СИСТЕМА УЧЕТА РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
SYSTEM TO ACCOUNT POWER CONSUMPTION

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах и устройствах для измерения электрических величин мощности, энергии в сетях переменного тока, а также в системах управления.
Известны системы для учета расхода электроэнергии / см. Рожков Е. Электронные счетчики электроэнергии бытового и промышленного назначения // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. - 1998. - №1/, содержащие счетчик электрической энергии, имеющий вход по току, напряжению и выход, масштабирующие преобразователи в виде трансформаторов тока и напряжения, входы которых соединены соответственно последовательно и параллельно сопротивлению нагрузки, а их выходы подключены к соответствующим входам по току и напряжению счетчик электрической энергии. Недостатком такого решения является либо низкая точность, либо большие вес и габариты ДТ и ДН при измерении в цепях больших напряжений 10 Кв и более.
Другим аналогом предложенной системы является устройство, содержащее цифровой счетчик электрической энергии на основе контроллера, имеющий вход по сигналам пропорциональным току, напряжению и цифровой выход, масштабирующие преобразователи в виде трансформаторов тока и напряжения, входы которых соединены соответственно последовательно и параллельно сопротивлению нагрузки, а их выходы через АЦП подключены к соответствующим цифровым входам счетчика электрической энергии. [Аганичев А., Панфилов Д., Плавич М. Цифровые счетчики электрической энергии // Chip news. - 2000. - №2].
Недостатком такого устройства является высокая чувствительность к импульсным помехам, большие габариты трансформаторов тока и напряжения при измерении в цепях больших напряжений в производственных условиях эксплуатации.
Более близким по техническому решению является измеритель расхода электроэнергии переменного тока по пат. RU 69259, содержащий счетчик электрической энергии переменного тока, имеющий вход по току, напряжению и выход, датчик тока и тяговый трансформатор высокого напряжения, включающий первичную и вторичную обмотки, при этом первичная обмотка соединена через быстродействующий выключатель с контактной сетью и через датчик тока с входом счетчика по току, высоковольтный делитель напряжения, включающий плечи низкого и высокого напряжения, выполненные в виде последовательно включенных резисторов, связанных одним концом с входом по напряжению счетчика, а другим - с контактной сетью и преобразователем интерфейсов, связанным с выходом счетчика оптоволоконным кабелем.
3
2
6
3
2
6
Недостатком такого решения является низкая точность, непригодность для измерения в цепях напряжений 10 Кв и более, так как датчик тока, счетчик электрической энергии переменного тока и преобразователь интерфейсов, соединены общей электрической шиной, а высоковольтный делитель напряжения из последовательно включенных резисторов не позволяет выполнить его с высокой точностью и стабильностью для производственных условий эксплуатации, из-за большой рассеиваемой мощности и квадратичной зависимости значении сопротивлении делителя от напряжения при заданной мощности рассеивания. Так при напряжении высоковольтного делителя в 10 Кв и рассеиваемой мощности 100 Вт имеем его сопротивление (10*10)/100=10 Ом, а уже при 110 Кв потребуется сопротивление высоковольтного делителя напряжения (110*10)/100=121*10 Ом, что практически невозможно выполнить с высокой точностью для реальных условий эксплуатации в течение времени эксплуатации.
Целью изобретения является повышение точности работы счетчика электрической энергии в диапазоне высоких напряжений, упрощение конструкции.
Цель достигается тем, что дополнительно введен трансформатор, с двумя обмотками включенными последовательно друг за другом, при этом их не связанные друг с другом концы подключены к клеммам нагрузки, а обмотка с меньшим числом витков подключена параллельно к входу по напряжению счетчика электрической энергии и одним концом связана с высоковольтной клеммой сопротивления нагрузки, которая через первичную обмотку трансформатора тока соединена с источником электрической энергии, вторичная обмотка трансформатора тока подключена к токовому входу счетчика электрической энергии, выход которого через последовательную цепь из первого медиакон-вертора, не электропроводной среды передачи сигнала и второго медиакон-вертора подключен к контроллеру.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Система учета расхода электроэнергии, содержащая счетчик электрической энергии переменного тока, имеющий вход по току, напряжению и цифровой выход, медиаконвертор, не электропроводную среду передачи сигнала, трансформатор тока с первичной и вторичной обмотками, первичная обмотка трансформатора тока включена последовательно с сопротивленим нагрузки, а вторичная обмотка подключена к токовому входу счетчика электрической энергии, дополнительно содержит трансформатор, с двумя обмотками включенными последовательно друг за другом, при этом их не связанные друг с другом концы подключены к клеммам нагрузки, а обмотка с меньшим числом витков подключена параллельно к входу по напряжению счетчика электрической энергии и одним концом связана с высоковольтной клеммой сопротивления нагрузки, которая через первичную обмотку трансформатора тока соединена с источником электрической энергии, вторичная обмотка трансформатора тока подключена к токовому входу счетчика электрической энергии, выход которого через последовательную цепь из первого медиаконвертора, не электропроводной среды передачи сигнала и второго медиаконвертора подключен к контроллеру.
На чертеже фигура 1 представлена схема предложенного устройства.
Устройство на фигуре 1 содержит: 1 - трансформатор тока, 2 - счетчик электрической энергии, 3 - сопротивление нагрузки, 4 - трансформатор, 5 и 6 первый и второй медиаконверторы, 7 - не электропроводная среда передачи сигнала между медиаконверторами, 8 - контроллер, 9 и 10 первичная и вторичная обмотки трансформатор тока 1, 11 и 12 обмотки с меньшим и большим числами витков соответственно для трансформатора 4.
Принцип действия предложенного устройства по фигуре 1 следующий.
TT
H
Ток нагрузки 4 проходит через первичную обмотку 9 трансформатора тока 1, так что во вторичной его обмотке 10, нагруженной на вход счетчика электрической энергии 2, будут протекать ток I пропорциональный току I нагрузки 3.
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>T</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>н</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>T</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                    </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
TT
9
10
9
10
где K=W/W - коэффициент передачи трансформатора тока 1, определяемый отношением чисел витков W и W обмоток 9 и 10.
д
На другой вход счетчика электрической энергии 2 будет поступать напряжение U с обмотки 11 трансформатора 4,
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>д</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><msub><mi>K</mi><mi>д</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                    </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
н
где U - напряжение на нагрузке;
д
11
12
11
12
K=W/W - коэффициент деления напряжения, определяемый отношением чисел витков W и W в обмотках 11 и 12 трансформатора 4
Счетчик электрической энергии 2 формирует на своем выходе сигнал пропорциональный энергии выделенной в нагрузке, который передается по каналу, состоящему из медиаконверторов 5, 6 и непроводящей электрический ток, электрически прочной среды 7 передачи данных между ними, на контроллер 8, который осуществляет управление режимами работы счетчика электрической энергии 2, обработку и представление информации в требуемой форме для дальнейшего использования.
Текущее значение электрической энергии переменного тока и представление информации в требуемой форме, формируемое на выходе контроллера 8, учитывая, что погрешность из-за дискретизации может быть сделана, пренебрежимо малой, практически определяется с учетом (1) и (2) соотношением
<mrow><mi>Э</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>*</mo><msub><mi>K</mi><mi>д</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>*</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><msubsup><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msubsup><mrow><msub><mi>U</mi><mi>д</mi></msub></mrow></mrow></mstyle><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>T</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext>               </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
где t и t - моменты времени начала и конца измерения электрической энергии.
Трансформатор 4 может быть выполнен, как в виде отдельного блока, так и в отдельных случаях, когда требования к точности не высоки, может быть совмещен с силовым трансформатором (на фиг.1 не показан).
Питание электронных элементов счетчика электрической энергии (на фиг.1 не показано) может осуществляться через соответствующие выпрямитель и стабилизатор, как от силового трансформатора, так и от дополнительного токового трансформатора, работающего в режиме насыщения, или, учитывая малую потребляемую мощность, с выхода дополнительного трансформатора 4, например, от обмотки 11.
Упрощение конструкции достигается за счет того, что требования к электрической прочности переносятся с входных аналоговых элементов системы на входе счетчика 2 на его выход, где действует дискретный сигнал и электрическая прочность обеспечивается непроводящей ток электрически прочной средой 7 передачи данных (оптоволокно или газ, воздух). Кроме того нагрузка в предложенной системе может представлять собой как один так и множество параллельно включенных элементов, например, силовых трансформаторов, тогда как для прототипа это недопустимо без существенного усложнения конструкции.
Повышение точности и упрощение конструкции применяемых измерительных трансформаторов тока и напряжения обеспечивается за счет того, что в предложенной системе применяются низковольтный трансформатор тока 1 и дополнительный трансформатор 4, конструктивно более простые, по сравнению с применяемыми в устройствах аналогах, и потому коэффициенты деления для них при значительно меньших габаритах определяется практически отношением чисел витков и могут быть заданы с погрешностью не более нескольких сотых долей процента.
Кроме того значительно (в десятки раз) уменьшаются динамические погрешности АЦП и внешние помехи, т.к. оцифровываются не мгновенные значения переменных входных сигналов (тока или напряжения), а единственный допускающий усреднение сигнал пропорциональный энергии в нагрузке.
Предложенная система учета расхода электроэнергии позволяет получить погрешность измерения электрической энергии переменного тока в цепях высокого напряжения с погрешностью менее 0,1%.