Изобретения относятся к электроизмерительной технике и могут быть использованы для измерения активной электрической энергии в однофазных цепях переменного тока.
Известен и широко применяется в однофазных цепях переменного тока способ измерения электрической энергии, состоящий в преобразовании тока фазного провода и напряжения нагрузки в импульсный электрический сигнал или вращательное движение с частотой, пропорциональной мощности нагрузки в виде среднего значения произведения тока прямого (фазного) или обратного (нулевого) провода нагрузки и напряжения нагрузки, и последующим их подсчетом [1]
До настоящего времени основным средством измерения электрической энергии у однофазных потребителей являются индукционные счетчики, содержащие преобразователь мощности во вращательное движение подвижной системы и счетчик числа оборотов, причем цепи тока и напряжения преобразователя включены соответственно последовательно с прямым (фазным) проводом и параллельно цепи нагрузки. Эти счетчики чувствительны к направлению мощности и при отсутствии стопора обратного хода обладают свойством реверсивности [2]
Известно также большое количество счетчиков электрической энергии статической системы, содержащих преобразователи тока и напряжения нагрузки, преобразователь мощности в частоту импульсного сигнала и счетчик импульсов с отсчетным устройством. Преобразователь тока нагрузки этих счетчиков включен на ток одного, как правило, прямого (фазного) провода нагрузки, а преобразователь мощности в частоту импульсного сигнала работоспособен только для одного направления мощности нагрузки [3]
Недостатком известного способа и устройств, его реализующих, является низкая защищенность результата измерения электрической энергии в случае намеренного его искажения (хищения) посредством уменьшения до сколь угодно малой величины или изменения направления тока на участке цепи, используемом для измерения. Поскольку для построения нереверсивных электронных счетчиков электрической энергии используют однополярное преобразование мощности в частоту импульсного электрического сигнала, то в последнем случае это преобразование прекращается, в индукционных при этом изменяется направление вращательного движения. У потребителя энергии имеется возможность создать такие режимы работы счетчика подключением к участку цепи, используемому для измерения шунтирующих закороток или специальных приспособлений, и в первом случае приостановить накопление показаний измеренной энергии, либо во втором случае уменьшить предшествующее показание. У населения, особенно у индивидуальных домовладельцев, в большом ходу подобные самодельные приспособления (так называемые "отмотчики") для ускоренного уменьшения показаний индукционных счетчиков, изменяющих направление счета и позволяющих в течение нескольких часов свести к нулю накопленные показания за многие месяцы. Эти же устройства наряду с шунтирующими закоротками могут быть применены во время потребления больших мощностей для уменьшения тока на участке фазного провода, используемого для измерения, и искажения показаний индукционных счетчиков, снабженных стопорами обратного хода, а также большинства известных электронных счетчиков.
Кроме того, в трезфазных сетях 0,4 кВ с заземленной нейтралью имеется возможность использовать искусственно или естественно заземленные предметы в качестве обратного провода. При применении в этом случае известного способа измерения электрической энергии, реализованного в серийно выпускаемых счетчиках, и случайно или намеренно измененной схеме подключения счетчика (использования тока нулевого провода сети вместо фазного) эта часть однофазной нагрузки не учитывается. Это оказывается возможным, поскольку в известном способе при измерении учитывается ток только одного из проводов (фазного или нулевого) цепи нагрузки. Подтверждением сказанному являются, например, рекомендуемые ГОСТ 26035-83 схемы включения, согласно которым нулевой провод в однофазных счетчиках непосредственного включения присоединяется "транзитом" и протекающий по нему ток не оказывает влияния на показания счетчика. При этом нагрузка, включаемая между нулевым и фазным проводами, проходящими через счетчик, учитывается правильно, что создает видимость благополучия и затрудняет обнаружение факта хищения.
Известны также устройства для обнаружения неправильного использования счетчиков электрической энергии (хищения) по факту различия токов фазного и нулевого проводов порогового действия и работающих либо на индикацию или сигнализацию, либо на автоматическое отключение потребителя от сети. Их недостатком является потребность в дополнительной коммутационной аппаратуре, необходимость постоянного контроля со стороны службы надзора и невозможность установления количества похищенной электрической энергии [4]
Известно устройство для обнаружения кражи электрической энергии, содержащее датчик разности токов фазного и нулевого проводов нагрузки, вычислитель абсолютного значения и счетчик ампер-часов [5] Данное устройство позволяет сигнализировать о факте некорректного счетчика электрической энергии и проводить оценку количества похищенной энергии. Недостатком данного устройства является низкая защищенность результата измерения от намеренного его искажения (хищения), поскольку показания самого счетчика не защищены ни в случае применения "отмотчика", ни в случае кражи энергии по нулевому проводу. Применение отдельного счетчика ампер-часов, измеряющего разность токов фазного и нулевого проводов нагрузки, кроме собственно необходимости в таком элементе, требует периодического контроля за его показаниями, а также имеет методические недостатки, обусловленные качественным несовпадением характера информационного параметра, который используется в данном устройстве, с активной электрической энергией, измеряемой счетчиком при ее продаже потребителю. При этом, во-первых, из-за интегрирующего характера измерительного органа возможен ложный замер из-за имеющихся у потребителя утечек на землю, имеющих реактивный характер и обусловленных, например, собственной емкостью сети и электрических приборов по отношению к земле, во-вторых, отсутствует однозначная связь между похищенной активной электрической энергией и показаниями счетчика ампер-часов и, в-третьих, отсутствует возможность определения характера произведенного вмешательства в процесс измерения электрической энергии и соответственно свободы выбора реакции счетчика при различных видах этого вмешательства.
Известен способ измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, включающий формирование сигнала мгновенной мощности тока фазного провода и его последующее усреднение, формирование сигнала мгновенной мощности тока нулевого провода, и его последующее усреднение, формирование сигнала мгновенной мощности разности токов фазного и нулевого проводов и его последующее усреднение, определение модуля усредненной мгновенной мощности разности токов фазного и нулевого проводов, формирование сигнала мощности нагрузки, преобразование этого сигнала в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов в качестве результата измерения [6]
Этот способ реализован в устройстве, содержащем датчик тока нулевого провода, выход которого подключен к первому входу первого перемножителя, датчик тока фазного провода выход которого подключен к первому входу второго перемножителя, датчик разности токов фазного и нулевого провода, выход которого подключен к первому входу третьего перемножителя, вторые входы первого, второго и третьего перемножителей соединены с выходом датчика напряжения нагрузки, а их выходы с входами соответственно первого, второго и третьего фильтров низких частот. Выход третьего фильтра низких частот соединен с входом первого блока вычисления модуля. Устройство также содержит первый сумматор, к первому входу которого подключен выход первого фильтра низких частот, второй сумматор, к первому входу которого подключен выход первого блока вычисления модуля, блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого фильтра низких частот. Выход второго сумматора соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, выход которого подключен к входу счетчика, снабженного отсчетным устройством [6]
Известный способ, а также устройство, его реализующее, позволяют обеспечить чувствительность измерения электрической энергии при наиболее распространенных электрических методах их хищения, обычно используемых для приборов, не снабженных защитными приспособлениями, а именно применении потребителем приспособлений, снижающих величину или изменяющих направление тока на участке фазного провода, используемого для измерения, а также энергии, потребленной по цепи фазный провод земля в сети с заземленным нулевым проводов на стороне источника. При этом в рассматриваемом способе в измерении участвует также и ток нулевого провода, что делает его участок, используемый для измерения, доступным для влияния на результат этого измерения. Недостатком способа является зависимость результата измерения от примененного метода хищения, а также чередования фазного и нулевого проводов. В таблице приводятся результаты анализа работы рассматриваемого устройства при различных методах хищения. Так, результаты измерения в случаях раздельного шунтирования закороткой используемых участков фазного или нулевого проводов различается в 2-k раз, где k относительная остаточная величина тока нагрузки в шунтируемой цепи. При использовании земли в качестве обратного провода чувствительность в измерении энергии, потребляемой нагрузки, подключенной к земле, различается в 2 раза для различного чередования фазного и нулевого проводов. А чувствительность способа в случае включения потребителем "обмотчика" в цепи фазного или нулевого проводов различается в k+1 раз, где k кратность ток "отмотчика" по отношению к току нагрузки.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение возможности корректного измерения потребляемой энергии при применении различных методов хищения.
Задача решается тем, что в первом варианте предлагаемого способа измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, включающем формирование сигнала мгновенной мощности тока фазного провода и его последующее усреднение, формирование сигнала мгновенной мощности тока нулевого провода и его последующее усреднение, определение модуля разности усредненных мгновенных мощностей токов фазного и нулевого проводов, формирование сигнала мощности нагрузки, преобразование сигнала мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов в качестве результата измерения, формирует сигнал суммы усредненных мгновенных мощностей токов фазного и нулевого проводов, определяют его модуль, а сигнал мощности нагрузки формируют в виде суммы модуля разности усредненных мгновенных мощностей токов фазного и нулевого проводов и модуля суммы усредненных мгновенных мощностей токов фазного и нулевого проводов.
Во втором варианте предлагаемого способа измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, поставленная задача решается тем, что в способе измерения электрической энергии, включающем формирование сигнала разности токов фазного и нулевого проводов, формирование сигнала разностной мгновенной мощности по сигналу разности токов фазного и нулевого проводов и напряжению нагрузки и его последующее усреднение, формирование модуля усредненной разностной мгновенной мощности, формирование сигнала мощности нагрузки, преобразование мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов в качестве результата измерения, формируют сигнал суммы токов фазного и нулевого проводов, определяют сигнал суммарной мгновенной мощности по сумме токов фазного и нулевого проводов и напряжению нагрузки, производят его усреднение, определяют его модуль, а сигнал мощности нагрузки формируют в виде суммы модулей усредненной суммарной мгновенной мощности и усредненной разностной мгновенной мощности.
В третьем варианте предлагаемого способа измерения электрической энергии в двухпроводных сетях с защитой от хищений, поставленная задача решается тем, что в способе измерения, включающем формирование сигнала разности токов фазного и нулевого проводов, формирование сигнала разностной мгновенной мощности по сигналу разности токов фазного и нулевого проводов и напряжению нагрузки и его последующее усреднение, формирование сигнала мощности нагрузки, преобразование мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала и последующий подсчет числа импульсов в качестве результата измерения, формируют сигнал суммы токов фазного и нулевого проводов, определяют сигнал суммарной мгновенной мощности по сумме токов фазного и нулевого проводов и напряжению нагрузки, производят его усреднение, определяют знак среднего значения суммарной мгновенной мощности и по его значению производят знаковое инвертирование сигнала суммарной мгновенной мощности, определяют знак среднего значения разностной мгновенной мощности, и по его значению производят знаковое инвертирование сигнала разностной мгновенной мощности, суммируют результаты знакового инвертирования сигналов суммарной и разностной мгновенной мощностей, полученную сумму усредняют и используют в качестве сигнала мощности нагрузки.
В устройстве, реализующем первый вариант предлагаемого способа и содержащем датчик тока нулевого провода, выход которого подключен к первому входу первого перемножителя, датчик тока фазного провода, выход которого подключен к первому входу второго перемножителя, вторые входы первого и второго перемножителей соединены с выходом датчика напряжения нагрузки, а их выходы с входами соответственно первого и второго фильтров низких частот, выход первого фильтра низких частот подключен к первому входу блока вычитания, выход которого через первый блок вычисления модуля соединен с первым входом первого сумматора, выход второго фильтра низких частот подключен к первому входу второго сумматора, второй блок вычисления модуля, выход первого сумматора соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, соединенного своим выходом с входом счетчика импульсов, предлагается выход второго фильтра низких частот подключить к второму входу блока вычитания, выход первого фильтра низких частот соединить с вторым входом второго сумматора, выход которого через второй блок вычисления модуля соединить с вторым входом первого сумматора.
Во втором варианте устройства, реализующего второй вариант предлагаемого способа, и содержащем датчик разности тока фазного и нулевого проводов нагрузки, выход которого подключен к первому входу первого перемножителя, второй перемножитель, вторые входы первого и второго перемножителей соединены с выходом датчика напряжения нагрузки, а их выходы с входами соответственно первого и второго фильтров низких частот, выход первого фильтра низких частот через первый блок вычисления модуля соединен с первым входом сумматора, второй блок вычисления модуля, выход сумматора соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, соединенного своим выходом с входом счетчика импульсов, предлагается ввести датчик суммы токов фазного и нулевого проводов нагрузки, выход которого соединить с первым входом второго перемножителя, выход второго фильтра низких частот через второй блок вычисления модуля подключить к второму входу сумматора.
В третьем варианте устройства, реализующем третий вариант предлагаемого способа и содержащем датчик разности токов фазного и нулевого проводов нагрузки, выход которого подключен к первому входу первого перемножителя, второй перемножитель, сумматор, вторые входы первого и второго перемножителей соединены с выходом датчика напряжения нагрузки, первый и второй фильтры низких частот, преобразователь напряжения в частоту, выход которого соединен с входом счетчика импульсов, предлагается ввести датчик суммы токов фазного и нулевого проводов нагрузки, выход которого соединить с первым входом второго перемножителя, третий фильтр низких частот, первый и второй компараторы нуля, первый и второй управляемые инверторы, сигнальные входы которых соединить соответственно с выходами первого и второго перемножителей, а выходы подключить соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого через третий фильтр низких частот, соединить с входом преобразователя напряжения в частоту, выход первого перемножителя через последовательно включенные первый фильтр низких частот и первый компаратор нуля соединить с управляющим входом первого управляемого инвертора, выход второго перемножителя через последовательно включенные второй фильтр низких частот и второй компаратор нуля подключить к управляющему входу второго управляемого инвертора.
Датчик суммы и датчик разности фазного и нулевого проводов нагрузки во втором и третьем вариантах устройства предлагается выполнить в виде трансформаторов тока с двумя соединенными соответственно встречно и согласно первичными обмотками, одна из которых подключена к фазному, а другая к нулевому проводу цепи нагрузки.
Объединение трех технических решений, относящихся к способу и соответственно реализующих их вариантов устройств в одну заявку связано с тем, что все они решают одну и ту же задачу обеспечения корректности измерения потребляемой энергии при различных методах хищения энергии: подключением нагрузки к земле в сетях с заземленной нейтралью питающего трансформатора, шунтирования участков фазного или нулевого проводов, используемых для измерения и включения приспособлений типа "отмотчик", и произвольном подключении фазного и нулевого проводов к счетчику принципиально одним и тем же путем совместного формирования сигналов мгновенной суммарной мощности и мгновенной разностной мощности соответственно по сумме и разности токов фазного и нулевого проводов, формированием сигнала мощности нагрузки в виде суммы абсолютных значений усредненных разностной и суммарной мгновенных мощностей и дальнейшего преобразования результата в частоту импульсного сигнала. При этом сигнал, соответствующий суммарной мощности токов фазного и нулевого проводов цепи нагрузки, используют как основной информационный сигнал при отсутствии попыток хищения энергии перечисленными выше методами и дальнейшего его преобразования в частоту импульсного электрического сигнала. За счет указанной совокупности отличительных признаков обеспечивается инвариантность результата измерения электрической энергии к фазировке используемых для этого напряжения и токов фазного и нулевого проводов нагрузки при двух основных методах хищения электрической энергии намеренного изменения амплитуды тока на участке, используемом для измерения одного из проводов цепи нагрузки, а также при попытке использовать в качестве нулевого провода землю в сети с заземленной нейтралью питающего трансформатора, т.е. и при попытке включения, в отличие от стандартной схемы, фазного провода "транзитом" вместо нулевого. При этом также обеспечивается повышенная чувствительность измерения в случае использования приспособлений типа "отмотчик" с большим уровнем тока, противофазного току нагрузки, на участке, используемом для измерения, одного из проводов цепи нагрузки, но в отличие от известного способа она не зависит от места включения этого приспособления. Независимость результата измерения от фазировки фазного и нулевого проводов обеспечивает также снижение трудоемкости при подключении устройств, реализующих предлагаемый способ (его вариантов) и, что является более важным, исключает необходимость контроля правильности их подключения в процессе эксплуатации как меры против хищения электрической энергии. Кроме того, при этом уменьшается возможность соблазна недобросовестного потребителя в изменении схемы подключения приборов учета электрической энергии или нагрузки и сопряженная с этим опасность поражения электрическим током людей и животных, особенно в случае использования в качестве обратного провода заземленных предметов и земли.
Первый и второй варианты предлагаемого способа измерения электрической энергии различаются в соответствии с принципом суперпозиции по способу формирования мгновенных суммарной и разностной мощностей, определяемых путем перемножения линейной комбинации двух токов и одного напряжения, но отличаются от третьего варианта по способу формирования сигнала мощности нагрузки. При этом все три варианта способа, хотя и отличаются по составу и последовательности выполняемых операций, эквивалентны по достигаемому техническому результату. Первый и второй варианты устройств кроме указанных отличий в реализации соответствующих вариантов предлагаемого способа предполагают различные реализации операций формирования сигналов, пропорциональных разности и сумме токов нулевого и фазного токов: если в первом используются датчики тока каждого провода и последующее формирование их линейной комбинации, то во втором для этого применяются датчики линейной комбинации названных токов. Третий вариант предлагаемого устройства реализует последовательность операций по третьему варианту способа и позволяет оптимальных для минимизации погрешности и аппаратурных затрат образом использовать операции способа знакового инвертирования и усреднения, применяемой при формировании сигнала мощности нагрузки, при реализации смежных операций перемножения или (и) преобразования в частоту импульсного сигнала, как это показано в приведенном примере реализации. Тем не менее все три варианта устройства служат решению одной технической задачи и, несмотря на указанные различия, имеют одинаковые результаты в ее решении.
По указанным причинам сущность изобретений по каждому из вариантов способа и реализующих их вариантов устройств является равноценной, а существенные отличия, обеспечивающие требуемое сочетание технических характеристик, с учетом общих с известным решением признаков, не могут быть объединены обобщающими или альтернативными признаками и потому представлены в виде независимых объектов.
На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего первый вариант предлагаемого способа измерения электрической энергии с защитой от хищений, с включением в двухпроводную сеть; на фиг. 2 схема второго варианта устройства по второму варианту способа; на фиг. 3 схема возможной реализации устройства по второму варианту предлагаемого способа; на фиг. 4 схема третьего варианта устройства по третьему варианту способа; на фиг. 5 схема устройства, реализующего третий вариант предлагаемого способа; на фиг. 6 диаграмма работы устройства по фиг. 5.
Первый вариант устройства, реализующий первый вариант предлагаемого способа измерения электрической энергии, рассматривается на примере его включения в двухпроводную сеть (фиг. 1), являющейся, например, частью трехфазной четырехпроводной сети с заземленной нейтралью трансформатора 1, и при этом измеряющий энергию, потребляемую нагрузкой 2 по фазному 3 и нулевому 4 проводам и нагрузкой 5, которая может быть включена потребителем между фазным проводом и землей. Устройство содержит датчик напряжения 6 нагрузки, подключенный своими входами к нулевому и фазному проводам сети, датчик тока фазного провода 7, входная цепь которого подключена к фазному проводу 3, датчик тока нулевого провода 8, входная цепь которого подключена к нулевому проводу 4, первый 9 и второй 10 перемножители, их первые входы соединены соответственно с выходами датчиков нулевого 8 и фазного 7 токов, а вторые входы подключены к выходу датчика напряжения 6. Выход первого перемножителя 9 подключен к входу первого фильтра низких частот 11, а выход второго перемножителя 10 к входу второго фильтра низких частот 12. Выход первого 11 фильтра низких частот подключен к первому и второму входам, а выход второго 12 фильтра низких частот к второму и первому входам блока вычитания 13 и второго сумматора 14, выходы которых соединены соответственно с входами первого 15 и второго 16 блоков вычисления модуля, в свою очередь выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первого сумматора 17. Выход первого сумматора 17 подключен к входу преобразователя напряжения в частоту 18, выход которого соединен с входом счетчика импульсов 18.
Второй вариант устройства, реализующий второй вариант предлагаемого способа измерения электрической энергии и показанный на фиг. 2, как и устройство по фиг. 1, содержит датчик напряжения 6 нагрузки, подключенный своими входами к фазному 3 и нулевому 4 проводам сети. Вторые входы первого 9 и второго 10 перемножителей подключены к выходу датчика напряжения 6, выход первого перемножителя 9 подключен к входу первого фильтра низких частот 11, а выход второго перемножителя 10 к входу второго фильтра низких частот 12. Выходы первого 11 фильтра низких частот и второго 12 фильтра низких частот соединены соответственно с входами первого 15 и второго 16 блоков вычисления модуля, в свою очередь выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первого сумматора 17. Выход сумматора 17 подключен к входу преобразователя напряжения в частоту 18, выход которого соединен с входом счетчика импульсов 19. Устройство также содержит датчик 20 разности и датчик 21 суммы токов фазного и нулевого проводов нагрузки, первичные цепи которых подключены к фазному 3 и нулевому 4 проводам, а выходы подключены к первым входам соответственно первого 9 и второго 10 перемножителей.
Другая возможность реализации второго варианта предлагаемого способа измерения электрической энергии, показанная на фиг. 3, содержит те же элементы, что и устройство, реализующее первый вариант способа (фиг. 1). Датчик напряжения 6 нагрузки подключен своими входами к фазному 3 и нулевому 4 проводам сети, датчик тока фазного провода 7, входная цепь которого подключена к фазному проводу 3, датчик тока нулевого провода 8, входная цепь которого подключена к нулевому проводу 4. Вторые входы первого 9 и второго 10 перемножителей подключены к выходу датчика напряжения 6. Выход первого перемножителя 9 подключен к входу первого фильтра низких частот 11, а выход второго перемножителя 10 к входу второго фильтра низких частот 12. Выход датчика тока фазного провода 7 подключен к первым, а выход датчика тока нулевого провода 8 к вторым входам блока вычитания 13 и второго сумматора 14, выходы которых соединены с первыми входами соответственно первого 9 и второго 10 перемножителей. Выходы первого 11 фильтра низких частот и второго 12 фильтра низких частот соединены соответственно с входами первого 15 и второго 16 блоков вычисления модуля, в свою очередь выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первого сумматора 17. Выход сумматора 17 подключен к входу преобразователя напряжения в частоту 18, выход которого соединен с входом счетчика импульсов 19.
Схема третьего варианта устройства ( фиг. 4), реализующего третий вариант предлагаемого способа содержит подключенный к фазному 3 и нулевому 4 проводам цепи нагрузки датчик напряжения 6,0 выход которого соединен с вторыми входами первого 9 и второго 10 перемножителей, счетчик импульсов 19, датчик разности 20 и датчик суммы 21 токов фазного и нулевого проводов нагрузки, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого 9 и второго 10 перемножителей, первый 11 и второй 12 фильтры низких частот. Выход первого перемножителя 9 соединен с сигнальным входом первого управляемого инвертора 22, выход которого подключен к первому входу сумматора 17. Выход второго перемножителя 10 соединен с сигнальным входом второго управляемого инвертора 23, выход которого подключен к второму входу сумматора 17, в свою очередь выход которого через третий фильтр низких частот 24 соединен с входом преобразователя напряжения в частоту 18. Вход первого фильтра низких частот 11 соединен с выходом первого перемножителя 9, а выход соединен с входом первого компаратора нуля 25, выход которого соединен с управляющим входом первого управляемого инвертора 22. Вход второго фильтра низких частот 12 соединен с выходом второго перемножителя 10, а выход соединен с входом второго компаратора нуля 26, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого инвертора 23.
Другая возможная реализация третьего варианта предлагаемого способа измерения электрической энергии, показанная на фиг. 5, содержит подключенный к фазному 3 и нулевому 4 проводам цепи нагрузки датчик напряжения 6, выход которого соединен с вторыми входами первого 9 и второго 10 перемножителей, счетчик импульсов 19, датчик разности 20 и датчик суммы 21 токов фазного и нулевого проводов нагрузки, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого 9 и второго 10 перемножителей, первый 11 и второй 12 фильтры низких частот. Выход первого перемножителя 9 соединен с сигнальным входом первого управляемого инвертора 22, выход которого подключен к первому входу сумматоpа 17, в свою очередь выход которого через первый интегратоp 27 соединен с входом гистерезисного компаратоpа 28. Выход второго перемножителя 10 соединен с сигнальным входом второго управляемого инвертоpа 23, выход которого подключен к второму входу сумматора 17. Вход первого фильтра низких частот 11 соединен с выходом первого перемножителя 9, а выход соединен с входом первого компаратора нуля 25. Вход второго фильтра низких частот 12 соединен с выходом второго перемножителя 10, а выход соединен с входом второго компаратора нуля 26. Выход первого компаратора нуля 25 и выход гистерезисного компаратора 28 подключены соответственно к первому и второму входам первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29, выход которого соединен с управляющим входом первого управляемого инвертора 22. Выход второго компаратора нуля 26 и выход гистерезисного компаратора 28 подключены соответственно к первому и второму входам второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 30, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого инвертора 23. Выход гистерезисного компаратора 28 подключен также к входу счетчика импульсов 19.
Измерение электрической энергии, осуществляемое в соответствии с первым вариантом предлагаемого способа, поясняется на примере работы первого варианта устройства, его реализующего (фиг. 1). Датчики тока 7 и 8 формируют на своих выходах сигналы, пропорциональные соответственно токам фазного 3 и нулевого 4 проводов цепи нагрузки. Из этих сигналов, а также выходного сигнала датчика напряжения 6 с помощью четырехквадратных первого 9 и второго 10 перемножителей формируются сигналы мгновенной мощности токов нулевого 4 и фазного 3 проводов. Первый 11 и второй 12 фильтры низких частот формируют среднее значение этих сигналов в виде напряжения постоянного тока, пропорционального активной мощности, соответствующей токам фазного 3 и нулевого 4 проводов цепи нагрузки. Если токи фазного 3 и нулевого 4 проводов одинаковы, то есть факт хищения энергии отсутствует, то сигнал разности усредненных мгновенных мощностей, формируемый на выходе блока вычитания 13, равен нулю и не оказывает влияния на результат измерения. При этом сигнал суммы усредненных мгновенных мощностей на выходе второго сумматора 14, а также сигнал мощности нагрузки на выходе первого сумматора 17 равен удвоенной мощности нагрузки независимо от фазировки (чередования) фазного и нулевого проводов при подключении к входным клеммам устройства. Частота импульсов выходного сигнала преобразователя напряжения в частоту 18 пропорциональна сигналу мощности нагрузки на выходе первого сумматора 17. Импульсы подсчитываются счетчиком импульсов 19, а их количество пропорционально активной энергии, потребляемой нагрузкой с начала измерения, и индицируется отсчетным устройством.
Если токи фазного 3 и нулевого 4 проводов не равны, что возможно только при использовании потребителем в качестве обратного провода земли или вмешательстве в процесс измерения с помощью "отмотчика" или шунтирующей закоротки, то сигнал разности усредненных мгновенных мощностей на выходе блока вычитания 13 не равен нулю, и его абсолютное значение в первом сумматоре 17 компенсирует в сигнале мощности нагрузки уменьшение сигнала суммы усредненных мгновенных мощностей на выходе второго сумматора 14 и соответственно значение измеряемой энергии, фиксируемое в виде количества импульсов на выходе преобразователя напряжения в частоту 18 счетчиком импульсов 19. Предлагаемая последовательность операций обеспечивает корректное, т.е. с одинаковыми масштабными коэффициентами, измерение электрической энергии нагрузок, включенных между фазным и нулевым проводом и фазным проводом и землей, причем при любом чередовании нулевого и фазного проводов. Это подтверждается результатами сопоставления известного и предлагаемого способов, приведенного в таблице. В случае применения "отмотчика" ток, создаваемый этим приспособлением, противоположен по направлению току нагрузки, а результат измерения зависит от соотношения их величин. Сигнал суммарной мощности на выходе второго сумматора 14, соответствующей токам фазного и нулевого проводов, отрицателен, а на выходе блока вычитания 13 положителен, но влияние блоков вычисления модуля 15 и 16 обеспечивает положительность сигнала суммарной мощности на выходе первого сумматора 17. Это дает возможность применения стандартного преобразователя напряжения в частоту 18, работоспособного только для одной полярности входного сигнала. Обычно величину току "отмотчика" задают значительно превышающей ток нагрузки, например, в k раз. При k>2 сигнал на выходе первого сумматора 17 пропорционален току отмотчика, а при k 2 или k<2 пропорционален току нагрузки. Это делает бессмысленным применение "отмотчика" не только из-за невозможности изменения результата измерения в сторону уменьшения, но и для полной или частичной компенсации мощности нагрузки.
Измерение электрической энергии, осуществляемое в соответствии со вторым вариантом предлагаемого способа, поясняется на примере работы устройства, изображенного на фиг. 2. В этом устройстве для получения сигналов суммы и разности токов фазного и нулевого проводов используются соответственно датчик разности 20 и датчик суммы 21 токов фазного и нулевого проводов. Из выходных сигналов этих датчиков, а также выходного сигнала датчика напряжения 6 с помощью четырехквадратных первого 9 и второго 10 перемножителей формируют напряжения постоянного тока, пропорциональные соответственно разностной и суммарной мгновенным мощностям, соответствующих току разности и суммы току фазного 3 и нулевого 4 проводов цепи нагрузки. В остальном работа устройства и достигаемый результат аналогичны описанному выше устройству по фиг. 1.
В другом возможном варианте выполнения устройства, реализующего второй вариант предлагаемого способа (фиг. 3), как и в устройстве по фиг. 2, предварительно формируются сигналы суммы и разности токов фазного и нулевого проводов. Однако в качестве первичных датчиков, как и в устройстве по первому варианту способа, используются датчики 7 и 8 токов фазного и нулевого проводов. Из выходных сигналов этих датчиков, пропорциональных соответственно токам фазного 3 и нулевого 4 проводов цепи нагрузки, с помощью первого блока вычитания 13 и сумматора 14 формируют соответственно сигналы разности и суммы токов фазного и нулевого проводов. Дальнейшее преобразование производится аналогично и с помощью тех же средств, что и в устройстве по фиг. 2.
Реализация третьего варианта предлагаемого способа измерения электрической энергии поясняется описанием работы третьего варианта устройства, схема которого приведена на фиг. 4. В этом устройстве для получения сигналов разности и суммы токов фазного и нулевого проводов используются соответственно датчики 20 и 21. В отличие же от рассмотренных выше устройств реализации первого и второго вариантов способа, применен иной порядок формирования сигнала мощности нагрузки. Первый перемножитель 9 формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный разностной мгновенной мощности, соответствующей разнице токов фазного и нулевого проводов на выходе датчика разности токов 20 и напряжения нагрузок на выходе датчика напряжения 6. Выходной сигнал первого управляемого инвертора 22, реализующего операцию знакового инвертирования способа, равен по модулю и соответствует или инверсен по полярности сигналу на его входе, равному сигналу разностной мгновенной мощности, в зависимости от значения сигнала на управляющем входе. При этом состояние первого управляемого инвертора 22 устанавливается таким, чтобы знак среднего значения его выходного сигнала, не зависел от изменения полярности среднего значения выходного сигнала первого перемножителя 9. Для этого с помощью первого фильтра низких частот 11 определяется среднее значение сигнала разностной мгновенной мощности на выходе первого перемножителя 9, а служащий для определения его знака первый компаратор нуля 25 своим входным сигналом устанавливает необходимый для названного условия коэффициент передачи первого управляемого инвертора 22. Аналогично второй перемножитель 10 формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный суммарной мгновенной мощности, соответствующей сумме токов фазного и нулевого проводов на выходе датчика 21 и напряжения нагрузки на выходе датчика напряжения 6. Как и по каналу разностной мощности, состояние второго управляемого инвертора 23 устанавливается таким, чтобы среднее значение его выходного сигнала также было только однополярным. Для этого с помощью второго фильтра низких частот 12 определяется среднее значение сигнала суммарной мгновенной мощности, а второй компаратор нуля 26, служащий для определения его знака, своим входным сигналом устанавливает необходимый для названного условия коэффициент передачи второго управляемого инвертора 23. Выходные сигналы первого 22 и второго 23 управляемых инверторов суммируются сумматором 17, выходной сигнал которого усредняется третьим фильтром низких частот 24, причем выделенная постоянная составляющая всегда однополярна и соответствует сигналу мощности нагрузки. Последний с помощью преобразователя напряжения в частоту 18 преобразуется в пропорциональную ему частоту импульсов, число которых подсчитывается счетчиком импульсов 19 и индицируется отсчетным устройством в качестве количества электрической энергии, потребляемой нагрузкой с начала измерения.
В качестве примера возможностей использования преимуществ третьего варианта предлагаемого способа на фиг. 5 приведена схема реализующего его устройства, в котором операции знакового инвертирования и усреднения участвуют также и в реализации операции преобразования в частоту импульсного сигнала, что позволяет минимизировать погрешности и аппаратурные затраты. Работа устройства поясняется диаграммой, приведенной на фиг. 6, в случае включения в цепь 3-3 "отмотчика" с током, превышающим ток нагрузки. Для реализации операции усреднения суммы результатов знакового инвертирования сигналов суммарной и разностной мгновенной мощностей используется интегратор 27, напряжение U27 на выходе которого при ненулевом значении сигнала, на выходе сумматора 17 увеличивается или уменьшается и определяет одно из двух возможных состояний гистерезисного компаратора 28. Значение выходного сигнала этого элемента U28, устанавливающееся при увеличении напряжения U27 на выходе интегратора 27 и достижении его величины верхнего порога, сохраняется после этого, как при больших значениях этого напряжения, так и при его уменьшении вплоть до нижнего порога, когда состояние гистерезисного компаратора 28 принимает свое второе значение. В свою очередь, второе состояние сохраняется после этого, как при значениях напряжения на выходе интегратора 27, меньших нижнего порога, так и при больших, но не превышающих верхнего порога срабатывания. Выходной сигнал гистерезисного компаратора 28 изменяет состояния первого 22 и второго 23 управляемых инверторов соответственно через первый 29 и через второй 30 элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ таким образом, что для какой-либо одной из двух возможных полярностей среднего значения сигнала на выходе сумматора 17 при достижении напряжения на выходе интегратора 27 верхнего порога срабатывания гистерезисного компаратора 28 его изменившийся выходной сигнал переключает состояния первого 22 и второго 23 управляемых инверторов, что приводит к уменьшению напряжения на интеграторе 27. Постоянная инвертирования интегратора выбирается такой, чтобы при максимальном значении сигнала мощности нагрузки на выходе сумматора 17 изменение напряжения на выходе интегратора 27 было по крайней мере вдвое меньше разности верхнего и нижнего порогов срабатывания гистерезисного компаратора 28 (ширина петли гистерезиса Ug). При соблюдении указанных условий и неизменном направлении средней мощности в измеряемой сети в течение времени, не меньшем постоянной времени первого 11 и второго 12 фильтров низких частот, отрицательная обратная связь, осуществляемая соединением выхода гистерезисного компаратора 28 через первый 29 и второй 30 логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ управляющих входов соответственно первого 22 и второго 23 управляемых инверторов, обеспечивает поддержание напряжения на выходе интегратора 27 внутри диапазона, ограниченного верхним и нижним порогами срабатывания гистерезисного компаратора 28 (ширины петли гистерезиса Ug), т.е. соблюдается условие отрицательности обратной связи по частоте. При этом форма выходного напряжения интегратора 27 близка к пилообразной с размахом, равным ширине путли гистерезиса гистерезисного компаратора 28, а средняя частота импульсного сигнала на выходе последнего пропорциональна среднему значению постоянной составляющей сигнала мощности нагрузки по выходе сумматора 17. В сети переменного тока указанный параметр характеризует активную мощность, то есть учитывает и коэффициент мощности.
Для правильной работы устройства необходимо наличие гистерезиса передаточной характеристики преобразования у гистерезисного компаратора 28. Другое используемое в литературе название таких элементов регенераторный компаратор, реализуемый на одном или двух компараторах с обязательным введением элементов с положительной обратной связью (11). Хорошо известными являются и методы стабилизации порогов срабатывания и ширины петли гистерезиса.
Как датчики токов фазного и нулевого проводов, используемые в устройствах по фиг. 1 и 3, так и датчики суммы и разности токов фазного и нулевого проводов в устройстве по фиг. 2, 4 и 5 могут быть выполнены в виде трансформаторов тока, например, на тороидальном магнитном сердечнике с одним или несколькими первичными витками. При этом в датчиках суммы и разности токов фазного и нулевого проводов первичная обмотка образуется как фазным, так и нулевым проводами, как это изображено на фиг. 2, 4, 5. Кроме того, для реализации датчиков токов фазного и нулевого проводов, а также и датчиков суммы и разности токов фазного и нулевого проводов устройств по фиг. 1-5 могут быть использованы элементы на эффекте Холла, включенные, например, в зазор магнитопровода тороидального магнитного сердечника. При этом в устройствах по фиг. 1,2,4 и 5 элементы Холла могут быть также одновременно использованы в качестве перемножителей для формирования сигналов мгновенной мощности токов фазного и нулевого проводов и суммы и разности токов фазного и нулевого проводов.
Результат измерения с помощью устройств, реализующих третий вариант способа, как и в устройствах по первым двум вариантам способа, является корректным при рассмотренных выше видах хищения, то есть с одинаковыми масштабными коэффициентами, характеризует количество электрической энергии, потребленной нагрузкой, включенном между фазным и нулевым проводом, а также фазным проводом и землей, шунтировании одной из последовательных цепей устройства закоротками или принудительного уменьшения, полной компенсации или перекомпенсации (в пределах тока нагрузки) тока этой цепи. В случае применения "отмотчика", включенного в одну из последовательных цепей, с током, противофазным току нагрузки и превышающим его более чем в 2 раза, энергия, фиксируемая устройством, соответствует току "отмотчика". Указанные свойства устройства сохраняются при любом чередовании нулевого и фазного проводов.
Использование: в электроизмерительной технике, для измерения электрической энергии в целях переменного тока для целей коммерческого учета. Сущность: способ предполагает формирование сигналов мгновенных мощностей токов фазного и нулевого проводов, их последующее усреднение, определение модуля разности их усредненных значений, преобразование сигнала мощности нагрузки в частоту импульсного сигнала и подсчет числа импульсов. Новым в первом варианте способа является формирование модуля суммы усредненных значений мгновенных мощностей токов фазного и нулевого проводов, суммирование его с модулем разности усредненных значений мгновенных мощностей токов фазного и нулевого проводов для получения сигнала мощности нагрузки. Во втором варианте способа определяют разность и сумму токов фазного и нулевого проводов, которые используют для определения разностей и суммарной мгновенных мощностей. Модули их средних значений используют для определения разностной и суммарной мгновенных мощностей. Модули их средних значений используют в качестве составляющих сигнала мощности нагрузки. В третьем варианте способа, сигнал мощности нагрузки формируют как среднее значение суммы разностной и суммарной мгновенных мощностей, которые предварительно подвергают знаковому инвертированию. Знаковое инвертирование каждого сигнала производят в зависимости от полярности их среднего значения. 2 с.п. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.
