Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СЧЕТЧИК КИЛОВАТТ-ЧАСОВ
СЧЕТЧИК КИЛОВАТТ-ЧАСОВ

СЧЕТЧИК КИЛОВАТТ-ЧАСОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для регистрации потребляемой электроэнергии в магистральных сетях. Технический результат заключается в повышении точности измерения. Счетчик киловатт-часов содержит: магистральные шины 1 и 2, преобразователи 3 и 4 измерительных сигналов напряжения и тока, широтно-импульсный модулятор 5, амплитудно-импульсный модулятор 6, схему 7 синхронизации, преобразователь 8 напряжения в частоту, счетчик 9 и схему 10 управления шаговым двигателем. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2053516
Класс(ы) патента: G01R11/32
Номер заявки: 93050784/09
Дата подачи заявки: 04.11.1993
Дата публикации: 27.01.1996
Заявитель(и): Завьялов В.П.; Остудин В.Д.
Автор(ы): Завьялов В.П.; Остудин В.Д.
Патентообладатель(и): Остудин Валентин Дмитриевич
Описание изобретения: Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в счетчиках электрической энергии.
Известны счетчики электрической энергии с использованием для перемножения тока и напряжения метода широтно- импульсной модуляции ШИМ и амплитудно-импульсной модуляции АИМ с последующим преобразованием напряжения в частоту [1, 2]
В этих счетчиках схема ШИМ выполнена на основе генератора треугольных импульсов и порогового устройства, схема АИМ на основе аналоговых ключей в качестве умножителя, а при построении преобразователя напряжения в частоту ПНЧ используют метод однотактного интегрирования [1] или компенсации зарядов [2] Данные устройства имеют недостаточную точность из-за разброса показаний на конечном интервале времени измерения.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее преобразователи измерительных сигналов напряжения и тока, широтно-импульсный умножитель, состоящий из суммирующего элемента на резисторах, генератора последовательности треугольных импульсов и аналогового переключателя на КМОП транзисторах, а также преобразователя напряжения в частоту, выполненного на аналоговом интеграторе, детекторе порогового уровня и генераторе синхроимпульсов [3]
Недостатком прототипа является разброс показаний, регистрируемых на ограниченном интервале времени измерения, например, при регулировке прибора в процессе производства. При этом относительный разброс показаний увеличивается при уменьшении нагрузки в магистральной сети (как правило из-за уменьшения тока).
Целью изобретения является повышение точности и чувствительности счетчика киловатт-часов при измерении электрической энергии.
Для этого в счетчик киловатт-часов, содержащий преобразователь измерительных сигналов напряжения и преобразователь измерительных сигналов тока, входы которых подключены к проводам магистральной сети, а их выходы соответственно ко входам ШИМ и АИМ, а первый выход АИМ подключен ко входу ПНЧ, последовательно с которым соединены счетчик и схема управления шаговым двигателем, а также блок питания, вход которого подключен к сети, выходы к нагрузке, при этом ШИМ содержит суммирующий элемент в виде первого и второго последовательно соединенных резисторов, первый вход которого соединен с генератором треугольных импульсов, АИМ содержит управляющий вход, а ПНЧ содержит последовательно соединенные первый интегратор и детектор уровня напряжения, схему синхронизации, первый аналоговый переключатель, выход которого подключен ко входу первого интегратора, а вход соединен с первым выходом блока питания, в схему ПНЧ введены второй интегратор, второй аналоговый переключатель, а детекторы уровня напряжения в схемах ШИМ и ПНЧ выполнены в виде первого и второго Д-триггеров, тактовые входы которых соединены между собой и подключены к первому выходу схемы синхронизации, информационный вход первого Д-триггера подключен к выходу суммирующего элемента, выход первого Д-триггера ко второму входу суммирующего элемента и к управляющему входу АИМ, информационный вход второго Д-триггера соединен с выходом второго интегратора, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора, а его второй вход с выходом второго аналогового переключателя, вход которого подключен ко второму выходу блока питания, а управляющий вход к управляющему входу первого аналогового переключателя и ко второму выходу схемы синхронизации.
Существенными признаками, отличающими устройство от прототипа, являются: наличие детектора уровня напряжения в виде Д-триггера в схеме ШИМ, второго интегратора и второго аналогового переключателя в ПНЧ, а также их подключение.
Выполнение пороговых устройств в ШИМ и ПНЧ в виде Д-триггеров обеспечивает синхронизацию работы этих блоков, а введение второго интегратора и второго аналогового переключателя в ПНЧ уменьшает влияние зоны нестабильности порогового устройства и погрешность интегрирования в ПНЧ, что в совокупности уменьшает разброс показаний счетчика, регистрируемых на ограниченном интервале времени и при малых нагрузках в магистральных сетях.
Следовательно, эти признаки обеспечивают положительный эффект, выражающийся в повышении точности и чувствительности счетчика, а предполагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На чертеже приведена функциональная схема счетчика киловатт-часов.
Устройство содержит магистральные шины 1 и 2 переменного напряжения, преобразователь 3 измерительных сигналов напряжения, преобразователь 4 измерительных сигналов тока, широтно-импульсный модулятор 5 (ШИМ5), амплитудно-импульсный модулятор 6 (АИМ6), схему 7 синхронизации, преобразователь 8 напряжения в частоту (ПНЧ8), счетчик 9, схему 10 управления шаговым двигателем, выходную шину 11 и блок 12 питания. Вход преобразователя 3 подключен к шинам 1 и 2, а вход преобразователя 4 включен в шину 2. ШИМ5 содержит генератор 5.1 треугольных импульсов, состоящий из резисторов R1 и R2, операционного усилителя ОУ1 и конденсатора С1, суммирующий элемент 5.2, выполненный на резисторах R3 и R4, и детектор 5.3 уровня напряжения, представляющий собой Д-триггер Тг1. Первый вывод резистора R1 является входом ШИМ 5 и соединен с первым выходом преобразователя 3. Второй вывод резистора R1 подключен к инверсному входу усилителя ОУ 1, к первому выводу резистора R2 и к первой обкладке конденсатора С1, вторая обкладка которого подключена к выходу усилителя ОУ1 и является выходом генератора 5.1 треугольных импульсов. Первый вывод резистора R4, являющийся первым входом суммирующего элемента 5.2, подсоединен к выходу генератора 5.1. Первый вывод резистора R3, являющийся вторым входом суммирующего элемента 5.2, соединен со вторым выводом резистора R2 и с прямым выходом триггера Тг1, а общая точка соединения вторых выводов резисторов R3 и R4, являющаяся выходом суммирующего элемента 5.2, подключена к Д-входу Тг1, С-вход которого соединен с первым выходом схемы 7 синхронизации, а его выход является выходом ШИМ 5 и подключен к управляющему входу АИМ 6. ПНЧ 8 состоит из первого интегратора 8.1, содержащего усилитель ОУ2, конденсатор С2 и резисторы R5 и R6, второго интегратора 8.2, содержащего усилитель ОУ3, конденсатор С3 и резисторы R7 и R8, аналоговых переключателей Кл1 и Кл2, а также детектора 8.3 уровня напряжения в виде Д-триггера Тг2. Первый вывод резистора R5, являющийся входом ПНЧ 8, соединен с выходом АИМ 6, а его второй вывод подключен к первой обкладке конденсатора С2, к первому выводу резистора R6 и к инверсному входу усилителя ОУ2. Вторая обкладка конденсатора С2 соединена с выходом усилителя ОУ2, являющимся выходом интегратора 8.1, который подключен к первому выводу резистора R7, являющимся входом интегратора 8.2, а второй вывод резистора R7 соединен с инверсным входом усилителя ОУ3, с первой обкладкой конденсатора С3 и с первым выводом резистора R8. Выход усилителя ОУ3, являющийся выходом интегратора 8.2, соединен со второй обкладкой конденсатора С3 и с Д-входом Д-триггера Тг2, являющимся входом детектора 8.3 уровня напряжения. Вторые выводы резисторов R6 и R8 подключены соответственно к первым выводам аналоговых переключателей Кл1 и Кл2, вторые выводы которых соединены с шинами "+" и "-" блока 12 питания. Выход триггера Тг2 соединен со входом счетчика 9 и со входом схемы 7 синхронизации, второй выход которой соединен с управляющими входами переключателей Кл1 и Кл2, а первый с С-входами триггеров Тг1 и Тг2. Выход счетчика 9 подключен ко входу схемы 10 управления шаговым двигателем, выход которой является выходной шиной 11 счетчика киловатт-часов.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение в магистральной сети с помощью преобразователя 3 преобразуется в сигнал, поступающий на вход ШИМ 5, а ток в магистральной сети с помощью преобразователя 4 преобразуется в сигнал, поступающий на входы АИМ 6. Схемы ШИМ 5 и АИМ 6 обеспечивают перемножение этих сигналов. В схеме ШИМ 5 на суммирующем элементе 5.2 происходит сложение сигналов с выхода генератора 5.1 и с прямого выхода триггера Тг1. В отсутствии напряжения сети конденсатор С1 линейно заряжается через резистор R2 от выходного сигнала триггера Тг1 до момента переключения последнего в другое состояние; после чего конденсатор С1 разряжается до следующей смены состояния триггером Тг1. Время переключения триггера Тг1 из одного состояния в другое зависит от постоянной времени интегрирования и соотношения резисторов R3 и R4. При наличии сигнала на выходе преобразователя 3 он складывается с сигналом с выхода Тг1 путем суммирования соответствующих токов; при этом время нахождения Тг1 в одном или другом состоянии изменяется в зависимости от величины и знака сигнала с выхода преобразователя 3. Таким образом, модуляция ширины импульса на выходе ШИМ 5 будет:
m где Т1 время, в течение которого Тг1 находится в единичном состоянии.
Т0 время, в течение которого Тг1 находится в нулевом состоянии,
Uпн напряжение на выходе преобразователя 3,
Е напряжение на выходе триггера Тг1.
Так как переход Тг1 из одного состояния в другое происходит по фронту тактовых импульсов с выхода схемы 7, то величина Т0 и Т1 является кратной целому количеству тактовых импульсов схемы 7.
Импульсы с выхода ШИМ 5 поступают на управляющий вход АИМ 6 и модулируются по амплитуде сигналом с выхода преобразователя 4 таким образом, что импульсу с длительностью Т1 соответствует одно значение сигнала с выхода преобразователя 4, а импульсу с длительностью Т0 его инверсное значение. При этом среднее значение импульсного сигнала на выходе АИМ 6 за период Т, равный Т01, сигнала ШИМ 5 пропорционально произведению значений сигналов напряжения и тока в магистральной сети, так как период Т много меньше периода сигналов тока и напряжения в магистральной сети.
В ПНЧ 8 производится интегрирование постоянной составляющей импульсного сигнала до тех пор, пока триггер Тг2 не изменит своего состояния в противоположное синхронно с сигналом с выхода схемы 7.
При изменении состояния Тг2 схема 7 вырабатывает импульс обратной связи, длительность которого равна целому числу длительности (периоду) тактовых импульсов и его фронт совпадает с фронтом тактовых импульсов. Импульс обратной связи открывает переключатели Кл1 и Кл2. При этом от блока 12 на вход интегратора 8.1 поступает опорное напряжение Uоп, противоположное по знаку постоянной составляющей сигнала с выхода АИМ 6, а на вход интегратора 8.2 напряжение, совпадающее по знаку с этой постоянной составляющей.
Интегратор 8.1 работает в режиме уравновешивания зарядов в соответствии с соотношением:
Tи+ + Tос=0 где U= постоянная составляющая сигнала на входе ПНЧ 8,
Ти время интегрирования постоянной составляющей,
Uоп напряжение на выходе блока 12,
Тос длительность импульса обратной связи.
Так как период следования импульсов на выходе ПНЧ 8 ТПНЧ равен сумме ТИОС, то из последнего выражения следует, что частота импульсов на выходе ПНЧ 8 будет:
Fпнч Fосmax где Fосmax максимальная частота следования импульсов обратной связи.
Таким образом, частота следования импульсов на выходе ПНЧ 8 пропорциональна мгновенному значению мощности в магистральной сети, длительность импульсов на выходе ШИМ 5 и длительности импульсов ТИ и ТОС кратны целому количеству тактовых импульсов. Это устраняет биение частот между ШИМ 5 и ПНЧ 8, что уменьшает разброс показаний устройства.
Для подсчета величины энергии количество импульсов с выхода триггера Тг2 суммируется счетчиком 9 и фиксируется при помощи схемы 10 управления шаговым двигателем.
Экспериментальная проверка устройства показала, что оно имеет практически в 10 раз меньшую погрешность измерений и разброс показаний (особенно при малых значениях тока в магистральной сети) чем прототип.
Формула изобретения: СЧЕТЧИК КИЛОВАТТ-ЧАСОВ, содержащий преобразователь измерительных сигналов напряжения и преобразователь измерительных сигналов тока, входы которых подключены к проводам магистральной сети, а их выходы - соответственно к входам широтно-импульсного модулятора и амплитудно-импульсного модулятора, выход которого подключен к входу преобразователя напряжения в частоту, последовательно с которым соединены счетчик и схема управления шаговым двигателем, а также блок питания, вход которого подключен к сети, а выходы - к нагрузке, при этом широтно-импульсный модулятор содержит суммирующий элемент в виде первого и второго последовательно соединенных резисторов, первый вход которого соединен с генератором треугольных импульсов, амплитудно-импульсный модулятор содержит управляющий вход, а преобразователь напряжения в частоту содержит последовательно соединенные первый интегратор и детектор уровня напряжения, схему синхронизации, первый аналоговый переключатель, выход которого подключен к входу первого интегратора, а вход соединен с первым выходом блока питания, отличающийся тем, что в преобразователь напряжения в частоту введен второй интегратор, второй аналоговый переключатель, а детекторы уровня напряжения в широтно-импульсном модуляторе и преобразователе напряжения в частоту выполнены в виде первого и второго D-триггеров, тактовые входы которых соединены между собой и подключены к первому выходу схемы синхронизации, информационный вход первого D-триггера подключен к выходу суммирующего элемента, его выход - к второму входу суммирующего элемента и управляющему входу амплитудно-импульсного модулятора, информационный вход второго D-триггера соединен с выходом второго интегратора, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора, его второй вход - с выходом второго аналогового переключателя, вход которого подключен к второму выходу блока питания, управляющий вход - к управляющему входу первого аналогового переключателя и второму выходу схемы синхронизации.