Электронный счетчик активной энергии

 

Устройство относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения расхода активной энергии переменного тока. Счетчик содержит два преобразователя напряжения в частоту, генератор опорной частоты, элемент равнозначности и реверсивный счетчик. В первом интегрирующем преобразователе напряжения в частоту длительности импульсов обратной связи определяется периодом генератора опорной частоты, во втором - периодом выходных импульсов первого преобразователя напряжения в частоту. Вход первого преобразователя напряжения в частоту подключен к выходу измерительного преобразователя напряжения, второго - к выходу измерительного преобразователя тока. В каждом преобразователе напряжения в частоту интегрирующий элемент построен на преобразователе разности напряжений в ток, к выходу которого подключен интегрирующий конденсатор. Постоянство знака напряжения на входе каждого преобразователя напряжения в частоту обеспечивается транзисторными ключами, которыми управляют компараторы. Выходы указанных компараторов, кроме того, подключены ко входам элемента равнозначности, а выход последнего - ко входу направления счета реверсивного счетчика, вывод старшего разряда которого является частотным выходом устройства. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам измерения расхода активной электрической энергии переменного тока промышленной частоты.

Известны измерители активной энергии и активной мощности [1, 2] содержащие преобразователи напряжения в частоту, реверсивные счетчики, делители частоты, входные измерительные преобразователи напряжения и тока.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь активной энергии в цифровой код [2] содержащий входной блок, два преобразователя напряжения в частоту, реверсивный счетчик, двоичный умножитель.

Недостатком указанного устройства является его сложность, кроме того, к его недостаткам следует отнести также низкую точность и отсутствие частотного выхода, который предпочтителен для измерительных устройств телемеханизированных информационно-вычислительных систем. Сложность обусловлена введением двоичного умножителя, содержащего два счетчика, два регистра, делитель частоты, элементы задержек, управляемый делитель частоты, генератор опорной частоты, импульсно-потенциальные вентили.

Перечисленные элементы снижают также точность, так как обуславливают ряд временных задержек и соответствующие погрешности измерения, возрастающие с ростом уровней и числа гармоник в кривых тока и напряжения сети.

Целью изобретения является упрощение устройства, повышение его точности и обеспечение частотного выхода. Упрощение достигается устранением отдельного множительного блока. Функция умножения реализуется взаимодействием первого и второго преобразователя напряжения в частоту без введения дополнительных, усложняющих устройство, элементов.

Первым существенным признаком является формирование импульсов отрицательной обратной связи во втором следящем преобразователе напряжения в частоту с помощью первого преобразователя напряжения в частоту таким образом, что длительности указанных импульсов равны периоду выходных импульсов первого преобразователя.

Основным источником погрешности следящего преобразователя напряжения в частоту на определенном усилителе (ОУ) является дрейф нуля ОУ, который в режиме интегрирования, примерно, в 10 раз больше, чем в пропорциональном (масштабном) режиме. Построение с помощью ОУ преобразователя разности напряжений в ток и подключение к его выходу интегрирующего конденсатора позволяет обеспечить для ОУ режим, близкий к пропорциональному, т.е. значительно снизить дрейф нуля ОУ. Кроме того интегрирующий конденсатор при этом подключается одним выводом к общей точке схемы, что уменьшает влияние различных помех.

Таким образом, вторым существенным признаком устройства является применение в каждом преобразователе напряжения в частоту преобразователя разности напряжений в ток.

Третьим существенным признаком является применение для получения на входах преобразователей напряжения в частоту знакопостоянных напряжений ключевых схем на интегральных микросхемах и управление этими ключевыми схемами при помощи компараторов. Это позволяет обеспечить минимальное значение погрешности выпрямления и, кроме того, упростить логику управления реверсивным счетчиком, который работает в режиме суммирования при равенстве знаков напряжения и тока контролируемой сети и в режиме вычитания при разных знаках напряжения и тока.

На фиг. 1 приведена схема электронного счетчика активной энергии, на фиг. 2 и фиг. 3 приведены диаграммы напряжений.

Счетчик активной энергии состоит из двух преобразователей напряжения в частоту 1 (ПНЧ1) и 2 (ПНЧ2), элемента равнозначности 3 (ЭР3), реверсивного счетчика-делителя частоты 4 (РС), электромеханического счетчика 5 (ЭМС), измерительного преобразователя напряжения 6 (ИПН), измерительного преобразователя тока 7 (ИПТ), источника опорного напряжения 12 (ИОН) и генератора опорной частоты 13 (ГОЧ).

Каждый из двух преобразователей напряжения в частоту (ПНЧ1 и ПНЧ2) содержит транзисторные ключевые схемы 15 (КЛ1), 16 (КЛ2), 17 (КЛ3), 18 (КЛ4), компаратор знака 9 (КО1) для ПНЧ1 и 10 (КО2) для ПНЧ2, компаратор цикла 11 (КО3), преобразователь разности напряжений и ток 25 (ПНТ), интегрирующий конденсатор 24 (С1) и триггер 14 (Т1 для ПНЧ1 и Т2 для ПНЧ2).

Преобразователь разности напряжений в ток 25 (ПНТ) содержит операционный усилитель 8 (ОУ1 для ПНЧ1) и пять резисторов: 19(R1), 20 (R2), 21 (R3), 22 (R4), 23 (R5).

Противофазные выходы измерительного преобразователя напряжения присоединены к первому и второму входам первого преобразователя напряжения в частоту, выход которого подключен к тактовому входу второго преобразователя напряжения в частоту, два других входа которого подключены к противофазным выходам измерительного преобразователя тока; выход второго преобразователя напряжения в частоту присоединен к счетному входу реверсивного счетчика, вход направления счета которого присоединен к выходу элемента равнозначности; вывод старшего разряда реверсивного счетчика служит частотным выходом электронного счетчика.

Первый вход преобразователя разности напряжений в ток присоединен через первый и второй ключи соответственно к первому и второму входам преобразователя напряжения в частоту, второй вход преобразователя разности напряжений в ток соединен через третий ключ с первым выходом источника опорного напряжения, а через четвертый ключ с общей точкой; первый вход компаратора знака соединен со вторым входом преобразователя напряжения в частоту, второй с общей точкой, к выходу компаратора знака подключены управляющие входы первого и второго ключей; интегрирующий конденсатор подключен между первым выходом преобразователя разности напряжений в ток и общей точкой; второй выход преобразователя разности напряжений в ток подключен к неинвертирующему входу компаратора цикла, инверсный вход которого подключен ко второму выходу источника опорного напряжения, а выход компаратора цикла присоединен к информационному входу триггера; тактовый вход триггера первого преобразователя напряжения в частоту подключен к выходу генератора опорной частоты, а тактовый вход триггера второго преобразователя напряжения в частоту образует тактовый вход этого преобразователя и подключен к выходу первого преобразователя напряжения в частоту; к выходу триггера подключены управляющие входы третьего и четвертого ключей; два входа элемента равнозначности подключены к выходам компараторов знака соответственно первого и второго преобразователей напряжения в частоту.

В преобразователе разности напряжений в ток первый резистор подключен между первым входом преобразователя разности напряжения в ток и инверсным входом операционного усилителя, второй резистор подключен между инверсным входом операционного усилителя и его выходом, образующим второй выход преобразователя разности напряжений в ток, третий резистор подключен между вторым входом преобразователя разности напряжений в ток и неинверсным входом операционного усилителя, четвертый резистор подключен между первым и вторым выходами преобразователя разности напряжений в ток, а пятый резистор подключен между первым выходом преобразователя разности напряжений в ток и инверсным входом операционного усилителя.

Выход счетчика 4 (РС) соединен со входом электромеханического счетчика 5 (ЭМС).

Счетчик энергии работает следующим образом. Преобразователь 1 (ПНЧ1) преобразует текущее значение модуля напряжения контролируемой сети u₁ в частоту f₁. Модуль напряжения u₁ с отрицательным знаком формируется при помощи ключей 15 и 16, управляемых компаратором 9 (КО1). На фиг. 2 изображены кривые напряжения u, тока i и мгновенной мощности p контролируемой сети и модулей с отрицательным знаком выходных напряжений измерительного преобразователя напряжения u₁ и измерительного преобразователя тока u₂. Операционный усилитель 8 (ОУ1) работает по схеме преобразователя разности входных напряжений (U_о1 u₁) в ток [3] Напряжение на конденсаторе 24 (С1) формируется как интеграл от тока по времени. Такое построение интегратора позволяет снизить дрейф нуля операционного усилителя по сравнению со схемой подключения конденсатора между выходом операционного усилителя и его инвертирующим входом. Резисторы схемы фиг. 1 должны удовлетворять условию R1(R4 + R5) (R2)(R3). (1) В этом случае ток i_C заряда или разряда конденсатора 24 (С1) определяется выражением Кривые изменений напряжений на конденсаторе 24 (u_C) и на выходе усилителя 8 (U_oy) приведены на фиг. 3. Когда напряжение на выходе усилителя 8 (ОУ1) u_oy Достигает значения U_o2 срабатывает компаратор цикла 11 (КО3) и триггер 14 (Т1), который заставляет замкнуться ключ 17 (КЛ3). Ключ 18 (КЛ4) при этом размыкается. Начинается перезаряд конденсатора 24. От точки 1 до точки 2 (фиг. 3) идет процесс перезаряда при подключенном опорном напряжении U_o1, а от точки 2 до точки 3 при отключенном напряжении U_o1. Для срабатывания триггера 14 (для формирования на его выходе логической единицы) требуется, чтобы логическая единица поступила на его D-вход от компаратора цикла 11 и чтобы поступил импульс u_ти от генератора 13 на тактовый С-вход триггера 14. В связи с этим триггер 14 после достижения напряжением u_oy значения U_o2 может сработать с задержкой во времени в пределах от нуля до τ₀ мкс, где - τ₀ длительность периода генератора опорной частоты 13. Это сопровождается изменениями уровней напряжения на конденсаторе 24 в момент срабатывания триггера 14 (фиг. 3, точки 1 и 3). При этом возникает мгновенная погрешность преобразования, не сопровождающаяся однако накоплением погрешности, так как схема обеспечивает интегральный баланс энергии заряда и разряда конденсатора. Уравнение баланса на основе (2) можно записать в таком виде: K₁(U_o1-u₁)τ_o= K₁·u₁(T₁-τ_o), (3) где Т₁ период переключения триггера 14. Из (3) следует выражение для мгновенного значения частоты преобразователя 1 (ПНЧ1): Методическая погрешность, обусловленная вышеуказанными задержками в срабатывании триггера 14, представляет собой погрешность дискретизации. Ее значение будет пренебрежимо мало, если при номинальном уровне сигнала на входе (u₁) частота f₁ будет удовлетворять условиям:
где f₁ частота контролируемой сети,
f_о частота генератора опорной частоты 13.

Триггер 14 срабатывает по переднему фронту импульсов u_ти, что обеспечивает время подключения U_o1 ко входу ОУ1, равным периоду τ_o тактовых импульсов независимо от уровня напряжения u₁. Выходная частота f₁ преобразователя 1 (ПНЧ1) (фиг. 1, фиг. 3, напряжение u_Т1) служит тактовой частотой для преобразователя 2 (ПНЧ2), измерительные входы которого подключены к выходам измерительного преобразователя тока 7 (ИПТ). Для преобразователя 2 справедливо соотношение, аналогичное (3):
K2(U_o1 u₂)T₁ K2·u₂(T₂ - T₁). (6)
где T₁, T₂ длительности периодов следования импульсов соответственно на выходе ПНЧ1 и на выходе ПНЧ2. Частота на выходе ПНЧ2:

Таким образом при постоянстве значений U_o1 и τ_o частота пропорциональна произведению значений u₁ и u₂, т.е. модулю мгновенной мощности. Импульсы u_T2 (фиг. 1) направляются на счетный вход реверсивного счетчика 4 (РС). Работа счетчика на суммирование или вычитание происходит в соответствии со знаком мгновенной мощности Р (фиг. 2) и определяется логическим значением сигнала У на выходе направления счета счетчика 4. В определении знака мгновенной мощности участвуют компараторы знака 9 (ЕО1) и 10 (КО2) и элемент равнозначности 3 (ЭР3). Если знаки тока i и напряжения u совпадают, то совпадают логические уровни "X1" и "X2". При этом "Y" соответствует логической единице (фиг. 2), а счетчик работает на суммирование. В противном случае счетчик работает на вычитание. Счетчик 4 выполняет также функцию делителя частоты. Если выходное напряжение снимается с выхода старшего разряда двоичного счетчика с разрядностью n, то коэффициент деления К_д определяется выражением
К_д 2ⁿ. (8)
При номинальных уровнях тока и напряжения контролируемой сети и cosϕ = 1 возникает максимум мгновенной частоты (f_2max)_max, которому соответствует максимум средней частоты (f_2cp)_max. Если принять f_o 500 кГц, (f_1max)_max 50 кГц, (f_2max)_max 5 кГц, то, поскольку,
P = 0,5U_mI_mcosϕ-0,5U_mI_mcos(2ω_Ct-ϕ), (9) получим (f_2cp)_max 2,5 кГц. При разрядности счетчика n 12 получим K_д 2¹² 4096 и (f_вых)_max (f_2cp)_max/K_д 0,61 Гц. Такое значение частоты приемлемо и с точки зрения точной оценки расхода энергии за получасовой максимум энергосистемы, и с точки зрения достаточной емкости счетчика 5 (ЭМС). Потеря одного импульса за получасовой максимум энергосистемы обусловит погрешность учета расхода энергии
δ = 100/0,61·1800 = 0,91% .
Электромеханический счетчик с семью десятичными разрядами при прохождении максимальной мощности заполнится за
T_сч 10⁷/3600·0,61 4554 часа.

Согласно ГОСТ 6570 75 счетный механизм счетчика не должен переполняться быстрее, чем за 1500 часов. Если число разрядов ЭМС недостаточно, то нужно увеличить общий коэффициент деления K_д и сделать раздельные выходы от счетчика-делителя на электронную систему учета и на ЭМС.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1397846, кл. G 01 R 21/00, 1988, БИ N 19.

2. Авторское свидетельство СССР N 1411678, кл. G 01 R 21/00, 1988, БИ N 27.

3. Гутиков В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л. Энергоатомиздат, 1988, -304 с.

Формула изобретения

Электронный счетчик активной энергии, содержащий измерительные преобразователи напряжения и тока, два преобразователя напряжения в частоту, генератор опорной частоты и счетчик импульсов, отличающийся тем, что в него введен элемент равнозначности, причем противофазные выходы измерительного преобразователя напряжения присоединены к первому и второму входам первого преобразователя напряжения в частоту, выход которого подключен к тактовому входу второго преобразователя напряжения в частоту, два других входа которого подключены к противофазным выходам измерительного преобразователя тока, выход второго преобразователя напряжения в частоту присоединен к счетному входу реверсивного счетчика, вход направления счета которого присоединен к выходу элемента равнозначности, вывод старшего разряда реверсивного счетчика служит частотным выходом электронного счетчика, каждый преобразователь напряжения в частоту содержит четыре ключа, компаратор знака и компаратор цикла, преобразователь разности напряжений в ток, интегрирующий конденсатор и триггер, причем первый вход преобразователя разности напряжений в ток присоединен через первый и второй ключи соответственно к первому и второму входам преобразователя напряжения в частоту, второй вход преобразователя разности напряжений в ток соединен через третий ключ с первым выходом источника опорного напряжения, а через четвертый ключ с общей точкой, первый вход компаратора знака соединен с вторым входом преобразователя напряжения в частоту, второй с общей точкой, к выходу компаратора знака подключены управляющие входы первого и второго ключей, интегрирующий конденсатор подключен между первым выходом преобразователя разности напряжений в ток и общей точкой, второй выход преобразователя разности напряжений в ток подключен к неинвертирующему входу компаратора цикла, инверсный вход которого подключен к второму выходу источника опорного напряжения, а выход компаратора цикла присоединен к информационному входу триггера, тактовый вход триггера первого преобразователя напряжения в частоту подключен к выходу генератора опорной частоты, а тактовый вход триггера второго преобразователя напряжения в частоту образует тактовый вход этого преобразователя и подключен к выходу первого преобразователя напряжения в частоту, к выходу триггера подключены управляющие входы третьего и четвертого ключей, два входа элемента равнозначности подключены к выходам компаратора знака соответственно первого и второго преобразователей напряжения в частоту, каждый преобразователь разности напряжений в ток содержит операционный усилитель и пять резисторов, причем первый резистор подключен между первым входом преобразователя разности напряжения в ток и инверсным входом операционного усилителя, второй резистор подключен между инверсным входом операционного усилителя и его выходом, образующим второй выход преобразователя разности напряжений в ток, третий резистор подключен между вторым входом преобразователя разности напряжений в ток и неинверсным входом операционного усилителя, четвертый резистор подключен между первым и вторым выходами преобразователя разности напряжений в ток, а пятый резистор подключен между первым выходом преобразователя разности напряжений в ток и неинверсным входом операционного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3