RU2190861C2 - Electronic electricity meter - Google Patents

Abstract

FIELD: electric measurement technology. SUBSTANCE: electronic electricity meter incorporating analog power converter is designed for controlling electrical energy consuming processes involving electric or electric-arc heating in mechanical engineering, metallurgy, food industry, medicine, and other processes associated with electrical energy consumption. It has primary voltage transducer and primary current transducer whose outputs are connected to inputs of analog multiplying device connected to voltage-to- frequency converter connected to input of pulse counter. Newly introduced in meter are decoder unit, dose setting unit, meter triggering key, switch control unit, and power switch mounted in power supply circuit. EFFECT: enlarged functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при управлении технологическими процессами, в которых электроэнергия потребляется, например, при электрическом или электродуговом нагреве в машиностроении, в металлургии, в пищевой промышленности, в медицинской технике и в других электротехнологических процессах. The invention relates to electrical engineering and can be used in the control of technological processes in which electricity is consumed, for example, during electric or electric arc heating in mechanical engineering, metallurgy, food industry, medical equipment and other electrotechnological processes.

Электрическая энергия, потребляемая в нагрузке за определенный промежуток времени вычисляется по формуле

где u, i, p - мгновенные значения напряжения, тока и мощности на нагрузке;
t - время интегрирования.The electrical energy consumed in the load for a certain period of time is calculated by the formula

where u, i, p are the instantaneous values of voltage, current and power at the load;
t is the integration time.

Электронный счетчик электрической энергии должен реализовывать процедуру вычисления интеграла от произведения мгновенных значений напряжения и тока нагрузки, поэтому в его состав должны входить первичные преобразователи напряжения, тока, множительное и интегрирующее устройства. An electronic electric energy meter must implement the procedure of calculating the integral of the product of the instantaneous values of the voltage and load current, therefore, it must include primary converters of voltage, current, multiplying and integrating devices.

Известны различные варианты построения схем электронных счетчиков, предназначенных для систем учета и контроля электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока, где используются аналоговые множительные устройства с широтно-импульсной и амплитудной модуляцией с последующим преобразованием полученного напряжения в частоту. К таковым можно отнести, например, счетчики типа Ф441, Ф652 и т.п. Предложения по усовершенствованию схем указанных приборов, их модификации и разработке аналогичных схем с целью повышения точности измерений и надежности их работы представлены в авторских свидетельствах [1-4]. There are various options for constructing circuits of electronic meters designed for metering and control of electric energy in single-phase and three-phase AC circuits, where analog multiplier devices with pulse-width and amplitude modulation are used, with the subsequent conversion of the received voltage to frequency. These include, for example, counters such as F441, F652, etc. Proposals for improving the circuits of these devices, their modifications and the development of similar circuits in order to improve the accuracy of measurements and the reliability of their work are presented in copyright certificates [1-4].

Однако ни в одном из перечисленных технических решений не предусмотрена возможность дозирования энергии, расходуемой на проведение определенной технологической операции, хотя потребность в этом существует, например, в машиностроении для предварительного прогрева металла перед штамповкой, при точечной сварке деталей, при плавке металлов в дуговых электрических печах и т.д. However, none of the listed technical solutions provides for the possibility of dosing the energy spent on a certain technological operation, although there is a need for this, for example, in mechanical engineering for preheating the metal before stamping, in spot welding of parts, in the smelting of metals in electric arc furnaces etc.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является цифровой электронный измеритель электрической энергии с аналоговым преобразователем мощности, содержащий первичный преобразователь напряжения и первичный преобразователь тока, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам множительного устройства, выход которого через преобразователь напряжения в частоту подключен к входу счетчика импульсов [5]. Closest to the technical nature of the present invention is a digital electronic meter of electrical energy with an analog power converter, comprising a primary voltage converter and a primary current converter, the outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the multiplying device, the output of which is connected through the voltage to frequency converter to the input pulse counter [5].

Рассмотренное устройство не позволяет осуществлять дозирование электрической энергии. The considered device does not allow dosing of electrical energy.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей электронного измерителя электрической энергии за счет придания ему способности дозировать подачу определенного количества электрической энергии в электрическую нагрузку, находящуюся в цепи источника как переменного, так и постоянного тока. The objective of the present invention is to expand the functionality of an electronic meter of electrical energy by giving it the ability to dose the supply of a certain amount of electrical energy to an electrical load located in the source circuit of both alternating and direct current.

Поставленная задача достигается тем, что в электронный измеритель электрической энергии с аналоговым преобразователем мощности, содержащий первичный преобразователь напряжения и первичный преобразователь тока, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам аналогового множительного устройства, имеющему выход на преобразователь напряжения в частоту, который подключен к входу счетчика импульсов, дополнительно введены блок дешифраторов, блок задания дозы, ключ запуска электронного измерителя электроэнергии, блок управления выключателем и выключатель электроэнергии, установленный в цепи источника питания энергоустановки, причем выходы счетчика импульсов, состоящего из набора декадных двоично-десятичных счетчиков, соединенных последовательно, подключены к входам двоично-десятичных дешифраторов, блок задания дозы энергии представляет собой набор декадных переключателей, каждый из которых своими десятью неподвижными контактами присоединен к соответствующим выходам двоично-десятичных дешифраторов, а подвижными контактами подключен к входам блока управления выключателем, ключ запуска электронного измерителя электроэнергии соединен с другим управляющим входом блока управления выключателем, который непосредственно связан с выключателем электроэнергии. The problem is achieved in that in an electronic meter of electrical energy with an analog power converter, comprising a primary voltage converter and a primary current converter, the outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of an analog multiplier device having an output to a voltage to frequency converter that is connected to the input pulse counter, additionally introduced a block of decoders, a unit for setting a dose, a start key for an electronic meter of electricity, to control the switch and the power switch installed in the power supply circuit of the power plant, and the outputs of the pulse counter, consisting of a set of ten-day binary decimal counters connected in series, are connected to the inputs of the binary-decimal decoders, the unit for setting the dose of energy is a set of ten-day switches, each of which, with its ten fixed contacts, connected to the corresponding outputs of the binary decimal decoders, and moving contacts connected to the input a switch control unit, the ignition key an electronic electricity meter is connected to another control input of the switch control unit, which is directly connected with the power switch.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого электронного измерителя электрической энергии. The drawing shows a structural diagram of the proposed electronic meter of electrical energy.

Электронный измеритель электрической энергии включается в цепь переменного тока с электрической нагрузкой 1 и имеет в своем составе измерительный преобразователь (трансформатор) напряжения 2 и измерительный преобразователь (трансформатор) тока 3, подключенные к входам множительного устройства 4, присоединенный последовательно с ним преобразователь напряжения в частоту 5, выход которого подключен к счетному входу счетчика импульсов 6, имеющему выходы на блок двоично-десятичных дешифраторов 7. Выходы дешифраторов присоединены к неподвижным контактам позиционных декадных переключателей блока задания дозы 8, подвижные контакты этих переключателей подключены к группе анализируемых входов блока управления выключателем 9, ключ запуска электронного измерителя электрической энергии 10 присоединен к управляющему входу блока управления выключателем 9, который имеет непосредственную связь с выключателем электроэнергии 11. An electronic meter of electrical energy is included in the alternating current circuit with an electric load 1 and incorporates a measuring transformer (transformer) of voltage 2 and a measuring transformer (transformer) of current 3 connected to the inputs of the multiplier 4, connected in series with it, a voltage to frequency 5 converter , the output of which is connected to the counting input of the pulse counter 6, which has outputs to the block of binary decimal decoders 7. The outputs of the decoders are attached to the fixed th contacts positional decade switches dose setting unit 8, the movable contacts of these switches are connected to a group of analytes input switch control unit 9, the ignition key electricity meter electronics 10 is connected to the control input of the switch control unit 9, which has a direct connection with the power switch 11.

Работает электронный измеритель электрической энергии следующим образом. Перед подачей энергии в электрическую цепь с нагрузкой 1 доза (количество) электроэнергии, которая требуется для проведения предстоящей технологической операции, предварительно устанавливается с помощью декадных переключателей блока задания дозы 8, имеющих десять фиксированных положений с соответствующими обозначениями цифр на лимбах. Количество переключателей равно числу десятичных разрядов цифры, соответствующей определенному значению задаваемой дозы, в заранее обусловленных для конкретной операции единицах электроэнергии: в ваттсекундах, в киловатт-секундах, в киловаттчасах и т.п. Works electronic meter of electrical energy as follows. Before supplying energy to an electric circuit with a load of 1, the dose (amount) of electricity that is required for the upcoming technological operation is pre-set using the decade-long switches of dose setting unit 8, which have ten fixed positions with the corresponding numbers on the limbs. The number of switches is equal to the number of decimal places of the digit corresponding to a certain value of the set dose, in units of electricity predetermined for a particular operation: in watts seconds, in kilowatt seconds, in kilowatt hours, etc.

В момент замыкания кнопочного ключа запуска электронного измерителя электроэнергии 10 в блоке управления выключателем 9 формируется сигнал на включение, который воздействует на выключатель 11 и электрическая нагрузка 1 подключается к цепи источника питания. At the moment of closing the push-button start key of the electronic electricity meter 10 in the control unit of the switch 9, a turn-on signal is generated that acts on the switch 11 and the electric load 1 is connected to the power source circuit.

Сигналы с измерительного преобразователя напряжения 2 (u_u) и преобразователя тока 3 (u_i) поступают на входы аналогового множительного устройства 4, в качестве которого используется импульсное перемножающее устройство с широтно-импульсной и амплитудной модуляцией и фильтром низкой частоты на выходе схемы, обеспечивающее высокую статическую точность, как при синусоидальных, так и при несинусоидальных режимах, а также и на постоянном токе.The signals from the voltage measuring transducer 2 (u _u ) and the current transducer 3 (u _i ) are fed to the inputs of the analog multiplier 4, which is used as a pulse multiplying device with pulse-width and amplitude modulation and a low-pass filter at the output of the circuit, providing high static accuracy, both in sinusoidal and non-sinusoidal modes, as well as in direct current.

Аналоговый сигнал с измерительного преобразователя напряжения соответствует мгновенному значению напряжения на нагрузке
u_u = k_uu_H,
где u_h- мгновенное напряжение на нагрузке;
k_u - коэффициент пропорциональности по напряжению.The analog signal from the voltage transducer corresponds to the instantaneous value of the voltage at the load
u _u = k _u u _H ,
where u _h is the instantaneous voltage at the load;
k _u is the voltage proportionality coefficient.

Сигнал, соответствующий току нагрузки, равен мгновенному значению напряжения на выходе преобразователя тока
u_i = k_ii_Н,
где i_Н - мгновенный ток нагрузки;
k_i - коэффициент пропорциональности по току.The signal corresponding to the load current is equal to the instantaneous voltage value at the output of the current converter
u _i = k _i i _N ,
where i _N is the instantaneous load current;
k _i is the current proportionality coefficient.

Выходное напряжение множительного устройства пропорционально мгновенному значению мощности

где р_Н - мгновенная мощность на нагрузке;
k_p - коэффициент пропорциональности по мощности;
k_y - коэффициент пропорциональности множительного устройства.Multiplier output voltage proportional to instantaneous power

where p _N is the instantaneous power at the load;
k _p - power proportionality coefficient;
k _y is the proportionality coefficient of the multiplier device.

Поскольку заявляемое устройство предполагается использовать в энергетических установках при дозировании активной энергии, то напряжение на выходе используемого в схеме импульсного перемножающего устройства будет всегда положительным. Since the inventive device is supposed to be used in power plants when dosing active energy, the voltage at the output of the pulse multiplying device used in the circuit will always be positive.

Аналоговый сигнал u_у с выхода множительного устройства 4 поступает на преобразователь напряжения в частоту 5, который представляет собой импульсный интегратор, реализующий в данной схеме процедуру вычисления интеграла от текущих значений мощности, выделяемой на нагрузке в течение определенного периода времени, и преобразующий результат текущего интегрирования в последовательность импульсов, которые формируются с частотой следования, пропорциональной величине выделенной активной энергии W_А за время интегрирования t.The analog signal u _y from the output of the multiplier 4 is fed to a voltage converter in frequency 5, which is a pulse integrator that implements in this scheme the procedure of calculating the integral of the current values of the power allocated to the load for a certain period of time, and converts the result of the current integration into a sequence of pulses that are formed with a repetition rate proportional to the value of the allocated active energy W _A during the integration time t.

где k_W=k_y k_p - коэффициент пропорциональности по энергии;
t - время интегрирования.

where k _W = k _y k _p is the coefficient of proportionality in energy;
t is the integration time.

Формирование каждого импульса на выходе схемы импульсного интегратора происходит в результате накопления на емкости RC-интегратора заряда определенной величины, пропорционального определенному минимальному значению (дискрете) энергии ΔW₀, отдаваемой в нагрузку. Эта величина стабильна и зависит от параметров элементов схемы импульсного интегратора, подбором которых можно добиться, чтобы один цикл заряда или разряда указанной интегрирующей емкости соответствовал 1 ваттсекунде или кратной ей величине энергии, выделяемой в нагрузке.The formation of each pulse at the output of the pulse integrator circuit occurs as a result of the accumulation of a certain amount of charge on the capacity of the RC integrator, proportional to a certain minimum value (discrete) of the energy ΔW ₀ given to the load. This value is stable and depends on the parameters of the elements of the pulse integrator circuit, the selection of which can ensure that one charge or discharge cycle of the indicated integrating capacitance corresponds to 1 watt second or a multiple of the amount of energy released in the load.

Счетчик импульсов 6 подсчитывает количество импульсов, приходящих на его счетный вход, и выдает информацию в виде двоичного кода на вход блока двоично-десятичных дешифраторов 7, выходы которых подсоединены к неподвижным контактам декадных переключателей блока задания дозы 8. Подвижные контакты этих переключателей соединены с группой анализируемых входов блока управления выключателем 9 и при конъюнкции активных уровней сигналов дешифраторов на данных входах на выходе блока сформируется управляющий сигнал на отключение источника питания энергоустановки. После запуска электронного измерителя электроэнергии содержимое счетчика импульсов 6 будет возрастать до тех пор, пока на выходных шинах декадных дешифраторов 7 не установятся, путем поочередного перебора, комбинации активных уровней сигналов, идентичные комбинациям уставок декадных переключателей блока задания дозы 8, соответствующих заданному количеству электроэнергии, которая должна поступить в нагрузку. Сигнал на отключение, сформированный на выходе блока управления выключателем 9, воздействует на выключатель электроэнергии 11 и цепь источника питания разомкнется. The pulse counter 6 counts the number of pulses arriving at its counter input, and provides information in the form of a binary code to the input of the binary decimal decoder unit 7, the outputs of which are connected to the fixed contacts of the decade switches of the dose setting unit 8. The movable contacts of these switches are connected to the group of analyzed inputs of the control unit of the switch 9 and when the active levels of decoder signals are conjuncted at these inputs, a control signal is generated at the output of the unit to turn off the power source I power plant. After the start of the electronic electricity meter, the contents of the pulse counter 6 will increase until, on the output buses of the decade decryptors 7 are established, by alternately sorting, combinations of active signal levels identical to combinations of the settings of the decade switches of the dose setting unit 8 corresponding to a given amount of electricity, which should go to the load. The shutdown signal generated at the output of the control unit of the switch 9 acts on the power switch 11 and the power source circuit is opened.

В предлагаемом устройстве измерение расхода электрической энергии осуществляется путем аналогового перемножения мгновенных значений сигналов, пропорциональных напряжению и току нагрузки с последующим интегрированием результата в течение определенного времени. Величина текущего расхода электрической энергии пропорциональна сумме счетных импульсов, полученных в процессе квантования по вольт-секундной площади результата текущего интегрирования. In the proposed device, the measurement of electrical energy consumption is carried out by analogously multiplying the instantaneous values of the signals proportional to the voltage and current of the load, followed by integrating the result for a certain time. The value of the current consumption of electric energy is proportional to the sum of the counting pulses obtained in the quantization process over the volt-second area of the result of the current integration.

Способность дозирования, приданная электронному измерителю с целью расширения функциональных возможностей, заключается в формировании им управляющего сигнала на отключение цепи нагрузки от источника питания в момент, когда текущий расход электрической энергии окажется равным заранее заданной величине (дозе) энергии. Таким образом, данный электронный измеритель-дозатор, наряду с измерением расхода энергии, ограничивает подачу в нагрузку величины энергии, превышающей заданную дозу. The dosing ability given to the electronic meter in order to expand its functionality consists in generating a control signal for disconnecting the load circuit from the power source at the moment when the current consumption of electric energy turns out to be equal to a predetermined amount (dose) of energy. Thus, this electronic metering meter, along with the measurement of energy consumption, limits the supply to the load of energy in excess of a given dose.

Предлагаемый электронный измеритель электрической энергии можно использовать как в цепях переменного (однофазного, трехфазного) тока с синусоидальной или несинусоидальной формой сигнала, так и в цепях постоянного тока, применяя при этом в качестве измерительных датчиков тока прецизионные четырехзажимные резисторы, включенные последовательно с нагрузкой или трансформаторы постоянного тока. The proposed electronic meter of electrical energy can be used both in AC (single-phase, three-phase) current circuits with a sinusoidal or non-sinusoidal waveform, and in DC circuits, using precision four-clamp resistors connected in series with the load or DC transformers as measuring current sensors current.

Источники информации, принятые во внимание
1. Авторское свидетельство СССР 1129526.Sources of information taken into account
1. Copyright certificate of the USSR 1129526.

2. Авторское свидетельство СССР 1689860. 2. Copyright certificate of the USSR 1689860.

3. Авторское свидетельство СССР 1798701. 3. Copyright certificate of the USSR 1798701.

4. Патент РФ 2050550. 4. RF patent 2050550.

5. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1986, с. 429-433, рис.11.1а. 5. Ornatsky P.P. Automatic measurements and instruments. Kiev: Vishka School, 1986, p. 429-433, Fig. 11.1a.

Claims (1)

Электронный измеритель электрической энергии с аналоговым преобразователем мощности, содержащий первичный преобразователь напряжения и первичный преобразователь тока, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам аналогового множительного устройства, имеющего выход на преобразователь напряжения в частоту, который подключен к входу счетчика импульсов, отличающийся тем, что в него введены блок дешифраторов, блок задания дозы, ключ запуска электронного измерителя электроэнергии, блок управления выключателем и выключатель электроэнергии, установленный в цепи источника питания энергоустановки, причем выходы счетчика импульсов, состоящего из набора декадных двоично-десятичных счетчиков, соединенных последовательно, подключены к входам двоично-десятичных дешифраторов, блок задания дозы электроэнергии представляет собой набор декадных переключателей, каждый из которых своими десятью неподвижными контактами присоединен к соответствующим выходам двоично-десятичных дешифраторов, а подвижными контактами подключен к входам блока управления выключателем, ключ запуска электронного измерителя электроэнергии соединен с другим управляющим входом блока управления выключателем, который непосредственно связан с выключателем электроэнергии. An electronic electric energy meter with an analog power converter, comprising a primary voltage converter and a primary current converter, the outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of an analog multiplier device having an output to a voltage to frequency converter, which is connected to an input of a pulse counter, characterized in that a decoder unit, a dose setting unit, an electronic power meter start key, a switch control unit, and an electric power switch installed in the power supply circuit of the power plant, and the outputs of the pulse counter, consisting of a set of decimal binary decimal counters connected in series, are connected to the inputs of binary decimal decryptors, the unit for setting the dose of electricity is a set of decad switches, each of which has its own ten fixed contacts connected to the corresponding outputs of the binary decimal decoders, and moving contacts connected to the inputs of the control unit off switch, the start key of the electronic meter of electricity is connected to another control input of the control unit of the switch, which is directly connected to the switch of electricity.