СЧЕТЧИК АКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 1995 года по МПК G01R21/00 

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

Известны измерители активной энергии, содержащие управляемые делители частоты [1] аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи [2,3]
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения электрической энергии [4] содержащее измерительные преобразователи тока (ИПТ) и напряжения (ИПН), блок определения знака, компаратор, регистр, ЦАП, блок выборки-хранения, мультиплексоры и блок обработки информации.

Недостатками указанного устройства являются сложность и низкая точность. Сложность обусловлена введением блока обработки информации, который должен выполнять функции управления работой остальных блоков, а также операции по подсчету приращений энергии и их суммированию. Точность преобразования снижается при прохождении аналоговых измеряемых сигналов тока и напряжения через аналоговые ключи мультиплексоров за счет инструментальных погрешностей блока выборки-хранения, а также за счет удлинения цикла аналого-цифрового преобразования процессами коммутаций и вычислений.

Использование одного ЦАП для преобразования как сигналов тока, так и сигналов напряжения всех фаз, а также значительные затраты времени на вычислительные операции в блоке обработки информации приводят к снижению числа циклов АЦП за период сети. И, следовательно, к росту погрешности, особенно при наличии гармоник.

Для современных автоматизированных систем учета электроэнергии предпочтительны частотные сигналы на выходах счетчиков, позволяющие передавать эти сигналы на значительные расстояния и строить унифицированные системы сбора и обработки информации.

Целью изобретения является упрощение устройства, повышение его точности и обеспечение частотного выхода. Упрощение достигается устранением отдельного блока управления (блока обработки информации). Все процессы управления реализуются за счет связей между блоками. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразования осуществляются непрерывно во времени. Первым существенным признаком является введение следящих аналого-цифровых преобразователей (САЦП1 и САЦП2), отсутствующих в [4] Следящий принцип работы АЦП позволяет обеспечить максимально возможное быстродействие для конкретного типа ЦАП, используемого в схеме САЦП.

В устройстве [4] процессы измерения тока и напряжения сдвинуты во времени. Это ведет к методической погрешности. Дополнительный временной сдвиг в устройстве [4] возникает при переходе к обработке сигнала другой фазы сети при построении многоэлементного счетчика энергии. В предлагаемом устройстве процессы измерения величин тока и напряжения, а также их умножения при помощи УЦАП происходит непрерывно в темпе их периодического изменения.

Второй существенный признак введение последовательно с источником токового сигнала источника напряжения смещения (U_M1). Это позволяет получить напряжение на входе САЦП2 знакоположительным; не вводить блок определения знака; непосредственно соединить цифровой выход САЦП2 с цифровым входом умножающего ЦАП без необходимости в переключениях; реализовать компенсационный метод измерения мощности, при котором напряжение U_М1 выполняет функцию первого сомножителя в выражении для компенсирующей (эталонной) мощности. Компенсационный метод существенно повышает точность измерения, так как снижает влияние нестабильности элементов, через которые одновременно проходят измеряемые и компенсирующие величины.

Третий существенный признак преобразование напряжения, пропорционального мощности, в частоту следования импульсов при помощи следящего АЦП1 (САЦП1) и управляемого делителя частоты УДЧ. Обычные электронные преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) имеют ограниченную точность, особенно если, как в рассматриваемом случае, диапазон частот должен начинаться от инфранизких величин. При использовании УДЧ диапазон частот может начинаться от нуля (при U_p 0, N_р 0, f_p 0). Температурный и временной дрейфы определяются стабильностью генератора опорной частоты (ГОЧ). При кварцевой стабилизации эти дрейфы не превышают 10^-4% В электронных ПНЧ на операционных усилителях дрейф нуля усилителей, нестабильность резисторов и конденсаторов дают дрейфы на 2-3 порядка выше. В отличие от индукционных счетчиков, снабженных датчиками импульсов, у которых цена импульса в единицах энергии чрезмерно велика, здесь цена импульса устанавливается оптимальной с точки зрения минимизации необходимой емкости электромеханического счетчика импульсов и с точки зрения уменьшения погрешности оценки расхода энергии за 0,5 ч максимальной загрузки энергосистемы (снижение цены импульса в кВт.ч/импульс).

На фиг.1 приведена блок-схема счетчика активной энергии с частотным выходом; на фиг. 2 блок-схема следящего аналого-цифрового преобразователя (САЦП); на фиг.3 схема фильтра-усилителя (ФУ) и его соединений с умножающим ЦАП (УЦАП) и с источником напряжения смещения (ИНС); на фиг.4 диаграммы напряжений САЦП.

Счетчик активной энергии (фиг.1) состоит из двух измерительных элементов 1.1 и 1.2 мощности (ИЭМ1, ИЭМ2), фильтра-сумматора 2 (ФС), следящего АЦП 3.1 (САЦП1), генератора 4 опорной частоты (ГОЧ), управляемого делителя 5 частоты (УДЧ), делителя 6 частоты (ДЧ) и электромеханического счетчика 7 (ЭМС). Число измерительных элементов мощности может быть и иным (для промышленных счетчиков требуется от одного до трех элементов).

Измерительный элемент 1.1 мощности (ИЭМ1) содержит измерительный преобразователь 8 тока контролируемой цепи (ИПТ), измерительный преобразователь 9 напряжения контролируемой цепи (ИПН), источник 10 напряжения смещения (ИНС), следящий АЦП 3.2 (САЦП2), умножающий ЦАП 11 (УЦАП) и фильтр-усилитель 12 (ФУ).

Следящий аналого-цифровой преобразователь 3.2 (фиг.2) состоит из двух компараторов 13.1, 13,2 (КО1, КО2), логического элемента 14 дизъюнкции (ЭД), одновибратора 15 (ОВ), реверсивного счетчика 16 (РС), цифроаналогового преобразователя 17 (ЦАП). Фильтр-усилитель 12 (фиг.3) состоит из двух операционных усилителей 18.1, 18.2 (ОУ1, ОУ2), конденсатора 19 и резисторов 20 и 21.

Выходы измерительных элементов 1.1 и 1.2 мощности (фиг.1) соединены с входом фильтра-сумматора 2, выход которого соединен с входом САЦП1 3.1. Счетный вход управляемого делителя 5 частоты соединен с выходом генератора 4 опорной частоты, а управляющий цифровой вход с выходом САЦП1 3.1. Выход управляемого делителя 5 частоты соединен с входом делителя 6 частоты, выход которого является выходом счетчика для информационно-измерительной системы. Выход делителя частоты 6 соединен с входом электромеханического счетчика 7. Вход САЦП2 3.2 соединен с выходом ИПТ 8, с которым последовательно соединен вход ИНС 10. Цифровой вход УЦАП 11 соединен с цифровым выходом САЦП2 3.2, а аналоговый вход УЦАП 11 соединен с выходом ИПН 9, с которым последовательно соединен второй выход ФУ 12. Вход ФУ 12 соединен с выходом УЦАП 11, а первый выход ФУ 12 соединен с первым входом фильтра-сумматора 2 и является выходом измерительного элемента 1.1 мощности.

Первые входы компараторов 13.1, 13.2 (фиг.2) образуют вход САЦП2 3.2. Вторые входы компараторов 13.1, 13.2 соединены с выходом ЦАП 17. Выход КО1 13.1 соединен с первым входом элемента 14 дизъюнкции и с входом направления счета реверсивного счетчика 16. Выход КО2 13.2 соединен с вторым входом элемента дизъюнкции, выход которого соединен с входом одновибратора 15. Выход одновибратора 15 соединен со счетным входом реверсивного счетчика 16. Цифровой выход счетчика 16 является выходом САЦП2 и соединен с цифровым входом ЦАП 17.

Токовый выход УЦАП 11 (фиг.3) соединен с инверсным входом ОУ1 18.1. Конденсатор 19 подключен между выходом ОУ1 и его инверсным входом. Первый операционный усилитель ОУ1 является интегрирующим и инвертирующим. Резистор 20 подключен между выходом ОУ1 и неинверсным выходом ОУ2 18.2. Резистор 21 подключен между неинверсным входом ОУ2 и общей точкой. Резисторы 20 и 21 образуют делитель напряжения. Усилитель ОУ2 является повторителем напряжения. Выход ОУ1 образует первый выход ФУ12, а выход ОУ2 образует его второй выход.

Счетчик энергии работает следующим образом. Измерительный элемент мощности (например ИЭМ1 (фиг.1) осуществляет преобразование произведения токового сигнала U_i и сигнала напряжения U_U в напряжение U_РА. Мгновенное значение напряжения U₁ непрерывно преобразуется в цифровой код N₁ при помощи САЦП2. Напряжение U₁ всегда имеет положительный знак (фиг.4):
U₁ U_i + U_M1
U_misin ( ω t-ϕ) + U_M1, (1) где ϕ угол отставания тока контролируемой цепи от напряжения;
U_M1 напряжение постоянного тока источника напряжений смещения 10. Положительность знака U₁ будет обеспечена, например, при U_M1 U_mi. В процессе возрастания U₁ периодически срабатывает компаратор КО1 (фиг.2), когда соблюдается условие
U₁ U_ос ≥ ΔU_НЧ, (2) где ΔU_НЧ зона нечувствительности, которая может составлять, например, половину цены дискреты аналого-цифрового преобразования. На этом участке вырабатываются импульсы компаратора КО1 Х1, счетчик РС сигналами Х1 устанавливается в режим суммирования. На участке уменьшения U₁срабатывает периодически КО2, выдавая импульсы Х2, счетчик устанавливается при Х1 0 в режим вычитания. Как импульсы Х1, так и импульсы Х2 запускают через ЭД одновибратор 15, формирующий импульс Х3 для счетного входа счетчика 15.

Требования к быстродействию ЦАП определяется следующими соотношениями. Скорость изменения напряжения U₁:
V U_mi ω cos ωt, (3) Цена дискреты при разрядности n
ΔU_g U_1max/(2ⁿ 1), (4) где U_1max максимальное значение U₁.

Минимальное время одного преобразования
Δt_min= (5) Например, при U_mi 5В, ω 314,16 1/с, U_1max 10В, n 10 получаем ΔU_g= 9,775 мВ, Δt_min 6,223 мкс. ЦАП типа К572ПАIА имеет t_уст 5 мкс (n 10), ЦАП типа К1108ПА1А имеет t_уст 0,4 мкс (n 12), т.е. оба ЦАП обеспечивают необходимое быстродействие.

Выходной код счетчика 16 является цифровым выходом САЦП2:
N₁ K₁U₁ (6) Этот код поступает на вход ЦАП 17, на выходе которого формируется напряжение U_ОС, которое подается на вторые входы компараторов КО1 и КО2.

УЦАП (фиг.1) осуществляет перемножение кода N₁ и напряжения U₂. Величина U₂ определяется соотношениями
(7) где U_U выходное напряжение ИПН; U_РА первое, а U_M2 второе выходные напряжения ФУ. При достаточной величине емкости 19 напряжения U_РА и U_M2не будут содержать составляющих с частотами, равными или большими частоты сети, т.е. их можно полагать напряжениями постоянного тока. Для выходного тока УЦАП (фиг.3) можно записать
i K₂U₂N₁ (8) Подставляя в (8) значения U₂ из (7) и N₁ из (6) с учетом (1), получаем:
i K₁K₂(U_U K_ОСU_РА)(U_i + U_M1) (9) В токе i можно выделить три периодические составляющие
i_≈= -0,5K₁K₂U_miU_mucos(2 ω t-ϕ) +
+ K₁K₂U_М1U_musin ωt
K₁K₂K_ОСU_РАU_misin(ω t-ϕ) (10) Эти составляющие компенсируются током через конденсатор 19. Далее в токе i можно выделить две непериодические составляющие
i₌ 0,5K₁K₂U_miU_mucos ϕ
K₁K₂K_ОСU_M1U_РА (11) При достаточно большом коэффициенте усиления ОУ1 ток i₌ стремится к нулю. Тогда из (11) следует
U_PA= кP (12) Сокращение коэффициентов К₁ и К₂ обусловлено компенсационной схемой построения преобразователя ИЭМ1. Таким образом температурные и другие изменения К₁ и К₂ на результат преобразования не влияют. Входящие в коэффициент К преобразования мощности величины К_ОС и U_M1 достаточно просто можно сделать весьма стабильными.

Выходные напряжения измерительных элементов мощности ИЭМ1 и ИЭМ2 суммируются и сглаживаются фильтром-сумматором ФС 2, на выходе которого формируется напряжение постоянного тока
U_Р U_РА + U_РВ (13) САЦП1 3.1 преобразует это напряжение в цифровой код N_р, скорость изменения которого во времени достаточно мала. Это позволяет осуществить преобразование кода N_р в частоту f_р с помощью управляемого делителя частоты УДЧ 5. Пусть частота ГОЧ f_o 1 МГц, а УДЧ представляет собой двенадцатиразрядный двоичный счетчик с управляемым кодом N_ркоэффициентом деления. Максимальное значение кода
U_P.max 2ⁿ 1. (14) Отрезок времени опроса УДЧ, за который код должен измениться не более, чем на единицу
Δt N_P.max/f_о (15) Допустимая скорость изменения кода (в процентах от максимального значения за сек.).

v_доп= (16) Для приведенных численных значений получаем N_P.max 4095, V_доп 5.96%/с. При обычных темпах изменения мощности в сети динамические погрешности учета расхода электроэнергии будут несущественны.

Делитель частоты ДЧ снижает частоту f_p до значения f_вых, которое определяется двумя требованиями. По ГОСТ 6570-75 емкость счетчика должна быть достаточной для работы без переполнения в течение Т₁ 1500 ч. Если принять, что ЭМС 7 имеет 5 десятичных разрядов, то для частоты f_вых,maxможно записать условие
f_вых,max ≅ 10⁵/3600 ^. 24Т₁, (17) что дает при Т₁ 1500 f_вых,max ≅ 1,15 Гц. С другой стороны, чтобы потеря одного импульса за получасовой максимум не приводила к погрешности более 0,1% необходима частота, Гц:
f_вых,max ≥ 100/0,1 ^. 0,5 ^. 3600 0,55 (18)
Таким образом, обоим требованиям удовлетворяет частота f_вых.max≈1Гц. Указанные соотношения позволяют рационально выбрать частоту f_o, разрядность УДЧ и коэффициент деления ДЧ.

Использование: в электроизмерительной технике для измерения расхода активной энергии переменного тока. Сущность изобретения: счетчик содержит следящие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), умножающий цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), источник напряжения смещения, фильтр-усилитель, управляемый делитель частоты. Выходные сигналы измерительных элементов суммируются в фильтре-сумматоре, к выходу которого подключен первый следящий АЦП. Выход первого следящего АЦП соединен с входом управляемого делителя частоты, к выходу которого последовательно подсоединены делитель частоты и электромеханический счетчик. В измерительном элементе к входу второго следящего АЦП подключены выходы измерительного преобразователя тока и источника напряжения смещения, которые между собой соединены последовательно. Выход второго следящего АЦП подключен к цифровому входу умножающего ЦАП, к аналоговому входу которого присоединен выход измерительного преобразователя напряжения и второй выход фильтра-усилителя, соединенные между собой последовательно. Первый выход фильтра-усилителя является выходом измерительного элемента счетчика. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. СЧЕТЧИК АКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ, содержащий измерительные преобразователи тока и напряжения, измерительные элементы мощности, фильтр-сумматор, умножающий цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), отличающийся тем, что в него введены первый следящий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), генератор опорной частоты и управляемый делитель частоты, причем выходы измерительных элементов мощности подключены к входам фильтра-сумматора, выход которого подключен к входу первого следящего АЦП, цифровой выход первого следящего АЦП соединен с управляющим входом управляемого делителя частоты, к счетному входу которого присоединен выход генератора опорной частоты, к выходу управляемого делителя частоты последовательно присоединены делитель частоты и электромеханический счетчик, выход делителя частоты служит частотным выходом счетчика. 2. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что измерительный элемент мощности содержит второй следящий АЦП, источник напряжения смещения и фильтр-усилитель, к входу второго следящего АЦП подключен выход измерительного преобразователя тока, с которым последовательно соединен выход источника напряжения смещения, цифровой выход второго следящего АЦП соединен с цифровым входом умножающего ЦАП, аналоговый вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя напряжения, с которым последовательно соединен второй выход фильтра-усилителя, вход фильтра-усилителя соединен с выходом умножающего ЦАП, первый выход фильтра-усилителя является выходом измерительного элемента мощности. 3. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что фильтр-усилитель содержит два операционных усилителя, первый операционный усилитель является интегрирующим и инвертирующим, второй повторителем напряжения, инверсный вход первого операционного усилителя является входом фильтра-усилителя, а его выход - первым выходом фильтра-усилителя, неинверсный вход второго операционного усилителя через резистивный делитель напряжения подключен к выходу первого операционного усилителя, а его выход служит вторым выходом фильтра-усилителя.