электронный счетчик электроэнергии

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОННЫЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, содержащий первое и второе входные согласующие устройства, мультиплексор, первый и второй информационные входы которого подключены к прямому и инверсному выходам первого входного согласующего устройства, последовательно соединенные интегратор и преобразователь уровня, а также преобразователь напряжения в частоту, вход и выход которого подключены соответственно к выходу мультиплексора и к входу регистратора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены генератор импульсов, первый и второй триггеры и источники положительного и отрицательного опорных напряжений, мультиплексор снабжен дополнительными информационными входами и выходом, интегратор первым входом подключен к выходу второго согласующего устройства, а вторым - к дополнительному выходу мультиплексора, два из дополнительных входов которого подключены к источнику отрицательного опорного напряжения, а два других - к источнику положительного опорного напряжения, выход генератора импульсов подключен к входам синхронизации первого и второго триггеров, выход первого триггера подключен к информационному входу второго триггера и к первому адресному входу мультиплексора, выход второго триггера соединен с вторым адресным входом мультиплексора, а выход преобразователя уровня подключен к информационному входу первого триггера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах учета и контроля мощности и потребления электрической энергии.

Известен электронный ваттметр или счетчик ватт-часов электроэнергии с автоматической коррекцией погрешности измерения, содержащий первое и второе согласующие устройства, выполненные соответственно в виде трансформаторов тока и напряжения, сдвоенный двухканальный мультиплексор, информационные входы которого попарно подключены к прямому и инверсному выходам первого согласующего устройства (трансформатора тока), генератор пилообразного напряжения, компаратор и преобразователь частоты в напряжение, входы которого подключены к выходам сдвоенного двухканального мультиплексора, а выход подключен к входу регистратора. Причем выходы второго согласующего устройства (трансформатора напряжения) и генератора пилообразного напряжения подключены соответственно к первому и второму входам компаратора, выход которого соединен с управляющим входом сдвоенного двухканального мультиплексора.

Недостатком устройства является пониженная точность измерений. Это обусловлено следующими причинами: во-первых, результат измерения в существенной степени зависит от симметричности выходного сигнала генератора пилообразного напряжения.

Неточное равенство величин положительного и отрицательного опорных напряжений, изменения напряжений смещения нуля компараторов и интегратора в генераторе пилообразного напряжения приводит к рассогласованию положительных и отрицательных амплитуд выходного сигнала этого генератора. Это изменяет скважность сигнала управления мультиплексором и появляется неустpанимая в последующем погрешноcть измерения.

Во-вторых, в данном устройстве при малых входных напряжениях (в частности в моменты перехода синусоидального напряжения через нулевой уровень), когда произведение тока на напряжение близко к нулю, сигнал управления мультиплексором имеет скважность, равную двум. Поэтому при малой мощности (за счет малой величины рабочего напряжения) наблюдаются повышение пульсации выходного напряжения перемножителя, что приводит к дополнительной погрешности измерения за счет ограниченного коэффициента сглаживания пульсаций в преобразователе частоты в напряжение.

Наиболее близким к предложенному является электронный счетчик ватт-часов, содержащий первое и второе входные согласующие устройства, выполненные соответственно в виде трансформаторов тока и напряжения, широтно-импульсный модулятор, содержащий последовательно соединенные интегратор и преобразователь уровня (двухпороговый компаратор), сдвоенный двухканальный мультиплексор, информационные входы и выходы которого подключены соответственно к выходам первого входного согласующего устройства (трансформатора тока) и к входам преобразователя напряжения в частоту, а также устройство определения полярности сигналов, логический блок и регистратор, вход которого подключен к выходу преобразователя напряжения в частоту. Причем входы логического блока подключены к выходам преобpазователя уровня и устройства определения полярности сигнала, входы которого подключены к выходам первого и второго входных согласующих устройств, выходы логического блока подключены к управляющим входам мультиплексора, а вход широтно-импульсного модулятора подключен к выходу второго входного согласующего устройства.

Недостатком этого устройства является зависимость результатов измерений от параметров широтно-импульсного модулятора. В частности, изменение параметров резисторов и конденсатора в интеграторе и выходного напряжения преобразователя уровня при изменении температуры окружающей среды или в течение определенного срока наработки приводит к пропорциональному изменению результата измерения и, соответственно, к возникновению погрешности измерений.

Кроме того, наличие в счетчике устройства определения полярности сигнала и логического блока, обладающих повышенной сложностью, снижает его надежность.

Цель изобретения повышение точности счетчика с одновременным упрощением его путем исключения влияния колебаний параметров интегратора и преобразователя уровня на изменение результатов измерения.

Это достигается тем, что в электронный счетчик электроэнергии, содержащий первое и второе входные согласующие устройства, мультиплексор, первый и второй информационные входы которого подключены к прямому и инверсному выходам первого входного согласующего устройства, интегратор, выход которого подключен к входу преобразователя уровня, а также преобразователь напряжения в частоту, вход и выход которого подключены соответственно к выходу мультиплексора и к входу регистратора, дополнительно введены генератор импульсов, первый и второй триггеры и источники положительного и отрицательного опорных напряжений, мультиплексор снабжен дополнительными информационными входами и выходами, интегратор первым входом подключен к выходу второго входного согласующего устройства, а вторым к дополнительному выходу мультиплексора, два из дополнительных входов которого подключены к источнику отрицательного опорного напряжения, выход генератора импульсов подключен к входам синхронизации первого и второго триггеров, выход первого триггера подключен к информационному входу второго триггера и к первому адресному входу мультиплексора, выход второго триггера соединен с вторым адресным входом мультиплексора, а выход преобразователя уровня подключен к информационному входу первого триггера.

Благодаря использованию новых элементов и новых связей в предложенном устройстве результат измерения мощности и количества электроэнергии не зависит от постоянной времени интегратора (сопротивления резистора и емкости конденсатора) и параметров преобразователя уровня. В сочетании с отсутствием в устройстве других резисторов и конденсаторов, влияющих на результат измерений, это приводит к существенному повышению точности счетчика электроэнергии.

Кроме того, введение в предложенное устройство генератора импульсов, первого и второго триггеров и источников опорных напряжений, а также соответствующее изменение связей между элементами, приводит к существенному упрощению счетчика электроэнергии. Благодаря этому повышается надежность устройства.

На чертеже представлена структурная схема предложенного устройства.

Электронный счетчик электроэнергии содержит первое 1 и второе 2 входные согласующие устройства, выходы которых подключены к информационным входам мультиплексора 3 и к первому входу интегратора 4, выход которого подключен к входу преобразователя уровня 5, генератор импульсов 6, первый 7 и второй 8 триггеры, источники положительного 9 и отрицательного 10 опорных напряжений, которые подключены к первому-второму и третьему-четвертому дополнительным информационным входам мультиплексора 3, дополнительный выход которого подключен к второму входу интегратора 4, а также преобразователь напряжения в частоту 11, вход и выход которого подключены соответственно к выходу мультиплексора 3 и входу регистратора 12. Выход генератора импульсов 6 при этом подключен к входам синхронизации первого 7 и второго 8 триггеров, выход преобразователя уровня 5 подключен к информационному входу первого триггера 7, выход которого подключен к информационному входу второго триггера 8 и к первому адресному входу мультиплексора 3, второй адресный вход которого подключен к выходу второго триггера 8.

Первое 1 и второе 2 входные согласующие устройства могут быть выполнены соответственно в виде трансформатора тока 13 с нагрузочным резистором 14 и трансформатора напряжения 15. На выходах трансформаторов 13, 15 в согласующих устройствах могут быть дополнительно установлены усилители и ограничители напряжения. Второе согласующее устройство 2 может быть выполнено также в виде бестрансформаторного дифференциального усилителя.

В качестве мультиплексора 3 может быть использован сдвоенный четырехканальный мультиплексор типа КР590КН3. Интегратор 4 содержит операционный усилитель 16, конденсатор 17 и резистор 18. В качестве преобразователя уровня 5 может быть использован компаратор с заземленным инвертирующим входом, ограничитель или делитель напряжения. В качестве генератора импульсов 6 целесообразно использовать кварцевый генератор с делителем частоты, выполненный, например, на микросхеме К176ИЕ12. При частоте кварцевого резонатора 32768 Гц на входы первого 7 и второго 8 триггеров может быть подана частота около 1 кГц, взятая с четвертого разряда делителя этой микросхемы.

Преобразователь частоты в напряжение 11 может содержать входной фильтр, выполненный на резисторе 19 и конденсаторе 20, второй интегратор, содержащий операционный усилитель 21, конденсатор 22 и резистор 23, ограничитель напряжения, выполненный на резисторе 24 и стабилитроне 25, а также третий триггер 26 и переключатель 27.

Вход синхронизации третьего триггера 26 целесообразно подключить к дополнительному выходу генератора импульсов 6, например к другому выходу делителя микросхемы К176ИЕ12 с более низкой частотой следования импульсов.

Регистратор 12 может содержать электромеханический или электронный счетчик импульсов 28 и индикатор 29.

Электронный счетчик электроэнергии работает следующим образом.

Напряжение сети U_c через трансформатор тока 13 поступает на нагрузку Z_н, потребление энергии которой необходимо измерить.

На вторичной обмотке трансформатора тока 13, а следовательно, на резисторе 14 и на выходе первого входного согласующего устройства 1 появляется симметричное относительно общего провода переменное напряжение, величина которого пропорциональна току нагрузки.

Одновременно на выходе второго входного согласующего устройства 2 (трансформатора напряжения 15) присутствует переменное напряжение, пропорциональное напряжению сети.

Это напряжение поступает на вход операционного усилителя 16 (интегратора 4). На другой вход интегратора 4 (на резистор 18) подается положительное (+U₀) или отрицательное (-U₀) опорное напряжение. Переключение полярности опорного напряжения (источников опорного напряжения 9, 10) осуществляет мультиплексор 3 по сигналам первого триггера 7.

Ввиду того, что опорные напряжения поступают на попарно объединенные дополнительные информационные входы мультиплексора 3, изменение состояния второго триггера 8 не оказывает влияния на процесс переключения опорных напряжений.

В зависимости от знака напряжения на выходе интегратора 4 преобразователь уровня 5 подает на информационный вход первого триггера 7 логические сигналы "0" или "1". Импульсы опорной частоты f_о с генератора импульсов 6 устанавливают первый триггер 7 в состояние, соответствующее этим сигналам.

Каждый раз, когда приходит импульс опорной частоты, мультиплексор 3 подает на вход интегратора 4 такое опорное напряжение, которое уменьшает напряжение на его входе.

При выходном напряжении трансформатора напряжения 15 равном нулю первый триггер 7 с каждым импульсом опорной частоты будет изменять свое состояние. В соответствии с этим с каждым импульсом опорной частоты будет изменяться также и состояние второго триггера 8, причем его состояние будет противоположным состоянию первого триггера 7.

Поэтому на адресных входах мультиплексора 3 будут присутствовать логические сигналы "10" или "01", выход Y мультиплексора 3 будет подключаться к информационным входам Y₂ и Y₃ (см. чертеж) и напряжение на выходе мультиплексора 3 будет отсутствовать независимо от величины тока нагрузки.

При выходном напряжении трансформатора напряжения 15, отличном от нуля, появляются моменты времени, когда первый триггер 7 находится в одном и том же состоянии в течение двух и более периодов опорной частоты. Это приводит к появлению моментов времени, когда состояния первого 7 и второго 8 триггеров совпадают.

Причем при положительном входном напряжении появляются логические состояния "11", а при отрицательном состояние "00". Чем больше мгновенное значение входного напряжения, тем более интенсивно изменяется выходное напряжение интегратора 4 и тем чаще устройство переходит в состояние, соответствующее появлению на адресных входах мультиплексора логических состояний "11" или "00".

При логическом состоянии "11" на выход мультиплексора 3 подключается входной сигнал Y₄ (см. чертеж), т.е. прямой сигнал с трансформатора тока 13. При состоянии "00" сигнал Y₁, т.е. инверсный сигнал с трансформатора тока 13.

Причем очевидно, что независимо от параметров конденсатора 17 и резистора 18 интегратора 4 и порога срабатывания преобразователя уровня 5 вольт-секундная площадь выходного сигнала трансформатора напряжения 15 всегда равна вольт-секундной площади импульсной последовательности на дополнительном выходе мультиплексора.

Поэтому для обеспечения высокой точности преобразования достаточно стабилизировать опорную частоту выходную частоту генератора импульсов 6 и опорные напряжения 9, 10.

Поскольку длительность нахождения мультиплексора в состоянии "11" ("00") пропорциональна положительному (отрицательному) мгновенному значению напряжения на выходе второго согласующего устройства 2 (трансформатора напряжения 15), а мультиплексор 3 переключает сигнал, пропорциональный току нагрузки, среднее значение напряжения на выходе Y мультиплексора 3 пропорционально произведению мгновенных значений тока и напряжения нагрузки: U_вых UIcos где угол сдвига фаз между током и напряжением.

Напряжение с выхода мультиплексора поступает на выход преобразователя частоты в напряжение 11. Резистор 19 и конденсатор 20 обеспечивают выделение постоянной составляющей этого напряжения.

В показанном на чертеже варианте преобразователя напряжения в частоту 11 используется примерно аналогичный принцип построения, что и в описанном выше преобразователе выходного сигнала трансформатора напряжения 15 в сигналы управления мультиплексором 3.

В данном преобразователе в частоту преобразуется напряжение только положительной полярности. Поэтому ключ 27 коммутирует опорное напряжение только одной полярности.

На вход синхронизации этого триггера целесообразно подавать импульсы синхронизации с более низкой частотой, чтобы уменьшить число разрядов в счетчике 28 регистратора 12.

Импульсы, частота следования которых пропорциональна мощности, потребляемой нагрузкой, с выхода третьего триггера 26 поступают на регистратор 12.

Регистратор в зависимости от конструктивного исполнения счетчика 28 на индикаторе 29 может отображать количество ампер-часов потребляемой электроэнергии или потребляемую мощность. В первом случае должен быть использован накапливающий счетчик импульсов, а во втором счетчик, осуществляющий подсчет количества импульсов за заданный (эталонный) интервал времени.

Погрешность измерения в предложенном устройстве определяется нестабильностью частоты генератора импульсов (кварцевого генератора) и опорных напряжений, не зависит от параметров используемых резисторов и конденсаторов и по этим причинам имеет малую величину, существенно меньшую, чем в прототипе. Это дает возможность использовать предложенное устройство не только в бытовых, но и в эталонных прецизионных счетчиках электроэнергии. Кроме того, предложенное устройство существенно проще, а следовательно, более надежно, чем прототип.