PL182947B1 - Układ mnożnika napięć licznika energii elektrycznej - Google Patents

Abstract

Układ mnożnika napięć licznika energii elektrycznej posiadający modulator szerokości impulsów oraz układ przełączający, w którym jedno wejście przyłączone jest do napięcia wejściowego a drugie wejście przyłączone jest do wyjścia modulatora szerokości impulsów, znamienny tym, że posiada układ komparatora (K1), którego zaciski zasilające przyłączone są do napięć zasilających (+Uz, - Uz), natomiast wejście nieodwracąjące połączone jest do wyjścia dzielnika rezystorowego (R2, R3) połączonego swym wejściem do wyjścia komparatora (K1), do którego wejścia odwracającego przyłączone są kondensator (C1), którego druga końcówka połączona jest z masą układu, rezystor (R1) przyłączony drugą końcówką do wyjścia komparatora (K1) oraz suwak potencjometru (P1), do którego z kolei zewnętrznych końców, poprzez rezystory (R5, R6), przyłączone są dwa napięcia wejściowe (Uwe3 i Uwe4).

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ mnożnika napięć licznika energii elektrycznej, zwłaszcza licznika do jednoczesnego pomiaru energii czynnej i biernej.

Rozwiązania układów mnożników działające na zasadzie modulacji amplitudy i czasu trwania impulsów znane są z opisów patentowych USA nr nr 4.315.212, 4.596.951 i 4.761.605 oraz z polskiego zgłoszenia patentowego P-297394 ogłoszonego w Biuletynie Urzędu Patentowego nr 15 z 1994 r. na str. 46. W rozwiązaniach tych mnożnik składa się z układu przełączającego i układu modulatora szerokości impulsów.

Układy przedstawione w powyższych rozwiązaniach wykonują operację wymnożenia dwóch napięć wejściowych z których jedno podawane jest na układ przełączający, drugie na wejście modulatora szerokości impulsów. Wadą tych układów w zastosowaniu do pomiaru energii czynnej i biernej w jednym układzie pomiarowym jest konieczność zastosowania odpowiednich przesuwników napięć fazowych lub podawania na układ pomiarowy jednocześnie napięć fazowych i międzyfazowych, co komplikuje układ pomiarowy i prowadzi do obniżenia dokładności pomiaru.

Układ mnożnika napięć licznika energii elektrycznej, według wynalazku, posiadający modulator szerokości impulsów oraz układ przełączający, w którym jedno wejście przyłączone jest do napięcia wejściowego a drugie wejście przyłączone jest do wyjścia modulatora szerokości impulsów, charakteryzuje się tym, że posiada układ komparatora, którego zaciski zasilające przyłączone są do napięć zasilających, natomiast wejście nieodwracąjące połączone jest do wyjścia dzielnika rezystorowego połączonego swym wejściem do wyjścia komparatora, do którego wejścia odwracającego przyłączone są kondensator, którego druga końcówka połączona jest z masą układu, rezystor przyłączony jest drugą końcówką do wyjścia komparatora oraz suwak potencjometru, do którego z kolei zewnętrznych końców, poprzez rezystory, przyłączone są dwa napięcia wejściowe.

Odmianę układu mnożnika stanowi układ w którym do końcówki kondensatora, połączonej z wejściem odwracającym komparatora, przyłączony jest rezystor do którego drugiego końca przyłączone jest napięcie wejściowe.

Układ mnożnika napięć według wynalazku, działający na zasadzie modulacji amplitudy i szerokości impulsów, upraszcza i zwiększa jego uniwersalność w porównaniu do mnożników dotychczas stosowanych, w szczególności poprzez znaczne uproszczenie układu modulatora szerokości impulsów, wchodzącego w skład układu mnożnika, i zastosowanie dwóch

182 947 wejść dla sygnałów modulujących szerokość impulsów, umożliwiające zbudowanie na bazie mnożnika prostych układów do pomiaru mocy lub energii czynnej i biernej dla sieci trójfazowej trójprzewodowej i czteroprzewodowej. Rozwiązano też sposób kalibracji układu przy sin φ = 0,5 nie wpływający na jego pracę przy sin φ = 1, co znacznie upraszcza proces wzorcowania urządzenia w którym układ znajduje zastosowanie.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie realizacji stosowanej w liczniku energii elektrycznej czynnej i biernej do sieci trójfazowej, czteroprzewodowej, jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ mnożnika stosowany w torze pomiarowym energii biernej, fig. 2 - obwód wejściowy układu mnożnika w torze pomiarowym energii czynnej, natomiast fig. 3 przedstawia wykres wskazowy napięć w obwodzie pomiarowym energii biernej.

W torze pomiaru energii biernej układu mnożnika napięć, stosowanego w liczniku energii elektrycznej w sieci trójfazowej czteroprzewodowej, jedno z napięć wejściowych Uwe1 (odpowiadające prądowi fazowemu) podawane jest bezpośrednio na jedno z wejść układu przełączającego SW1. Natomiast na drugie wejście układu przełączającego SW1 podawane jest napięcie wejściowe przez układ zmiany znaku Al, a wyjście układu przełączającego SW1 stanowi jednocześnie wyjście mnożnika. Wejście sterujące układu przełączającego SW1 przyłączone jest do wyjścia modulatora szerokości impulsów posiadającego układ komparatora K1 cechujący się małymi spadkami napięć pomiędzy zaciskami zasilającymi a wy’ściem, zasilany wysokostabilnymi napięciami +Uz, -Uz. Wejście nieodwracające komparatora K1 połączone jest do wy'ścia dzielnika rezystorowego R2, R3 połączonego swym wejściem do wyjścia komparatora K1. Do wejścia odwracającego komparatora K1, przyłączone są kondensator C1, którego druga końcówka połączona jest z masą układu, rezystor R1 przyłączony drugą końcówką do wyjścia komparatora K1 oraz suwak potencjometru P1, do którego zewnętrznych końców, poprzez rezystory R5, R6 przyłączone są dwa napięcia wejściowe Uwe3 i Uwe4 (układ II na fig. 1).

W torze pomiaru energii czynnej układ upraszcza się, ponieważ do kondensatora C1 doprowadzone jest poprzez rezystor tylko jedno napięcie wejściowe (napięcie Uwe2 poprzez rezystor R4 w układzie I na fig.2).

W torze pomiaru energii czynnej na wejście We1 mnożnika podawane jest napięcie Uwe1 z układu przetwornika prądowo-napięciowego o wartości proporcjonalnej do prądu fazowego w prądowym obwodzie pomiarowym licznika. Natomiast na wejście We2 podawane jest napięcie Uwe2 o wartości proporcjonalnej do napięcia fazowego w napięciowym obwodzie pomiarowym licznika.

Układ modulatora, którego podstawowym elementem jest komparator K1, pracuje w układzie generatora astabilnego, w którym czas trwania impulsu i przerwa pomiędzy impulsami wynika z czasów ładowania i rozładowania kondensatora Cl prądami płynącymi przez rezystancje R1 i R4. Przy spełnieniu warunków takich, że napięcie histerezy komparatora, wynikające z doboru rezystorów R2 i R3, jest dużo mniejsze od napięcia zasilającego komparator K1, spadki napięć pomiędzy zaciskami zasilającymi komparatora K1 a wyjściem są bardzo małe, można przyjąć, że kondensator Cl ładuje i rozładowywuje się liniowo, a różnica czasu trwania impulsu oraz czasu przerwy pomiędzy impulsami w stosunku do sumy tych czasów jest proporcjonalna do wejściowego napięcia Uwe2. Napięciem wy'ściowym komparatora K1 sterowany jest układ przełącznika SW1. Jeśli w czasie trwania impulsu z komparatora na wyjście przełącznika podawany jest sygnał z wejścia mnożnika tj. Uwy = Uwe, natomiast w czasie przerwy pomiędzy impulsami napięcie o wartości przeciwnej Uwy = -Uwe, to wartość średnia napięcia na wyjściu mnożnika Uwy, w czasie trwania okresu przebiegu sterującego, będzie proporcjonalna do iloczynu przełączanego napięcia wejściowego Uwe1 i wejściowego napięcia modulującego Uwe2. Jeśli okres przełączania jest krótki i dużo mniejszy od czasu reakcji urządzenia przyłączonego do wyjścia mnożnika, to można przyjąć, że wartość średnia w okresie przełączania odpowiada wartości chwilowej i jest proporcjonalna do iloczynu chwilowych wartości napięć Uwe1 i Uwe2.

Uwy = k · Uwe1 · Uwe2

182 947

Jeśli napięcie Uwel proporcjonalne jest do prądu fazowego w obwodzie mierzonym, a napięcie Uwe2 do napięcia fazowego w obwodzie mierzonym to wartość napięcia na wyjściu mnożnika odpowiadać będzie wartości chwilowej mocy mierzonej w danej fazie a przy prądzie przemiennym wartość średnia tego napięcia w okresie T odpowiadać będzie mocy czynnej przebiegu mierzonego i w przypadku przebiegów sinusoidalnych będzie wynosić:

Uwy(T) = M · Ur · Ir · cosę gdzie:

Ur i Ir - oznaczają wartości skuteczne napięcia i prądu w mierzonym obwodzie,

M - wypadkowy współczynnik proporcjonalności wynikający z elementów układu, φ - przesunięcie kątowe pomiędzy prądem Ir i napięciem Ur.

Jeśli analogiczny układ zastosuje się do trzech faz otrzymuje się układ watomierza mogący mieć zastosowanie w licznikach energii elektrycznej czynnej dla sieci trójfazowej czteroprzewodowej.

Układy modulatorów mnożników pracujących w torze pomiaru energii biernej posiadają dwa wejścia We3, We4 dla napięć modulujących. Ponieważ kondensator Cl ładowany jest poprzez rezystory R5 i R6 sumą dwóch prądów wywołanych przez napięcia Uwe3 i Uwe4, chwilowe napięcie wyjściowe mnożnika Uwy (tzn. w rzeczywistości wartość średnia napięcia w okresie przełączania klucza SW1) będzie spełniało zależność:

Uwy = k · Uwel · (Uwe3 + Uwe4) przy czym Uwel i Uwe2 - oznaczają także wartości chwilowe napięć.

Jeśli napięcie Uwel będzie proporcjonalne do prądu w obwodzie pomiarowym fazy R; Uwel = kl · Ir, napięcie Uwe3 do napięcia w fazie S; Uwe3 = k2 · Us, napięcie Uwe4 do napięcia w fazie T ze znakiem przeciwnym; Uwe4 = -k3 · Ut napięcie na wyjściu mnożnika będzie określone zależnością:

Uwy = k - kl · lR-(k2 - Us - k3 · Ut)

Jeśli tory w układach napięciowych są równe, to wówczas k2 = k3 i powyższą równość można zapisać:

Uwy = m · Ir· (Us - Ut) gdzie: m - wypadkowy współczynnik proporcjonalności.

Z wykresu wskazowego napięć występujących w układzie trójfazowym, przedstawionego na fig. 3, widać, że różnica napięć Us - Ut równa jest napięciu międzyfazowemu Ust i równanie powyższe przyjmie postać:

Uwy = m · Ir · Ust

Dla sinusoidalnych przebiegów wejściowych, powyższe równanie można zapisać przyjmując, że symbole Ir i Ust oznaczają wartości skuteczne. Wartość średnia napięcia wyjściowego w okresie T będzie równa:

Uwy(T) = m · Ir· Ust · cos ψ gdzie: kąt ψ - oznacza kąt pomiędzy prądem Ir i napięciem Ust.

182 947

Z figury 3 wykresu wskazowego napięć w sieci trójfazowej wynika, że napięcie międzyprzewodowe Ust = 73 · Ur, jest przesunięte względem napięcia fazowego Ur o kąt równy 90° i powyższa zależność może być zapisana:

Uwy(T) = M · Ir - Ur - sin φ gdzie:

M = 73 · m,

Ur i Ir - wartości skuteczne napięcia i prądu w fazie R, φ - przesunięcie kątowe pomiędzy napięciem Ur i prądem Ir.

Z powyższej zależności wynika, że wartość średnia napięcia na wyjściu mnożnika odpowiada mocy biernej mierzonej w fazie R.

Jeśli analogiczny układ zastosuje się do trzech faz otrzymuje się układ waromierza mogący mieć zastosowanie w licznikach energii elektrycznej biernej dla sieci trójfazowej czteroprzewodowęj.

W praktyce tory w obwodach napięciowych nie są równe i zależność ki = k2 nie jest spełniona. Jeśli licznik będzie wywzorcowany przy sin φ = 1 (współczynnik M ustawiony za pomocą środków nie przedstawionych w niniejszym opisie), nierówność torów objawiać się będzie dodatkowymi błędami pomiarów dla sin φ * 1 tj. błędami przesunięcia fazowego. Odpowiednią regulację uzyskać można poprzez zmianę wartości rezystancji włączonych pomiędzy wejścia We3 i We4 układu i kondensator Cl, a tym samym zmieniając proporcje prądów ładujących kondensator Cl. Jeśli układ regulacji będzie tak skonstruowany, że zwiększenie prądu ładującego w gałęzi przyłączonej do fazy S (wejście We3) będzie odbywało się jednocześnie ze zmniejszeniem prądu w gałęzi przyłączonej do fazy T (wejście We4), lub odwrotnie, efekt regulacji będzie taki, jak przy obrocie wskazu napięcia Ust wokół punktu O (fig. 3). Cel regulacji zostanie osiągnięty, jeśli wskaż napięcia Ust będzie prostopadły do wskazu napięcia Ur. Rozwiązaniem w pełni spełniającym założenie jest rozwiązanie polegające na doprowadzeniu prądu ładującego kondensator Cl z suwaka potencjometru P1 włączonego swymi zewnętrznymi końcówkami do wejść We3 i We4 za pośrednictwem rezystorów R5 i R6 (fig. 1). Układ charakteryzuje się tym, że zmiana położenia suwaka w szerokich granicach nie wpływa praktycznie na wywzorcowanie licznika przy sin φ = 1, natomiast pozwala precyzyjnie ustawić błąd licznika przy sin φ * 1 np. w punkcie wzorcowania sin φ = 0,5. Rozwiązanie regulacji niezależne dla punktu pomiarowego sin φ = 0,5, nie wpływające na regulację dla sin φ = 1 znacznie upraszcza i skraca czas wzorcowania licznika.

Poza przedstawionym w przykładzie realizacji układem stosowanym w liczniku do sieci trójfazowej czteroprzewodowej układ znajduje zastosowanie w liczniku do sieci trójfazowej trójprzewodowej, w którym w torze pomiaru energii czynnej wykorzystuje się napięcia międzyfazowe, co pociąga za sobą stosowanie mnożnika o trzech wejściach, natomiast w torze pomiaru energii biernej napięcia fazowe względem „sztucznego zera, a więc stosowanie mnożnika o dwóch wejściach. Rozwiązanie może także znaleźć zastosowanie w układach watomierzy, waromierzy, przetwornikach moc-napięcie, moc-prąd stosowanych w układach pomiarowych i automatyce, w układach zabezpieczających, w układach kompensacji mocy biernej itp.

182 947

R4

We2 *Uwe2 I

Fig.2

-oC1

182 947

Fig. 3

182 947

Fig. i

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ mnożnika napięć licznika energii elektrycznej posiadający modulator szerokości impulsów oraz układ przełączający, w którym jedno wejście przyłączone jest do napięcia wejściowego a drugie wejście przyłączone jest do wyjścia modulatora szerokości impulsów, znamienny tym, że posiada układ komparatora (K1), którego zaciski zasilające przyłączone są do napięć zasilających (+Uz, -Uz), natomiast wejście nieodwracąjące połączone jest do wyjścia dzielnika rezystorowego (R2, R3) połączonego swym wejściem do wyjścia komparatora (K1), do którego wejścia odwracającego przyłączone są kondensator (C1), którego druga końcówka połączona jest z masą układu, rezystor (R1) przyłączony drugą końcówką do wyjścia komparatora (K1) oraz suwak potencjometru (P1), do którego z kolei zewnętrznych końców, poprzez rezystory (R5, R6), przyłączone są dwa napięcia wejściowe (Uwe3 i Uwe4).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że do końcówki kondensatora (C1), połączonej z wejściem odwracającym komparatora (K1), przyłączony jest rezystor (R4) do którego drugiego końca przyłączone jest napięcie wejściowe (Uwe2).