Основные соотношения

Введение

. В зависимости от построения и используемых компонентов, счётчики измеряют: активную, реактивную и полную мощности; энергию, соответствующую указанным мощностям; параметры напряжения сети и тока нагрузки. Электронные счётчики обеспечивают высокую точность измерений в соответствии с международными (IEC) и межгосударственными (ГОСТ) стандартами и выполняют ряд дополнительных функций. В счётчиках используются современные достижения микроэлектроники и цифровые методы обработки сигналов.

На смену электромеханическим счётчикам индукционного типа, широко используемым в сетях переменного тока, приходят электронные (статические) счётчики, которые строятся на основе достижений микроэлектроники и смежных областей. Новые счётчики компактны, надёжны, обеспечивают более высокую точность измерений (классы точности 0,2 S и 0,5 S) и, кроме того, обладают дополнительными функциями. Счётчики способны работать в широком диапазоне частот, начиная от 0 Гц, то есть не только в цепях переменного (разных частот), но и постоянного тока.

Электронные счетчики электроэнергии

Основной составной частью счётчиков являются измерительные микросхемы, производимые фирмами Analog Devices, SAMES и другими. Analog Devices выпускает микросхемы (ИС) серии AD775x/ADE775x. Наряду с выпуском, фирма совершенствует существующие и разрабатывает новые ИС, обладающие дополнительными функциями, повышенными точностью и экономичностью. Можно считать, что происходит процесс становления современных счётчиков электроэнергии. Расширенная серия фирмы Analog Devices, с учётом новых ИС, - это AD775x/ADE775x/ADE773x. Отметим, что серия AD77xx, в составе которой ИС AD775x, представляет собой микросхемы АЦП, то есть ИС счётчиков "произошли" от используемых в них АЦП. Для отличия в обозначения ИС счётчиков впоследствии была добавлена буква "E" (energy): ADE775x/ADE773x. (смотреть приложение рис 1)

Основные соотношения

Полная (кажущаяся, apparent) мощность, развиваемая в нагрузке двухпроводной цепи переменного тока, равна

P = UI/2 = U_эффI_эфф(ВА), (1)

где U и I - амплитуды напряжения и тока, а и - их эффективные значения. Полная мощность является геометрической суммой двух составляющих — активной и реактивной мощностей, равных соответственно

P_a = Pcos (Вт); (2)

P_r = Psin (ВАр), (3)

где - фазовый сдвиг между напряжением и током. Мощность P_a развивается на активной части нагрузки, потребляющей энергию, а P_r - на реактивной (индуктивной или емкостной). При наличии реактивной мощности угол сдвига фаз может быть в пределах -90° < < 90°, где отрицательные значения соответствуют емкостному характеру нагрузки, а положительные - индуктивному.

В некоторых случаях ток нагрузки становится отрицательным, а нагрузка, соответственно, перестаёт быть нагрузкой и становится источником. Примером может быть электродвигатель, который при определённых условиях его использования работает как электрогенератор. Для "отрицательных нагрузок" угол сдвига фаз находится в пределах 90° < < 270°, где 270° соответствует углу -90°. "Отрицательное потребление" также может быть измерено при помощи ИС.

При перемножении функций напряжения u(t) = Ucos t и тока i(t) = Icos( t – ) получают функцию активной мощности

p_a(t) = P_a + Pcos(2 t – ), (4)

содержащую функции P_a (2) и переменной составляющей удвоенной частоты. Подобно мгновенным напряжению u(t) и току i(t), мощность p_a(t) называют мгновенной (instantaneous), тогда как P_a является средней (average) активной мощностью.

В соответствии с выражением (4), для определения P_a в измерительных ИС производят перемножение функций, представляемых в виде электрических сигналов датчиков, после чего производят низкочастотную фильтрацию, подавляющую переменную составляющую. Затем производят интегрирование и получают значение потребляемой энергии (в ватт-часах). Интегратором может служить внешне подключаемый к ИС электромеханический индикатор, содержащий шаговый двигатель. Двигатель питается импульсами с выхода ИС, частота следования которых пропорциональна P_a.

Для измерения реактивной мощности вводят дополнительный фазовый сдвиг 90° между функциями напряжения и тока. В остальном измерение реактивной мощности аналогично измерению активной: перемножают функции напряжения и тока (с указанным сдвигом 90°) и получают функцию реактивной мощности (её мгновенных значений) p_r(t), аналогичную p_a(t) (4); затем функцию p_r(t) фильтруют и получают величину, пропорциональную P_r (3) - средней реактивной мощности.

Для трёхфазных нагрузок в четырёхпроводной сети (с нейтральным проводом) мощность определяется суммой её составляющих в трёх фазах - "A", "B", "C". Каждая из составляющих определяется при перемножении: u_A(t)i_A(t), u_B(t)i_B(t) и u_C(t)i_C(t). Для трёхфазной трёхпроводной сети (без нейтрального провода) мощность может быть определена как сумма двух составляющих в следующем сочетании напряжений и токов: u_AC(t)i_A(t) и u_BC(t)i_B(t), где u_AC(t), u_BC(t) - линейные напряжения, а i_A(t) и i_B(t) - фазные токи.