RU2053516C1

RU2053516C1 - Kilowatt-hour meter

Info

Publication number: RU2053516C1
Application number: RU93050784A
Authority: RU
Inventors: В.П. Завьялов; В.Д. Остудин
Original assignee: Остудин Валентин Дмитриевич
Priority date: 1993-11-04
Filing date: 1993-11-04
Publication date: 1996-01-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: kilowatt-hour meter has main buses 1 and 2, current and voltage metering signal transducers 3 and 4, pulse-width modulator 5, pulse-amplitude modulator 6, synchronization circuit 7, voltage-to-frequency changer 8, counter 9, and stepping motor control circuit 10. EFFECT: improved measurement accuracy. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в счетчиках электрической энергии. The invention relates to electrical engineering and can be used in meters of electrical energy.

Известны счетчики электрической энергии с использованием для перемножения тока и напряжения метода широтно- импульсной модуляции ШИМ и амплитудно-импульсной модуляции АИМ с последующим преобразованием напряжения в частоту [1, 2]
В этих счетчиках схема ШИМ выполнена на основе генератора треугольных импульсов и порогового устройства, схема АИМ на основе аналоговых ключей в качестве умножителя, а при построении преобразователя напряжения в частоту ПНЧ используют метод однотактного интегрирования [1] или компенсации зарядов [2] Данные устройства имеют недостаточную точность из-за разброса показаний на конечном интервале времени измерения.Electric energy meters are known using for multiplying current and voltage the method of pulse width modulation PWM and pulse amplitude modulation AIM with subsequent conversion of voltage to frequency [1, 2]
In these counters, the PWM circuit is based on a triangular pulse generator and a threshold device, the AIM circuit on the basis of analog switches is used as a multiplier, and when constructing a voltage-to-frequency converter of the VLF, the method of single-cycle integration [1] or charge compensation [2] is used. These devices have insufficient accuracy due to scatter of readings over a finite measurement time interval.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее преобразователи измерительных сигналов напряжения и тока, широтно-импульсный умножитель, состоящий из суммирующего элемента на резисторах, генератора последовательности треугольных импульсов и аналогового переключателя на КМОП транзисторах, а также преобразователя напряжения в частоту, выполненного на аналоговом интеграторе, детекторе порогового уровня и генераторе синхроимпульсов [3]
Недостатком прототипа является разброс показаний, регистрируемых на ограниченном интервале времени измерения, например, при регулировке прибора в процессе производства. При этом относительный разброс показаний увеличивается при уменьшении нагрузки в магистральной сети (как правило из-за уменьшения тока).The closest in technical essence is a device containing converters of measuring voltage and current signals, a pulse-width multiplier, consisting of a summing element on resistors, a generator of a sequence of triangular pulses and an analog switch on CMOS transistors, as well as a voltage to frequency converter made on an analog integrator , threshold level detector and clock generator [3]
The disadvantage of the prototype is the scatter of readings recorded over a limited period of time, for example, when adjusting the device during production. In this case, the relative dispersion of readings increases with a decrease in the load in the backbone network (usually due to a decrease in current).

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности счетчика киловатт-часов при измерении электрической энергии. The aim of the invention is to increase the accuracy and sensitivity of the kilowatt-hour meter when measuring electrical energy.

Для этого в счетчик киловатт-часов, содержащий преобразователь измерительных сигналов напряжения и преобразователь измерительных сигналов тока, входы которых подключены к проводам магистральной сети, а их выходы соответственно ко входам ШИМ и АИМ, а первый выход АИМ подключен ко входу ПНЧ, последовательно с которым соединены счетчик и схема управления шаговым двигателем, а также блок питания, вход которого подключен к сети, выходы к нагрузке, при этом ШИМ содержит суммирующий элемент в виде первого и второго последовательно соединенных резисторов, первый вход которого соединен с генератором треугольных импульсов, АИМ содержит управляющий вход, а ПНЧ содержит последовательно соединенные первый интегратор и детектор уровня напряжения, схему синхронизации, первый аналоговый переключатель, выход которого подключен ко входу первого интегратора, а вход соединен с первым выходом блока питания, в схему ПНЧ введены второй интегратор, второй аналоговый переключатель, а детекторы уровня напряжения в схемах ШИМ и ПНЧ выполнены в виде первого и второго Д-триггеров, тактовые входы которых соединены между собой и подключены к первому выходу схемы синхронизации, информационный вход первого Д-триггера подключен к выходу суммирующего элемента, выход первого Д-триггера ко второму входу суммирующего элемента и к управляющему входу АИМ, информационный вход второго Д-триггера соединен с выходом второго интегратора, первый вход которого соединен с выходом первого интегратора, а его второй вход с выходом второго аналогового переключателя, вход которого подключен ко второму выходу блока питания, а управляющий вход к управляющему входу первого аналогового переключателя и ко второму выходу схемы синхронизации. To do this, a kilowatt-hour meter containing a voltage measuring signal converter and a current measuring signal converter, the inputs of which are connected to the wires of the main network, and their outputs are respectively to the PWM and AIM inputs, and the first AIM output is connected to the IF input, which are connected in series with the counter and the control circuit of the stepper motor, as well as a power supply, the input of which is connected to the network, outputs to the load, while the PWM contains a summing element in the form of the first and second series-connected resistors, the first input of which is connected to a triangular pulse generator, the AIM contains a control input, and the VLF contains a first integrator and a voltage level detector, a synchronization circuit, a first analog switch, the output of which is connected to the input of the first integrator, and the input is connected to the first output of the unit power supply, a second integrator, a second analog switch are introduced into the VLF circuit, and voltage level detectors in the PWM and VLF circuits are made in the form of the first and second D-flip-flops, clock inputs which are interconnected and connected to the first output of the synchronization circuit, the information input of the first D-trigger is connected to the output of the summing element, the output of the first D-trigger to the second input of the summing element and to the control input of the AIM, the information input of the second D-trigger is connected to the output of the second integrator, the first input of which is connected to the output of the first integrator, and its second input with the output of the second analog switch, the input of which is connected to the second output of the power supply, and the control input to the input of the first analog switch and the second output of the synchronization circuit.

Существенными признаками, отличающими устройство от прототипа, являются: наличие детектора уровня напряжения в виде Д-триггера в схеме ШИМ, второго интегратора и второго аналогового переключателя в ПНЧ, а также их подключение. The essential features that distinguish the device from the prototype are: the presence of a voltage level detector in the form of a D-trigger in the PWM circuit, a second integrator and a second analog switch in the IF, as well as their connection.

Выполнение пороговых устройств в ШИМ и ПНЧ в виде Д-триггеров обеспечивает синхронизацию работы этих блоков, а введение второго интегратора и второго аналогового переключателя в ПНЧ уменьшает влияние зоны нестабильности порогового устройства и погрешность интегрирования в ПНЧ, что в совокупности уменьшает разброс показаний счетчика, регистрируемых на ограниченном интервале времени и при малых нагрузках в магистральных сетях. The implementation of threshold devices in PWM and VLF in the form of D-triggers ensures synchronization of the operation of these units, and the introduction of a second integrator and a second analog switch in the VLF reduces the influence of the instability zone of the threshold device and the integration error in the VLF, which together reduces the spread of meter readings recorded on limited time interval and at low loads in the backbone networks.

Следовательно, эти признаки обеспечивают положительный эффект, выражающийся в повышении точности и чувствительности счетчика, а предполагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". Therefore, these features provide a positive effect, expressed in increasing the accuracy and sensitivity of the counter, and the alleged invention meets the criterion of "inventive step".

На чертеже приведена функциональная схема счетчика киловатт-часов. The drawing shows a functional diagram of a kilowatt-hour meter.

Устройство содержит магистральные шины 1 и 2 переменного напряжения, преобразователь 3 измерительных сигналов напряжения, преобразователь 4 измерительных сигналов тока, широтно-импульсный модулятор 5 (ШИМ5), амплитудно-импульсный модулятор 6 (АИМ6), схему 7 синхронизации, преобразователь 8 напряжения в частоту (ПНЧ8), счетчик 9, схему 10 управления шаговым двигателем, выходную шину 11 и блок 12 питания. Вход преобразователя 3 подключен к шинам 1 и 2, а вход преобразователя 4 включен в шину 2. ШИМ5 содержит генератор 5.1 треугольных импульсов, состоящий из резисторов R1 и R2, операционного усилителя ОУ1 и конденсатора С1, суммирующий элемент 5.2, выполненный на резисторах R3 и R4, и детектор 5.3 уровня напряжения, представляющий собой Д-триггер Тг1. Первый вывод резистора R1 является входом ШИМ 5 и соединен с первым выходом преобразователя 3. Второй вывод резистора R1 подключен к инверсному входу усилителя ОУ 1, к первому выводу резистора R2 и к первой обкладке конденсатора С1, вторая обкладка которого подключена к выходу усилителя ОУ1 и является выходом генератора 5.1 треугольных импульсов. Первый вывод резистора R4, являющийся первым входом суммирующего элемента 5.2, подсоединен к выходу генератора 5.1. Первый вывод резистора R3, являющийся вторым входом суммирующего элемента 5.2, соединен со вторым выводом резистора R2 и с прямым выходом триггера Тг1, а общая точка соединения вторых выводов резисторов R3 и R4, являющаяся выходом суммирующего элемента 5.2, подключена к Д-входу Тг1, С-вход которого соединен с первым выходом схемы 7 синхронизации, а его выход является выходом ШИМ 5 и подключен к управляющему входу АИМ 6. ПНЧ 8 состоит из первого интегратора 8.1, содержащего усилитель ОУ2, конденсатор С2 и резисторы R5 и R6, второго интегратора 8.2, содержащего усилитель ОУ3, конденсатор С3 и резисторы R7 и R8, аналоговых переключателей Кл1 и Кл2, а также детектора 8.3 уровня напряжения в виде Д-триггера Тг2. Первый вывод резистора R5, являющийся входом ПНЧ 8, соединен с выходом АИМ 6, а его второй вывод подключен к первой обкладке конденсатора С2, к первому выводу резистора R6 и к инверсному входу усилителя ОУ2. Вторая обкладка конденсатора С2 соединена с выходом усилителя ОУ2, являющимся выходом интегратора 8.1, который подключен к первому выводу резистора R7, являющимся входом интегратора 8.2, а второй вывод резистора R7 соединен с инверсным входом усилителя ОУ3, с первой обкладкой конденсатора С3 и с первым выводом резистора R8. Выход усилителя ОУ3, являющийся выходом интегратора 8.2, соединен со второй обкладкой конденсатора С3 и с Д-входом Д-триггера Тг2, являющимся входом детектора 8.3 уровня напряжения. Вторые выводы резисторов R6 и R8 подключены соответственно к первым выводам аналоговых переключателей Кл1 и Кл2, вторые выводы которых соединены с шинами "+" и "-" блока 12 питания. Выход триггера Тг2 соединен со входом счетчика 9 и со входом схемы 7 синхронизации, второй выход которой соединен с управляющими входами переключателей Кл1 и Кл2, а первый с С-входами триггеров Тг1 и Тг2. Выход счетчика 9 подключен ко входу схемы 10 управления шаговым двигателем, выход которой является выходной шиной 11 счетчика киловатт-часов. The device contains busbars 1 and 2 of an alternating voltage, a converter 3 of the measuring voltage signals, a converter 4 of the measuring current signals, a pulse-width modulator 5 (PWM5), an amplitude-pulse modulator 6 (AIM6), a synchronization circuit 7, a voltage to frequency converter 8 ( ПНЧ8), counter 9, control circuit 10 of the stepper motor, output bus 11 and power supply unit 12. The input of the converter 3 is connected to buses 1 and 2, and the input of the converter 4 is connected to the bus 2. PWM5 contains a triangular pulse generator 5.1, consisting of resistors R1 and R2, an operational amplifier ОУ1 and capacitor C1, a summing element 5.2 made on resistors R3 and R4 , and the detector 5.3 voltage level, which is a D-trigger Tg1. The first output of resistor R1 is a PWM input 5 and is connected to the first output of converter 3. The second output of resistor R1 is connected to the inverse input of amplifier ОУ 1, to the first output of resistor R2, and to the first lining of capacitor С1, the second lining of which is connected to the output of amplifier ОУ1 and is the output of the generator 5.1 triangular pulses. The first output of the resistor R4, which is the first input of the summing element 5.2, is connected to the output of the generator 5.1. The first output of the resistor R3, which is the second input of the summing element 5.2, is connected to the second output of the resistor R2 and with the direct output of the trigger Tg1, and the common connection point of the second terminals of the resistors R3 and R4, which is the output of the summing element 5.2, is connected to the D-input of Tg1, C - the input of which is connected to the first output of the synchronization circuit 7, and its output is the PWM output 5 and connected to the control input of the AIM 6. The IF 8 consists of the first integrator 8.1, which contains the amplifier ОУ2, capacitor С2, and resistors R5 and R6, and the second integrator 8.2, containing OU3 amplifier, capacitor C3 and resistors R7 and R8, analog switches Kl1 and Kl2, as well as a voltage level detector 8.3 in the form of a D-trigger Tg2. The first output of the resistor R5, which is the input of the IF, is connected to the output of the AIM 6, and its second output is connected to the first lining of the capacitor C2, to the first output of the resistor R6, and to the inverse input of the amplifier ОУ2. The second lining of the capacitor C2 is connected to the output of the amplifier ОУ2, which is the output of the integrator 8.1, which is connected to the first output of the resistor R7, which is the input of the integrator 8.2, and the second output of the resistor R7 is connected to the inverse input of the amplifier ОУ3, with the first lining of the capacitor C3 and with the first output of the resistor R8. The output of the amplifier OU3, which is the output of the integrator 8.2, is connected to the second lining of the capacitor C3 and to the D-input of the D-trigger Tg2, which is the input of the voltage level detector 8.3. The second terminals of the resistors R6 and R8 are connected respectively to the first terminals of the analog switches Kl1 and Kl2, the second terminals of which are connected to the buses "+" and "-" of the power supply unit 12. The output of the trigger Tg2 is connected to the input of the counter 9 and to the input of the synchronization circuit 7, the second output of which is connected to the control inputs of the switches Kl1 and Kl2, and the first with the C-inputs of the triggers Tg1 and Tg2. The output of the counter 9 is connected to the input of the stepper motor control circuit 10, the output of which is the output bus 11 of the kilowatt-hour meter.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Напряжение в магистральной сети с помощью преобразователя 3 преобразуется в сигнал, поступающий на вход ШИМ 5, а ток в магистральной сети с помощью преобразователя 4 преобразуется в сигнал, поступающий на входы АИМ 6. Схемы ШИМ 5 и АИМ 6 обеспечивают перемножение этих сигналов. В схеме ШИМ 5 на суммирующем элементе 5.2 происходит сложение сигналов с выхода генератора 5.1 и с прямого выхода триггера Тг1. В отсутствии напряжения сети конденсатор С1 линейно заряжается через резистор R2 от выходного сигнала триггера Тг1 до момента переключения последнего в другое состояние; после чего конденсатор С1 разряжается до следующей смены состояния триггером Тг1. Время переключения триггера Тг1 из одного состояния в другое зависит от постоянной времени интегрирования и соотношения резисторов R3 и R4. При наличии сигнала на выходе преобразователя 3 он складывается с сигналом с выхода Тг1 путем суммирования соответствующих токов; при этом время нахождения Тг1 в одном или другом состоянии изменяется в зависимости от величины и знака сигнала с выхода преобразователя 3. Таким образом, модуляция ширины импульса на выходе ШИМ 5 будет:
m

где Т₁ время, в течение которого Тг1 находится в единичном состоянии.The voltage in the main network using the converter 3 is converted into a signal supplied to the input of the PWM 5, and the current in the main network using the converter 4 is converted to the signal supplied to the inputs of the AIM 6. The PWM 5 and AIM 6 circuits provide multiplication of these signals. In the PWM circuit 5 on the summing element 5.2, the signals are added from the output of the generator 5.1 and from the direct output of the trigger Тг1. In the absence of mains voltage, the capacitor C1 is linearly charged through the resistor R2 from the output signal of the trigger Tg1 until the latter switches to another state; after which the capacitor C1 is discharged until the next state change by the trigger Tg1. The switching time of the Trg trigger from one state to another depends on the integration time constant and the ratio of resistors R3 and R4. If there is a signal at the output of the converter 3, it is added to the signal from the output Tg1 by summing the corresponding currents; while the residence time Tg1 in one or another state varies depending on the magnitude and sign of the signal from the output of the converter 3. Thus, the modulation of the pulse width at the output of the PWM 5 will be:
m

where T _{1 is the} time during which Tg1 is in a single state.

Т₀ время, в течение которого Тг1 находится в нулевом состоянии,
U_пн напряжение на выходе преобразователя 3,
Е напряжение на выходе триггера Тг1.T _{0 the} time during which Tg1 is in the zero state,
U _mon voltage at the output of the Converter 3,
E voltage at the output of the trigger Tg1.

Так как переход Тг1 из одного состояния в другое происходит по фронту тактовых импульсов с выхода схемы 7, то величина Т₀ и Т₁ является кратной целому количеству тактовых импульсов схемы 7.Since the transition of Tg1 from one state to another occurs along the front of clock pulses from the output of circuit 7, the value of T ₀ and T ₁ is a multiple of the integer number of clock pulses of circuit 7.

Импульсы с выхода ШИМ 5 поступают на управляющий вход АИМ 6 и модулируются по амплитуде сигналом с выхода преобразователя 4 таким образом, что импульсу с длительностью Т₁ соответствует одно значение сигнала с выхода преобразователя 4, а импульсу с длительностью Т₀ его инверсное значение. При этом среднее значение импульсного сигнала на выходе АИМ 6 за период Т, равный Т₀+Т₁, сигнала ШИМ 5 пропорционально произведению значений сигналов напряжения и тока в магистральной сети, так как период Т много меньше периода сигналов тока и напряжения в магистральной сети.The pulses from the output of the PWM 5 are fed to the control input of the AIM 6 and are amplitude-modulated by the signal from the output of the converter 4 so that a pulse with a duration of T ₁ corresponds to one signal value from the output of the converter 4, and a pulse with a duration of T ₀ its inverse value. In this case, the average value of the pulse signal at the output of AIM 6 for a period T equal to T ₀ + T _{1 of} the PWM signal 5 is proportional to the product of the values of the voltage and current signals in the main network, since the period T is much smaller than the period of the current and voltage signals in the main network.

В ПНЧ 8 производится интегрирование постоянной составляющей импульсного сигнала до тех пор, пока триггер Тг2 не изменит своего состояния в противоположное синхронно с сигналом с выхода схемы 7. In the IFF 8, the DC component of the pulse signal is integrated until the trigger Tg2 changes its state in the opposite direction synchronously with the signal from the output of circuit 7.

При изменении состояния Тг2 схема 7 вырабатывает импульс обратной связи, длительность которого равна целому числу длительности (периоду) тактовых импульсов и его фронт совпадает с фронтом тактовых импульсов. Импульс обратной связи открывает переключатели Кл1 и Кл2. При этом от блока 12 на вход интегратора 8.1 поступает опорное напряжение U_оп, противоположное по знаку постоянной составляющей сигнала с выхода АИМ 6, а на вход интегратора 8.2 напряжение, совпадающее по знаку с этой постоянной составляющей.When the state of Tg2 changes, circuit 7 generates a feedback pulse whose duration is an integer number of the duration (period) of the clock pulses and its front coincides with the front of the clock pulses. The feedback pulse opens the switches Kl1 and Kl2. In this case, from the block 12 to the input of the integrator 8.1 the reference voltage U _{op is} received, which is opposite in sign of the constant component of the signal from the output of the AIM 6, and to the input of the integrator 8.2 the voltage coincides in sign with this constant component.

Интегратор 8.1 работает в режиме уравновешивания зарядов в соответствии с соотношением:

T_и+

+

T_ос=0 где U₌ постоянная составляющая сигнала на входе ПНЧ 8,
Т_и время интегрирования постоянной составляющей,
U_оп напряжение на выходе блока 12,
Т_ос длительность импульса обратной связи.The integrator 8.1 operates in the mode of balancing charges in accordance with the ratio:

T _and +

+

T _OS = 0 where U _{= the} constant component of the signal at the input of the IFF 8,
T _and the integration time of the constant component,
U _op voltage at the output of block 12,
T _{OS the} duration of the feedback pulse.

Так как период следования импульсов на выходе ПНЧ 8 Т_ПНЧ равен сумме Т_И+Т_ОС, то из последнего выражения следует, что частота импульсов на выходе ПНЧ 8 будет:
F_пнч

F_осmax где F_осmax максимальная частота следования импульсов обратной связи.Since the pulse repetition period at the output of the VLF 8 T _VLF is equal to the sum of T _AND + T _OS , from the last expression it follows that the frequency of the pulses at the output of the VLF 8 will be:
F _pnch

F _osmax where F _{osmax is the} maximum repetition rate of feedback pulses.

Таким образом, частота следования импульсов на выходе ПНЧ 8 пропорциональна мгновенному значению мощности в магистральной сети, длительность импульсов на выходе ШИМ 5 и длительности импульсов Т_И и Т_ОС кратны целому количеству тактовых импульсов. Это устраняет биение частот между ШИМ 5 и ПНЧ 8, что уменьшает разброс показаний устройства.Thus, the pulse repetition rate at the output of the VLF 8 is proportional to the instantaneous value of the power in the main network, the pulse width at the output of the PWM 5 and the pulse duration T _AND T _OS are multiple of the whole number of clock pulses. This eliminates the beating of frequencies between PWM 5 and VLF 8, which reduces the spread of the readings of the device.

Для подсчета величины энергии количество импульсов с выхода триггера Тг2 суммируется счетчиком 9 и фиксируется при помощи схемы 10 управления шаговым двигателем. To calculate the magnitude of the energy, the number of pulses from the output of the trigger Tg2 is summed by the counter 9 and fixed using the stepper motor control circuit 10.

Экспериментальная проверка устройства показала, что оно имеет практически в 10 раз меньшую погрешность измерений и разброс показаний (особенно при малых значениях тока в магистральной сети) чем прототип. An experimental verification of the device showed that it has an almost 10 times smaller measurement error and dispersion of readings (especially at low current values in the main network) than the prototype.

Claims

KILOWATT-HOUR COUNTER, comprising a voltage measuring signal converter and a current measuring signal converter, the inputs of which are connected to the mains wires, and their outputs are respectively to the inputs of a pulse-width modulator and pulse-amplitude modulator, the output of which is connected to the input of the voltage-to-frequency converter , in series with which the counter and the stepper motor control circuit are connected, as well as the power supply, the input of which is connected to the network, and the outputs to the load, while An o-pulse modulator contains a summing element in the form of a first and second series-connected resistors, the first input of which is connected to a triangular pulse generator, an amplitude-pulse modulator contains a control input, and a voltage-to-frequency converter contains a first integrator and a voltage level detector, a synchronization circuit , the first analog switch, the output of which is connected to the input of the first integrator, and the input is connected to the first output of the power supply, different the fact that a second integrator, a second analog switch, is introduced into the voltage-to-frequency converter, and voltage level detectors in the pulse-width modulator and voltage-to-frequency converter are made in the form of the first and second D-flip-flops, the clock inputs of which are interconnected and connected to the first the output of the synchronization circuit, the information input of the first D-trigger is connected to the output of the summing element, its output is connected to the second input of the summing element and the control input of the amplitude-pulse modulator, and the information input of the second D-trigger is connected to the output of the second integrator, the first input of which is connected to the output of the first integrator, its second input to the output of the second analog switch, the input of which is connected to the second output of the power supply, the control input to the control input of the first analog switch and the second output of the synchronization circuit.