Электронный счетчик электроэнергии

 

Применение: электронный счетчик электроэнергии относится к электроизмерительной технике и может использоваться в электрических распределительных сетях. Сущность изобретения: устройство содержит широтно- импульсный модулятор, амплитудно-импульсный модулятор, интегратор, нуль-орган, регистр сдвига, генератор тактовой частоты, коммутатор и счетное устройство. Задача, решаемая устройством повышение точности при изменении параметров окружающей среды и стабильности во времени. 2 табл., 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к устройствам измерения электрической энергии в системах переменного тока, и может быть использовано в распределительных электрических сетях.

Известен электронный счетчик электpоэнергии [1] содержащий два интегратора, два сравнивающих устройства, два источника опорного напряжения, два переключателя и реверсивный счетчик, причем первый выход первого интегратора соединен с одной из входных шин устройства, выходы первого и второго интеграторов соединены соответственно с первыми входами первого и второго сравнивающих устройств, выход одного из источников опорного напряжения подключен к первым входам первого и второго переключателей, выход одного триггера соединен со входом вычитания реверсивного счетчика, а выход другого триггера соединен со входом сложения того же счетчика.

Указанный счетчик состоит из двух идентичных каналов. Недостатком его является сложность схемы, из-за множества используемых блоков, что снижает надежность всего устройства, а также низкая точность, обусловленная наличием двух источников опорного напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электронный счетчик электроэнергии типа Ф 651 [2] Электронный счетчик содержит широтно-импульсный модулятор, вход которого соединен с первой входной шиной, а выход с первым входом амплитудно-импульсного модулятора, второй вход которого соединен со второй входной шиной, а выход с первым входом блока реверсирования, выход которого соединен со входом интегратора, выход которого соединен со входом компаратора, первый выход которого соединен со счетным устройством, а второй со вторым входом блока реверсирования.

Недостатком этого счетчика является низкая точность, обусловленная использованием в схемах интегратора и компаратора операционных усилителей с RC-цепочками, в которых происходит со временем "уход" параметров. Так, "уход" параметров конденсаторов (в том числе используемые в указанном счетчике конденсаторы К73-11) за 1,5 года составляет от 10 до 15% (Справочник по электрическим конденсаторам. М. Радио и связь, 1983, с.172). Подвержены изменениям характеристики этих элементов и от температурных колебаний, что также сказывается на снижении точности измерений счетчика.

Целью изобретения является повышение точности счетчика при сохранении ее в течение длительного безотказного срока службы и отсутствии зависимости от окружающих условий температуры, влажности при эксплуатации и при хранении.

Это решается тем, что в известный счетчик, содержащий широтно-импульсный модулятор, вход которого соединен с первой входной шиной, а выход с первым входом амплитудно-импульсного модулятора, второй вход которого соединен со второй входной шиной, а выход с первым входом интегратора, и счетное устройство, введены нуль-орган, регистр сдвига, генератор тактовой частоты и коммутатор, причем вход нуль-органа соединен с выходом интегратора, а выход с первым входом регистра сдвига, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты, первый выход регистра соединен с третьим входом амплитудно-импульсного модулятора, со входом счетного устройства и с первым входом коммутатора, а второй выход регистра соединен со вторым входом коммутатора, выход которого соединен со вторым входом интегратора.

Введение в схему счетчика цепочки: регистр сдвига, генератор тактовой частоты, нуль-орган с указанными выше связями между ними обеспечивают высокую точность счетчика, т.к. всегда в процессе измерений идет компенсация смещений параметров и т.о. отсутствует "уход" параметров со временем, в зависимости от температуры и т.п. что наблюдается в схемах прототипа и аналогичных устройств. Благодаря этому решению заявляемый счетчик соответствует 2 классу точности, а его межповерочный интервал составляет 8 лет.

На фиг.1 приведена структурная схема электронного счетчика электроэнергии; на фиг.2 фрагмент принципиальной схемы конкретной реализации измерительной части счетчика электроэнергии.

Электронный счетчик электроэнергии (фиг.1) содержит широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 1, амплитудно-импульсный модулятор (АИМ) 2, интегратор 3, нуль-орган 4, регистр сдвига 5, генератор тактовой частоты 6, коммутатор 7 и счетное устройство 8, при этом ко входу ШИМ 1 подключена первая шина (составляющая напряжения), а его выход соединен с первым входом АИМ 2, второй вход которого соединен со второй шиной (токовой составляющей), а выход АИМ с первым входом интегратора 3, выход которого связан со входом нуль-органа 4, выход которого соединен с первым входом регистра сдвига 5, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты 6, первый выход регистра соединен с третьим входом АИМ 2, со входом счетного устройства 8 и с первым входом коммутатора 7, а второй выход регистра 5 соединен со вторым входом коммутатора 7, выход которого соединен со вторым входом интегратора 3.

На фиг.2 ШИМ реализован на элементах 9 11, резисторах 12 15 и конденсаторе 16. Интегратор 3 на элементе 17, резисторах 18 20 и конденсаторах 21,22. Генератор тактовой частоты 6 на элементах 23 26.

Счетчик работает следующим образом.

По первой и второй входным шинам счетчика на ШИМ 1 и АИМ 2 соответственно поступают сигналы, характеризующие мгновенные значения напряжения и тока, подаваемые на нагрузку (на чертеже не показана) от источника переменного тока (не показан). Выходной сигнал с ШИМ 1 модулирует входной сигнал, поступающий на АИМ 2, и с выхода АИМ 2 амплитудно-модулированный сигнал, среднее значение которого пропорционально мощности, потребляемой нагрузкой, а первый вход интегратора 3, проинтегрированный сигнал, пропорциональный потребляемой энергии, поступает на вход нуль-органа 4.

Допустим, что в данный момент времени на выходе интегратора 3 находится положительный уровень напряжения, тогда на выходе нуль-органа 4 устанавливается уровень логической "1", который повторяется на выходах регистра сдвига 5. Логическая "1" с первого выхода регистра 5 поступает на счетное устройство 8 и на третий вход АИМ 2.

В соответствии с табл. 1 и 2 истинности АИМ 2 и коммутатора 7 соответственно АИМ инвертирует свое значение, коммутатор 7 в закрытом состоянии.

Поэтому среднее значение напряжения, подаваемого на вход интегратора, будет отрицательным, и интегратор 3 будет уменьшать напряжение на своем выходе с течением времени, при переходе через ноль этого напряжения, нуль-орган установится в "0". Тогда по приходу фронта импульса от тактового генератора 6 регистр 5 установится в состояние: первый выход "0" (первый разряд), второй выход "1" (последний разряд), и коммутатор 7 подключит ко второму входу интегратора -Е_оп (табл.2). Интегратор начнет получать эталонную порцию энергии. Одновременно с первого выхода регистра 5 управляющий сигнал поменяет на АИМ 2 полярность выходных сигналов (табл.1). Через время, определенное тактовым генератором, второй выход регистра 5 перейдет в состояние "0", и коммутатор 7 отключит опорное напряжение. При этом интегратор за эталонное время от эталонного источника получит строго определенное количество электричества, и ко входу интегратора опять останется подключен только входной сигнал, количество электричества от которого уравняет количество электричества от эталонного источника. После чего интегратор сменит полярность на своем выходе, нуль-орган 4 перейдет в "1", и в течение времени, определенном тактовым генератором 6 в соответствии с табл.2, интегратор получит количество электричества уже от +Е_оп. АИМ 2 сменит полярность выходного сигнала, а интегратор 3 приступит к уравниванию эталонного количества электричества и далее процесс повторяется.

Предположим, что на входе счетчика отсутствует нагрузка, тогда на интегратор будет воздействовать только напряжение смещения самого интегратора. Пусть после подключения нагрузки на входе интегратора будет отрицательное напряжение, а U_см имеет знак "+". Тогда с течением времени интегратор будет повышать свое выходное напряжение, при переходе через "0" интегратор получит порцию количества электричества со знаком "+", чем еще больше повысит выходной уровень. АИМ 2 поменяет полярность выходного сигнала, а т.к. сигнал 0, то на интегратор будет воздействовать только +U_см и интегратор войдет в насыщение, аналогично интегратор войдет в насыщение если будет -U_см, т.е. в схеме отсутствует самоход.

Таким образом, применение принципа равенства количества электричества, получаемого интегрирующими конденсаторами от входного тока и от опорного тока, за счет введения тактового генератора 6 и коммутатора 7, позволило исключить влияние нестабильности величины емкости конденсаторов от температуры и времени и нестабильности переключения нуль-органа 4. Применение интегрирования в двух направлениях за счет использования регистра 5 для определения полярности подачи эталонного напряжения, позволяет исключить ошибку от нестабильности нуля интегратора, т.к. напряжение смещения нуля при интегpиpовании в одном направлении складывается со входной величиной, а в обратном -- вычитается, а в целом за период погрешность от напряжения смещения компенсируется.

Принцип действия устройства основан на мгновенном перемножении и преобразовании полученного напряжения в частоту. В устройстве применен импульсный перемножитель, обеспечивающий достаточную точность при 25^оС не хуже 0,001% Основные блоки и узлы предлагаемого устройства могут быть реализованы следующим образом: ШИМ 1, АИМ 2 на микросхеме К561 КП1, интегратор 3 и нуль-орган 4 на операционных усилителях, регистр сдвига 5 на микросхеме К561 ИР2, коммутатор 7 на микросхеме К561 КП2, счетное устройство может быть реализовано любой известной схемой.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОННЫЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, содержащий широтно-импульсный модулятор, вход которого соединен с первой входной шиной, а выход с первым входом амплитудно-импульсного модулятора, второй вход которого соединен со второй входной шиной, а выход с первым входом интегратора, и счетное устройство, отличающийся тем, что в него введены нуль-орган, регистр сдвига, генератор тактовой частоты и коммутатор, причем вход нуль-органа соединен с выходом интегратора, а выход с первым входом регистра сдвига, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты, первый выход регистра сдвига соединен с третьим входом амплитудно-импульсного модулятора, со входом счетного устройства и с первым входом коммутатора, а второй выход регистра сдвига соединен со вторым входом коммутатора, выход которого соединен со вторым входом интегратора, а третий и четвертый входы с шинами отрицательного и положительного опорных напряжений соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3