Історичні етапи розвитку електрообчислика: від появи приладу до сучасності.

Історія створення електролічиків нерозривно пов'язана з винаходами в галузі електротехніки дев'ятнадцятого століття. Дуже багато ентузіастів-дослідників вивчали електромагнетизм, що вдарило вагомий внесок у створення та розвиток таких приладів, як лічильники електричної енергії.

XIX-XX століття виявилися надзвичайно щедрими на наукові відкриття, особливо з галузі електромагнетизму. «Нізький старт» науково-технічному прогресу на наступні 150 років був проведений у 20-х роках XIX століття відкриттям взаємодії електричних струмів французького Андре Марі Ампера. Слідом за ним, у 1827 р., німецькець Георг Симон Ом встановив залежність між силою струму та напругою в провідниках. Нарешті, у 1831 р. англійець Майклhave відкрив закон електромагнітної індукції, який ліг в основу принципів роботи наступних ключових винаходів — генератора, трансформатора, електродвигуна.

У товар електроенергія перетворилася, як відомо, завдяки динамо-машині, винайденій незалежно один від одного угорським фізиком Аньйошем Єдликом і німецьким винахідником у галузі електротехніки Вернером фон Сіменсом у 1861 і 1867 рр. відповідно. Відтоді виробництво електроенергії було міцно поставлене на комерційні рейки.

Треба сказати, у той час винаходи та відкриття «підстерегали» на кожному кроці. Ідеї електролампи, динамомашини, електродвигуна, трансформатора викристалізувалися, немов самі собою на протилежних частинах планети.

Схоже сталося і з електрочисликом, про що згадати згодом «автор» індукційного лічильника (а заодно та співобробник трансформатора) угорський електротехнік Отто Титус Блаті: «Наука походила на тропічний ліс. Все, що було потрібно — це добра сокира, і хай куди ти ударить, міг зрубати величезне дерево».

Перший патент на лічильник електроенергії був виданий 1872 року в американському винахіднику Самюеллю Гардінеру. Його прилад вимірював час, упродовж якого електроенергія подавалася в точку навантаження. Єдина умова (воно ж — брак приладу) — всі контрольовані лампи мали бути під'єднані до одного вимикача.

Створення нових принципів роботи електрозчитувачів було безпосередньо пов'язане з вдосконаленням і оптимізацією системи розподілу електроенергії. Але оскільки в той час ця система тільки формувалася, то не можна було сказати напевно, який саме принцип виявиться оптимальним. Тому одночасно випробування практикою проходила відразу кілька альтернативних версій.

Скільки важить кіловат?

Наприклад, якщо динамомашина дала змогу виробляти електроенергію в істотних об'ємах, то електролампа Томаса Едісона сприяє створенню розгалуженої мережі освітлення. В результаті лічильник Гардинера втратив свою актуальність, і на зміну йому прийшов лічильник електролітичний.

На самому ранньому етапі широкого використання електрообчисників електричну енергію в прямому сенсі «зважування». На такому принципі працював електролітичний лічильник, винайдений усе тим самим Томасом Альовою Едісоном. Власне, електролітичною була відділення лічильника, куди на початку розрахунку поміщалася дуже точно зважена (кілька це було можливо в той час) мідна пластина.

Внаслідок проходження струму через електроліт відбувся осад міді. Наприкінці звітного періоду пластину знову зважували, і, ґрунтуючись на різниці в вазі, начистили плату за споживана електрика. Вперше такий принцип був застосований 1881 року, і ним успішно користувалися до кінця XIX століття.

Патент на електрообчисник Томаса Едісона 

Показово, що плата ця вимірювалася в кубічних футах газу, який був витрачений на вироблення споживаної електроенергії. Так уже був калібрований електролітичний лічильник Едісона. Потім для зручності Едісон обладнав свій прилад рахунковим механізмом — інакше знімати показання з приладу обліку зображувалося процесом вкрай трудівною для енергетичних компаній і зовсім неможливим для споживача. Зручності це, однак, додали мало.

Крім того, електролітичні лічильники (на той момент Siemens Shuckert виробляв водневий лічильник, а Schott&Gen — ртутний) мали ще одну істотну загальну ваду. Вони могли фіксувати тільки ампер-годинник, а коливання напруги залишалися нечутливими.

Паралельно з електролітичним лічильником з'явився лічильник маятниковий. Вперше принцип його роботи був описаний американцями Вільямом Едвардом Ейртоном і Джоном Пері в тому самому 1881 р. Але оскільки ідеї тоді, як ужежурнал, віталі в повітрі, то немає нічого дивовижного в тому, що трьома роками пізніше точно такий самий лічильник сконструював у Німеччині Німен Арон.

У вдосконаленому вигляді лічильник був обладнаний двома маятниками з котушками, під'єднаними до джерела струму. Під маятниками розміщувалися ще дві котушки з протилежними намотками. Один маятник унаслідок взаємодії котушок під час електричного навантаження рухався швидше, ніж без неї.

Інший, навпаки, рухався повільніше. Водночас маятники мінялися функціями щогодини для компенсації різниці у вихідній частоті коливань. Різність ходу повідомлялася лічильнику механізму. У момент подавання електроенергії запускаються годинникові механізми.

Малюнок першого електрообчика, проданого в Англії 1888 року, з книги автора Адамса Гованса Уайта «Сорок років електричного прогресу», 1930 рік 

Електрообчисник Германа Арона 

Вітер змін

Маятникові лічильники були недешевим «задоволенням», оскільки містять аж два годинникові механізми. Водночас вони давали змогу фіксувати або ампер-годинник, або ват-годинник, що зробило його непридатним для роботи зі змінним струмом.

По-своєму революційне відкриття змінного струму, зробленого (розуміється, незалежно один від одного) італійцем Галілео Феррарисом (1885 р.) і Нікоою Теслою (1888 р.), послугувало стимулом для чергового етапу вдосконалення приладів обліку.

1889 р. був розроблений моторний лічильник. Його сконструював для компанії General Electric американський інженер Еліху Томсон.

Електрообчисник Еліху Томсона. Компанія Thomson-Houston Electric була утворена в США 1883 року, а лічильник електроенергії Thomson був розроблений приблизно 1889 року.

Прилад являв собою електродвигун із якором без металевого осердя. Напруга за допомогою колектора розподілялася через котушку та резистор. Струм залунав у рух статор, унаслідок обертового моменту був пропорціональний вироблення напруги та сили струму. Постійний електромагнітний, впливаючи на алюмінієвий диск, прикріплений до якорю, забезпечував гальмівний момент. Найбільш істотною вадою моторного лічильника був колектор.

Як відомо, у той час у науковому середовищі не було єдиної думки щодо того, які з систем — заснованих на постійному або змінному струмі — виявляться найбільш перспективними. Описаний Томсоном лічильник електроенергії призначався переважно для постійного струму.

Тим часом аргументів на користь змінного струму стає дедалі більше, оскільки використання постійного струму не дало змогу змінювати напругу і, як наслідок, створювати більші системи. Змінний струм знаходити все ширше застосування, і на початку XX століття системи змінного струму почали поступово витісняти постійний струм з електротехнічної практики.

Це дало змогу перед Джорджем Вестінгхаузом (який придбав патенти Тесли на застосування змінного струму) завдання — проводити облік електрики, і цей облік мав бути максимально точним. І це завдання було розв'язане. Саме в цей період (зв'язаний також із винаходом трансформатора) був запатентований прилад, що є, по суті, прообразом сучасного лічильника для змінного струму. «Відців-виробників» індукційного лічильника історія також налічує кілька.

Індукційний лічильник у розрізі  

Перший індукційний лічильник називають «чисником Феррариса», хоча зібрав його зовсім не він. Але заслуга Феррариса все ж є, адже він зробив наступне відкриття. Два обертові поля, що не збігаються за фазою змінного струму, змушують обертатися суцільний ротор — диск або циліндр. Лічильники, що ґрунтуються на індукційному принципі, випускають і сьогодні, хоча повсюдно вже переходять на електронні електрочисники.

Свою версію індукційного лічильника запропонував угорський інженер Отто Титус Блаті, відомий також як винахідник трансформатора. 1889 р. він отримав відразу два патенти — німецький за номером 52 793 та американський, No 423 210, на винахід, офіційно призначений як «Електричний лічильник для змінних струмів».

Автор подав такий опис приладу: «Цей лічильник по суті складається з металевого обертового тіла, як-от диск або циліндр, на який діють два магнітні поля, зміщені за фазою один відносно одного. Це зміщення фаз є результатом того, що одне поле створюється головним струмом, тоді як інше поле утворюється завдяки котушці з великою самоіндукцією, яка шунтує ті точки ланцюга, між якими вимірюється споживана енергія. Однак магнітні поля не перетинаються в тілі обертання, як у добре відомому механізмі Феррариса, а проходять крізь різні його частини, незалежно один від одного». 
Перші лічильники, випущені компанією Ganz, де працював Блаті, закріплюються на дерев'яній основі та важили приблизно 23 кг.

Само собою, приблизно водночас таку ж особливість двох полів виявив інший піонер електротехніки — Олівер Блекбурн Шоленбергер. А в 1894 р. він розробив прилад обліку електрики для систем змінного струму. Гвинтовий механізм забезпечував протидільний момент.

Однак такий лічильник не підходив для роботи з електродвигунами, оскільки в ньому не був передбачений елемент напруги, необхідний для обліку коефіцієнта потужності.

Цей лічильник був трохи меншим за прилад Блаті, але теж досить громіздким і досить важким — він важив 41 фунт, тобто понад 16 кг. Лише до 1914 р. вага приладу вдалося знизити до 2,6 кг.

Однофазний електроліхтар.

Пристрій індукційного електрообчисника 

Немає межі досконалості.

Отже, можна констатувати, що на початку XX століття лічильник міцно увійшов у повсякденну практику. Це підтверджує й появу першого стандарту вимірювань. Він був випущений Американським національним інститутом стандартів (ANSI) у 1910 г.

Характерно, що разом із визнанням важливості наукового значення приладів обліку в стандарті підкреслюється й значення комерційного складника. Перший відомий стандарт вимірювання Міжнародної електротехнічноїкріпи (МЕК) датується 1931 роком.

Уже до початку XX століття прилади зазнали низки змін, не рахуючи зменшення ваги та габаритів: розширення діапазону навантаження, компенсація зміни коефіцієнта навантаження, напруги та температури, поява кулькопідшипників і магнітних підшипників (що істотно знизило тертя). Підвищені якісні характеристики гальмівних електромагнітних і видалення оливи з опори та рахового механізму, що збільшило термін експлуатації.

Тоді ж з'явилися нові різновиди лічильників — багатотарифний лічильник, лічильник максимального навантаження, лічильник попередньо оплаченої енергії, а також трифазні індукційні лічильники. Останні використовували дві або три системи вимірювання, встановлені на одному, двох або трьох дисках. У 1934 р. з'явився лічильник активної й реактивної енергії, розроблений компанією Landis&Gyr.

Порахування електроенергії на промисловому підприємстві 

Подальший хід науково-технічного прогресу, а також розвиток ринкових відносин знайшли своє вираження й в еволюції приладів обліку електричної енергії. Якщо в першій половині XX століття домінували класичні індукційні лічильники, що відрізнилися простотою конструкції та високою надійністю, то з розвитком напівпровідникової техніки та мікроелектроніки ситуація почала стрімко змінюватися. Вже в 1970-х роках поряд з індукційними приладами стали активно впроваджуватися електронні лічильники, що ґрунтуються на цифровій обробці сигналів.

Поява електронної елементної бази дала змогу істотно підвищити точність вимірювань, розширити діапазон робочих струмів і напружень, а також реалізувати функції, раніше недоступні в традиційних пристроях. Одним із ключових напрямів стало впровадження автоматизованих систем обліку електроенергії (АСКУЕ), які забезпечують централізоване збирання, оброблення та аналіз даних про споживання. Це дало змогу перейти від ручного зняття показань до дистанційного моніторингу в реальному часі.

Важливим етапом стало впровадження багатотарифного обліку (день-ніч; пік-напівпик-ніч), за якого вартість електроенергії залежить від часу доби або рівня навантаження енергосистеми. Така функція стимулює споживачів до раціональнішого використання електроенергії, знижує піки навантаження й підвищує загальну ефективність роботи енергосистеми. А дали змогу впровадження ідеї Ніколи Тесли в наше життя, то давно б користувалися безплатною електроенергією з ефіру без лічильників...

Пристрій електронного електрообчислика.

Надалі функціональні можливості електророзрахунків вийшли далеко за межі простої реєстрації потрібної енергії. Сучасні прилади обліку інтегрують у собі елементи інтелектуальних систем і виконують цілу низку додаткових завдань. До них належать:

Захист від несанкціонованого втручання, включно з контролем розкриття корпусу, дією магнітних і радіополей і спробами зміни схеми під'єднання;
Підтримка режимів передоплати, що дають змогу обмежувати або вимикати електропостачання, якщо немає засобів на рахунку;
Керування навантаженням, включно з дистанційним вимкненням/ввімкненням споживачів і реалізацію алгоритмів обмеження потужності;
Зберігання архівів даних, реєстрація профілів навантаження й параметрів якості електроенергії;
Інтеграція в системи «розумного дому» та «розумних мереж» (Smart Grid).

Сучасні електрообчиувачі забезпечують передавання даних через різні канали зв'язку: за лініями електропередавання (PLC-технології), через дротові інтерфейси (RS-485, Ethernet), за телефонними лініями, а також із використанням бездротових технологій — GSM, GPRS, NB-IoT, LoRaWAN та інших. Це забезпечує гнучкість під час побудови систем обліку в різних умовах — від багатоквартирних будинків до розподілених промислових об'єктів.

Отже, лічильник електричної енергії з простого вимірювального приладу перетворився на сучасний інноваційний інтелектуальний пристрій, який є важливим елементом цифрової енергетики та автоматизованих систем керування й контролю енергоспоживання.