УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ОДНОФАЗНЫХ СЧЕТЧИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к радиоизмерительной технике, а именно к области измерения параметров низкочастотных электрических колебаний и может быть использована в автоматизированных устройствах для одновременного контроля однофазных счетчиков электрической энергии.
Современные счетчики электрической энергии однофазные и трехфазные, как правило, являются многофункциональными измерительными устройствами, измеряющими активную, реактивную и полную мощность, энергию в измерительных цепях, токи и напряжения, фазовые углы между напряжениями и токами, коэффициент мощности, частоту сети и ряд других параметров.
Количество метрологических характеристик счетчиков, которые должны подлежать 100% контролю при их выпуске и периодических поверках, может достигать трех десятков. Задача, как правило, решается применением промышленно выпускаемых специализированных устройств для контроля (поверки), которые позволяют автоматизировать процесс, одновременно контролируя сразу несколько (от 4 до 20) однотипных счетчиков. Такие устройства содержат следующие основные функциональные узлы: источник фиктивной мощности (источник измерительных сигналов напряжения и тока синусоидальной формы и промышленной частоты, воздействием которых на счетчики осуществляется их проверка), эталонный счетчик электрической энергии, устройство управления и обработки данных.
Так известно устройство для проверки счетчиков электроэнергии швейцарской корпорации МТБ (Meter Test Equipment), содержащее источник фиктивной мощности в виде усилителя сигналов напряжения и усилителя сигналов тока, эталонный счетчик и устройство управления и обработки данных. Данное устройство может обслуживать только счетчики с трансформаторным токовым входом.
В настоящее время стали широко распространяться шунтовые счетчики, как более технологичные в изготовлении и дешевые. У них вместо трансформатора на токовом входе имеется прецизионный измерительный резистор (шунт), падение напряжения на котором пропорционально измеряемому току. Устройство (см. Приложение) для проверки счетчиков электроэнергии швейцарской корпорации МТЕ, принятое за прототип предлагаемой полезной модели, можно использовать при проверке как счетчиков с трансформаторным токовым входом, так и шунтовых. Оно, как и устройство-аналог, содержит источник фиктивной мощности, состоящий из источника сигнала тока 1 и источника сигнала напряжения 2, эталонный счетчик 3 и устройство управления и обработки данных 4. Устройство управления выполнено на базе микропроцессора и связано с источником фиктивной мощности и эталонным счетчиком информационными шинами - шиной данных, шиной адреса и шиной управления.
Разница лишь в наличии дополнительного изолирующего трансформатора, который стоит между выходом источника сигнала напряжения и
входами напряжения контролируемых счетчиков. Трансформатор имеет N идентичных вторичных обмоток (по максимальному числу одновременно проверяемых счетчиков) и обеспечивает необходимую гальваническую развязку между шунтовыми счетчиками.
Контроль выходного напряжения в прототипе осуществляется по одной из вторичных обмоток - на схеме первой по порядку. Именно к ней подсоединен вход сигнала напряжения эталонного счетчика. Предполагается, что все вторичные обмотки намотаны с одним и тем же числом витков и поэтому напряжения на всех одинаковы и равны напряжению на первой обмотке. Так как современные электронные счетчики электроэнергии - это довольно точные измерительные устройства (класс точности их доходит до 0,2), то устройство для их проверки должно быть, как минимум втрое более точным. То есть речь идет об измерении напряжения и тока с суммарной погрешностью не более 0,05%. Степень неравенства напряжений на вторичных обмотках изолирующего трансформатора, как одна из составляющих погрешности измерения сигналов напряжения, должна быть еще меньше.
Равенство напряжений на всех вторичных обмотках возможно при одновременном выполнении следующих условий: равенства числа витков обмоток (выполнить достаточно просто), равенства потоков намагничивания и потоков рассеивания обмоток (выполнить тем сложнее, чем больше число обмоток), равенство нагрузок каждой из обмоток, которыми являются
входные импедансы счетчиков по цепям напряжения (это требование практически невыполнимо).
Уменьшить влияние разброса входных сопротивлений счетчиков на значения выходных напряжений изолирующего трансформатора можно только уменьшением выходных сопротивлений обмоток трансформатора. Нужно многократно повышать типовую мощность трансформатора относительно расчетно необходимой для заданной мощности сигналов и наматывать его обмотки медным проводом или шинами с возможно большей площадью поперечного сечения. Этот путь и используется в прототипе. Как видим, это довольно объемный агрегат оригинальной конструкции, вынесенный из-за своих больших размеров отдельно от корпуса установки. По внешнему виду и тому, что он стянут четырьмя рым-болтами с кольцами для крючков подъемного устройства (например, лебедки), масса его никак не менее 50 кг. Трансформатор трудоемок и дорог в изготовлении, поскольку содержит большое количество меди (цветной металл) в виде толстых обмоточных проводов и шин, и как метрологическое устройство перед сдачей в эксплуатацию требует специальной проверки на соответствие точностным характеристикам. Равенство выходных напряжений в этом трансформаторе обеспечивается с точностью 0,1%.
Поэтому устройство - прототип может быть использовано как установка для проверки счетчиков классов точности 2 и 1, возможно с некоторыми допущениями и для проверки счетчиков класса точности 0,5, однако для
проверки счетчиков класса точности 0,2 оно явно непригодно. Дополнительная погрешность в 0,1%, которую дает изолирующий трансформатор, слишком велика, когда полная погрешность установки при измерении электрической энергии (мощности) не должна в этом случае превышать 0,2%/3=0,07%.
Технической задачей полезной модели является устранение необходимости использования тяжелого, громоздкого, сложного в изготовлении и дорогого изолирующего трансформатора, который ограничивает его класс точности и возможность повышения класса точности устройства с тем, чтобы его можно было использовать как устройство для проверки и контроля однофазных счетчиков электрической энергии, в том числе и шунтовых, класса точности до 0,2 включительно.
Сущность решения технической задачи, которая позволяет отказаться от необходимости использования общего многообмоточного изолирующего трансформатора с сохранением возможности проверки шунтовых счетчиков и одновременно повышающая класс точности устройства, заключается в следующем.
В устройстве для проверки однофазных счетчиков электрической энергии, содержащее эталонный счетчик, импульсные входы которого являются входами для подключения телеметрических выходов N одновременно проверяемых счетчиков, источник измерительных сигналов тока, выход которого и соединенный последовательно с ним измерительный вход сигналов
тока эталонного счетчика образуют выход сигналов тока устройства, источник измерительных сигналов напряжения, выход которого и соединенный параллельно с ним измерительный вход сигналов напряжения эталонного счетчика образуют выход сигналов напряжения устройства, и устройство управления и обработки данных, соединенное с помощью двунаправленных информационных шин данных, адреса и управления с эталонным счетчиком, источником измерительных сигналов тока и источником измерительных сигналов напряжения, источник измерительных сигналов напряжения имеет (N-1) дополнительных выходов, а эталонный счетчик имеет (N-1) дополнительных измерительных входов сигналов напряжения, которые соединены попарно-параллельно и образуют (N-1) дополнительных выходов сигнала напряжения устройства.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на рисунке и содержит: эталонный счетчик 1, источник сигнала тока 2, источник сигналов напряжения 3, устройство управления и обработки данных 4. При этом к N импульсным входам эталонного счетчика 1 подключаются телеметрические выходы N одновременно проверяемых счетчиков электрической энергии (на рисунке не показаны). Выход источника измерительных сигналов тока 2 и соединенный последовательно с ним измерительный вход сигналов тока эталонного счетчика 1 образуют выход сигналов тока устройства, к которым подключаются токовые входы проверяемых счетчиков. N выходов сигналов напряжения источника напряжения 3 и соединенные параллельно с
ними N измерительных входов сигналов напряжения эталонного счетчика 1 образуют N выходов сигналов напряжения устройства, подключаемые к входам напряжения проверяемых счетчиков. Устройство управления и обработки данных 4 соединено с помощью трех двунаправленных информационных шин данных, адреса и управления с эталонным счетчиком 1, источником измерительных сигналов тока 2 и источником измерительных сигналов напряжения 3.
Работает устройство следующим образом.
Эталонный счетчик 1 имеет один измерительный канал для измерения сигнала тока и N параллельных измерительных каналов для измерения сигналов напряжения. Измерительный вход канала тока включается последовательно в измерительную токовую цепь, образованную выходом источника сигнала тока 2 и нагрузкой - последовательно соединенными токовыми цепями N одновременно поверяемых счетчиков 5. Измерение силы тока производится путем преобразования достаточно большого числа выборок (мгновенных значений) сигнала в течении одного периода в последовательность цифровых кодов с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Из значений этих выборок в устройстве управления и обработки данных 4 рассчитывается среднеквадратическое значение тока:
k
, где I- выборки сигнала тока;
К - число выборок сигнала тока за один период.
Каналы измерения напряжения независимы и имеют элементы гальванической развязки, что позволяет с их помощью измерять напряжение на цепях напряжения каждого из N шунтовых счетчиков, когда токовые цепи счетчиков объединены между собой последовательным соединением. Измерительные входы этих каналов подсоединены к одноименным выходам источника сигналов напряжения 3. К ним же при работе устройства подсоединяются цепи напряжения N проверяемых счетчиков 5.
Измерение среднеквадратического значения напряжений также производится путем их дискретизации, преобразования с помощью АЦП и вычисления по формуле:
,
k
где: U - выборки сигнала напряжения;
N - число выборок сигнала напряжения за один период.
Значения выборок сигналов напряжения и тока позволяют рассчитать активную мощность Pn, как средней мощности за период:
, n=1...N,
где: Pn - активная мощность в цепях n-го счетчика; Ukn и Ik - выборки напряжения и тока, относящиеся к одному и тому же моменту времени; К - число выборок сигналов за период.
По формуле:
рассчитываются углы сдвига фазы между напряжениями и током.
Эталонный счетчик 1 имеет N входов, на которые поступают импульсные сигналы с телеметрических выходов проверяемых счетчиков 5. Частота этих импульсов пропорциональна мощности, измеряемой счетчиком, а их число за заданный период времени соответствует энергии, измеренной счетчиками. Эталонный счетчик фиксирует эти значения и совместно с устройством управления и обработки данных 4 сравнивает с результатом собственных измерений и рассчитывает погрешности измерения энергии проверяемых счетчиков. Эта погрешность является основной технической характеристикой счетчика. Установка обеспечивает возможность ее проверки при различных значениях тока, напряжения и угла сдвига фазы.
Устройство управления и обработки данных 4 выполняется, обычно, на базе микропроцессора. С его помощью осуществляется управление источником фиктивной мощности - задаются значения тока и напряжения в измерительных цепях, значения фазовых углов, формируются массивы цифровых данных для цифроаналоговых преобразователей, задается частота сигналов, а также управление эталонным счетчиком - выбор соответствующих диапазонов токов и напряжений, расчет погрешностей проверяемых счетчиков. Кроме того, устройство при необходимости должно обеспечивать связь с персональной ЭВМ по стандартным интерфейсам. Устройство управления и обработки данных 4 может иметь либо собственный пульт управления, с которого
осуществляется управление устройством, и дисплей, на который будут выводиться данные измерений, либо порт для подсоединения персонального компьютера. Во втором случае режим установки будет задаваться программой с клавиатуры компьютера, а данные измерений будут выводиться на его монитор.
При работе установки с помощью устройства управления и обработки данных 4 вручную или по заданной программе задаются требуемые среднеквадратические значения тока и напряжения. При этом микропроцессор устройства управления начинает выдавать по шине данных на цифро-аналоговые преобразователи источников сигналов тока и напряжения периодически повторяющиеся коды, соответствующие мгновенным значениям требуемым среднеквадратическим значениям задаваемых токов. Частота повторения кодов равна частоте формируемых сигналов напряжения и тока (например, номинальному значению сетевой частоты 50 Гц). Эталонный счетчик 1 измеряет эти сигналы и они обрабатываются по приведенным выше алгоритмам. Если значения сигналов не соответствуют заданным, то в коды вводятся поправки того или иного знака и процесс повторяется. Такая следящая обратная связь позволяет в результате нескольких итераций выставить точно заданное значение тока и напряжений (с точностью не более высокой, чем точность эталонного счетчика).
Класс точности предлагаемого устройства будет определяться точностью входящего в его состав эталонного счетчика, то есть разрядностью и
точностью применяемых микросхем АЦП, а также точностью и температурной стабильностью первичных преобразователей сигналов - прецизионных делителей для сигналов напряжения и прецизионных измерительных шунтов для сигналов тока.
16
-6
Микросхемы низкоскоростных АЦП общего применения, разрядность которых достигает 16 и которые, соответственно, могут обеспечивать разрешающую способность квантования до 1/2=0,0015% от величины максимального сигнала. К ним, в частности, относятся микросхемы с последовательным интерфейсом ADS8320 и ADS8325 фирмы Texas Instruments, AD676 и AD677 фирмы Analog Devices и ряд других. Интегральная нелинейность этих микросхем не превышает нескольких единиц младшего разряда. Они имеют низкое значение температурного коэффициента передачи аналогового тракта - до ±0,2·10°С и низкое значение уровня внутренних шумов. Динамические же погрешности АЦП, связанные с изменениями уровня преобразуемого сигнала во время преобразования, в данном случае будут пренебрежимо малы в силу того, что преобразуемые сигналы очень медленные (50 Гц). Низкая частота преобразуемых сигналов чрезвычайно упрощает их фильтрацию от высокочастотных помех с целью повышения точности измерения.
Что касается измерительных шунтов, то, например, шунты, выпускаемые фирмой Powertron, специализирующейся на выпуске измерительных резисторов, имеют точность до 0,005% и температурный коэффициент
-6
сопротивления до ±1·10°С.
Учитывая эти данные и то обстоятельство, что установка, относясь по функциональному назначению к технологическому оборудованию, будет эксплуатироваться в цеховых условиях при малом разбросе рабочих температур, можно вполне обоснованно допустить, что предлагаемое схемное решение позволит создать установку класса точности не хуже 0,05.
В устройстве-прототипе присутствует общий изолирующий многообмоточный трансформатор, вносящий дополнительную погрешность 0,1%. С учетом этого класс точности устройства-прототипа, выполненного на той же электронной элементной базе, что и предлагаемое устройство, должен быть 0,15. Выигрыш по точности более, чем в три раза. И если с помощью устройства-прототипа можно проверять счетчики электроэнергии класса точности 0,5; 1 и 2, то с помощью предлагаемой полезной модели еще и счетчики класса 0,2 (следует отметить, что более точных счетчиков не существует). С другой стороны предлагаемое устройство для проверки счетчиков электрической энергии более компактно, технологически проще в изготовлении и значительно дешевле.