1. GENERALITATI Cunoasterea stiintifica progreseaza prin descoperirea legilor care guverneaza fenomenele naturale. Aceste legi trebuie sa reprezinte in mod cantitativ caracteristicile fenomenului, desfasurarea sa in timp sau modul in care interactioneaza cu alte fenomene. p2u16uh
Referindu-ne la procesul de cunoastere a unui fenomen, putem spune ca atat experimentul cat si masurarea ocupa un loc important.
Crearea unor mijloace tehnice din ce in ce mai perfectionate pentru scopurile practice, a utilizat din plin cuceririle stiintei si, pe de alta parte, a contribuit la dezvoltarea acesteia. Dezvoltarea tehnicilor de masurare si a aparaturii aferente a fost conditionata si impulsionata de interdependenta care exista intre stiinta si tehnica.
Masurarile electrice sunt indispensabile in toate ramurile industriale, constituind o veriga importanta in procesele de productie, in controlul calitatii materiilor prime, a produselor intermediare si finale, in dezvoltarea cercetarii in toate domeniile.
In aceeasi ordine de idei, putem spune ca si consumurile de energie electrica sunt real inregistrate daca aparatele utilizate in acest scop nu introduc erori de masurare, lucru care este posibil daca, periodic, acestea sunt verificate si reglate.
In lucrarea de fata, care are ca tema masurarea energiei electrice in curent alternativ monofazat, am aratat pentru inceput constructia si principiul de functionare ale aparatelor de inductie, aparate care stau la baza constructiei contorului de inductie.
In continuare am facut o clasificare a contoarelor si am prezentat pe larg constructia si principiul de functionare a acestora, precum si modalitatea de legare a unui contor monofazat in circuit.
Lucrarea se incheie cu prezentarea unor metode de reparare, reglare si verificare a contoarelor, precum si cateva masuri de protectia muncii.

2. NOTIUNI GENERALE

Se stie ca energia reprezinta puterea consumata in unitatea de timp. Daca puterea ramane constanta intr-un anumit interval de timp t2-;t1, se poate considera energia consumata in intervalul respectiv de timp ca fiind:

(1)

In general insa, in practica puterea nu ramane constanta. In acest caz, se poate imparti intervalul de timp t2-;t1 in intervale mici de timp ?t, in care sa se considere ca puterea ramane constanta. In aceasta ipoteza, energia activa consumata in intervalul de timp t2-;t1 se poate considera a fi egala cu suma energiilor active elementare consumate in intervalele ?t. Deci:

(2) unde

(3)

In mod analog se poate defini energia reactiva ca fiind:

(4)

Unitatea de masura pentru energia activa este wattsecunda, iar pentru energia reactiva este varsecunda. In practica se folosesc multiplii wattora si kilowattora si respectiv varora si kilovarora.
Energia electrica se masoara cu aparate numite contoare. Contoarele sunt alcatuite dintr-un dispozitiv wattmetric al carui cuplu activ este proportional cu puterea si un mecanism integrator care insumeaza energiile elementare intr-un anumit interval de timp.
In functie de marimea masurata, contoarele pot fi de energie activa sau de energie reactiva.
In functie de principiul de functionare, contoarele pot fi electrodinamice sau de inductie. Cel mai raspandit contor este contorul de inductie. El functioneaza insa numai in curent alternativ. Pentru masurarea energiei in curent continuu se folosesc contoare electrodinamice.

3. CONSTRUCTIA SI PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE AL
APARATELOR DE INDUCTIE

La baza principiului de functionare al aparatelor de inductie sta interactiunea dintre curentii turbionari indusi intr-o armatura metalica neferomagnetica si doua sau mai multe fluxuri magnetice alternative care au creat acesti curenti. Deoarece principiul fundamental al acestui dispozitiv este inductia electromagnetica, instrumentele de inductie pot functiona numai in curent alternativ sau, in general, numai in regim variabil.
Dispozitivele de inductie se clasifica in dispozitive cu un flux sau cu mai multe fluxuri, dupa cum echipajul mobil este intersectat de unul sau mai multe fluxuri.

3.1.DISPOZITIVUL DE INDUCTIE CU UN FLUX

Din punct de vedere constructiv, dispozitivul de inductie este alcatuit dintr-un electromagnet, o armatura neferomagnetica, un ax mobil, resorturi spirale, un ac indicator, un magnet permanent si o scara gradata.
Curentul I parcurgand bobina electromagnetului da nastere la fluxul F.
Valoarea efectiva a acestui flux este proportionala cu curentul I si defazat in urma cu unghiul a (de avans histerezis). Acest flux strabate armatura mobila conductoare, inducand in ea o tensiune electromotoare ce creeaza curenti electrici circulari care se inchid in jurul liniilor de flux care ii determina.
In urma interactiunii fluxului electromagnetic F cu curentul indus Id apare o forta care va crea un cuplu ce va pune discul in miscare.
Deviatia permanenta a va fi cu atat mai mare, cu cat inductivitatea discului este mai mare. Deoarece sensibilitatea acestui tip de dispozitiv este redusa, el nu se mai foloseste, locul lui fiind luat de dispozitivele cu mai multe fluxuri.

3.2. DISPOZITIVUL DE INDUCTIE CU DOUA FLUXURI

Curentii I1 si I2 parcurg infasurarea electromagnetilor si, determina aparitia fluxurilor F1 si F2 care strabat discul, inducand in acesta tensiuni electromotoare.
Interactiunea dintre curenti si fluxuri determina aparitia unui cuplu activ care pune in miscare discul de aluminiu. Deviatia acestuia depinde de fluxuri si de valoarea sinusului unghiului dintre cele doua fluxuri.
Pe baza acestui dispozitiv se realizeaza wattmetre si varmetre de inductie, dar mai ales contoare de energie electrica.

3.3. DISPOZITIVUL DE INDUCTIE CU TREI FLUXURI

Sensibilitatea, respectiv cuplul activ al dispozitivului cu doua fluxuri poate fi dublata, daca unul dintre fluxurile magnetice Fu sau Fi intersecteaza de doua ori discul neferomagnetic.

Fig.1. Dispozitiv de inductie cu trei fluxuri.

Din punct de vedere constructiv acest lucru este posibil daca unul dintre electromagneti este asezat pe o directie perpendiculara pe raza discului si in partea inferioara a acestuia, iar celalalt electromagnet se aseaza in lungul razei discului, in partea superioara a acestuia. Se observa ca in aceasta situatie fluxul Fi intersecteaza de doua ori discul, in timp ce fluxul Fu, numai o singura data. Se mai observa, de asemenea, ca fluxul Fi strabate discul de doua ori, dar in sensuri contrare.
Cuplul activ a acestui dispozitiv este dublu fata de cel cu doua fluxuri, motiv pentru care acesta este singurul utilizat la constructia instrumentelor de inductie.

3.4. ERORILE SI PROPRIETATILE DISPOZITIVELOR
DE INDUCTIE

-datorita neliniaritatii dependentei inductie -; camp magnetic, nu exista o proportionalitate riguroasa intre valoarea efectiva a curentului prin infasurare si valoarea efectiva a fluxului electromagnetic;
-pierderile magnetice in cele doua miezuri, defazeaza fluxurile in urma curentilor in mod inegal, facand necesara prezenta unor circuite de simetrizare;

-cuplul activ fiind direct proportional cu frecventa este puternic afectat de variatia acesteia, determinand erori importante de indicatie;
-capacitatea de suprasarcina este ridicata deoarece eventualele resorturi spirale nu sunt strabatute de curent;
-influenta campurilor exterioare (magnetice si electrice) este in prezent neglijabila si poate fi complet inlaturata prin introducerea dispozitivului intr-o carcasa feromagnetica;
-constructia simpla si robusta a acestui instrument, ii asigura o buna rezistenta la solicitarile mecanice exterioare (vibratii);
-datorita numeroaselor surse de erori (frecventa, miezuri feromagnetice, temperatura, etc.) clasele de precizie realizabile sunt inferioare clasei 1.

4. CONTOARE DE INDUCTIE

4.1. CLASIFICAREA CONTOARELOR

1. Dupa clasa de precizie: q contoarele se construiesc pentru clasele 0,2; 1; 2; 2,5; 3.
2. Dupa felul conectarii contorului in circuitul controlat: q contor conectat direct; q contor conectat prin transformator de masura (numai circuitul de curent si/sau cel de tensiune).
3.Dupa felul curentului: q monofazate; q bifazate; q trifazate.
4. Dupa numarul conductoarelor retelei controlate: q contoare cu doua conductoare (de faza si nul); q contoare cu trei conductoare (sistem trifazat fara conductor neutru sau sistem bifazat cu doua faze si conductor neutru); q contoare cu patru conductoare (sistem trifazat cu conductor neutru).
5. Dupa felul energiei pe care o masoara: q contoare de energie activa; q contoare de energie reactiva.
6. Dupa modul de utilizare: q contoare etalon; q contoare de uz casnic; q contoare de uz industrial.
7. Dupa raportul dintre curentul maxim Imax. si curentul de baza Ib: q contoare cu capacitate normala de masurare:
Imax. = 1,25 Ib; q contoare cu capacitate mare de masurare:
Imax. > 1,25 Ib;
Contoarele la care se monteaza transformatoare de curent au bobinele construite in general pentru un curent de 5A (in cazuri speciale, de 1A, de exemplu contoare de precizie 1), curent debitat de secundarul transformatorului de curent,
Contoarele care se monteaza cu transformatorul de tensiune au bobinele de tensiune pentru 100V (cat debiteaza secundarul transformatorului de tensiune) sau de 110 V.

4.2. CONSTRUCTIA SI PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE AL CONTORULUI

La baza constructiei contorului sta dispozitivul de inductie cu trei fluxuri. El este utilizat pentru masurarea energiei in curentul alternativ.
Acest tip de contor are o constructie simpla, suporta sarcini relativ mari si are siguranta in exploatare, iar clasa lui de precizie este satisfacatoare.
Contorul se compune dintr-un dispozitiv de inductie si un mecanism integrator.

4.2.1. Constructia contorului

Fig.2. Elementele componente ale contorului.

Elementele electromagnetice sunt:
+ Circuitele magnetice, care sunt realizate din tole de tabla silicioasa, nituite si lacuite.

+ Infasurarea de tensiune care se realizeaza din sarma din cupru cu email, cu diametrul de 0,06 …. 0,15 mm, folosind o carcasa de bachelita.
Valoarea exacta a diametrului sarmei si numarului de spire se aleg in functie de tipul contorului si de valoarea tensiunii nominale.
Diametrul sarmei trebuie respectat, deoarece modificarea acestuia poate aduce schimbari in caracteristicile functionale ale contorului, asa cum ar fi: posibilitatile de reglare, variatiile erorii la modificarea temperaturii mediului ambiant.
+ Infasurarea de curent care se realizeaza dintr-un conductor de cupru cu izolatie de email sau de bumbac. Sectiunea conductorului se alege in functie de valoarea incalzirii maxime admisibile.

Echipajul mobil contine urmatoarele parti componente: o discul din aluminiu; o axul in jurul caruia se misca discul; o carligul pentru evitarea mersului in gol; o lagarul superior si inferior.
Discul se realizeaza din aluminiu pur, de calitate superioara.
Contorul trifazat se deosebeste de cel monofazat prin aceea ca are un numar mai mare de sisteme electromagnetice.
Echipajul mobil nu are constructii deosebite, cu exceptia unui numar diferit de discuri pe ax.

Fig.3. Echipajul mobil:

1 -; capacel; 2 -; melc; 3 -; carlig; 4 -; ax; 5 -; disc; 6 -; corpul crapodinei; 7 -; bucsa; 8 -; arc; 9 -; capacel; 10 -; suportul acului.

Mecanismul integrator. Energia inregistrata poate fi urmarita la mecanismul integrator numit si mecanismul totalizator sau inregistrator. o cu ac indicator; o cu role.

Fig.4. Dispozitivul de citire.

Mecanismele integratoare cu role sunt practice in exploatare insa functioneaza corect numai cu conditia ca piesele lor sa fie confectionate cu atentie.
Magnetul de franare. In general, acesti magneti se confectioneaza din oteluri speciale ce se magnetizeaza puternic. Alegerea formei magnetului se face tinandu-se seama de necesitatea de a obtine o actiune de franare cat mai mare a magnetului, la p dimensiune si greutate cat mai mici.
Cutia contorului. Intregul mecanism al contorului este fixat pe soclul contorului. Acesta poate fi executat din tabla de otel, fonta sau mase plastice.

Pe soclu se fixeaza sasiul contorului care serveste ca suport pentru montarea electromagnetilor, discului, lagarelor, magnetului permanent si mecanismului integrator.
Un alt element al contorului este capacul care acopera intregul mecanism al contorului. Acesta se realizeaza din metal, mase plastice sau sticla. Pentru a evita patrunderea prafului in contoare, marginea contorului are un santulet in care se fixeaza o garnitura. De asemenea, prinderea ferestrei (geamului la capac) trebuie sa se faca etans.
Legaturile electrice de la retea se realizeaza cu ajutorul blocului bornelor. Partea principala a acestei cutii o constituie blocul, confectionat, in general, din bachelita in care se fixeaza placi de alama cu gauri pentru suruburi care servesc la fixarea conductoarelor.

4.2.2. Principiul de functionare

Principiul de functionare a dispozitivului de inductie consta in interactiunea campurilor magnetice create de circuite inductoare 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 mobila.
Dispozitivul de inductie folosit in contoarele de curent alternativ este realizat dintr-un disc de aluminiu ce se poate roti in jurul unui ax vertical si doi electromagneti (fig.1) (un electromagnet de curent 1 si un electromagnet de tensiune 2).
Electromagnetul de curent se monteaza in serie cu consumatorul, deci este parcurs de curentul I din circuit. El produce un flux FI 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 FU, care strabate discul o singura data. Fluxurile FI si FU induc curenti 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 unghiul de defazaj intre ele:

(5)

Pentru ca sa se obtina un cuplu activ proportional cu puterea activa, P = UI cosj, unde j este defazajul dintre tensiune si curent, dispozitivul de inductie se realizeaza astfel incat fluxul FI sa fie proportional cu I si aproximativ in faza cu I, iar fluxul FU sa fie proportional cu U si defazat cu aproximativ p/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 j si ca intre FU si U s-a creat un defazaj de p/2, unghiul dintre cele doua fluxuri devine:

(6)
Avand in vedere cele de mai sus, se poate scrie:

(7)

Rezulta deci ca se obtine un cuplu activ proportional cu puterea activa 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 curenti 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:

(8)

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

(9)

adica:
(10) de unde:

(11)

Aceasta relatie ne arata ca viteza de rotatie a discului este proportionala cu puterea activa.
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 respectiv, adica:

(12)

(13)

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

(14)

Cn se numeste constanta nominala a contorului si reprezinta numarul de rotatii pe care le face discul pentru un consum de energie egal cu 1kWh. De obicei, aceasta constata este inscrisa pe carcasa contorului. De exemplu: Cn = 480 rot/kWh.

Fig.5. Schema de conexiuni a unui contor monofazat.

5. REPARAREA SI REGLAREA
CONTOARELOR

Reconditionarea contoarelor se efectueaza la semnalarea unor deficiente in functionarea acestora, in cazul reviziilor periodice, la inlocuirea contoarelor din exploatare sau la repararea preventiva.
La repararea preventiva, similara cu notiunea de reparatie curenta, se prevad curatirea crapodinei si a lagarului superior si eventual inlocuirea unor piese uzate, cum ar fi: piatra, bila sau capacelul lagarului superior. Dupa curatire si asamblare, contoarele se regleaza si se supun verificarii.
Procesul de reparare la contoare se poate imparti in doua etape: o remedierea defectiunilor mecanice; o reglarea electrica functionala a contoarelor.
Pentru inlaturarea defectelor mecanice se demonteaza capacul contorului. Capacul este reparat, curatat, vopsit si i se schimba geamul, daca a fost spart, precum si garnitura de etansare. Suprafata interioara a contorului electric trebuie sa fie stearsa pentru a nu ramane praf si impuritati.
Dupa aceea, se deponteaza mecanismul totalizator pentru a fi curatat sau a i se inlocui sau repara piesele defecte.
Urmeaza curatirea celorlalte piese si anume: o spalarea discului cu ax; o demontarea si montarea crapodinei, spalarea pieselor acesteia si spalarea suportului acului; o polarizarea sau inlocuirea bilei.
Dupa inlaturarea deficientelor mecanice, contoarele trebuie reglate electric (etalonate), pentru obtinerea curbei erorii in limitele impuse de clasa de precizie a contorului.
Pentru ca energia sa fie inregistrata corect de catre contor este necesar sa se realizeze egalitatea dintre cuplurile de frecare si compensare. Aceasta conditie nu se poate indeplini la toate regimurile de functionare, in primul rand datorita cuplului de franare care nu este constant si apoi datorita fluxurilor care nu sunt direct proportionale cu curentii din cauza miezurilor feromagnetice.
Tinand seama de acestea, contorul are o anumita eroare. Aceasta poate fi micsorata daca, presupunand conditiile nominale de functionare ale contoarelor monofazate, urmarim urmatoarele etape de reglare: o reglarea compensarii frecarii; o reglarea defazajului la factor de putere zero; o reglarea la sarcini mari; o reglarea la sarcini mici; o reglarea la mers in gol si a sensibilitatii.

6. VERIFICAREA CONTOARELOR

Contoarele trebuie aduse in laborator cu cel putin 6 ore inainte de inceperea verificarii, pentru a-si insusi temperatura mediului ambiant.
Principalele metode utilizate pentru verificarea contoarelor sunt urmatoarele:
Ø masurarea energiei electrice prin masurarea concomitenta a puterii si timpului:
· metoda wattmetru -; cronometru;
· metoda contorului etalon.
Ø Compararea directa a vitezei discului contorului de verificat cu viteza discului unui contor model;
Ø Compararea vitezei discului contorului de verificat cu viteza discului unui contor model folosind efectul stroboscopic;
Ø Compararea energiei electrice inregistrate de contorul de verificat cu energia inregistrata de un contor model.

Metoda wattmetru -; cronometru utilizeaza un aparat care masoara puterea electrica si unul masoara timpul.

Fig.6. Schema de verificare a contorului monofazat de energie

Aceasta metoda este una dintre cele mai folosite metode de verificare a contoarelor electrice si consta in esenta din compararea indicatiilor contorului de verificat cu consumul de energie determinat cu ajutorul unui wattmetru si al unui cronometru prin calcul.
Dupa stabilirea sarcinii si defazajului necesar intre curent si tensiune se trece la determinarea erorii contorului pentru care se cronometreaza un timp t pentru n rotatii ale discului.

(15)

Din aceasta relatie rezulta ca de fapt verificarea se reduce la compararea timpului teoretic calculat in care contorul trebuie sa efectueze un numar de rotatii, cu timpul real in care se efectueaza acestea.

7. NORME DE PROTECTIA MUNCII

Pentru executarea lucrarilor de reglare si verificare a contoarelor se utilizeaza scule, unelte si dispozitive, precum si mijloace de protectie electroizolante la utilizarea carora trebuie sa se tina cont de urmatoarele masuri de protectia muncii: q Sculele sa nu prezinte decalibrari sau deformari; q Sculele care prin natura lor sunt prevazute cu manere electroizolante, trebuie sa aiba materialul electroizolant integru, fara fisuri, strapungeri si sa fie fixat rigid din punct de vedere mecanic; q Materialul de constructie al sculelor nu trebuie sa fie casant.
In cadrul operatiilor de reglare al contoarelor, cand se intervine direct asupra ansamblurilor si dispozitivelor de reglare, trebuie sa se utilizeze surubelnite cu manere electroizolante, precum si manusi de joasa tensiune pentru a preveni atingerea partilor sub tensiune de catre operator.
Instalatiile de verificare si reglare trebuie amplasate astfel incat sa nu poata fi atinse simultan de o persoana cu alte parti ale constructiei sau instalatiei, legate in mod normal la pamant.
Inainte de a incepe lucrul la instalatia de reglat contoare este absolut necesar sa se asigure ca: q alimentarea de la retea sa se faca corect; q fisa si priza de alimentare sa fie prevazute cu contacte de protectie; q instalatia de reglat contoare si panoul de alimentare a contoarelor sa fie legate la centura de impamantare.
La instalatia de verificare si reglare trebuie sa lucreze numai personal instruit in acest scop si numai dupa ce si-a insusit instructiunile de utilizare.
Lucratorii trebuie sa stea cu picioarele pe covorase sau presuri electroizolante. Trebuie sa se evite atingerea simultana a doua borne, deoarece bobinele de tensiune si curent sunt separate galvanic de masa, existand pericolul de electrocutare. Trebuie sa se evite desfacerea conexiunilor circuitelor de curent de la instalatia in functiune pentru evitarea producerii de arcuri electrice periculoase.
La executarea lucrarilor de revizie a instalatiilor se va avea in vedere necesitatea deconectarii instalatiei de la retea prin scoaterea stecherului din priza de alimentare.