Електронний лічильник електричної енергії

Изобретение относится к устройствам измерительной техники, в частности, предназначенным для учета потребляемой электроэнергии. Известны электронные счетчики электрической энергии, содержащие измерительные преобразователи тока и напряжения, перемножитель выходных сигналов указанных преобразователей, преобразователь напряжение-частота выходного сигнала перемножителей, делитель частоты, устройства индикации и телеметрии, отсчетное устройство, блок питания [1-3], В устройстве [1,2] преобразователь напряжение-частота не содержит элементов так называемого "коммутационного инвертирования", ослабляющего влияние дрейфа нуля операционного усилителя интегратора и других медленно меняющихся дестабилизирующих факторов, что снижает класс точности счетчика. Этот недостаток устранен в устройстве [3] за счет введения о схему преобразователя напряжение-частота реверсивного счетчика, однако повышение точности достигается за счет существенного усложнения схемы, так как организация коммутационного инвертирования при этом требует дополнительных определенных аппаратурных затрат. Наиболее близким к заявляемому устройству техническим решением является счетчик [2]. В качестве измерительного преобразователя тока в нем используется трансформатор тока, что позволяет иметь выходной сигнал гальванически изолированный от сети. Перемножитель выполнен на базе широтно-импульсного и амплитудно-импульсного модуляторов. Последний выполнен на К-МОП ключах (отечественный аналог - микросхема К561 КТЗ), образующи х схему моста, к входной диагонали которого подключен выход измерительного преобразователя тока, а к выходной - через промежуточный П-образный фильтр) - вход преобразователя напряжение-частота. Преобразователь напряжение-частота интегрирующего типа с заданной длительностью такта (компенсирующего импульса) (4), содержит интегратор на операционном усилителе, кварцевый генератор, два счетчика, связанные между собой через логические элементы, в основном, "И". В схеме отсутствуют какие-либо элементы и связи, структурными методами ослабляющие влияние, в первую очередь, дрейфа нуля интегратора, что требует применения высококачественного операционного усилителя, что не всегда возможно, но не компенсирует влияние других медленно меняющихся факторов, вызывающи х аддитивн ую погрешность. Задачей изобретения является создание счетчика, в котором уменьшение аддитивной погрешности, вызванной дрейфом нуля интегратора и аналогичными причинами, достигалось без существенного усложнения схемы и на обычной элементной базе. Поставленная задача решается в электронном счетчике электрической энергии, содержащем один или три - по числу фаз -измерителя мощности, состоящих из измерительных преобразователей тока с гальванически изолированным от сети выходом и напряжения, а также перемножителя на основе широтно-импульсного и амплитудно-импульсного модуляторов, преобразователь напряжение-частота, состоящий из интегратора на операционном усилителе, кварцевого генератора, двух счетчиков и трех логических элементов, делителя частоты, устройства индикации и телеметрии, электромеханическое отсчетное устройство и блок питания с тремя выходными клеммами "общая точка", "положительная" и "отрицательна" относительно общей точки схемы, применением в качестве амплитудно-импульсного модулятора аналогового восьмиканалыюго К-МОП мультиплексора с объединенными в две группы с общим для каждой группы каналов выходом и двумя адресными входами, к одному из которых подсоединен выход широтно-импульсного модулятора, а к другому - высокочастотный выход делителя частоты, причем первый и четвертый информационные входы одной группы соединены смеете со вторым и третьим входами другой группы, а обе точки соединения информационных входов подключены соответственно к выходу измерительного преобразователя тока, один из выходов мультиплексора подключен к соответствующему входу преобразователя напряжение-частота, а другой - к общей точке схемы, а также тем, что преобразователь напряжение-частота содержит дополнительно аналоговый- К-МОП ключ, а три логических элемента представляют собой: первый - "Инвертор", второй - "И" и третий - "Исключающее ИЛИ", причем выход первого счетчика подсоединен к собственному входу "Остановка счета по логическому сигналу "1", ко входу "принудительная установка нулей" второго счетчика, ко входу делителя частоты и к первому входу элемента "И", выход которого подсоединен ко входу "принудительная установка нулей"' первого счетчика, а второй вход - к вы ходу "Исключающее ИЛИ", один вход которого подсоединен через инвертор к выходу интегратора, а др угой - к высокочастотному выходу делителя частоты, который через последовательно соединенные аналоговый К-МОП ключ и резистор подключен к суммирующей точке интегратора, а управляющий вход ключ, а и вход "остановка счета по логическому сигналу "1" второго счетчика соединены с выходом его первого разряда. Кроме того, выход кварцевого генератора подсоединен ко счетным входам обоих счетчиков, а выводы питания цифровых элементов схемы подключены к положительной и отрицательной клеммам блока питания соответственно. Именно благодаря указанному техническому решению в схеме имеется синхронное коммутационное инвертирование выходных сигналов перемножителя и интегратора преобразователя напряжение-частота, что позволяет существенно уменьшить аддитивную погрешность преобразования. Действительно, применение в качестве амплитудно-импульсного модулятора восьмиканального К-МОП мультиплексора с объединенными в две группы каналами (отечественная микросхема К561 КП1) позволило при изменении состояния одного из адресных входов изменять знак постоянной составляющей выходного сигнала перемножителя, пропорционального активной мощности контролируемой сети. Подключение последовательно соединенных резистора и аналогового ключа между суммирующей точкой интегратора и высокочастотным выходом делителя частоты, а также питания цифровых микросхем от разнополярного относительно общей точки схемы напряжения позволило периодически изменять знак компенсирующего импульса интегратора, т.е. при синхронном инвертировании входного сигнала интегратора периодически изменять направление интегрирования и, в целом, уменьшить аддитивную погрешность преобразования. При этом применение логического элемента "Исключающее -ИЛИ" подсоединенного одним входом через инвертор, к выходу интегратора, другим входом к высокочастотному вы ходу делителя частоты позволило обеспечить требуемую циклограмму сигналов на входе "принудительная установка нулей" первого счетчика при любом направлении интегрирования. Использование функциональных возможностей отечественной микросхемы К561 МЕЮ, имеющей в своем составе два независимых четырехразрядных счетчика с дополнительным входом "остановка счета по логическому сигналу "1" позволило выполнить преобразователь напряжение-частота в сравнении с прототипом при минимальном количестве внешних логических элементов. Принципиальная электрическая схема предлагаемого электронного счетчика показана на чертеже. Заявляемое устройство содержит один или три (по числу фаз) одинаковых измерителя мощности 1, состоящих из измерительного преобразователя напряжения 2, например, резистивного делителя, подключенного к фазному напряжению сети и измерительного преобразователя тока 3, выход которого гальванически изолирован от сети, например, трансформатор тока 4. вторичная обмотка которого нагружена на резистор 5, а первичная включена на фазный ток, и перемножителя 6, состоящего из широтно-импульсного модулятора 7, подключенного к выходу измерительного преобразователя напряжения 2, и амплитудноимпульсного модулятора 8, выполненного на микросхеме К561 КП1 (восьмиканальный аналоговый мультиплексор с объединенными в две гр уппы X и У с общим для каждой группы выходом и двумя адресными А1 и А2 входами). Первый и четвертый информационные входы мультиплексора каждой группы (например, Х1 и Х4) соединены вместе со вторым и третьим (например, У2 и УЗ) информационными входами другой группы, а обе точки соединения подключены к выходу измерительного преобразователя тока 3. Один из выходов мультиплексора, например, У подключен к общей точке схемы, а другой X - ко входу преобразователя напряжение-частоте 9 (ПНЧ). Один адресный вход А1 мультиплексора подсоединен к выходу широтно-импульсного модулятора 7, а на другой - А2 поступает сигнал коммутационного инвертирования. Преобразователь напряжение-частота 9 состоит из операционного усилителя 10, образующего совместно с конденсатором 11 обратной связи и входными резисторами 12 интегратор суммы выходных напряжений перемножителей 1, двух четырехразрядных счетчиков 13 и 14 (микросхема К561 ИЕ10)со входами: счетным "СЕ", "остановка счета по логическому сигналу "1й- "С" и входом "принудительная установка нулей" - "R"; кварцевого генератора 15 и логических элементов "инвертор" - 16, "Исключающее ИЛИ - 17, и "И" - 18, а также К-МОП ключа19, подключенного черезрезистор 20 между суммирующей точкой операционного усилителя 10 и высокочастотным выходом QK делителя частоты 21. Кварцевый генератор 15 подсоединен своим выходом к счетным входам "СЕ" обоих счетчиков 13 и 14. Выход первого счетчика 13 соединен с собственным входом "С", с одним из входов элемента "И" - 16, со входом "R" второго счетчика 14 и со входом делителя частоты 21, Вход "R" первого счетчика 13 подсоединен к выходу элемента "И" - 18, второй вход которого подсоединен к выходу "исключающее ИЛИ" - 17, который своими входами подключен через инвертор 16 к выходу усилителя 10 и высокочастотному выходу Q k делителя частоты 21. Выход первого разряда СИ второго счетчика 14 соединен с собственным входом "С" и с управляющим входом "У" К-МОП ключа 19. Делитель частоты 21 выполнен на микросхеме К561 ИЕ16. Высокочастотный выход Qk используется для коммутационного инвертирования, среднечастоный выход QM - соединен со входом устройства светодиодной индикации и оптоэлектронной телеметрии (передающее устройство и поверочные выходы). Низкочастотный выход Qn управляет электромеханическим отсчетным устройством на базе, например, шагового двигателя, сохраняющим информацию о расходе электроэнергии при отключении счетчика от сети. Блок питания 24 подключен своими входами к фазным и нулевому проводам сети и содержит три выходные клеммы "общая точка", имеющая потенциал нулевого провода и "положительная" и, "отрицательная", к которым подключены своими выводами питания микросхемы (для примера показано для микросхем 8 и 21), т.е. блок питания имеет стабилизированные разнополярные и симметричные относительно общей точки выходные напряжения, что необходимо для работы ПНЧ. Широтно-импульсный модулятор 7 может быть выполнен по известной схеме "инвертортриггер Шмитта [5] или по схеме "генератор треугольных импульсов - компаратор", как в прототипе [2]. В последнем случае генератор может быть общим для всех тре х фаз. Принцип работы счетчика состоит в следующем. Выходные сигналы измерительного преобразователя тока 3 и напряжения 2 поступают на вход амплитудно-импульсного 8 и широтно-импульсного 7 модуляторов соответственно. В связи с тем что ключи мультиплексора соединены между собой так, что образуют схему двух параллельных мостов, входные диагонали которых подключены к выходу измерительного преобразователя тока 4 и выходные - ко входу ПНЧ 9, а на адресные входы мультиплексора поступают сигналы с выхода широтно-импульсного модулятора 7 и коммутационного инвертирования (с выхода Qk делителя частоты 21), на выходе X мультиплексора формируется квантованный выходной сигнал перемножителя 6, амплитуда которого пропорциональна мгновенному значению тока сети, скважность - напряжению сети, а полярность зависит от состояния адресных входов. Среднее значение напряжения на выходе перемножителя 6 пропорционально активной мощности сети и меняет свою полярность при смене адреса А2. Преобразователь напряжение-частота 9 интегрирующего типа, его период работы состоит из двух тактов. В такте интегрирования приращение заряда на конденсаторе 11 пропорционально сумме средних значений выходных напряжений перемножителей 6. В такте восстановления конденсатор 11 получает строго дозированный заряд, величина которого определяется частотой кварцевого генератора, резистором 20 и напряжением на блоке питания 24, а знак - состоянием выхода Q k делителя частоты 21. Вследствие баланса напряжений в цикле "заряд-разряд" конденсатора 11 частота повторения компенсирующего импульса пропорциональна среднему значению входного напряжения ПНЧ, т.е. активной мощности, а количество импульсов ПНЧ -активной энергии. В такте интегрирования выход счетчика 13 находится в единичном состоянии, выход 01 счетчика 14 в нулевом (согласно единичном сигналам на входе "С" счетчика 13), при этом К-МОП ключ 19 разомкнут, на входа х элемента 17 присутствуют равнозначные сигналы. Как только напряжение на выходе инвертора 16 достигнет такого уровня, что элемент "исключающее ИЛИ" - 17 будет воспринимать сигналы на своих входах как неравнозначные, на входе "R" счетчика 13 появится единичный сигнал "принудительного обнуления", снимаемый благодаря элементу "И" - 18 сразу же после обнуления своего выхода Q, при этом счетчик 13 переходит в режим счета импульсов кварцевого генератора 15 независимо от состояния входов элемента 17. Счетчик 14 используется как Д-триггер и служит для управления ключом 19 и для увеличения длительности такта восстановления с целью ослабления влияния фронтов. При появлении нулевого сигнала на его входе "R" он также переходит в режим счета импульсов кварцевого генератора 15 и при появлении единицы на выходе своего первого разряда останавливается в этом состоянии, при этом замыкается К-МОП ключ 19. Ключ 19 вновь разомкнётся при появлении единичного сигнала на входе Q счетчика 13. В этом случав счетчик 13 также останавливается, а счетчик 14 принудительно обнуляется и в ПНЧ начинается такт интегрирования. Таким образом, длительность такта восстановления равна времени от момента начала счета до появления единицы на выходе Q счетчика 13. (При использовании четвертого разряда это время равно 7 периодам кварцевого генератора). Данная схема ПНЧ работает по принципе уравновешивания заряда интегрирующего конденсатора, при котором не требуется точного сравнения напряжения на выходе интегратора с заданным уровнем, и в связи с этим такие схемы ПНЧ не нуждаются в точных компараторах [4]. В предлагаемом устройстве для этой цели используется обычный К-МОП инвертор 16, который служит, во-первых, для согласования полярностей сигналов на входе элемента 17, во-вторых, усиливает выходной сигнал интегратора и в то же время не имеет гистерезиса срабатывания при изменении направления интегрирования. Делитель частоты 21 понижает частоту ПНЧ до уровня необходимого для работы светодиодной индикации и телеметрических устройств 22 и электромеханического счетного устройства 23. Не трудно видеть, что при изменении состояния выхода QK делителя частоты 21 происходит периодическое синхронное изменение знака выходного напряжения перемножителей 6 и знака уравновешивающего заряда конденсатора 11, т.е. происходит смена направления интегрирования ПНЧ и вычитание дрейфовой составляющей в выходном напряжении интегратора, а в целом, уменьшение аддитивной погрешности счетчика при использовании обычной элементной базы и без усложнения схемы.