Измеритель электрической энергии многофазной сети (варианты)

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и позволяет при его использовании повысить эксплуатационные параметры измерителя электрической энергии многофазной сети при одновременном упрощении конструкции и снижении затрат при его установке, что является техническим результатом. Измеритель электрической энергии многофазной сети содержит три датчика тока, выполненных в виде шунтов, включенных в разрыв соответственно шины фазы А, В и С и снабженных потенциальными выводами, три датчика напряжения, выполненных в виде резистивных делителей напряжения, три формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности соответственно потребителями, подключенными к фазам А, В и С сети, первый, второй, третий и четвертый блоки питания, трехканальный оптоэлектронный разъем, содержащий первую, вторую и третью оптоэлектронные пары, накопитель с тремя входами и индикатор. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а более конкретно к средствам измерения и учета потребляемой электрической энергии.

При измерении потребления электрической энергии малыми потребителями существенным является не только стоимость измерителя электрической энергии, но и капиталовложения, связанные с установкой измерительной электрической энергии. Для снижения стоимости измерителей электрической энергии многофазной сети было предложено при измерении величины потребляемой электроэнергии не учитывать различие фаз сигналов, соответствующих току в нагрузке и напряжению на нагрузке.

Так в заявке PCT/WO 93/17390, 1993 г. описан измеритель электрической энергии трехфазной сети, содержащий три датчика напряжения каждой фазы сети, три датчика тока каждой фазы сети, первый процессор, второй процессор, программируемое постоянное запоминающее устройство, индикатор и блок питания, при этом три датчика напряжения каждой фазы сети и три датчика тока каждой фазы сети подключены к соответствующим входам первого процессора, шесть выходов которого соединены с соответствующими входами второго процессора, вход/выход первого процессора соединен с входом/выходом программируемого постоянного запоминающего устройства, выход второго процессора соединен с входом индикатора, ненулевой входной вывод блока питания подключен к одной из фаз сети, а его выходы подключены к цепи питания процессоров.

Известный измеритель электрической энергии имеет следующие недостатки: - работоспособность измерителя электрической энергии нарушается при аварийной отключении напряжения той фазы, к которой подключен входной вывод блока питания, хотя потребление электрической энергии потребителями, подключенными к другим исправным фазам, будет продолжаться; - использование в качестве датчиков тока традиционных трансформаторов тока с шунтами во вторичной цепи приводит не только к погрешности измерений, связанной, в частности, с нелинейностью трансформатора тока (см. PCT/WO 95/19573, 1995), но и к дополнительным затратам, связанным с установкой измерителей электрической энергии в разрыв цепи тока.

Использование же в известном измерителе электрической энергии трехфазной сети шунтов (в качестве датчика тока в цепи каждой фазы) принципиально невозможно, поскольку в этом случае элементы интегральной схемы (первый процессор) будут находиться под повышенными напряжениями, равными линейным напряжениям трехфазной сети. Это приведет к выходу из строя неспециализированных электронных компонентов.

Из предшествующего уровня техники известен также измеритель электрической энергии многофазной сети (см. патент RU-C1-2121697, 1998), взятый в качестве прототипа и содержащий М датчиков тока, М датчиков напряжения, М формирователей сигналов, пропорциональных потребляемой электрической мощности, накопитель, электронный индикатор и блок питания, при этом датчик тока и датчик напряжения, соответствующие каждой фазе М-фазной сети, подключены соответственно к первому и второму входам соответствующего формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, выходы формирователей подключены к накопителю и электронному индикатору, ненулевой входной вывод блока питания подключен к одной из фаз М-фазной сети, а его выход подключен к цепи питания указанных выше блоков. В известном измерителе каждый формирователь сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, выполнен в виде коммутатора, входы которого являются соответственно первым и вторым входом формирователя, аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход через коммутатор-распределитель соединен с входом микропроцессора, выход которого является выходом формирователя.

Этому измерителю электрической энергии многофазной сети присущи те же недостатки, что и описанному выше аналогу, поскольку, во-первых, блок питания подключен только к одной фазе многофазной цепи, а во-вторых, отсутствует электрическая развязка формирователей между собой, что, как показано выше, не позволяет использовать в качестве датчиков тока шунтов, включенных в разрыв шины каждой фазы сети.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению эксплуатационных параметров измерителя электрической энергии многофазной сети при одновременном упрощении конструкции и снижении затрат при его установке. Достигаемый при этом основной технический результат заключается в том, что работоспособность измерителя электрической энергии многофазной сети нарушается только при одновременном аварийном отключении всех фаз сети.

Поставленная задача согласно первому варианту решена тем, что измеритель электрической энергии многофазной сети, содержащий М датчиков тока, М датчиков напряжения, М формирователей сигналов, пропорциональных потребляемой электрической мощности, накопитель, индикатор и первый блок питания, при этом датчики тока и напряжения каждой фазы М-фазной сети, подключены соответственно к первому и второму входам соответствующего формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, ненулевой входной вывод первого блока питания подключен к первой фазе, его нулевой входной вывод - к нулевой шине многофазной сети, а его выход подключен к цепи питания первого формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, согласно изобретению дополнительно содержит М - 1 блоков питания, выполненных аналогично первому блоку питания, М + 1-ый блок питания с М ненулевыми входными выводами и М-канальной оптоэлектронный разъем, при этом накопитель выполнен с М входами и соединен своим выходом с входом индикатора, ненулевой входной вывод каждого М - 1 дополнительно введенных блоков питания подключен к соответствующей фазе М-фазной сети, начиная со второй, выход каждого М - 1 дополнительно введенных блоков питания подключен к цепи питания соответствующего формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, выход m-го, где m = 1, 2, ... М, формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, через m-ный канал М-канального оптоэлектронного разъема соединен с m-ым входом накопителя, цепь питания которого, а также цепь питания индикатора, соединены с выходом М + 1-го блока питания, ненулевые входные выводы которого подключены к соответствующим фазам М-фазной сети, нулевые входные выводы всех М+1 блоков питания соединены с нулевой шиной многофазной сети, причем датчики тока выполнены в виде шунтов с двумя потенциальными выводами, а датчики напряжения - в виде резистивных делителей напряжения.

Поставленная задача согласно второму варианту решена тем, что измеритель электрической энергии многофазной сети, содержащий М датчиков тока, М датчиков напряжения, М формирователей сигналов, пропорциональных потребляемой электрической мощности, накопитель, индикатор и первый блок питания, при этом датчики тока и напряжения каждой фазы М-фазной сети подключены соответственно к первому и второму входам соответствующего формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, ненулевой входной вывод первого блока питания подключен к первой фазе сети, а его нулевой входной вывод - к нулевой шине, согласно изобретению дополнительно содержит М - 1 блоков питания и М-канальный оптоэлектронный разъем, при этом каждый из М блоков питания выполнен в виде сглаживающего RC-фильтра, выход которого является первым выходом блока питания, вход последовательного плеча сглаживающего RC-фильтра, не содержащего резистор, соединен с плюсовым выводом первого стабилитрона, являющимся ненулевым входным выводом соответствующего блока питания, вход последовательного плеча сглаживающего RC-фильра, содержащего резистор, соединен с минусовым выводом первого диода, плюсовой вывод которого соединен с минусовым выводом первого стабилитрона, а через конденсатор - с плюсовым выводом второго диода и минусовым выводом второго стабилитрона, плюсовой вывод которого является одновременно нулевым входным выводом соответствующего блока питания и вторым выводом его второго выхода, первым выводом второго выхода блока питания является минусовой вывод второго диода, ненулевой входной вывод каждого М - 1 дополнительно введенных блоков питания подключен к соответствующей фазе многофазной сети, начиная со второй, а нулевые входные выводы этих же блоков питания соединены с нулевой шиной, первый выход каждого из М блоков питания подключен к цепи питания соответствующего формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, первый вывод второго выхода каждого блока питания соединен с первым выводом цепи питания индикатора, накопителя, второй вывод второго выхода каждого блока питания соединен со вторым выводом цепи питания индикатора и накопителя, который выполнен с М входами, выход m-го, где m = 1, 2,...M, формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, через m-ый канал М-канального оптоэлектронного разъема соединен с m-ым входом накопителя, выход которого соединен с входом индикатора, при этом датчики тока выполнены в виде шунтов с двумя потенциальными выводами, а датчики напряжения - в виде резистивных делителей напряжения. Кроме того, первый вывод каждого резистивного делителя напряжения соединен с наиболее удаленным от нагрузки потенциальным выводом соответствующего шунта, а второй выход каждого резистивного делителя напряжения соединен с нулевой шиной М-фазной сети.

Такое выполнение измерителя электрической энергии многофазной сети обеспечивает сохранение его работоспособности не только при аварийном отключении одной (любой) фазы, но и при одновременном аварийном отключении любого числа фаз в диапазоне от 2 до М - 1, поскольку аварийное отключение одной или нескольких фаз не приводит к нарушению функционирования ни формирователей сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, подключенных к датчикам тока и напряжения исправных фаз, ни накопителя. Кроме того, электрическая развязка между формирователями сигналов, пропорциональных потребляемой электрической мощности, и накопителем с помощью многоканального оптоэлектронного разъема, а также использование индивидуальных блоков питания для каждого формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, позволило не только упростить конструкцию измерителя, но и удешевить процесс установки измерителя за счет использования в качестве датчиков тока шунтов и неспециализированных электронных компонентов для формирователей.

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется конкретными примерами для наиболее распространенной трехфазной сети переменного тока.

На фиг. 1 изображена блок-схема предложенного измерителя электрической энергии многофазной (трехфазной) сети ( первый вариант); на фиг. 2 - то же (второй вариант).

Измеритель электрической энергии многофазной сети содержит (фиг. 1) три (по числу фаз сети) датчика 1, 2, 3 тока, выполненных в виде шунтов, включенных в разрыв соответственно шины фазы A, B и C и снабженных потенциальными выводами 4, 4'; 5, 5' и 6, 6', три (также во числу фаз сети) датчика 7, 6 и 9 напряжения, выполненных в виде резистивных делителей напряжения (7', 7''; 8', 8'' и 9', 9''), три формирователя 10, 11 и 12 сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности соответственно потребителями, подключенными к фазам A, B и C сети, первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16 блоки питания, трехканальный оптоэлектронный разъем 17, содержали первую 18', вторую 18'' и третью 18''' оптоэлектронные пары, накопитель 19 с тремя входами и индикатор 20.

Первый вход каждого формирователя 10, 11 к 12 сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, подключен соответственно к потенциальным выводам 4, 4'; 5, 5'; 6, 6' датчиков 1, 2 и 3 тока. Первый вывод каждого датчика 7, 8 и 9 напряжения (резистивного делителя напряжения) соединен с потенциальным выводом соответствующего датчика тока, который наиболее удален от нагрузки, а именно соответственно с 4, 5 и 6 выводами. Второй же вывод каждого датчика 7, 8 и 9 напряжения соединен с нулевой шиной N трехфазной сети. Параллельно второму входу каждого формирователя 10, 11 и 12 сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, подключены соответственно резисторы 7', 8' и 9' датчиков 7, 8 и 9 напряжения, сопротивление которых существенно меньше сопротивлений резисторов 7'', 8'' и 9''. Согласно первому варианту первый 13, второй 14 и третий 15 блоки питания выполнены идентично друг другу, например в виде сглаживающего RC-фильтра 21, выход которого является выходом блока, диода 22, стабилитрона 23 и конденсатора 24, при этом плюсовой вывод стабилитрона 23 является ненулевым входным выводом соответствующего блока питания и соединен с входом последовательного плеча сглаживающего RC-фильтра 21, не содержащего резистор. Минусовой вывод стабилитрона 23 соединен с плюсовым выводом диода 22 и с первым выводом конденсатора 24, второй вывод которого является нулевым входным выводом соответствующего блока питания. Минусовой вывод диода 22 соединен с входом последовательного плеча сглаживающего RC-фильтра, содержащего резистор. При этом ненулевой входной вывод каждого блока 13, 14 и 15 питания соединен с шиной соответствующей фазы A, В и C, а нулевые входные выводы этих блоков питания соединены с нулевой шиной трехфазной сети. Выходы блоков 13, 14 и 15 подключены соответственно к цепи питания формирователей 10, 11 и 12 сигналов, пропорциональных потребляемой электрической мощности.

Согласно второму варианту (фиг. 2) первый 13', второй 14' и третий 15' блоки питания также выполнены идентично друг другу, но с двумя выходами. Каждый из блоков 13', 14' и 15' питания содержит сглаживающий RC-фильтр 25, выход которого является первым выходом соответствующего блока питания. Вход последовательного плеча сглаживающего RC-фильтра 25, не содержащего резистор, соединен с плюсовым выводом первого стабилитрона 26, который является ненулевым входным выводом соответствующего блока (13', 14' и 15') питания и соединенный с шиной соответствующей фазы (A, B и C) сети. Вход последовательного плеча сглаживающего RC-фильтра 25, содержащего резистор, соединен с минусовым выводом первого диода 27, плюсовой вывод которого соединен с минусовым выводам первого стабилитрона 26, а также через конденсатор 28 с плюсовым выводом второго диода 29 и минусовым выводом второго стабилитрона 30, плюсовой вывод которого является нулевым входным выводом соответствующего блока (13', 14' и 15') питания и соединен с минусовой шиной N трехфазной сети. Одновременно плюсовой вывод второго стабилитрона 30 является вторым выходным выводом второго выхода соответствующего блока (13', 14' и 15') питания. Первый выводом второго выхода этих блоков питания является минусовой вывод второго диода 29. Вторые выходы блоков 13', 14' и 15' питания соединены параллельно и подключены к цепи питания накопителя 19 и цепи питания индикатора 20.

Выход формирователя 10 сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, подключен к входу (светодиоду) первой оптоэлектрониой пары 18'. Аналогично формирователи 11 и 12 сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, подключены ко входу соответственно второй 18' и третьей 18''' оптоэлектронных пар. Выходы (фотопреобразователи) оптоэлектронных пар 18', 18'' и 18''' оптоэлектронного разъема 17 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами накопителя 19, выход которого соединен с входом индикатора 20.

Четвертый блок 16 питания (фиг. 1) выполнен, например, в виде трехфазной мостовой схемы 31, выход которой соединен с сглаживающим фильтром 32, выполненным, например, в виде Г-образной RC-цепочки. Входы трехфазной мостовой схемы, являющиеся входами блока 16 питания, подключены к соответствующим шинам (A, B, C и N ) трехфазной сети. Выход сглаживающего фильтра 32, являющийся выходом блока 16 питания, подключен к цепи питания накопителя 19 и цепи питания индикатора 20.

Формирователи 10, 11 и 12 сигнала, пропорционального потребляемой мощности, могут быть выполнены по любой из числа известных схем. Так в качестве формирователей 10, 11 и 12 могут быть использованы так называемые преобразователи электрической мощности в частоту (RU-C1-2019642, 1994)> выполненные в виде последовательно соединенных аналогового перемножителя и преобразователя напряжения в частоту. Можно использовать также формирователь (RU-C1-2121697, 1998, прототип) выполненный в виде коммутатора, выход которого соединен через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и коммутатор-распределитель с входом микропроцессора. Возможно использование и микропроцессоров, включающих АЦП и перемножитель.

Измеритель электрической энергии многофазной сети работает следующим образом.

В процессе учета потребляемой электрической энергии сигналы, соответствующие току в каждой фазе и напряжению каждой фазы трехфазной сети с выходов соответствующих датчиков 1, 2, 3 тока и датчиков 7, 8, 9 напряжения поступают соответственно на первый и второй входы соответствующего, формирователя 10, 11, 12 сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности. С выходов формирователей 10, 11 и 12 сигналы, пропорциональные потребляемой электрической мощности потребителями, подключенной соответственно к фазам A, B и C, подаются на вход соответствующей оптоэлектронной пары 18', 18'' и 18''' оптоэлектронного разъема 17. С выходов оптоэлектронных пар 18', 18'' и 18''' сигналы, пропорциональные потребляемой электрической мощности, поступают на соответствующие входы накопителя 19, где формируются сигналы, соответствующие расходу электрической энергии по каждой фазе, так и общему расходу электрической энергии. С выхода накопителя 19 информация о расходе электроэнергии поступает на индикатор 20. В случае аварийного отключения одной или двух любых фаз сигналы с соответствующих датчиков тока и датчиков напряжения будут равны нулю. Одновременно не будет подаваться питание на соответствующий формирователь сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности. Однако в накопитель 19 будут продолжать поступать сигналы, соответствующие потребляемой электрической мощности потребителями, подключенными к исправным фазам сети. При этом работоспособность накопителя 19 не нарушится, поскольку выход из строя одной или двух фаз сети не приведет к исчезновению питающего напряжения. Действительно, на выходе блока 16 питания (согласно первому варианту) питающее напряжение будет отсутствовать только в том случае, когда произойдет аварийное отключение всех фаз сети. Согласно второму варианту цепи питания накопителя 19 и индикатора 20 подключены к включенным параллельно вторым выходам блоков 13', 14' и 15' питания. Поэтому аварийное отключение одной или двух фаз одновременно не приведет к нарушению энергоснабжения накопителя 19 к индикатора 20. Здесь следует отметить, что вторые диоды 29 обеспечивают также развязку блоков 13', 14' и 15' питания между собой при аварийном отключении одной или двух фаз сети.

Наличие в предложенном измерителе оптоэлектронного разъема 17 позволило при одновременном использовании для каждого формирователя (10, 11 и 12) сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, отдельного блока питания (13, 14 и 15) существенно уменьшить разность потенциалов между электронными компонентами каждого формирователя. Иными словами, в предложенном измерителе электрической энергии многофазной сети все электронные компоненты каждого формирователя (10, 11 и 12) находятся под потенциалом, не слишком отличающимся от потенциала соответствующей шины многофазной сети. Это позволяет использовать в предложенном измерителе стандартные электронные компоненты.

Использование в качестве датчиков тока шунтов существенно упрощает и удешевляет процесс установки предложенных измерителей электрической энергии многофазной сети, поскольку шунты могут устанавливаться заранее в процессе разводки электросети с последующим ее испытанием. Последующая установка (или демонтаж) измерителей в предварительно испытанную многофазную сеть никак не влияет на функционирование самой сети и может производиться в соответствии с текущими потребностями в контроле расхода электроэнергии.

Формула изобретения

1. Измеритель электрической энергии многофазной сети, содержащий М (где М - число фаз) датчиков тока, М датчиков напряжения, М формирователей сигналов, пропорциональных потребляемой электрической мощности, накопитель, индикатор и первый блок питания, при этом датчики тока и напряжения каждой фазы указанной выше многофазной сети подключены соответственно к первому и второму входам соответствующего формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, ненулевой входной вывод первого блока питания подключен к первой фазе, а его нулевой входной вывод - к нулевой шине многофазной сети, а его выход подключен к цепи питания первого формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, отличающийся тем, что он дополнительно содержит М-1 блоков питания, выполненных аналогично первому блоку питания, М+1-й блок питания с М ненулевыми входными выводами и М-канальный оптоэлектронный разъем, при этом накопитель выполнен с М входами и соединен своим выходом с входом индикатора, ненулевой входной вывод каждого М-1 дополнительно введенных блоков питания подключен к соответствующей фазе многофазной сети, начиная со второй, выход каждого М-1 дополнительно введенных блоков питания подключен к цепи питания соответствующего формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, выход m-го, где m = 1, 2, ... М, формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, через m-й канал М-канального оптоэлектронного разъема соединен с m-м входом накопителя, цепь питания которого, а также цепь питания индикатора соединены с выходом М+1-го блока питания, ненулевые входные выводы которого подключены к соответствующим фазам многофазной сети, нулевые входные выводы всех М+1 блоков питания соединены с нулевой шиной многофазной сети, причем датчики тока выполнены в виде шунтов с двумя потенциальными выводами, а датчики напряжения - в виде резистивных делителей напряжения.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что первый вывод каждого резистивного делителя напряжения соединен с наиболее удаленным от нагрузки потенциальным выводом соответствующего шунта, а второй вывод каждого резистивного делителя напряжения соединен с нулевой шиной многофазной сети.

3. Измеритель электрической энергии многофазной сети, содержащий М датчиков тока, М датчиков напряжения, М формирователей сигналов, пропорциональных потребляемой электрической мощности, накопитель, индикатор и первый блок питания, при этом датчики тока и напряжения каждой фазы указанной выше М-фазной сети подключены соответственно к первому и второму входам соответствующего формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, ненулевой входной вывод первого блока питания подключен к первой фазе многофазной сети, а его нулевой входной вывод - к нулевой шине, отличающийся тем, что он дополнительно содержит М-1 блоков питания и М-канальный оптоэлектронный разъем, при этом каждый из М блоков питания выполнен в виде сглаживающего RC-фильтра, выход которого является первым выходом блока питания, вход последовательного плеча сглаживающего RC-фильтра, не содержащего резистор, соединен с плюсовым выводом первого стабилитрона, являющимся ненулевым входным выводом соответствующего блока питания, вход последовательного плеча сглаживающего RC-фильтра, содержащего резистор, соединен с минусовым выводом первого диода, плюсовой вывод которого соединен с минусовым выводом первого стабилитрона, а через конденсатор - с плюсовым выводом второго диода и минусовым выводом второго стабилитрона, плюсовой вывод которого является одновременно нулевым входным выводом соответствующего блока питания и вторым выводом его второго выхода, первым выводом второго выхода блока питания является минусовой вывод второго диода, ненулевой входной вывод каждого М-1 дополнительно введенных блоков питания подключен к соответствующей фазе многофазной сети, начиная со второй, а нулевые входные выводы этих же блоков питания соединены с нулевой шиной, первый выход каждого из М блоков питания подключен к цепи питания соответствующего формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, первый вывод второго выхода каждого блока питания соединен с первым выводом цепи питания индикатора накопителя, второй вывод второго выхода каждого блока питания соединен со вторым выводом цепи питания индикатора и накопителя, который выполнен с М входами, выход m-го, где m = 1, 2, ..., М, формирователя сигнала, пропорционального потребляемой электрической мощности, через m-й канал М-канального оптоэлектронного разъема соединен с m-м входом накопителя, выход которого соединен с входом индикатора, при этом датчики тока выполнены в виде шунтов с двумя потенциальными выводами, а датчики напряжения - в виде резистивных делителей напряжения.

4. Измеритель по п. 3, отличающийся тем, что первый вывод каждого резистивного делителя напряжения соединен с наиболее удаленным от нагрузки потенциальным выводом соответствующего шунта, а второй вывод каждого резистивного делителя напряжения соединен с нулевой шиной многофазной сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2