СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2002 года по МПК G01R21/00 G01R22/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для подсчета киловатт-часов расхода активной электрической энергии в сетях переменного тока.

Известен счетчик электрической энергии [G01R 21/00, патент ЕПВ 0134001, 1985], 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 этого 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.

Наиболее близким к заявляемому устройству является счетчик электрической энергии [G01R 21/00, патент 2039357, 1995], содержащий преобразователи тока и напряжения, переключатель, перемножитель с дифференциальными входами, интегратор, генератор опорной частоты, ключ, источник опорного напряжения, формирователь импульсов обратной связи, счетчик импульсов, бестрансформаторный источник питания, 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, диодный мост, один выход которого соединен через гасящий конденсатор с входом напряжения, другой - с нулевой точкой, а выход с входами стабилизатора напряжения бестрансформаторного источника питания, перемножитель с дифференциальными входами соединен через преобразователь напряжения с входом напряжения и нулевой точкой, второй ключ, включенный 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.

Недостатком данного счетчика является низкая точность измерения, обусловленная неидеальностью интегрирования за счет влияния на него дрейфа выходного напряжения операционного усилителя, входящего в состав интегратора, связанного с напряжением смещения нуля и входными токами операционного усилителя (А. Г. Алексенко и др. "Применение прецизионных аналоговых ИС" - М., 1980 г. , стр. 78) в связи с отсутствием включения на неинвертирующем входе операционного усилителя резистора. Кроме того, существенный дрейф выходного напряжения операционного усилителя возникает в течение времени при отключении одного из входов операционного усилителя от перемножителя в переключателе 6, так как происходит гальванический разрыв входа операционного усилителя от источника сигнала, что при точных измерениях (не хуже 2%) вообще недопустимо.

Неидеальность интегрирования обусловлена еще также работой схемы 11 формирования импульсов (Фиг.1). В соответствии со схемой 11 формирования импульсов на выходе последней генерируется импульсная последовательность со скважностью Q=8, а это значит, что в течение 1/8 периода следования этих импульсов напряжение аддитивной помехи с выхода перемножителя будет действовать на неинвертирующий вход интегратора через переключатель 6 и затем в течение 7/8 периода следования этих импульсов напряжение, пропорциональное мощности совместно с аддитивной помехой с выхода перемножителя будет действовать на инвертирующий вход интегратора через переключатель 6. Отсюда видно, что уровень напряжения, соответствующий проинтегрированному сигналу, по инвертирующему входу будет в семь раз больше, чем уровень напряжения, соответствующий проинтегрированному сигналу по неинвертирующему входу интегратора. А так как интегратором формируется разность проинтегрированных напряжений на входах интегратора, то напряжение, соответствующее аддитивной помехе перемножителя будет скомпенсировано не полностью, а только на 2/8 части от своего значения в выходном напряжении интегратора.

Погрешность измерения обусловлена еще и из-за недоучета энергии, расходуемой во время относительно большой длительности сброса напряжения интегратора, так как сброс напряжения интегратора или разряд конденсатора емкостью С интегратора производится через ключ, подключенный не параллельно конденсатору, а последовательно (ключ 8, выходом подключенный через вспомогательный резистор сопротивлением R к конденсатору и инвертирующему входу операционного усилителя, Фиг.1). Постоянная разряда в этом случае будет больше на величину RC по сравнению с параллельно включенным ключом к разряжаемому конденсатору.

В основу изобретения счетчика электрической энергии положена задача увеличения точности измерения расхода потребляемой электрической энергии W=PT, где Р - мощность потребленной электрической энергии за время Т. Так как мощность Р равна результату произведения тока, протекающего через нагрузку на напряжение на нагрузке, то в заявляемом устройстве измерение мощности Р производится посредством перемножения напряжения U_i, пропорционального току, протекающему через нагрузку, поступающего с датчика тока на напряжение на нагрузке, поступающего с датчика напряжения U_u, и в результате будет получено напряжение U_p(U_p= kU_iU_u, где k - нормирующий коэффициент), пропорциональное мощности Р. В то же время на выходе блока перемножения дополнительно образуется напряжение аддитивных помех U_n, обусловленное как напряжением смещения входных цепей перемножителя, так и остаточным напряжением, обусловленным одним из входных напряжений (В.И. Тимонтеев и др. "Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре." - М.: 1982 г., стр. 48), которые определяют дополнительную погрешность измерения мощности.

Поставленная задача решается тем, что в счетчик электрической энергии, содержащий датчик напряжения и датчик тока, генератор опорной частоты, формирователь импульсов, переключатель, перемножитель, один из входов которого соединен с датчиком напряжения, другой - с выходом переключателя, один из сигнальных входов которого соединен с выходом датчика тока, другой - с общей шиной, а управляющий вход - с выходом формирователя импульсов, вход которого подключен к генератору опорной частоты, два конденсатора и счетчик импульсов, введены элемент НЕ, две схемы коммутации, каждая из которых включает в себя ключ и последовательно соединенные первый и второй резисторы, объединенные вводы которых соединены через ключ с общей шиной, сигнальным входом схемы коммутации является один из вводов первого резистора, а управляющим входом является управляющий вход ключа, источник тока, выполненный на операционном усилителе, включенном в дифференциальном режиме с четырьмя резисторами и включенными в цепь обратной связи операционного усилителя, полевом транзисторе с токозадающим резистором, причем входами источника тока являются выводы двух из четырех вышеупомянутых резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя, а выходом источника тока является вывод стока полевого транзистора, зарядный конденсатор, подключенный первым вводом к шине источника питания, а вторым вводом к выходу источника тока, таймер, выполненный на последовательно включенных двух компараторах, RS-триггере и транзисторе, импульс с выхода RS-триггера поступает также на выходной усилитель, выход которого является выходом таймера, первым и вторым входами таймера являются соответственно ввод эмиттера транзистора и ввод коллектора, который связан с объединенными входами двух компараторов, при этом формирователь импульсов выполнен на счетном триггере, выход которого подключен к управляющему входу первой схемы коммутации и через элемент НЕ - к управляющему входу второй схемы коммутации, сигнальные входы первой и второй схем коммутации соединены с выходом перемножителя, а выходы первой и второй схем коммутации подключены к одному из вводов соответственно первого и второго конденсаторов, соединенных другими вводами с общей шиной, и с первым и вторым входами источника тока соответственно, тогда первый и второй входы таймера подключены к первому и второму вводам зарядного конденсатора соответственно, а выход таймера подключен к счетчику импульсов.

На фигуре 1 представлена структурная схема счетчика электрической энергии. На фигуре 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства,
Счетчик электрической энергии (Фиг.1) включает в себя датчик напряжения 1 и датчик тока 2, последовательно соединенные генератор опорной частоты 3 и формирователь импульсов 4, переключатель 5 и перемножитель 6. Датчик напряжения 1 соединен с первым входом перемножителя 6, второй вход которого соединен с выходом переключателя 5, первый вход которого соединен с выходом датчика тока 2, второй вход - с общей шиной, а управляющий вход - с выходом формирователя импульсов 4. Элемент НЕ 7, первая 8 и вторая 9 схемы коммутации, каждая из которых содержит ключ 8.1 (9.1) и последовательно соединенные первый 8.2 (9.2) и второй 8.3 (9.3) резисторы, объединенные вводы которых соединены через ключ 8.1 (9.1) с общей шиной, при этом управляющим входом схемы коммутации 8 (9) является управляющий вход ключа 8.1 (9.1), а сигнальным входом (выходом) является один из вводов первого 8.2 (9.2) (второго 8.3 (9.3)) резистора, сигнальные входы схем 8, 9 коммутации подключены к выходу перемножителя 6, управляющий вход первой схемы 8 коммутации соединен с выходом формирователя импульсов 4, а управляющий вход второй схемы 9 коммутации соединен с выходом формирователя импульсов 4 через элемент НЕ 7. Два конденсатора 10, 11, источник тока 12, выполненного на операционном усилителе 12.1, включенном в дифференциальном режиме, с четырьмя резисторами - 12.2, 12.3, 12.4 и 12.5, и включенными в цепь обратной связи операционного усилителя полевом транзисторе 12.6 с токозадающим резистором 12.7, причем входами источника тока 12 являются выводы двух резисторов 12.2 и 12.4 из четырех вышеупомянутых резисторов, выходом источника тока 12 является ввод стока полевого транзистора 12.6, при этом выходы первой схемы 8 и второй 9 коммутации подключены к одному из вводов соответственно первого 10 и второго 11 конденсаторов, соединенных другими вводами с общей шиной, и первым и вторым входами источника тока 12. Зарядный конденсатор 13 подключен первым вводом к шине источника питания Е, вторым вводом к выходу источника тока 12. Таймер 14 выполнен на последовательно включенных двух компараторах 14.1, 14.2, RS-триггере 14.3 и транзисторе 14.4, импульс с выхода RS-триггера 14.3 поступает также на выходной усилитель 14.5, выход которого является выходом таймера 14, первым и вторым входами таймера 14 являются соответственно ввод эмиттера транзистора 14.4 и ввод коллектора, который связан с объединенными входами двух компараторов 14.1, 14.2. Первый и второй входы таймера 14 подключены соответственно к первому и второму вводам зарядного конденсатора 13, а счетчик импульсов 15 к выходу таймера 14.

Счетчик электрической энергии работает следующим образом. При подаче сетевого напряжения U(t) в цепь нагрузки Н и счетчика появляется ток i(t) и напряжение на выходе датчика напряжения 1 (Фиг.2а):
U_u-k_u U(t),
где k_u- коэффициент преобразования датчика напряжения 1. Напряжение на выходе датчика тока 2 (Фиг.2а) будет равно:
U_i- k_i i(t),
где k_i - коэффициент преобразования датчика тока 2.

Если нагрузка Н имеет активный характер, то напряжения U_u и U_i на выходе датчика напряжения 1 и датчика тока 2 будут по форме совпадать (Фиг.2а). Выходное напряжение датчика напряжения 1 поступает непосредственно на первый вход перемножителя 6, а выходное напряжение датчика тока 2 поступает на второй вход перемножителя 6 через переключатель 5 при указанном на Фиг.1 положении переключателя 5. Напряжение на выходе перемножителя 6 будет равно:
U₆=k₆U_uU_i+U_п,
где k₆ - коэффициент преобразования перемножителя 6; U_п - напряжение аддитивной помехи на выходе перемножителя 6, которое обусловлено в основном напряжением смещения выходного каскада перемножителя 6 и остаточным напряжением, связанным с нелинейностью перемножителя 6, пропорциональным (U_u)².

Первая схема 8 коммутации пропускает напряжение U₆ с выхода перемножителя 6 в соответствии с отмеченным на Фиг.1 состоянием ключа 8.1 на первый вход источника тока 12. На второй вход источника тока 12 с выхода схемы 9 коммутации (ввод резистора 9.3) поступает напряжение, равное нулю, так как ключ 9.1 замыкает другой ввод резистора 9.3 с общей шиной в связи с подачей инверсного управляющего сигнала через элемент НЕ 7 на управляющий вход схемы 9 коммутации. В случае, если переключателем 5 будет соединен второй вход перемножителя 6 с общей шиной, то на выходе перемножителя 6 будет сформировано только напряжение аддитивной помехи U_п. Так как переключатель 5 и обе схемы 8, 9 коммутации синхронно переключаются по управляющим входам, то с выхода перемножителя 6 напряжение аддитивной помехи U_п будет передаваться через вторую схему 9 коммутации на второй вход источника тока 12, так как ключ 9.1 будет разомкнут. На первом же входе источника тока 12 будет нулевое напряжение, так как ключ 8.1 схемы 8 коммутации будет замкнут на общую шину. Посредством переключателя 5 производится по существу стробирование импульсами формирователя импульсов 4 (Фиг.2б) в течение временного интервала, например, t₁-t₂ сигнала датчика тока 2 (Фиг.2а). На выходе переключателя 5 будет получен сигнал, представленный на Фиг.2в. При формировании импульса в течение времени t₁-t₂ (Фиг.2б) формирователем импульсов 4 и воздействии этого импульса на управляющий вход переключателя 5, а это будет соответствовать полному прохождению сигнала через переключатель 5 в течение времени t₁-t₂ (Фиг.2в), на выходе перемножителя 6 будет сформировано напряжение (Фиг.2г) U₆ в течение времени t₁-t₂. Так как первая схема 8 коммутации работает синхронно с переключателем 5, то на выходе этой схемы 8 коммутации будет повторение входного сигнала с выхода перемножителя 6 (Фиг.2д) в интервале t₁-t₂. В случае отсутствия генерации импульса формирователем импульсов 4 (Фиг.2б) на временном интервале, например t₂-t₃, выход переключателя 5, ключ 8.1 первой схемы 8 коммутации будут соединены с общей шиной. В течение времени t₂-t₃ на выходе перемножителя 6 будет присутствовать только напряжение помехи U_п (Фиг. 2г). Напряжение с выхода перемножителя 6, соответствующее временному интервалу t₂-t₃, пройдет через вторую схему 9 коммутации (Фиг.2е), так как на ее управляющем входе будет действовать инверсный сигнал с выхода элемента НЕ 7 по отношению к сформированному (Фиг.2б) на временном интервале t₂-t₃. В связи с периодической работой второй схемы 9 коммутации, обусловленной воздействием инверсного сигнала, поступающего с формирователя импульсов 4 через элемент НЕ 7 на управляющий вход схемы 9 коммутации, на выходе последней будет получена импульсная последовательность (Фиг.2е) с амплитудой импульсов, пропорциональной напряжению помехи U_п. Посредством резистора 9.3, второй схемы 9 коммутации и конденсатора 11 происходит усреднение этой импульсной последовательности до уровня U_п9. В связи с периодической работой первой схемы 8 коммутации, обусловленной воздействием сигнала, поступающего с формирователя импульсов 4 на управляющий вход схемы 8 коммутации, на выходе последней будет также получена импульсная последовательность (Фиг.2д) с амплитудой импульсов, пропорциональной напряжению U₆. Посредством резистора 8.3, первой схемы 8 коммутации и конденсатора 10 происходит усреднение этой импульсной последовательности до уровня напряжения U_cп8, которое будет иметь в своем составе как напряжение, пропорциональное измеряемой мощности, так и напряжение, пропорциональное аддитивной помехе. Требования к стабильности частоты формирователя импульсов 4 (генератора опорной частоты 3) могут быть пренебрежимо низкие, так как посредством формирователя импульсов 4, выполненного на счетном триггере, последним формируется импульсная последовательность со скважностью, равной двум (Фиг.2б). В этом случае усредненное напряжение помехи, получаемое на конденсаторе 11 (U_п9), будет равно усредненному уровню напряжения помехи в усредненной смеси сигнала и помехи (U_cп8) на выходе конденсатора 10. Посредством источника тока 12, выполненного с дифференциальным входом и однополярным выходом, производится преобразование разности усредненных напряжений U_cп8 и U_п9 в выходной ток стока полевого транзистора 12.6, то есть
i_c=k₁₂U_p=k₁₂(U_cп8-U_п9),
где k₁₂- коэффициент преобразования источника тока 12. В разностном напряжении U_p будет отсутствовать или скомпенсировано напряжение аддитивных помех и все разностное напряжение U_p будет пропорционально измеряемой мощности. Посредством зарядного тока i_c производится заряд зарядного конденсатора 13 до уровня, формируемого таймером 14 опорного напряжения U_o1. Как только оно достигнет этого уровня, RS-триггер 14.3 переключится в единичное состояние и посредством коммутирующего транзистора 14.4 разрядит зарядный конденсатор 13 до уровня, формируемого таймером 14 опорного напряжения U_o2. Отсюда видно, что время заряда зарядного конденсатора 13 от уровня напряжения U_o2 до уровня напряжения U_o1 будет обратно пропорционально зарядному току i_c или измеряемой мощности, а время разряда - величина постоянная и определяется постоянной разряда τ= R_iC, где R_i - внутреннее сопротивление открытого транзистора 14.4, а С - емкость зарядного конденсатора 13. Чтобы не вносилась погрешность при формировании периода заряда, ток заряда i_c задается при максимальной измеряемой мощности такой величины, чтобы период заряда был в сотни раз больше времени разряда зарядного конденсатора 13. При реализации изобретения - это реальное соотношение. В течение разряда зарядного конденсатора 13 RS-триггер 14.3 формирует импульс, который через выходной усилитель 14.5 таймера 14 переключает счетчик импульсов 15. Таким образом, посредством источника тока 12 и таймера 14 производится преобразование напряжения U_p, пропорционального измеряемой мощности, в последовательность импульсов (Фиг.2з) с частотой следования f. При этом период следования импульсов будет равен:
T₀=l/f=t_з+t_p≈t_з,
(так как t_р<<t_з), где t_з- время заряда зарядного конденсатора 13 от напряжения U_o2 до напряжения U_o1; t_p - время разряда зарядного конденсатора 13 от напряжения U_o1 до напряжения U_o2. Счетчиком импульсов 15 производится счет импульсов N, формируемых таймером 14 в течение времени Т измерения потребленной электрической энергии N= T / T₀=fT. Так как период Т₀ или время заряда зарядного конденсатора 13 t_з следования импульсов, генерируемых таймером 14, обратно пропорционален напряжению U_p или измеряемой мощности, то частота f будет пропорциональна измеряемой мощности, а измеренное число импульсов N за время Т счетчиком импульсов 15 будет пропорционально потребленной электрической энергии.

Что касается практической реализации, то такие элементы схемы счетчика электрической энергии, как датчик напряжения 1, может быть выполнен на резистивном делителе напряжения; датчик тока 2, например, согласно материалам заявки от 09.04.2001 ( 2001109467, G01R 19/00, "Датчик тока", Патюков В.Г., Романов А. П. ); переключатель 5, ключи 8.1 и 9.1 схем 8, 9 коммутации - на микросхемах серии 590; перемножитель 6 - на микросхеме 525 серии; генератор опорной частоты 3, формирователь импульсов 4, элемент НЕ 7, счетчик импульсов 15, например, согласно книге Бирюкова С.А. "Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах", М. : Радио и Связь, 1990 г.; построение источника тока 12 выполнено по книге - Щербаков В. И. и др. "Электронные схемы на операционных усилителях" К.: Технiка, 1983 г., рис. 2.3а и 7.10а; таймер 14 выполнен на микросхеме КР1006ВИ1.

Использование: для подсчета киловатт-часов расхода активной электрической энергии в сетях переменного тока промышленной частоты. Технический результат заключается в увеличении точности измерения использованной электрической энергии. В счетчике электрической энергии происходит компенсация прироста измеренного значения мощности, вызванного действием аддитивных помех на выходе перемножителя, посредством подключения последнего через сигнальные выходы первой и второй схем коммутации к неинвертирующему и инвертирующему входам однополярного источника тока, выходы которого дополнительно соединены с первыми вводами первого и второго конденсаторов, другие вводы которых соответственно соединены с общей шиной. 2 ил.

Счетчик электрической энергии, содержащий датчик напряжения и датчик тока, генератор опорной частоты, формирователь импульсов, переключатель, перемножитель, один из входов которого соединен с датчиком напряжения, другой - с выходом переключателя, один из сигнальных входов которого соединен с выходом датчика тока, другой - с общей шиной, а управляющий вход - с выходом формирователя импульсов, вход которого подключен к генератору опорной частоты, два конденсатора и счетчик импульсов, отличающийся тем, что в него введены элемент НЕ, две схемы коммутации, каждая из которых включает в себя ключ и последовательно соединенные первый и второй резисторы, объединенные вводы которых соединены через ключ с общей шиной, сигнальным входом схемы коммутации является один из вводов первого резистора, а управляющим входом является управляющий вход ключа, источник тока, выполненный на операционном усилителе, включенном в дифференциальном режиме с четырьмя резисторами и включенными в цепь обратной связи операционного усилителя, полевом транзисторе с токозадающим резистором, причем входами источника тока являются выводы двух из четырех вышеупомянутых резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя, а выходом источника тока является вывод стока полевого транзистора, зарядный конденсатор, подключенный первым вводом к шине источника питания, а вторым вводом - к выходу источника тока, таймер, выполненный на последовательно включенных двух компараторах, RS-триггере и транзисторе, импульс с выхода RS-триггера поступает также на выходной усилитель, выход которого является выходом таймера, первым и вторым входами таймера являются соответственно ввод эмиттера транзистора и ввод коллектора, который связан с объединенными входами двух компараторов, при этом формирователь импульсов выполнен на счетном триггере, выход которого подключен к управляющему входу первой схемы коммутации и через элемент НЕ - к управляющему входу второй схемы коммутации, сигнальные входы первой и второй схем коммутации соединены с выходом перемножителя, а выходы первой и второй схем коммутации подключены к одному из вводов соответственно первого и второго конденсаторов, соединенных другими вводами с общей шиной, и с первым и вторым входами источника тока соответственно, тогда первый и второй входы таймера подключены к первому и второму вводам зарядного конденсатора соответственно, а выход таймера подключен к счетчику импульсов.