ЭЛЕКТРОННЫЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2001 года по МПК G01R21/06 G01R22/00 G01F1/56 

Техническое решение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока в различных отраслях народного хозяйства, в системах автоматизированного контроля, управления и распределения электроэнергии, сбора и обработки информации от других датчиков системы.

Известно устройство контроля электрической энергии с дискретизацией тока и напряжения (см. патент US N 5498956, НКИ 324-142, 1995 г.), содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к линиям для формирования цифровых выборок, характеризующих соответственно составляющие тока и напряжения электрической энергии. Выборки поступают на программный процессор, формирующий первый и второй сигналы управления и рассчитывающий амплитуды тока и напряжения. Процессор содержит генератор синхросигналов и первую служебную программу прерывания, управляющую подачей первого и второго сигналов на АЦП. При этом полученные выборки записываются в запоминающее устройство (ЗУ) и задается момент следующего вызова программы прерывания для записи в ЗУ следующей выборки тока и напряжения и момент вызова второй служебной программы прерывания для обработки записанной выборки. Вторая программа выполняет возведение в квадрат каждую записанную в ЗУ выборку и производит накопление суммы возведенных в квадрат значений тока и напряжения.

Известно устройство измерения коэффициента мощности в многофазной цепи (см. патент JP N 044017/95, МКИ G 01 R 21/00), содержащее схему INP, MNL, PS для измерения мощности, АЦП и микропроцессор. Схема измерения мощности производит умножение переменного тока и тока, сдвинутого по фазе схемами PS1 - PS3, на соответствующее напряжение переменного тока, преобразованное в промодулированные по ширине импульсы (ШИМ) схемами PWM1- PWM3, АЦП преобразует в цифровые данные величины активной P и реактивной Q мощностей, полученные схемой измерения мощности. Микропроцессор содержит: ЗУ ROM для хранения тригонометрических функций; ЗУ RAM для считывания цифровых данных P и Q из АЦП; операционное средство для выполнения операций по делению Q/P; средство последовательного сравнения величины Q/P и величины tg Φ из таблицы тригонометрических функций; средство, которое из этой таблицы считывает величину cos Φ во время превышения по данным аргумента Φ опережения или запаздывания; средство, которое посредством блока D1 отображает величины cos Φ во время превышения величины Q/P величины tg Φ и результат различного опережения и запаздывания.

Недостатками известных технических решений являются: использование датчиков напряжения и тока с аналоговым выходным сигналом; использование многоразрядных АЦП для трансформации аналоговых сигналов датчиков напряжения и тока в цифровую форму при одновременном использовании процессора в заявленных устройствах.

По этим причинам усложняется и удлиняется общий цикл измерения электроэнергии и других параметров электросети и вследствие этого увеличивается погрешность измерений, снижается скорость их проведения, сужается перечень измеряемых параметров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является счетчик электрической энергии (см. патент GB N 2096370, МКИ G 01 F 01/56, 1982), содержащий датчики напряжения и тока, соединенные с перемножителем-преобразователем, выход которого подключен к микропроцессору, информационные выходы которого соединены двунаправленной шиной с входами дисплея и устройства предоплаты, обеспечивающего прием электронных денег в виде электронной карточки, а также оперативно-запоминающее устройство, связанную с микропроцессором директивную кнопку и переключающее устройство.

Недостатком данного технического решения является то, что первичная обработка информации проводится вне процессора, что приводит к неполному использованию потенциальных возможностей процессора, снижает скорость и точность проведения измерений.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении точности и скорости измерений и расширении функциональных возможностей устройства в целом.

Указанный результат достигается тем, что многофункциональный счетчик электрической энергии, содержащий датчик напряжения и датчик тока, а также, выполненный на основе сигнального процессора, контроллер счетчика, обеспечивающий оперативное решение задач многотарифного учета активной и реактивной электроэнергии, регистрацию и индикацию текущей информации и формирование выходных телеметрических данных, отличается тем, что датчик напряжения и датчик тока выполнены на одинаковых трансформаторах тока, каждый из которых содержит ферромагнитный сердечник, токовую обмотку, обмотку возбуждения, обмотку обратной связи и компенсационную обмотку, при этом токовая обмотка трансформатора датчика тока включена в разрыв цепи измеряемого тока, а токовая обмотка трансформатора датчика напряжения через токоограничивающий резистор включена параллельно цепи измеряемого напряжения, в свою очередь, каждая из обмоток возбуждения соединена с времязадающими входами одного из двух генераторов ШИМ-сигналов, выходы которых соединены с сигнальными входами контроллера счетчика, шины адреса и данных которого соединены с соответствующими входами адреса и данных устройства автоматической регулировки уровня сигналов, состоящего из двух каналов с аналоговыми токовыми выходами, один из которых соединен с обмоткой обратной связи трансформатора датчика тока, а другой выход соединен с обмоткой обратной связи трансформатора датчика напряжения, кроме этого, шины адреса и данных контроллера счетчика соединены с соответствующими входами адреса и данных устройства автоматической компенсации погрешности, состоящего из двух каналов с аналоговыми токовыми выходами, один из которых соединен с компенсационной обмоткой трансформатора датчика тока, а другой выход соединен с компенсационной обмоткой трансформатора датчика напряжения, при этом свободные концы всех компенсационных обмоток и обмоток обратной связи соединены с корпусом.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что измерение и аналого-цифровое преобразование сигналов производятся датчиками напряжения (ДН) и тока (ДТ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), что позволяет более полно использовать вычислительные возможности процессора контроллера счетчика, который совместно с устройствами автоматической регулировки уровня (АРУ) сигналов значительно расширяет динамический диапазон, а совместно с устройствами автоматической коррекции погрешностей (АКП) значительно улучшает фазовые и частотные характеристики электронного счетчика.

Сравнение предлагаемого решения с известными показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые, дополняя известные признаки, позволяют успешно реализовать поставленную цель.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого электронного счетчика электрической энергии.

Электронный счетчик электрической энергии содержит датчик тока 1 и датчик напряжения 2, каждый из которых содержит по одному трансформатору тока 3 и 4, состоящих из ферромагнитных сердечников 5 и 6, токовых обмоток 7 и 8, обмоток возбуждения 9 и 10, обмоток обратной связи 11 и 12, компенсационных обмоток 13 и 14, а также токоограничивающий резистор 15, два генератора ШИМ-сигналов 16 и 17, два устройства автоматической регулировки уровня сигнала 18 и 21, два устройства автоматической компенсации погрешностей 19 и 20, контроллер счетчика 22 с шинами адреса и данных 23 и 24.

Предлагаемый электронный счетчик электрической энергии работает следующим образом.

Датчики тока 1 и напряжения 2 преобразуют входные воздействия в нормированные по амплитуде импульсные сигналы, в которых длительность импульсов содержит в себе информацию об уровне значений текущих амплитуд входных воздействий (напряжения или тока).

Принцип действия ДН мало отличается от принципа действия ДТ, так как ДН фактически представляет собой датчик тока, измеряющий пропорциональный напряжению сети ток эталонного резистора, поэтому рассмотрим принцип действия ДТ более подробно.

Датчик тока работает следующим образом. Ток, протекающий через токовую (первичную) обмотку 7 трансформатора 3, создает в его ферромагнитном сердечнике 5 магнитное поле, пропорциональное силе (величине) этого тока.

Обмотка возбуждения 9 (вторичная обмотка) трансформатора является времязадающей цепью для генератора 16 ШИМ-сигналов. Длительность импульсов на выходе этого генератора определяется индуктивным сопротивлением обмотки возбуждения. Оно изменяется пропорционально изменению магнитного поля в сердечнике трансформатора.

Для работы с несинусоидальными сигналами в ДН и ДТ целесообразно использовать ШИМ третьего рода (ШИМ-3), в которой выборки дискретных значений входного сигнала производятся в течение времени, равного интервалу формирования выходного импульса. Это дает возможность свести к минимуму динамические искажения преобразуемого сигнала, так как ширина выходного импульса соответствует интегральному значению входного сигнала за время между точками отсчета.

Выделение из ШИМ-сигнала информации о фазовой структуре измеряемого тока производится без потерь при условии, что частота следования ШИМ-сигналов будет на несколько порядков выше частоты измеряемого напряжения.

Контроллер счетчика 22 измеряет и анализирует информацию, содержащуюся в ШИМ-сигналах, сравнивает ее с характеристиками, которые должны быть у идеального датчика тока, в качестве которого используются введенные в память контроллера характеристики эталонного трансформатора тока или его математическая модель.

По результатам обработки текущих расчетных и программных данных контроллер 22 формирует цифровые команды управления характеристиками ДТ и ДН. Эти команды по шинам адреса 23 и данных 24 поступают на цифровые входы адреса и данных устройств АРУ 18 и 21 и устройств АКП 19 и 20.

Устройства АРУ 18 и 21 представляют собой цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) с встроенными узкополосными фильтрами нижних частот (ФНЧ) с аналоговыми токовыми выходами, соединенными в ДТ с обмоткой ОС 11, а в ДН с обмоткой ОС 12. ФНЧ АРУ выделяет частоту первой гармоники входного воздействия датчика.

Токи, протекающие через обмотки ОС, пропорциональны амплитуде и противоположны по фазе току, протекающему через первичную обмотку ТТ. Созданные этими токами магнитные потоки имеют противоположные направления и вычитаются в сердечнике ТТ, обеспечивая тем самым глубокую отрицательную ОС по току, необходимую для стабилизации и улучшения параметров датчика.

Помимо формирования отрицательной ОС положительным следствием вычитания магнитных потоков является то, что результирующее магнитное поле всегда стремится к нулю, то есть наиболее линейному участку характеристики намагничивания сердечника ТТ. Благодаря этому значительно увеличивается динамический диапазон измеряемых токов и расширяется диапазон рабочих частот ДТ при сохранении высокой линейности его характеристик.

Любое изменение входного тока вызывает изменение результирующего магнитного поля, под действием которого измеряется индуктивное сопротивление обмотки 9 времязадающей цепи ШИМ-генератора 16.

По изменению длительности импульсов генератора 16 контроллер 22 формирует команды управления устройствами АРУ. В результате магнитное поле в сердечниках ТТ автоматически поддерживается такого уровня, при котором ошибка измерения первой гармоники тока или напряжения минимальна.

Одновременно контроллер 22 формирует управляющие команды и для компенсации фазовых и частотных погрешностей, вызванных появлением дополнительных гармоник в спектре измеряемого тока или напряжения.

По этим командам устройства АКП 19 и 20 формируют выходные аналоговые токи, которые, протекая соответственно по обмотке 14 ДН 2 и обмотке 13 ДТ 1, создают в сердечниках трансформаторов датчиков дополнительные магнитные поля для автоматической компенсации или полного устранения фазовых и частотных погрешностей датчиков тока и напряжения.

Высокочастотные ШИМ-сигналы, поступающие с ДТ на контроллер 22, полностью эквивалентны выборкам текущих значений измеряемого тока и напряжения и содержат полную информацию о модуле и аргументе текущих значений входных воздействий.

По этим данным контроллер 22 вычисляет полную, активную и реактивную мощности и энергию, потребляемую от электросети, представляя результаты вычисления в форматах, необходимых для телеметрии, индикации и команд управления.

Контроллер 22 имеет в своей памяти необходимую для оптимальной эксплуатации электросети информацию, что позволяет реализовать следующие функции: ведение баз данных энергопотребителей, учет электросчетчиков, учет потребляемой электроэнергии, учет платежей по каждому потребителю и установленной мощности и т.д.

Содержащаяся в контроллере 22 программа дает возможность оперативно решать задачи многотарифного учета активной и реактивной мощности, прямого и обратного потоков энергии в соответствии с установленными временными зонами. Именно эти качества, а также наличие импульсных и цифровых выходов телеметрии позволяют рекомендовать такие электронные счетчики в качестве эффективных датчиков для систем автоматизированного контроля и учета электроэнергии.

В предложенном электронном счетчике контроллер и датчики образуют оптимальную систему автоматического регулирования, осуществляющую автоматическую коррекцию характеристик датчиков для минимизации их погрешностей и адаптации к дестабилизирующим факторам.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока в различных отраслях народного хозяйства, в автоматизированных системах контроля и управления энергоресурсами. Технический результат заключается в повышении точности и скорости измерений и расширении функциональных возможностей электронного счетчика электрической энергии. Высокая точность измерений и стабильность характеристик многофункционального электронного счетчика обеспечиваются благодаря эффективному использованию вычислительных возможностей выполненного на сигнальном процессоре контроллера и датчиков тока и напряжения, выполненных на основе широтно-импульсных преобразователей с высокой частотой следования импульсов. При таком включении контроллер и датчики образуют оптимальную систему автоматического регулирования, осуществляющую автоматическую коррекцию характеристик датчиков для минимизации их погрешности и адаптации к дестабилизирующим факторам. 1 ил.

Электронный счетчик электрической энергии, содержащий датчик напряжения и датчик тока, а также выполненный на основе сигнального процессора контроллер счетчика, обеспечивающий оперативное решение задач многотарифного учета активной и реактивной электроэнергии, регистрацию и индикацию текущей информации и формирование выходных телеметрических данных, отличающийся тем, что датчик напряжения и датчик тока выполнены на одинаковых трансформаторах тока, каждый из которых содержит ферромагнитный сердечник, токовую обмотку, обмотку возбуждения, обмотку обратной связи и компенсационную обмотку, при этом токовая обмотка трансформатора датчика тока включена в разрыв цепи измеряемого тока, а токовая обмотка трансформатора датчика напряжения через токоограничивающий резистор включена параллельно цепи измеряемого напряжения, в свою очередь, каждая из обмоток возбуждения соединена с времязадающими входами одного из двух генераторов ШИМ-сигналов, выходы которых соединены с сигнальными входами контроллера счетчика, шины адреса и данных которого соединены с соответствующими входами адреса и данных двух устройств автоматической регулировки уровня сигналов, выход одного из которых соединен с обмоткой обратной связи трансформатора датчика тока, а выход другого соединен с обмоткой обратной связи трансформатора датчика напряжения, кроме того, шины адреса и данных контроллера счетчика соединены с соответствующими входами адреса и данных двух устройств автоматической компенсации погрешности, выход одного из которых соединен с компенсационной обмоткой трансформатора датчика тока, а выход другого соединен с компенсационной обмоткой трасформатора датчика напряжения, при этом свободные концы всех компенсационных обмоток и обмоток обратной связи соединены с корпусом.