СПОСОБ КОРРЕКТИРОВКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 2008 года по МПК G01R21/133 

Заявляемое изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано при измерении электрической энергии и мощности переменного тока, а также силы тока и углов сдвига фазы между двумя или большим количеством сигналов. Заявляемый способ корректировки применим в устройствах, построенных на основе аналого-цифрового преобразователя, далее АЦП, микропроцессора и содержащего не менее двух входов для сигналов одной частоты. Один из этих входов предназначен для подачи на него, например, сигнала напряжения контролируемой сети. Другой вход, построенный на основе трансформатора тока или трансформаторных токовых клещей, далее датчик тока, предназначен для подачи сигнала тока контролируемой цепи.

Известны способы корректировки результатов измерений электрической энергии и мощности, основанные на методах аналого-цифрового преобразования и цифровой обработки сигналов, описанные в изобретениях [1] и [2], а также в руководстве по эксплуатации [3]. Эти способы позволяют, на момент изготовления прибора, устранять искажение конечных результатов измерений электрической энергии и мощности, вызванное погрешностью трансформаторов тока счетчиков электрической энергии. Корректировку результатов измерений производят микропроцессором или аналогичным по назначению и функциям устройством. Для этого увеличивают или уменьшают показания измерительного прибора на величину, соответствующую значению поправочного коэффициента. Значения поправочных коэффициентов хранятся в запоминающем устройстве прибора.

Наиболее близким к заявляемому способу-прототипом - является способ корректировки результатов измерений электрической мощности и энергии, реализованный в счетчике электрической энергии ЦЭ6850М, см. [3]. При этом способе корректировку результатов измерений электрической мощности и энергии производят микропроцессором с помощью масштабирующих и калибровочных коэффициентов, учитывающих погрешности узлов, которые определяют погрешность измерений. Значения коэффициентов вводят в энергонезависимую память счетчика при его изготовлении и, используя микропроцессор, корректируют результаты измерений в течение всего срока службы счетчика, равного 30 лет при межповерочном интервале 16 лет.

Недостаток прототипа заключается в том, что рассчитанные значения электрической мощности и энергии корректируют с помощью неизменных во времени коэффициентов, которые записаны в запоминающее устройство счетчика. При этом способе не учитывается изменение токовой и угловой погрешностей трансформаторов тока, вызванное изменением магнитной проницаемости магнитопровода трансформатора тока по любой из причин.

Целью изобретения является повышение точности измерения электроэнергетических величин, таких, как электрическая мощность, энергия, сила тока, углы сдвига фазы между двумя или большим количеством сигналов.

Сущность изобретения заключается в следующем. Периодически в определенных пределах изменяют сопротивление нагрузки датчика тока. Требование к периодичности изменения сопротивления нагрузки одно - в каждом состоянии схема должна находиться время, достаточное для измерения интересующих величин. С помощью АЦП измеряют и известными методами цифровой обработки сигналов для каждого из значений сопротивлений нагрузки вычисляют результаты измерений углов сдвига фазы между входным сигналом напряжения и входным сигналом тока, а также интересующие из следующих величин: электрическая мощность, энергия, сила тока. Эти результаты фиксируют в качестве промежуточных. Далее для каждого из значений сопротивления нагрузки датчика тока по результатам измерения углов сдвига фазы и по известным элементам схемы конкретного устройства вычисляют пары поправочных коэффициентов для модуля входного сигнала тока и для фазы этого же сигнала. Эти поправочные коэффициенты учитывают при определении конечных результатов измерений электроэнергетических величин: электрическая мощность, энергия, сила тока и углы сдвига фазы. Поправочные коэффициенты для модуля тока учитывают при вычислении конечных результатов мощности, энергии и силы тока, поправочные коэффициенты для угла сдвига фазы - при вычислении конечных значений мощности, энергии и углов сдвига фазы.

Общие признаки заявляемого способа с прототипом заключаются в том, что корректировку результатов измерения электроэнергетических величин осуществляют микропроцессором по поправочным коэффициентам.

Отличительные признаки состоят в том, что дополнительно вводят операцию периодического изменения сопротивления нагрузки датчика тока в определенных пределах. Затем осуществляют операцию вычисления поправочных коэффициентов по результатам измерений и известным элементам схемы устройства. Таким образом, для расчета конечных значений электроэнергетических величин используются рассчитанные поправочные коэффициенты, учитывающие погрешности датчика тока, имеющие место именно во время проведения измерений. Это в целом повышает точность измерительного прибора.

Схема, поясняющая реализацию заявляемого способа, приведена на чертеже.

Датчик тока, трансформатор тока или трансформаторные токовые клещи, представлены приведенной к вторичной обмотке схемой замещения в области низких частот, см., например, [4].

На схеме изображен приведенный к вторичной обмотке датчик тока 1, состоящий из элементов схемы замещения: индуктивности 2 вторичной обмотки датчика тока, индуктивности рассеяния 3 датчика тока и сопротивления постоянному току 4 вторичной обмотки датчика тока, резисторы 5 и 6, соединенные последовательно и подключенные к выходу схемы замещения датчика тока. Ключ 7, во включенном состоянии замыкающий резистор 5, масштабирующий делитель напряжения 8, АЦП 9, один из входов которого подключен к резистору 6, а другой - к выходу делителя напряжения 8, микропроцессор 10, управляющий работой ключа 7.

На вход схемы замещения датчика тока 1 подается сигнал переменного тока I, на вход масштабирующего делителя напряжения 8 - сигнал напряжения U той же частоты. Значение индуктивности рассеяния 3 определяется конструкцией датчика тока, не зависит от состояния ключа 7 и составляет малую величину по сравнению с индуктивностью 2 вторичной обмотки датчика тока. Это обстоятельство позволяет индуктивность рассеяния 3 не учитывать, что значительно упрощает расчеты. Технический эффект это допущение значительно не уменьшит.

Наибольший положительный эффект получают при использовании заявляемого способа при соблюдении следующих условий:

1. Значение сопротивления резистора 5 выбирают равным величине не более 10% от значения сопротивления постоянному току вторичной обмотки датчика тока, по схеме - резистор 4. При этом для всех материалов, применяемых для изготовления магнитопроводов датчиков тока, значение индуктивности 2 вторичной обмотки датчика тока можно считать неизменным при изменении состояния ключа 7, то есть при изменении сопротивления нагрузки датчика тока. Имеющееся изменение индуктивности существенно технический эффект не уменьшает.

2. Уровни выходных сигналов датчика тока 1 и напряжения АЦП 9, а также угол сдвига фазы между их выходными сигналами за время измерений, выполняемых на первом и втором этапах, не изменяются.

3. Выходные сигналы датчика тока 1 и напряжения АЦП 9 - синусоидальны.

Пример реализация способа и работа схемы. Заявляемый способ реализуют в три этапа. На первом этапе ключ 7 замыкают. По результатам измерений, выполненных АЦП 9 с помощью микропроцессора 10 известными методами цифровой обработки сигналов, вычисляют угол сдвига фазы между сигналами напряжения и тока и значения интересующих величин из числа следующих: электрическая мощность, энергия, сила тока. Результаты, полученные на этом и втором этапах, являются промежуточными.

На втором этапе аналогичные измерения и вычисления производят при разомкнутом ключе 7.

Получаемые промежуточные результаты:

P₁ и P₂ - мощность (энергия) на этапах 1 и 2 соответственно;

I_ш1 и I_ш2 - модуль тока I_ш на этапах 1 и 2 соответственно;

ϕ₁ и ϕ₂ - углы сдвига фазы между сигналами напряжения U и тока I на этапах 1 и 2 соответственно, вычисленные микропроцессором 10 по результатам измерений сигналов на выходе датчика тока 1 и на выходе масштабирующего делителя напряжения 8, выполненным АЦП 9.

На третьем этапе по промежуточным результатам двух предыдущих этапов для каждого из состояний ключа 7 вычисляют поправочные коэффициенты, которые и учитывают при вычислении конечных результатов.

Вывод выражений, с помощью которых вычисляют поправочные коэффициенты:

для схемы, соответствующей первому этапу, на котором ключ 7 замкнут, путем несложных расчетов по известным значениям сопротивлений элементов 4, 5 и 6 получаем

,

где I₁ - входной ток на первом этапе, представленный в комплексной форме;

ω - круговая частота входных сигналов, сек^-1;

L - индуктивность 2 вторичной обмотки датчика тока 1, Гн;

R_п - сопротивление постоянному току 4 вторичной обмотки датчика тока 1, Ом;

R_ш - сопротивление резистора 6, Ом;

I_ш1 - ток вторичной обмотки датчика тока 1 на первом этапе, при замкнутом ключе 7, представленный в комплексной форме.

Для схемы, соответствующей второму этапу, при разомкнутом ключе 7, входной ток рассчитываем по формуле

,

где I₂ - входной ток на втором этапе, представленный в комплексной форме;

R_д - сопротивление резистора 5, Ом;

I_ш2 - ток вторичной обмотки датчика тока 1 на втором этапе, при разомкнутом ключе 7, представленный в комплексной форме.

Из выражения для I₁ видно, что модуль контролируемого АЦП тока I_ш1 отличается от модуля входного тока I в количество раз, равное K_м1, где

,

а фаза на величину

.

Таким образом, величины K_м1 и Δϕ₁ и являются поправками для модуля и фазы входного тока. Определение величины ωL произведем ниже.

Аналогично на втором этапе получаем поправки для входного тока по модулю K_м2 и фазе Δϕ₂:

;

.

Все величины, кроме ωL, известны. Для нахождения ωL заменим в выражениях для I₁ и I₂

и ,

где I_ш1 и I_ш2 - модули комплексной формы записи токов вторичной обмотки датчика тока 1 для этапов 1 и 2 соответственно;

ϕ₁ и ϕ₂ - аргументы комплексной формы записи токов вторичной обмотки для этапов 1 и 2 соответственно, полученные при измерении углов сдвига фазы между сигналами напряжения и тока.

Получим:

.

Исходя из последнего выражения, модули и аргументы левой и правой частей равны. Из условия равенства аргументов

.

Значение ωL, необходимое для вычисления корректирующих коэффициентов модуля и аргумента тока, находим, решая последнее уравнение. При реально имеющих место в электротехнических измерениях значениях отношений и последнее выражение может быть упрощено:

,

где ϕ₁ и ϕ₂ выражены в радианах.

Отсюда: .

При вычислении конечных значений мощности, энергии, силы тока поправочные коэффициенты по модулю применяют умножением промежуточных результатов на него. Поправки по фазе для вычисления конечных результатов измерения мощности и энергии применяют по формуле

,

.

При вычислении конечных результатов измерения углов сдвига фазы корректировку по фазе осуществляют суммированием результатов промежуточных измерений и поправки по фазе (Δϕ₁ и Δϕ₂).

Технический эффект заключается в том, что благодаря заявляемому способу обеспечивается более высокая точность измерений электроэнергетических величин, таких как электрическая мощность, энергия, сила тока и углы сдвига фазы. Корректировка результатов измерений осуществляется по периодически рассчитываемым поправочным коэффициентам. Особенно заметный положительный эффект заявляемый способ дает при применении его в устройствах, в которых в качестве датчика тока используются трансформаторы тока с разъемным магнитопроводом или токовые трансформаторные клещи. При каждом смыкании после размыкания магнитопровода, за счет нестабильности немагнитного зазора, имеет место существенное изменение погрешностей датчика тока и в целом устройства. Заявляемый способ позволяет существенно ослабить влияние погрешностей датчика тока на погрешность устройства в целом.

Источники информации

1. Патент Швейцарии №668840, пр. 25.04.85, МПК G01R 21/06, 21/133, Электронный счетчик электрической энергии.

2. Патент ФРГ № 0S 3514371, пр. 20.04.86, МПК G01R 21/133, Электронный счетчик электроэнергии.

3. Счетчик электрической энергии ЦЭ6850М. Руководство по эксплуатации, стр.19, 20. Опубликовано в сети Интернет на сайте www.energomera.ru.

4. Книга «Трансформаторы тока», В.В.Афанасьев, Н.М.Адоньев, В.М.Кибель и др. - 2-е изд., перераб. и доп., Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989, стр.14.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано при измерении электрической энергии. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата периодически в определенных пределах изменяют сопротивление нагрузки датчика тока, выполненного на основе трансформатора тока или трансформаторных токовых клещей. При этом период изменения сопротивления нагрузки выбирают из условия инерционности изменения измеряемой величины. С помощью АЦП измеряют значения сопротивления нагрузки. Затем вычисляют углы сдвига фазы между входным сигналом напряжения и входным сигналом тока, а также электрическую мощность. Эти результаты фиксируют в качестве промежуточных. Далее для каждого из значений сопротивления нагрузки датчика тока по результатам измерения углов сдвига фазы и по известным элементам схемы конкретного устройства вычисляют пары поправочных коэффициентов для модуля входного сигнала тока и для фазы этого же сигнала. Поправочные коэффициенты для модуля тока учитывают при определении результирующей мощности и силы тока. 1 ил.

Способ корректировки результатов измерений электроэнергетических величин, основанный на том, что корректировку результатов измерения электроэнергетических величин осуществляют микропроцессором по поправочным коэффициентам, отличающийся тем, что дополнительно вводят операцию периодического изменения сопротивления нагрузки датчика тока в определенных пределах и операцию вычисления поправочных коэффициентов, которую осуществляют по результатам измерений и известным элементам схемы устройства, при этом для расчета конечных значений электроэнергетических величин каждый раз используются рассчитанные поправочные коэффициенты, учитывающие погрешности датчика тока, имеющие место во время проведения измерений.