МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ РЕГИСТРАТОР ДАННЫХ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭНЕРГОАУДИТА ЕРМАКОВА-ГОРОБЦА Российский патент 2014 года по МПК G06F17/18 G06Q50/00 

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначено для вычисления и индикации усредненных значений потерь мощности, аргумента ф, напряжения сети и тока нагрузки, а также может найти применение в качестве регистратора этих величин за длительный период.

Аналогом предлагаемого регистратора является счетчик потерь электроэнергии [1], содержащий компьютер, датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, функциональный преобразователь, индикатор, генератор прямоугольных импульсов, таймер, таймер-часы, накапливающий сумматор, блок деления, постоянное запоминающее устройство, приемопередатчик, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы.

Недостатками аналога являются невысокая точность, обусловленная не учетом зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева (погрешность по этой причине может достигать 40% [2]), а также узкие функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому регистратору является счетчик потерь электроэнергии с индикацией потерь мощности (варианты) [3], содержащий датчик тока, микроконтроллер, регистр, цифровой индикатор, датчики температуры окружающей среды и электрооборудования, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер.

Недостатком прототипа являются узкие функциональные возможности.

Техническая задача, решаемая изобретением - расширение функциональных возможностей регистратора за счет возможности непрерывного контроля и регистрации усредненных значений потерь мощности, аргумента ф, напряжения сети и тока нагрузки.

Указанная техническая задача решается благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии с индикацией потерь мощности (варианты), содержащий датчик тока, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры проводника, генератор прямоугольных импульсов, цифровой индикатор, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер, микроконтроллер, порт Е которого подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, порт F подключен к выходу датчика температуры проводника, а тактовый вход подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера соединены соответственно Н - через первый приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, К - через второй приемопередатчик с входом компьютера, дополнительно введены датчик напряжения сети, первый и второй входные преобразователи, первый и второй компараторы, третий приемопередатчик, через который выход порта G микроконтроллера соединен с входом цифрового индикатора, выходы датчиков тока и напряжения соединены соответственно через первый и второй входные преобразователи с портами A и C микроконтроллера, неинвертирующие входы первого и второго компараторов подключены соответственно к выходам датчика тока и датчика напряжения сети, инвертирующие входы первого и второго компараторов соединены с общей шиной регистратора, а выходы соединены соответственно с портами B и D микроконтроллера; первый и второй входные преобразователи идентичны, в частности, первый входной преобразователь содержит двухполупериодный прецизионный усилитель и буферный масштабный усилитель, вход которого подключен ко входу первого входного преобразователя, а выход через двухполупериодный прецизионный усилитель соединен с выходом первого входного преобразователя.

Существенными отличиями предлагаемого регистратора являются введение дополнительных элементов (датчика напряжения сети, первого и второго входных преобразователей, первого и второго компараторов, третьего приемопередатчика), а также организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширения функциональных возможностей устройства за счет возможности непрерывного контроля и регистрации усредненных значений потерь мощности, аргумента φ, напряжения сети и тока нагрузки.

Схема регистратора приведена на фиг.1; на фиг.2 представлен один из возможных вариантов реализации схемы входного преобразователя.

Схема регистратора (фиг.1) содержит датчик тока (ДТ) 1, датчик напряжения сети (ДН) 2, первый 3 и второй 4 входные преобразователи (ВП), микроконтроллер (МК) 5, датчик 6 температуры окружающей среды (ДТОС), датчик 7 температуры проводника (ДТП), генератор 8 прямоугольных импульсов (ГПИ), первый 9 и второй 10 компараторы, третий 11, первый 12 и второй 13 приемопередатчики, цифровой индикатор 14, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 15, компьютер 16. Выходы датчиков тока 1 и напряжения 2 соединены соответственно через первый 3 и второй 4 входные преобразователи с портами A и C микроконтроллера 5, порт Е которого подключен к выходу датчика 6 температуры окружающей среды, порт F подключен к выходу датчика 7 температуры проводника, а тактовый вход подключен к выходу генератора 8 прямоугольных импульсов, неинвертирующие входы первого 9 и второго компараторов 10 подключены соответственно к выходам датчика 1 тока и датчика 2 напряжения сети, инвертирующие входы первого 9 и второго 10 компараторов соединены с общей шиной регистратора, а выходы соединены соответственно с портами B и D микроконтроллера 5, выходы портов микроконтроллера соединены соответственно G - через третий приемопередатчик 11 с входом цифрового индикатора 14, Н - через первый приемопередатчик 12 с входом постоянного запоминающего устройства 15, K - через второй приемопередатчик 13 с входом компьютера 16.

Первый 3 и второй 4 входные преобразователи имеют идентичные схемы, в частности, первый входной преобразователь 3 (фиг.2) содержит двухполупериодный прецизионный усилитель (ДПУ) 17 и буферный масштабный усилитель (БМУ) 18, вход которого подключен ко входу входного преобразователя 3, а выход через двухполупериодный прецизионный усилитель 17 соединен с выходом входного преобразователя 4.

Схемы буферного масштабного усилителя 18 и двухполупериодного прецизионного усилителя 17 общеизвестны, в частности, в качестве их реализаций могут быть использованы схемы, описанные в [4, 5] и изображенные на рисунках 1.3 и 2.49 [4], 13.7 и 52.15 [5].

Регистратор (фиг.1) работает следующим образом.

Выходное напряжение ДТ 1, пропорциональное току нагрузки I(t), поступает через первый входной преобразователь 3 на вход порта А микроконтроллера 5.

Датчик тока 1 может быть, в частности, выполнен на измерительном шунте, включенном в цепь вторичной обмотки измерительного трансформатора тока; он обеспечивает выходной сигнал низкого уровня (номинальное значение 75 мВ). Для согласования уровня сигнала ДТ 1 с рабочим диапазоном встроенного в МК 5 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в ВП 3 используется буферный масштабный усилитель 18 (фиг.2), имеющий большое входное сопротивление и большой коэффициент усиления 15-80 (выбираемый в зависимости от модификации используемого МК 5). В ВП 3 также используется двухполупериодный прецизионный усилитель 17 для преобразования двухполярного синусоидального сигнала ДТ 1 в однополярный.

Датчик напряжения 2 может быть, в частности, выполнен на измерительном низковольтном понижающем трансформаторе (номинальное первичное напряжение которого составляет 100-220 В), подключаемом к вторичной обмотке высоковольтного измерительного трансформатора напряжения (номинальное первичное напряжение которого составляет 6 -220 кВ) или включаемом непосредственно в сеть 220 В (при контроле параметров в низковольтной сети); он обеспечивает выходной сигнал уровня в несколько вольт (уровень сигнала зависит от стандартных параметров используемого низковольтного понижающего трансформатора и уровня напряжения контролируемой сети). Для согласования уровня сигнала ДН 2 с рабочим диапазоном встроенного в МК 5 АЦП в ВП 4 используется БМУ 18 (фиг.2), имеющий большое входное сопротивление и малый коэффициент усиления 0,5-5.

Управляющая программа с достаточно высокой скоростью поочередно подключает выходные сигналы датчиков 1 - 2 к входу АЦП МК 5 таким образом, чтобы получать цифровые коды тока нагрузки и напряжения сети 50-100 раз за период. Эти коды возводятся в квадрат, а суммы квадратов накапливаются в двух ячейках в течение 1 мин.

Как известно, потери мощности в токоведущих элементах (ТЭ) определяются по формуле

$$\Delta \text{P}={\text{I}}^{\text{2}}\text{R}\text{, }\text{(1)}$$

где I(t) - изменяющийся во времени ток нагрузки, протекающий по ТЭ;

R - активное сопротивление ТЭ.

При упрощенных расчетах сопротивление R принимается неизменным во времени и равным сопротивлению R₀ при температуре окружающей среды Θ₀=20°C или сопротивлению при другой фиксированной температуре.

Точное значение сопротивления R в функции от температуры Θ_ТЭ ТЭ определяется по формуле

где α - температурный коэффициент сопротивления ТЭ; имеет значение для меди α_м=0,0041°C^-1, алюминия α_а=0,0044°C^-1, стали α_ст=0,006°C^-1.

При наличии доступа к ТЭ его температура Θ определяется с помощью датчика 7 температуры проводника присоединения, сопротивление R проводника рассчитывается в МК 5 по формуле (2), а значение потерь ΔР определяется по формуле (1).

Аргумент φ вычисляется следующим образом.

При пересечении нулевого уровня нарастающей синусоидой напряжения на выходе ДН 2 срабатывает компаратор 10 - на его выходе появляется единичное напряжение, воздействующее на вход прерывания порта D микроконтроллера 5.

При этом начинает работать блок управляющей программы МК 5, обнуляющий содержимое встроенного в МК 5 таймера Т1. После обнуления таймер Т1 продолжает подсчитывать входные импульсы, следующие с частотой ГПИ 8 (например, 1 МГц).

После окончания интервала времени, длительность которого соответствует углу ф, срабатывает компаратор 9 (в момент пересечения нулевого уровня нарастающей синусоидой тока на выходе ДТ 1) - на его выходе появляется единичное напряжение, воздействующее на вход порта В микроконтроллера 5, являющийся входом захвата таймера Т1. Содержимое n (например, 1000) таймера Т1 используется для расчета аргумента φ по формуле

$$\varphi =\frac{360\cdot n}{n_T}=\frac{360\cdot 1000}{20000}={18}^{\circ },\left(3\right)$$

где m=20000 - число импульсов, подсчитываемых таймером Т1 в течение периода напряжения сети при частоте ПТИ 8f_T=1 МГц. Управление работой регистратора осуществляется следующим образом.

Через одинаковые интервалы времени ΔT=1 мин приемопередатчиком 11 с выхода порта G МК 5 в ЦИ 14 записываются усредненные за минуту значения тока нагрузки I_1мин, напряжения сети U_1мин, аргумента φ_1мин и потерь мощности ΔP_1мин, которые в дальнейшем отображаются на цифровом индикаторе 14, непрерывно обновляясь каждую минуту.

Приемопередатчик 12 один раз в час размещает в очередных ячейках ПЗУ 15: дату; час; значения тока нагрузки I_1час, напряжения сети U_1час, аргумента φ_1час, потерь мощности ΔP_1час (численно совпадающее с потерями электроэнергии за этот час) и т.д.

В том случае, если доступ к проводнику присоединения отсутствует, (например, к жилам кабеля, на которые ДТП не был установлен при прокладке кабеля) датчиком 6 один раз в минуту измеряется температура окружающей среды Θ_окр, а температура проводника Θ определяется из дифференциального уравнения нагрева по следующей формуле [6]

$$\tau \cdot \frac{d\Theta }{dt}+\Theta =K_R\cdot \left({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0\right)\cdot \left[\frac{I_i^2}{I_{ном}^2}\right]+{\Theta }_{окр},\left(4\right)$$

где $$K_R\Theta =\frac{1}{1+\alpha \left({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0\right)}[1+\alpha \left(\Theta -{\Theta }_0\right)$$ - коэффициент изменения сопротивления проводника в функции от температуры;

Θ_ном - номинальная длительно допустимая температура проводника;

I_ном - номинальный ток проводника;

I - среднеквадратическое значение тока нагрузки.

Преимуществом предлагаемого изобретения по сравнению с известными аналогами является его более широкие функциональные возможности. Схема регистратора ориентирована на применение современной микроэлектронной основы - микроконтроллеров.

Источники информации

1. Патент 2380715 РФ, МПК G06F 17/18, 2008.

2. Осипов Д.С. Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: Автореф. дис.… канд. техн. наук. - Омск, 2005.

3. Патент 2449356 РФ, МПК G06F 17/18, 2012, 5 независимый пункт формулы (прототип).

4. Применение интегральных схем: Практическое руководство: В. 2 кн.: Пер. с англ. / П.Брэдшо, С.Гош, X.Олдридж и др.; Под ред. А.Уильямса. - М.: Мир, 1987: Кн. 1. - 432 с.

5. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 688 с.

6. Гудзовская В.А., Ермаков В.Ф., Балыкин Е.С., Зайцева И.В. Математическая модель процесса изменения температуры нагрева проводника // Изв. вузов. Электромеханика. - 2012. - №2. - С.42 -43.

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей регистратора за счет возможности непрерывного контроля и регистрации усредненных значений потерь мощности, напряжения сети и тока нагрузки. Технический результат достигается благодаря тому, что регистратор содержит датчик тока, датчик напряжения сети, первый и второй входные преобразователи, микроконтроллер, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры проводника, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй компараторы, первый, второй и третий приемопередатчики, цифровой индикатор, постоянное запоминающее устройство, компьютер. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Микропроцессорный регистратор данных для проведения энергоаудита, содержащий датчик тока, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры проводника, генератор прямоугольных импульсов, цифровой индикатор, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер, микроконтроллер, порт Е которого подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, порт F подключен к выходу датчика температуры проводника, а тактовый вход подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера соединены соответственно Н - через первый приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, К - через второй приемопередатчик с входом компьютера, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик напряжения сети, первый и второй входные преобразователи, первый и второй компараторы, третий приемопередатчик, через который выход порта G микроконтроллера соединен с входом цифрового индикатора, выходы датчиков тока и напряжения соединены соответственно через первый и второй входные преобразователи с портами A и C микроконтроллера, неинвертирующие входы первого и второго компараторов подключены соответственно к выходам датчика тока и датчика напряжения сети, инвертирующие входы первого и второго компараторов соединены с общей шиной регистратора, а выходы соединены соответственно с портами B и D микроконтроллера.

2. Регистратор по п.1, отличающийся тем, что первый и второй входные преобразователи идентичны, в частности, первый входной преобразователь содержит двухполупериодный прецизионный усилитель и буферный масштабный усилитель, вход которого подключен к входу первого входного преобразователя, а выход через двухполупериодный прецизионный усилитель соединен с выходом первого входного преобразователя.