СЧЕТЧИК ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ИНДИКАЦИЕЙ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ (ВАРИАНТЫ)
ELECTRIC POWER LOSS METER WITH DISPLAY OF POWER LOSS (VERSIONS)

Предлагаемая группа изобретений относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначена для вычисления и индикации усредненной на 1-минутном интервале мощности потерь электроэнергии, а также может быть использована в качестве счетчика-регистратора потерь электроэнергии за каждый час, сутки, месяц.
Известно устройство для определения начальных моментов любого порядка [1], содержащее входной зажим, функциональный преобразователь, интегратор, источник опорного напряжения, компаратор, одновибратор, первый и второй счетчики, генератор прямоугольных импульсов, блок деления, индикатор.
Недостатками аналога являются невысокая точность, обусловленная наличием в схеме устройства аналогового интегратора, выполненного на операционном усилителе и конденсаторе, а также узкие функциональные возможности.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является счетчик потерь электроэнергии [2], содержащий генератор прямоугольных импульсов, компьютер, таймер, таймер-часы, датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, функциональный преобразователь, накапливающий сумматор, индикатор, блок деления, постоянное запоминающее устройство, приемо-передатчик, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы.
Недостатками прототипа являются невысокая точность, обусловленная неучетом зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева (погрешность по этой причине может достигать 40% [3]), а также узкие функциональные возможности.
Технические задачи, решаемые изобретением, - повышение точности за счет учета зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева и расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности непрерывного контроля мощности потерь электроэнергии.
Указанные технические задачи (в первом варианте реализации счетчика) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий датчик тока, квадратор, постоянное запоминающее устройство, компьютер, первый приемо-передатчик, генератор прямоугольных импульсов, дополнительно введены датчик температуры окружающей среды, аналоговый сумматор, блок умножения, микроконтроллер, второй приемо-передатчик, стрелочный индикатор, первый и второй источники опорного напряжения, первое и второе апериодические звенья, второй вход последнего подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, а выход соединен с третьим входом аналогового сумматора, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго источников опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом блока умножения, первый вход которого через квадратор подключен к выходу датчика тока, а выход соединен с объединенными первым входом второго апериодического звена и входом первого апериодического звена, выход которого соединен с объединенными входами стрелочного индикатора и порта А микроконтроллера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый и второй приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства и компьютера.
Указанные технические задачи (во втором варианте реализации счетчика) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий квадратор, постоянное запоминающее устройство, компьютер, первый приемо-передатчик, генератор прямоугольных импульсов, датчик тока, дополнительно введены датчик температуры электрооборудования, первый и второй источники опорного напряжения, микроконтроллер, второй приемо-передатчик, стрелочный индикатор, первый и второй аналоговые сумматоры, блок умножения, апериодическое звено, выход которого соединен с объединенными входами стрелочного индикатора и порта А микроконтроллера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый и второй приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства и компьютера, выходы датчика температуры электрооборудования и второго источника опорного напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами первого аналогового сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго аналогового сумматора, первый вход которого подключен к выходу первого источника опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом блока умножения, первый вход которого через квадратор подключен к выходу датчика тока.
Указанные технические задачи (в третьем варианте реализации счетчика) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий аналого-цифровой преобразователь, квадратор, первый накапливающий сумматор, генератор прямоугольных импульсов, компьютер, первый приемо-передатчик, постоянное запоминающее устройство, цифровой индикатор, датчик тока, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом квадратора, дополнительно введены первый и второй блоки вычитания, первый регистр, первый и второй цифровые сумматоры, второй и третий накапливающие сумматоры, датчик температуры окружающей среды, микроконтроллер, второй приемопередатчик, первый-пятый блоки умножения, первый-пятый блоки задания кодов, выход первого из которых соединен с первым входом первого цифрового сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго блока умножения, а выход соединен со вторым входом первого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу квадратора, а выход соединен с объединенными первым входом третьего блока умножения и информационным входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора и первого регистра, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, выход второго накапливающего сумматора соединен с входом порта А микроконтроллера, выход порта В которого через первый приемо-передатчик соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход порта С микроконтроллера через второй приемо-передатчик соединен с входом компьютера, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, разряды управляющего порта D которого соединены: первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй - с объединенными управляющими входами первого и третьего накапливающих сумматоров, третий - с объединенными управляющими входами первого регистра и второго накапливающего сумматора, четвертый - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора, пятый - с входом вектора прерываний микроконтроллера, шестой - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора, выход четвертого блока задания кода соединен с вторым входом третьего блока умножения, выход которого соединен с первым входом второго цифрового сумматора, второй вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, а выход соединен с входом уменьшаемого первого блока вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу четвертого блока умножения, а выход соединен с информационным входом третьего накапливающего сумматора, выход которого соединен с объединенными входом уменьшаемого второго блока вычитания и вторым входом четвертого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого блока задания кода, соединенному с вторым входом пятого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, выход третьего блока задания кода соединен с входом вычитаемого второго блока вычитания, выход которого соединен с вторым входом второго блока умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока задания кода.
Указанные технические задачи (в четвертом варианте реализации счетчика) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий квадратор, компьютер, первый приемо-передатчик, постоянное запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь, генератор прямоугольных импульсов, первый накапливающий сумматор, цифровой индикатор, датчик тока, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом квадратора, дополнительно введены цифровой сумматор, микроконтроллер, датчик температуры электрооборудования, блок вычитания, второй накапливающий сумматор, второй приемо-передатчик, первый регистр, первый и второй блоки умножения, первый-третий блоки задания кодов, выход последнего из которых соединен с входом вычитаемого блока вычитания, вход уменьшаемого которого подключен к выходу датчика температуры электрооборудования, а выход соединен с вторым входом второго блока умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока задания кода, а выход соединен с вторым цифрового сумматора, первый вход которого подключен к выходу второго блока задания кода, а выход соединен со вторым входом первого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу квадратора, а выход соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора и первого регистра, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, выход второго накапливающего сумматора соединен с входом порта А микроконтроллера, выход порта В которого через первый приемо-передатчик соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход порта С микроконтроллера через второй приемо-передатчик соединен с входом компьютера, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, разряды управляющего порта D которого соединены: первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй - с управляющим входом первого накапливающего сумматора, третий - с объединенными управляющими входами первого регистра и второго накапливающего сумматора, четвертый - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора, пятый - с входом вектора прерываний микроконтроллера, шестой - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора.
Указанные технические задачи (в пятом варианте реализации счетчика) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий компьютер, цифровой индикатор, датчик тока, первый приемо-передатчик, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, дополнительно введены второй приемо-передатчик, датчики температуры окружающей среды и электрооборудования, микроконтроллер, регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, а информационный и управляющий входы подключены соответственно к выходам портов D и Е микроконтроллера, выход порта F которого через первый приемо-передатчик соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход порта G микроконтроллера через второй приемо-передатчик соединен с входом компьютера, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, входы портов А, В и С которого подключены соответственно к выходам датчиков тока, температуры окружающей среды и температуры электрооборудования.
Аналоговый сумматор содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом аналогового сумматора и через резистор обратной связи - с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через входные резисторы ко входам аналогового сумматора.
Первое апериодическое звено содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом первого апериодического звена и через параллельно соединенные резистор обратной связи и конденсатор - с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через входной резистор ко входу первого апериодического звена.
Второе апериодическое звено содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом второго апериодического звена и через параллельно соединенные резистор обратной связи и конденсатор - с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через входные резисторы ко входам второго апериодического звена.
Накапливающий сумматор содержит третий цифровой сумматор, второй и третий регистры и одновибратор, выход которого соединен с входом управления записью третьего регистра, а инверсный вход объединен с входом управления записью второго регистра и подключен к управляющему входу накапливающего сумматора, информационный вход которого соединен с первым входом третьего цифрового сумматора, выход которого через второй регистр соединен с информационным входом третьего регистра, информационный выход которого соединен с объединенными вторым входом третьего цифрового сумматора и выходом накапливающего сумматора, вход установки нуля которого соединен с входом установки нуля третьего регистра.
Существенными отличиями предлагаемого счетчика являются введение дополнительных элементов в различных вариантах его реализации:
1) аналогового сумматора, блока умножения, микроконтроллера, второго приемо-передатчика, стрелочного индикатора, датчика температуры окружающей среды, первого и второго источников опорного напряжения, первого и второго апериодических звеньев;
2) первого и второго аналоговых сумматоров, блока умножения, микроконтроллера, второго приемо-передатчика, стрелочного индикатора, датчика температуры электрооборудования, первого и второго источников опорного напряжения, апериодического звена;
3) датчика температуры окружающей среды, микроконтроллера, второго приемо-передатчика, первого регистра, первого-пятого блоков умножения, первого и второго блоков вычитания, первого и второго цифровых сумматоров, второго и третьего накапливающих сумматоров, первого-пятого блоков задания кодов;
4) микроконтроллера, датчика температуры электрооборудования, второго накапливающего сумматора, первого-третьего блоков задания кодов, второго приемо-передатчика, первого регистра, первого и второго блоков умножения, блока вычитания, цифрового сумматора;
5) микроконтроллера, второго приемо-передатчика, регистра, датчиков температуры окружающей среды и электрооборудования.
К существенным отличиям предлагаемого счетчика также относятся организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширения функциональных возможностей счетчика за счет возможности непрерывного контроля мощности потерь электроэнергии, а также повышения его точности за счет учета зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева.
Схемы первого-пятого вариантов реализации счетчика представлены соответственно на фиг.1-5; также представлены схемы элементов счетчика: на фиг.6 - аналогового сумматора, на фиг.7 - первого апериодического звена, на фиг.8 - второго апериодического звена, на фиг.9 - накапливающего сумматора.
Схема первого варианта реализации счетчика (фиг.1) содержит датчик 1 тока (ДТ), квадратор 2, блок 3 умножения (БУ), первое 4 и второе 5 апериодические звенья (АЗ), первый 6 и второй 7 источники опорного напряжения (ИОН), аналоговый сумматор 8, датчик 9 температуры окружающей среды, стрелочный индикатор 10, генератор 11 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 12, первый 13 и второй 14 приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 15, компьютер 16. Выход датчика 1 тока через квадратор 2 соединен с первым входом блока 3 умножения, выход которого соединен с объединенными первым входом второго апериодического звена 5 и входом первого апериодического звена 4, выход которого соединен с объединенными входами стрелочного индикатора 10 и порта А микроконтроллера 12, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 11 прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый 13 и второй 14 приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства 15 и компьютера 16, второй вход второго апериодического звена 5 подключен к выходу датчика 9 температуры окружающей среды, а выход соединен с третьим входом аналогового сумматора 8, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого 6 и второго 7 источников опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом блока 3 умножения.
Схема второго варианта реализации счетчика (фиг.2) содержит датчик 1 тока (ДТ), квадратор 2, блок 3 умножения (БУ), апериодическое звено (АЗ) 4, первый 5 и второй 7 источники опорного напряжения (ИОН), датчик 7 температуры электрооборудования, первый 8 и второй 9 аналоговые сумматоры, стрелочный индикатор 10, генератор 11 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 12, первый 13 и второй 14 приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 15, компьютер 16. Выход датчика 1 тока через квадратор 2 соединен с первым входом блока 3 умножения, выход которого соединен с входом апериодического звена 4, выход которого соединен с объединенными входами стрелочного индикатора 10 и порта А микроконтроллера 12, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 11 прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый 13 и второй 14 приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства 15 и компьютера 16, выходы датчика 7 температуры электрооборудования и второго источника 6 опорного напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами первого аналогового сумматора 8, выход которого соединен с вторым входом второго аналогового сумматора 9, первый вход которого подключен к выходу первого источника 5 опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом блока 3 умножения.
Схема третьего варианта реализации счетчика (фиг.3) содержит датчик 1 тока (ДТ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, квадратор 3, первый 4, второй 5, третий 6, четвертый 7 и пятый 8 блоки умножения (БУ), первый 9, второй 10 и третий 11 накапливающие сумматоры (НС), первый регистр 12, цифровой индикатор (ЦИ) 13, генератор 14 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 15, первый 16 и второй 17 приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 18, компьютер 19, первый 20 и второй 21 цифровые сумматоры (ЦС), первый 22 и второй 23 блоки вычитания (БВ), первый 24, второй 25, третий 26, четвертый 27 и пятый 28 блоки задания кодов (БЗК), датчик 29 температуры окружающей среды (ДТОС). Выход датчика 1 тока через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 2 и квадратор 3 соединен с первым входом первого блока 4 умножения, выход которого соединен с объединенными первым входом третьего блока 6 умножения и информационным входом первого накапливающего сумматора 9, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора 10 и первого регистра 12, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора 13, выход второго накапливающего сумматора 10 соединен с входом порта А микроконтроллера 15, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 14 прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый 16 и второй 17 приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства 18 и компьютера 19, выход четвертого блока 27 задания кода соединен с вторым входом третьего блока 6 умножения, выход которого соединен с первым входом второго цифрового сумматора 21, второй вход которого подключен к выходу пятого блока 8 умножения, а выход соединен с входом уменьшаемого первого блока 22 вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу четвертого блока 7 умножения, а выход соединен с информационным входом третьего накапливающего сумматора 11, выход которого соединен с объединенными входом уменьшаемого второго блока 23 вычитания и вторым входом четвертого блока 7 умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого блока 28 задания кода, соединенному с вторым входом пятого блока 8 умножения, первый вход которого подключен к выходу датчика 29 температуры окружающей среды, выход третьего блока 26 задания кода соединен с входом вычитаемого второго блока 23 вычитания, выход которого соединен с вторым входом второго блока 5 умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока 25 задания кода, а выход соединен со вторым входом первого цифрового сумматора 20, первый вход которого подключен к выходу первого блока 24 задания кода, а выход соединен со вторым входом первого блока 4 умножения, разряды управляющего порта D микроконтроллера 15 соединены: первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 2, второй - с объединенными управляющими входами первого 9 и третьего 11 накапливающих сумматоров, третий - с объединенными управляющими входами первого регистра 12 и второго накапливающего сумматора 10, четвертый - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора 9, пятый - с входом вектора прерываний микроконтроллера 15, шестой - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора 10.
Схема четвертого варианта реализации счетчика (фиг.4) содержит датчик 1 тока (ДТ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, квадратор 3, первый 4 и второй 5 блоки умножения (БУ), первый 6 и второй 7 накапливающие сумматоры (НС), первый регистр 8, цифровой индикатор (ЦИ) 9, генератор 10 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 11, первый 12 и второй 13 приемо-передатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 14, компьютер 15, цифровой сумматор (ЦС) 16, блок 17 вычитания (БВ), первый 18, второй 19 и третий 20 блоки задания кодов (БЗК), датчик 21 температуры электрооборудования (ДТЭ). Выход датчика 1 тока через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 2 и квадратор 3 соединен с первым входом первого блока 4 умножения, выход которого соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора 6, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора 7 и первого регистра 8, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора 9, выход второго накапливающего сумматора 7 соединен с входом порта А микроконтроллера 11, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 10 прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый 12 и второй 13 приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства 14 и компьютера 15, выход третьего блока 20 задания кода соединен с входом вычитаемого блока 17 вычитания, вход уменьшаемого которого подключен к выходу датчика 21 температуры электрооборудования, а выход соединен с вторым входом второго блока 5 умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока 19 задания кода, а выход соединен со вторым входом цифрового сумматора 16, первый вход которого подключен к выходу первого блока 18 задания кода, а выход соединен со вторым входом первого блока 4 умножения, разряды управляющего порта D микроконтроллера 11 соединены: первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 2, второй - с управляющим входом первого накапливающего сумматора 6, третий - с объединенными управляющими входами первого регистра 8 и второго накапливающего сумматора 7, четвертый - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора 6, пятый - с входом вектора прерываний микроконтроллера 11, шестой - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора 7.
Схема пятого варианта реализации счетчика (фиг.5) содержит датчик 1 тока (ДТ), микроконтроллер (МК) 2, регистр 3, цифровой индикатор (ЦИ) 4, датчики температуры окружающей среды (ДТОС) 5 и электрооборудования (ДТЭО) 6, генератор 7 прямоугольных импульсов (ГПИ), первый 8 и второй 9 приемо-передатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10, компьютер 11. Выход датчика 1 тока соединен с входом порта А микроконтроллера 2, входы портов В и С которого подключены соответственно к выходам датчиков температуры окружающей среды 5 и температуры электрооборудования 6, а тактовый вход подключен к выходу генератор 7 прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера 2 соединены соответственно: D - с информационным входом регистра 3, Е - с управляющим входом регистра 3, F - через первый приемо-передатчик 8 с входом постоянного запоминающего устройства 10, G - через второй приемо-передатчик 9 с входом компьютера 11, информационный выход регистра 3 соединен с информационным входом цифрового индикатора 4.
Аналоговый сумматор 8 (фиг.6) содержит операционный усилитель (ОУ) 17, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом аналогового сумматора 8 и через резистор 18 обратной связи - с инвертирующим входом операционного усилителя 17, подключенным через входные резисторы 19-20 ко входам аналогового сумматора 8.
Первое апериодическое звено 4 (фиг.7) содержит первый 21 и второй 22 операционные усилители, неинвертирующие входы которых соединены с общей шиной счетчика, выход второго операционного усилителя 22 соединен с объединенными выходом первого апериодического звена 4 и через второй резистор 23 обратной связи - с инвертирующим входом второго операционного усилителя 22, подключенным через второй входной резистор 24 к выходу первого операционного усилителя 21, соединенному через параллельно соединенные первый резистор 25 обратной связи и конденсатор 26 с инвертирующим входом первого операционного усилителя 21, подключенным через первый входной резистор 27 ко входу первого апериодического звена 4.
Второе апериодическое звено 5 (фиг.8) содержит операционный усилитель 28, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом второго апериодического звена 5 и через параллельно соединенные резистор 29 обратной связи и конденсатор 30 - с инвертирующим входом операционного усилителя 28, подключенным через входные резисторы 31 и 32 ко входам второго апериодического звена 5.
Накапливающий сумматор 9 (фиг.9) содержит третий цифровой сумматор 33, второй 34 и третий 35 регистры и одновибратор 36, выход которого соединен с входом управления записью третьего регистра 35, а инверсный вход объединен с входом управления записью второго регистра 34 и подключен к управляющему входу накапливающего сумматора 9, информационный вход которого соединен с первым входом третьего цифрового сумматора 33, выход которого через второй регистр 34 соединен с информационным входом третьего регистра 35, информационный выход которого соединен с объединенными вторым входом третьего цифрового сумматора 33 и выходом накапливающего сумматора 9, вход установки нуля которого соединен с входом установки нуля третьего регистра 35.
При наличии в электрической сети датчика тока ДТ 1 (трансформатора тока и преобразователя тока в напряжение или шунта) потери мощности в токоведущих элементах (ТЭ) электрооборудования (ЭО) определяются по формуле
где I(t) - изменяющийся во времени ток нагрузки, протекающий по ТЭ ЭО;
R - сопротивление ТЭ ЭО.
0
0
При упрощенных расчетах сопротивление R принимается неизменным во времени и равным сопротивлению R при температуре окружающей среды t=20°C или сопротивлению при другой фиксированной температуре.
ЭО
Значение сопротивления R в функции от температуры t ТЭ ЭО определяется по формуле
м
а
ст
-1
-1
-1
где α - температурный коэффициент сопротивления ТЭ ЭО; имеет значение для меди α=0,0041°С, алюминия α=0,0044°С, стали α=0,006°С.
ЭО
В том случае, если возможен доступ к ТЭ ЭО, то значение температуры t определяется с помощью датчика температуры электрооборудования (во втором, четвертом и пятом вариантах счетчика).
ЭО
В том случае, если доступ к ТЭ ЭО невозможен или затруднителен, опасен (в первом, третьем и пятом вариантах счетчика), то значение температуры t(t) может быть определено из дифференциального уравнения нагрева [4], имеющего следующий вид
где  - коэффициент изменения сопротивления ТЭ ЭО в функции от температуры;
ном
t - номинальная длительно допустимая температура ТЭ ЭО;
ном
I - номинальный ток ЭО;
I(t) - ток нагрузки.
ЭО
Уравнение (3) решается в первом и втором вариантах счетчика аналоговыми средствами, а в третьем-пятом вариантах - цифровыми. Так как потери мощности отображаются на индикаторах в реальном масштабе времени, то масштаб по времени, а также по постоянной времени нагрева τпри моделировании во всех вариантах счетчика принят равным единице.
Первый вариант счетчика (фиг.1) работает следующим образом.
I
I
С выхода ДТ 1, проходя через квадратор 2, на первый вход БУ 3 поступает напряжение, пропорциональное квадрату исследуемого процесса изменения тока нагрузки  (где m=I/U - масштаб по току). На второй вход БУ 3 с выхода аналогового сумматора 8 поступает напряжение, пропорциональное сопротивлению R токоведущего элемента (ТЭ) электрооборудования (ЭО), по которому протекает ток I. На выходе БУ 3 появляется напряжение, пропорциональное потерям мощности в ЭО
п
где K - коэффициент пропорциональности.
3
4
Напряжение U для удобства наблюдения при исследовании резко-переменных нагрузок пропускается через первое апериодическое звено 4, имеющее постоянную времени сглаживания τ=1 мин. Учитывая, что первый операционный усилитель 21 АЗ 4 (фиг.7) инвертирует входной сигнал, в схеме АЗ 4 используется аналоговый инвертор, выполненный на втором ОУ 22 и резисторах 23 и 24.
Выходное напряжение АЗ 4, пропорциональное сглаженному значению потерь мощности ЭО ΔР, отображается с помощью стрелочного индикатора, встроенного в микроконтроллер 12 АЦП. Дальнейшая обработка величины ΔР выполняется в МК 12 программными средствами; при этом в ПЗУ 15 могут быть зарегистрированы значения расхода электроэнергии ЭО ΔW за различные интервалы времени, например 1 мин, 1 час, 1 сутки и т.д.
3
5
ЭО
9
окр
t
окр
t
t
Напряжение U также поступает на первый вход второго АЗ 5, постоянная времени сглаживания которого равна постоянной времени нагрева исследуемого ЭО τ=τ. Второй вход АЗ 5 подключен к выходу датчика температуры окружающей среды 9, выходное напряжение которого пропорционально температуре окружающей среды U=t/m (где t - температура окружающей среды, m=t/U - масштаб по температуре).
3
9
5
ЭО
t
ЭО
5
ЭО
Напряжения U и U суммируются вторым АЗ 5 (фиг.8), выходное напряжение которого U=-t/m, пропорциональное температуре ТЭ ЭО t, изменяется по экспоненте с постоянной τ=τ и представляет собой решение дифференциального уравнения модели нагрева ТЭ ЭО
которое для удобства пояснений можно записать, как
5
ЭО
3
9
3
Решение уравнения 6 осуществляется апериодическим звеном 5 следующим образом [5, 6]. Понижение порядка производной dU/dt выполняет интегратор, реализованный на элементах 28, 30, 31, 32 (фиг.8) и имеющий постоянную интегрирования, равную Т=τ. На вход интегратора на ОУ 28 поступают суммируемые напряжения через резисторы: 31 - U, 32 -U, 29 - (-U). Инверсию сигнала на выходе АЗ 5 вносит ОУ 28 (фиг.8).
5
6
0
R
0
0
R
4
5
0
t
Выходное отрицательное напряжение U с выхода АЗ 5 поступает на третий вход аналогового сумматора 8, к первому и второму входам которого соответственно приложены: отрицательное напряжение с выхода первого ИОН 6 U=-R/m (где R - сопротивление ТЭ ЭО при температуре окружающей среды t=20°C, m=R/U - масштаб по сопротивлению) и положительное напряжение с выхода второго ИОН 7 U=t/m.
С учетом инвертирования сигнала операционным усилителем 17 (фиг.6) аналоговый сумматор 8 вычисляет сопротивление ТЭ ЭО по формуле (2).
31
30
31
30
31
30
Первый вариант счетчика применим для исследования только маломощного ЭО (мощностью до нескольких кВт). Это объясняется трудностью реализации интегратора на ОУ 28 (фиг.8) с большой постоянной интегрирования T=R·С. Например: 1) Т=1 мин, R=6 МОм, С=10 мкФ; 2) T=10 мин, R=6 МОм, С=100 мкФ. Из рассмотрения приведенных примеров ясно, что при дальнейшем увеличении значений R и С для увеличения постоянной τ рабочие токи через R и С будут соизмеримы со входными токами ОУ 28 и токами утечки конденсаторов, а это, в свою очередь, может привести к значительной погрешности устройства.
Второй вариант счетчика (фиг.2) работает следующим образом.
Группа элементов 1-4, 10-16 работает так же, как и в первом варианте счетчика. Потери мощности отображаются на индикаторе 10.
7
ЭО
6
0
t
0
7
6
t
ЭО
0
5
0
R
9
В этом варианте счетчика напряжение U, пропорциональное температуре ТЭ ЭО t, задается датчиком 7 температуры электрооборудования. Это напряжение подается на первый вход первого аналогового сумматора 8, ко второму входу которого с выхода второго ИОН 6 приложено напряжение U=-t/m, пропорциональное температуре t=20°С. Выходное напряжение первого аналогового сумматора 8 U8=- (U+U)=- α/m(t-t) подается на второй вход второго аналогового сумматора 9, к первому входу которого приложено напряжение с выхода первого ИОН 5 U=-R/m. В результате первым 8 и вторым 9 аналоговыми сумматорами реализуется формула (7): . Напряжение U, пропорциональное сопротивлению R, подается на второй вход БУ 3 и т.д.
Третий вариант счетчика (фиг.3) работает следующим образом.
2
2
2
Аналоговая величина тока I(t) с выхода ДТ 1 преобразуется АЦП 2 в цифровой код I, который возводится квадратором 3 в квадрат I. Код Iумножается БУ 4 на код R, присутствующий на выходе первого цифрового сумматора 20. На выходе БУ 4 появляется код мощности потерь ΔP=IR.
Код мощности потерь ΔP поступает на вход БУ 6 и накапливающего сумматора 9, который работает следующим образом.
Через одинаковые интервалы выборки Δt на выходе первого разряда управляющего порта D МК 15 появляется импульс, запускающий АЦП 2. Импульсом с выхода второго разряда порта D выполняется запись в регистр 34 первого НС 9 (фиг.9) суммы кода АЦП 2 с содержимым регистра 35 (накопленным за предыдущее время измерения). Импульс с выхода второго разряда порта D запускает одновибратор 36, а импульсом с выхода последнего в регистр 35 заносится накопленная сумма выборок, пропорциональная потерям электроэнергии ΔW и усредненному значению потерь мощности ΔP.
1мин
1час
Импульсом с выхода третьего разряда порта D МК 15 (который появляется 1 раз в минуту) значение усредненной за 1 мин мощности ΔP с выхода НС 9 поступает на информационный вход второго НС 10 для накопления в нем значения усредненной за 1 час мощности ΔP, а также записывается в первый регистр 12.
1мин
Значение усредненной за 1 мин мощности ΔP отображается на цифровом индикаторе 13, непрерывно обновляясь каждую минуту.
1мин
Импульсом с выхода четвертого разряда порта D МК 15 содержимое регистра 35 (фиг.9) обнуляется - таким образом он подготавливается для определения значения потерь мощности ΔР за следующую минуту и т.д.
1час
1час
Импульсом с выхода пятого разряда порта D МК 15 (который появляется 1 раз в час и воздействует на вход вектора прерываний МК 15) в МК запускается программный блок, который размещает в очередных ячейках (или целиком использует страницу, если она малого объема) ПЗУ 18: дату; час; значение потерь электроэнергии ΔW за этот час (численно равное значению усредненных за 1 час потерь мощности ΔP, код которых приложен ко входу порта А МК 15). Операции размещения и считывания информации в ПЗУ 18 выполняются первым приемо-передатчиком 16.
Импульсом с выхода шестого разряда порта D МК 15 (который появляется также 1 раз в час с малой задержкой после импульса с выхода пятого разряда порта D) содержимое НС 10 обнуляется, после чего он начинает накапливать данные за следующий час.
ЭО
ЭО
Определение температуры нагрева ТЭ ЭО t и, соответственно, сопротивления ТЭ в зависимости от его температуры R(t) выполняется элементами 5-8, 11, 20-29 следующим образом.
ЭО
Разрешим уравнение (3) относительно производной температуры t, a также сделаем замену
Для решения уравнения в счетчике используются первый-пятый блоки задания кодов 24-28, значения которых приведены в таблице.
Таблица
Значения кодов БЗК 24-28
Номера БЗК
24
25
26
27
28
Значения кодов
R<sub>0</sub>
αR<sub>0</sub>
t<sub>0</sub>=20°
<img file="00000012.tif" he="11" wi="48" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000013.tif" he="11" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
На первый вход БУ 6 поступает код мощности потерь ΔP=IR. На второй вход БУ 6 с выхода БЗК 27 поступает код . На выходе БУ 6 появляется произведение этих двух кодов , представляющее собой первый член правой части уравнения (7).
окр
Соответственно, на входы БУ 8 поступают сомножители  (с выхода БЗК 28) и t (с выхода ДТОС 29), а на выходе БУ 8 появляется произведение , представляющее собой второй член правой части уравнения (7).
ЭО
На входы БУ 7 поступают сомножители  (с выхода БЗК 28) и t (с выхода НС 11) - на выходе БУ 7 появляется произведение , представляющее собой модуль третьего члена правой части уравнения (7).
На выходе сумматора 21 появляется сумма , поступающая на вход уменьшаемого БВ 22, ко входу вычитаемого которого с выхода БУ 7 приложен код .
В результате на выходе БВ 22 формируется правая часть уравнения (7).
ЭО
Третий НС 11, фактически являющийся цифровым интегратором, понижает на единицу порядок левой части уравнения (7) - на выходе НС 11 появляется код температуры ТЭ ЭО t.
ЭО
0
ЭО
0
0
0
ЭО
0
0
Выходной код температуры t с выхода НС 11 поступает на первый вход БУ 7 и вход уменьшаемого БВ 23, ко входу вычитаемого которого с выхода третьего БЗК 26 приложен код t=20°. В результате на выходе БВ 23 формируется код (t-t), который, после умножения блоком 5 на код αR с выхода второго БЗК 25, поступает в виде кода αR(t-t) на второй вход ЦС 20. К первому входу ЦС 20 приложен код сопротивления R - на выходе ЦС 20 появляется сумма .
Четвертый вариант счетчика (фиг.4) работает следующим образом.
Группа элементов 1-16, 18, 19 работает так же, как и в первом варианте счетчика. Потери мощности отображаются на индикаторе 8.
ЭО
0
ЭО
0
0
0
ЭО
0
0
В этом варианте счетчика код t, пропорциональный температуре ТЭ ЭО, задается датчиком 21. Этот код подается на вход уменьшаемого БВ 17, на вход вычитаемого которого с выхода БЗК 20 подается код температуры t=20°С. Выходной код БВ 17 равен t-t. Этот код умножается блоком 5 умножения на код αR с выхода БЗК 19. Выходной код БУ 5 αR(t-t) подается на второй вход сумматора 16, к первому входу которого приложен код R с выхода БЗК 18. На выходе сумматора 16 формируется код сопротивления , который подается на второй вход БУ 4.
Пятый вариант счетчика (фиг.5) работает следующим образом.
ЭО
Выходное напряжение ДТ 1, пропорциональное току нагрузки I(t), поступает на вход порта А МК 2, который соединен со входом встроенного в МК 2 АЦП. Дальнейшая обработка тока I, а также других производных величин (ΔP, t, R и др.) выполняется в МК 2 программными средствами.
ЭО
1мин
1час
1час
2
2
В первом варианте применения счетчика (при наличии доступа к ТЭ ЭО) датчиком 6 измеряется температура ТЭ ЭО t. В АЦП МК 2 входная аналоговая величина преобразуется в код тока I. Далее в МК 2 вычисляются: 1) квадрат тока I; 2) сопротивление ТЭ ЭО , 3) потери мощности ΔР=IR; 4) значение усредненной за 1 мин мощности ΔP, которое ежеминутно записывается в регистр 3 и непрерывно отображается на индикаторе 4; 5) значения усредненной за 1 час мощности ΔP; 6) ежечасно через приемо-передатчик 10 МК 2 размещает в очередных ячейках ПЗУ 10 дату, час, значение потерь электроэнергии ΔW за этот час.
окр
ЭО
Во втором варианте применения пятого варианта счетчика (при отсутствии доступа к ТЭ ЭО) датчиком 5 измеряется температура окружающей среды t, а температура ТЭ ЭО t рассчитывается в МК 2 по формуле (7) описанным выше алгоритмом. В остальном порядок вычислений в МК 2 тот же, что и в первом варианте применения счетчика.
0
ЭО
Во всех вариантах реализации счетчика, в частности, в пятом варианте (фиг.5), компьютер 11 и второй приемо-передатчик 9 используются с целью управления счетчиком: 1) введения в МК 2 необходимой информации о ТЭ ЭО - R, α, τ; 1) считывания накопленных данных из ПЗУ 10 для их распечатки или наблюдения на мониторе компьютера.
Преимуществами предлагаемой группы изобретений по сравнению с известными аналогами являются меньшая погрешность и более широкие функциональные возможности. Схемы вариантов счетчика ориентированы на применение современной микроэлектронной основы - опытный образец счетчика изготовлен на базе AVR-микроконтроллера Atmega8.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания заявки
1. Авторское свидетельство СССР 2041496, МПК G06F 17/18, 1991.
2. Патент РФ 2380715, МПК G01R 19/02, G01R 11/00, 2008 (прототип).
3. Осипов Д.С. Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: Автореф. дис. … канд. техн. наук. - Омск, 2005.
4. Брагин С.М. Электрический и тепловой расчет кабеля. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 328 с.
5. Коган Б.Я. Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования. - М.: Физматгиз, 1963. - 512 с.
6. Анисимов Б.В., Голубкин В.Н. Аналоговые вычислительные машины: Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 1971. - 448 с.