ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2002 года по МПК G01R21/06 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при управлении технологическими процессами, в которых электроэнергия потребляется, например, при электрическом или электродуговом нагреве в машиностроении, в металлургии, в пищевой промышленности, в медицинской технике и в других электротехнологических процессах.

Электрическая энергия, потребляемая в нагрузке за определенный промежуток времени вычисляется по формуле

где u, i, p - мгновенные значения напряжения, тока и мощности на нагрузке;
t - время интегрирования.

Электронный счетчик электрической энергии должен реализовывать процедуру вычисления интеграла от произведения мгновенных значений напряжения и тока нагрузки, поэтому в его состав должны входить первичные преобразователи напряжения, тока, множительное и интегрирующее устройства.

Известны различные варианты построения схем электронных счетчиков, предназначенных для систем учета и контроля электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока, где используются аналоговые множительные устройства с широтно-импульсной и амплитудной модуляцией с последующим преобразованием полученного напряжения в частоту. К таковым можно отнести, например, счетчики типа Ф441, Ф652 и т.п. Предложения по усовершенствованию схем указанных приборов, их модификации и разработке аналогичных схем с целью повышения точности измерений и надежности их работы представлены в авторских свидетельствах [1-4].

Однако ни в одном из перечисленных технических решений не предусмотрена возможность дозирования энергии, расходуемой на проведение определенной технологической операции, хотя потребность в этом существует, например, в машиностроении для предварительного прогрева металла перед штамповкой, при точечной сварке деталей, при плавке металлов в дуговых электрических печах и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является цифровой электронный измеритель электрической энергии с аналоговым преобразователем мощности, содержащий первичный преобразователь напряжения и первичный преобразователь тока, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам множительного устройства, выход которого через преобразователь напряжения в частоту подключен к входу счетчика импульсов [5].

Рассмотренное устройство не позволяет осуществлять дозирование электрической энергии.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей электронного измерителя электрической энергии за счет придания ему способности дозировать подачу определенного количества электрической энергии в электрическую нагрузку, находящуюся в цепи источника как переменного, так и постоянного тока.

Поставленная задача достигается тем, что в электронный измеритель электрической энергии с аналоговым преобразователем мощности, содержащий первичный преобразователь напряжения и первичный преобразователь тока, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам аналогового множительного устройства, имеющему выход на преобразователь напряжения в частоту, который подключен к входу счетчика импульсов, дополнительно введены блок дешифраторов, блок задания дозы, ключ запуска электронного измерителя электроэнергии, блок управления выключателем и выключатель электроэнергии, установленный в цепи источника питания энергоустановки, причем выходы счетчика импульсов, состоящего из набора декадных двоично-десятичных счетчиков, соединенных последовательно, подключены к входам двоично-десятичных дешифраторов, блок задания дозы энергии представляет собой набор декадных переключателей, каждый из которых своими десятью неподвижными контактами присоединен к соответствующим выходам двоично-десятичных дешифраторов, а подвижными контактами подключен к входам блока управления выключателем, ключ запуска электронного измерителя электроэнергии соединен с другим управляющим входом блока управления выключателем, который непосредственно связан с выключателем электроэнергии.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого электронного измерителя электрической энергии.

Электронный измеритель электрической энергии включается в цепь переменного тока с электрической нагрузкой 1 и имеет в своем составе измерительный преобразователь (трансформатор) напряжения 2 и измерительный преобразователь (трансформатор) тока 3, подключенные к входам множительного устройства 4, присоединенный последовательно с ним преобразователь напряжения в частоту 5, выход которого подключен к счетному входу счетчика импульсов 6, имеющему выходы на блок двоично-десятичных дешифраторов 7. Выходы дешифраторов присоединены к неподвижным контактам позиционных декадных переключателей блока задания дозы 8, подвижные контакты этих переключателей подключены к группе анализируемых входов блока управления выключателем 9, ключ запуска электронного измерителя электрической энергии 10 присоединен к управляющему входу блока управления выключателем 9, который имеет непосредственную связь с выключателем электроэнергии 11.

Работает электронный измеритель электрической энергии следующим образом. Перед подачей энергии в электрическую цепь с нагрузкой 1 доза (количество) электроэнергии, которая требуется для проведения предстоящей технологической операции, предварительно устанавливается с помощью декадных переключателей блока задания дозы 8, имеющих десять фиксированных положений с соответствующими обозначениями цифр на лимбах. Количество переключателей равно числу десятичных разрядов цифры, соответствующей определенному значению задаваемой дозы, в заранее обусловленных для конкретной операции единицах электроэнергии: в ваттсекундах, в киловатт-секундах, в киловаттчасах и т.п.

В момент замыкания кнопочного ключа запуска электронного измерителя электроэнергии 10 в блоке управления выключателем 9 формируется сигнал на включение, который воздействует на выключатель 11 и электрическая нагрузка 1 подключается к цепи источника питания.

Сигналы с измерительного преобразователя напряжения 2 (u_u) и преобразователя тока 3 (u_i) поступают на входы аналогового множительного устройства 4, в качестве которого используется импульсное перемножающее устройство с широтно-импульсной и амплитудной модуляцией и фильтром низкой частоты на выходе схемы, обеспечивающее высокую статическую точность, как при синусоидальных, так и при несинусоидальных режимах, а также и на постоянном токе.

Аналоговый сигнал с измерительного преобразователя напряжения соответствует мгновенному значению напряжения на нагрузке
u_u = k_uu_H,
где u_h- мгновенное напряжение на нагрузке;
k_u - коэффициент пропорциональности по напряжению.

Сигнал, соответствующий току нагрузки, равен мгновенному значению напряжения на выходе преобразователя тока
u_i = k_ii_Н,
где i_Н - мгновенный ток нагрузки;
k_i - коэффициент пропорциональности по току.

Выходное напряжение множительного устройства пропорционально мгновенному значению мощности

где р_Н - мгновенная мощность на нагрузке;
k_p - коэффициент пропорциональности по мощности;
k_y - коэффициент пропорциональности множительного устройства.

Поскольку заявляемое устройство предполагается использовать в энергетических установках при дозировании активной энергии, то напряжение на выходе используемого в схеме импульсного перемножающего устройства будет всегда положительным.

Аналоговый сигнал u_у с выхода множительного устройства 4 поступает на преобразователь напряжения в частоту 5, который представляет собой импульсный интегратор, реализующий в данной схеме процедуру вычисления интеграла от текущих значений мощности, выделяемой на нагрузке в течение определенного периода времени, и преобразующий результат текущего интегрирования в последовательность импульсов, которые формируются с частотой следования, пропорциональной величине выделенной активной энергии W_А за время интегрирования t.

где k_W=k_y k_p - коэффициент пропорциональности по энергии;
t - время интегрирования.

Формирование каждого импульса на выходе схемы импульсного интегратора происходит в результате накопления на емкости RC-интегратора заряда определенной величины, пропорционального определенному минимальному значению (дискрете) энергии ΔW₀, отдаваемой в нагрузку. Эта величина стабильна и зависит от параметров элементов схемы импульсного интегратора, подбором которых можно добиться, чтобы один цикл заряда или разряда указанной интегрирующей емкости соответствовал 1 ваттсекунде или кратной ей величине энергии, выделяемой в нагрузке.

Счетчик импульсов 6 подсчитывает количество импульсов, приходящих на его счетный вход, и выдает информацию в виде двоичного кода на вход блока двоично-десятичных дешифраторов 7, выходы которых подсоединены к неподвижным контактам декадных переключателей блока задания дозы 8. Подвижные контакты этих переключателей соединены с группой анализируемых входов блока управления выключателем 9 и при конъюнкции активных уровней сигналов дешифраторов на данных входах на выходе блока сформируется управляющий сигнал на отключение источника питания энергоустановки. После запуска электронного измерителя электроэнергии содержимое счетчика импульсов 6 будет возрастать до тех пор, пока на выходных шинах декадных дешифраторов 7 не установятся, путем поочередного перебора, комбинации активных уровней сигналов, идентичные комбинациям уставок декадных переключателей блока задания дозы 8, соответствующих заданному количеству электроэнергии, которая должна поступить в нагрузку. Сигнал на отключение, сформированный на выходе блока управления выключателем 9, воздействует на выключатель электроэнергии 11 и цепь источника питания разомкнется.

В предлагаемом устройстве измерение расхода электрической энергии осуществляется путем аналогового перемножения мгновенных значений сигналов, пропорциональных напряжению и току нагрузки с последующим интегрированием результата в течение определенного времени. Величина текущего расхода электрической энергии пропорциональна сумме счетных импульсов, полученных в процессе квантования по вольт-секундной площади результата текущего интегрирования.

Способность дозирования, приданная электронному измерителю с целью расширения функциональных возможностей, заключается в формировании им управляющего сигнала на отключение цепи нагрузки от источника питания в момент, когда текущий расход электрической энергии окажется равным заранее заданной величине (дозе) энергии. Таким образом, данный электронный измеритель-дозатор, наряду с измерением расхода энергии, ограничивает подачу в нагрузку величины энергии, превышающей заданную дозу.

Предлагаемый электронный измеритель электрической энергии можно использовать как в цепях переменного (однофазного, трехфазного) тока с синусоидальной или несинусоидальной формой сигнала, так и в цепях постоянного тока, применяя при этом в качестве измерительных датчиков тока прецизионные четырехзажимные резисторы, включенные последовательно с нагрузкой или трансформаторы постоянного тока.

Источники информации, принятые во внимание
1. Авторское свидетельство СССР 1129526.

2. Авторское свидетельство СССР 1689860.

3. Авторское свидетельство СССР 1798701.

4. Патент РФ 2050550.

5. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1986, с. 429-433, рис.11.1а.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при управлении технологическими процессами, в которых электроэнергия потребляется, например, при электрическом или электродуговом нагреве в машиностроении, в металлургии, в пищевой промышленности, в медицинской технике и в других электротехнологических процессах. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей электронного измерителя электрической энергии. Электронный измеритель электрической энергии с аналоговым преобразователем мощности содержит первичный преобразователь напряжения и первичный преобразователь тока, выходы которых подключены ко входам аналогового множительного устройства, соединенного с преобразователем напряжения в частоту, который подключен к входу счетчика импульсов. Дополнительно введены блок дешифраторов, блок задания дозы, ключ запуска электронного измерителя электроэнергии, блок управления выключателем и выключатель электроэнергии, установленный в цепи источника питания энергоустановки. 1 ил.

Электронный измеритель электрической энергии с аналоговым преобразователем мощности, содержащий первичный преобразователь напряжения и первичный преобразователь тока, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам аналогового множительного устройства, имеющего выход на преобразователь напряжения в частоту, который подключен к входу счетчика импульсов, отличающийся тем, что в него введены блок дешифраторов, блок задания дозы, ключ запуска электронного измерителя электроэнергии, блок управления выключателем и выключатель электроэнергии, установленный в цепи источника питания энергоустановки, причем выходы счетчика импульсов, состоящего из набора декадных двоично-десятичных счетчиков, соединенных последовательно, подключены к входам двоично-десятичных дешифраторов, блок задания дозы электроэнергии представляет собой набор декадных переключателей, каждый из которых своими десятью неподвижными контактами присоединен к соответствующим выходам двоично-десятичных дешифраторов, а подвижными контактами подключен к входам блока управления выключателем, ключ запуска электронного измерителя электроэнергии соединен с другим управляющим входом блока управления выключателем, который непосредственно связан с выключателем электроэнергии.