Состав счётчика

· датчики напряжения "Дат. U" и тока "Дат. I", измеряющие напряжение сети и ток нагрузки;

· измерительная микросхема, в которой производится усиление и аналого-цифровое преобразование сигналов датчиков, их перемножение и фильтрация (в цифровом виде). Полученный сигнал, пропорциональный измеряемой мощности, преобразуется в выходной сигнал, удобный для использования;

· устройства, обеспечивающие интегрирование, дальнейшее преобразование, индикацию и передачу результатов измерений.

Простейшими датчиками напряжения и тока являются прецизионные резистивные датчики - делитель напряжения (Дат. U) и токовый шунт (Дат. I). Делитель - с высокоомным входом и низкоомным выходом. Для счётчика, например, ADE7755 [7] рекомендуется делитель с входным резистором 760 кОм, выходным 500 Ом и потенциометром 500 Ом (для точной настройки), включенным между ними. Выходное напряжение выставляется равным 218 мВ при напряжении сети 220 В. Для той же цепи с током нагрузки 5 А рекомендуется шунт с R_ш = 400 мкОм и, соответственно, с напряжением на нём 2 мВ.

Делитель включен между двумя проводами контролируемой цепи, а шунт — в цепь фазного провода (рис. 1). Указанное включение шунта снижает возможность несанкционированного потребления электроэнергии мимо счётчика. Включение датчиков имеет две особенности. Место включения шунта является причиной того, что общий провод счётчика подключен к фазному проводу. Соответственно, электрическая часть счётчика находится под высоким напряжением сети, и её располагают в корпусе, обеспечивающем изоляцию от внешней среды. Выходные цепи также изолированы, но об этом сказано ниже.

Вторая особенность связана с подключением шунта — со стороны нагрузки, как показано на рис. 2, или со стороны сети по отношению к общему проводу счётчика. В первом случае, датчик напряжения подключен к контролируемой цепи до датчика тока, и последний не учитывает его потребление. Возможно подключение датчика тока со стороны сети (выше линии общего провода на рис. 2). В этом случае потребление датчика напряжения будет учитываться, но потери мощности в шунте будут без учёта. Это общий вопрос для любых измерителей мощности (ваттметров, индукционных и электронных счётчиков и так далее). Выбор схемы включения зависит, в частности, от того, какой датчик сколько потребляет. Обычно потребление датчиками, а также падение напряжения на датчике тока (например, указанные выше 2 мВ) незначительны, и поэтому в [6-8] можно встретить как одно, так и другое включение. Отметим, что для приведённых выше данных резистивных датчиков максимальная потребляемая ими мощность составляет 10 мВт (Дат. I) и 63,5 мВт (Дат. U).

При подключении датчиков следует также обращать внимание на фазировку их выходных сигналов. На рис. 2 фазировка условно показана при помощи символов "+" и "–". Оба сигнала датчиков (рис. 2), имея одинаковую фазировку "–" (по отношению к фазному напряжению с "+"), после перемножения приводят к положительному значению функции P_a. Усилители, применённые на входе микросхемы, имеют дифференциальные входы, что обеспечивает возможность изменения фазировки входных сигналов усилителей.

К сказанному добавим, что для того чтобы счётчик учитывал потребление своего вторичного источника питания, его следует подключать со стороны контролируемой счётчиком нагрузки.

Между датчиками и входами усилителей ИС включаются фильтрующие RC-цепи (anti-aliasing filters), обеспечивающие низкочастотную фильтрацию, которая предшествует аналого-цифровому преобразованию в ИС. ИС имеют, как правило, два входа для сигналов обоих датчиков - U_U и U_I, причём входы, как уже сказано, - дифференциальные. Входными устройствами являются усилители с программируемыми коэффициентами усиления. Затем используются сигма-дельта АЦП [10], обеспечивающие свойственное им высокоточное аналого-цифровое преобразование сигналов. Перемножение полученных цифровых сигналов и фильтрация продуктов перемножения осуществляются в цифровых устройствах - перемножителе "x" и ФНЧ. Цифровая обработка обеспечивает высокую точность производимых вычислений. Применение цифровой обработки — это одна из существенных особенностей современных счётчиков электроэнергии.

Измерительные ИС и, соответственно, счётчики можно подразделить на две группы - с частотным выходом и цифровым. Приведённая на рис. 2 схема счётчика относится к ИС первой группы и содержит два вида выходных преобразователей - "F₁/F₂" и "CF". Первый из них - это преобразователь "цифра-частота". Цифровой сигнал с выхода ФНЧ преобразуется в две последовательности импульсов, показанные на рис. 2, - U_F1 и U_F2. Частота следования импульсов пропорциональна P_a. Длительность импульсов для большинства ИС — 275 мс [6], значения частоты следования приведены в таблице. Нагрузкой является упоминаемый выше интегрирующий электромеханический индикатор ("Инд." на рис. 2), содержащий шаговый двигатель и механическое табло, подобное используемым в счётчиках индукционного типа.

Индикатором может быть, например, EM1PWD71R100, имеющий 7 десятичных разрядов. Младший из них - с промежуточными делениями 3,6°, каждое из которых соответствует одному периоду следования импульсов, питающих шаговый двигатель. Импульсы - знакопеременные, показанные на рис. 3, - UШД. Они определяются разностью последовательностей F₁ и F₂ микросхемы, к которой индикатор подключается двумя проводами. Выходной ток F₁ (F₂) в импульсе равен входному току F₂ (F₁) в паузе, то есть двухпроводный выход преобразователя "F₁/F₂" замыкается "на себя" через обмотку шагового двигателя. Индикатор интегрирует (накапливает) отсчёты мощности, которой пропорциональна частота следования импульсов, питающих двигатель. В результате, показания индикатора равны Вт·ч потребляемой электроэнергии. При этом счётчик обладает энергонезависимой памятью: при выключении питания показания индикатора не сбрасываются. Обмотки шагового двигателя и его выводы изолированы, а сам индикатор располагается вместе с измерительной ИС в общем корпусе.

Другим выходным преобразователем является "CF" (рис. 2). Его импульсы, показанные на рис. 2 (U_CF), типа ЧИМ, положительной полярности и с более высокой частотой следования, чем у "F₁/F₂". Для большинства ИС [6] длительность импульсов равна 90 мс. Частота следования импульсов CF, как и F₁/F₂, пропорциональна не энергии, а мощности. Преобразователь "CF", в общем случае, может быть использован не только для формирования сигнала, пропорционального мощности, но также и для получения сигналов, отображающих форму и величину напряжения сети и тока в нагрузке. Импульсы CF являются выходным электрическим сигналом, предназначенным для дистанционной передачи данных и, в частности, для контроля ИС при дистанционной настройке (программировании). Сигнал CF поступает на выход счётчика через изолирующее оптронное устройство ("Изол. на рис. 2).