Способ измерения расхода электроэнергии, потребляемой от электрической сети, и электронный счетчик электроэнергии

 

Способ измерения потребления электроэнергии, который специально подходит для небольших потребителей, заключающийся в том, что непрерывно измеряют ток потребителя, интегрируют ток во времени для получения значения, относящегося к потреблению, выполняют интегрирование в функции напряжения сети для получения значения, пропорционального установленному значению единицы потребления электроэнергии. Подсчитывают количество единиц для получения значения, пропорционального величине, подлежащей оплате. Предпочтительно регулирование выполняют в соответствии с четырьмя диапазонами напряжения сети в форме диапазона номинальных значений с обеих сторон от номинального напряжения сети, диапазона превышения напряжения, расширенного диапазона напряжения, расположенного ниже диапазона номинальных значений и диапазона пониженного напряжения. Счетчик электроэнергии содержит трансформатор тока, имеющий линию нагрузки потребителя в качестве первичной обмотки, и вторичную обмотку, генерирующую ток, представляющий собой ток линии нагрузки. Имеется схема, подсоединенная к вторичной обмотке для интегрирования значения такого тока во времени, и средство детектирования для определения момента, когда схема достигает установленного подлежащего оплате потребления электроэнергии. Средство подсчета связано со средством детектирования для суммирования единиц потребления. Изобретение позволяет обеспечить простоту и небольшое занимаемое пространство. 17 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к способу и электронному счетчику электроэнергии предпочтительно для измерения потребления электроэнергии малыми потребителями, например жителями пригородов больших городов и сельских районов.

Многие поставщики электроэнергии в настоящее время сталкиваются с серьезными трудностями, связанными с большим количеством потребителей в районах с более низким лимитом потребляемой электроэнергии, за которую выставляется счет. В Бразилии, например, этот лимит составляет около 30 кВт/месяц (минимальный обязательный тариф). Выставление счета таким потребителям часто не позволяет компенсировать распределителям (поставщикам) их капиталовложения, сделанные при монтаже, главным образом, при установке счетчиков электроэнергии. Обычный простейший счетчик является злектромеханическим однофазным счетчиком (см., например, "Electrical Metermen's Handbook", 7-я редакция, Edison Electric Institute, 1965), который является изделием столетней технологии, который подвергался длительному периоду усовершенствований и сокращений стоимости и который больше не подлежит упрощению и удешевлению. С другой стороны, счетчики, использующие электронную технологию (см., например, патент Франции FR 2555318) не дешевле, а скорее проще при реализации множества функций, а это оправдано только для крупных потребителей электроэнергии.

Это объясняется относительно высокой стоимостью электронных схем для подсчета электроэнергии и дополнительной энергии и схем защиты, которые являются особенностью известных счетчиков.

Для снижения стоимости электронных схем для подсчета электроэнергии разработан счетчик (см. патент Франции FR 2694405), в котором предлагается упрощенный способ измерения, менее сложная схема и более низкая стоимость.

Этот подход включает в себя оценку потребления электроэнергии посредством изменения величины электроэнергии, которое должно быть измерено. Обычно используемая величина является действительной энергией, полученной посредством интегрирования по времени активной мощности, которая, в свою очередь, определяется формулами P = UI (коэффициент мощности) или P = U·I·cosφ, где U - модуль подаваемого напряжения; I - модуль электрического тока в нагрузке при напряжении U; φ - угол фазы между U и I (электрические сигналы во времени, соответствующие напряжению и току, соответственно).

Упрощение способа измерения достигается посредством оценки потребления электроэнергии только по электрическому току I или по объединению значений электрического тока I и напряжения U, в обоих случаях игнорируя информацию о различии угла фаз φ. В первом случае, соответствующем использованию только тока I, основная величина измеряется в ампер-часах (А·ч), а в последнем случае - в вольт-ампер-часах (В·А·ч).

Игнорирование информации об угле φ приводит к значительному уменьшению стоимости электронных схем измерения, хотя приходится выполнять другие измерения для максимального сокращения стоимости, скажем, такие, как исключение дополнительного измерения и схем защиты, существующих в известных счетчиках, так как общепринято использовать напряжение в линии в качестве источника энергии для электронных схем счетчиков.

Другим источником, который становится фундаментальным для анализа и концепции измерения потребления электроэнергии, является качество энергии.

Современные системы распределения электроэнергии, которые сегодня содержат большие взаимосвязанные сети, во многих случаях обслуживают одновременно миллионы потребителей. Эти потребители имеют сильно различающиеся характеристики, как в случае бытовой коммерческой области, где имеет место массовое использование бытовых электроприборов, компьютеров и устройств освещения флуоресцирующего типа (дневного света), и промышленности, где существуют периодические большие нагрузки с использованием электронных переключателей (тиристорного типа).

Конечным результатом является увеличивающееся загрязнение распределительной сети, главным образом, в смысле появления в системе паразитных частот с умноженной основной частотой (50 или 60 Гц), так называемые гармоники, и уменьшение коэффициента подаваемой энергии. В данном случае необходимо рассматривать возможные нерегулярности в подаче электроэнергии, которым подвержена система распределения.

Превышения напряжения отличаются тем, что модуль напряжения превышает максимальное напряжение, разрешенное для системы, сокращает срок службы ламп накаливания и нежелательно увеличивает потребление электроэнергии электродвигателями и электробытовыми приборами. В случае понижения напряжения ниже минимально допустимого имеет место значительное снижение эффективности используемых двигателей/компрессоров, например, в воздушных кондиционерах и холодильниках, и падение световой эффективности ламп.

В свете этих замечаний легко видеть, что предшествующие усилия не привели к созданию счетчика с необходимыми качествами: - не решены проблемы относительно качества электроэнергии с точки зрения потребителя и с точки зрения поставщика, - не сокращена стоимость, что допустило бы более широкое обслуживание рынка десятков миллионов потребителей, которых охватывает распространенная система распределения электроэнергии.

Вопрос станет ясен из последующего краткого обсуждения предшествующего уровня техники.

Предшествующий уровень техники Стоимостной аспект рассматривается в вышеупомянутом патенте Франции FR 2694405, хотя этот патент не исчерпывает существующие возможности. Но в нем не рассматриваются важные аспекты, относящиеся к качеству подаваемой электроэнергии, как, например, измерений, относящихся к превышениям напряжения в электросети.

Аспект, относящийся к качеству потребления, коэффициенту мощности, рассматривается в патенте США 5198751 в изолированном виде, через концепцию реактивного счетчика вольт-ампер-часов (В·А·ч). Этот счетчик просто дополняет обычное измерение действительного значения энергии, которое все еще необходимо, и поэтому не удовлетворяет принципу низкой стоимости и не дает измерений, относящихся к качеству напряжения питания (превышения и понижения напряжения) и присутствия паразитных гармоник в сети.

Патент EP 0432386 относится к сложным вариантам реализации счетчика, в которых с помощью большого количества вспомогательных схем пытаются выделить наибольшее количество возможной информации относительно потребления электроэнергии и условий электропитания. Этот подход однозначно ведет к естественно дорогому решению, ограниченному применению и сложному использованию с точки зрения большого количества одновременно рассматриваемой информации о системе, с которой вынуждают работать, чтобы получить конечное значение, которое должно быть оплачено потребителем.

Счетчик по патенту США 5298856 имеет еще больший уровень сложности по сравнению с упомянутым выше патентом США 5198751 при определении вольт-ампер-часов, используя различные внутренние таблицы, относящиеся к наличию паразитных частотных гармоник, которые могут присутствовать в сети электропитания. Поэтому этот счетчик не удовлетворяет аспекту, относящемуся к качеству электропитания - превышения и понижения напряжения, а только осуществляет обычное измерение активной энергии вне оценки стоимости с точки зрения сложности систем.

Целью предложения решения является создание счетчика, который отвечает указанным выше требованиям уменьшенной стоимости и качества с точки зрения потребления и поставки.

Настоящее изобретение предлагает способ измерения и электронный счетчик для выставления счета за потребление электроэнергии с улучшенными характеристиками по сравнению с известными решениями.

Согласно настоящему изобретению способ измерения расхода подлежащей оплате электроэнергии, потребляемой от электросети заключается в том, что: a) непрерывно измеряют ток потребителя, b) интегрируют значения измеренного тока во времени до тех пор, пока не будет получено значение (А·ч), относящееся к потреблению электроэнергии потребителем, c) осуществляют интегрирование как функцию электрического напряжения сети до тех пор, пока не будет получено скорректированное значение (A_U·k), которое пропорционально заранее установленной единице потребления электроэнергии, и подсчитывают количество полученных установленных единиц, чтобы получить значение, пропорциональное потребленной электроэнергии, подлежащей оплате к любому заданному моменту времени.

Корректировка этапа c) предпочтительно выполняется в заранее установленных пределах в соответствии с диапазонами отклонения напряжения сети от номинального напряжения сети. В указанном предпочтительно варианте воплощения изобретения такие диапазоны содержат:
- первый диапазон номинального напряжения по обе стороны от номинального напряжения сети,
- второй диапазон превышения напряжения,
- третий расширенный диапазон напряжения, расположенный ниже, чем первый номинальный диапазон, и
четвертый диапазон пониженного напряжения, расположенный ниже, чем третий расширенный диапазон.

Коррекция в первом диапазоне может увеличиваться линейно от первого отрицательного значения на нижней границе первого диапазона к первому положительному значению на верхней границе первого диапазона. Коррекция во втором диапазоне превышения напряжения может быть постоянной и равной указанному первому положительному значению. Коррекция в третьем расширенном диапазоне может увеличиваться линейно с большей скоростью, чем в первом диапазоне, от второго отрицательного значения на его нижней границе до указанного первого отрицательного значения на его верхней границе. Коррекция в четвертом диапазоне может быть постоянной, предпочтительно 100% отрицательной.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения линейная скорость увеличения в третьем диапазоне является удвоенной линейной скорость коррекции в первом диапазоне, в то время как первое положительное значение равно +10%, а первое отрицательное значение равно -10%.

Дополнительно, в соответствии с настоящим изобретением электронный счетчик для измерения электроэнергии, потребляемой от сети, содержит:
схему без источника питания, состоящую из трансформатора тока (ТС), связанного первичной обмоткой с линией нагрузки потребителя, трансформатор имеет вторичную обмотку для генерации тока, представляющего собой ток нагрузки потребителя,
интегральную схему, связанную с указанной вторичной обмоткой для интегрирования во времени значения тока во вторичной обмотке,
средство для детектирования, когда значение, накопленное интегральной схемой, достигает заранее установленного единичного подлежащего оплате значения в качестве единицы потребления электроэнергии и
средство подсчета, связанное со средством детектирования для суммирования детектированных единиц потребления электроэнергии.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается счетчик электроэнергии, содержащий единственный пластиковый корпус, имеющий по меньшей мере один непрерывный проход для приема фазового проводника от потребителя, окно для наблюдения счетчика единиц потребления, которое является смонтированной в корпусе частью схема измерения электроэнергии, и средство для крепления корпуса на опоре.

Раскрытие изобретения
Изобретение в соответствии с первым аспектом, относящимся к способу измерения, позволяет выполнить полное разделение между системами питания и системами потребления.

Основной используемой концепцией является та, что система подачи питания характеризуется напряжением, присутствующим в электросети, в то время как потребитель определяется электрическим током, который забирают из этой сети электропитания. Путем интегрирования во времени значения тока, запрошенного потребителем, в соответствии с относительным согласованием (коррекцией) в зависимости от значения напряжения, поданного сетью, возможно установить единичное количество, которое просто подсчитывается, что приводит к созданию менее дорогих счетчиков, которые соответствуют приведенным выше концепциям расходуемой энергии.

Интегрирование электрического тока, который расходует потребитель, позволяет реализовать аспекты энергии и паразитной частотной генерации, которые являются двумя фундаментальными вопросами качества потребления. Это возникает потому, что общее значение электрического тока определяет эффективность, с которой потребитель использует электрическую сеть. В качестве примера, который легко понимаем, можно привести нескомпенсированный электродвигатель, который имеет коэффициент мощности менее единицы из-за индуктивных свойств его изоляции, что приводит к появлению реактивной энергии во время работы. Эта реактивная энергия является частью общей энергии, которая не связана напрямую с работой двигателя, вызывая появление паразитных компонентов электрического тока в проводниках сети электропитания. Другими словами, конечным результатом является ток, который больше, чем требуется для рабочих условий. Это увеличивает перегрузки сети электропитания, снижая ее эффективность, или даже вызывая повреждения в проводниках, трансформаторах и других элементах сети.

То же самое можно сказать и о нагрузках, которые вызывают появление токов, имеющих паразитные гармонические частоты в электросети. Такие токи и паразитные токи не связаны с выполняемой работой, будь то освещение, нагревание, подача электропитания для электронного оборудования и т.п.

В способе измерения согласно изобретению при накоплении значения общего тока в течение времени одновременно суммируется активная, реактивная и гармоническая составляющие, которые могут быть генерированы потребителем. Это, естественно, ведет к улучшению качества потребления, поскольку осуществляется более эффективное использование сети потребителем (вызывая незначительные паразитные токи), и уменьшению конечной стоимости.

Кроме того, способ согласно настоящему изобретению согласовывает накопление с условиями напряжения системы питания. Такое согласование, или коррекция, как уже отмечено, может учитывать четыре области или диапазона, применительно к работе системы распределения, как указано ниже:
- номинальный диапазон напряжения сети,
- диапазон превышения напряжения,
- расширенный диапазон напряжения сети,
- диапазон пониженного напряжения.

Первый номинальный диапазон соответствует нормальным пределам изменения основного напряжения, которое уже внесено в вычисление электрических нагрузок, представленных бытовыми электроприборами, лампами и двигателями.

Второй диапазон превышения напряжения соответствует диапазону, который начинается от нижней границы номинального диапазона.

Третий расширенный диапазон напряжения соответствует узкому диапазону, расположенному сразу ниже нижней границы номинального диапазона. В этой области работа нагрузок может быть неэффективна, как в случае двигателей/компрессоров, но без присутствующих рисков работы.

Четвертый диапазон пониженного напряжения соответствует условиям, где напряжение меньше, чем напряжение распиренного диапазона, в котором работа электронагрузок не должна осуществляться из-за очень высокой неэффективности или из-за условий риска.

Так как эти области разграничены, рассматриваемый способ измерения может быть дополнен информацией о поведении системы электропитания для интеграции тока потребителя. Эта особенность отличает настоящее изобретение от других известных подходов, которые используют прямое вычисление количества потребленной электроэнергии, например активной энергии, реактивной энергии или кажущейся (мнимой) энергии, препятствуя необходимому разделению между системой электропитания и системой потребителя. Это также отличает данный способ от других способов, которые рассматривают большое количество электрических величин одновременно и делают систему измерения, процесс вычисления тарифа сложной и специализированной задачей, как это указано в патентах EP 0432386 и US 5298856.

Перед более подробным описанием способа измерения, который составляет первый аспект изобретения, изложены принципы второго аспекта, который относится к схемной реализации счетчиков, используя новую технологию.

Одной из новых используемых концепций является разрешение функционирования электронных схем описанных счетчиков, используя внутренний источник на основе тока потребителя, а не от напряжения, подаваемого распределительной сетью.

На основании этой величины - электрического тока - становится возможным представить простые и недорогие типы оборудования, которое тем не менее является легким и простым при выполнении своих функций.

Первый пример относится к оборудованию, которое только измеряет и записывает электрический ток, расходуемый потребителем. Величина, представленная в ампер-часах, является накопленным значением тока во времени. Оборудование этого типа находит применение там, где по техническим и/или экономическим причинам нет необходимости рассматривать возможные флуктуации напряжения в распределительной сети, для которых согласования (коррекции) должны быть сделаны в значении накопленного тока. Этот случай служит фокальной точкой изобретения: малые потребители электроэнергии за месяц. Измерение ампер-часов позволяет реализовать чрезвычайно надежные простые и недорогие схемы, которые не требуют ни отдельного источника питания, ни устройства защиты. Помимо этого они могут быть изготовлены из компонентов, которые уже существуют на рынке, и если так, то окончательная цена будет меньше, чем для обычных устройств измерения активной энергии (Вт·час).

Второй пример относится к встраиванию в приведенный выше счетчик ампер-часов схем, которые учитывают изменения напряжения электрической сети. Измеряемой величиной является A_U·h, которую можно назвать ампер-часами, согласованными со средним напряжением сети, согласно первому аспекту изобретения. Такой счетчик может быть использован там, где потребитель является значительно большим для оправданного применения, или местах, где напряжение испытывает значительные изменения.

Третий, и последний, пример относится к применению технологии с очень низким потреблением и низким рабочим напряжением интегральных схем, таких, которые используются в цифровых наручных часах и аппаратах, например, сердечных стимуляторах. С помощью применения этой технологии можно реализовать электронный счетчик, способный работать и как счетчик A·h, и как счетчик A_U·h, или даже счетчик Вт·час плюс функция обмена с внешними устройствами записи и/или командными (управляющими) устройствами от источника питания, работающего от тока потребителя.

Так как счетчики в этих трех примерах работают от тока потребителя, то нет необходимости в использовании устройств защиты от превышения напряжения. Это позволяет устранить соединители, выводы и медные зажимы и делает возможным использовать корпуса, в которых можно разместить внутренние компоненты, изготовленные, например, посредством формовки или инжекции пластической массы. Корпус такого типа легок в изготовлении, недорог и может быть пыле-водонепроницаемым и вообще защищенным от внешнего воздействия. Он также может иметь небольшие размеры и вес, что упрощает установку распределителей электроэнергии.

Счетчики, изготовленные таким образом, не имеют недостатков, которые являются общими для известных счетчиков, например, отказ счетчиков, вызванный окислением или перегревом выводов или, более того, перегоранием внутренних элементов, которые подсоединены к питающему напряжению, из-за попадания молнии в линии электропередач.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем концепции и основные принципы первого и второго аспектов изобретения поясняются конкретными вариантами его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает диаграмму напряжения электросети, изображающую четыре диапазона, относящиеся к работе системы распределения электроэнергии, согласно изобретению;
фиг. 2 изображает схему основного устройства, которое содержит оборудование для измерения A·h, (ампер-часов), согласно изобретению;
фиг. 3 изображает схему дополнительного блока, который может быть введен в схему, изображенную на фиг. 2, для компенсации ошибок, вносимых трансформатором тока счетчика и относящихся к току намагничивания ферромагнитного материала, используемого в его конструкции, согласно изобретению;
фиг. 4 изображает схему дополнительного блока, который может быть введен в схему, изображенную на фиг. 2, для коррекции значения интегрированного тока потребителя в соответствии с условиями подачи напряжения электросети, согласно изобретению;
фиг. 5 изображает блок-схему устройства с низким потреблением и низким рабочим напряжением ("низковольтная/микромощная"), согласно изобретению;
фиг. 6 изображает внутреннее устройство интегральной схемы, показанной на фиг. 5, согласно изобретению;
фиг. 7 изображает типовой вариант выполнения корпуса счетчика, согласно изобретению;
фиг. 8 изображает пример установки счетчика, изображенного на фиг. 7, согласно изобретению.

Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 изображена в упрощенном виде диаграмма напряжения электросети в соответствии с первым аспектом изобретения, т.е. способа измерения на основе интегрирования значения тока по времени, скорректированного в соответствии с условиями питающего напряжения, подаваемого сетью распределения электроэнергии.

Основными элементами на фиг. 1 являются следующие:
ось X: питающее напряжение. Значения установлены в процентах по отношению к номинальному значению рабочего напряжения сети. Указаны точки, составляющие 80%, 90% и 100% от номинального подаваемого напряжения,
ось У: коррекция для просуммированного значения тока потребителя. Приведены значения коррекции для каждого значения напряжения. Указаны точки, соответствующие значениям коррекции +10%, -10%, -30% и -100%.

Кривая, определенная отрезками соответствует способу коррекции согласно четырем диапазонам работы питающего напряжения, как описано ранее, т. е. сегмент (превышение напряжения), (номинальный диапазон), (расширенный диапазон) и (пониженное напряжение). Точка C соответствует номинальному напряжению (100%) и поэтому коррекция значения тока равна нулю.

Далее будет описан способ измерения, для конечного вычисления количества обозначенного A_U·h (значение тока потребителя во времени, скорректированное в зависимости от среднего значения питающего напряжения распределительной сети).

Начальная точка процесса соответствует точке C на фиг. 1. Эта точка соответствует идеальным условиям электропитания (100% номинальное основное напряжение) и предполагает нулевую коррекцию в процессе интегрирования тока. В этом случае потребитель с потреблением без паразитных токов, т.е. с единичным коэффициентом мощности и отсутствием гармонических частот тока, будет иметь величину, подлежащую оплате и измеренную способом, эквивалентным измерению активной мощности идеальной формы, измеренной с помощью обычного счетчика киловатт-часов.

До тех пор, пока изменения питающего напряжения поддерживаются в пределах номинального диапазона (сегмент ), измерение будет эквивалентно тому, как измерено обычным счетчиком активной энергии без паразитных токов. Другими словами, для данного тока изменения ±10% от основного напряжения, что означает эквивалентное увеличение/уменьшение, подаваемое системой, будут соответствовать коррекции ±10% в счете за потребление энергии согласно способу по настоящему изобретению.

В случае превышения напряжения (сегмент ), где услуга за подачу напряжения, подаваемого системой распределения, не обеспечивает потребителя дополнительной выгодой, как отмечено выше, в способе измерения будет использоваться фиксированная коррекция, эквивалентная максимальной границе +10% (верхней границе коррекции в диапазоне номинального напряжения).

Таким образом достигается справедливый тариф, поскольку тариф не увеличивается, если потребителю не предоставляется дополнительная выгода в случае превышения напряжения.

В случае сегмента (расширенный диапазон), где напряжение изменяется между 80% и 90% от номинального значения напряжения сети, уже существует снижение эффективности нагрузок, таких как двигатели и лампы, и в случае двигателей/компрессоров (холодильников, воздушных кондиционеров и т.д.) существует заметное увеличение генерации вихревых токов из-за понижения коэффициента мощности. Так как это явление вызывается исключительно падением напряжения питания ниже установленного номинального диапазона, то справедливо, что существует компенсация для потребителя, способная отслеживать наихудший случай поведения нагрузки. Сегмент который имеет двойной наклон по сравнению с (номинальный диапазон), предназначен для удовлетворения этого требования, устанавливая, например, коррекцию, равную - 30% для 20%-ного изменения напряжения.

В случае пониженного напряжения (сегмент ) область, в которой работа нагрузок особенно неэффективна или даже опасна, например, двигателей/компрессоров, которые могут заедать, вызывая перегревание из-за повышенных значений токов, регистрация потребления может быть отменена (100% коррекция), еще раз определяя справедливую ситуацию в отношении питание/потребление/тариф.

Следует подчеркнуть, что основная представленная здесь концепция может быть реализована другими способами, например, посредством замены значений изменения напряжения и согласования, которые определяют указанные сегменты без отклонения от основной концепции настоящего изобретения.

Фиг. 2 изображает электрическую схему для измерения A·h, где TC - трансформатор тока. Он работает в качестве датчика тока нагрузки (I_{нагрузки}), обеспечивая схему током с амплитудой, подходящей для работы электронных схем и пропорциональной току нагрузки.

D1 и D2 - выпрямительные диоды, они выпрямляют ток вторичной обмотки трансформатора TC, работая поочередно: D1 - в положительной половине цикла, а D2 - в отрицательной половине цикла.

C1 и C2 - электролитические конденсаторы. Они ответственны за хранение значения потребленной энергии.

C3 - конденсатор. Он работает совместно с трансформатором TC. Его функция заключается в компенсации ошибок нелинейности трансформатора TC при малых значениях токов.

SCR - кремниевый управляемый выпрямитель. Он работает как электронный переключатель, который активизируется для генерации импульса тока, активизирующего счетчик циклов (счетчик) из-за разряда C1 и C2. Активизация его вызывается уровнем напряжения на его запускающем электроде. Деактивизация имеет место при полном разряде C1 и C2.

DIAC - два терминальных устройства, которые работают как управляемый переключатель уровня напряжения. Их функция заключается в том, чтобы всякий раз, когда напряжение между его выходами достигает уровня опрокидывания, активизировать SCR.

R1 - графитовый резистор. Его функция заключается в ограничении тока, защищая таким образом DIAC и SCR.

C4 - конденсатор. Его функция заключается в ограничении чувствительности опрокидывания SCR, защищая его от ошибочных срабатываний от шума.

Группа D3, D4 и C5 - дополнительная схема. Ее функция заключается в облегчении включения DIAC, гарантируя, что последний всегда активизируется одной и той же величиной тока, накопленной в C1 и C2.

Счетчик циклов (счетчик) CT - электромеханический регистратор или счетчик. Его функция заключается в энергонезависимом способе хранения значения потребленной энергии, измеренной во времени. Он состоит из семи коаксиальных цилиндров, каждый разделен на десять равных частей, где записаны алгоритмы от 0 до 9, и катушки, каждая управляет движением цилиндров при прохождении тока.

Работа схемы осуществляется следующим образом.

Ток нагрузки (используемый потребителем) преобразуется трансформатором TC, который питает схему пропорциональным для этой цели током и с уменьшенным значением. Этот ток выпрямляется D1 и D2 и запоминается в C1 и C2. Так образуется медленно растущий потенциал между точками G и H. Когда это напряжение достигает порога срабатывания DIAC, последний активизируется и, в свою очередь, активизирует SCR, что приводит к разряду C2 и C3, генерируя импульс, который приводит в действие счетчик циклов или электромеханический счетчик CT. Это принуждает счетчик циклов записать появление одного импульса, пропорционального потреблению данного количества ампер-часов.

Как видно из фиг. 2 схема обеспечивает использование источника питания или вспомогательного устройства защиты от превышения напряжения, посредством чего она содержит высоконадежное, дешевое решение, изготовленное из недорогих неспециализированных компонентов.

Фиг. 3 изображает электрическую схему вспомогательной схемы, которая может быть дополнительной к описанной выше основной схеме для компенсации ошибок трансформатора из-за тока намагничивания.

Электронными компонентами, составляющими эту схему, являются следующие элементы.

R2 - графитовый резистор. Он работает в качестве ограничителя тока, защищая неоновую лампу NEON 1 и определяя ее рабочий ток.

R3 - графитовый резистор. Он устанавливает ток, который желателен для прохождения в обмотке I-J трансформатора.

NEON 1 - неоновая лампа. Она действует как регулятор напряжения.

TC - трансформатор тока. Это тот же трансформатор, что и показанный на фиг. 2, с дополнительной первичной обмоткой (I-J), которая обеспечивает приблизительно такой же ток, как ток намагничивания сердечника трансформатора TC, компенсируя ошибки, имеющие место при измерении схемой очень малых токов.

Работа схемы осуществляется следующим образом.

Питающее напряжение регулируется неоновой лампой NEON 1. Резистор R2, помимо установки рабочего тока NEON 1, ограничивает его для предотвращения повреждения лампы при повышении напряжения. Резистор R3 устанавливает ток в обмотке I-J трансформатора TC от напряжения неоновой лампы NEON 1. Этот ток протекает непрерывно через обмотку I-J, обеспечивая необходимый ток намагничивания сердечника трансформатора.

Фиг. 4 изображает электрическую схему вспомогательной схемы, которая может быть дополнительной к основной схеме, изображенной на фиг. 2, для коррекции накопленного значения тока, основанной на изменениях напряжения сети. Построенная таким образом схема позволяет измерять ампер-часы, скорректированные с помощью среднего напряжения сети (A_U·h). Добавление (модернизация) этой схемы осуществляется посредством удаления проводника E-F (фиг. 2) и подсоединения точек E' и F' (фиг. 4) к выводам E и F (фиг. 2).

Схема содержит следующие электронные компоненты.

D5 и D6 - выпрямительные диоды. Они служат для выпрямления переменного напряжения сети.

R4, R5, R6, R7 и R8 - графитовые резисторы. Они служат в качестве делителей напряжения.

C6 - конденсатор. Он служит для уменьшения импеданса переменного тока между точками E' и F' и фильтрации внезапных изменений напряжения U_C,
NEON 2 - неоновая лампа, работающая в качестве регулятора напряжения.

D7 и D8 - выпрямительные диоды. D9 и D10 - управляемые лавинные диоды (Зенера). R9 - графитовый резистор.

Работа схемы осуществляется следующим образом.

Напряжение сети выпрямляется диодами D5 и D6. Напряжение между точками H и L регулируется неоновой лампой NEON 2. Делитель напряжения, образованный R6 и R8, определяет напряжение в точке F'. Делитель напряжения, образованный R4 и R7, определяет напряжение в точке E'. Изменения напряжения на линии воспринимаются пропорционально в точке E'. Так как напряжение в точке F' приблизительно постоянно из-за присутствия лампы NEON 2, то напряжение U_C (которое включено последовательно с DIAC на фиг. 2) также испытывает изменения, пропорциональные изменениям напряжения линии, изменяя точку активизации SCR (фиг. 2) и, следовательно, цену оплаты за потребление электроэнергии, что показывается с помощью счетчика циклов.

Когда напряжение на линии находится в пределах расширенного диапазона (сегмент DE на фиг. 1), напряжение U_C имеет небольшое отрицательное значение из-за коэффициентов деления, установленных резисторами R4, R7, R6 и R8. Таким образом, выпрямительный диод D7 изолирует элементы R9 и D9 от схемы, а диод Зенера D10 еще не вступает в работу. Напряжение U_C в этом случае действует на схему, показанную на фиг. 2, так, что изменения напряжения линии приводят к удвоению изменения скорости подсчета потребления электроэнергии. Другими словами, при изменении на 10% в расширенном диапазоне, схема, показанная на фиг. 2, с коррекцией U_C, заданной схемой, изображенной на фиг. 4, изменения соответствуют 20% в подсчете потребления.

Когда напряжение в сети входит в диапазон пониженного напряжения (сегмент на фиг. 1), напряжение U_C становится существенно отрицательным для приведения диода Зенера D10 в действие, это напряжение U_C остается на фиксированном уровне, соответствующем изменению, полученному в точке E на фиг. 1. Это упрощение соответствует сдвигу сегмента вверх так, чтобы он начинался в точке E на фиг. 1, в этом заключаются возможные изменения концепций первого аспекта настоящего изобретения.

Когда напряжение на линии сдвигается к диапазону номинальных значений напряжения (сегмент на фиг. 1), то напряжение U_C имеет небольшое положительное значение, посредством этого выпрямительный диод D7 приводит в действие в схеме резистор R9, но диод Зенера D9 еще остается неактивизированным. В этом случае напряжение U_C сопровождает изменения напряжения на линии в пропорции 1 : 1. Другими словами, схемы на фиг. 2 и фиг. 4 вместе при изменении на 10% напряжения на линии обеспечивают соответствующее изменение в цене оплаты потребленной электроэнергии.

Когда напряжение на линии соответствует диапазону превышения (сегмент на фиг. 1), напряжение U_C становится существенно положительным для приведения диода Зенера D9 в действие, который устанавливает фиксированный уровень U_C. В этом случае схема, изображенная на фиг. 4, устанавливает фиксированную положительную коррекцию в скорости подсчета потребления электроэнергии с помощью схемы, изображенной на фиг. 2, в соответствии с принципами, приведенными применительно к фиг. 1 (сегмент ).

Фиг. 5 представляет блок-схему варианта воплощения изобретения применительно к низковольтной/микромощной технологии интегральных схем.

Принимая во внимание концепцию, введенную в настоящее изобретение, величина, которая характеризует потребление электроэнергии, является током, потребляемым потребителем, и оборудование может быть представлено так, как изображено на фиг. 5, которое зависит исключительно от тока потребителя для его работы, но которое, даже если так, способно управлять более, чем одной величиной, относящейся к потреблению энергии.

Первым шагом в данном направлении является низковольтная/микромощная технология, которая обычно используется в конструкциях наручных часов и сердечных стимуляторах. Схемы этого типа используют микромощные источники питания, которые для своей работы могут использовать электрический ток мизерной величины, циркулирующий во внешней цепи. Таким образом, единственный трансформатор может обеспечить не только ток, представляющий собой потребление электроэнергии, которое должно быть измерено, но также и энергию для питания измеряющей схемы, когда последняя изготовлена по низковольтной/микромощной технологии.

Схема измерения может быть затем организована на основании тока, выдаваемого трансформатором тока, и выборки напряжения на линии посредством датчика напряжения, подсчитывающего, например, ампер-часы (A·h), скорректированные ампер-часы, в зависимости от среднего напряжения на линии (A_U·h) согласно представленным на фиг. 1 принципам, и наконец, даже активную энергию (W·h).

Так как измерительная схема зависит только от тока потребителя, необходимого для его работы, то если датчик напряжения отсутствует или имеется попытка мошенничества посредством его отключения, схема может продолжать функционировать посредством рассмотрения такой ситуации, например, что напряжение на линии является номинальным с коэффициентом мощности единичным, посредством чего величина потребления электроэнергии должна быть представлена к оплате для номинальных условий питания сети.

Эта особенность позволяет использовать корпуса для элементов счетчика согласно изобретению, которые снабжаются винтами, выходами и проводниками для тока нагрузки потребителя. Вот почему нет необходимости прерывать электрическую цепь потребителя для гарантированной подачи электроэнергии к внутренним схемам счетчика, как это требовалось в предшествующих разработках. Настоящее изобретение позволяет использовать высоконадежные, дешевые решения по сравнению с предшествующим уровнем техники.

Для иллюстрации этих аспектов фиг. 5 и 6 будут описаны более подробно. В этом варианте воплощения способ измерения осуществляется с помощью предназначенной для этого схемы, специально сконструированной для удовлетворения требований к ее функционированию. Специализированная интегральная схема (CI) 1 должна иметь очень малое потребление, должна питаться от микромощного источника 2, который потребляет ток только от вторичной обмотки трансформатора для питания и интегральной схемы 1 и дисплея на жидких кристаллах (LCD) 3. Этот дисплей 3 является элементом, отвечающим за отображения значения, представляющего собой потребление электроэнергии, измеренное оборудованием. Трансформатор тока TC отвечает за подачу в интегральную схему 1 образца (выборки) тока I, пропорционального потребляемому току. Резистор R10 предназначен для подачи в интегральную схему 1 образца напряжения U, пропорционального напряжению на линии.

Для понимания функционирования схемы сначала рассмотрим внутреннюю архитектуру, предлагаемую для специализированной интегральной схемы.

Фиг. 6 изображает блок-схему внутренней архитектуры специализированной интегральной схемы 1 и содержит следующие элементы.

Блок обработки сигнала 4 принимает сигналы напряжения и тока. В нем определяется, что должно быть измерено - A·h, A_U·h или W·h. В нем компенсируется недостаточная нелинейность тока трансформатора TC и осуществляется коррекция для вычисления потребления в соответствии с напряжением U.

Блок состояния подаваемого питания 5 получает питание с помощью микромощного источника 2 и определяет сбой по питанию напряжения U_CC.

Блок управления 6 отображения на жидкокристаллическом экране LCD посылает сигналы для отображения регистра измеренного значения потребления на жидкокристаллический экран LCD 3.

Генератор IN/EXT 7 предназначен для генерации сигналов внутренней синхронизации рассматриваемой интегральной схемы 1.

Блок внешнего обмена 8 предназначен для связи между интегральной схемой 1 и внешней средой посредством коммуникационного порта PC. Он позволяет программировать рассматриваемую интегральную схему 1, делая ее работу многосторонней и позволяя использовать внешние устройства, которые могут реализовывать дифференцированные тарифы, отдаленное считывание и т.п.

Контроллер 9 предназначен для внутреннего управления оставшихся блоков специализированной интегральной схемы 1. На основании сигналов напряжения и тока U и I он устанавливает величину измерения в форме ампер-часов, регулируемых напряжением U, и ватт-часов. Если блок 5 состояния подаваемого питания определяет сбой питания, то он передает вычисленное значение потребления в блок энергонезависимой памяти 10.

Блок энергонезависимой памяти 10 способен неопределенно долго хранить информацию о потреблении, возвращает информацию в контроллер 9 при восстановлении питания так, чтобы была восстановлена нормальная работа.

Контроллер 9 также предназначен для наблюдения за работой блока внешнего обмена и блока управления отображения на жидкокристаллическом экране LCD и 8 и 6, относительно наборов информации и команд, обмениваемых с внешней средой.

Реализация этих блоков является несложной для специалиста, а технология сама по себе не является частью настоящего изобретения.

Фиг. 7 изображает типовой вариант выполнения корпуса счетчика согласно изобретению, предназначенный для измерения ампер-часов. Как показано на фиг. 7 корпус 11 может быть реализован в виде единичного монолитного блока, который является водо-, пыле- и газонепроницаемым, а также защищенным от попадания других предметов. Отверстия 12 позволяют провести фазовые провода питания для потребителя через корпус без прерывания. Два отверстия 13 в монтажных ушках 14 допускают простую и безопасную установку счетчика.

На фиг. 8 представлен вариант типовой установки счетчика для измерения ампер-часов и прохождения фазового проводника питания 15 потребителя. Единичный фазовый проводник достаточен для работы счетчика, так как он несет основную информацию для измерения (электрический ток), а нейтральный проводник проходит прямо к схеме потребителя без прохождения через счетчик. Фиг. 7 и 8 также показывают регистратор циклов (счетчик) CT в соответствующем окошке 17 в корпусе 11.

Необходимо отметить простоту и небольшое пространство, необходимое для установки, так как прохождение проводника 15 через счетчик определяет компактность выхода сети питания (электрический вход - линия) и входа для схемы потребителя (электрический вход - нагрузка) и обычное устройство защиты (выключатель) 18 в минимальном пространстве.

Формула изобретения

1. Способ измерения расхода подлежащей оплате электроэнергии, потребляемой от электрической сети, заключающийся в том, что непрерывно измеряют ток потребителя, отличающийся тем, что интегрируют значения измеренного тока во времени до получения значения, характеризующего потребленную электроэнергию потребителем, осуществляют интегрирование как функцию электрического напряжения сети до получения значения, которое пропорционально заранее установленной единице потребления электроэнергии, подсчитывают количество полученных установленных единиц, чтобы получить значение, пропорциональное подлежащей оплате потребленной электроэнергии на любой заданный момент времени.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коррекцию на шаге интегрирования предпочтительно выполняют в заранее установленных соотношениях в соответствии с диапазонами отклонения напряжения сети от номинального значения напряжения сети.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что указанные диапазоны отклонения содержат первый диапазон номинального напряжения по обеим сторонам от номинального напряжения сети, второй диапазон превышения напряжения, третий расширенный диапазон напряжения, расположенный ниже, чем первый диапазон номинального напряжения, четвертый диапазон пониженного напряжения, расположенный ниже, чем третий расширенный диапазон напряжения.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что коррекция в первом диапазоне возрастает линейно от первого отрицательного значения на нижней границе первого диапазона до первого положительного значения на верхней границе первого диапазона, коррекция во втором диапазоне повышенного напряжения является постоянной и равна первому положительному значению, коррекция в третьем расширенном диапазоне напряжения возрастает линейно с большей скоростью, чем увеличение в первом диапазоне от второго отрицательного значения на его нижней границе до первого отрицательного значения на верхней границе, а коррекция в четвертом диапазоне является постоянной величиной.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что коррекция в четвертом диапазоне является отрицательной на 100%.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что скорость линейного возрастания коррекции в третьем диапазоне равна удвоенному значению скорости линейной коррекции в первом диапазоне.

7. Способ по п. 5 или 6, отличающийся тем, что коррекция между первым диапазоном и вторым диапазоном равна 10%, является положительной и линейно уменьшается к концу второго диапазона с отрицательной коррекцией 10%.

8. Электронный счетчик электроэнергии для измерения подлежащей оплате электроэнергии от сети электропитания, содержащий источник напряжения, трансформатор тока, являющийся датчиком тока, первичная обмотка которого связана с линией нагрузки потребителя, а вторичная обмотка предназначена для генерации тока, средство подсчета и интегральную схему, запитываемую напряжением питания от источника напряжения и предназначенную для подсчета потребления электроэнергии, отличающийся тем, что содержит средство детектирования для определения, когда значение, проинтегрированное интегральной схемой, достигает установленного единичного подлежащего оплате значения в качестве единицы потребления электроэнергии, и средство подсчета, связанное со средством детектирования для суммирования единиц потребления электроэнергии.

9. Счетчик электроэнергии согласно п.8, отличающийся тем, что дополнительно содержит схему датчика напряжения для определения напряжения в сети питания потребителя и схему регулирования для коррекции интегрированного значения как функции напряжения, детектированного указанным датчиком.

10. Счетчик электроэнергии по п.9, отличающийся тем, что схема регулирования определяет различные диапазоны регулирования различных свойств с обеих сторон от номинального значения напряжения сети.

11. Счетчик электроэнергии по п.10, отличающийся тем, что диапазоны регулирования содержат первый диапазон номинального напряжения с обеих сторон от номинального напряжения сети, второй диапазон превышения напряжения, следующий за указанным первым диапазоном, третий расширенный диапазон напряжения, расположенный ниже, чем первый диапазон номинального напряжения, четвертый диапазон пониженного напряжения, расположенный ниже, чем третий расширенный диапазон напряжения.

12. Счетчик электроэнергии по п.11, отличающийся тем, что в первом диапазоне коррекция интегрированного значения, выполненная посредством схемы регулирования, изменяется в соответствии с первой фиксированной скоростью, в то время как в третьем диапазоне коррекция, выполненная схемой регулирования, изменяется в соответствии со второй фиксированной скоростью, которая больше, чем первая скорость.

13. Счетчик электроэнергии по п. 12, отличающийся тем, что во втором диапазоне коррекция интегрированного значения, выполненная схемой регулирования, составляет несколько процентов, является постоянной и равной значению на верхней границе первого диапазона.

14. Счетчик электроэнергии по п.12 или 13, отличающийся тем, что в четвертом диапазоне коррекция интегрированного значения, выполненная схемой регулирования, составляет несколько процентов и является постоянным отрицательным значением.

15. Счетчик электроэнергии по п.14, отличающийся тем, что постоянное отрицательное значение составляет -100%.

16. Электронный счетчик электроэнергии для измерения расхода подлежащей оплате электроэнергии, потребляемой от сети электропитания, содержит датчик тока, предназначенный для генерации тока, представляющего собой значение тока, потребляемого потребителем, датчик напряжения для генерации напряжения, представляющего собой значение напряжения, подаваемого потребителю, микромощный источник, связанный с датчиком тока для получения напряжения питания, интегральную схему, запитываемую напряжением питания от микромощного источника для подсчета потребления электроэнергии, отличающийся тем, что содержит средство детектирования для определения, когда значение, проинтегрированное интегральной схемой, достигает установленного, представленного в виде единиц значения тока, определенного датчиком тока и регулируемого в соответствии с изменениями напряжения, обнаруженного датчиком напряжения, и дисплей для отображения количества установленных единиц потребления электроэнергии, детектированных счетчиком.

17. Электронный счетчик электроэнергии по п.16, отличающийся тем, что интегральная схема содержит средство для регулирования потребления электроэнергии, которое осуществляется в соответствии с различными диапазонами изменений напряжения, обнаруженных датчиком напряжения.

18. Электронный счетчик электроэнергии по п.17, отличающийся тем, что диапазон содержит первый диапазон номинального напряжения по обеим сторонам от номинального напряжения сети, второй диапазон превышения напряжения, следующий за указанным первым диапазоном, третий расширенный диапазон напряжения, расположенный ниже, чем первый диапазон номинального напряжения, четвертый диапазон пониженного напряжения, расположенный ниже, чем третий расширенный диапазон напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8