Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устройство и поверка современных счетчиков электрической энергии. Учебное пособие
.pdf
Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)
Ю.А. Барышев, М.Л. Палагин
Устройство и поверка современных
счетчиков электрической энергии
Учебное пособие
Москва
2024
1
УДК 621.317.7.089.6
Барышев Ю.А., Палагин М.Л. Устройство и поверка современных
счетчиков электрической энергии. Учебное пособие. – М.: АСМС, 2024 – 78 с.
Предлагаемое пособие разработано в соответствии с учебно-тематическим
планом по дополнительной профессиональной программе «Поверка
и калибровка средств измерений электрических и магнитных величин».
Пособие предназначено для слушателей АСМС, повышающих квалификацию
по этой программе и может быть полезно, специалистам, работающим в этой
области.
Учебное пособие создано в соответствии с планом кафедры
«Электрические измерения» и утверждено протокол № 3 от 15.10. 2024 года.
Авторы:
Барышев Юрий Алексеевич – кандидат технических наук, доцент
кафедры «Электрические измерения» АСМС
Палагин Михаил Леонидович – кандидат технических наук, доцент
кафедры «Электрические измерения» АСМС
ISBN 978-5-93088-237-7 © АСМС, 2024
2
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в эксплуатации находиться 39 типов счетчиков
электрической энергии в основном двух видов: электронные счетчики
и электронные цифровые (не имеют официального названия). В ближайшее
время предполагается замена всех видов счетчиков на многофункциональные
с дистанционной передачей показаний. Широко применяемые ранее
индукционные счетчики, из оборота выведены и к поверке запрещены.
Систематического описания устройства современных электронных
счетчиков и характеристик их погрешностей в общедоступной литературе нет.
Вопросы поверки электронных статических счетчиков регламентированы
действующими стандартами определение погрешностей в условиях
эксплуатации. По цифровым электронным счетчикам нет ни литературы, ни
нормативных документов по поверке. Предлагаемое читателю учебное пособие
призвано дать знакомить слушателей АСМС с устройством и метрологическими
свойствами электронных счетчиков, а также систематизировать знания по всей
совокупности применяемых на практике счетчиков электрической энергии.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Задача счетчиков электрической энергии производить учет активной или
реактивной энергии, потребляемой нагрузки, как в однофазных, так
и в трехфазных сетях. Современные электронные цифровые счетчики могут
выполнять и другие измерения, например показателей качества электрической
энергии. В данном пособии рассматривается только основная функция
счетчиков – учет активной электрической энергии.
Электронные статические счетчики в соответствии классификацией [1, 2] –
это счетчики, в которых ток и напряжение воздействуют на электронную схему
для создания на выходе электрических импульсов, число которых
пропорционально измеряемой мощности. В соответствии с общепринятой
в электротехнике терминологией их следует назвать аналоговым
преобразователем мощности.
Электронные цифровые счетчики сегодня не имеют официальной
классификации и стандартизованной терминологии. Под электронными
цифровыми счетчиками будем понимают такие, в которых с помощью аналогоцифровых преобразователей (АЦП) одновременно измеряются мгновенные
значения тока и напряжения, которым значениям рассчитываются действующие
значения напряжения, тока, мощность, потребленная или выданная энергия
3
и другие параметры. Характерным для указанных счетчиков является наличие
в составе микропроцессора и программного компонента, обеспечивающих
вычисление энергии и других величин по результатам измерений мгновенных
значений тока и напряжения. Метрологические особенности таких счетчиков
и их погрешности существенно зависят от алгоритма расчета и особенностей
программного компонента. В соответствии с обязательным Приложением
к ГОСТ 22261–94 «Средства измерений электрических и магнитных величин.
Общие технические условия.» [3] такие измерительные устройства следует
отнести не к средствам измерения, а к измерительным вычислительным
комплексам (ИВК).
Отнесение электронных цифровых счетчиков к ИВК правильно еще
и потому, что в электроэнергетике появились комбинированные устройства,
совмещающие многие функции противоаварийной и технологической
автоматики и измерений. Инструментальная часть этих устройств по
принципам действия и общей структуре не отличается от используемых
в электрических счетчиках. Однако имеется развитое программное
обеспечение, включающее компоненту учета энергии. Все, изложенное по
цифровым электронным счетчикам полностью может быть отнесено
к названной программной компоненте. Как правило, в таких устройствах
выполняется спектральный анализ токов и напряжений для диагностики
аварийных событий, поэтому учет энергии ведется с использованием
преобразования Фурье.
Если отнести электронные цифровые счетчики к ИВК, методика их
поверки может быть существенно упрощена.
Однофазный электронный статический счетчик реактивной энергии
отличается от соответствующего счетчика активной энергии тем, что его
обмотка (цепь) напряжения подключается к нагрузке через схему 90-градусного
сдвига. В цифровых электронных счетчиках эта схема не применяется, в них
выполняется вычисление реактивной энергии по одному из трех рассмотренных
далее основных алгоритмов. Как правило, в руководствах по эксплуатации
таких счетчиков редко можно найти описание этого алгоритма, что часто
приводит к недоразумениям. Счетчики, использующие разные алгоритмы,
в некоторых условиях могут давать существенно разные показания при работе
на одну и ту же нагрузку [4].
Трехфазные счетчики активной энергии отличаются от однофазных только
тем, что в них имеется два или три элемента учета энергии, включаемые на
разные фазы, а результат учета суммируется по каждой фазе.
4
В трехфазных цифровых электронных счетчиках выполняется вычисление
реактивной энергии по одному из трех основных алгоритмов, независимо
от схемы включения цепей напряжения. Один из этих алгоритмов представляет
собой математический аналог схемы 90-градусного сдвига. Как правило,
в руководствах по эксплуатации таких счетчиков редко можно найти описание
алгоритма расчета (в некоторых условиях счетчики, использующие разные алгоритмы, могут давать разные показания при работе на одну и ту же нагрузку) [4].
В данном учебном пособии мы будем рассматривать преимущественно
счетчики активной энергии. Современные электронные счетчики реактивной
энергии требуют отдельного рассмотрения.
2. ЭЛЕКТРОННЫЕ СТАТИЧЕСКИЕ СЧЕТЧИКИ
2.1. Принцип действия электронных статических счетчиков
Описания принципов действия современных электронных статических
счетчиков по определению из [1, 2] в общедоступной литературе практически
не встречаются. В настоящее время такие счетчики являются достаточно
большой частью применяемых средств измерения. Однако в ближайшие
несколько лет планируется их полная замена. При написании этого раздела
в качестве основных источников сведений о принципах действия и свойствах
электронных статических счетчиков использовались технические описания и
инструкции по эксплуатации для разных типов таких счетчиков, например [13].
В настоящее время выпускаются однофазные и трехфазные электронные
статические счетчики, как активной, так и реактивной энергий.
На рис. 1 показаны две разновидности структурной схемы электронного
статического счетчика, которые различаются схемой входной цепи тока:
с трансформатором тока (а) и с шунтом (б). Напряжение нагрузки поступает
в схему счетчика через делитель напряжения (зажимы 2 и 4-5, рис. 1а или 1
и 4-5, рис. 1б).
Отмеченные отличия схем статических счетчиков друг от друга
приводят к существенным различие метрологических свойств этих счетчиков,
не отраженных ни в метрологических характеристиках, ни в описаниях
статических счетчиков.
По определению [1,2] электронная схема служит для создания последовательности импульсов, частота и количество которых пропорциональны
соответственно мощности и энергии нагрузки, и обеспечивает работу
отсчетного устройства. Структура электронной схемы статического счетчика
приведена на рис. 2.
5
Рис. 1. Упрощенная структурная схема однофазного статического счетчика:
(а) – с трансформатором на входе тока; (б) – с шунтом на входе тока
Рис. 2. Структура электронной схемы статического счетчика
Напряжение UН и ток IН нагрузки поступают на входы преобразователя
мощности (UZ1) в пропорциональное постоянное напряжение U=(PH). Это
напряжение поступает на вход преобразователя постоянного напряжения
в частоту (UZ2), на выходе которого получается импульсная
последовательность, частота следования импульсов в которой пропорциональна
постоянному входному напряжению и, следовательно, мощности нагрузки.
Импульсы с выхода UZ2 поступают на вход счетчика импульсов CN. Число N,
записанное в счетчике, пропорционально энергии, протекшей через счетчик за
время его работы. Это число выводится на отсчетное устройство D1 или D2
6
в зависимости от конструкции счетчика. D1 – отсчетное устройство
1
I
.
Н
T
1
IkI
(1)
Н
I
барабанного типа, выполняющее функции счета импульсов совместно со
счетчиком CN, работающим в режиме делителя частоты f(U=). D2 – отсчетное
устройство жидкокристаллического или ему подобного типа. У всех
электронных статических счетчиков имеется выход импульсов преобразователя
UZ2 (зажимы 7, 8 на схеме рис. 1) или с промежуточного выхода счетчика CN,
работающего в режиме делителя частоты. Частота этих импульсов
пропорциональна мощности нагрузки, они используются при поверке счетчика
и, редко, для передачи информации для учета энергии на диспетчерском пункте.
Как правило, используется одна из двух схем преобразователей
мощности UZ1 в пропорциональное постоянное напряжение и одна из двух
схем преобразователей UZ2, вырабатывающих последовательности импульсов,
частота следования которых пропорциональна постоянному напряжению.
Метрологические и потребительские свойства счетчиков существенно зависят
от того, какие схемы и в каких сочетаниях используются в счетчике конкретного
типа.
На рис. 3 приведена «мостовая» схема преобразования мощности, которая
может быть использована только при трансформаторном входе токовой цепи.
Рис. 3. Мостовая схема преобразования мощности
Вектор тока
трансформатора тока пропорционален (kT – коэффициенту
трансформации трансформатора) току нагрузкинI:
7
Ток протекает по резисторам R3, R4, сопротивления которых сравнительно
(2)
Н
U
.
Н
21
1
2
UU
RR
R
(3)
,
2
42
66
2
32
55
UUgIUUgI
(4)
.
6
2
42
65
2
32
565
RUUgRUUgUUU
W
(5)
,cos
32
1 HWHHHWW
PKIUKUUKU
(6)
.
413143
RIRIUU
малы и равны друг напряжения другу. Падения на этих резисторах
соответственно равны:
Вектор напряжения нагрузки
считать, что R3 << R2 ≈ 0, тогда вектор напряжения на R2 пропорционален
вектору напряжения нагрузки.
К цепи, состоящей из нелинейного резистора RU1 и резистора R5,
приложена разность векторов
резистора RU2 и резистора R6 приложена сумма векторов
этих цепей выбраны так, чтобы протекающие по ним токи I5, I6 были
пропорциональны квадратам приложенных напряжений:
поступает на делитель R1, R2, R3, будем
−
. К симметричной цепи из нелинейного
+
. Параметры
где g5 = g6 – характеристические проводимости нелинейных цепей.
Напряжение , поступающее на вход выпрямителя VS, равно:
После преобразований с учетом формул (12–14) и условий, что g5 = g6, R5 =
R6, получим, что пропорционально скалярному произведению векторов
напряжений U2 и U3, иначе – активной мощности нагрузки:
где K1, KW – постоянные коэффициенты.
8
Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя равно
H
WW
W
P
k
K
k
U
U .
ФФ
(7)
где kФ – коэффициент формы, для синусоиды kФ = 1,11, и пропорционально
активной мощности нагрузки.
Из проведенного рассмотрения следует, что счетчики, в которых применена
мостовая схема преобразования:
из-за обязательного трансформатора тока во входных цепях не
реагируют на наличие постоянной составляющей тока нагрузки;
входная цепь напряжения – это активный делитель, поэтому постоянная
составляющая входного напряжения присутствует в напряжении U2 и при
идентичных нелинейных цепях она одинаково влияет на токи I5, I6
и соответственно, на напряжения U5, U6. В соответствии с (4) и (5) эти влияния
взаимно уничтожаются. Поэтому наличие постоянной составляющей
напряжения нагрузки не влияет на показания счетчика;
векторы первой и высшей гармоник участвуют в формировании UW
аддитивно, поэтому среднее значение UW пропорционально сумме мощностей
всех конформных гармоник напряжения и тока.
Имеется несколько разновидностей схемы рис. 3 и схем подобных по
принципу действия, существенных различий по метрологическим свойствам
эти схемы не имеют.
В производстве счетчиков со схемами, подобными рис. 3, необходим
подбор нелинейных элементов по условию одинаковости вольт-амперных
характеристик, что сильно снижает технологичность и ремонтопригодность
таких схем.
В последнее время вместо мостовой схемы рис. 3 стали применять
модуляторную схему преобразователя мощности, приведенную на рис. 4. Схема
может быть использована как при трансформаторном, так и шунтовом входе
токовой цепи. Вход цепи напряжения выполняется с помощью резистивного
делителя.
Ток нагрузки (мгновенные значения) iL(t) поступает на вход
широтно-импульсного модулятора (ШИМ) после масштабного преобразования
с помощью шунта или трансформатора тока. После поступления на ШИМ
очередного стробирующего импульса, на выходе ШИМ вырабатывается
импульс, длительность τ(tj) которого пропорциональна мгновенному значению
силы тока в момент прихода стробирующего импульса:
9
.cos
cos
22
1
11
1
2coscos
2
1
sin)sin(
1
)(
1
00
LULLU
LMLM
ULMLMU
LMLMUP
PkkIUkk
IU
kkIUkk
IUkkdtU
dtt
T
tdtt
T
tu
T
T
o
TT
(10)
τ(tj) = kI∙ILM∙sin(ω∙tj), (8)
где kI – коэффициент пропорциональности; ILM – амплитуда тока нагрузки;
ω – угловая частота сети (при частоте 50 Гц ω = 314 рад/сек); t – текущее время;
j – номер строб импульса.
Рис. 4. Схема модуляторного преобразователя мощности
Выходные импульсы ШИМ поступают на вход амплитудного модулятора
(АИМ), как стробирующие. В АИМ эти импульсы модулируются по амплитуде
пропорционально мгновенному значению uL(t) напряжения нагрузки в момент
прихода импульса от ШИМ. На выходе АИМ получается импульс длительности
τ и амплитудой uM:
uM(tj) = kU∙ULM∙sin(ωt
Площадь выходного импульса АИМ пропорциональна мгновенной
мощности в момент tj. Импульсы поступают на интегратор, выходное
напряжение которого пропорционально средней мощности за период:
+φ) (9)
j
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]