Й СЕМЕСТР
ЛЕКЦИЯ № 5 от 30. 03. и 04.04. 2017 г.
Цифровой (электронный) счетчик эл.энергии, его основные узлы и сущность работы.
Перспективы замены индукционных счетчиков энергии на электронные.
Структурная схема эл. счетчика энергии и основы его работы.
Импульсное перемножающее устройство и принцип его рабо-ты.
ПНЧ и основы его работы.
1.
Перспективы замены индукционных счетчиков энергии на цифровые
Индукционные счетчики эл.энергии с вращением легкого алюми-ниевого диска в магнитном поле двух катушек (токовой и катушки нап-ряжения) имеют большую относительную погрешность (Ϭ ≥ 2%), что не-допустимо при учете больших мощностей, в частности, для больших про-мышленных предприятий (более 169 кВт) [1]. Поэтому целесообразно по-всеместное использование электронных (цифровых) счетчиков с погре-шностью Ϭ ≤ 0,5%. ВЯпонии, например, сейчас полностью завершена замена индукционных счетчиков на цифровые (рис. 1, 5).
Рис. 1. К принципу работы индукционного счетчика эл. энергии
Рис. 2. Вид типовых счетчиков эл. энергии
2.
Структурная схема эл. счетчика энергии и основы его работы
В настоящее время широко применяются цифровые счетчики электриче-ской энернии (ЦСЭЭ), работающие по принципу ШИМ-АИМ. Простейшая структурная схема ЦСЭЭ представлена на рис.3 в виде трех основных узлов: ИПУ (импульсное перемножающее устройство), ПНЧ (преобразо-ватель напряжение- частота) [иногда «импульсный интегратор ИИ], ЦИ (цифровой индикатор).
Рис. 3. Структурная схема ЦСЭЭ
Эта схема еще называется «схемой двухтактного интегрирования», поскольку в ней осуществляется два такта преобразования: 1)ши-ротно-импульсная модуляция (ШИМ) и 2) амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). На входе ИПУ действуют два напряжения:
1) Ux (I) – напряжение, пропорциональное действующему значе-нию потребляемого тока I;
2) Uy (U) – действующая величина входного напряжения.
В ИПУ за счет «импульсного перемножения» двух вышеупомя-нутых величин (тока и напряжения) формируется импульсная мощность Ри , среднее значение которой Р0 подается на ПНЧ, где эта мощность преобразуется в величину, пропорциональную часто-те f импульсов для ее дальнейшего преобразования в соответству-ющую величину потребляемой энергии W = Рf ∙t (Вт∙с). Рассмотрим, как это осуществляется.
2.1.
Импульсное перемножающее устройство и принцип его работы.
Рис. 4. Функциональная схема ЦСЭЭ
Поступающее в узел ШИМ напряжение Uх, пропорциональное току I, преобразуется в «ширину импульсов», т.е. скважность
Q = T/ tи = (tи + tп) / tи
так что чем больше ток I. тем шире по длительности импульсы (рис. 5).
Этот процесс преобразования в измерительной технике называют «первым тактом интегрирования ».
Напомним, что скважность Q – безразмерный энергетический параметр, характеризующий накопление большой энергии во время длительной паузы tп и ее генерирование во время кратковременного импульса tи.
Величина, обратная скважности γ = 1/ Q – называется коэффици-ентом заполнения импульсов (часто в процентах), которая также отмечена на рис. 5 [5].
Рис. 5. Пример осуществления первого такта интегрирования: длительность заштрихованных импульсов tи пропорциональна току I
Далее начинается «второй такт интегрирования» - преобразование в амплитудно-импульсном модуляторе (АИМ) сформированных ШИМ им-пульсов в их «амплитуду»: на вход узла АИМ поступает вторая контролиру-емая величина Uy (U) – действующее входное напряжение kU, где k – масштабный коэффициент (рис. 4), в результате преобразования на выходе узла АИМ выделяется «импульсная мощность» Ри, соответствую-щая произведению двух контролируемых величин-тока и напряжения, среднее значение Р0 которой с выхода ФНЧ узла АИМ поступает для дальнешего преобразования в узел ПНЧ, рис. 6.
Рис.6. Второй такт интегрирования: импульсы ШИМ модулируются по амлитуде напряжением U с выделением импульсной РИ и средней Р0 мощности.
2.2.
ПНЧ и основы его работы.
Ранее был рассмотрен один из вариантов осуществления время-импульсного преобразования (ВИП) на основе ЧИМ с применением генератора треугольных импульсов и триггера Шмитта и используемого в ПНЧ цифрового вольтметра (рис. 7).
Рис. 7. Вариант ВИП в ПНЧ цифрового вольтметра
В нем входное измеряемое напряжение Uизм для его преобразо-вания в цифровое значение изменяет «наклон» треугольных им-пульсов, поступающих от ГТИ, в результате чего триггер Шмитта выдает прямоугольные импульсы с частотой, пропорциональной этому Uизм. На рис. 8 показаны три случая входного воздействия на ГТИ.
В первом случае измеряемое напряжение равно нулю и ТШ выдает частоту следования импульсов f1, при которой среднее значение измеряемого напряжения U0 =0. Далее показаны случаи «выдачи триггером» большей и меньшей частоты, пропорциональной соответствующей величине входного воздействия [2,3].
Рис. 8. Иллюстрация процессов в ПНЧ на основе ЧИМ
Среднее значение U0 сформированной ПНЧ частоты, соответст-вующее измеряемой мощности P0 , должноподаваться на цифро-вое регистрирующее устройство с цифровым индикатором на его выходе (рис. 9).
Рис. 9. Один из вариантов современного типового счетчика»Энергомера»
Однако нельзя забывать, что счетчиком измеряется энергия, т.е. мощность, потребляемая нагрузкой за единицу времени. Поэтому счетчик нужно отрегулировать в единицах энергии, т.е. в киловатт-часах (кВт-ч), задавшись при этом максимальными напряжениями 
и 
на выходах датчиков (трансформаторов) тока и напряжения. Очевидно, частота на выходе ПНЧ, соответствующая потребляемой энергии в 1 кВт-ч, должна быть равна 3600 Гц, так как этой частоте соответствует потребляемая по стандарту мощность за 1 час, т.е. за 3600 секунд. Эти условия задаются соответствующим выбором постоянной времени 
задающих элементов ПНЧ (импульсного интегратора) [2,4].
В настоящее время в типовых стандартных счетчиках применя-ются готовые промышленные ИПУ и ПНЧ на основе ИМС и микро-контроллеров (рис. 10).
Рис. 10. Структурная схема стандартного счетчика эл. энергии
Сигналы, пропорциональные напряжению и току в сети, снима-ются с датчиков (измерительных трансформаторов) тока и напря-жения и поступают на вход преобразователя для их перемножения и получения текущей потребляемой мощности. Этот сигнал затем поступает на вход микроконтроллера, преобразующего его в Вт·ч и изменяющего показания счётчика по мере накопления сигналов. Для сохранения показаний счётчика при сбоях по питанию приме-няется т. н. оперативное запоминающее устройство типа EEPROM – (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — электри-чески стираемое перепрограммируемое ПЗУ, один из видов энерго - памяти). Поскольку сбои по питанию являются характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифро-вом счётчике. Алгоритм работы программы прост. При включении питания микроконтроллер считывает из EEPROM последнее сохра-ненное значение и выводит его на дисплей, после чего переходит в режим подсчёта импульсов, поступающих от преобразователя, и, по мере накопления каждого Вт·ч, увеличивает показания счётчика [6].