Счетчик электрической энергии

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и позволяет повысить точность измерения расхода активной электроэнергии путем запрета счета импульсов при токах, значение которых меньше соответствующей допустимой погрешности измерения. Измерение осуществляется путем умножения сигналов, пропорциональных напряжению и току в нагрузке с помощью множительного элемента, преобразования произведения в частоту следования импульсов в частотно-импульсном преобразователе и суммирования этих импульсов в отсчетном устройстве. Прохождение упомянутых импульсов через элемент И возможно лишь в случае срабатывания порогового элемента, которое соответствует определенному уровню сигнала на выходе преобразователя активной составляющей тока. 1 ил.

Предполагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для коммерческого учета расхода электрической энергии в однофазных сетях.

Известны счетчики электрической энергии, содержащие первичный преобразователь напряжения, первичный преобразователь тока, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам множительного элемента, выход которого через частотно-импульсный преобразователь подключен к входу отсчетного устройства (А. с. N 494699 (СССР), МКИ G 01 R 11/50, 1975г. А.с. N 1689860 (СССР), МКИ G 01 R 11/00, 1991г.).

В известных счетчиках электрической энергии осуществляется перемножение сигналов, пропорциональных напряжению и току, преобразование полученного напряжения в частоту следования импульсов и суммирование этих импульсов с помощью отсчетного устройства. Погрешность электронных счетчиков для коммерческого учета электрической энергии однофазного тока составляет 1.2% (Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы (Аналоговые и цифровые).

Киев, Вища школа, 1986, с. 432; Бабицкий Ю.В. Пульман Б.Р. Современное состояние и тенденции развития счетчиков электрической энергии. М. ЦНИИТЭИПриборостроение, 1974, с. 50 52). Повышение точности счетчиков связано с увеличением их стоимости и экономически нецелесообразно. Вместе с тем, погрешности учета нежелательны как для энергоснабжающей организации, так и для клиентов. Особенно нежелательны погрешности, имеющие место при малых нагрузках, в том числе, отключении электроприемников у потребителя. Так счетчик с номинальным током 2А и напряжением 220В при погрешности 2% может за счет погрешностей нуля первичного преобразователя тока и множительного элемента увеличить за сутки показания на 0,53 кВт ч.

Таким образом, недостаток известных счетчиков электрической энергии - низкая точность.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является счетчик электрической энергии, содержащий первичный преобразователь напряжения и первичный преобразователь тока, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам множительного элемента, выход которого подключен к входу частотно-импульсного преобразователя, выход которого соединен с входом отсчетного устройства (Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые).

Киев, Вища школа, 1986, с. 430, рис. 11.1,а).

В известном устройстве измерение расхода электроэнергии осуществляется путем умножения сигналов, пропорциональных напряжению и току, преобразования полученного произведения в частоту следования импульсов и суммирования этих импульсов с помощью отсчетного устройства.

Частота импульсов на входе отсчетного устройства определяется выражением f K_u K_i K_ui K_f Ui, (1) где K_u, K_i, K_ui, K_f коэффициенты передачи соответственно первичного преобразователя напряжения, преобразователя тока, множительного элемента и частотно-импульсного преобразователя; U, i напряжение и ток сети.

Погрешность счетчика определяется погрешностями первичных преобразователей напряжения и тока, множительного элемента и частотно-импульсного преобразователя. При использовании резистивного делителя напряжения в качестве первичного преобразователя напряжения можно считать, что его погрешность обусловлена только изменениями коэффициента передачи, а смещение нуля пренебрежимо мало. В этом случае коэффициент передачи первичного преобразователя напряжения можно представить в виде K_u=K_uo+Δ_ku, (2) где K_u0 идеальный коэффициент передачи; Δ_ku погрешность коэффициента передачи.

Выходной сигнал первичного преобразователя тока U_п.т.= (K_io+ Δ_ki)i +Δ_i, (3)
где
K_i0 идеальный коэффициент передачи датчика;
Δ_ki- погрешность коэффициента передачи датчика;
Δ_i- погрешность смещения нуля.

Выходной сигнал множительного элемента
U_м.э.= K_uK_i(K_uio+ Δ_kui)U_i+Δ_ui, (4)
где
K_ui0 идеальный коэффициент передачи множительного элемента;
Δ_kui- погрешность коэффициента передачи;
Δ_ui- погрешность смещения нуля множительного элемента.

Выходной частотно-импульсного преобразователя
U_чип= U_мэ(K_fo+ Δ_kf)+Δ_f, (5)
где
K_f0 идеальный коэффициент передачи частотно-импульсного преобразователя;
Δ_kf- погрешность коэффициента передачи;
Δ_f- погрешность смещения нуля.

Подставив выражения (2) (5) в уравнение (1), получим

Преобразовав уравнение (6) и пренебрегая величинами второго и более порядков малости, получим уравнение:

При отсутствии нагрузки (i=0) согласно (6) частота выходных импульсов
f=K_fo·Δ_ui+Δ_f
определяется смещением нуля множительного элемента Δ_ui смещением нуля частотно-импульсного преобразователя Δ_f и зависит от коэффициента передачи частотно-импульсного преобразователя.

Следовательно, при отсутствии нагрузки счетчик из-за неидеальности элементов формирует и подсчитывает импульсы. При коммерческом учете это может послужить причиной обоснованных претензий со стороны потребителя. Кроме того, при малых нагрузках результаты измерения расхода электроэнергии соизмеримы с погрешностью счетчика.

Таким образом, недостаток известного счетчика электрической энергии - низкая точность при малых нагрузках.

Цель предполагаемого изобретения повышение точности при малых нагрузках сети.

Поставленная цель достигается тем, что в известный счетчик электрической энергии, содержащий первичный преобразователь напряжения и первичный преобразователь тока, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам множительного элемента, выход которого подключен к входу частотно-импульсного преобразователя, и отсчетное устройство, дополнительно введены преобразователь активной составляющей тока, пороговый элемент и элемент И, первый вход которого подключен к выходу частотно-импульсного преобразователя, второй вход подключен через последовательно соединенные преобразователь активной составляющей тока и пороговый элемент к выходу первичного преобразователя тока, а выход соединен с отсчетным устройством, управляющий вход преобразователя активной составляющей тока подключен к выходу первичного преобразователя напряжения.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением заявляемое техническое решение имеет дополнительно следующие новые признаки:
преобразователь активной составляющей тока;
пороговый элемент;
элемент И.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна".

Предлагаемый счетчик электрической энергии обеспечивает повышение точности измерений при малых токах нагрузки, в том числе, при отключении электроприемников у потребителя. Повышение точности достигается путем запрещения счета импульсов при токах, соответствующих допустимой погрешности счетчика.

Следовательно, предполагаемое изобретение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электроизмерительной техники. Преобразователи активной составляющей тока, пороговые элементы и элементы И, выполняющие аналогичные функции, в известных счетчиках электрической энергии не обнаружены.

Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует требованию "существенные отличия".

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, на котором приведена функциональная схема счетчика электрической энергии. Счетчик содержит первичный преобразователь напряжения 1, первичный преобразователь тока 2, множительный элемент 3, преобразователь активной составляющей тока 4, частотно-импульсный преобразователь 5, пороговый элемент 6, элемент И 7, отсчетное устройство 8.

В счетчике электрической энергии выходы первичного преобразователя напряжения 1 и первичного преобразователя тока 2 подключены соответственно к первому и второму входам множительного элемента 3, выход которого через частотно-импульсный преобразователь 5 подключен к первому входу элемента И, второй вход которого через последовательно соединенные преобразователь активной составляющей тока и пороговый элемент 6 к выходу первичного преобразователя тока 2, а выход соединен с отсчетным устройством 8, управляющий вход преобразователя активной составляющей тока подключен к выходу первичного преобразователя напряжения.

Счетчик электрической энергии работает следующим образом. Напряжение питающей электрической сети преобразуется с помощью первичного преобразователя напряжения 1 в потенциальный сигнал
U₁ K₁U,
где
K₁ коэффициент передачи первичного преобразователя напряжения 1.

Ток i преобразователя тока 2 в напряжение
U₂ K₂i,
где
K₂ коэффициент передачи первичного тока 1.

Выходные сигналы первичных преобразователей напряжения 1 тока 2 поступают на входы множительного элемента 3, на выходе которого формируется напряжение
U₃ K₁·K₂·K₃·U·i,
где
K₃ коэффициент передачи множительного элемента 3.

Сигнал U₃ с выхода множительного элемента 3 поступает на вход частотно-импульсного преобразователя 5, на выходе которого формируются импульсы, следующие с частотой
f₅ K₁·K₂·K₃·K₅·U·i,
где
K₅ коэффициент передачи частотно-импульсного преобразователя.

Сигнал U₂ с выхода первичного преобразователя тока 2 поступает также на вход преобразователя активной составляющей тока 4, выходное напряжение которого действует на входе порогового элемента 6. Если выходной сигнал преобразователя активной составляющей тока 4
U₄ < U₀,
где
U₀ напряжение, пропорциональное заданному минимальному уровню измеряемого тока,
выходной сигнал порогового элемента 6 U₆ 0. Следовательно, в этом случае выходной сигнал элемента И 7 равен 0 и счета импульсов не происходит.

Если U₄≥U₀, выходной сигнал порогового элемента 6 принимает значение U₆ U_е, где U_е напряжение, соответствующее уровню логической единицы. Напряжение U₆ U_е поступает на второй вход элемента И 7, благодаря чему разрешается счет импульсов, поступающих с выхода частотно-импульсного преобразователя 5, для отсчетного устройства 8. В результате в отсчетном устройстве записывается число

пропорциональное расходу активной энергии.

Таким образом, измерение расхода активной энергии происходит при активном токе, превышающем заданный уровень I₀. В результате этого исключается погрешность счетчика при малой нагрузке, обусловленная смещениями нулей множительного элемента 3 и частотно-импульсного преобразователя 5.

Величину порогового значения тока I₀ следует выбирать в зависимости от номинального тока I_н счетчика и допустимой относительной погрешности δ (%) по формуле:
I_o=δI_H/100%
Например, для счетчика с параметрами I_н 5 А, δ 2% значение I₀ 0,1 А.

Таким образом, введение дополнительно в известный счетчик электрической энергии преобразователя активной составляющей тока, порогового элемента и элемента И позволяет повысить точность учета активной энергии при малых нагрузках.

Использование предлагаемого счетчика электрической энергии для коммерческого учета расхода активной электроэнергии позволит повысить точность и обоснованность расчетов за электроэнергию.

Формула изобретения

Счетчик электрической энергии, содержащий первичный преобразователь напряжения и первичный преобразователь тока, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам множительного элемента, выход которого подключен к входу частотно-импульсного преобразователя, и отсчетное устройство, отличающийся тем, что в него введены преобразователь активной составляющей тока, пороговый элемент и элемент И, первый вход которого подключен к выходу частотно-импульсного преобразователя, выход первичного преобразователя тока подключен через соединенные последовательно преобразователь активной составляющей тока и пороговый элемент к второму входу элемента И, а выход элемента И соединен с отсчетным устройством, управляющий вход преобразователя активной составляющей тока подключен к выходу первичного преобразователя напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1