Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устройство и поверка современных счетчиков электрической энергии. Учебное пособие
.pdf
Из проведенного рассмотрения следует, что счетчики, в которых применена
схема рис. 4:
– при наличии трансформатора тока во входных цепях не реагирует на
наличие постоянных составляющих тока и напряжения нагрузки;
– при шунтовом входе тока, длительность импульса на выходе ШИМ
равна:
τ(tj) = kI∙ILM∙sin(ω∙tj) + kI∙I
, (11)
LDC
где I
– постоянная составляющая тока нагрузки, амплитуда импульса на
LDC
выходе АИМ равна:
uM(tj) = kU∙ULM∙sin(ωtj + φ) + kI∙U
, (12)
LDC
где U
– постоянная составляющая напряжения нагрузки, следовательно,
LDC
в этом случае мощность постоянной составляющей учитывается при расчете
потребленной энергии.
– из (8, 9) следует, что амплитуда и длительность импульса, поступающего
на вход интегратора, в момент времени прихода очередного стробирующего
импульса пропорциональны сумме мгновенных значений всех гармоник,
соответственно, тока и напряжения, поэтому выходное напряжение интегратора
пропорционально сумме активных мощностей всех
гармоник, учитываемых по теореме Котельникова, при выбранной частоте
стробирующего импульса и удовлетворяющих условию конфортности.
Для преобразования постоянного напряжения, пропорционального
мощности нагрузки, в пропорциональное значение частоты следования
импульсов (преобразователь UZ2 на рис. 2) применяются две основные схемы –
интеграторная и генераторная. Более надежной и технологичной является
интеграторная схема, которая применяется в составе большинства современных
статических счетчиков.
Интеграторная схема преобразования напряжения в частоту следования
импульсов приведена на рис. 5, а ее временная диаграмма работы – на рис. 6.
В установившемся режиме работы при постоянном среднем значении
входного напряжения UX конденсатор C в цепи отрицательной обратной связи
интегрирующего усилителя ИУ получает заряд. При этом напряжение UX,
поданное на вход интегрирующего усилителя, постоянно, отсюда выходное
напряжение усилителя в течение интервала времени от 0 до t1 изменится от
некоторого U
до порога UП срабатывания компаратора на
НАЧ
11
.
1
1
0
1
1
t
X
dtU
CR
U
(13)
.0
11
НАЧ
21
1
2
1
2
1
Udt
CR
dt
CR
U
t
t
K
t
t
X
UU
(14)
Рис. 5. Интеграторная схема преобразования напряжения в частоту
Рис. 6. Временная диаграмма работы интеграторной схемы преобразования
В момент t1 срабатывает компаратор и на второй вход интегрирующего
усилителя через резистор R2 поступает компенсирующий импульс минус UK
длительностью TИ = t2 − t1. Параметры компенсирующего импульса выбираются
так, чтобы напряжение на выходе усилителя за время TИ в установившемся
режиме изменилось от UП до начального. Отсюда:
12
Обычно U
.
11
2
1
2
1
21
dt
CR
dt
CR
t
t
K
t
t
X
UU
(15)
X
T
.
2
1
XX
ИK
X
U
K
UR
TUR
T
(16)
.
K
U
f
X
X
(17)
принимается равным нулю.
НАЧ
Из (14) после преобразований получим:
Интервал
достаточно мал, чтобы считать UX постоянным в течение
этого интервала, UK и TИ – постоянные величины, отсюда после преобразований
получим:
Из (16) следует, что частота следования импульсов на выходе
преобразователя пропорциональна входному напряжению:
Из (16) видно, что при UX = 0 сигнал на входе этой схемы появиться
не может. Отсюда следует, что счетчик с такой преобразовательной схемой по
принципу действия НЕ ИМЕЕТ САМОХОДА.
Один из возможных вариантов генераторной схемы преобразователя UZ2
постоянного напряжения в частоту представлен на рис. 7.
Рис. 7. Генераторный преобразователь напряжения в частоту
Генератор G1 вырабатывает синусоидальное напряжение
стабилизированной частоты:
fG1 = f
. (18)
0
13
Генератор G2 вырабатывает частотно-модулированный сигнал, мгновенная
)();(;
00000
UfffUffff
NN
(20)
)();(2;
00
UfUfff
(21)
частота которого равна сумме несущей частоты f
которой равно f0, и модулирующей частоты, пропорциональной среднему
значению входного напряжения U=:
f
= f
G2
Выходные напряжения генераторов суммируются с помощью сумматора Σ.
Спектр выходного напряжения сумматора состоит из трех частот:
иначе
Частота Δf(U=) существенно меньше каждой из остальных двух частот
+ Δf(U=). (19)
0N
номинальное значение
0N,
спектра. Выходной сигнал сумматора поступает на фильтр низших частот,
который выделяет частоту Δf(U=). На выходе фильтра получается
синусоидальное напряжение, частота которого равна Δf(U=) и пропорциональна
входному постоянному напряжению. Это напряжение поступает на вход
усилителя – ограничителя Lim, на его выходе получается импульсная
последовательность типа «меандр». Частота следования импульсов на входе Lim
пропорциональна напряжению U=.
Существенно то, что начальная регулировка генератора G2 должна быть
выполнена так, чтобы f0 = f0N, что практически невозможно. Это возможно
только в режиме настройки или при отсутствии сигнала на входе G1, так как
частота G2 должна изменяться при изменении входного напряжения. Изменение
частоты G2 осуществляется за счет изменения емкости варикапа в его
задающей резонансной цепи при изменении поданного на него напряжения.
Начальное значение емкости варикапа (емкость при входном напряжении
равном нулю) однозначно влияет на значение частоты f0N, после наладки оно
должно быть неизменным в течение всего срока службы счетчика, что
невозможно. Значение частоты f0 генератора G1 не должно изменяться
в течение всего срока службы счетчика, она может быть стабилизирована
с помощью кварца, ее нестабильность пренебрежимо мала по сравнению
с возможной нестабильностью f0N. Любая, самая малая разность частот f0 и f0N
по истечении достаточного интервала времени приводит к появлению сигнала
на выходе преобразователя и, следовательно, к самоходу счетчика.
14
Счетчики импульсов и отсчетные устройства не оказывают влияния на
Рис. 8. Конструкция электронного
статического счетчика ЦЭ6807
с механическим отсчетным устройством:
1 – трансформатор тока;
2 – шаговый двигатель;
3 – барабанный счетный механизм;
4 – плата с электронной схемой;
5 –сигнальные светодиоды;
6 – коробка зажимов
погрешность, они или исправны, или нет. Электронные счетчики импульсов
и отсчетные устройства, выполненные с использованием
жидкокристаллических элементов ЖКИ, характеризуются высокой
надежностью. Следует иметь в виду, что ЖКИ плохо работают в условиях
повышенных (выше +40ОС) и, особенно, пониженных температур (ниже минус
30ОС). При температурах ниже минус 40ОС они могут безвозвратно выходить из
строя.
Барабанные отсчетные устройства статических счетчиков приводятся
в действие от встроенного простейшего малогабаритного импульсного
(шагового) двигателя. Некоторые элементы этих двигателей легко коррозируют
и впоследствии ломаются под воздействием высокой влажности и переменных
высоких температур. Это приводит к тому, что счетный механизм перестает
действовать, а отсчетное устройство перестает изменять показания при
полностью исправной электронной схеме счетчика. Такое повреждение можно
обнаружить только при визуальном осмотре счетчика под нагрузкой.
Из сказанного следует, что инструментальная составляющая погрешности
электронных статических счетчиков определяется свойствами преобразователей
UZ1, UZ2.
2.2. Конструкция электронных статических счетчиков
На рис. 8 представлена конструкция электронного статического счетчика
ЦЭ6807 с механическим (барабанным) отсчетным устройством. Схема этого
счетчика соответствует структуре рис. 7а. Обратите внимание на трансформатор
тока. Номинальный первичный ток этого трансформатора – 50 А,
а соответствующий вторичный – 15 мА.
15
В коробке зажимов 6 видно место для установки перемычки между
входным токовым зажимом и зажимом начала обмотки напряжения. Там же
виден один из зажимов выходной цепи по интерфейсу «открытый коллектор».
Элементы шагового двигателя 2 на рис. 8 не различимы, поэтому на рис 15
приведено укрупненное фото этого двигателя, на котором различимы обмотка
электромагнита двигателя и ведущее храповое колесо. Фиксирующая и ведущая
пружинки не видны.
На рис. 9 приведен общий вид современного электронного статического
счетчика СЭБ-2А.07.212 с открытой коробкой зажимов. Счетчик имеет
жидко кристаллическое отсчетное устройство 1 и собран по структурной схеме
рис. 7б. Обратите внимание, что в коробке зажимов нет перемычки,
разделяющей цепи тока и напряжения.
Кроме интерфейса «открытый коллектор» предусмотрено подключение по
интерфейсу RS-485.
На рис. 9 изображен счетчик СЭБ со снятой крышкой. Видна монтажная
плата электроники с установленным на ней жидкокристаллическим отсчетным
устройством.
Рис. 9. Общий вид электронного статического счетчика СЭБ-2А.07.212:
1 – поле текущей индикации; 2 – обозначение класса точности; 3 – номинальные
передаточные коэффициенты; 4 – кнопка переключения информации; 5 – линейный
провод от генератора; 6 – линейный провод к нагрузке;7 – зажимы нулевого провода;
8 – зажимы интерфейсов RS-485 и «открытый коллектор»
16
Если снять весь блок электроники (см. рис. 11), со счетчика, будут видны
Рис. 10. Счетчик со снятой крышкой
Рис. 11. Блок электроники, снятый со
счетчика:
1 – сухая батарея; 2 – шунт;
3 – резисторы входного делителя цепи
напряжения
резисторы входного делителя цепи напряжения, шунт цепи тока и сменная
батарея для питания устройства памяти счетчика.
2.3. Схемы включения статических электронных счетчиков
Схема включения однофазного электронного статического счетчика
включения индукционного однофазного счетчика. Случайное или
преднамеренное несоблюдение схемы подключения в отличие от
индукционного счетчика, как правило приводит к неработоспособности
электронного статического счетчика. Перемычка 1-2, если она предусмотрена
схемой счетчика, используется при поверке счетчиков для разделения цепей
тока и напряжения. В трехфазных счетчиках фрагмент повторяется 2 или 3 раза.
В трехфазных электронных статических счетчиках перемычка 1-2 разделяет
цепи токаи напряжения при работе с использованием трансформаторов тока и
напряжения, а также при поверке счетчика.
17
Существенным отличием схемы включения электронного статического
счетчика является наличие цепей передачи измерительной информации,
например по интерфейсу RS-485, если он предусмотрен, или по интерфейсу
«открытый коллектор».
2.4. Основные нормируемые метрологические характеристики
электронных статических счетчиков и свойства их погрешностей
Количество активной энергии, потребленной нагрузкой, выражается
в кВт.часах. Количество реактивной энергии, потребленной нагрузкой,
выражается в кВАр.часах. Цена единицы младшего разряда механического
(барабанного) отсчетного устройства как правило равна 0,1 кВт часа
(кВАр.часа). Цена единицы младшего разряда жидкокристаллического (ЖКИ)
отсчетного устройства как правило равна 0,01 кВт часа (кВАр. часа). Отсчетное
устройство показывает интегральное значение потребленной энергии по
каждому из тарифов и другую информацию. Переключение вариантов
содержания показаний осуществляется с помощью доступной для потребителя
кнопки. Сброс показаний при отключении нагрузки или счетчика от сети не
происходит. Поэтому энергия A
, потребленная нагрузкой за некоторый
ПТОР
интервал времени T, начиная с момента t0, должна рассчитываться.
К основным метрологическим характеристикам электронных статических
счетчиков относят.
Передаточный коэффициент А
– выражается числом импульсов на
с
импульсном выходе счетчика (интерфейс «открытый коллектор») на киловаттчас [имп./(кВт ч)] или на киловар-час [имп./(кВАр·ч)] для счетчиков реактивной
энергии.
Постоянная счетчика C
– величина, обратная А
с
, выражается в ватт-часах
с
или вар-часах на оборот диска [Вт ч/имп.] или [Вар·ч/имп.].
Номинальное значение передаточного коэффициента обязательно
указывается на щитке счетчика, например: «8000 импульсов на кВт час».Иногда
на щитке счетчика указывается два значения передаточного коэффициента.
Меньшее значение относится к выходу для передачи измерительной
информации. Выход с большим значением передаточного числа используется
при поверке счетчика.
Предел основной допускаемой относительной погрешности δ0P
выражается в процентах от A
– энергии, фактически потребленной
ФАКТ
нагрузкой:
18
%.100
ПОТР
ФАКТ
ФАКТ
A
AA
(22)
Значение предела допускаемой погрешности счетчика конкретного типа
зависит от режима работы счетчика, например фактической нагрузки счетчика,
коэффициента мощности нагрузки и т.п.
Класс точности не является метрологической характеристикой. Он
обозначает совокупность счетчиков, для которых стандартами установлены
одинаковые требования к основным метрологическим характеристикам. Класс
точности обозначается на щитке счетчика в виде символа: цифра
–
в номинальном режиме работы в соответствии со стандартом на
соответствующую группу счетчиков, например [6, 7, 8].
Ток запуска выражается в процентах от номинального тока счетчика. Это
такая сила тока, протекающего через счетчик, при которой на выходе
преобразователя UZ2 имеется устойчивая последовательность импульсов
с частотой, пропорциональной мощности нагрузки счетчика. Значение этого
тока указывается в стандартах в зависимости от класса точности счетчика. Для
статических электронных счетчиков ток трогания в зависимости от класса
точности может быть в пределах от 0,1 % до 0,5 % номинального тока. Для
большинства счетчиков, находящихся в эксплуатации – (0,3 % ... 0,5 %) [16].
Если ток нагрузки счетчика меньше тока трогания, энергия перестанет
учитываться. В последнее время это явление приводит к сравнительно большим
ошибкам учета энергии (в пользу потребителя) для случая бытовой нагрузки.
Обусловлено это тем, что многие бытовые приборы (особенно электронные)
имеют режим stand-bye. Электронные статические счетчики, как правило,
% допускаемой основной относительной погрешности счетчика
0P
имеют ток трогания меньше нормированного в стандарте, и в отличие
от индукционных счетчиков, могут частично учитывать потребление энергии
потребителями.
В литературе практически не встречается работ с развернутым анализом
состава погрешности электронных статических счетчиков. Рассмотрим
свойства инструментальной погрешности счетчиков, обусловленной свойствами
схемы и принципа действия счетчика, с учетом влияния на работу счетчика
допустимой по [15] не синусоидальности тока и напряжения.
Напомним, что в соответствии с [15] при несинусоидальных токах
и напряжениях мощность (активную и реактивную) создают только
одноименные гармонические составляющие. Например, если в составе
19
напряжения есть постоянная составляющая, а в составе тока ее нет, или
,
2
bUaUI
(23)
наоборот, мощности постоянной составляющей в передаваемой энергии НЕТ;
если в составе напряжения нет третьей гармоники, а в составе тока она есть или
наоборот, мощности третьей гармоники в передаваемой энергии НЕТ. Следует
иметь ввиду, что допускаемые показатели наличия постоянной составляющей
в [15] не нормированы, следовательно она может быть любой!
Отсюда из схемы рис. 7а следует, что статические счетчики
с трансформаторным входом ток, не реагируют на постоянную составляющую
учитываемого потока энергии. Счетчики с шунтовым входом тока (рис. 7б)
могут учитывать или не учитывать мощность (следовательно, и энергию)
постоянной составляющей в зависимости от особенностей схемы
преобразователя UZ1. Поэтому при наличии постоянной составляющей
в составе тока и напряжения показания статических счетчиков не имеющих
инструментальных погрешностей, могут отличаться. Аналогично могут
отличаться показания двух электронных статических счетчиков, построенных
по разным схемам (рис. 7А или 7б).
При рассмотрении принципа действия мостовой схемы (рис. 9
преобразователя мощности UZ1) предполагалось, что: R3 = R4, R5 = R6,
а вольтамперная характеристика (ВАХ) нелинейных элементов RU1, RU2
одинакова. В этом случае при синусоидальной форме кривых напряжения
и тока погрешности преобразователя рис. 9 и их свойства однозначно
определяются погрешностями трансформатора тока. В реальных приборах
технологически легко добиться равенства сопротивлений (не номиналов,
а действительных значений). Очевидно, что составляющая погрешности,
обусловленная отличием значений резисторов, является линейной функцией
входных тока и напряжения схемы.
Добиться совпадения ВАХ нелинейных элементов практически
невозможно, что ведет к появлению составляющей погрешности, зависящей
от значений тока и напряжения, поступающих на счетчик.
Форма ВАХ, реальных нелинейных элементов которые используются
в счетчиках определяется формулой:
где a, b – постоянные коэффициенты (разные для разных экземпляров
нелинейных элементов); I – ток нелинейного элемента; U – напряжение на
нелинейном элементе.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]