, kdy jsou nároky na odběr energie malé, používají se obvykle tzv. dvousazbové elektroměry. Tyto elektroměry mají téměř stejné uspořádání jako elektroměry jednosazbové, pouze mají dvojitý počítací strojek. Oba číselníky pracují odděleně, jeden měří spotřebu energie ve dne, druhý v noci, kdy platí snížená sazba (tzv. noční proud).

Pro větší náhled kliknout.
Nejjednodušší dvousazbový elektroměr

Otáčivý pohyb hřídele společné pro oba měřicí kotouče je pomocí soukolí přenášen na výkyvnou předlohovou hřídelku, která v tomto okamžiku zabírá s počítacím strojkem nízké sazby. Sepneme-li však kontakt S (pomocí signálu Hromadného Dálkového Ovládání nebo spínacími hodinami), přitáhne relé kotvičku, zruší záběr předlohové hřídelky s počítacím strojkem nízké sazby a uvede hřídelku do záběru s počítacím strojkem vysoké sazby.

U moderních elektroměrů se používá přepínání sazeb pomocí diferenciálního soukolí. Otáčivý pohyb hřídele je ozubeným soukolím přenášen na diferenciální soukolí. Relé Rd, které na obrázku není naznačeno, blokuje nebo uvolňuje poloosu A nebo poloosu B uvažovaného soukolí. Je-li zablokována poloosa A, pracuje počítací strojek nízké sazby, je-li zablokována poloosa B, měří se odběr energie v režimu vysoké sazby.

Pro větší náhled kliknout.
Přepínání sazeb pomocí diferenciálního soukolí u moderního elektroměru

Tento způsob přepínání sazeb má tu výhodu, že příslušný číselník je zablokován, aniž jeho ozubená kolečka vyjdou ze záběru. Nemohou tedy vzniknout chyby náhodným natáčením ozubených koleček, jak se stávalo u výše popsaného systému s výkyvným hřídelem.

Elektroměry pro měření jalové práce
Pro elektrárny, jakožto výrobce elektrické energie je nejvýhodnější, odebírá-li se energie s velkým účiníkem, protože při odběru energie s nízkým účiníkem nelze plně využít parametrů generátorů ani rozvodné soustavy. Např. při stejných ztrátách v generátoru a rozvodné síti může při účiníku 0,5 být generátorem vyrobena a sítí přenesena asi čtvrtina činné energie oproti poměrům při cos φ = 1. Proto je zřejmé, že rozvodným závodům při zhoršujícím se účiníku značně rostou náklady na výrobu elektrické energie a proto nutí velké odběratele úpravou sazeb podle hodnoty účiníku, aby prováděli kompenzaci jalového výkonu a odebírali tak energii s vysokým účiníkem. Kontrola dodržování tohoto nařízení se provádí elektroměry pro měření spotřeby jalové energie.

Pro větší náhled kliknout.
Schéma zapojení měřicích ústrojí na svorkovnici trojfázového elektroměru

Elektroměry pro měření jalové práce se vyrábějí výhradně jako trojfázové, jejich zapojení do obvodu je podobné jako zapojení wattmetrů pro měření jalového výkonu.

Kontrola elektroměrů
Měření spotřeby elektrické energie představuje v technice měření významný obor, protože údaje elektroměrů jsou velmi důležité pro prodej elektrické energie. Proto se musí elektroměry (i jejich měřicí transformátory) úředně kontrolovat (podobně jako váhy v obchodech).

Pro kontrolu elektroměrů předepisuje norma ČSN 356110 mimo jiné i tyto zkoušky:

Zkouška chodu naprázdno
V rozmezí 80 až 110% jmenovitého napětí, při jmenovitém kmitočtu a při vypnutém obvodu proudových cívek se nesmí kotouč otočit o více než jednu otáčku. Této podmínce musí vyhovovat i elektroměry s proudovými cívkami připojenými na sekundární vinutí měřicích transformátorů proudu. U počítacího strojku nesmí být při této zkoušce v záběru více než jeden váleček

Zkouška náběhu
Pojmem náběh se rozumí hodnota zatížení v měřeném obvodu, při kterém se elektroměr rozběhne a zůstane v chodu.

Elektroměr se musí rozběhnout a pokračovat v chodu při 0,5% jmenovitého proudu při jmenovitém napětí, jmenovitém kmitočtu a cos φ = 1, i když jsou v záběru dva válečky počítacího strojku.

Elektroměr s měřicím transformátorem proudu se musí rozběhnout a pokračovat v chodu při 0,75% jmenovitého proudu při jmenovitém napětí, jmenovitém kmitočtu a cos φ 1, i když jsou v záběru dva válečky počítacího strojku. Na každé další přídavné zařízení se náběh zvyšuje o 0,2% jmenovitého proudu.

Zkouška odolnosti proti zkratu

• elektroměr musí snést po dobu 500ms (0,5s) proud rovný,

• třiceti násobku jmenovitého proudu pro rozsahy 10A,

• dvaceti násobku jmenovitého proudu pro rozsahy nad 10A.

Po zkratové zkoušce musí být elektroměr připojen asi 1 hodinu na jmenovité napětí. Po této době nesmí změna údaje překročit 1,5% při jmenovitém proudu, jmenovitém napětí, jmenovitém kmitočtu a cos φ = 1.

Kontrola chyb elektroměru
Chyba elektroměru za vztažných podmínek (viz dále) nesmí překročit hodnoty uvedené v tabulce.

 Dovolené chyby platí pro jednofázové i trojfázové elektroměry při souměrném zatížení.

Vztažné podmínky pro stanovení chyb elektroměrů

• teplota okolí +20˚C ± 2 ˚C,

• zavěšení elektroměru ve svislé poloze,

• jmenovité napětí ±1%,

• jmenovitý kmitočet ±0,5%,

• činitel zkreslení křivky proudu a napětí nejvýše 5%,

• napěťové cívky musí být napájeny jmenovitým napětím nejméně 1 hodinu a proudové musí být zatíženy zkušebním proudem tak dlouho, aby teplota všech částí byla ustálená,

• nesmí existovat žádné rozptylové magnetické pole,

• v záběru smějí být pouze dva bubínky počítacího strojku,

• schéma zapojení musí odpovídat ČSN 35 6110.

Pracovní podmínky elektroměrů
Normální pracovní podmínky pro elektroměry jsou tyto:

• prostory prosté agresivních par a plynů, teplota od -5˚C do +40˚C relativní vlhkost do 85%,

• svislá poloha,

• nadmořská výška do 1000m,

• ochrana proti dešti a tepelnému záření,

• svorkovnice musí být zakryty samostatným krytem, které lze zaplombovat nezávisle na víku elektroměru.

Štítek elektroměru
Štítek elektroměru musí být pod krycím sklem a trvanlivě upevněn na elektroměru tak, aby nebylo možné jej bez porušení plomby sejmout. Musí obsahovat tyto údaje:

• jméno a sídlo výrobce,

• typ,

• úřední značka vzoru,

• výrobní číslo,

• rok výroby,

• jmenovité napětí,

• jmenovitý proud,

• Maximální proud - pro všechny elektroměry musí být maximální proud nejméně 1,25 násobek jmenovitého proudu. Je-li maximální proud větší než 1,25 násobek jmenovitého proudu, musí být jeho hodnota uvedena za hodnotou jmenovitého proudu, např. 5 až 10A.

• jmenovité kmitočty,

• konstanta elektroměru,

• třída přesnosti (označuje se číslem v kroužku),

• směr otáčení kotouče,

• kapacita počítacího strojku v hodinách,

• druh elektroměru vyznačený značkou.

Pro větší náhled kliknout.
Příklad štítku nového elektroměru.

Kotouč
Při pohledu zepředu se musí kotouč otáčet vpravo. Směr otáčení kotouče musí být na štítku vyznačen šipkou. V každé poloze kotouče musí být patrné, zda se kotouč otáčí. Kotouč musí být na obvodu a na čelních plochách označen zřetelnou značkou širokou asi 10mm.

 
Pro větší náhled kliknout.
Moderní zahraniční impulzní elektroměr pro činnou a jalovou energii

Tip na knihu o měření naleznete zde...