Средства учета количества электричества и электрической энергии

Наиболее распространенный принцип построения электронных счетчиков электроэнергии, выпускаемых на данный момент промышленностью, состоит в дополнении к ИПМ преобразователя напряжения в частоту и подсчете импульсов на выходе этого преобразователя.

В качестве предвключенных приборов в модульном исполнении выпускаются измерительные преобразователи активной, реактивной и полной мощностей переменного тока, предназначенные для работы, как в однофазных, так и в трехфазных цепях для измерения мощности и энергии.

В основе работы преобразователя активной мощности лежит реализация зависимости

,

где Р – измеряемая мощность; Т – период тока i и напряжения u на нагрузке. Наиболее ответственным элементом исследуемого преобразователя является устройство перемножения текущих значений напряжения u(t) и тока i(t).

Академик П.П. Орнатский разделяет структуры существующих цифровых измерителей мощности по следующим принципам построения [19]:

структуры с промежуточными аналоговыми преобразованиями мощности в информативный параметр электрического сигнала и с последующим преобразованием аналог – код (рисунок 1.2, а);

структуры с преобразованием информативных параметров входных сигналов в код и определением результата при помощи цифровых вычислительных устройств (микропроцессоров) (рисунок 1.2, б).

а)                                                                 б)

Рисунок 1.2 - Структуры цифровых измерителей мощности:

а) – с аналоговым преобразователем мощности; б) – с кодированием мгновенных значений тока и напряжения и последующим цифровым вычислением значения мощности

В настоящее время в энергетике используются преимущественно структуры с аналоговыми ИПМ, например, в системах электропередачи, на АСУ ТП энергообъектов, на электротранспорте.

Структуры с преобразованием информативных параметров входных сигналов в код предполагают цифровое перемножение их мгновенных значений с последующим осреднением результатов.

При этом значение измеряемой мощности NW будет определяться из выражения

, (1.5)

где n – число мгновенных значений Nu(kTд) и Ni(kTд) обоих сигналов в дискретные моменты времени за период Т с шагом дискретизации Тд.

Данная структура содержит два преобразователя мгновенных значений u(t) и i(t) в код, микропроцессор и цифровое счетное устройство.    

Применение этого метода является наиболее эффективным в цепях с сигналами низких и инфранизких частот, что обусловлено ограниченным быстродействием.

Более высокое быстродействие, чем в предыдущем примере обеспечивает реализация структур с цифровым перемножением интегральных значений входных сигналов, однако при этом требуется дополнительно преобразовывать в цифровой код косинус угла фазового сдвига между током и напряжением исследуемой цепи. Недостатком такого метода является возникновение дополнительных погрешностей из-за отклонения форм кривых входных сигналов от синусоидальных.

Применение так называемого вычислительного преобразователя с использованием микропроцессорных структур, не приобрело широкого распространения и встречается, в основном, в области низких частот. Вызвано это тем, что в части быстродействия и точности такие преобразователи не вполне отвечают необходимым требованиям, а их приборная реализация сопряжена с большим расходом оборудования [20].

Электронные счетчики активной энергии строятся на основе аналогового преобразователя мощности с последующим интегрированием его выходной величины в соответствии с зависимостью

. (1.6)

Схема такого счетчика показана на рисунке 1.3, где ПМН – преобразователь мощности в напряжение, представленный на рис.4, а; ПНЧ – преобразователь напряжения в частоту; СИ – счетчик импульсов. Как было показано, UВЫХ пропорционально активной мощности Р. С помощью ПНЧ напряжение UВЫХ преобразуется в частоту f импульсов, которая таким образом пропорциональна мощности Р. Выходные импульсы ПНЧ подсчитываются счетчиком импульсов СИ, показания которого пропорциональны активной энергии Wа.

Рисунок 1.3 - Структурная схема электронного счетчика активной энергии

Наибольшее распространение в системах учета тепловой и электрической энергии получили импульсные перемножающие устройства (ИПУ) с широтно-импульсной (ШИМ) и амплитудной модуляцией (АМ), которые обеспечивают высокую статическую точность, достигающую значения 0,01% [21, 22], как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного (однофазного, трехфазного) тока с синусоидальной или несинусоидальной формой сигнала. Например, на этом принципе работают измерительные преобразователи мощности Е748, Ф5139, счетчик для учета энергии на электротранспорте Ф440, активно-реактивные счетчики электрической энергии – однофазный Ф441 и трехфазный счетчик Ф652.

В промышленности и для хозяйственных нужд используется большое разнообразие электрических счетчиков, применяемых для учета расхода электрической энергии в цепях переменного или постоянного тока, которые имеют в качестве измерительных устройств индукционную или электронную системы, однако ни один из известных типов счетчиков не предназначен для дозирования энергии, т.е. не снабжен устройствами для задания дозы и подачи управляющих сигналов на своевременное включение-отключение источников энергии от нагрузки.

Цифровые измерительные приборы с подобными - предвключенными - измерительными преобразователями были разработаны для решения наиболее насущных задач в различных областях науки, техники, энергетики, народного хозяйства для измерения электрической энергии, электрической мощности, параметров магнитных цепей, массы изделий, температуры и т.п. Внедрение таких приборов в производство позволило решить проблему автоматизации измерительных процедур, требующих непрерывного контроля технологических параметров в течение длительных периодов времени.

Наиболее высокую эффективность принесло применение таких приборов в энергетике, где для обеспечения экономного расходования энергоресурсов и глубокого изучения энергетических аспектов различных процессов необходимы точные быстродействующие и чувствительные цифровые средства измерения электрической мощности и энергии. Широкое применение нашли измерительные преобразователи мощности (ИПМ) в ваттметрах и счетчиках электроэнергии в энергетике и на электротранспорте.

Электронный счетчик электрической энергии должен реализовывать процедуру вычисления интеграла от произведения мгновенных значений напряжения и тока нагрузки, поэтому в его состав должны входить первичные преобразователи напряжения, тока, множительное и интегрирующее устройства.

Известны различные варианты построения схем электронных счетчиков, предназначенных для систем учета и контроля электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока, где используются аналоговые множительные устройства с широтно-импульсной и амплитудной модуляцией с последующим преобразованием полученного напряжения в частоту. К таковым можно отнести, например, счетчики типа Ф441, Ф652 и т.п.

Однако ни в одном из перечисленных технических решений не предусмотрена возможность дозирования энергии, расходуемой на проведение определенной технологической операции, хотя потребность в этом существует, например, в машиностроении для предварительного прогрева металла перед штамповкой, при точечной сварке деталей, при плавке металлов в дуговых электрических печах и т.д.

Применение электронных счетчиков переменного тока целесообразно для измерения крупных потоков энергии и в системах с высоким уровнем нелинейных искажений [19].

Повышение точности измерений мощности и энергии требует учета особенностей энергетических процессов в системах электроснабжения при наличии нагрузок, ухудшающих форму кривой напряжения и создающих колебания напряжения и асимметрию. Точность измерения мощности и энергии, потребляемых нагрузкой, определяется не только классом точности прибора, но и структурой измерительного устройства, от которой зависит, насколько применяемое устройство учитывает искажающие свойства нагрузок.

В предлагаемом устройстве измерение расхода электрической энергии осуществляется путем аналогового перемножения мгновенных значений сигналов, пропорциональных напряжению и току нагрузки с последующим интегрированием результата в течение определенного времени. Величина текущего расхода электрической энергии пропорциональна сумме счетных импульсов, полученных в процессе квантования по вольт-секундной площади результата текущего интегрирования.

Способность дозирования, приданная электронному измерителю с целью расширения функциональных возможностей, заключается в формировании им управляющего сигнала на отключение цепи нагрузки от источника питания в момент, когда текущий расход электрической энергии окажется равным заранее заданной величине (дозе) энергии. Таким образом, данный электронный измеритель-дозатор, наряду с измерением расхода энергии, ограничивает подачу в нагрузку величины энергии, превышающей заданную дозу.

Предлагаемый электронный измеритель электрической энергии можно использовать как в цепях переменного (однофазного, трехфазного) тока с синусоидальной или несинусоидальной формой сигнала, так и в цепях постоянного тока, применяя при этом в качестве измерительных датчиков тока прецизионные четырехзажимные резисторы, включенные последовательно с нагрузкой или трансформаторы постоянного тока.

Широтно-импульсные умножители на основе использования преобразователя напряжение-время обладают наивысшей точностью, так как транзисторы в них используются в ключевых режимах и изменение крутизны их характеристик из-за внешних воздействий не вызывает погрешности. Умножители с широтно-импульсной модуляцией в модульном исполнении имеют минимальную погрешность (0,1¸0,01%), нелинейность 0,02 %, частотный предел составляет примерно 3% от частоты несущей (до 100 кГц). На использовании умножителей с широтно-импульсной модуляцией основаны современные наиболее точные измерители электрической мощности, а также серийные электронные счетчики электрической энергии.

Электронный счетчик электрической энергии должен выполнять непрерывно и продолжительно в режиме реального времени процедуру вычисления интеграла от произведения мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если при данной операции использовать устройство дозирования электрической энергии, то за время протекания тока между электрическими контактами в массе металла выделится определенная порция тепловой энергии, равная заданной дозе, не зависящая от изменений вышеуказанных параметров, за исключением незначительных тепловых потерь, затраченных на нагрев подводящих электродов.

Количество тепловой энергии, необходимое для нагрева заготовки до определенной температуры, рассчитывается предварительно и уточняется экспериментально. В конечном результате, дозированный разогрев каждой из заготовок будет производиться до одинаковой температуры, что позволит существенно повысить качество проведения технологической операции и, тем самым, снизит уровень брака.

Устройства дозирования могут применяться при исследовании защитных характеристик вставок предохранителей, тепловых реле, проверке характеристик термопреобразователей, при исследовании динамики тепловых процессов и т. д.

Целью данной работы является разработка устройства, способного осуществлять дозирование электрической энергии при электроконтактном или электродуговом нагреве металлов, в контактной точечной сварке, в микроэлектросварке, а также при электротермическом нагреве различных материалов.

Осуществлять дозирование электрической энергии можно путем включения и своевременного отключения источника энергии от нагрузки. В процессе этого действия необходимо проводить непрерывный контроль заданной и потребляемой доз энергии при помощи высокоточных электронных измерительных устройств, способных выполнять операцию вычисления потребляемой электрической и операцию сравнения.

Однако, как и в случае с электроконтактным нагревом, аппаратура управления отслеживает и регулирует изменения только входных параметров процесса, не проводя в полной мере контроля выходного параметра, каковым является величина потребленной электрической энергии. Поэтому включение в состав аппаратуры управления средств дозирования электрической энергии, которые в процессе сварки при текущих изменениях основных электрических параметров процесса, будут контролировать количество потребляемой электрической энергии, приведет к стабилизации теплового импульса, выделяемого в зоне точечной сварки, что главным образом отразится на качестве сварных соединений.

При разработке дозирующего устройства были учтены как достоинства, так и недостатки большинства разновидностей схем умножителей. Выбор был сделан на схеме ИПУ, предназначенной для измерения активной мощности.

По мере совершенствования техники аналого-цифрового преобразования мгновенных значений сигналов рассматривалась возможность цифровой обработки большого количества дискретных и квантованных значений аналоговых сигналов, с тем, чтобы путем цифрового усреднения в течение заданного интервала времени вычислить искомый интегральный параметр.

2. ВОПРОС КВАНТОВАНИЯ ТЕКУЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Процесс дозирования количества электричества или электрической энергии может осуществляться с помощью дозирующих устройств при выполнении ими ряда последовательных процедур, включающих в себя непрерывное измерение параметров исследуемых входных сигналов, интегрирование полученных значений во времени и сравнение накапливаемого результата с заранее заданной величиной, называемой дозой.

Одной из наиболее важных функций дозирующего устройства является отключение электрической нагрузки от источника энергии, которое должно произойти в момент совпадения величины установленной дозы с величиной, потребленной в нагрузке.

При измерениях количества электричества или электрической энергии измеряемая величина имеет интегральное значение, поскольку конечный результат измерений накапливается с нарастающим итогом в течение определенного времени. Проведение непрерывных и, как правило, продолжительных измерений, необходимых для выполнения процедуры дозирования, вынуждает использовать для обработки измерительной информации в качестве функциональных элементов аналоговые устройства в совокупности с цифровыми схемами. Применение для подсчета результата цифровых счетчиков, позволяющих легко наращивать разрядность, дает возможность изменять разрешающую способность измерительного блока дозирующего устройства в зависимости от существующей потребности.

Устройством, способным производить интегрирование аналоговых сигналов с преобразованием результата в цифровую последовательность импульсов, является квантователь измеряемой величины по вольт-секундной площади.

Устройство, где измеряемая электрическая величина преобразуется в последовательность импульсов, число которых подсчитывается цифровым счетчиком, согласно существующей классификации, относится к цифровым измерительным устройствам прямого число-импульсного преобразования [24].

Цифровые измерительные приборы характеризуются двумя особенностями: наличием операций аналого-цифрового преобразования сигналов и цифрового отображения результата измерения. Эти операции технически реализуются с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП и блока регистрации с цифровым отсчетным устройством.

При решении задач в процессе обработки и аналого-цифрового преобразования информативного параметра в конечный результат, необходимо соблюдать следующие условия:

Обеспечить линейность преобразования входного информационного параметра (сигнала) в соответствующий ему пропорциональный сигнал, подаваемый на вход квантователя;

Произвести непрерывное интегрирование входного сигнала квантователя в течение определенного времени без искажений;

Осуществить квантование проинтегрированного сигнала по вольт-секундной площади с минимальными погрешностями;

Произвести подсчет результата интегрирования, выраженный в квантах измеряемой величины.

2.1 Основные понятия и определения по вопросу квантования количества электричества Q(t) и электрической энергии W(t)

Как известно, любые физические процессы характеризуются протяженностью во времени и в пространстве и разделяются соответственно на непрерывные и прерывистые или дискретизированные как во времени, так и в пространстве. Обычно дискретизированные физические процессы или сигналы создаются искусственно для различных целей, одна из которых отвечает теме настоящей работы. Преобразование непрерывных сигналов в дискретные называют квантованием сигналов.

Квантование является одной из наиболее ответственных операций процесса измерения. Квантование широко применяется в процессе управления при необходимости воздействия на технологический процесс сигналом с параметром точно заданного размера.

Различают квантование по времени и квантование по уровню [19, 25], кроме того, существует возможность производить квантование по вольт-секундной площади. Квантование по времени заключается в замене непрерывного сигнала x(t) дискретным сигналом xk(t), значение которого для фиксированных моментов времени t1, t2,…, tn совпадают соответственно с мгновенными значениями непрерывного сигнала (рис.1а). Квантование по уровню заключается в замене непрерывного множества значений сигнала x(t) множеством дискретных значений, характеризующих величины этих уровней (рисунок 2.1,б).

Рисунок 2.1 – Квантование по времени (а) и по уровню (б)

Квантование по вольт-секундной площади заключается в замене интегрированной величины совокупности значений входных аналоговых сигналов  суммой дискретных значений отдельных квантов, преобразованных в последовательность счетных импульсов, которые несут информацию об интегральной величине входного параметра .

В отличие от тем, посвященных вопросам квантования по времени и по уровню, которые достаточно глубоко освещены в изданиях по аналого-цифровой и преобразовательной технике, вопросу квантования по вольт-секундной площади в технической литературе совершенно не уделяется внимания, хотя данный принцип квантования используется в некоторых преобразователях напряжение-частота (ПНЧ), напряжение-интервал времени (ПНВ), имеющих широкое распространение в настоящее время.

При рассмотрении вопроса об измерении и дозировании количества электричества или электрической энергии принцип «квантования по вольт-секундной площади» имеет самое непосредственное отношение к теме данной работы, поскольку наиболее точно отвечает сущности преобразования, производимого выбранным квантователем. В связи с этим, дальнейшее использование данного термина в настоящей работе является наиболее целесообразным.

По сущности рассматриваемого вопроса требуется решить задачу выбора структурной схемы квантователя измеряемой величины по вольт-секундной площади, а также произвести детальный анализ его погрешностей и найти способы их снижения.

Благодаря работе квантователя и отсчетного устройства (счетчика импульсов) происходит преобразование непрерывной входной величины в дискретную, а затем в цифровой код. Все дальнейшие операции по подсчету квантов количества электричества и электрической энергии так же, как задание и отслеживание дозы, осуществляются в цифровой форме. В связи с этим имеет смысл для наиболее точного описания рассматриваемого процесса ввести термин «цифровое дозирование».

2.2 Цифровое дозирование количества электричества и электрической энергии

Входными информационными сигналами дозирующего устройства могут служить любые параметры, как электрические, так и неэлектрические, которые с помощью первичных датчиков преобразовываются в напряжения, пропорциональные величинам входных воздействий, и поступают непосредственно на вход квантователя.

Квантование текущих значений сигналов по вольт-секундной площади заключается в интегрировании в течение определенного времени непрерывно изменяющегося входного напряжения с единовременной дискретизацией выходного параметра. Мерой такой дискретизации выступает "квант" вольт-секундной площади, размер которого зависит от электрических параметров элементов квантователя и имеет постоянное выбранное значение q0.

Выходной сигнал, равный по величине интегралу входного напряжения за определенное время, в процессе проведенного преобразования становится квантованным и дискретизированным, т.е. численно состоящим из суммы одинаковых частей определенной величины – q0i (квантов).

Если выбранная часть – "квант" имеет стабильный и известный для каждой конкретной схемы параметр, выраженный в единицах измеряемой величины, то весь данный процесс является не только счетным, но и измерительным [19].

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8