ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
DIGITAL POWER METER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может найти применение в различных устройствах электропитания систем электроснабжения.
Известен преобразователь переменного напряжения в цифровой код, содержащий соединенные каскадно аналого-цифровой преобразователь, индикатор нуля, первый двоичный счетчик, индикатор заполнения разрядов и второй двоичный счетчик, а также компаратор, ключ и управляемый генератор, соединенный входом с выходом первого двоичного счетчика, а выходом - с первым входом ключа, второй вход которого соединен с выходом компаратора, подключенного входом к выходу аналого-цифрового преобразователя [авторское свидетельство СССР №1769193, кл. G05F 1/44, G01R 19/25, 1992, бюл. №38].
n
Недостатком такого измерителя является значительная длительность процесса измерения, обусловленная использованием принципа накопления информации вторым двоичным счетчиком за цикл измерения, который в 2 раз превышает полупериод сетевого напряжения, где n - количество разрядов первого двоичного счетчика.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является измеритель мощности, входящий в состав стабилизатора напряжения [авторское свидетельство СССР №1716496, кл. G05F 1/20, 28.02.1992, бюл. №8] и содержащий двоичный счетчик, счетный вход которого подключен к выходу конъюнктора, соединенного первым входом с выходом генератора, управляемого напряжением, а вход сброса - к выходу формирователя синхроимпульсов, соединенного своими входами с входными зажимами сети. При этом генератор, управляемый напряжением выполнен на основе перестраиваемого делителя напряжения, счетный вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с выходом дополнительного двоичного счетчика, вход которого через делитель частоты также подключен к выходу генератора тактовых импульсов.
Недостатком такого измерителя является значительная погрешность измерения в цепях с реактивной мощностью. Это обусловлено тем, что вызванные реактивным характером нагрузки изменения направления тока в цепи, имеющие место в каждом периоде сети, не отслеживаются схемой.
Технический результат изобретения выражается в уменьшении погрешности измерения в цепях с реактивной мощностью.
Технический результат достигается тем, что в известный измеритель мощности, входящий в состав стабилизатора напряжения, содержащий двоичный счетчик, счетный вход которого подключен к выходу конъюнктора, соединенного первым входом с выходом генератора, управляемого напряжением, а вход сброса - к выходу формирователя синхроимпульсов, соединенного своими входами с входными зажимами сети, введены преобразователь тока в напряжение, включенный входными зажимами между вторым зажимом сети и второй клеммой электроприемника, первый компаратор, соединенный вычитающим входом с выходом генератора пилообразного напряжения, суммирующим входом - с выходом преобразователя тока в напряжение, а выходом - со вторым входом конъюнктора, а также второй и третий компараторы, подключенные своими суммирующими входами соответственно к выходу преобразователя тока в напряжение и первому зажиму сети, вычитающими входами - ко второму зажиму сети, а выходами - к входам логической схемы равнозначности, выход которой соединен с третьим входом конъюнктора, а также - дополнительные двоичный счетчик, логическая схема неравнозначности и дополнительный конъюнктор, выход которого подсоединен к счетному входу дополнительного двоичного счетчика, первый вход - к выходу первого компаратора, второй вход - к выходу генератора, управляемого напряжением, а третий вход - к логической схеме неравнозначности, причем вход сброса дополнительного двоичного счетчика соединен с выходом формирователя синхроимпульсов.
Электрическая схема предложенного цифрового измерителя мощности изображена на фиг.1. На фиг.2 изображены диаграммы для одного периода сети, отображающие изменение во времени:
e(t) - входное напряжение сети,
i(t) - тока в сети,
s(t) - мгновенного значения мощности,
v{t) - сигнала на выходе второго компаратора 9,
w(t) - сигнала на выходе третьего компаратора 10,
r(t) - сигнала на выходе логической схемы равнозначности 11,
n(t) - сигнала на выходе логической схемы неравнозначности 13,
z(t) - сигнала на выходе формирователя синхроимпульсов 5,
g(t) - сигнала на выходе первого компаратора 7,
f(t) - сигнала на выходе генератора, управляемого напряжением 4,
P(t) - количества импульсов, поступивших на двоичный счетчик 2,
Q(t) - количества импульсов, поступивших на дополнительный двоичный счетчик 12.
На фиг.3 изображены диаграммы для части периода сети, отображающие изменение во времени:
e(t) - э.д.с. сети,
f(t) - сигнала на выходе генератора, управляемого напряжением 4,
i(t) - тока в сети,
l(t) - генератора пилообразного напряжения 8,
g(t) - сигнала на выходе первого компаратора 7,
g(t)f(t) - логического произведения сигнала на выходе первого компаратора и сигнала на выходе генератора, управляемого напряжением.
Цифровой измеритель мощности (фиг.1) содержит электроприемник 1, первый вход которого соединен с первым входным зажимом сети, двоичный счетчик 2, счетный вход которого подключен к выходу конъюнктора 3, соединенного первым входом с выходом генератора 4, управляемого напряжением, а вход сброса - к выходу формирователя синхроимпульсов 5, соединенного своими входами с входными зажимами сети, преобразователь тока в напряжение 6, включенный входными зажимами между вторым зажимом сети и второй клеммой электроприемника, первый компаратор 7, соединенный инверсным входом с выходом генератора пилообразного напряжения 8, прямым входом - с выходом преобразователя тока в напряжение 6, а выходом - со вторым входом конъюнктора 3, второй 9 и третий 10 компараторы, подключенные своими прямыми входами соответственно к выходу преобразователя 6 тока в напряжение и первому зажиму сети, инверсными входами - ко второму зажиму сети, а выходами - к входам логической схемы равнозначности 11, выход которой соединен с третьим входом конъюнктора 3, дополнительный двоичный счетчик 12, логическую схему неравнозначности 13 и дополнительный конъюнктор 14, выход которого подсоединен к счетному входу дополнительного двоичного счетчика 12, первый вход - к выходу первого компаратора, второй вход - к выходу генератора 4, управляемого напряжением, а третий вход - к логической схеме неравнозначности 13. Вход сброса дополнительного двоичного счетчика соединен с выходом формирователя синхроимпульсов 5.
Преобразователь тока в напряжение 6 может быть реализован на датчике Холла в интегральном исполнении, например ACS750. Счетчики 2 и 12 могут быть реализованы на микросхеме КР1554ИЕ10. Конъюнкторы 3 и 14 могут быть реализованы на основе микросхемы КР1554ЛИ1, а логическая схема равнозначности 11 на микросхеме КР555ЛП13. Для реализации логической схемы неравнозначности может быть использована микросхема КР1533ЛП5. Генератор пилообразного напряжения 8 может быть реализован на микросхеме ICL8038. Функции компараторов 7, 9 и 10 выполняет микросхема КР554СА3. Формирователь синхроимпульсов 5 также может быть реализован на микросхеме КР554СА3. Генератор, управляемый напряжением, может быть реализован на микросхеме К564ГГ1.
Работа цифрового измерителя мощности происходит следующим образом. Из входного напряжения сети e(t) формирователем синхроимпульсов 5 формируются импульсы z(t), соответствующие моментам начала периода. Одновременно компараторами 9 и 10 формируются логические сигналы v(t) и w(t), соответствующие положительным полуволнам тока i(t) и напряжения сети e(t) (см. фиг.2), из которых логическими схемами равнозначности 11 и неравнозначности 13 формируются последовательность сигналов: r(t), соответствующая интервалам одинаковой полярности напряжения и тока, и n(t), соответствующая интервалам их противоположной полярности.
Генератор, управляемый напряжением 4, осуществляет преобразование входного напряжения сети u(t), в последовательность импульсов f(t), частота следования которых пропорциональна уровню этого напряжения в текущий момент времени.
Сигнал i(t) с выхода преобразователя 6 первым компаратором 7 сравнивается с сигналом l(t) генератора пилообразного напряжения 8, на выходе которого формируется последовательность импульсов g(t) с длительностью, пропорциональной уровню тока
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mi>θ</mi></mrow>
, k=1, 2, …, T/θ
max
где i - амплитудное значение тока пилообразного напряжения, θ - его период.
В соответствии с этим логические произведения g(t)f(t) поступающих на первые и вторые входы каждого из конъюнкторов 3 и 14 сигналов g(t) и f(t) содержат количество импульсов, пропорциональное произведению значений тока и напряжения в текущий момент времени, т.е. значению мгновенной мощности, а последовательности x(t)=g(t)f(t)r(t) и y(t)=g(t)f(t)n(t), формируемые этими конъюнкторами, содержат соответственно числа импульсов, пропорциональные активной и реактивной мгновенной мощности.
Двоичные счетчики 3 и 12, обнуляемые в начале каждого полу периода, осуществляют суммирование импульсов в последовательностях x(t) и y(t). В результате в конце каждого периода сети счетчиками 3 и 12 будут сформированы коды P и Q, содержащие информацию о величинах активной и реактивной мощностей за этот период.
Предложенный цифровой измеритель мощности в отличие от известного позволяет осуществить раздельное измерение активной и реактивной составляющих мощности, т.е. получить более полные сведения об энергетическом процессе в электрической цепи.