СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 1998 года по МПК G01R11/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в энергетике при измерениях электрической энергии постоянного и переменного тока.

Известен счетчик энергии, содержащий последовательно соединенные реверсивный счетчик импульсов и индикатор, а также интегратор, к входам которого подключены выходы источника первого входного сигнала и источника опорного напряжения с управляемой полярностью, к управляющему входу которого подключен выход первого компаратора (перечисленные признаки являются общими для аналога и заявляемого счетчика), охваченного положительной обратной связью, входы которого соединены с выходами источника второго входного сигнала и интегратора, второй компаратор, два ключа, генератор опорной частоты и логический блок, выходы которого подключены к входам реверсивного счетчика, а входы к выходам генератора опорной частоты и второго компаратора, оба входа которого через резисторы подключены к выходу интегратора и через соответствующие ключи к нулевому потенциалу, причем управляющие входы ключей соединены с выходом первого компаратора [1]
Недостатком известного счетчика является невысокая точность, обусловленная тем, что переключение второго компаратора происходит не при переходе напряжения на выходе интегратора через ноль, так как реальные транзисторные ключи имеют остаточное напряжение.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является счетчик электроэнергии, содержащий первую входную шину и источник опорного напряжения (тока) с управляемой полярностью, подключенные к суммирующему входу интегратора, выход которого подключен ко входам первого и второго компараторов, подключенных своими выходами к входам логического блока, третий вход логического блока подключен к выходу генератора опорной частоты, а выходы к входам реверсивного счетчика импульсов, разрядные выходы которого являются выходом счетчика электроэнергии (перечисленные признаки являются общими для прототипа и заявляемого счетчика), и вторую шину, подключенную к второму входу второго компаратора и к последовательно соединенным сумматору и нульоргану, причем первый компаратор охвачен положительной обратной связью [2]
Однако, и в этом счетчике наличие ЭДС смещения и входных токов компараторов и нуль-органа приводит к аддитивной погрешности счетчика (самоходу), что особенно сказывается на малых нагрузках.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования счетчика, в котором посредством коммутационного инвертирования входного сигнала, пропорционального напряжению, практически полностью устраняется аддитивная составляющая погрешности счетчика электроэнергии (самоход), что подтверждается формулами 7 и 8 описания изобретения.

Поставленная задача решается тем, что в счетчик электроэнергии, содержащий, как и известный, первую входную шину и источник опорного напряжения (тока) с управляемой полярностью, подключенные к суммирующему входу интегратора, выход которого подключен к входам первого и второго компараторов, подключенных своими выходами к входам логического блока, третий вход логического блока, подключенный к выходу генератора опорной частоты, а выходы к входам реверсивного счетчика импульсов, разрядные выходы которого являются выходом счетчика электроэнергии, вторую входную шину, согласно изобретению введены парафазный управляемый инвертор и третий компаратор, подключенный одним входом к выходу интегратора, а другим к выходу источника опорного напряжения (тока) с управляемой полярностью, управляющий вход которого подключен к выходу третьего компаратора, подключенного своим выходом также к четвертому входу логического блока и блока управления инвертированием, выход которого подключен к пятому входу логического блока и к управляющему входу парафазного управляемого инвертора, подключенного своим входом к второй шине, а выходами к входам первого и второго компараторов.

Целесообразно ввести в счетчик управляемый инвертор, вход которого подключен к первой входной шине, выход к суммирующему входу интегратора, а управляющий вход к первому выходу блока управления инвертированием, второй выход которого подключен к управляющему входу парафазного управляемого инвертора, а третий к входу логического блока.

На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного счетчика электроэнергии, на фиг. 2 временные диаграммы его работы, на фиг. 3 - структура предложенного счетчика по п.2, на фиг. 4 временные диаграммы блока 11 управления инвертированием в счетчике электроэнергии по п. 2.

Счетчик электроэнергии содержит входные шины 1 и 2, сигналы на которых пропорциональны соответственно току и напряжению контролируемой цепи, источник 3 опорного напряжения (тока) с управляемой полярностью, подключенный к входу интегратора 4, парафазный управляемый инвертор 5, компараторы 6, 7 и 8, первые входы которых подключены к выходу интегратора 4, а вторые соответственно ко входу источника 3 опорного напряжения, первому и второму выходу парафазного управляемого инвертора 5, генератор 9 опорной частоты, подключенный к одному из входов логического блока 10, другие входы которого подключены к выходам компараторов 6, 7 и 8 и блока 11 управления инвертированием, выходы логического блока 10 подключены к входам реверсивного счетчика 12 импульсов, выход которого может быть непосредственно соединен с входом индикатора 13.

Счетчик работает следующим образом. При отсутствии входных сигналов на вход интегратора 4 подается опорное напряжение +-U_о от источника 3 опорного напряжения с управляемой полярностью. Причем, изменение знака опорного напряжения на входе интегратора 4 происходит при достижении напряжения на его выходе опорных уровней +-U_о компаратора 6. Таким образом, на выходе интегратора 4 генерируется симметричное треугольное напряжение, а на выходе компаратора 6 меандр. Компараторы 7 и 8 при отсутствии входного напряжения будут иметь нулевые пороговые уровни и будут одновременно переключаться в одном и том же направлении, также генерируя на своих выходах меандры. На обоих выходах логического блока 11 сохраняется уровень "логического нуля".

Входным сигналом U_i на шине 1 изменяют скорость изменения напряжения на выходе интегратора 4. Они равны -(U_о + U_i)/Т_о при положительном и (U_о U_i)/Т_о при отрицательном значении опорного напряжения +-U₀ на выходе управляемого источника 3 опорного напряжения. Здесь Т₀ постоянная времени интегратора 4.

Второй входной сигнал U_u с входной шины 2 подается на парафазный управляемый инвертор 5. Для определенности будем считать, что при уровне "логической 1" на его управляющем входе на первом выходе, подключенным к компаратору 7, будет положительное значение напряжения +U_и, а на втором выходе, подключенном к компаратору 8, -U_и. При этом компаратор 7 переключается в моменты равенства напряжения на выходе интегратора +U_и (моменты времени t₃ и t₄ на фиг. 2), а компаратор 8 -U_и (моменты времени t₁ и t₂ на фиг. 2).

При уровне "логического 0" на управляющем входе парафазного управляемого инвертора 5 полярности напряжений на его выходах поменяются на противоположные, и соответственно поменяются значения пороговых уровней компараторов 7 и 8.

Выходные сигналы компараторов 6, 7 и 8, генератора 10 опорной частоты и блока 11 управления инвертированием подаются на входы логического блока 10, который обеспечивает преобразование входных сигналов согласно следующим логическим функциям:

В результате логических преобразований на выходах блока 10 за один цикл преобразования (временной интервал между моментами времени t₀ и t₄ на фиг. 2) формируются две пачки импульсов, одна из которых подается на суммирующий, другая на вычитающий вход реверсивного счетчика 12 импульсов.

Следовательно, в каждом цикле преобразования в реверсивном счетчике 12 записывается число, равное разности импульсов в этих пачках. Учитывая, что длительность пачки импульсов, поступающей на реверсивный вход счетчика 12 (интервал времени между моментами t₀ и t₁ переключения соответственно компаратора 7 и компаратора 8) равна

а длительность пачки импульсов, поступающей на прогрессивный вход счетчика 12 (интервал времени между моментами t₂ и t₃ переключения соответственно компараторов 8 и 7), равна

то их разность будет равна

Таким образом, число импульсов, записанное в реверсивном счетчике 12 за период работы Т (один цикл преобразования), будет равно

где f_О частота генератора 9 опорной частоты.

Так как период работы схемы Т (интервал времени между моментами t0 и t4 на фиг. 2) равен

где U_с верхний порог сравнения компаратора 6,
U_с нижний порог сравнения компаратора 6, то

то есть пропорционально энергии в контролируемой цепи за время Т.

Устранение аддитивной погрешности заявляемого счетчика легко подтвердить, если в формулу (6) ввести суммарные э.д.с. смещения по каналам напряжения и тока (постоянные величины Δ_u и Δ_i).

Если времена измерения энергии при разных полярностях управляющего сигнала на выходе блока 11 равны: t t₁ t₂, то число импульсов, записанное в счетчике за время t₁ + t₂ 2t, будет равно

а так как произведения постоянных величин Δ_u и Δ_i на переменные в среднем за период из измерения равны 0, то из формулы (7) получим

то есть теоретически аддитивная составляющая погрешности счетчика устанавливается полностью.

В реальном парафазном управляющем инверторе 5 э.д.с. смещения, приведенная в выходу, неодинакова при разных полярностях управляющего сигнала, что не позволяет коммутационным инвертированием одного входного сигнала полностью устранить аддитивную составляющую погрешности счетчика, хотя существенно ее снижает. Однако введение управляемого инвертора 14 по входу тока (п. 2 формулы изобретения) позволяет практически устранить аддитивную составляющую погрешности счетчика.

В отличие от известных устройств, в которых применяется коммутационное инвертирование, в предлагаемом счетчике оно не вносит дополнительных погрешностей, связанных с преобразованием (инвертированием) входных и выходных сигналов, поскольку инвертирование входных сигналов в управляемых инверторах 5 и 14 и логические преобразования в блоке 10 происходят в информационные паузы (например, момент времени t₆ на фиг. 2), когда не происходит накопления числа импульсов в реверсивном счетчике импульсов 12.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 866491, кл. G 01 R 21/00. 1979 г. (аналог).

2. Патент Российской Федерации N 1147984, кл.G 01 R 11/00, 1985 г. (прототип).

Предлагаемый счетчик электроэнергии содержит устройство ввода тока и напряжения (входные шины), интегратор, три компаратора, источник опорного напряжения (тока), генератор опорной частоты, логический блок, реверсивный счетчик импульсов, в котором устранение аддитивной составляющей погрешности (самохода) осуществляется введением в канал напряжения парафазного управляемого инвертора, управляемого инвертора в канале тока и блока управления ими. 4 ил.

Счетчик электроэнергии, содержащий первую и вторую входные шины, источник опорного сигнала, интегратор, выход которого соединен с первыми входами первого и второго компараторов, выходы которых соединены соответственно с первым входами логического блока, третий вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, при этом первый и второй выходы логического блока подключены соответственно к первому и второму входам реверсивного счетчика импульсов, разрядные выходы которого являются выходом счетчика электроэнергии, отличающийся тем, что в него введены парафазный управляемый инвертор, блок управления инвертированием и третий компаратор, при этом интегратор выполнен с суммирующим входом, к которому подключены первая входная шина и выход источника опорного сигнала, выполненного в виде источника опорного напряжения или тока с управляемой полярностью, выход которого соединен также с одним из входов третьего компаратора, другой вход которого соединен с выходом интегратора, выход третьего компаратора соединен с четвертым входом логического блока и с входом блока управления инвертированием, выход которого соединен с пятым входом логического блока и с управляющим входом парафазного управляемого инвертора, вход которого соединен с второй входной шиной, а первый и второй выходы соединены соответственно с вторыми входами первого и второго компараторов, при этом логический блок выполнен с возможностью функционирования в соответствии с логическими выражениями

где D и E импульсные последовательности сигналов на выходах логического блока;
B, C, A, F, G импульсные последовательности сигналов соответственно на выходах первого, второго, третьего компараторов, генератора опорной частоты и блока управления инвертированием.