eng
Выпуск #1/1999
Е.Рожнов.
Новые электронные средства для учета электроэнергии. Повышение точности измерения
Новые электронные средства для учета электроэнергии. Повышение точности измерения
Просмотры: 2773
Российские фирмы “Прорыв”, “Силиком” и немецкая D-Tech уже не первый год успешно сотрудничают в разработке микроэлектронной аппаратуры для контроля и учета энергопотребления. Сегодня их усилия сосредоточены на том, чтобы повысить метрологические и функциональные возможности электронных средств измерения потребляемой электрической мощности и снизить их стоимость.
Эффективность энергосбережения напрямую зависит от точности средств измерения, применяемых в автоматизированных системах контроля и управления потреблением электроэнергии. Основу точности измерительных каналов определяет погрешность счетчиков электроэнергии (СЭЭ), выполняющих роль датчиков текущей мощности. Задачу повышения точности СЭЭ решают, в частности, БИС SPM-2, электронные модули унифицированных однофазных одно- или двухтарифных счетчиков электроэнергии, а также активные датчики тока и напряжения, созданные специалистами НПФ “Прорыв”, ООО “Силиком” в сотрудничестве со своим немецким партнером — фирмой D-Tech.
Специализированная микросхема SPM-2 (рис.1) представляет собой прецизионный измеритель мощности (точность класса 0,5 согласно IEC687 или лучше) для недорогих одно- и трехфазных СЭЭ. Поскольку в основе микросхемы — узлы и алгоритмы работы БИС SPM-1*, приведем только краткое описание принципа ее действия и основные технические характеристики. Микросхема обеспечивает измерение положительной и отрицательной активной электрической мощности как для переменных, так и для постоянных сигналов. Стабильность параметров гарантирована в диапазоне рабочих температур от –45 до +85оС. Питание микросхемы осуществляется от источника с напряжением 5 или +2,5 В. Потребляемая мощность не превышает 10 мВт. Корпус БИС – типа PLCC44 или по выбору заказчика. БИС SPM-2 обеспечивает работу как с шунтовыми, так и с трансформаторными датчиками тока. Передаточное число и диапазон входных напряжений устанавливаются цифровым методом. Калибровка коэффициента передачи производится подстройкой входного или опорного напряжения (ИОН) с помощью резистивного делителя.
Микросхема может управлять двумя шаговыми двигателями в двухтарифных счетчиках. Гальванически развязанные телеметрические выходы предназначены для поверки и передачи информации на внешние устройства. Выходная информация имеет вид последовательности импульсов с нормированной длительностью и средней частотой, пропорциональной произведению входных аналоговых напряжений UU и UI. Тактовый генератор может работать с внешним кварцевым резонатором на 4 МГц и 32 кГц. Для накопления информации о потребляемой электроэнергии используются как электромеханические (на основе шаговых двигателей), так и электронные счетчики импульсов. Программирование длительности импульсов и передаточного отношения обеспечивает работу с различными типами шаговых двигателей.
Электросчетчик на основе SPM-2 (рис.2) относительно недорог, поскольку для его изготовления требуется минимальное число внешних компонентов. Кроме того, благодаря внутреннему (отключаемому) стабилизатору напряжения значительно снижена стоимость источника питания схемы.
Электронные модули для счетчиков электроэнергии. Отличные метрологические характеристики и способность микросхем типа SPM-2 работать как с гармоническими, так и с негармоническими сигналами любой формы в широком диапазоне частот, в том числе с сигналами постоянного тока и напряжения, позволяют реализовать на них любые типы СЭЭ в сетях переменного и постоянного тока. На основе БИС SPM-2 с применением безвыводных бескорпусных компонентов и поверхностного монтажа созданы два электронных модуля, повышающих технологичность СЭЭ и снижающих их стоимость. Это законченные метрологические устройства, измеряющие потребляемую мощность, а также формирующие сигналы телеметрии и команды управления. Один из модулей предназначен для одно- и двухтарифных СЭЭ класса 1,0. Для этого к нему достаточно подключить датчик тока (трансформатор тока или шунт), а также стандартное электромеханическое отсчетное устройство и поместить в корпус с клеммами. Модуль имеет гальваническую развязку (три оптрона) для входов и выходов телеметрии и команд управления, встроенную защиту по входным токам и напряжениям, а также варисторную защиту от перенапряжений сети. Его габариты – 25х55х100 мм. Второй модуль ориентирован на однотарифные СЭЭ класса 2,0. Он содержит встроенный шунтовой датчик тока, встроенную защиту по входным токам и напряжениям и варисторную защиту от перенапряжений, но не имеет встроенных оптронов для гальванической развязки. Цепи управления внешними оптронами выведены на специальный соединитель. Для реализации СЭЭ к такому модулю необходимо добавить стандартное электромеханическое отсчетное устройство (в случае необходимости – оптроны гальванической развязки) и поместить в корпус с клеммами. Габариты модуля – 29х32х62 мм.
Комплексные испытания СЭЭ, основанных на этих модулях, показали высокое качество изготовления и надежность. Они полностью соответствуют расчетным характеристикам, требованиям ГОСТ 30207-94 и общеевропейских стандартов, а также рекомендациям МЭК 687-92. Уже разрабатываются электронные модули для одно- и трехфазных СЭЭ с встроенными контроллерами, часами реального времени и энергонезависимым ЗУ, а также многофункциональные интеллектуальные СЭЭ, обеспечивающие еще и контроль качества энергии.
Активные датчики тока и напряжения. Поскольку погрешность электронных счетчиков электроэнергии, в основном, определяется погрешностью применяемых в них датчиков тока, работы над их совершенствованием активно ведутся во всем мире. Идеальный датчик тока должен с минимальной погрешностью измерять постоянный и переменный ток произвольной формы. Между тем при импульсных нагрузках, в том числе высокочастотных (относительно частоты сети), импульсные токи, содержащие высокую долю высших гармоник и постоянной составляющей, могут довести погрешности датчиков тока до неприемлемых значений.
Метрологические требования к датчикам тока значительно возросли с введением ГОСТов 30206-94 и 30207-94. Теперь электронные счетчики необходимо также аттестовывать по дополнительной погрешности, вызванной постоянной составляющей в токовой цепи счетчика; электромагнитной совместимости; температурному коэффициенту счетчика на любом интервале диапазона температур; долговременной стабильности параметров, а также по минимальной стоимости. Не удивительно, что сегодня многие серийно выпускаемые СЭЭ не удовлетворяют требованиям новых ГОСТов, кстати, порой весьма противоречивым. Однако включение датчика в состав эффективной системы автоматического регулирования (САР) позволяет придать ему заданные свойства, т.е. сформировать требуемые амплитудную и амплитудно-частотную характеристики и адаптировать датчик к любым входным воздействиям и дестабилизирующим факторам.
Самые массовые и широко распространенные датчики тока – трансформаторы тока (ТТ). Включение ТТ в состав САР превращает его в адаптивный элемент с жесткой отрицательной обратной связью по переменному и постоянному токам. Магнитный поток, возникающий в результате входного воздействия, уничтожается противоположным по направлению магнитным потоком, создаваемым выходным напряжением или током цепи обратной связи. В результате повышается линейность, значительно снижаются угловые и фазовые ошибки, устраняется возможность насыщения сердечника ТТ. Затрачиваемая на эту процедуру энергия, строго пропорциональная первичному току ТТ, после некоторого преобразования поступает на выход датчика. Воздействие глубокой отрицательной обратной связи на магнитный поток ТТ значительно расширяет его частотный диапазон (главным образом, в сторону низких частот), повышает чувствительность датчика в целом, а также стабилизирует его параметры во времени и при наличии дестабилизирующих факторов. Применение импульсной САР позволяет использовать датчик на основе ТТ для измерения постоянных токов с такой же точностью, что и для переменных токов. При этом благодаря трансформатору сохраняется гальваническая развязка между входом и выходом датчика. Таким образом, трансформаторный датчик тока, дополненный электронными средствами (функция САР), превращается в активный прецизионный датчик постоянных и переменных напряжений с хорошей гальванической развязкой. Функцию САР может выполнять недорогая специализированная микросхема, разработка которой начнется по окончании исследовательских работ.
Испытания экспериментального образца активного датчика показали следующие результаты:
Реальная возможность формирования таких характеристик, как высокая чувствительность, гальваническая развязка, малые масса и габариты, позволяет создавать по предложенному принципу активные измерительные ТТ и трансформаторы напряжения, которые заменят существующие измерительные ТТ и трансформаторы напряжения в низковольтных и высоковольтных электрических сетях. Благодаря высокой чувствительности активные датчики тока можно включать не в разрыв цепи, а в ответвления, что резко снижает массогабаритные параметры измерительной аппаратуры и упрощает ее эксплуатацию.
К сожалению, существующая практика поверки и квалификационных испытаний при идеально синусоидальных токах и напряжениях не выявляет в полной мере преимущества активных датчиков тока и напряжения. Оценить по достоинству возможности активных датчиков можно только в близких к реальным или в более жестких условиях.
Специализированные микросхемы, электронные модули, СЭЭ, активные датчики тока и напряжения, а также автоматизированная система контроля и управления энергопотреблением и программный продукт для нее разрабатываются и производятся в рамках программы “Электроника для энергетики”, объединяющей вокруг НПФ “Прорыв” около десятка серийных заводов страны. Поставляемая прецизионная продукция имеет оптимальное соотношение стоимость/эффективность, что позволяет создавать энергосберегающие технологии любой сложности с высоким КПД, обеспечивающие значительную экономию средств как у потребителя, так и у поставщика электроэнергии. НПФ “Прорыв” приглашает все заинтересованные фирмы и организации принять участие в разработке новых изделий, их серийном производстве или долевом финансировании этих работ.
Дополнительную информацию можно получить по телефону (095) 556-6603
Специализированная микросхема SPM-2 (рис.1) представляет собой прецизионный измеритель мощности (точность класса 0,5 согласно IEC687 или лучше) для недорогих одно- и трехфазных СЭЭ. Поскольку в основе микросхемы — узлы и алгоритмы работы БИС SPM-1*, приведем только краткое описание принципа ее действия и основные технические характеристики. Микросхема обеспечивает измерение положительной и отрицательной активной электрической мощности как для переменных, так и для постоянных сигналов. Стабильность параметров гарантирована в диапазоне рабочих температур от –45 до +85оС. Питание микросхемы осуществляется от источника с напряжением 5 или +2,5 В. Потребляемая мощность не превышает 10 мВт. Корпус БИС – типа PLCC44 или по выбору заказчика. БИС SPM-2 обеспечивает работу как с шунтовыми, так и с трансформаторными датчиками тока. Передаточное число и диапазон входных напряжений устанавливаются цифровым методом. Калибровка коэффициента передачи производится подстройкой входного или опорного напряжения (ИОН) с помощью резистивного делителя.
Микросхема может управлять двумя шаговыми двигателями в двухтарифных счетчиках. Гальванически развязанные телеметрические выходы предназначены для поверки и передачи информации на внешние устройства. Выходная информация имеет вид последовательности импульсов с нормированной длительностью и средней частотой, пропорциональной произведению входных аналоговых напряжений UU и UI. Тактовый генератор может работать с внешним кварцевым резонатором на 4 МГц и 32 кГц. Для накопления информации о потребляемой электроэнергии используются как электромеханические (на основе шаговых двигателей), так и электронные счетчики импульсов. Программирование длительности импульсов и передаточного отношения обеспечивает работу с различными типами шаговых двигателей.
Электросчетчик на основе SPM-2 (рис.2) относительно недорог, поскольку для его изготовления требуется минимальное число внешних компонентов. Кроме того, благодаря внутреннему (отключаемому) стабилизатору напряжения значительно снижена стоимость источника питания схемы.
Электронные модули для счетчиков электроэнергии. Отличные метрологические характеристики и способность микросхем типа SPM-2 работать как с гармоническими, так и с негармоническими сигналами любой формы в широком диапазоне частот, в том числе с сигналами постоянного тока и напряжения, позволяют реализовать на них любые типы СЭЭ в сетях переменного и постоянного тока. На основе БИС SPM-2 с применением безвыводных бескорпусных компонентов и поверхностного монтажа созданы два электронных модуля, повышающих технологичность СЭЭ и снижающих их стоимость. Это законченные метрологические устройства, измеряющие потребляемую мощность, а также формирующие сигналы телеметрии и команды управления. Один из модулей предназначен для одно- и двухтарифных СЭЭ класса 1,0. Для этого к нему достаточно подключить датчик тока (трансформатор тока или шунт), а также стандартное электромеханическое отсчетное устройство и поместить в корпус с клеммами. Модуль имеет гальваническую развязку (три оптрона) для входов и выходов телеметрии и команд управления, встроенную защиту по входным токам и напряжениям, а также варисторную защиту от перенапряжений сети. Его габариты – 25х55х100 мм. Второй модуль ориентирован на однотарифные СЭЭ класса 2,0. Он содержит встроенный шунтовой датчик тока, встроенную защиту по входным токам и напряжениям и варисторную защиту от перенапряжений, но не имеет встроенных оптронов для гальванической развязки. Цепи управления внешними оптронами выведены на специальный соединитель. Для реализации СЭЭ к такому модулю необходимо добавить стандартное электромеханическое отсчетное устройство (в случае необходимости – оптроны гальванической развязки) и поместить в корпус с клеммами. Габариты модуля – 29х32х62 мм.
Комплексные испытания СЭЭ, основанных на этих модулях, показали высокое качество изготовления и надежность. Они полностью соответствуют расчетным характеристикам, требованиям ГОСТ 30207-94 и общеевропейских стандартов, а также рекомендациям МЭК 687-92. Уже разрабатываются электронные модули для одно- и трехфазных СЭЭ с встроенными контроллерами, часами реального времени и энергонезависимым ЗУ, а также многофункциональные интеллектуальные СЭЭ, обеспечивающие еще и контроль качества энергии.
Активные датчики тока и напряжения. Поскольку погрешность электронных счетчиков электроэнергии, в основном, определяется погрешностью применяемых в них датчиков тока, работы над их совершенствованием активно ведутся во всем мире. Идеальный датчик тока должен с минимальной погрешностью измерять постоянный и переменный ток произвольной формы. Между тем при импульсных нагрузках, в том числе высокочастотных (относительно частоты сети), импульсные токи, содержащие высокую долю высших гармоник и постоянной составляющей, могут довести погрешности датчиков тока до неприемлемых значений.
Метрологические требования к датчикам тока значительно возросли с введением ГОСТов 30206-94 и 30207-94. Теперь электронные счетчики необходимо также аттестовывать по дополнительной погрешности, вызванной постоянной составляющей в токовой цепи счетчика; электромагнитной совместимости; температурному коэффициенту счетчика на любом интервале диапазона температур; долговременной стабильности параметров, а также по минимальной стоимости. Не удивительно, что сегодня многие серийно выпускаемые СЭЭ не удовлетворяют требованиям новых ГОСТов, кстати, порой весьма противоречивым. Однако включение датчика в состав эффективной системы автоматического регулирования (САР) позволяет придать ему заданные свойства, т.е. сформировать требуемые амплитудную и амплитудно-частотную характеристики и адаптировать датчик к любым входным воздействиям и дестабилизирующим факторам.
Самые массовые и широко распространенные датчики тока – трансформаторы тока (ТТ). Включение ТТ в состав САР превращает его в адаптивный элемент с жесткой отрицательной обратной связью по переменному и постоянному токам. Магнитный поток, возникающий в результате входного воздействия, уничтожается противоположным по направлению магнитным потоком, создаваемым выходным напряжением или током цепи обратной связи. В результате повышается линейность, значительно снижаются угловые и фазовые ошибки, устраняется возможность насыщения сердечника ТТ. Затрачиваемая на эту процедуру энергия, строго пропорциональная первичному току ТТ, после некоторого преобразования поступает на выход датчика. Воздействие глубокой отрицательной обратной связи на магнитный поток ТТ значительно расширяет его частотный диапазон (главным образом, в сторону низких частот), повышает чувствительность датчика в целом, а также стабилизирует его параметры во времени и при наличии дестабилизирующих факторов. Применение импульсной САР позволяет использовать датчик на основе ТТ для измерения постоянных токов с такой же точностью, что и для переменных токов. При этом благодаря трансформатору сохраняется гальваническая развязка между входом и выходом датчика. Таким образом, трансформаторный датчик тока, дополненный электронными средствами (функция САР), превращается в активный прецизионный датчик постоянных и переменных напряжений с хорошей гальванической развязкой. Функцию САР может выполнять недорогая специализированная микросхема, разработка которой начнется по окончании исследовательских работ.
Испытания экспериментального образца активного датчика показали следующие результаты:
Реальная возможность формирования таких характеристик, как высокая чувствительность, гальваническая развязка, малые масса и габариты, позволяет создавать по предложенному принципу активные измерительные ТТ и трансформаторы напряжения, которые заменят существующие измерительные ТТ и трансформаторы напряжения в низковольтных и высоковольтных электрических сетях. Благодаря высокой чувствительности активные датчики тока можно включать не в разрыв цепи, а в ответвления, что резко снижает массогабаритные параметры измерительной аппаратуры и упрощает ее эксплуатацию.
К сожалению, существующая практика поверки и квалификационных испытаний при идеально синусоидальных токах и напряжениях не выявляет в полной мере преимущества активных датчиков тока и напряжения. Оценить по достоинству возможности активных датчиков можно только в близких к реальным или в более жестких условиях.
Специализированные микросхемы, электронные модули, СЭЭ, активные датчики тока и напряжения, а также автоматизированная система контроля и управления энергопотреблением и программный продукт для нее разрабатываются и производятся в рамках программы “Электроника для энергетики”, объединяющей вокруг НПФ “Прорыв” около десятка серийных заводов страны. Поставляемая прецизионная продукция имеет оптимальное соотношение стоимость/эффективность, что позволяет создавать энергосберегающие технологии любой сложности с высоким КПД, обеспечивающие значительную экономию средств как у потребителя, так и у поставщика электроэнергии. НПФ “Прорыв” приглашает все заинтересованные фирмы и организации принять участие в разработке новых изделий, их серийном производстве или долевом финансировании этих работ.
Дополнительную информацию можно получить по телефону (095) 556-6603
Отзывы читателей
