|
| |
|
Слаботочка Книги схемотехнология электронных счетчиков Изобретенный Феррариусом в 1884 году электромеханический счетчик активной электроэнергии индукционного типа до сих пор занимает доминирующее положение в системе учета потребления электроэнергии. В результате производства таких счетчиков в течение ста с лишним лет в огромных масштабах их конструкция и технология производства отработаны в мельчайших деталях. В настоящее время это совершенный прибор с длительным сроком эксплуатации и с относительно низкой стоимостью. Однако, индукционные электросчетчики имеют в ряде случаев недостаточную точность и ограниченные функциональные возможности, что проявляется уже при создании простейших двухтарифных систем или организации дистанционного сбора показаний счетчиков. Интенсивное развитие автоматизированных систем учета потребления электроэнергии, введение многотарифности и предоплаты выдвинули задачу создания качественно нового прибора для измерения электроэнергии -электронного счетчика, совместимого с другими элементами системы учета и обладающего более высокой точностью. Из-за повышенной стоимости освоение рынка началось с трехфазных электронных счетчиков трансформаторного типа для электроэнергетических систем. Затем появились трехфазные счетчики непосредственного включения для электроустановок 0,4 кВ. 90-ые годы ушедшего века характеризуются интенсивным развитием производства электронных однофазных счетчиков бытового назначения. Если первые разработки электронных счетчиков выполнялись на дискретной элементной базе, имели сложные электрические схемы с большим количеством элементов и поэтому отпугивали потребителей, то большинство современных счетчиков используют специализированные БИС для преобразователя мощности, имеют относительно простые электрические схемы и вследствие этого вьюокую надежность. В частности, на Мытищинском электротехническом заводе создан однофазный Электронный счетчик ЦЭ6807М, содержащий измерительный трансформатор тока, простейший блок питания с емкостным балластом, всего одну большую интегральную микросхему преобразователя мощности, к выходу которой подключены обмотки шагового двигателя электромеханического отсчетного устройства и основное передающее устройство.   Анализ схемотехнических решений, применяемых в счетчиках различных фирм, позволяет сделать следующие обобщения. 1. В настоящее время в качестве измерительного преобразователя тока используются трансформаторы тока с замкнутым ферромагнитным сердечником, трансреакторы (трансформаторы с воздушным зазором), воздушные трансформаторы, шунты. Кроме того, применяются измерительные преобразователи мощности на основе эффекта Холла. Предприятия России, Украины и Белоруссии используют, в основном, трансформаторы тока с магнитопроводом из аморфного железа, т.к. высокая магнитная проницаемость последнего обеспечивает малую угловую погрешность. В связи с тем, что для счетчиков непосредственного включения правила МЭК-1036 нормируют погрешность при наличии постоянной составляющей в цепи тока, западные фирмы используют трансформаторы тока только в счетчиках трансформаторного типа, причем магнитопровод выполняется, как правило, из пермалоевых сплавов. Это вызвано тем, что аморфному железу присущ эффект старения* сопровождающийся падением магнитной проницаемости. Однако последние исследования показали, что процесс кристаллизации при обычных температурах (менее 60*С) идет достаточно медленно, и заметное ухудшение магнитных свойств аморфного железа можно ожидать лишь через 80-100 лет после плавки ленты. Необходимо отметить, что в счетчиках класса 0,2 для уменьшения угловой погрешности применяются схемы с электронной компенсацией намагничивающего тока, либо вводятся поправки, определяемые при тарировки счетчиков и учитываемые автоматически на программном уровне в процессе работы счетчика. В трехфазных счетчиках непосредственного включения зарубежные фирмы используют либо трансреакторы, либо преобразователи на основе эффекта Холла. Так, фирма Ландис и Гир разработала оригинальный преобразователь мощности с вертикальным расположением пластины Холла и Ш-образной конструкцией магнитного концентратора. Следует отметить, что хотя трансреакторы конструктивно проще, их основной недостаток состоит в необходимости дополнительного преобразования выходного сигнала с помощью прецизионного интегратора. Для однофазных счетчиков в последнее время все чаще стали использовать маломощные шунты с сопротивлением примерно 1,0 мОм. В трехфазных счетчиках их применение ограничено из-за трудностей с обеспечением гальванической развязки токовых цепей. Кроме того, использование шунтов в отечественной промышленности связано с необходимостью применения специального контрольно-испытательного и технологического оборудования. Если сравнивать различные конструкции счетчиков по критерию стоимости, то наилучшим решением для однофазных счетчиков является применение шунта в сочетании с микросхемой преобразователя мощности, способной работать от входных сигналов канала тока малого уровня (примерно 50 мкВ). Темпы развития микроэлектроники позволяют прогнозировать развитие однофазных счетчиков именно в этом направлении. 2. В настоящее время большинство фирм для преобразования входных сигналов тока и напряжения в частоту пропорциональную активной мощности, используют специальные микросхемы. В России и странах СНГ наибольшее распространение получили микросхемы КР1095ПП1 производства ПО Восход (г. Калуга) и UA01 ПС производства завода Кристалл (г. Киев). В микросхеме КР1095ПП1 применен времяимпульсный принцип умножения на основе дельта-сигма модуляторов. Она обладает хорошими метрологическими характеристиками и на ее базе можно выпускать счетчики класса 0,5 , а при специальном отборе - 0,2 и даже образцовые. Основными ее недостатками является: повышенное потребление (7-10 мА) и отсутствие выхода модуля мощности. Микросхема UAOIflC имеет аналоговый умножитель на принципе логарифм -антилогарифм и требует двуполярного питания. В качестве эталона времени необходим прецизионный конденсатор. Для данного принципа перемножения характерно низкое быстродействие. Тем не менее, микросхема UAOIHC хорошо зарекомендовала себя при производстве однофазных счетчиков. На российском рынке присутствуют также микросхемы преобразователей мощности импортного производства. В частности, фирма Analog Devices предлагает семейство микросхем AD7750-55, на которых можно построить различные модификации счетчиков (однофазные, трехфазные, активной или реактивной энергии, рассчитанные на работу с электромеханическим отсчетным устройством или жидкокристаллическим индикатором и т.д.). Схемы содержат два АЦП (каналов тока и напряжения), цифровой умножитель, цифровые фильтры, преобразователь цифровой код - частота . Первые версии микросхем имели относительно большую угловую погрешность, что затрудняло их применение даже в счетчиках класса 1,0. В настоящее время этот недостаток в значительной степени преодолен. Основные погрешности микросхем при динамическом диапазоне канала тока 500 не более 0,3%. К достоинствам микросхемы следует отнести встроенный источник опорного напряжения, малое энергопотребление, однополярный источник питания, одинаковый потенциал аналоговой и цифровой земли .Аналогичными преимуществами обладает микросхема SPM фирмы D-Tech (Германия). В этой схеме использован хорошо апробированный принцип времяимпульсного перемножения на дельта-сигма модуляторах. Неплохие микросхемы предлагает также южно-африканская фирма SAMES . На их базе можно построить счетчики класса 1,0 с использованием как шунтов, так й трансформаторов тока. Имеется исполнение со встроенным драйвером ЖКИ и последовательным интерфейсом. В составе семейства присутствуют микросхемы, способные работать с двумя или тремя парами измерительных преобразователей тока и напряжения, что существенно упрощает схемы трехфазных счетчиков. Главным препятствием применения импортных микросхем в России является их относительно вьюокая стоимость. Вместе с тем, в ближайшее время следует ожидать появление новых отечественных микросхем преобразователей мощности производства ведущих российских микроэлектронных компаний Ангстрем и Микрон . Заявленные параметры и функциональные возможности этих компонентов свидетельствуют о хороших перспективах электронных счетчиков, построенных на их базе. 3. До внедрения в России ГОСТ 30207-94 и ГОСТ 30206-94 (аналогов стандартов МЭК) электронные счетчики выпускались по общесоюзному стандарту ГОСТ 26035-83. Данный стандарт ограничивал потребление мощности по цепи напряжения на уровне 4 ВА. В связи с этим разработчики первых моделей электронных счетчиков были вынуждены использовать сложные схемы источников питания, содержащие высоковольтные трансформаторы, высокочастотные ключевые стабилизаторы и фильтры (для обеспечения [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 |