СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 1995 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения, контроля и учета электрической мощности и энергии.

Известны счетчики электроэнергии, содержащие перемножитель и схему преобразования напряжения в частоту следования импульсов, в которых повышение точности измерения достигается исключением влияния аддитивной погрешности путем переключения полярности входного сигнала и изменения направления счета в реверсивном счетчике [1] для использование схемы двойного интегрирования с переключаемыми конденсаторами [2]
Недостатком известных счетчиков является сложность схемы, обусловленная необходимостью синхронизации срабатывания переключателей, что снижает надежность или компенсации уходов величин переключаемых конденсаторов схемы двойного интегрирования.

Прототипом изобретения является счетчик электронный с автоматической компенсацией величины смещения [3] содержащий перемножитель, выход которого соединен с входом интегратора и аналоговым выходом устройства компенсации, управляющий выход которого соединен с переключателями, которые через определенные промежутки времени замыкают вход перемножителя на опорный потенциал и шунтируют конденсатор интегратора на время, в течение которого компаратор нулевого напряжения, подключенный к выходу интегратора, так воздействует на устройство компенсации, состоящее из реверсивного счетчика, к выходам которого подключена матрица резисторов, выход которой является аналоговым выходом устройства компенсации, что выходное напряжение интегратора становится равным нулю.

Недостатком данного счетчика является зависимость длительности и частоты повторения циклов компенсации от величины смещения и измеряемой мощности соответственно, что вносит дополнительную ошибку в результат измерения и ограничивает возможность компенсации остаточного напряжения перемножителя при измерениях мощности переменного тока. Необходимость обеспечения малой постоянной времени при компенсации величины смещения снижает помехоустойчивость устройства компенсации.

Цель изобретения повышение точности и снижение потребляемой мощности.

Поставленная цель достигается тем, что компенсация аддитивной погрешности происходит подачей на неинвертирующий вход интегратора напряжения ошибки, которое запоминается конденсатором, подключаемым вторым переключателем к выходу перемножителя на промежуток времени, определенный длительностью импульса с выхода формирователя импульсов, при этом один из входов перемножителя замыкается на общий провод первым переключателем. Применение изобретения позволяет упростить схему счетчика электроэнергии. Потребляемая мощноcть от входной цепи напряжения cнижаетcя за cчет применения диодного моcта в беcтранcформаторном иcточнике питания, а возникающее при этом cинфазное напряжение между входом напряжения и цепями cчетчика электроэнергии подавляется дифференциальным каскадом по входу перемножителя. Потребляемая мощность уменьшается также при подаче напряжения питания на источник опорного напряжения через ключ, управляемый импульсом обратной связи.

На фиг. 1 представлена схема однофазного счетчика электроэнергии; на фиг. 2 то же, многофазного.

Счетчик электроэнергии содержит входные преобразователи 1 и 2 тока и напряжения, первый переключатель 3, бестрансформаторный источник 4 питания, перемножитель 5 с дифференциальными входами, второй переключатель 6, запоминающий конденсатор 7, первый ключ 8, источник 9 опорного напряжения, второй ключ 10, формирователь 11 импульсов, интегратор 12, генератор 13 опорной частоты, формирователь 14 импульсов обратной связи и счетчик 15 импульсов.

Вход по току соединен через преобразователь 1 тока с первым входом переключателя 3, второй вход которого соединен с общим проводом, а выход с входом У перемножителя 5. Входы Х перемножителя 5, являющиеся дифференциальными, соединены через преобразователь 2 напряжения c входом напряжения и нулевой точкой и с соответствующими входами бестрансформаторного источника 4 питания счетчика электроэнергии. Выход перемножителя 5 соединен с входом переключателя 6, первый выход которого соединен с запоминающим конденсатором 7 и неинвертирующим входом интегратора 12, а второй с первым инвертирующим входом интегратора 12, второй инвертирующий вход которого соединен через первый ключ 8 с выходом источника 9 опорного напряжения, вход которого соединен через второй ключ 10 с выходом отрицательного напряжения бестрансформаторного источника 4 питания. Выход интегратора 12 соединен с вторым входом формирователя 14 импульсов обратной связи, первый вход которого соединен с выходом генератора 13 опорной частоты и входом формирователя 11 импульсов, выход которого соединен с управляющими входами переключателей 3 и 6. Выход формирователя 14 импульсов обратной связи соединен с управляющими входами ключей 8 и 10 и входом счетчика 15 импульсов.

Входные ток I и напряжение U, преобразованные преобразователями 1 и 2 тока и напряжения с коэффициентами К₁ и К_u, соответственно поступают на входы Y и X перемножителя 5
U_y K_i ˙ I U_x K_u ˙ U (1)
При указанных положениях переключателя 3 и 6 напряжение с выхода перемножителя 5, пропорциональное измеренной мощности, имеет вид
U₅ K₅ ˙ U_x ˙ U_y ± (U_см + U_остх +
+ U_осту), (2) где K₅ масштабный коэффициент перемножителя 5;
U_см напряжение смещения перемножителя 5;
U_остх, U_осту остаточные напряжения по входам Х и Y перемножителя 5 соответственно и поступает на первый инвертирующий вход интегратора. При наличии импульса на выходе формирователя 7 импульсов переключатели 3 и 6 переводятся в противоположное положение и напряжение с выхода перемножителя 5
U₅'± (U_см + U_остх) (3) запоминается на конденсаторе 8 и поступает на неинвертирующий вход интегратора 12. Учитывая, что
U_осту К₅ ˙ U_y ˙ U_смх, (4) где U_смх напряжение смещения по входу Х перемножителя 5, и, что напряжение U, а следовательно, и напряжение U_х на входе Х перемножителя 5, изменяется в небольших пределах, то выбором коэффициента К_u см.(1) можно обеспечить выполнение условия
U_x >> U_смх (5)
Следовательно
K₅ ˙ U_x ˙ U_y >> U_осту (6) и величиной U_осту можно пренебречь.

Коммутация переключателей 3 и 6 происходит с определенной скважностью Q, величина которой определяется формирователем 7 импульсов, а стабильность стабильностью генератора 13 опорной частоты.

Таким образом входное напряжение интегратора 12 имеет окончательный вид
U₁₂= K₅·U_xU_y· K₁·K_U·K₅·I·U· (7)
Использование в качестве накопительного элемента конденсатора 7 и достаточно высокая частота повторения выборок позволяют обеспечить высокую помехоустойчивость схемы коррекции аддитивной погрешности, а также при выполнении условия
f_п ≥ 2f₅, (8) где f_п частота повторения выборок;
f₅ наибольшая частота сигнала на выходе перемножителя 5, в счетчике электроэнергии происходит подавление не только напряжения смещения перемножителя 5, а и остаточного напряжения при измерении энергии переменного тока.

Напряжение (7) преобразуется в частоту преобразователем, состоящим из интегратора 12, ключа 9, источника 10 опорного напряжения, генератора 13 опорной частоты и формирователя 14 импульсов обратной связи с коэффициентом К_пнч
f_вых.= K₁·K_U·K₅·K_пнч·U·I· (9)
Импульсы с выхода преобразователя напряжение-частота (с выхода формирователя 14 импульсов обратной связи), частота следования которых пропорциональна измеряемой мощности, а их количество за единицу времени энергии электрического тока, накапливаются в счетчике 15 импульсов. Применение в бестрансформаторном источнике 4 питания диодного моста (диоды 4В, 4С, 4Д, 4Е), один вход которого соединен через гасящий конденсатор 4А с входом напряжения, другой вход с нулевой точкой, а выходы с входами стабилизатора, состоящего из стабилитронов 4F, 4G и фильтрующих конденсаторов 4I, 4J позволяет получить высокий КПД бестрансформаторного источника 4 питания и соответственно малую мощность, потребляемую счетчиком электроэнергии от входной цепи. Возникающее при этом синфазное напряжение между входом напряжения и цепями счетчика электроэнергии
U_синф U₊ + U_- + 2U_д, (10) где U₊ падение напряжения на стабилитроне 4F;
U_- падение напряжения на стабилитроне 4G;
U_д падение напряжения на выпрямительном диоде, ослабляется входным преобразователем 2 напряжения и дифферен- циальным каскадом по входу Х перемножителя 5.

Введение ключа 11 между выходом отрицательного напряжения источника 4 питания и входом источника 10 опорного напряжения, управляемого импульсом обратной связи, позволяет уменьшить ток, потребляемый от бестрансформаторного источника 4 питания, а следовательно, и потребляемую мощность всего счетчика электроэнергии.

На фиг.2 показана схема счетчика электроэнергии для измерения мощности и энергии электрического тока в многофазных системах (в данном случае в трехфазной системе). Отличие от однофазного варианта состоит в использовании соответствующего числа каналов 16 умножения и суммирующего интегратора 12.

Дифференциальные входы напряжения ослабляют синфазное напряжение, возникающее между входами напряжений и цепями счетчика электроэнергии из-за возможной несимметрии нагрузок в счетчике по разным фазам, позволяя использовать надежный, требующий меньшего количества элементов, бестрансформаторный источник питания.

Использование бестрансформаторного источника питания, связанного с нулевой точкой, не обеспечивает одинаковых режимов работы источника питания при различных схемах включения счетчика.

Счетчики электроэнергии с дифференциальными входами могут быть использованы для измерения реактивной энергии способами ваттметров.

Таким образом счетчик электроэнергии позволяет получить высокую точность измерения благодаря компенсации не только величины напряжения смещения, а и остаточного напряжения перемножителя, иметь схему компенсации с высокой помехоустойчивостью, обеспеченную применением запоминающего конденсатора и достаточно высокой частоты повторения выборок, и малую потребляемую мощность благодаря использованию схемы выпрямления с высоким КПД и коммутируемого источника опорного напряжения, а также большие функциональные возможности благодаря применению перемножителя с дифференциальными входами.

Использование: в электроизмерительной технике для измерения, контроля и учета электрической мощности и энергии. Сущность изобретения: счетчик содержит преобразователи 1, 2 тока и напряжения, переключатель 3, безтрансформаторный источник 4 питания, перемножитель 5 с дифференциальными входами, ключ 8, источник 9 опорного напряжения, интегратор 12, генератор 13 опорной частоты, формирователь 14 импульсов обратной связи и счетчик 15 импульсов. Введение переключателя 6, запоминающего конденсатора 7 и формирователя 11 импульсов позволяет компенсировать аддитивную погрешность перемножителя 5. Использование диодного моста в бестрансформаторном источнике 4 питания и дифференциальных входов перемножителя 5, а также введение ключа 10 позволяет снизить потребляемую мощность. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, содержащий преобразователи тока и напряжения, переключатель, перемножитель с дифференциальными входами, интегратор, генератор опорной частоты, ключ, источник опорного напряжения, формирователь импульсов обратной связи, счетчик импульсов и бестрансформаторный источник питания, отличающийся тем, что в него введены второй переключатель, запоминающий конденсатор и формирователь импульсов, вход которого соединен с выходом и первым входом формирователя импульсов обратной связи, а выход с управляющими входами первого и второго переключателей, первый выход второго переключателя соединен с запоминающим конденсатором и неинвертирующим входом интегратора, второй выход с первым инвертирующим входом интегратора, а вход с выходом перемножителя с дифференциальными входами. 2.Счетчик по п.1, отличающийся тем, что в него введен диодный мост, один выход которого соединен через гасящий конденсатор с входом напряжения, другой с нулевой точкой, а выходы с входами стабилизатора напряжения бестрансформаторного источника питания, перемножитель с дифференциальными входами соединен через преобразователь напряжения с входом напряжения и нулевой точкой. 3. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что в него введен второй ключ между выходом бестрансформаторного источника питания и входом источника опорного напряжения, управляющий вход второго ключа соединен с управляющим входом первого ключа, входом счетчика импульсов и выходом формирователя импульсов обратной связи.