СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 1996 года по МПК G01R11/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения электрической энергии переменного и постоянного тока.

Известен счетчик электроэнергии с импульсным выходом, содержащий перемножитель сигналов, один вход которого подключен к первой входной шине, второй к второй через переключатель полярности сигнала, инвертирующий усилитель постоянного тока, второй переключатель, два интегрирующих конденсатора, формирователь стабильной вольт-секундной площади, реверсивный счетчик.

Известное устройство характеризуется недостаточной точностью, обусловленной погрешностями, связанными с совпадением импульсов обратной связи формирователя стабильной вольт-секундной площади с моментами коммутации переключателя.

Этот недостаток исключается в счетчике, содержащем перемножитель сигналов, переключатель полярности, усилитель постоянного тока, второй переключатель, два интегрирующих конденсатора, формирователь импульсов стабильной вольт-секундной площади, реверсивный счетчик, два дополнительных счетчика и несколько логических элементов. Однако в обоих технических решениях изменение отношения емкостей интегрирующих конденсаторов напрямую связано с погрешностью измерений, что при изменении условий эксплуатации и длительной работе счетчика снижает его точность.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является счетчик электроэнергии, содержащий перемножитель, первый вход которого подключен к первой входной шине, измерительный преобразователь тока, вход которого соединен с второй входной шиной, а выход с входом переключателя полярности, управляющий вход которого соединен с выходом генератора, интегратор, выход которого соединен с входом формирователя стабильной вольтсекундной площади.

Однако, точность этого устройства недостаточно высока вследствие того, что остаточный заряд конденсатора интегратора, накопленный в течение предыдущего полуцикла работы, учитывается в следующем полуцикле с обратным знаком, причем с повышением частоты переключения полярности сигнала погрешность возрастает. При малых входных сигналах увеличивается составляющая погрешности, обусловленная шумами и помехами. Кроме того, измерительный преобразователь, в качестве которого используется трансформатор тока, обеспечивающий гальваническую развязку входных шин, дает дополнительную погрешность, что обусловлено амплитудной и фазовой погрешностями трансформатора тока. Это снижает точность измерений при работе счетчика в широком диапазоне входных токов и изменении cosΦ нагрузки.

Цель изобретения повышение точности измерений.

Это достигается тем, что в счетчик электроэнергии, содержащий перемножитель, первый вход которого подключен к первой входной шине, измерительный преобразователь тока, вход которого соединен с второй входной шиной, выход с входом переключателя полярности сигнала, управляющий вход которого подключен к первому выходу генератора, интегратор, выход которого соединен с входом формирователя импульсов стабильной вольт-секундной площади, который своим выходом подключен через первый резистор к входу интегратора, введен второй переключатель полярности сигнала, анализатор амплитуды, устройство с регулируемым коэффициентом передачи, ключ, второй и третий резисторы, причем второй переключатель полярности входом подключен к выходу перемножителя, выходом через второй резистор к входу интегратора, а управляющим входом к второму выходу генератора, выход первого переключателя полярности соединен с входом устройства с регулируемым коэффициентом передачи, один выход которого соединен с вторым входом перемножителя, другой с входом анализатора амплитуды, управляющий вход устройства с регулируемым коэффициентом передачи соединен с выходом анализатора амплитуды и управляющим входом ключа, вход которого подключен к выходу формирователя импульсов стабильной вольт-секундной площади, выход через третий резистор соединен с входом интегратора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема счетчика электроэнергии.

Счетчик содержит перемножитель сигналов 1, измерительный преобразователь тока 2, первый 3 и второй 4 переключатели полярности сигналов, генератор 5, устройство с регулируемым коэффициентом передачи 6, анализатор амплитуды 7, первый 8, второй 9, третий 10 резисторы, интегратор 11, формирователь импульсов стабильной вольтсекундной площади 12, ключ 13.

Введение второго переключателя полярности 4, позволяет выделить огибающую выходного напряжения перемножителя 1 и исключить погрешность, обусловленную смешением нуля перемножителя. Переключение полярности входного сигнала, поступающего с второй шины (модуляция) на более высокой частоте, позволяет в качестве измерительного преобразователя тока 2 использовать резистивный шунт, что исключает ошибки, связанные с использованием для этих целей измерительного трансформатора тока. Гальваническая развязка входных шин осуществляется в устройстве с регулируемым коэффициентом передачи 6 на промежуточной частоты. Такое решение исключает влияние амплитудной и фазовой погрешностей измерительного трансформатора и увеличивает линейность измерительного преобразователя в диапазоне малых входных сигналов. При снижении входного сигнала анализатор амплитуды 7 формирует команду, по которой увеличивается коэффициент передачи устройства 6 (при котором увеличивается напряжение на входе перемножителя 1) и одновременно подключается третий резистор 10 в цепь обратной связи, соединяющей выход формирователя 12 с входом интегратора 11. Это снижает погрешность счетчика в области малых входных сигналов, обусловленную шумами и помехами, повышает его точность. На фиг. 2 приведена функциональная схема устройства с регулируемым коэффициентом передачи 6. Устройство содержит трансформатор 14, первичная обмотка 15 которого является входом устройства, две вторичные обмотки 16 и 17, включенные последовательно и переключатель 18, причем выход 1 устройства 6 подключен через переключатель 18 к обмоткам 16 и 17, выход 2 к обмотке 17, а управляющий вход устройства 6 соединен с управляющим входом переключателя 18. Использование в качестве устройства с регулируемым коэффициентом передачи трансформатора позволяет переключением вторичных обмоток изменять коэффициент передачи и обеспечивать гальваническую развязку входных шин.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1).

Сигнал измерительного преобразователя тока 2, пропорциональный току нагрузки, поступает на вход первого переключателя полярности сигнала 3, с выхода которого напряжение, модулированное частотой генератора 5, поступает через устройство с регулируемым коэффициентом передачи 6 на второй вход перемножителя. На первый вход перемножителя подается напряжение с первой входной шины, в результате на выходе перемножителя формируется напряжение, модулированное частотой генератора. Амплитуда напряжения пропорциональна произведению сигналов, поступающих с входных шин. Огибающая напряжения с выхода перемножителя выделяется вторым переключателем полярности сигнала и подается через резистор 8 на вход интегратора 11. Под воздействием этого напряжения потенциал на выходе интегратора увеличивается и при достижении уровня срабатывания формирователь 12 вырабатывает импульс разрядного тока стабильной вольт-секундной площади, который через резистор 9 поступает на вход интегратора и снижает его выходное напряжение. Суммарное количество импульсов с выхода формирователя за время T определяется из условия баланса входных токов интегратора и равно
N • •T где К коэффициент пропорциональности, в который входит и коэффициент передачи устройства с регулируемым коэффициентом передачи;
I, U входные ток и напряжение;
R₁ сопротивление резистора в цепи обратной связи между выходом формирователя 12 и входом интегратора 11;
R₂ сопротивление резистора 8;
U_o, t_u амплитуда и длительность импульса на выходе формирователя импульсов стабильной вольт-секундной площади 12;
Т время измерений.

Таким образом, количество импульсов на выходе формирователя 12 пропорционально входной мощности IU и времени измерения Т, т.е. энергии.

При уменьшении входного тока анализатор амплитуды выдает команду, по которой увеличивается К устройства 6 и параллельно резистору 9 ключом 13 подключается резистор 10, при этом сопротивление R₁ (сопротивление параллельно включенных резисторов 9 и 10) становится таким, что произведение KR₁ остается постоянным.

Увеличение коэффициента К осуществляется переключением выхода 2 устройства 6 ключом 18 (см. фиг. 2) с обмотки 16 на последовательно включенные обмотки 16 и 17 трансформатора 14.

В качестве анализатора амплитуды 7 может быть использован амплитудный детектор с триггером Шмитта, вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, выход к выходу анализатора, а вход амплитудного детектора соединен с входом анализатора.

По предлагаемому решению можно реализовать счетчик электроэнергии постоянного тока, а также однофазного и трехфазного напряжения переменного тока. В последнем случае каждая фаза устройства должна содержать элементы 1-4,6,8 (см. фиг. 1), остальные элементы являются общими для трех фаз.

Использование:для измерения электрической энергии постоянного и переменного тока промышленной частоты в однофазных и трехфазных сетях. Предложенный счетчик содержит перемножитель сигналов 1, измерительный преобразователь тока 2, генератор 5, интегратор 11, переключатели полярности 3, 4, формирователь импульсов стабильной вольтсекцидной площадки 12, анализатор амплитуды 7, устройство с регулируемым коэффициентом передачи 6, ключ 13, три резистора 8, 9, 10, соединенные определенным образом. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, содержащий перемножитель сигналов, первый вход которого подключен к первой входной шине, переключатель полярности сигнала, вход которого через измерительный преобразователь тока соединен с второй входной шиной, управляющий вход - с первым выходом генератора, формирователь импульсов стабильной вольт-секундной площади, выход которого через первый резистор подключен к входу интегратора, вход - к выходу интегратора, отличающийся тем, что в него введены второй переключатель полярности сигнала, анализатор амплитуды, устройство с регулируемым коэффициентом передачи, ключ, второй и третий резисторы, причем второй переключатель полярности сигнала входом подключен к выходу перемножителя, выходом через второй резистор - к входу интегратора, управляющим входом - к второму выходу генератора, выход первого переключателя полярности подключен к входу устройства с регулируемым коэффициентом передачи, первый выход которого соединен с вторым входом перемножителя сигналов, второй выход - с входом анализатора амплитуды, управляющий вход устройства соединен с выходом анализатора амплитуды и управляющим входом ключа, вход которого подключен к выходу формирователя импульсов стабильной вольт-секундной площади, выход - к входу интегратора через третий резистор. 2. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что устройство с регулируемым коэффициентом передачи срдержит трансформатор с тремя обмотками, переключатель с управляющим входом, одним подвижным и двумя неподвижными контактами, один из которых соединен с началом второй обмотки, а другой - с объединенными выводами второй и третьей обмоток, при этом первая обмотка образует вход устройства, подвижный контакт переключателя является первым выходом, управляющий вход переключателя - управляющим входом устройства, а соединенные последовательно вторая и третья обмотки образуют второй выход устройства.