HU228200B1 - Measuring circuit arrangement for electricity meters for direct connection - Google Patents

Description

Mérőórámkor elrendezés közvetlen csatlakoztatásé villamos

A találmány a fogyasztásmérő-technika területére sorolandó be, amely egy feszültség meghatározásra és áram meghatározásra szolgáló méröáramkör elrendezésre vonatkozik közvetlen csatiakoztatású villamos fogyasztásmérőkhöz.

Ipari felhasználási területeken az elektronikus fogyasztásmérők messzemenően elterjedtek az elektromechanikus számlálókkal szemben mutatkozó előnyeik révén. Ezeknek az Ipari fogyasztásmérőknek a csatlakoztatása ismeretes módon közvetett, azaz olyan áramváltókon illetve feszültségváltókon keresztül történik, melyek megfelelő, szabványok szerinti jellemzőkkel rendelkeznek. Az elektronikus fogyasztásmérők kiemelkedő tulajdonságaiként elsősorban a távleolvasás lehetősége, valamint a karbantartás-mentesség, a csekély készülék méretek, a nagyobb pontosság és a szélesebb áramerősség tartomány említendő.

Az elektromechanikus fogyasztásmérőkhöz képest mutatkozó nviívánvaló előnyökre való tekintettel az

SKUS alkalmazása a háztartásokban is fokozatosan nagyobb jelentőséget nyer. Egyik alapvető különbségnek e háztartási fogyasztásmérők és az említett ipari fogyasztásmérők között szerelési elrendezésük tekinthető. így a háztartási fogyasztásmérők jellegzetesen közvetlenül vannak csatlakoztatva; ez azt jelenti, hogy ezek közvetlenül a rákapcsolt terhelés vezetékére vannak csatlakoztatva. Itt kulcskérdésként merül fel az áram meghatározás, minthogy itt a fogyasztásmérőnél potenciál leválasztás történik és ezen felül az 1EC 1036 nemzetközi szabvány szerint magas követelményeket támasztanak e fogyasztásmérőkkel szemben. Az áram meghatározásánál és a feszültség meghatározásánál a szabvány szerinti pontossági követelmények kis amplitúdó-hibát tartalmaznak egy csekély fázishibát (<0,3^a), és egy kis linearitási hibát. Az említett szabvány szerint ezen kívül egy Ua»Ár egyenáram: ί”.

tűrést is el kell érni; ez azt jelenti, hogy egy ilyen elektronikus fogyasztásmérőnek olyan vegyes áramú terhelésnél, amely <U_axfo egyenáramú összetevőt Is tartalmaz, a szabvány szerint továbbra Is képes legyen mérni. Ezek a közvetlen csatlakoztaíású elektronikus villamos fogyasztásmérők l_m3xfo egyenáramú hányadig nem szabad, hogy telítésbe kerüljenek, még ilyen egyenáramú eiőmágnesezésnél is a terhelő áram váltakozó áramú hányadát Usx határig le tudják képezni

Ismertek olyan méröáramkör elrendezések, amelyeknél alkalmazott áramváltókat az egyenáramú összetevő < értékéig lehet használni, ezek az egyenáramot elviselő áramváltók azonban nem tesznek eleget a legnagyobb megengedett fáziseltolás követelményének, mert ezekben az áram és feszültség mért értékel között akár 5° fáziseltolódások is felléphetnek. Ez azt jelenti, hogy azokat az egyenáramot elviselő áramváltókat amelyek a különleges anyagkiválasztás miatt költségesebbek, mint a hagyományos áramváltók, még egy megfelelő, ugyancsak költségekkel járó fáziskiegyenlitö elrendezéssel kell kiegészíteni.

Egy olyan időkésleltetéssel működő fáziseltolás, amilyent például a DE 198 39 410 A1 szabadalom ismertet, Itt csak korlátozottan nyújt segítséget. Minthogy a háztartási fogyasztásmérők tömegáruk, az összes alkatrész kiválasztásánál a gazdasági tényezők különleges jelentőségűek. Ezért egy hagyományos fogyasztásmérőben elhelyezett időkésleltetés révén működő fáziseltolás korrekciónak csak szűk határok között vannak a lehetőségei és ezen felül ez az időeltolásos korrekció nincs kötve a frekvenciához, ezért ez a korrekció frekvenciafüggő, igy korlátozottan alkalmazható.

Mindaddig azonban,, amíg a fogyasztásmérők alapján történő energia leszámlázásánál az egyenáramot nem kell mérni, hanem minden esetben csak “el kell viselni”, a transzformátorral: működő érzékelők ~ főképpen egyszerűségűk, olcsóságuk és erős kivitelük miatt - fennmaradnak. Ebből a szempontból ez idáig figyelembe kellett venni azt a tényt is, hogy az áramváltók az áramsürűséggel kapcsolatos kivitelük miatt nagyobbak, nehezebbek és

- 3 ezáltal drágábbak más érzékelőkhöz képest, mint amilyenek például a feszültségváltók.

Jelen találmány megkísérli a bemutatott problémák megoldását. Ezért a találmány feladata a fenti típusú villamos fogyasztásmérőkhöz egy olyan méröáramkör elrendezés kialakítása, amely vegyesáramú terhelésnél is képes egy egyenáramú terhelés szabványban előírt határértékeinek károsodás nélküli elviselésére és e mellett a szabvány határértékein belül helyesen állapítja meg az összes üzemileg használatos frekvenciáknál a hatásos és a látszólagos teljesítményt. A találmány feladata továbbá, hogy ez a mérőáramkör elrendezés legyen erős, robusztus felépítésű és emellett a tömeges felhasználásra való tekintettel egyszerű és olcsón előállítható.

A találmány elé kitűzött feladatot az 1. Igénypont jellemzőivel oldottuk meg. A találmány további előnyős kiviteli alakjait az aligénypontokban határoztuk meg.

A találmány lényege abban van. hogy a közvetlen osatlakoztatású villamos fogyasztásmérőknél az áram útjába egy mérösőnt kerül egy utána kapcsolt feszültségváltóval, amely a mérendő áramot feszültséggé alakítja át, ahol a feszültségváltó egyrészt biztosítja a galvanikus leválasztást az utána kapcsolt méröchíp számára, másrészt képes egy szabvány szerinti egyenáramú terhelést elviselni, anélkül, hogy az áram és a feszültség közötti szabványos határokon belül fellépő fázisszög-hibát túllépné. Itt ki kell emelnünk azt, hogy a feszültségváltót különös módon keli illeszteni, nevezetesen a feszültségváltó ohmos ellenállása egyrészt elég nagy kell, hogy legyen ahhoz, hogy a mérésre kerülő áram legnagyobb, szabványnak megfelelő egyenáramú hányada azt ne vigye telítésbe, másrészt azonban elég kicsinek kell lennie ahhoz, hogy a legnagyobb, szabványban előirt, a feszültségváltó induktivitása által előidézett fázisszög hibát ne lépjük tűi.

A rajzon egy kiviteli példa van vázlatosan és egyszerűsítve szemléltetve, ahol az

Λ * V'*' ¹ a találmány szerinti, közvetlen csatlakoztatásű elektronikus villamos fogyasztásmérő mérőáramkörét szemlélteti.

Az 1. ábrán egy 1 mérőáramkör elrendezés látható közvetlen csatlakoztatásé elektronikus villamos fogyasztásmérőkhöz, amelynek egy háromfázisú: hálózat minden fázisában egy 2 mérőchipre csatlakozó 3 feszültségmérő bemenete és egy 4 árammérő bemenete van. Ennek a 2 mérőchipnek egy 6 korrigáló készüléke van a feszülfségértékek és az áramértékek közötti fáziskiegyenlítéshez, A feszültség meghatározására szolgáló 3 feszülfségmérö bemenet előtt egy első R? ellenállásból és egy második R₂ ellenállásból: álló feszültségosztó áramkör van elhelyezve, amely a mérendő feszültséget a 2 mérőchipnek megfelelő feszültség szintre csökkenti.

Közvetlenül a 4 árammérő bemenet elé egy 5 feszültségváltó van beiktatva, amely elé egy R_Sh mérősönf van kapcsolva. Az R_Sh mérősőntön átfolyó és mérendő áram ezen az R^ mérősőntön egy, az áramerősséggel arányos feszültségesést hoz létre, amelyet az 5 feszültségváltó segítségévei az áram meghatározására szolgáló 4 árammérő bemenetnek megfelelő feszültségszintre transzformálódik le, A primer N< menetszám és az N₂ szekunder menetszám Ní/N₂ viszonyával lehet a feszültség szintet a 2 méröchíp 4 árammérő bemenetéhez beállítani. Ezen kívül az 5 feszültségváltó biztosítja a szükséges gaivanlkos leválasztást is.

Az 5 feszültségváltó lehetőleg kis szöghibájára való tekintettel a primer oldalon ~ tehát az Rsj? mérosőnt felé - az 5 feszültségváltó (nem ábrázolt) ohmos értékét lehetőleg kis értékre kell megválasztani. Ez a következő megfontoláson alapszik:

Ez az R ohmos ellenállás arányosan viselkedik az 5 feszültségváltó Ni primer menetszámának négyzetével:

R ~ A_r * N·,² il) '♦ · * «

5>·«Χ 4 ~·* * ahol Ar a vasmagra jellemző primer menetszám ellenállás együtthatója.

Ugyanez vonatkozik az 5 feszültségváltó l induktivitására is, itt azonban a vasmagra jellemző Al fő induktivitás! (ugyancsak nem ábrázolt) együtthatót vettük íiqyelembe:

(2) L = A_l* Nő

Ismeret módon a következő érvényes:

/Zs\ í3,s

R ^Ag ^tüL mALN| ^wAL

Ebből az következik, hogy a § szöghiba - melynek energia mérésénél a szabványnak megfelelően kicsinek kell tennie - független az 5 feszültségváltó menetszámától, igy tehát csak az R ohmos ellenállást kell az (1) és a (2) képlet szerint! L-lel az o>L impedanciához képest lehetőleg kis értékűre megválasztani,

A továbbiakban azonban az δ feszültségváltó R ohmos ellenállása legalább olyan nagy keli lennie, hogy az azon átfolyó áram a feszültségváltót a szabványnak megfelelően ne mágnesezze elő megengedhetetlen mértékben. Az 1 mérőórámkor elrendezésnek - amelybe a 4 árammérő bemenet előtti 5 feszültségváltó Is beletartozik - ugyanis a szabványok szerint képesnek kel! lennie a terhelő vegyes áram egyenáramú összetevője < l_mx/% hányadának elviselésére és eközben a közvetlen csattakoztatású villamos fogyasztásmérővel végzett energia méréséhez a váltakozó áramú összetevő értékének meghatározására.

Ezért van jelentősége annak, hogy az 1 mérőórámkor elrendezés az egyenáram elviselő képesség tekintetében különleges kialakítású legyen, ahol kizárólag e különleges szempontból az 1 mérőáramkör elrendezés váltakozó áram mérési képessége figyelmen kívül marad.

Az egyenáram elviselő képesség tekintetében az 5 feszültségváltó íeszüitségesése:

« * 0« (4) Rsh fen ~ k ahol az Uh az R_Sh mérősöntőn átfolyó egyenáramú hányad és U ^3Z 5 feszültségválté R ellenállásán át folyó egyenáramú hányad. A (4) egyenlet egyenértékű a következővel:

Az 5 feszültségváltó egyenáramú terhelése révén keletkező Η_δ mágneses erőtérre a következő összefüggés érvényes:

(8)

H,

ahol U a mágneses kör átlagos vasmag hosszúsága; ebből következik az (5) (íj H,.j - 1-._SH

SS ami egyenértékű a következőkkel (8) R

H, ö ’m

Ebből közvetlenül az következik, hogy egy, a kiválasztott vasmag anyag Hq ~ Homax legnagyobb megengedett térerősségénél és az Rg_H mérősöntőn előálló bswRas legnagyobb feszültségesesnél a feszültségváltó R ohmos ellenállása egyenesen arányos az N_t menetszámmal. Ennek következtében ez ·♦ >· φ <0 φ φ φ φφ *< Φ MfV * * ♦' * * » * ·ν - * ⁴ * # Φ^φφ ♦ * φ ** * φ w * ’·*· »» »4, ♦♦♦« az R ohmos ellenállás nagyobb vagy egyenlő kell legyen egy R_min legkisebb értéknél, melyet a kővetkező képletből kapunk:

(9) franci > JS§Í*Z®ÍM Η I ' Smax'Eri

Az első feltétel segítségévet amely az 5 feszültségváltó R ohmos ellenállására az (1) - (3) egyenletekből adódik, nevezeten R-t az NI menetszám négyzete függvényében lehetőleg kis értékre kell választani, és a második feltétellel, a (9) egyenletből, mely szerint R legkisebb értékét az N1 menetszám függvényében lehet meghatározni, meg lehet határozni egy előnyős R ellenállás értéket. Ezzel az előnyős R ellenállás értékkel ezután egyrészt egy villamos fogyasztásmérő szabvány szerinti egyenáramú terhelésénél az 5 feszültségváltót nem visszük telítésbe, másrészt az átalakításnál a szöghibát alacsony értéken tudjuk tartani.

Annak érdekében, hogy az. előző egyenletek figyelembe vételével biztosítani lehessen az 1 mérőáramkőr elrendezés max. szabvány szerinti egyenáram elvlselhetőségét, az 5 feszültségváltó vasmagját nagy perroeabslíiású anyagból kell előállítani. Ezeknek a nagy permeabilitásű anyagoknak nagy az At önindukciós együtthatójuk és jól meghatározottak a értékeik. Ezáltal különösen alkalmasak olyan villamos fogyasztásmérőkben történő alkalmazásra, melyek saját lEC-szabványuknak megfelelően egyenáram-tűröek.

A 2 mérőchlp - amint már említettük ~ egy 6 fáziseitérést korrigáló készülékkel rendelkezik, melynek segítségével a 3 feszültségmérő bemenet és a 4 árammérő bemenet között fázíseltoiást lehet létrehozni. Minthogy ez a fázíseltoiás a találmány szerinti 1 mérőáramkör elrendezés feszültségváltójának a találmány szerinti kialakítása révén csekély, figyelembe lehet venni, hogy a 6 fáziseitérést korrigáló készülékkel végzett fázis kiegyenlítés frekvenciafüggő legyen. A 6 fáziseltérést korrigáló készülék egyszerű kivitelezése egy olyan ~ 8 programozható késleltetést tesz lehetővé, melyet szoftverrel lehet megvalósítani. Magától értetődően elképzelhető egy szerkezeti elemekkel megvalósított fázisklegyenlités is a 8 fáziseltérést korrigáló készülékkel, ahol az ilyen szerkezeti elemekkel létrehozott kiegyenlítés frekvenciafüggő. A hatályos szabvány szerint az áram és feszültség közötti fáziseltolás nem haladhatja meg

Az ábrán bemutatott háromfázisú mérőáramkör elrendezés természetesen kivitelezhető egyfázisúként is, amihez nincs szükség feltalálói tevékenységre.

Claims (5)

1. Mérőórámkor elrendezés (1) kovetlen csatlakoztatású villamos fogyasztásmérőkhöz, amelynek feszültségmérö első bemenete (3) és árammérő második bemenete (4) van, továbbá az árammérő második bemenet (4) előtt, egy mérősönt (R$h) és a második bemenet (4) között galvanlkus leválasztást biztosító feszültségváltó (5) van elrendezve, azzal jeilemezve, hogy a feszültségváltó (5) a mérősönt (Rsh) felé olyan minimális értékű (Rmad) ohmos ellenállást (R) mutat, amely egyrészt kellő mértékben korlátozza a feszültségváltó (5) szabványos egyenáramú igénybevételét az ohmos ellenállás (R) minimális értékére (R^d)

R >

Ra I ’Oresx re egyenlőtlenség teljesülésével: ahol

IrshKsh ” a feszültségváltón (5) lévő egyenfeszülltség-esés,

Hsmax a feszültség váltóban (5) lévő egyenáramú terhelés folytán adódó legnagyobb megengedett mágneses térerő, l_m. ~ a feszültségváltóban (8) lévő mágneses kör átlagos vasmag bosszúsága, és

N-s - a primeroldali menetszám, másrészt pedig ez az ohmos ellenállás elég kis értékű ahhoz, hogy a feszültségváltó (5) induktivitásával (L) együtt csak egy szabvány által ta n δ = ^ωί ωΑΕΝ^ ^wAL egyenlőség teljesülésével, ahol ♦* 4 «β» ¢(4 4 «ί ) 4 ♦ 4* 4 .4 * «*C»4tor Λ, X 4X * * 4 X 4

X 4 X * 4 λ * * * ’i/· Λ ^%*s* «Γ 4· 4 « _Λ V* ** ««X tan δ - 0,3⁰.

Ar = a vasmagra jellemző primer menetszám ellenállás együttható,

Al a vasmagra jellemző fő ind aktivitási együttható, és Ni ~ a primeroldali menetszám.

2. Az 1. igénypont szerinti mérőáramkör elrendezés (1), azzal jellemezve, hogy a feszültségváltó (5) egy íoroidmagos feszültségváltó.

3 Az 1. vagy 2. igénypont szerinti mérőáramkör elrendezés (1), azzal jellemezve, hogy a feszültségváltó (5) nagy permeabültású magja férőiből, permailoyból vagy egy nanoknstáiyos anyagból van.

4. Az 1-3. Igénypontok bármelyike szerinti mérőáramkör elrendezés (1), azzal jellemezve, hogy az első és második bemenetekkel (3, 4) egy méröcbíp (2) van összekötve, amelynek a feszültségmérés és az árammérés közötti fáziskompenzáJást kiegyenlítő, programozható korrigáló készüléke (6) van.

5. A 4, igénypont szerinti mérőáramkör elrendezés (1), azzal jellemezve, hogy a mérőchipnek (2) a feszültségváltó (5) menetarányával beállítható jelszintű második bemenete (4) van.