Счетчик электрической энергии

Счетчик электрической энергии, содержащий преобразователь мощности, дисплей и блок питания, при этом преобразователь мощности включает в себя преобразователь напряжения сети, преобразователь тока сети, преобразователь среднего значения произведения сигналов в импульсные сигналы, а блок питания включает в себя токоограничивающий элемент, выпрямительный диод, стабилитрон, конденсатор фильтра и стабилизатор напряжения, при этом токоограничивающий элемент выполнен в виде транзистора и двух резисторов, Отличительными признаками устройства являются счетное устройство, блок управления с реле отключения нагрузки, соединенные определенным образом между собой и блоком питания устройства, в который введены третий резистор, делитель напряжения и электронный ключ, при этом блок управления содержит четвертый резистор, другой стабилитрон, накапливающий конденсатор, защитные диоды и два других электронных ключа.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является защита счетчика и подключаемых к нему электрических цепей от перегрузок подсоединенной к цепям мощности нагрузки, а также от коротких и длительных перегрузок по напряжению, например, при обрыве нейтрали сети.

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для учета расхода электрической энергии у различных потребителей электрической энергии в быту, в промышленности и других сферах народного хозяйства.

Известен счетчик электроэнергии, например, ЭУ20, выпускаемый ЗАО «Энергоучет» (www.zaoenergo.spb.ru), и содержащий преобразователь мощности (патент на полезную модель 45829 опуб. 27.05.2005 г.), Известное устройство содержит преобразователь напряжения сети, преобразователь тока сети, преобразователь среднего значения произведения сигналов в импульсные сигналы и блок питания, содержащий стабилизатор напряжения, транзистор и два резистора в качестве токоограничивающего элемента. Отличительной особенностью известного устройства является то, что токоограничивающий элемент, на котором рассеивается основная энергия, потребляемая собственно счетчиком, часть времени работает в ключевом режиме, а часть времени в режиме линейной стабилизации. Недостатком известного счетчика электрической энергии являются наличие пульсаций в цепи питания и наличие больших импульсов тока во входных цепях блока питания счетчика.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является счетчик электрической энергии, например, ЭУ20 (www.zaoenergo.spb.ru), содержащий преобразователь мощности (патент на полезную модель 39714 опуб. 10.08.2004 г.), который включает в себя преобразователь напряжения сети, преобразователь тока сети, преобразователь среднего значения произведения сигналов в импульсные сигналы и блок питания. Блок питания включает в себя токоограничивающий элемент, выпрямительный диод, стабилитрон, конденсатор фильтра и стабилизатор напряжения, соединенные между собой соответствующим образом, а токоограничивающий элемент выполнен в виде транзистора, резистора и дополнительного резистора.

Недостатком наиболее близкого аналога является большая мощность, выделяемая на токоограничивающем элементе, которая увеличивается при перегрузках по напряжению, например, при обрыве нейтрали сети, что может привести к выходу из строя элементов счетчика электрической энергии. Другим недостатком является ограниченная функциональная возможность устройства, не позволяющая управлять нагрузкой, подключаемой потребителем к сети, что, в случае перегрузки сети, может привести к нарушению работы счетчика электрической энергии и созданию пожароопасной обстановки при дефектах электропроводки.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является защита счетчика электрической энергии и подключаемых к нему цепей от перегрузок.

Поставленная задача решается тем, что счетчик электрической энергии, содержащий преобразователь мощности, дисплей и блок питания, при этом преобразователь мощности включает в себя преобразователь напряжения сети, преобразователь тока сети, преобразователь среднего значения произведения сигналов в импульсные сигналы, а блок питания включает в себя токоограничивающий элемент, выпрямительный диод, стабилитрон, конденсатор фильтра и стабилизатор напряжения, один вход которого подключен к одному выводу конденсатора фильтра, а другой вход стабилизатора напряжения, другой вывод конденсатора фильтра и анод стабилитрона соединены между собой и подключены к одной из шин сети, при этом токоограничивающий элемент выполнен в виде транзистора и двух резисторов, одни выводы которых соединены и подключены к катоду выпрямительного диода, а другой конец одного резистора соединен с коллектором транзистора, база которого соединена с другим выводом другого резистора и катодом стабилитрона, при этом анод выпрямительного диода подключен к другой шине сети, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены третий резистор, делитель напряжения, электронный ключ, реле отключения нагрузки с блоком управления и счетное устройство, включенное между преобразователем мощности и дисплеем, и содержащее два выхода, подключенных к входам блока управления, выходы которого подключены к двум управляющим входам и одному общему входу реле отключения нагрузки, при этом выходы электронного ключа подключены параллельно стабилитрону, а управляющий вход электронного ключа подключен к выходу делителя напряжения, один вход которого соединен с катодом выпрямительного диода, а другой вход подключен к одной из шин сети, при этом третий резистор включен между эмиттером транзистора и входом стабилизатора напряжения.

В блок управления могут быть введены четвертый резистор, другой стабилитрон, накапливающий конденсатор, защитные диоды и два других электронных ключа, каждый из которых одним выходом соединен с анодом соответствующего защитного диода и является одним из двух выходов блока управления, подключенным к управляющим входам реле отключения нагрузки, а другие выходы каждого из других электронных ключей, один вывод накапливающего конденсатора и анод другого стабилитрона подключены к одной из шин сети, при этом управляющие входы других электронных ключей являются входами блока управления, а другой вывод накапливающего конденсатора, катод другого стабилитрона, один вывод четвертого резистора, катоды защитных диодов соединены между собой и являются третьим выходом блока управления, подключенного к общему входу реле отключения нагрузки, при этом другой вывод четвертого резистора подключен к катоду выпрямительного диода.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение мощности, рассеиваемой на токоограничивающем элементе при наличии перегрузки в сети, и возможность отключения нагрузки в случае, если она превышает допустимую для данной сети, что защищает предлагаемое устройство и подключенные к нему цепи от перегрузок.

Сущность изобретения поясняется схемой предлагаемого устройства, приведенной на фигуре.

Устройство содержит преобразователь мощности 1, дисплей 2 и блок питания 3. Преобразователь мощности 1 состоит из преобразователя напряжения 4 преобразователя тока 5 и преобразователя среднего значения произведений сигналов в импульсы 6, а блок питания 3 включает в себя токоограничивающий элемент 7, выпрямительный диод 8, стабилитрон 9, конденсатор фильтра 10 и стабилизатор напряжения 11, один вход которого подключен к одному выводу конденсатора фильтра 10, а другой вход стабилизатора напряжения 11, другой вывод конденсатора фильтра 10 и анод стабилитрона 9 соединены между собой и подключены к одной из шин сети, при этом токоограничивающий элемент 7 выполнен в виде транзистора 12 и двух резисторов 13 и 14 соответственно, одни выводы которых соединены и подключены к катоду выпрямительного диода 8, а другой конец резистора 13 соединен с коллектором транзистора 12, база которого соединена с другим выводом резистора 14 и катодом стабилитрона 9, при этом анод выпрямительного диода 8 подключен к другой шине сети. Блок питания 3 содержит третий резистор 15, делитель напряжения 16, электронный ключ 17, реле отключения нагрузки 18 с блоком управления 19 и счетное устройство 20, включенное между преобразователем мощности 1 и дисплеем 2.

Счетное устройство 20 содержит два выхода 21 и 22, подключенные к входам блока управления 19, выходы которого подключены к двум управляющим входам 23 и 24 соответственно и к общему входу 25 реле отключения нагрузки 18, а выходы электронного ключа 17 подключены параллельно стабилитрону 9, при этом управляющий вход электронного ключа 17 соединен с выходом делителя напряжения 16, один вход которого соединен с катодом выпрямительного диода 8, а другой вход подключен к одной из шин сети, при этом третий резистор 15 включен между эмиттером транзистора 12 и входом стабилизатора напряжения 11.

Блок управления 19 содержит четвертый резистор 26, другой стабилитрон 27, накапливающий конденсатор 28, защитные диоды 29 и 30 соответственно и два других электронных ключа 31 и 32, при этом одни выходы электронных ключей 31 и 32 и аноды защитных диодов 29 и 30 соединены соответственно между собой и являются выходами блока управления 19, подключенными к управляющим входам 23 и 24 реле отключения нагрузки 18, а другие выходы электронных ключей 31 и 32, один вывод накапливающего конденсатора 28 и анод другого стабилитрона 27 соединены между собой и подключены к одной из шин сети, при этом управляющие входы электронных ключей являются входами блока управления 19, а один вывод накапливающего конденсатора 28, катод другого стабилитрона 27, один вывод четвертого резистора 26, катоды защитных диодов 29 и 30 соединены между собой и являются выходом блока управления 19, подключенного к общему входу 25 реле отключения нагрузки 18, при этом другой вывод четвертого резистора 26 подключен к катоду выпрямительного диода 8.

Устройство работает следующим образом. При наличии напряжения в сети и тока в нагрузке преобразователи напряжения 4 и тока 5 сети формируют сигналы, по которым преобразователь среднего значения произведения сигналов 6 формирует телеметрическую и (или) кодовую последовательность импульсов, параметры которой пропорциональны мощности подключенной к сети нагрузки. Эти сигналы поступают на счетное устройство 20, в котором преобразуются в значение мощности и накапливаются в виде израсходованной потребителем электрической энергии. Значения мощности и энергии циклически выводятся на дисплей 2. Одновременно через выпрямительный диод 8 и резистор 26 накапливающий конденсатор 28 заряжается до напряжения стабилизатора 27. Если мощность нагрузки, измеренная счетным устройством 20, превышает определенное, заранее установленное значение, то на одном из выходов, например, 21, счетное устройство 20 генерирует импульс, который поступает на управляющий вход электронного ключа 31. Электронный ключ 31 открывается и конденсатор 28 разряжается через обмотку реле отключения нагрузки 18, которое срабатывает и с помощью контакта 33 отключает нагрузку. После окончания действия импульса на управляющем входе электронного ключа 31 он снова закрывается. После этого накапливающий конденсатор 28 через выпрямительный диод 8 и резистор 26 снова заряжается до напряжения стабилизатора 27. Через установленное время, которое больше времени заряда конденсатора 28 счетное устройство 20 генерирует импульс на выходе 22, который поступает на управляющий вход электронного ключа 32. Электронный ключ 32 открывается и конденсатор 28 разряжается через другую обмотку реле отключения нагрузки 18, которое через контакт 33 подключает нагрузку к сети. Устройство измеряет мощность нагрузки и, если она не превышает установленное значение, то нагрузка остается подключенной. Если измеренное значение мощности снова превышает установленный уровень, то счетное устройство 20 генерирует сигнал отключения нагрузки на более длительный срок. Работа счетного устройства 20 и преобразователя среднего значения произведения сигналов 6 начинается, если на выходе блока питания напряжение достигает определенной величины. Это напряжение формируется следующим образом. Положительная полуволна напряжения сети через выпрямительный диод 8 и резистор 14 создает на стабилитроне 9 импульсы фиксированной амплитуды. Эти импульсы, усиленные по току, с помощью транзистора 12 через резисторы 13 и 15 заряжают конденсатор фильтра 10. При отрицательной полуволне напряжения сети, когда импульс на эмиттере транзистора 12 отсутствует, конденсатор фильтра 10 разряжается входным током стабилизатора напряжения 11. Напряжение отсечки стабилитрона 9, емкость конденсатора фильтра 10 и сопротивление резистора 13 выбирают так, чтобы при минимальном значении рабочего напряжения устройства обеспечить требуемое напряжение на выходе стабилизатора напряжения 11. Резистор 15 увеличивает выходное сопротивление источника напряжения, заряжающего конденсатор фильтра 10, что уменьшает выбросы тока при его заряде в начале положительной полуволны напряжения. Сопротивление резистора 15 выбирают по величине допустимого выброса тока, протекающего через него в начальный момент заряда конденсатора фильтра 10. При повышении напряжения сети до уровня, при котором напряжение на выходе делителя напряжения 16 начнет превышать порог срабатывания электронного ключа 17, последний открывается на время, пока длится это превышение. На это время транзистор 12 закрывается и время заряда конденсатора фильтра 10 уменьшается. Дальнейшее увеличение напряжения сети приводит к увеличению времени, когда транзистор 12 закрыт, к уменьшению времени заряда конденсатора фильтра 10 и одновременно к уменьшению мощности рассеиваемой на токоограничивающем элементе 7. Уменьшение времени заряда конденсатора фильтра 10 приводит к уменьшению напряжения на нем. Когда напряжение на конденсаторе фильтра 10 уменьшается до уровня, не обеспечивающего требуемый уровень напряжения на выходе стабилизатора напряжения 11, функционирование устройства прекращается и мощность, рассеиваемая на токоограничивающем элементе существенно уменьшается.

При реализации предлагаемого технического решения в качестве электронного ключа 17 можно использовать, например, биполярный или полевой транзисторы, а для получения лучшей температурной стабильности применять управляемый стабилитрон, например, типа TL431. В качестве электронных ключей 31 и 32 можно использовать, например, биполярные, полевые транзисторы или оптрон, если необходима гальваническая развязка счетного устройства 20 и блока управления 19. В качестве счетного устройства 20 можно использовать однокристальный микропроцессор или специальную микросхему счетчика электрической энергии, включающую в себя преобразователь среднего значения произведения сигналов в импульсы и микропроцессор.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет снижать мощность рассеиваемую на элементах счетчика электрической энергии при повышении напряжения в сети выше устанавливаемого уровня и прекращать работу счетчика электрической энергии при аварийных режимах в сети, например, при обрыве нейтрали, что обеспечивает долговременную защиту счетчика от перегрузок. Предлагаемое техническое решение позволяет отключить нагрузку от сети, если ее мощность превышает установленный предел для данной сети, что позволяет защитить цепи, подключенные к счетчику электрической энергии, от перегрузок и сам счетчик от перегрузок по току.

1. Счетчик электрической энергии, содержащий преобразователь мощности, дисплей и блок питания, при этом преобразователь мощности включает в себя преобразователь напряжения сети, преобразователь тока сети, преобразователь среднего значения произведения сигналов в импульсные сигналы, а блок питания включает в себя токоограничивающий элемент, выпрямительный диод, стабилитрон, конденсатор фильтра и стабилизатор напряжения, один вход которого подключен к одному выводу конденсатора фильтра, а другой вход стабилизатора напряжения, другой вывод конденсатора фильтра и анод стабилитрона соединены между собой и подключены к одной из шин сети, при этом токоограничивающий элемент выполнен в виде транзистора и двух резисторов, одни выводы которых соединены и подключены к катоду выпрямительного диода, а другой конец одного резистора соединен с коллектором транзистора, база которого соединена с другим выводом другого резистора и катодом стабилитрона, при этом анод выпрямительного диода подключен к другой шине сети, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены третий резистор, делитель напряжения, электронный ключ, реле отключения нагрузки с блоком управления и счетное устройство, включенное между преобразователем мощности и дисплеем и содержащее два выхода, подключенных к входам блока управления, выходы которого подключены к двум управляющим входам и одному общему входу реле отключения нагрузки, при этом выходы электронного ключа подключены параллельно стабилитрону, а управляющий вход электронного ключа подключен к выходу делителя напряжения, один вход которого соединен с катодом выпрямительного диода, а другой вход подключен к одной из шин сети, при этом третий резистор включен между эмиттером транзистора и входом стабилизатора напряжения.

2. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что в блок управления введены четвертый резистор, другой стабилитрон, накапливающий конденсатор, защитные диоды и два других электронных ключа, при этом один выход каждого из других электронных ключей соединен с анодом соответствующего защитного диода и являются двумя выходами блока управления, подключенными к управляющим входам реле отключения нагрузки, а другой выход каждого из других электронных ключей, один вывод накапливающего конденсатора и анод другого стабилитрона подключены к одной из шин сети, при этом управляющие входы других электронных ключей являются входами блока управления, а один вывод накапливающего конденсатора, катод другого стабилитрона, один вывод четвертого резистора, катоды защитных диодов соединены между собой и являются третьим выходом блока управления, подключенного к общему входу реле отключения нагрузки, при этом другой вывод четвертого резистора подключен к катоду выпрямительного диода.