RU233279U1

RU233279U1 - DC Electricity Meter

Info

Publication number: RU233279U1
Application number: RU2024133943U
Authority: RU
Inventors: Валентин Дмитриевич Остудин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АВМ-ЭЛЕКТРО"
Filing date: 2024-11-13
Publication date: 2025-04-14

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для коммерческого учета электроэнергии на подвижном электротранспорте, распределительных подстанциях, зарядных станциях и других устройствах, работающих на постоянном токе. Счетчик содержит два аналого-цифровых преобразователя, включенных в микропроцессор, интерфейсный модуль, дисплей, встроенный источник питания и балластное устройство питания для питания счетчика от тяговой сети. Особенностью счетчика постоянного тока является наличие преобразователей сигналов постоянного тока в переменный сигнал прямоугольной формы и наличие в составе балластного источника питания гасящих напряжение тяговой сети элементов с изменяемым сопротивлением, которое пропорционально зависит от напряжения тяговой сети, что позволяет расширить диапазон сигналов, измеряемых счетчиком в реальных условиях эксплуатации, с одновременным существенным снижением мощности, рассеиваемой балластным устройством питания. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. The utility model relates to measuring equipment and is intended for commercial metering of electric power on mobile electric transport, distribution substations, charging stations and other devices operating on direct current. The meter contains two analog-to-digital converters included in the microprocessor, an interface module, a display, a built-in power source and a ballast power supply device for powering the meter from the traction network. A feature of the DC meter is the presence of converters of direct current signals into an alternating signal of a rectangular shape and the presence in the ballast power source of elements quenching the voltage of the traction network with a variable resistance, which is proportional to the voltage of the traction network, which makes it possible to expand the range of signals measured by the meter in real operating conditions, with a simultaneous significant reduction in the power dissipated by the ballast power supply device. 2 clauses, 3 figs.

Description

Полезная модель относится к измерительным приборам, предназначенным для учета электрической энергии на подвижном электротранспорте, тяговых подстанциях, в зарядных станциях для электротранспорта и в других отраслях промышленности, использующих энергию постоянного тока.The utility model relates to measuring devices intended for recording electrical energy in mobile electric transport, traction substations, in charging stations for electric transport and in other branches of industry using direct current energy.

В настоящее время измерение электрической энергии в счетчиках производится путем преобразования аналоговых сигналов постоянного тока, поступающих с датчиков тока и напряжения, установленных в тяговой сети, в цифровой вид с помощью аналого-цифровых дельта-сигма преобразователей (АЦП) с последующей обработкой измеренных сигналов микропроцессором. Currently, the measurement of electrical energy in meters is carried out by converting analog DC signals coming from current and voltage sensors installed in the traction network into digital form using analog-to-digital delta-sigma converters (ADC), followed by processing of the measured signals by a microprocessor.

Применяемые в современных счетчиках электроэнергии дельта-сигма АЦП, как правило, размещены на одном кристалле с микропроцессором, имеют дифференциальные входы и позволяют преобразовывать сигналы постоянного или переменного тока. Delta-sigma ADCs used in modern electricity meters are usually located on the same crystal as the microprocessor, have differential inputs and allow the conversion of direct or alternating current signals.

Существующий стандарт на счетчики постоянного тока требует гарантировать определённую погрешность измерения в широком диапазоне уровней сигналов, поступающих с датчиков тока и напряжения. В зависимости от режима работы подвижного электротранспорта (разгон, торможение, движение по инерции) динамический диапазон сигналов с датчиков тока может лежать от нуля до некоей величины, которая существенно выше номинального значения сигнала с датчика тока. The existing standard for DC meters requires a certain measurement error to be guaranteed in a wide range of signal levels coming from current and voltage sensors. Depending on the operating mode of the electric vehicle (acceleration, braking, coasting), the dynamic range of signals from current sensors can range from zero to a certain value that is significantly higher than the nominal value of the signal from the current sensor.

Величина этого сигнала многофакторная и носит случайный характер. Сигнал с датчика напряжения отражает провалы и выбросы напряжения тяговой сети, которые также носят случайный характер.The magnitude of this signal is multifactorial and random. The signal from the voltage sensor reflects the dips and surges of the traction network voltage, which are also random.

Целесообразно, чтобы динамический диапазон сигналов измеряемых счетчиком удовлетворял как стандартным требованиям, так и реальным условиям эксплуатации счетчика. Есть ряд факторов препятствующих расширению динамического диапазона сигналов измеряемых счетчиком. К ним относятся:It is advisable that the dynamic range of signals measured by the meter meet both standard requirements and the actual operating conditions of the meter. There are a number of factors that prevent the expansion of the dynamic range of signals measured by the meter. These include:

напряжение начального смещение нуля аналоговых узлов АЦП (входной усилитель, интегратор, компаратор) воспринимается АЦП как часть рабочего сигнала, что сокращает диапазон рабочих сигналов с датчиков тока и напряжения с требуемой по стандарту погрешностью преобразования;the voltage of the initial zero offset of the analog nodes of the ADC (input amplifier, integrator, comparator) is perceived by the ADC as part of the working signal, which reduces the range of working signals from current and voltage sensors with the required standard conversion error;

однополярный вид сигналов постоянного тока, который оставляет работающим только половину шкалы АЦП, что в два раза сокращает возможный диапазон рабочих сигналов с датчиков тока и напряжения;unipolar type of DC signals, which leaves only half of the ADC scale working, which reduces the possible range of working signals from current and voltage sensors by half;

величина тока генерируемого балластным устройством питания (БУП) зависит от сопротивления гасящих элементов и напряжения в тяговой сети, которое в зависимости от величины провалов напряжения в тяговой может установить величину тока генерируемого БУП ниже тока требуемого для работы встроенного источника питания, что приводит к потере работоспособности счетчика.the magnitude of the current generated by the ballast power supply device (BPD) depends on the resistance of the damping elements and the voltage in the traction network, which, depending on the magnitude of the voltage drops in the traction network, can set the magnitude of the current generated by the BPD below the current required for the operation of the built-in power source, which leads to the loss of operability of the meter.

Прекращение процедуры измерения сигналов с датчиков тока и напряжения в случае, когда провал напряжения тяговой сети ниже критического уровня, соответственно, сужает диапазон измеряемых сигналов с датчиков тока и напряжения. Termination of the procedure for measuring signals from current and voltage sensors in the event that the voltage drop in the traction network is below the critical level, accordingly narrows the range of measured signals from current and voltage sensors.

Известен способ расширения диапазона измерения счетчика постоянного тока путем компенсации смещения нуля, описанный в статье Хряков А.А. (сайт: https://cyberleninka.ru/article/n/kompensatsiya-smescheniya-nulya-v-schyotchikah-elektricheskoy-energii-postoyannogo-toka) В предлагаемом способе с помощью двух одновременно работающих АЦП производится измерение рабочего сигнала в первом АЦП и измерение напряжения смещения нуля во втором АЦП. С помощью аналоговых ключей, управляемых процессором, функции первого и второго АЦП меняются. В процессоре счетчика производится вычитание измеренного значения смещения нуля из значения рабочего сигнала, что делает процесс измерения независимым от напряжения начального смещения нуля в узлах АЦП. A method for expanding the measurement range of a DC meter by compensating for the zero offset is known, described in the article by Khryakov A.A. (website: https://cyberleninka.ru/article/n/kompensatsiya-smescheniya-nulya-v-schyotchikah-elektricheskoy-energii-postoyannogo-toka). In the proposed method, using two simultaneously operating ADCs, the operating signal is measured in the first ADC and the zero offset voltage is measured in the second ADC. Using analog switches controlled by the processor, the functions of the first and second ADCs are changed. In the counter processor, the measured zero offset value is subtracted from the operating signal value, which makes the measurement process independent of the initial zero offset voltage in the ADC nodes.

Недостатком известного устройства является наличие двух АЦП на каждый измерительный канал счетчика и то, что сигналы, подаваемые на входы АЦП, остаются однополярными, что вдвое сокращает динамический диапазон измеряемых сигналов.The disadvantage of the known device is the presence of two ADCs for each measuring channel of the counter and the fact that the signals supplied to the ADC inputs remain unipolar, which halves the dynamic range of the measured signals.

Известен счетчик электрической энергии постоянного тока СКВТ-Ф61 МЕ (сайт:https://metrix-europa.ru/produktsiya/elektricheskiy-schetchik/), содержащий аналого-цифровые преобразователи микропроцессор, датчики напряжения и тока, источник питания счетчика, БУП, дисплей и интерфейсный модуль. БУП счетчика содержит двадцать мощных резисторов и стабилитрон. Заявленная в счетчике СКВТ-Ф61 МЕ мощность, потребляемая БУП в рабочем режиме, составляет 2,5 Вт на каждые 100 В напряжения тяговой сети при выходном напряжении БУП, равным 65 В. Если счетчик электроэнергии используется в железнодорожном транспорте с номинальным напряжением тяговой сети 3000 В, то расчеты показывают, что при таких параметрах БУП счетчик может сохранить работоспособность, если провал напряжения в тяговой сети не превышает 40% от номинального значения, а мощность, потребляемая при этом встроенным источником питания, не превышает 1 Вт. Если эта мощность составит 1,5 Вт, то провал напряжения в тяговой сети, при котором счетчик будет выполнять измерение, не может быть больше 7,5% от номинального значения напряжения в тяговой сети. The SKVT-F61 ME DC electric energy meter is known (website: https://metrix-europa.ru/produktsiya/elektricheskiy-schetchik/), containing analog-to-digital converters, a microprocessor, voltage and current sensors, a meter power supply, a control unit (CU), a display, and an interface module. The meter's CU contains twenty powerful resistors and a zener diode. The power declared in the SKVT-F61 ME meter, consumed by the BUP in the operating mode, is 2.5 W for every 100 V of the traction network voltage with the BUP output voltage equal to 65 V. If the electricity meter is used in rail transport with a nominal traction network voltage of 3000 V, then calculations show that with such BUP parameters, the meter can remain operational if the voltage drop in the traction network does not exceed 40% of the nominal value, and the power consumed by the built-in power source does not exceed 1 W. If this power is 1.5 W, then the voltage drop in the traction network, at which the meter will perform the measurement, cannot be more than 7.5% of the nominal voltage value in the traction network.

Недостатком аналога является ограниченный диапазон измерения напряжения тяговой сети, существенно зависящий от мощности, потребляемой встроенным источником питания, и большая мощность, потребляемая БУП, которая квадратично увеличивается с увеличением напряжения в тяговой цепи. The disadvantage of the analogue is the limited range of measuring the traction network voltage, which significantly depends on the power consumed by the built-in power source, and the high power consumed by the BUP, which increases quadratically with increasing voltage in the traction circuit.

Наиболее близким аналогом является счетчик электрической энергии постоянного тока СКВТ-Ф-МАРСЕН (сайт:https://www.mars-energo.ru/assets/files/catalog/48/ps-skvt-f-marsen-red5(1).pdf). Счетчик состоит из измерительного блока и встроенного делителя напряжения. Счётчик содержит плату обработки информации (блок интерфейса), а измерительный блок содержит три независимых сигма-дельта АЦП совмещенных с микропроцессором, блок индикации, встроенный блок питания и БУП.The closest analogue is the SKVT-F-MARSEN DC electric energy meter (website: https://www.mars-energo.ru/assets/files/catalog/48/ps-skvt-f-marsen-red5(1).pdf). The meter consists of a measuring unit and a built-in voltage divider. The meter contains an information processing board (interface unit), and the measuring unit contains three independent sigma-delta ADCs combined with a microprocessor, an indication unit, a built-in power supply and a BUP.

Сигналы с датчиков тока (шунт) и с датчика напряжения (делитель напряжения) поступают непосредственно на входы АЦП. Динамический диапазон измеряемых сигналов при провалах напряжения в тяговой сети в прототипе расширен за счет увеличения мощности БУП до 5 Вт на каждые 100 Вольт напряжения тяговой сети. Это обеспечено путем снижения суммарного сопротивления гасящих элементов. Расчеты показывают, что уменьшение сопротивления гасящих резисторов при заявленной мощности потребления встроенного источника питания равной 5 Вт позволяет производить измерение, если напряжение тяговой сети составляет 10% от номинального значения. Однако расширение динамического диапазона измеряемых сигналов в прототипе связано с существенным увеличением мощности, рассеиваемой БУП.The signals from the current sensors (shunt) and from the voltage sensor (voltage divider) are fed directly to the ADC inputs. The dynamic range of the measured signals during voltage dips in the traction network in the prototype is expanded by increasing the power of the BUP to 5 W for every 100 V of the traction network voltage. This is achieved by reducing the total resistance of the quenching elements. Calculations show that reducing the resistance of the quenching resistors with the declared power consumption of the built-in power source equal to 5 W allows measurements to be taken if the traction network voltage is 10% of the nominal value. However, the expansion of the dynamic range of the measured signals in the prototype is associated with a significant increase in the power dissipated by the BUP.

Недостатком прототипа является использование половины диапазона напряжений, преобразуемых АЦП и необходимость для расширения диапазона измерения значительное увеличение рассеиваемой мощности гасящими элементами БУП (150 Вт, при номинальном напряжении тяговой сети 3000 В), что требует применения принудительного охлаждения БУП. The disadvantage of the prototype is the use of half the range of voltages converted by the ADC and the need to significantly increase the dissipated power of the quenching elements of the BUP (150 W, at a nominal traction network voltage of 3000 V) to expand the measurement range, which requires the use of forced cooling of the BUP.

Задачей предлагаемой полезной модели является расширение диапазона сигналов, измеряемых счетчиком постоянного тока с одновременным снижением мощности, потребляемой от тяговой сети при питании счетчика постоянного тока через БУП.The objective of the proposed utility model is to expand the range of signals measured by a DC meter while simultaneously reducing the power consumed from the traction network when feeding the DC meter through the BUP.

Технический результат полезной модели заключается в расширении сферы применения счетчика, повышении точности измерения, экономичности, а также повышении надёжности и безопасности счётчиков электроэнергии постоянного тока.The technical result of the utility model consists in expanding the scope of application of the meter, increasing the accuracy of measurement, cost-effectiveness, and also increasing the reliability and safety of DC electricity meters.

Указанный технический результат достигается тем, что в счетчик электрической энергии постоянного тока, содержащий не менее двух АЦП, имеющих дифференциальные входы, микропроцессор, дисплей, интерфейсный модуль, датчики напряжения и тока, подключенные к тяговой сети, гальванически изолированный источник питания, БУП, входы которого подключены к тяговой сети, а выходы к гальванически изолированному источнику питания, при этом БУП содержит последовательно включенные элементы гасящие напряжение и стабилитрон, дополнительно введены не менее двух преобразователей однополярного сигнала в переменный по знаку дифференциальный сигнал, каждый из которых содержит четыре аналоговых ключа и управляющий вход, подключенный к микропроцессору. The specified technical result is achieved in that in a DC electric energy meter containing at least two ADCs having differential inputs, a microprocessor, a display, an interface module, voltage and current sensors connected to the traction network, a galvanically isolated power source, a BUP, the inputs of which are connected to the traction network, and the outputs to the galvanically isolated power source, wherein the BUP contains series-connected voltage-quenching elements and a zener diode, at least two converters of a unipolar signal into a differential signal alternating in sign are additionally introduced, each of which contains four analog switches and a control input connected to the microprocessor.

При этом входы первого и второго ключа соединены между собой и между собой соединены входы третьего и четвертого ключа, а соединенные входы ключей являются входами преобразователя однополярного сигнала в переменный по знаку дифференциальный сигнал. In this case, the inputs of the first and second keys are connected to each other and the inputs of the third and fourth keys are connected to each other, and the connected inputs of the keys are the inputs of the converter of the unipolar signal into a differential signal with an alternating sign.

Выходы первого и четвертого ключа соединены между собой и соединены между собой выходы второго и третьего ключа. Соединенные выходы ключей являются выходами преобразователей однополярного сигнала в переменный по знаку дифференциальный сигнал, входы которых подключены к соответствующим датчикам напряжения и тока, а выходы подключены к соответствующим дифференциальным входам аналого-цифровых преобразователей.The outputs of the first and fourth keys are connected to each other and the outputs of the second and third keys are connected to each other. The connected outputs of the keys are the outputs of the converters of a unipolar signal into a differential signal variable in sign, the inputs of which are connected to the corresponding voltage and current sensors, and the outputs are connected to the corresponding differential inputs of the analog-to-digital converters.

В БУП счетчика дополнительно введен диодный мост и дополнительный резистор, при этом в качестве элементов, гасящих напряжение тяговой сети, использованы последовательно соединенные элементы с изменяемым сопротивлением, каждый из которых содержит МОП транзистор и два резистора, первый из которых подключен между стоком и истоком МОП транзистора, а один вывод второго резистора соединен с затвором МОП транзистора, при этом входами элемента с изменяемым сопротивлением являются сток и затвор МОП транзистора, а выходами элемента с изменяемым сопротивлением являются исток МОП транзистора и другой вывод второго резистора. In the counter BUP, a diode bridge and an additional resistor are additionally introduced, wherein the elements that dampen the traction network voltage are series-connected elements with variable resistance, each of which contains a MOS transistor and two resistors, the first of which is connected between the drain and source of the MOS transistor, and one terminal of the second resistor is connected to the gate of the MOS transistor, wherein the inputs of the element with variable resistance are the drain and gate of the MOS transistor, and the outputs of the element with variable resistance are the source of the MOS transistor and the other terminal of the second resistor.

При этом дополнительный резистор установлен между стоком и затвором МОП транзистора в первом из последовательно соединенных элементов с изменяемым сопротивлением, сток МОП транзистора в котором подключен к положительному выводу диодного моста, при этом в последнем из последовательно соединенных элементов с изменяемым сопротивлением в качестве второго резистора использован стабилитрон, катод которого подключен к затвору МОП транзистора, а сток этого МОП транзистора является одним из выходов балластного устройства питания, другим выходом которого является анод стабилитрона, соединенный с отрицательным выводом диодного моста, входы которого являются входами балластного устройства питания.In this case, an additional resistor is installed between the drain and the gate of the MOS transistor in the first of the series-connected elements with variable resistance, the drain of the MOS transistor in which is connected to the positive terminal of the diode bridge, while in the last of the series-connected elements with variable resistance, a zener diode is used as the second resistor, the cathode of which is connected to the gate of the MOS transistor, and the drain of this MOS transistor is one of the outputs of the ballast power supply device, the other output of which is the anode of the zener diode, connected to the negative terminal of the diode bridge, the inputs of which are the inputs of the ballast power supply device.

Краткое описание графических материалов полезной модели. На фиг. 1 приведена структурная схема полезной модели, на фиг. 2 показана схема гасящего элемента с переменным сопротивлением, на фиг. 3 представлена схема БУП.Brief description of the graphic materials of the utility model. Fig. 1 shows the structural diagram of the utility model, Fig. 2 shows the diagram of the damping element with variable resistance, Fig. 3 shows the diagram of the BUP.

Счетчик электроэнергии постоянного тока содержит первое АЦП (1), дифференциальные входы которого подключены к выходам преобразователя однополярного сигнала в переменный по знаку дифференциальный сигнал (15) и второе АЦП (2), дифференциальные входы которого подключены к выходам преобразователя однополярного сигнала в переменный по знаку дифференциальный сигнал (16). Входы преобразователя однополярного сигнала в переменный по знаку дифференциальный сигнал (15) подключены к выходам датчика напряжения (8), выполненным в виде делителя напряжения, включенного в тяговую сеть (10), а входы преобразователя однополярного сигнала в переменный по знаку в дифференциальный сигнал (16) подключены к выходам датчика тока (9) в виде шунта, включенного в тяговую сеть (10), к которой подключены входы БУП (12), выходы которого соединены со входами гальванически развязанного источника питания (11). Выходы АЦП (1) и (2) подключены к микропроцессору (7), соединенного с дисплеем (13) и с интерфейсным модулем (14). Каждый из преобразователей однополярного сигнала в переменный по знаку дифференциальный сигнал (15) и (16) содержит четыре аналоговых ключа (17), (18), (19) и (20) и управляющий вход (21), подключенный к микропроцессору (7). The DC electricity meter comprises a first ADC (1), the differential inputs of which are connected to the outputs of a converter of a unipolar signal into a differential signal alternating in sign (15), and a second ADC (2), the differential inputs of which are connected to the outputs of a converter of a unipolar signal into a differential signal alternating in sign (16). The inputs of the converter of a unipolar signal into a differential signal alternating in sign (15) are connected to the outputs of a voltage sensor (8), made in the form of a voltage divider included in the traction network (10), and the inputs of the converter of a unipolar signal into a differential signal alternating in sign (16) are connected to the outputs of a current sensor (9) in the form of a shunt included in the traction network (10), to which the inputs of the BUP (12) are connected, the outputs of which are connected to the inputs of a galvanically isolated power source (11). The ADC outputs (1) and (2) are connected to the microprocessor (7), connected to the display (13) and to the interface module (14). Each of the converters of a unipolar signal into a differential signal with an alternating sign (15) and (16) contains four analog switches (17), (18), (19) and (20) and a control input (21), connected to the microprocessor (7).

Входы ключей (17) и (18) соединены между собой, а также соединены между собой входы ключей (19) и (20), образующие входы соответствующих преобразователей однополярного сигнала в переменный по знаку дифференциальный сигнал (15) и (16). Выходы ключей (17) и (20) соединены между собой, а также соединены выходы ключей (18) и (19), образующие выходы соответствующих преобразователей однополярного сигнала в переменный по знаку дифференциальный сигнал (15) и (16). The inputs of the switches (17) and (18) are connected to each other, and the inputs of the switches (19) and (20) are also connected to each other, forming the inputs of the corresponding converters of the unipolar signal into the differential signal variable in sign (15) and (16). The outputs of the switches (17) and (20) are connected to each other, and the outputs of the switches (18) and (19) are also connected, forming the outputs of the corresponding converters of the unipolar signal into the differential signal variable in sign (15) and (16).

Элемент с изменяемым сопротивлением (22) содержит МОП транзистор (23), первый резистор (24), включенный между стоком и истоком МОП транзистора (23), второй резистор (25), один конец которого соединен с затвором МОП транзистора (23), а другой конец является одним выходом элемента, гасящего напряжение с изменяемым сопротивлением (22), а другим выходом служит исток МОП транзистора (23), при этом входами элемента с изменяемым сопротивлением (22) служат сток и затвор МОП транзистора (23). The variable resistance element (22) comprises a MOSFET transistor (23), a first resistor (24) connected between the drain and the source of the MOSFET transistor (23), a second resistor (25), one end of which is connected to the gate of the MOSFET transistor (23), and the other end is one output of the variable resistance voltage suppression element (22), and the other output is the source of the MOSFET transistor (23), wherein the inputs of the variable resistance element (22) are the drain and gate of the MOSFET transistor (23).

БУП (12) содержит несколько последовательно соединенных элементов (22) с изменяемым сопротивлением, в первом из которых между стоком и затвором МОП транзистора (23) установлен дополнительный резистор (29).The BUP (12) contains several series-connected elements (22) with variable resistance, in the first of which an additional resistor (29) is installed between the drain and the gate of the MOS transistor (23).

У последнего элемента с изменяемым сопротивлением (22), установленным на выходе БУП (12) в качестве второго резистора (25), использован стабилитрон (30), катод которого подключен к затвору МОП транзистора (23), а анод стабилитрона (30) соединен с отрицательным выводом диодного моста (26), входы которого являются входами БУП (12), а выходами БУП (12) являются исток последнего МОП транзистора (23) и анод стабилитрона (30). The last element with variable resistance (22), installed at the output of the BUP (12) as the second resistor (25), uses a zener diode (30), the cathode of which is connected to the gate of the MOS transistor (23), and the anode of the zener diode (30) is connected to the negative terminal of the diode bridge (26), the inputs of which are the inputs of the BUP (12), and the outputs of the BUP (12) are the source of the last MOS transistor (23) and the anode of the zener diode (30).

Счетчик работает следующим образом. Однополярные сигналы с выходов датчиков тока и напряжения с помощью преобразователей однополярного сигнала путем изменения его полярности с помощью аналоговых ключей преобразуются в сигнал переменного тока прямоугольной формы. Таким образом, на входы АЦП поступает знакопеременный сигнал, который занимает полную шкалу преобразования АЦП. При преобразовании сигнала переменного тока к нему добавляется напряжение постоянного тока в виде смещения нуля аналоговых узлов АЦП. Устранение сигнала постоянного тока производится в АЦП известным способом путем его режекции фильтрами нижних частот из сигнала переменного тока. Фильтры нижних частот устанавливаются на выходе АЦП во всех известных микросхемах, предназначенных для использования в счетчиках переменного тока, например, в микросхемах ADE7763, MSP430F67XX, V98XX, MDR1206FI и других. Абсолютные значения преобразованных в цифровую форму сигналов положительного и отрицательного значения складываются. Это позволяет величину однополярных сигналов, поступающих с датчиков тока и напряжения, увеличить в цифровой форме в два раза с одновременной фильтрацией напряжения смещения нуля в АЦП.The counter operates as follows. Unipolar signals from the outputs of the current and voltage sensors are converted into a rectangular AC signal using unipolar signal converters by changing its polarity using analog keys. Thus, an alternating signal is sent to the ADC inputs, which occupies the full conversion scale of the ADC. When converting an AC signal, a DC voltage is added to it in the form of a zero offset of the analog units of the ADC. The DC signal is eliminated in the ADC in a known way by rejecting it with low-pass filters from the AC signal. Low-pass filters are installed at the ADC output in all known microcircuits intended for use in AC meters, for example, in the ADE7763, MSP430F67XX, V98XX, MDR1206FI microcircuits and others. The absolute values of the positive and negative signals converted into digital form are added together. This allows the magnitude of unipolar signals coming from current and voltage sensors to be increased in digital form by two times while simultaneously filtering the zero offset voltage in the ADC.

Таким образом, применение в счетчике электроэнергии постоянного тока преобразователей однополярного сигнала в переменный по знаку дифференциальный сигнал позволяет увеличить в два раза динамический диапазон измеряемых сигналов и использовать для расширения динамического диапазона измеряемых сигнала известный способ устранения напряжения смещения нуля АЦП путем фильтрации сигнала постоянного тока с помощью фильтров нижних частот.Thus, the use of unipolar signal converters into a differential signal with alternating sign in a DC electricity meter allows the dynamic range of measured signals to be doubled and the known method of eliminating the ADC zero offset voltage by filtering the DC signal using low-pass filters to expand the dynamic range of measured signals.

Предлагаемая в полезной модели схема БУП, содержащая гасящие элементы с изменяемым сопротивлением, благодаря включению стабилитрона в последний гасящий элемент стабилизирует ток, протекающий через гасящие элементы, в случае, когда напряжение тяговой сети больше напряжения стабилизации стабилитрона. Этот ток не зависит от напряжения тяговой сети и определяется постоянным напряжением стабилизации и током, потребляемым встроенным источником питания счетчика. При наличии постоянного тока, протекающего через гасящие элементы БУП, увеличение напряжения в тяговой сети вызывает пропорциональное повышение напряжения на каждом гасящем элементе. Увеличение напряжения на гасящем элементе при протекающем через него постоянном токе означает, что сопротивление гасящего элемента увеличивается пропорционально увеличению напряжения тяговой сети. The proposed in the utility model circuit of the BUP, containing quenching elements with variable resistance, stabilizes the current flowing through the quenching elements due to the inclusion of a zener diode in the last quenching element, in the case when the traction network voltage is greater than the zener diode stabilization voltage. This current does not depend on the traction network voltage and is determined by the constant stabilization voltage and the current consumed by the built-in power source of the meter. In the presence of direct current flowing through the quenching elements of the BUP, an increase in the voltage in the traction network causes a proportional increase in the voltage on each quenching element. An increase in the voltage on the quenching element with a direct current flowing through it means that the resistance of the quenching element increases proportionally to the increase in the traction network voltage.

В тот момент, когда напряжение в тяговой сети становится ниже напряжения стабилизации стабилитрона ток, протекающий через стабилитрон, становится равным нулю. При этом напряжение тяговой сети напрямую через сопротивление гасящих элементов поступает на встроенный источник питания. В этом режиме ток, протекающий через БУП, зависит от тока, потребляемого встроенным источником питания, и мощность, потребляемая БУП, увеличивается с уменьшением входного напряжения до потери работоспособности счетчика.At the moment when the voltage in the traction network becomes lower than the stabilization voltage of the zener diode, the current flowing through the zener diode becomes equal to zero. In this case, the voltage of the traction network directly through the resistance of the quenching elements goes to the built-in power source. In this mode, the current flowing through the BUP depends on the current consumed by the built-in power source, and the power consumed by the BUP increases with a decrease in the input voltage until the meter loses its functionality.

Таким образом, использование гасящих элементов с изменяемым сопротивлением существенно расширяет диапазон работоспособности счетчика при питании от БУП и соответственно увеличивает диапазон измеряемых сигналов. При этом мощность, рассеиваемая гасящими элементами с изменяемым сопротивлением, линейно зависит от увеличения напряжения тяговой сети в то время, как у известных БУП мощность, рассеиваемая гасящими элементами с постоянным сопротивлением, увеличивается квадратично с увеличением напряжения тяговой сети.Thus, the use of damping elements with variable resistance significantly expands the range of meter performance when powered from the BUP and, accordingly, increases the range of measured signals. In this case, the power dissipated by damping elements with variable resistance linearly depends on the increase in the traction network voltage, while in known BUPs the power dissipated by damping elements with constant resistance increases quadratically with the increase in the traction network voltage.

Предлагаемые решения были проверены в счетчике постоянного тока СКВТ-Ф610. The proposed solutions were tested in the SKVT-F610 DC meter.

В счетчике использован импульсный гальванически изолированный источник питания с рабочим напряжением в диапазоне от 24 В до 300 В. Ток потребления источника питания зависит от напряжения питания и составляет 24 мА при питании 24 В и 2,86 мА при напряжении стабилизации. Питание счетчика производилось через БУП с выходным стабилизированным напряжением 290 В. В качестве преобразователя однополярного сигнала в знакопеременный дифференциальный сигнал была установлена микросхема MAX4528ESA, а в качестве микропроцессора с совмещенными дельта-сигма АЦП использована микросхема MSP430F427A. Гасящий элемент с изменяемым сопротивлением содержал первый резистор типа MMB0207 150 кОм, второй и другой резистор типа MMB0207 200 кОм и МОП транзистор типа КР7173. БУП для питания счетчика содержал 15 гасящих элементов с изменяемым сопротивлением. Проводилось измерение погрешности счетчика при величине сигналов с датчика тока в диапазоне 5-200% от номинального значения тока и при изменении напряжения на входе БУП от 4500В до значения напряжения, при котором прекращается работоспособность счетчика. The counter uses a pulse galvanically isolated power supply with an operating voltage in the range from 24 V to 300 V. The power supply current consumption depends on the supply voltage and is 24 mA with a supply of 24 V and 2.86 mA with a stabilization voltage. The counter was powered through a BUP with an output stabilized voltage of 290 V. The MAX4528ESA microcircuit was installed as a converter of a unipolar signal into an alternating differential signal, and the MSP430F427A microcircuit was used as a microprocessor with combined delta-sigma ADCs. The quenching element with variable resistance contained the first resistor of the MMB0207 type 150 kOhm, the second and another resistor of the MMB0207 type 200 kOhm and a MOS transistor of the KR7173 type. The BUP for powering the counter contained 15 quenching elements with variable resistance. The measurement of the meter error was carried out with the value of signals from the current sensor in the range of 5-200% of the nominal current value and with a change in the voltage at the input of the BUP from 4500 V to the voltage value at which the meter ceases to operate.

Результаты измерения следующие:The measurement results are as follows:

работоспособность счетчика сохранялась при изменении напряжения на входе БУП от 4500 В до 31 В (от 1% до 150% от номинального значения напряжения);the meter remained operational when the voltage at the BUP input changed from 4500 V to 31 V (from 1% to 150% of the nominal voltage value);

суммарное сопротивление гасящих элементов с переменным сопротивлением изменялось от 1,47 МОм при напряжении на входе БУП 4500 В до 400 Ом при напряжении 31 В;the total resistance of the damping elements with variable resistance changed from 1.47 MOhm at a voltage of 4500 V at the input of the BUP to 400 Ohm at a voltage of 31 V;

мощность, рассеиваемая БУП при минимальном рабочем напряжении в тяговой сети, составила 0,4 Вт, а мощность, рассеиваемая БУП при максимальном напряжении тяговой сети 4500 В, составила 12,8 Вт (0,27 Вт на каждые 100 В напряжения тяговой сети);the power dissipated by the BUP at the minimum operating voltage in the traction network was 0.4 W, and the power dissipated by the BUP at the maximum traction network voltage of 4500 V was 12.8 W (0.27 W for every 100 V of traction network voltage);

погрешность измерения счетчика в диапазоне сигналов с датчика тока от 5% до 200% от номинального тока и в диапазоне напряжения тяговой сети от 30% до 200% от номинального значения составила не более 0,1%, что существенно выше требований ГОСТ10287 для счетчиков постоянного тока и погрешности существующих аналогов.the measurement error of the meter in the range of signals from the current sensor from 5% to 200% of the nominal current and in the range of traction network voltage from 30% to 200% of the nominal value was no more than 0.1%, which is significantly higher than the requirements of GOST 10287 for DC meters and the error of existing analogues.

Таким образом, экспериментально подтверждается, что предлагаемые технические решения счетчика электрической энергии постоянного тока позволяют существенно увеличить диапазон измеряемых сигналов с погрешностью выше требуемой и снизить одновременно мощность, рассеиваемую БУП. Это позволяет для счетчиков, применяемых в тяговой сети ниже 1000 В, размещать БУП внутри малогабаритных корпусов счетчика.Thus, it is experimentally confirmed that the proposed technical solutions for the DC electric energy meter allow to significantly increase the range of measured signals with an error higher than required and simultaneously reduce the power dissipated by the BUP. This allows for meters used in traction networks below 1000 V to place the BUP inside small-sized meter housings.

Claims

1. A DC electric energy meter comprising two analog-to-digital converters having differential inputs, a microprocessor, a display, an interface module, voltage and current sensors connected to the traction network, a galvanically isolated power source, a ballast power supply device located inside the meter housing, the inputs of which are connected to the traction network and the outputs to the galvanically isolated power source, wherein the ballast power supply device contains series-connected elements that dampen the voltage of the traction network, and a zener diode, characterized in that two converters of a unipolar signal into a differential signal alternating in sign are additionally introduced into the meter, each of which contains four analog switches and a control input connected to the microprocessor, wherein the inputs of the first and second switches are connected to each other and the inputs of the third and fourth switches are connected to each other, wherein the connected inputs of the switches are the inputs of the converter of a unipolar signal into a differential signal alternating in sign, and the connected outputs of the first and fourth switches and the connected the outputs of the second and third keys are the outputs of the converters of a unipolar signal into a differential signal with an alternating sign, the inputs of which are connected to the corresponding voltage and current sensors, and the outputs are connected to the corresponding differential inputs of the analog-to-digital converters.

2. A direct current electric energy meter according to paragraph 1, characterized in that a diode bridge and an additional resistor are additionally introduced into the ballast power supply device of the meter.

3. Direct current electric energy meter according to paragraph. 1 and 2, characterized in that the elements that quench the traction network voltage use series-connected elements with variable resistance, each of which contains a MOSFET transistor and two resistors, the first of which is connected between the drain and the source of the MOSFET transistor, and one terminal of the second resistor is connected to the gate of the MOSFET transistor, wherein the inputs of the element with variable resistance are the drain and the gate of the MOSFET transistor, and the outputs of the element with variable resistance are the source of the MOSFET transistor and the other terminal of the second resistor, wherein an additional resistor is installed between the drain and the gate of the MOSFET transistor in the first of the series-connected elements with variable resistance, the drain of the MOSFET transistor in which is connected to the positive terminal of the diode bridge, wherein in the last of the series-connected elements with variable resistance a zener diode is used as the second resistor, the cathode of which is connected to the gate of the MOSFET transistor, and the drain of this MOSFET transistor is one of the outputs of the ballast power supply device, the other output of which is the anode of the zener diode, connected to the negative terminal of the diode bridge, the inputs of which are the inputs of the ballast power supply.