СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ELECTRICITY METRE

Предлагаемое изобретение относится к области измерения и учета электрической энергии и может быть использовано для построения высоковольтных счетчиков электроэнергии.
Известен счетчик электроэнергии (AN-545, Application Notes, Analog Devices Designing Watt-Hour Energy Meter Based in the AD7750), который содержит: датчик тока (ДТ) (трансформатор тока или шунт), включаемый по входу последовательно с сопротивлением нагрузки, делитель напряжения (ДН), вход которого включен параллельно нагрузке, источник питания (ИП), включаемый параллельно нагрузке, микросхема (МС), которая осуществляет основные измерительные операции, производит перемножение и интегрирование входных сигналов, пропорциональных току и напряжению в нагрузке, и преобразует полученные результаты в импульсы электрических сигналов, вес которых пропорционален определенному количеству электрической энергии, потребляемой нагрузкой. МС имеет несколько входов и выходов. К токовому входу МС подключается выход ДТ, ко входу напряжения МС подключается вход ДН, ко входам питания МС подключается выход ИП, к выходам МС подключается электромеханический счетчик импульсов с отсчетным устройством, первый светодиод, на который МС подает импульсы тока, используемые для калибровки счетчика, и второй диод, который определяет направление мощности, учитываемой счетчиком.
Приведенная схема счетчика предназначена для непосредственного включения, т.е. без измерительных трансформаторов тока и напряжения. Она не может напрямую применяться в высоковольтных электрических сетях. Для включения ее в высоковольтные электрические сети необходимо использовать измерительные трансформаторы тока (ИТТ) и напряжения (ИТН) в соответствии со схемами, приведенными в книге «Электрические измерения» общий курс под ред. А.В.Френке - «Энергия», Л.: 1973, стр.173, рис.118, что приводит к увеличению погрешности измерения электрической энергии (ЭЭ) за счет погрешностей ИТТ и ИТН.
За прототип взят счетчик электроэнергии ЦЭ6850М (http://www.energomera.ru) в трансформаторном включении.
Счетчик-прототип (см. Приложение) содержит (в однофазном варианте включения) измерительный трансформатор напряжения (ИТН), входные зажимы (1, 2) которого подключены параллельно нагрузке, а выходные зажимы (3, 4) подключены ко входам датчика напряжения (ДН) и источника питания (ИП); измерительный трансформатор тока (ИТТ), входные зажимы (5, 6) которого подключены последовательно с нагрузкой в рассечки провода, через который проходит ток нагрузки, а выходные зажимы (7, 8) подключены к датчику тока (ДТ); измерительно-вычислительный информационный блок (ИВИБ), выполняющий функции измерения и обработки входных сигналов, пропорциональных току и напряжению нагрузки с целью получения информации об электрической энергии потребляемой нагрузкой, а также других параметров электрической сети, таких как напряжение, частота, показатели качества электроэнергии и другие, а также отображения информации об измеренных параметрах и осуществления связи с другими приборами и устройствами посредством интерфейсных устройств; ко входам (9, 10, 11, 12, 13, 14) которого подключены соответственно выходы ДН, ДТ и ИП, а выводы (15, 16…n), где n - целое число, используются для связи с внешними приборами и устройствами.
Однако этот счетчик имеет недостаток, связанный с тем, что ИП нагружает вторичную цепь ИТН, что неприемлемо, например, если используется емкостной ИТН, а не индуктивный, как это принято сейчас в России. Кроме того, если ИП подключается к выходу ИТН, то вторичная цепь ИТН не может быть нагружена на оптимальную нагрузку в соответствии с ГОСТ 1983-2001 «Трансформаторы напряжения», Приложение 1, Рис.А1, что приводит к существенному увеличению погрешности ИТН и всего счетчика в целом.
Задачей изобретения является создание счетчика, имеющего меньшую погрешность измерения электроэнергии.
Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее измерительный трансформатор напряжения, входы которого включены параллельно нагрузке, а выходы соединены со входами датчика напряжения, измерительный трансформатор тока, входы которого включены в рассечку провода последовательно с нагрузкой, а выходы связаны со входами датчика тока, измерительно-вычислительный информационный блок, первые два входа которого соединены с выходами датчика тока, а вторые два входа связаны с выходами датчика напряжения, третьи два входа соединены с выходами источника питания, а выводы используются для внешнего подключения, введен дополнительный трансформатор тока, входы которого включены последовательно со входами измерительного трансформатора тока в рассечку провода последовательно с нагрузкой, а выходы соединены со входами источника питания.
На Фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства. На Фиг.2 - схема построения источника питания.
Предлагаемое устройство (Фиг.1) содержит: 1 - измерительный трансформатор напряжения (ИТН), 2 - измерительный трансформатор тока (ИТТ), 3 - трансформатор тока (ТТ), 4 - датчик напряжения (ДН), 5 - датчик тока (ДТ), 6 - источник питания (ИП), 7 - измерительно-вычислительный информационный блок (ИВИБ), 8 - выводы ИВИБ. При этом входы ИТН-1 включены параллельно нагрузке, а выходы соединены со входами ДН-4, выходы которого соединены со вторыми входами ИВИБ-7, первые входы которого соединены с выходами ДТ-5, а третьи входы - с выходами ИП-6, входы которого соединены с выходами ТТ-3, входы которого включены последовательно со входами ИТТ-2 в рассечку провода последовательно с нагрузкой, входы ИТТ-2 включены в рассечку провода последовательно с нагрузкой, а выходы соединены со входами ДТ-5.
В качестве ИТН-1 используются серийно выпускаемые индуктивные трансформаторы напряжения, либо емкостные высоковольтные делители, активно используемые за рубежом, в частности в США. Они характеризуются меньшими габаритами и ценой, а также имеют высокую точность; измерительный трансформатор тока ИТТ-2, который может быть серийным (например, ТШП 0,66-500/5); к трансформатору тока ТТ-3 не предъявляются требования по точности, это может быть типовой ИТТ, но не прошедший поверку, и потому более дешевый; датчик напряжения ДН-4 - это резистивный делитель напряжения, который повсеместно используется в электронных счетчиках. Если ИТН емкостной, то в качестве ДН-4 может быть применен усилитель с большим входным сопротивлением (повторитель напряжения); датчик тока ДТ-5 - это либо шунт, либо внутренний малогабаритный трансформатор тока, какие сейчас есть на рынке промышленных изделий для построения счетчиков электроэнергии; источник питания ИП-6 имеет традиционную схему построения (Фиг.2), где 9, 10, 11, 12 - выпрямительные диоды; 13 - стабилитрон; 14 - конденсатор фильтра; 15 - сопротивление, ограничивающее ток.
Блок ИВИБ может быть выполнен, например, как в микропроцессорном счетчике ЦЭ 6850М фирмы «Энергомера» (http://www.energomera.ru), а также в счетчиках других фирм: СТС 5605, Меркурий 230, СЭТ-4ТМ.0.2.2 и т.д.
Счетчик работает следующим образом: входное напряжение ИТН-1, пропорциональное напряжению на нагрузке, на его выходе уменьшается до допустимых пределов и с помощью ДН-4 преобразуется в величину, пропорциональную мгновенному значения входного напряжения, размер которого воспринимается измерительной частью ИВИБ-7. Входной ток с помощью ИТТ-2 и ДТ-5 преобразуется в величину, пропорциональную мгновенному значению тока нагрузки, размер которой также воспринимается ИВИБ-7. Кроме того, входной ток, пройдя через ТТ-3 и попадая на ИП-5 (Фиг.2), преобразуется в напряжение питания электронной части счетчика ИВИБ-7.
Сигналы, поступающие на входы ИВИБ-7 от ИТН-1 и ИТТ-2, обрабатываются в этом блоке с целью учета электроэнергии и измерения других параметров электрической сети и их отображения. Кроме того, ИВИБ-7 имеет выводы - 8, с помощью которых к счетчику могут быть подключены другие приборы и устройства.
Таким образом осуществляется работа счетчика, у которого в качестве элемента источника питания используется ТТ-3, а вторичная цепь ИТН-1 разгружена (отсоединена от ИП), что позволяет подключать к ней оптимальную с точки зрения минимизации погрешности нагрузку. Это приводит к существенному уменьшению погрешности всего счетчика в целом.
Кроме того, предложенный счетчик имеет более широкую область применения, т.к. может работать как с индуктивным, так и с емкостным ИТН.