Багатофункціональний лічильник електричної енергії

Реферат: Багатофункціональний лічильник електричної енергії належить до електровимірювальної техніки і може бути використаний в автоматизованих системах контролю та обліку енергоресурсів в різних галузях народного господарства, а саме для вимірювання обсягів спожитої електричної енергії, показників якості електричної енергії та величин додаткових втрат електричної енергії. Лічильник містить контактну колодку, три датчики струму, три датчики напруги, блок живлення, мікроконтролер, гальванічну розв'язку, елементи інтерфейсу, рідиннокристалічний індикатор, енергонезалежну пам'ять. Додатково введено блок якості електричної енергії і четвертий датчик струму. Технічним результатом є розширення функціональних можливостей багатофункціонального лічильника електричної енергії за рахунок додаткового урахування втрат електричної енергії в лінії та трансформаторі від несиметрії та несинусоїдальності струму та напруги. UA 102194 C2 (12) UA 102194 C2 UA 102194 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електровимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання обсягів спожитої електричної енергії, показників якості електричної енергії та величин додаткових втрат електричної енергії від несиметрії та несинусоїдальності струмів в однофазних та трифазних мережах змінного струму, в автоматизованих системах контролю та обліку енергоресурсів в різних галузях народного господарства. Відомий (аналог) лічильник електричної енергії (Патент GB № 2096370, МКИ G01F01/56 1982), що містить датчики напруги і струму, що з'єднані з перемножувачем-перетворювачем, вихід якого підключений до мікроконтролера, інформаційні виходи якого з'єднані із входами дисплея, а також оперативно-запам'ятовуючий пристрій, зв'язаний з мікроконтролером. Недоліком цього пристрою є низькі функціональні можливості лічильника, а саме: лічильник не враховує втрати електричної енергії в проводах і в трансформаторі. Найбільш близьким за технічною суттю (прототипом) є лічильник електричної енергії (див. лічильник "Меркурій 230 ART", www.incotexcom.ru), що містить контактну колодку, три датчики струму, три датчики напруги, блок живлення, мікроконтролер, гальванічну розв'язку, елементи інтерфейсу, рідинно-кристалічний індикатор, енергонезалежну пам'ять, при цьому перший, другий та третій виходи контактної колодки підключено до входів датчиків струму, п'ятий, шостий та сьомий виходи контактної колодки підключено до входів датчиків напруги, восьмий вихід контактної колодки підключено до входу блока живлення, перший вихід якого підключено до першого входу мікроконтролера, до другого входу якого підключено перший вихід гальванічної розв'язки, до першого входу якої підключено елементи інтерфейсу, до першого входу яких підключено другий вихід блока живлення, до другого входу елементів інтерфейсу підключено дев'ятий вихід контактної колодки, а другий вихід гальванічної розв'язки підключено до входу контактної колодки, перший вихід мікроконтролера підключено до рідиннокристалічного індикатора, другий вихід мікроконтролера підключено до енергонезалежної пам'яті, виходи датчиків струму підключено до третього входу мікроконтролера, виходи датчиків напруги підключено до четвертого входу мікроконтролера. Недоліком пристрою є низькі функціональні можливості лічильника, а саме: лічильник враховує втрати електричної енергії в проводах і в трансформаторі, але без урахування впливу несиметрії та несинусоїдальності струму та напруги. Задача винаходу - розширення функціональних можливостей лічильника за рахунок додаткового урахування втрат електричної енергії в лінії та трансформаторі від несиметрії та несинусоїдальності струму та напруги. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрій, що містить контактну колодку, три датчики струму, три датчики напруги, блок живлення, мікроконтролер, гальванічну розв'язку, елементи інтерфейсу, рiдинно-кристалічний індикатор, енергонезалежну пам'ять, при цьому перший, другий та третій виходи контактної колодки підключено до входу датчиків струму, п'ятий, шостий та сьомий виходи контактної колодки підключено до входів датчиків напруги, восьмий вихід контактної колодки підключено до входу блока живлення, перший вихід якого підключено до першого входу мікроконтролера, до другого входу якого підключено перший вихід гальванічної розв'язки, до першого входу якої підключено елементи інтерфейсу, до першого входу яких підключено другий вихід блока живлення, до другого входу елементів інтерфейсу підключено дев'ятий вихід контактної колодки, а другий вихід гальванічної розв'язки підключено до входу контактної колодки, перший вихід мікроконтролера підключено до рідиннокристалічного індикатора, другий вихід мікроконтролера підключено до енергонезалежної пам'яті, додатково введено блок якості електричної і датчик струму, причому вихід блока якості електричної енергії підключено до третього входу мікроконтролера, виходи датчиків струму підключено до першого, другого, третього та четвертого входу блока якості електричної енергії, виходи датчиків напруги підключено до п'ятого, шостого та сьомого входів блока якості електричної енергії, третій вихід блока живлення підключено до третього входу блока контролю якості електричної енергії. Введення вказаних ознак дозволяє розширити функціональні можливості лічильника за рахунок додаткового урахування втрат електричної енергії в лінії та трансформаторі від несиметрії та несинусоїдальності струму та напруги. Суть винаходу є розширення функціональних можливостей лічильника. Це досягається за рахунок можливості додаткового урахування втрат електричної енергії в лінії та трансформаторі від несиметрії та несинусоїдальності струму та напруги. На кресленні представлена структурна схема запропонованого багатофункціонального лічильника електричної енергії, де: 1 - контактна колодка; 2-5 - датчики струму; 6-8 - датчики напруги; 9 - блок живлення; 10 - блок контролю якості електричної енергії; 11 - мікроконтролер; 1 UA 102194 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 12 - гальванічна розв'язка; 13 - елементи інтерфейсу; 14 - рідинно-кристалічний індикатор; 15 енергонезалежна пам'ять. Перший, другий та третій виходи контактної колодки 1 підключено до входу датчиків струму 2, 3, 4 і 5, п'ятий, шостий та сьомий виходи контактної колодки 1 підключено до входів датчиків напруги 6, 7 і 8, восьмий вихід контактної колодки 1 підключено до входу блока живлення 9, перший вихід якого підключено до першого входу мікроконтролера 11, до другого входу якого підключено перший вихід гальванічної розв'язки 12, до першого входу якої підключено елементи інтерфейсу 13, до першого входу яких підключено другий вихід блока живлення 9, до другого входу елементів інтерфейсу 13 підключено дев'ятий вихід контактної колодки 1, а другий вихід гальванічної розв'язки 12 підключено до входу контактної колодки 1, перший вихід мікроконтролера 11 підключено до рідинно-кристалічного індикатора 14, другий вихід мікроконтролера 11 підключено до енергонезалежної пам'яті 15, вихід блока якості електричної енергії 10 підключено до третього входу мікроконтролера 11, виходи датчиків струму 2, 3, 4 і 5 підключено до першого, другого, третього та четвертого входу блока якості електричної енергії 10, виходи датчиків напруги 6, 7 і 8 підключено до п'ятого, шостого та сьомого входів блока якості електричної енергії 10, третій вихід блока живлення 9 підключено до третього входу блока контролю якості електричної енергії 10. Пристрій функціонує таким чином. З контактної колодки 1, що призначена для приєднання проводів від мережі живлення та від навантаження, через первинні обмотки датчиків струму 2, 3, 4 і 5 проходить струм навантаження трьох фаз, на первинні обмотки датчиків напруги 6, 7 і 8 подається напруга мережі. На виходах датчиків струму 2, 3, 4 і 5 виникають сигнали, пропорційні струмам трьох фаз. На виходах датчиків напруги 6, 7 і 8 виникають сигнали, пропорційні напругам трьох фаз. Сигнали від датчиків струму 2, 3, 4 і 5 та датчиків напруги 6, 7 і 8 надходять на входи блока контролю якості електричної енергії 10, де відбувається розкладання синусоїди струму і напруги на відповідні гармоніки. З виходу блока контролю якості електричної енергії 10 отримані величини потрапляють на мікроконтролер 11, де відбувається обчислення обсягів спожитої електричної енергії, показників якості електричної енергії та величини додаткових втрат електричної енергії від несиметрії та несинусоїдальності струмів та напруг за нижче наведеними формулами: - додаткові втрати активної потужності в лінії, що викликані несиметрією режиму мережі 2 2 2 Pл  I2 R  IBR  ICR  INR , A де ІА, Iв, ІC, IN - відповідно струми фаз А, В і С та нульового проводу N мережі; R - опір проводів мережі; - додаткові втрати активної потужності в трансформаторах, що викликані несиметрією режиму мережі Pк 2 P2m  K 2U , 2 uк де ΔР - втрати короткого замикання; uк - напруга короткого замикання; K2U - коефіцієнт несиметрії зворотної послідовності напруги; - додаткові втрати активної потужності в лінії, що викликані несинусоїдальністю режиму мережі n Pv  3R 0l  I2 k v  k v  , v v 2 45 50 де R0 - питомий опір провідника постійному струму; l - довжина провідника; Іv - струм v-ої гармоніки; v - номер гармоніки; kПv - коефіцієнт, який враховує явище поверхневого ефекту для v-ої гармоніки; П - число врахованих гармонік; kδv - коефіцієнт, що враховує ефект близькості для v-ої гармоніки; - додаткові втрати активної потужності в трансформаторах, що несинусоїдальністю режиму мережі n Pmv  3  I2 mR к k v , v v 2 Іvm - струм v-ї гармоніки; Rк - опір КЗ трансформатора; 2 викликані UA 102194 C2 5 10 kΠv - коефіцієнт, який враховує явище поверхневого ефекту для v-ої гармоніки. Обчислені значення з першого виходу мікроконтролера 10 надходять для відображення на рідинно-кристалічний індикатор 14, а через другий вихід мікроконтролера 11 обчислені значення потрапляють у енергонезалежну пам'ять 15, де вони і зберігаються. Для передачі отриманих даних на диспетчерський пункт мікроконтролер 11 через гальванічну розв'язку 12 передає ці дані до елементів інтерфейсу 13, які призначені для під'єднання різних зовнішніх пристроїв (GSM/GPRS- модему, PLC-модему, RS-485, IrDA). Таким чином, за рахунок додаткового урахування втрат електричної енергії в лінії та трансформаторі від несиметрії та несинусоїдальності струму та напруги значно розширюються функціональні можливості багатофункціонального лічильника електричної енергії. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 Багатофункціональний лічильник електричної енергії, що містить контактну колодку, три датчики струму, три датчики напруги, блок живлення, мікроконтролер, гальванічну розв'язку, елементи інтерфейсу, рідинно-кристалічний індикатор, енергонезалежну пам'ять, при цьому перший, другий та третій виходи контактної колодки підключено до входу датчиків струму, п'ятий, шостий та сьомий виходи контактної колодки підключено до входів датчиків напруги, восьмий вихід контактної колодки підключено до входу блока живлення, перший вихід якого підключено до першого входу мікроконтролера, до другого входу якого підключено перший вихід гальванічної розв'язки, до першого входу якої підключено елементи інтерфейсу, до першого входу яких підключено другий вихід блока живлення, до другого входу елементів інтерфейсу підключено дев'ятий вихід контактної колодки, а другий вихід гальванічної розв'язки підключено до входу контактної колодки, перший вихід мікроконтролера підключено до рідинно-кристалічного індикатора, другий вихід мікроконтролера підключено до енергонезалежної пам'яті, який відрізняється тим, що додатково введено блок якості електричної енергії і четвертий датчик струму, причому вихід блока якості електричної енергії підключено до третього входу мікроконтролера, виходи датчиків струму підключено до першого, другого, третього та четвертого входу блока якості електричної енергії, виходи датчиків напруги підключено до п'ятого, шостого та сьомого входів блока якості електричної енергії, третій вихід блока живлення підключено до третього входу блока контролю якості електричної енергії. 3 UA 102194 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4