Счетчик электрической энергии

Полезная модель относится к электрическим измерениям и может быть использована для учета электрической энергии.
Уровень техники.
В настоящее время нашли широкое распространение счетчики электрической энергии, в которых для предотвращения хищений электрической энергии предпринимаются различные меры, в том числе использование двух датчиков тока, включаемых в цепи тока счетчика. Так, в описании типа однофазного счетчика СЕ 201 (http://www.energomera.ru/documentations/product/ce201_ot.pdf) указано, что счетчик может иметь два датчика тока (шунт и трансформатор тока или два шунта, в цепи «фазы» и в цепи «нуля»).
Однофазный счетчик по полезной модели №RU 84126 содержит два измерительных элемента, один из которых с гальванической развязкой, подключенных к фазному и нулевому выводам счетчика, соединенные с модулем преобразования, который подключен к механическому отсчетному устройству, при этом счетчик снабжен дополнительным модулем преобразования, соединенным с одним из измерительных элементов, измерительные элементы выполнены в виде шунтов, в качестве гальванической развязки использована оптопара, а между модулями преобразования включен микроконтроллер. Микроконтроллер конфигурирован таким образом, что он выполняет сравнение сигналов с одного и другого модулей преобразования и ведет учет по наибольшему из них.
Этот счетчик позволяет предотвратить хищения энергии методом шунтирования или обрыва одной из цепей тока счетчика, а также при попытках уменьшить выходной сигнал одного из шунтов, так как микроконтроллер обрабатывает данные того модуля преобразования, который выдает наибольшие результаты о потребляемой энергии.
Недостатком данного технического решения является то, что сигнал шунта, поступающий на вход преобразования, помимо информационного сигнала содержит сигналы, наведенные внешними переменными магнитными полями. Это свойство шунтов используют для хищений энергии, так как приближение к шунту соответствующего воздействующего устройства - электромагнита переменного тока с частотой питающей сети, который при надлежащей фазировке магнитного потока может навести в элементах шунта напряжение, направленное встречно сигналу, образованному током, протекающим через шунт, может уменьшить сигнал на выходе шунта, поступающий на вход модуля преобразования. Так как в счетчике использовано два шунта, а они закреплены, как правило, на выводах счетчика, находящихся вблизи друг от друга, то хищения можно выполнить применением одного электромагнита, воздействующего одновременно на оба шунта.
Трехфазный счетчик по полезной модели №RU 84570 содержит измерительные элементы фазы А, фазы В и фазы С, подключенные к соответствующим фазным выводам счетчика, модули преобразования фазы А, фазы В и фазы С, подключенные к соответствующим измерительным элементам, управляющий микроконтроллер, гальванически развязанный с модулями преобразования, и другие модули, в котором измерительные элементы фазы А, фазы В и фазы С выполнены в виде шунтов, к которым подключены однофазные модули преобразования фазы А, фазы В и фазы С соответственно, модули преобразования гальванически развязаны с управляющим микроконтроллером. В этом счетчике хищения можно выполнять применением трех электромагнитов переменного тока с соответствующими фазировками магнитных потоков, каждый из которых воздействует на соответствующий шунт, уменьшая, как и в предыдущей полезной модели, выходной сигнал шунта. Возможно снижение учтенной энергии использованием одного или двух электромагнитов.
Однофазный счетчик по заявке на изобретение №CN101387661(A) содержит два датчика тока (трансформатор тока и шунт), каждый из которых включен между выводами, к которым присоединены фазный и нейтральный проводники, один измерительный элемент, конфигурированный для измерения энергии по наибольшему выходному сигналу указанных датчиков тока, и контроллер, конфигурированный для учета энергии и обработки результатов измерений, при этом выходы датчиков тока соединены с входами цепи тока измерительного элемента, выход измерительного элемента соединен с входом контроллера. Измерительный элемент и контроллер являются модулями специализированной микросхемы.
Этот счетчик затрудняет хищения энергии, так как для уменьшения выходных сигналов датчиков тока требуется использование двух воздействующих устройств - электромагнита переменного тока для воздействия на шунт и постоянного магнита для воздействия на трансформатор тока, которые следует разместить вблизи от соответствующего датчика тока.
Недостатком данного технического решения является возможность уменьшения учтенной энергии, вызванная тем, что датчики тока закреплены на выводах счетчика, разнесенных между собой, что допускает размещение двух внешних устройств, воздействующих на датчики тока.
Известны специализированные микросхемы (измерительные элементы), например, Atmel М90Е26 (http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-46002-SE-M90E26-Datasheet.pdf). Эта микросхема предназначена для использования в счетчиках электрической энергии с двумя датчиками тока (шунт и трансформатор тока), имеет два входа цепи тока, она конфигурирована для измерения энергии по наибольшему выходному сигналу указанных датчиков тока.
В качестве ближайшего аналога взят счетчик по заявке на изобретение №CN 101387661(A).
Раскрытие полезной модели.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является предотвращение хищений электрической энергии, осуществляемых путем воздействия на датчики тока постоянными магнитами и электромагнитами переменного тока.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение стойкости счетчиков электрической энергии к внешним воздействиям, осуществляемым для организации хищений электрической энергии.
Технический результат заключается в предотвращении хищений электрической энергии.
Технический результат достигается тем, что в счетчике электрической энергии, содержащем два, по меньшей мере, датчика тока, включенных в цепь тока счетчика, один, по меньшей мере, измерительный элемент, и контроллер, конфигурированный для учета энергии и обработки результатов измерений, при этом выходы датчиков тока соединены измерительными проводниками с входами цепи тока измерительного элемента, а выход измерительного элемента соединен с входом микроконтроллера, два указанных датчика тока соединены последовательно, образуя группу датчиков тока, подключенную между соответствующей парой выводов счетчика для присоединения внешних проводников, выходы датчиков тока каждой группы соединены с входами одного измерительного элемента, имеющего два входа цепи тока и конфигурированного для измерения энергии по наибольшему выходному сигналу указанных датчиков тока.
Признаки полезной модели, совпадающие с признаками прототипа, следующие: счетчик электрической энергии содержит два, по меньшей мере, датчика тока, включенных в цепь тока счетчика, один, по меньшей мере, измерительный элемент, и контроллер, конфигурированный для учета энергии и обработки результатов измерений, при этом выходы датчиков тока соединены измерительными проводниками с входами цепи тока измерительного элемента, выход измерительного элемента соединен с входом микроконтроллера.
Признаки, отличительные от наиболее близкого аналога, следующие: два указанных датчика тока соединены последовательно, образуя группу датчиков тока, подключенную между соответствующей парой выводов счетчика для присоединения внешних проводников, выходы датчиков тока каждой группы соединены с входами одного измерительного элемента, имеющего два входа цепи тока и конфигурированного для измерения энергии по наибольшему выходному сигналу указанных датчиков тока.
Частные случаи осуществления полезной модели следующие:
- каждая группа датчиков тока включена между выводами счетчика для присоединения фазного и нейтрального проводников, а выход каждого измерительного элемента присоединен к соответствующему входу контроллера, конфигурированного для учета энергии по наибольшему выходному сигналу указанных измерительных элементов;
- каждая группа датчиков тока включена между выводами счетчика для присоединения фазных проводников, а выход каждого измерительного элемента присоединен к соответствующему входу контроллера, конфигурированного для учета суммарной энергии;
- группа датчиков тока содержит шунт и трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена последовательно с указанным шунтом;
- группа датчиков тока содержит шунт и трансформатор тока, в качестве первичной обмотки которого использован указанный шунт;
- группа датчиков тока содержит два последовательно соединенных шунта, измерительные части которых размещены параллельно друг другу, а витки, образованные резистивными элементами шунта и соответствующими им частями измерительных проводников, размещены в пространстве идентично.
Краткое описание чертежей.
Возможные варианты осуществления заявляемой полезной модели иллюстрируются чертежами, где на фигуре 1 показана возможная блок-схема однофазного счетчика электрической энергии, на фигуре 2 - возможная конструкция группы датчиков тока, в которую входят два шунта.
Чертежи имеют следующие обозначения:
1 - питающая сеть; 2 - нагрузка; 3, 4 - датчики тока, образующие группу датчиков тока, включенных в цепь фазного проводника L; 5, 6 - датчики тока, образующие группу датчиков тока, включенных в цепь нейтрального проводника N; 7, 8, 9 - плечи датчика напряжения; 10, 11 - измерительный элемент; 12 - модуль оптоэлектронной развязки; 13 - контроллер; 14 - резистивный элемент шунта; 15 - измерительные проводники шунта.
Осуществление полезной модели.
Однофазный счетчик электрической энергии по заявляемому техническому решению (фигура 1) подключен к питающей сети 1 и нагрузке 2, он содержит две группы датчиков тока, образованных датчиками тока 3-6, плечи датчика напряжения 7-9, измерительные элементы 10 и 11, контроллер 13. В состав счетчика могут входить функциональные модули - модуль оптоэлектронной развязки 12 и непоказанные на фигуре 1 блок питания, дисплей (отсчетное устройство), запоминающее устройство, модуль интерфейса связи и другие модули (при необходимости). В каждую цепь фазного L и нейтрального N проводников между выводами для подключения этих проводников включена группа датчиков тока 3-4 или 5-6 соответственно, выходы которых соединены с входами цепей тока соответствующего измерительного элемента 8 или 9. К цепям напряжения измерительных элементов 8, 9 подключены низковольтные плечи 7 или 9, являющиеся элементами датчика напряжения. Измерительные элементы 10-11 конфигурированы таким образом, что они ведут измерение энергии по наибольшему сигналу, выдаваемому датчиками тока, входящими в одну группу датчиков тока. Контроллер 13 конфигурирован для учета энергии и обработки результатов измерений того измерительного элемента, который выдает более высокие данные.
Работает счетчик следующим образом. В режиме работы при отсутствии воздействий на все датчики тока 3-6 измерительные элементы 10-11, создающие выходные сигналы, пропорциональные измеряемой энергии, измеряют энергию по выходному сигналу одного из датчиков соответствующей группы, одновременно они контролируют выходной сигнал второго датчика группы датчиков тока. Если сигнал первого датчика в результате внешнего воздействия или по иным причинам станет меньше сигнала второго датчика, то измерительный элемент для измерения энергии будет использовать выходной сигнал другого датчика группы. Выходные сигналы измерительных элементов 10-11 поступают на вход контроллера 13, который ведет учет энергии и обработку данных, полученных от того измерительного элемента, который выдает более высокие результаты измерений.
Аналогично работает и трехфазный счетчик электрической энергии, только в нем группы датчиков тока включены между выводами, к которым присоединены фазные проводники, а контроллер конфигурирован для учета суммарной энергии.
Использование группы датчиков тока, включенных между выводами для присоединения внешних проводников, вместо одного датчика тока значительно затрудняет хищение энергии, так как:
- увеличено количество датчиков тока, на которые необходимо воздействовать;
- увеличено количество внешних устройств, которые необходимы для воздействия на датчики тока;
- затруднено размещение воздействующих устройств, так как группа датчиков тока размещена между выводами счетчика, расстояние между которыми незначительно (15-20 мм), а воздействующее устройство, например, неодимовый магнит в виде диска со сцеплением 100 кг имеет диаметр 45 мм, близкие размеры имеет и электромагнит переменного тока;
- появляется возможность путем определенного размещения датчиков тока в пространстве снизить эффективность внешних воздействий на датчики тока.
Оптимальная для предотвращения хищений группа датчиков тока может включать:
- шунт и трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена последовательно с указанным шунтом. Так как датчики тока, входящие в группу, различаются принципом действия, то для организации хищения необходимо использовать, по меньшей мере, два воздействующих устройства - электромагнит переменного тока и постоянный магнит;
- шунт и трансформатор тока, в качестве первичной обмотки которого использован указанный шунт. Такое размещение датчиков тока в группе позволяет ограничить возможность воздействия внешнего магнитного поля на шунт, так как магнитная система трансформатора тока экранирует резистивный элемент шунта;
- два последовательно соединенных шунта, резистивные элементы 14 которых размещены рядом параллельно друг другу, а витки, образованные резистивными элементами шунтов и соответствующими им частями измерительных проводников 15, размещены в пространстве идентично.
На фигуре 2 показан один из возможных вариантов выполнения группы датчиков тока, включающей два последовательно соединенных шунта, резистивные элементы 14 которых размещены параллельно друг другу, а витки, образованные резистивными элементами 14 шунтов и соответствующими им частями измерительных проводников 15, размещены в пространстве идентично. Стрелками 16 и 18 показаны условные полярности напряжений, измеренных на резистивных элементах 14 при протекании тока в цепи счетчика. Размещение витков, образованных резистивными элементами 14 и соответствующими им частями измерительных проводников 15, в группе датчиков тока выполнено идентично, в связи с чем электродвижущая сила, наведенная в каждом витке внешним переменным магнитным полем, будет направлена по стрелке 17, при этом в левом шунте наведенная ЭДС суммируется с напряжением на резистивном элементе 14, а в правом шунте - вычитается.
Предложенная конструкция группы датчиков тока, состоящая из двух последовательно соединенных шунтов, делает бесполезным воздействие на шунт мощного магнитного поля, создаваемого электромагнитом переменного тока, так как уменьшение сигнала на выходе одного шунта сопровождается одновременным увеличением сигнала на выходе второго шунта. В связи с тем, что измерительные элементы счетчика конфигурированы для измерения энергии по наибольшему выходному сигналу указанных датчиков тока, то попытка хищения энергии приведет к противоположным результатам.
Некоторые цепи тока счетчика и цепи контроллера могут находиться под разными потенциалами, что затрудняет передачу соответствующих сигналов от измерительных элементов. На фигуре 1 показано, что цепи тока и напряжения измерительного элемента 10, входы контроллера 13 находятся под напряжением фазного проводника L, а цепи тока и напряжения измерительного элемента 11 - под напряжением нейтрального проводника N, в связи с чем между выходом измерительного элемента 11 и входом контроллера 13 включен модуль оптоэлектронной развязки 12.
Таким образом, предлагаемое техническое решение делает невозможным (или существенно затрудняет) хищение электрической энергии путем воздействия на датчики тока постоянными магнитами и электромагнитами переменного тока.