Счетчик киловатт-часов

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для регистрации потребляемой электроэнергии в магистральных сетях. Технический результат заключается в повышении точности измерения. Счетчик киловатт-часов содержит: магистральные шины 1 и 2, преобразователи 3 и 4 измерительных сигналов напряжения и тока, широтно-импульсный модулятор 5, амплитудно-импульсный модулятор 6, схему 7 синхронизации, преобразователь 8 напряжения в частоту, счетчик 9 и схему 10 управления шаговым двигателем. 1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в счетчиках электрической энергии.

Известны счетчики электрической энергии с использованием для перемножения тока и напряжения метода широтно- импульсной модуляции ШИМ и амплитудно-импульсной модуляции АИМ с последующим преобразованием напряжения в частоту [1, 2] В этих счетчиках схема ШИМ выполнена на основе генератора треугольных импульсов и порогового устройства, схема АИМ на основе аналоговых ключей в качестве умножителя, а при построении преобразователя напряжения в частоту ПНЧ используют метод однотактного интегрирования [1] или компенсации зарядов [2] Данные устройства имеют недостаточную точность из-за разброса показаний на конечном интервале времени измерения.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее преобразователи измерительных сигналов напряжения и тока, широтно-импульсный умножитель, состоящий из суммирующего элемента на резисторах, генератора последовательности треугольных импульсов и аналогового переключателя на КМОП транзисторах, а также преобразователя напряжения в частоту, выполненного на аналоговом интеграторе, детекторе порогового уровня и генераторе синхроимпульсов [3] Недостатком прототипа является разброс показаний, регистрируемых на ограниченном интервале времени измерения, например, при регулировке прибора в процессе производства. При этом относительный разброс показаний увеличивается при уменьшении нагрузки в магистральной сети (как правило из-за уменьшения тока).

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности счетчика киловатт-часов при измерении электрической энергии.

Для этого в счетчик киловатт-часов, содержащий преобразователь измерительных сигналов напряжения и преобразователь измерительных сигналов тока, входы которых подключены к проводам магистральной сети, а их выходы соответственно ко входам ШИМ и АИМ, а первый выход АИМ подключен ко входу ПНЧ, последовательно с которым соединены счетчик и схема управления шаговым двигателем, а также блок питания, вход которого подключен к сети, выходы к нагрузке, при этом ШИМ содержит суммирующий элемент в виде первого и второго последовательно соединенных резисторов, первый вход которого соединен с генератором треугольных импульсов, АИМ содержит управляющий вход, а ПНЧ содержит последовательно соединенные первый интегратор и детектор уровня напряжения, схему синхронизации, первый аналоговый переключатель, выход которого подключен ко входу первого интегратора, а вход соединен с первым выходом блока питания, в схему ПНЧ введены второй интегратор, второй аналоговый переключатель, а детекторы уровня напряжения в схемах ШИМ и ПНЧ выполнены в виде первого и второго Д-триггеров, тактовые входы которых соединены между собой и подключены к первому выходу схемы синхронизации, информационный вход первого Д-триггера подключен к выходу суммирующего элемента, выход первого Д-триггера ко второму входу суммирующего элемента и к управляющему входу АИМ, информационный вход второго Д-триггера соединен с выходом второго интегратора, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора, а его второй вход с выходом второго аналогового переключателя, вход которого подключен ко второму выходу блока питания, а управляющий вход к управляющему входу первого аналогового переключателя и ко второму выходу схемы синхронизации.

Существенными признаками, отличающими устройство от прототипа, являются: наличие детектора уровня напряжения в виде Д-триггера в схеме ШИМ, второго интегратора и второго аналогового переключателя в ПНЧ, а также их подключение.

Выполнение пороговых устройств в ШИМ и ПНЧ в виде Д-триггеров обеспечивает синхронизацию работы этих блоков, а введение второго интегратора и второго аналогового переключателя в ПНЧ уменьшает влияние зоны нестабильности порогового устройства и погрешность интегрирования в ПНЧ, что в совокупности уменьшает разброс показаний счетчика, регистрируемых на ограниченном интервале времени и при малых нагрузках в магистральных сетях.

Следовательно, эти признаки обеспечивают положительный эффект, выражающийся в повышении точности и чувствительности счетчика, а предполагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена функциональная схема счетчика киловатт-часов.

Устройство содержит магистральные шины 1 и 2 переменного напряжения, преобразователь 3 измерительных сигналов напряжения, преобразователь 4 измерительных сигналов тока, широтно-импульсный модулятор 5 (ШИМ5), амплитудно-импульсный модулятор 6 (АИМ6), схему 7 синхронизации, преобразователь 8 напряжения в частоту (ПНЧ8), счетчик 9, схему 10 управления шаговым двигателем, выходную шину 11 и блок 12 питания. Вход преобразователя 3 подключен к шинам 1 и 2, а вход преобразователя 4 включен в шину 2. ШИМ5 содержит генератор 5.1 треугольных импульсов, состоящий из резисторов R1 и R2, операционного усилителя ОУ1 и конденсатора С1, суммирующий элемент 5.2, выполненный на резисторах R3 и R4, и детектор 5.3 уровня напряжения, представляющий собой Д-триггер Тг1. Первый вывод резистора R1 является входом ШИМ 5 и соединен с первым выходом преобразователя 3. Второй вывод резистора R1 подключен к инверсному входу усилителя ОУ 1, к первому выводу резистора R2 и к первой обкладке конденсатора С1, вторая обкладка которого подключена к выходу усилителя ОУ1 и является выходом генератора 5.1 треугольных импульсов. Первый вывод резистора R4, являющийся первым входом суммирующего элемента 5.2, подсоединен к выходу генератора 5.1. Первый вывод резистора R3, являющийся вторым входом суммирующего элемента 5.2, соединен со вторым выводом резистора R2 и с прямым выходом триггера Тг1, а общая точка соединения вторых выводов резисторов R3 и R4, являющаяся выходом суммирующего элемента 5.2, подключена к Д-входу Тг1, С-вход которого соединен с первым выходом схемы 7 синхронизации, а его выход является выходом ШИМ 5 и подключен к управляющему входу АИМ 6. ПНЧ 8 состоит из первого интегратора 8.1, содержащего усилитель ОУ2, конденсатор С2 и резисторы R5 и R6, второго интегратора 8.2, содержащего усилитель ОУ3, конденсатор С3 и резисторы R7 и R8, аналоговых переключателей Кл1 и Кл2, а также детектора 8.3 уровня напряжения в виде Д-триггера Тг2. Первый вывод резистора R5, являющийся входом ПНЧ 8, соединен с выходом АИМ 6, а его второй вывод подключен к первой обкладке конденсатора С2, к первому выводу резистора R6 и к инверсному входу усилителя ОУ2. Вторая обкладка конденсатора С2 соединена с выходом усилителя ОУ2, являющимся выходом интегратора 8.1, который подключен к первому выводу резистора R7, являющимся входом интегратора 8.2, а второй вывод резистора R7 соединен с инверсным входом усилителя ОУ3, с первой обкладкой конденсатора С3 и с первым выводом резистора R8. Выход усилителя ОУ3, являющийся выходом интегратора 8.2, соединен со второй обкладкой конденсатора С3 и с Д-входом Д-триггера Тг2, являющимся входом детектора 8.3 уровня напряжения. Вторые выводы резисторов R6 и R8 подключены соответственно к первым выводам аналоговых переключателей Кл1 и Кл2, вторые выводы которых соединены с шинами "+" и "-" блока 12 питания. Выход триггера Тг2 соединен со входом счетчика 9 и со входом схемы 7 синхронизации, второй выход которой соединен с управляющими входами переключателей Кл1 и Кл2, а первый с С-входами триггеров Тг1 и Тг2. Выход счетчика 9 подключен ко входу схемы 10 управления шаговым двигателем, выход которой является выходной шиной 11 счетчика киловатт-часов.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение в магистральной сети с помощью преобразователя 3 преобразуется в сигнал, поступающий на вход ШИМ 5, а ток в магистральной сети с помощью преобразователя 4 преобразуется в сигнал, поступающий на входы АИМ 6. Схемы ШИМ 5 и АИМ 6 обеспечивают перемножение этих сигналов. В схеме ШИМ 5 на суммирующем элементе 5.2 происходит сложение сигналов с выхода генератора 5.1 и с прямого выхода триггера Тг1. В отсутствии напряжения сети конденсатор С1 линейно заряжается через резистор R2 от выходного сигнала триггера Тг1 до момента переключения последнего в другое состояние; после чего конденсатор С1 разряжается до следующей смены состояния триггером Тг1. Время переключения триггера Тг1 из одного состояния в другое зависит от постоянной времени интегрирования и соотношения резисторов R3 и R4. При наличии сигнала на выходе преобразователя 3 он складывается с сигналом с выхода Тг1 путем суммирования соответствующих токов; при этом время нахождения Тг1 в одном или другом состоянии изменяется в зависимости от величины и знака сигнала с выхода преобразователя 3. Таким образом, модуляция ширины импульса на выходе ШИМ 5 будет: m где Т₁ время, в течение которого Тг1 находится в единичном состоянии.

Т₀ время, в течение которого Тг1 находится в нулевом состоянии, U_пн напряжение на выходе преобразователя 3, Е напряжение на выходе триггера Тг1.

Так как переход Тг1 из одного состояния в другое происходит по фронту тактовых импульсов с выхода схемы 7, то величина Т₀ и Т₁ является кратной целому количеству тактовых импульсов схемы 7.

Импульсы с выхода ШИМ 5 поступают на управляющий вход АИМ 6 и модулируются по амплитуде сигналом с выхода преобразователя 4 таким образом, что импульсу с длительностью Т₁ соответствует одно значение сигнала с выхода преобразователя 4, а импульсу с длительностью Т₀ его инверсное значение. При этом среднее значение импульсного сигнала на выходе АИМ 6 за период Т, равный Т₀+Т₁, сигнала ШИМ 5 пропорционально произведению значений сигналов напряжения и тока в магистральной сети, так как период Т много меньше периода сигналов тока и напряжения в магистральной сети.

В ПНЧ 8 производится интегрирование постоянной составляющей импульсного сигнала до тех пор, пока триггер Тг2 не изменит своего состояния в противоположное синхронно с сигналом с выхода схемы 7.

При изменении состояния Тг2 схема 7 вырабатывает импульс обратной связи, длительность которого равна целому числу длительности (периоду) тактовых импульсов и его фронт совпадает с фронтом тактовых импульсов. Импульс обратной связи открывает переключатели Кл1 и Кл2. При этом от блока 12 на вход интегратора 8.1 поступает опорное напряжение U_оп, противоположное по знаку постоянной составляющей сигнала с выхода АИМ 6, а на вход интегратора 8.2 напряжение, совпадающее по знаку с этой постоянной составляющей.

Интегратор 8.1 работает в режиме уравновешивания зарядов в соответствии с соотношением: T_и+ + T_ос=0 где U₌ постоянная составляющая сигнала на входе ПНЧ 8, Т_и время интегрирования постоянной составляющей, U_оп напряжение на выходе блока 12, Т_ос длительность импульса обратной связи.

Так как период следования импульсов на выходе ПНЧ 8 Т_ПНЧ равен сумме Т_И+Т_ОС, то из последнего выражения следует, что частота импульсов на выходе ПНЧ 8 будет:
F_пнч F_осmax где F_осmax максимальная частота следования импульсов обратной связи.

Таким образом, частота следования импульсов на выходе ПНЧ 8 пропорциональна мгновенному значению мощности в магистральной сети, длительность импульсов на выходе ШИМ 5 и длительности импульсов Т_И и Т_ОС кратны целому количеству тактовых импульсов. Это устраняет биение частот между ШИМ 5 и ПНЧ 8, что уменьшает разброс показаний устройства.

Для подсчета величины энергии количество импульсов с выхода триггера Тг2 суммируется счетчиком 9 и фиксируется при помощи схемы 10 управления шаговым двигателем.

Экспериментальная проверка устройства показала, что оно имеет практически в 10 раз меньшую погрешность измерений и разброс показаний (особенно при малых значениях тока в магистральной сети) чем прототип.

Формула изобретения

СЧЕТЧИК КИЛОВАТТ-ЧАСОВ, содержащий преобразователь измерительных сигналов напряжения и преобразователь измерительных сигналов тока, входы которых подключены к проводам магистральной сети, а их выходы - соответственно к входам широтно-импульсного модулятора и амплитудно-импульсного модулятора, выход которого подключен к входу преобразователя напряжения в частоту, последовательно с которым соединены счетчик и схема управления шаговым двигателем, а также блок питания, вход которого подключен к сети, а выходы - к нагрузке, при этом широтно-импульсный модулятор содержит суммирующий элемент в виде первого и второго последовательно соединенных резисторов, первый вход которого соединен с генератором треугольных импульсов, амплитудно-импульсный модулятор содержит управляющий вход, а преобразователь напряжения в частоту содержит последовательно соединенные первый интегратор и детектор уровня напряжения, схему синхронизации, первый аналоговый переключатель, выход которого подключен к входу первого интегратора, а вход соединен с первым выходом блока питания, отличающийся тем, что в преобразователь напряжения в частоту введен второй интегратор, второй аналоговый переключатель, а детекторы уровня напряжения в широтно-импульсном модуляторе и преобразователе напряжения в частоту выполнены в виде первого и второго D-триггеров, тактовые входы которых соединены между собой и подключены к первому выходу схемы синхронизации, информационный вход первого D-триггера подключен к выходу суммирующего элемента, его выход - к второму входу суммирующего элемента и управляющему входу амплитудно-импульсного модулятора, информационный вход второго D-триггера соединен с выходом второго интегратора, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора, его второй вход - с выходом второго аналогового переключателя, вход которого подключен к второму выходу блока питания, управляющий вход - к управляющему входу первого аналогового переключателя и второму выходу схемы синхронизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1