Параметры линейки промышленных компьютеров Rokcwell Automation 11 глава

Добавочный резистор – преобразователь напряжения в ток, используется в устройствах измерения параметров электроэнергии для расширения пределов измерения и температурной стабилизации. Подсоединяется последовательно с измерительным устройством. Добавочные резисторы и шунты, как и все электроизмерительные приборы, делятся на классы точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1. Класс точности определяется по относительной погрешности в %:

, (9.1)

где D – абсолютная погрешность; R_ном – номинальное сопротивление шунта или добавочного резистора.

В качестве датчиков переменных токов и напряжений применяются измерительные трансформаторы (ИТ), которые служат для преобразования переменных токов и напряжений с целью измерения, гальванической развязки и согласования с последующими элементами электрической цепи [13, 24, 33, 166-168]. Измерительный трансформатор состоит из двух изолированных обмоток w₁ и w₂, помещенных на магнитопровод (рис. 9.1, а, б). Выводы первичной обмотки подключаются к измеряемой цепи, нагрузкой Z_н является ВИП или конечный измерительный прибор. При измерениях параметров высоковольтных цепей трансформаторы обеспечивают безопасность обслуживания приборов, присоединенных к вторичным обмоткам за счет гальванической развязки.

Первичная обмотка ИТ тока (рис. 9.1, а) включается в измерительную цепь последовательно, а к вторичной обмотке подключают последовательную цепь измерителя тока. Режим работы ИТ тока – близкий к короткому замыканию (малое значение Z_н).

Первичная обмотка ИТ напряжения (рис. 9.1, б) включается в измеряемую цепь параллельно, а к зажимам вторичной обмотки подключают параллельную цепь измерителя напряжения. Режим работы ИТ напряжения близок к холостому ходу (Z_н®¥). В дальнейшем при определении значений токов и напряжений учитываются номинальные коэффициенты трансформации ИТ тока и ИТ напряжения , действительные значения которых зависят от параметров электрического тока и конструктивных особенностей. Относительные погрешности ИТ из-за неравенства номинальных и действительных значений коэффициентов трансформации составляют более 2%.

а б

Р и с. 9.1. Схемы включения измерительных трансформаторов:
а – тока и б – напряжения

При определении качества электроснабжения используются показатели датчиков угла сдвига фаз j и коэффициента мощности cos j между током I_н и напряжением U_н нагрузки Z_н.

9.1.2.Электродинамический фазометр

На рис. 9.2 показана схема электродинамического фазометра и соответствующая его работе векторная диаграмма. Подвижная часть механизма представляет собой две жестко скрепленные между собой под углом 60⁰ рамки, которые насажены на ось, закрепленную в опорах. При протекании тока I₁ через цепи рам изменение значения j приводит к повороту подвижной системы на соответствующий угол. С осью системы соединен преобразователь углового перемещения, выдающий значение j и/или cos j. Электродинамические фазометры применяются в основном в трехфазных цепях переменного тока с включением взаимно смещенных на 120⁰ систем в цепь каждой фазы.

В электронных фазометрах на входах устанавливаются нормирующие звенья НЗ и компараторы К1 и К2, которые преобразуют синусоидальные сигналы от датчиков тока ДТ и напряжения ДН в соответствующие периодические последовательности прямоугольных импульсов (рис. 9.3). По передним фронтам прямоугольных импульсов в дифференциаторах Дф1 и Дф2 формируются узкие импульсы, которые совпадают с нулевыми фазами сигналов токовой и потенциальной цепей. Эти импульсы поступают на входы RS-триггера, который вырабатывает импульс с длительностью t_j, пропорциональной значению j.

а б

Р и с. 9.2. Электродинамический фазометр:
а – принципиальная схема; б – векторная диаграмма

Р и с. 9.3. Электронный фазометр:
а – структурная схема; б – эпюры сигналов

При измерении частоты тока в энергетических цепях АСКУЭ применяют электродинамические и электронные частотомеры. Принцип действия электродинамического частотомера основан на измерении сдвига фаз электродинамическим фазометром (см. рис. 9.3). При изменении частоты сигнала f с известным исходным значением j₀ на величину Df происходит изменение угла сдвига фаз на величину DjºDf. Недостаток электромеханических и электродинамических частотомеров – узкие пределы измерения, равные Df =±0,1 f ₀, и низкая мощность измеряемого сигнала.

9.1.3.Электронные частотомеры

Электронные частотомеры имеют погрешность g=(0,5…2,5)% в диапазоне (20…500×10³) Гц. Наибольший интерес при оценке качества электроснабжения вызывает измерение отклонения Df измеряемой частоты от номинального значения f ₀. В измерительном преобразователе отклонения частоты напряжение подается на компаратор К, в котором формируются прямоугольные импульсы, подаваемые через дифференциатор Дф на счетчик импульсов СчИ1 (рис. 9.4). В CчИ1 производится подсчет количества импульсов, имеющих период T_f =1/ f=1/(f₀+Df), за определенный период считывания Т_с = N ₀/ f ₀., где величина N ₀ выбирается исходя из требований к точности измерения. Значение f ₀ =1/Т₀ задается эталонным генератором импульсов ЭГИ. Он же выдает импульсы считывания Т_с для обоих счетчиков импульсов.

Р и с. 9.4. Электронный преобразователь отклонения частоты

С выхода СчИ1 снимается подсчитанное за время Т_с число импульсов N_f, которое подается на первый вход вычитающего устройства ВУ. На счетчик СчИ2 подаются эталонные импульсы¸ следующие с частотой f ₀, и импульсы считывания Т_с. В результате подсчета на выходе СчИ2 формируется число N ₀ , подаваемое на второй вход ВУ, в котором определяется значение DN_f = N ₀– N_f. Искомой величиной в цифровом виде (с учетом знака) является значение Df=DN_f / N ₀ .

Для измерения активной мощности в однофазной и трехфазной цепях применяют одно-, двух– и трехэлементные ваттметры или совокупность датчиков тока и напряжения, сигналы с выходов которых потом перемножаются. Для измерения реактивной мощности используют, как правило, одно–, двух– и трехэлементные варметры, а также совокупность датчиков токов, напряжений и электронных измерителей сдвига фаз. На рис. 9.5 показан пример применения одноэлементного ваттметра на базе электродинамического измерительного механизма для измерения активной мощности в однофазной сети. Работа механизма основана на взаимодействии магнитных полей неподвижной 1 и подвижной 2 катушек, по которым протекают токи I ₁ и I ₂ соответственно. Подвижная катушка укреплена на оси и находится внутри неподвижной. Весь прибор экранируется для защиты от влияния внешних электромагнитных полей. Взаимная индуктивность катушек М ₁₂ зависит от их формы и расположения, зазора между обмотками и от значения протекающих токов.

Достоинствами электродинамического механизма являются высокая точность (до класса 0,5…0,1), стабильность, простота конструкции. Недостатки – невысокая чувствительность, существенная зависимость погрешности от механических перегрузок, большое собственное потребление мощности.

а б

Р и с. 9.5. Измерение активной мощности в однофазной
сети электродинамическим ваттметром:
а – схема электродинамического измерительного механизма;
б – схема включения одноэлементного ваттметра при измерении активной мощности

Реактивная мощность в однофазной цепи равна:

Q=UI sin j. (9.2)

В трехфазной цепи реактивная мощность определяется по формуле

. (9.3)

Отличие реактивной мощности от активной заключается в том, что вращающий момент пропорционален синусу угла между векторами тока и напряжения. Для измерения реактивной мощности применяются рассмотренные выше механизмы с измененными схемами включения в цепь. При этом токовые обмотки включаются без изменений, а потенциальные обмотки подключаются к напряжениям, которые на 90⁰ отстают от напряжений, подаваемых на эти обмотки при измерении активной мощности.

Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый период времени T, необходимо проинтегрировать мгновенные значения активной мощности P_a.

. (9.4)

Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени P=UI. В соответствии с выражением (9.4) работают все известные типы измерителей электрической энергии.

На рис. 9.6 показан широко распространенный индукционный измерительный механизм электромеханического одноэлементного счетчика.

Принцип действия механизма основан на взаимодействии двух или нескольких магнитных потоков с токами, индуктированными ими в подвижном алюминиевом вращающемся диске. Измеряемое напряжение U, приложенное к высокоиндуктивной обмотке напряжения, создает ток IU, имеющий фазовый угол сдвига относительно вектора напряжения, равный ~900. Ток IU в среднем стержне магнитопровода 1 создает магнитный поток Ф, из которого выделяется рабочий поток Ф_U. Этот поток пересекает диск 3 и замыкается на противополюс 9. Поток Ф_U отстает от тока I_U на угол a_U. Измеряемый ток I создает в магнитопроводе 2 поток Ф_I, который дважды пересекает диск 3 и захватывает магнитопровод 1. Поток Ф_I отстает от тока I на угол a_I. Таким образом, диск 3 пересекают два несовпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг потока Ф_U и Ф_I.

Возникающие при этом в диске токи, взаимодействуя с потоками, создают вращающий момент

, (9.5)

где с – постоянная величина, определяемая конструктивными особенностями вращающегося механизма; f – частота изменения потоков Ф_U и Ф_I; y – угол между потоками Ф_U и Ф_I; k – коэффициент пропорциональности.

Р и с. 9.6. Индукционный измерительный механизм
одноэлементного электромеханического счетчика

Изменяя количество короткозамкнутых витков 7 и сопротивление резистора 8 добиваются равенства . Тогда выражение (9.5) принимает вид

. (9.6)

Постоянная угловая скорость вращения диска w _д при фиксированном значении потребляемой мощности обеспечивается с помощью постоянного магнита 6 таким образом, чтобы тормозящий момент

М_т = с ₁ w _д, (9.7)

где с ₁ – постоянная величина, определяемая конструктивными особенностями измерительного механизма.

Приравнивая (9.6) и (9.7), получим

. (9.8)

Из (8.30) видно, что при наличии нагрузки в выходной цепи измерительного механизма диск за фиксированное время Т выполнит некоторое количество оборотов, пропорциональное потребленной активной энергии:

W=cN. (9.9)

Р и с. 9.7. Структурная схема аналогового электромеханического
преобразователя электрической энергии

Путем изменения схем подключения тока и напряжения в индукционном измерительном механизме можно добиться выполнения равенства . В этом случае прибор будет измерять реактивную энергию.

Для измерения энергии в трехфазных цепях применяют двух– и трехэлементные индукционные механизмы. При этом на общую ось механизма устанавливаются три диска, а подсчет энергии ведется на основе алгебраического суммирования вращающих моментов.

Другой тип устройства – аналоговый электронный измеритель. Структурная схема электронного счетчика энергии однофазного переменного тока показана на рис. 9.7. Чувствительными элементами преобразователя являются датчики тока и напряжения. Устройство перемножения сигналов с накапливающим элементом на конденсаторе выполняют функции измерителя энергии.

9.2. Счетчики и приборы контроля
качества энергии

9.2.1. Электрические счетчики

Электросчетчики для АСКУЭ должны обладать высокими функциональными возможностями: чувствительность – 0,05%, класс точности – не более 0,5; многотарифность; средняя наработка на отказ – не менее 30 000 часов; измерение параметров качества электроэнергии; наличие интерфейсов RS-232 и RS-485 и др. для передачи информации в сети АСКУЭ; наличие широкого спектра параметров измерения, учета, регистрации и индикации по количеству (энергия, мощность) и качеству электроэнергии (напряжение, ток, частота, коэффициент мощности и коэффициент гармоник).

В отдельных случаях допускается применение индукционных счетчиков класса точности 2,0. Это обусловлено, в первую очередь, длительностью процесса перехода ЖКХ на современное оборудование. Производство однофазных индукционных и электронных счетчиков электроэнергии осуществляют: ЛЭМЗ (С/Петербург) – СО-ЭЭ6706; МЗЭП (Москва), МЭТЗ (Мытищи), ПО «Квант» (Невинномысск) – СО-505; Саранский приборостроительный завод, «Сибирские приборы и системы» (Омск), «Контактор» (Ульяновск), СП «Искра-Урал» (Екатеринбург) – СО-ИБ и др.

Первым однофазным индукционным электросчетчиком с телеметрическим выходом (с фотоадаптером) является счетчик J11 Integra (АBB Metering Sistems, Великобритания) с межповерочным интервалом 20 лет. Имеется отечественный счетчик СО-505Т, оборудованный электронным инфракрасным фотоадаптером АФ-06, который измеряет частоту вращения диска. Межповерочный интервал – 16 лет. Другие модели подобных счетчиков выпускаются фирмами Shlumberge, Siemens Мetering, «Искраэмеко», нижегородским заводом им. Фрунзе.

Индукционные трехфазные счетчики СА4У-510 (5 А) и СА4-514 (10-40 А) в исполнении со встроенным электронным фотоадаптером (СА4У-510Т и СА4-514Т) могут конкурировать по цене с электронными счетчиками при решении задач, связанных с автоматизацией коммерческого учета.

9.2.2. Электронные счетчики

Электронные счетчики электрической энергии имеют более высокую точность и значительно проще в производстве. Функцию аналого-цифрового преобразования выполняют в них микросхемы, которые обеспечивают точность преобразования до нескольких сотых долей процента в широком диапазоне токов. Наиболее популярны микросхемы компаний Analog Devices, Cirrus Logic, Motorola, TDK Semiconductor, SCL India, Maxim/Dallas, STMicroelectronics, Texas Instruments, есть неплохие отечественные микросхемы.

Не менее важную роль играют всевозможные сервисные функции, такие как дистанционный доступ к счётчику, к информации о накопленной энергии и многие другие. Наличие цифрового дисплея, управляемого от микроконтроллера, позволяет программно устанавливать различные режимы вывода информации, например, выводить на дисплей информацию о потреблённой энергии за каждый месяц, по различным тарифам и так далее. Для выполнения некоторых нестандартных функций, например, согласования уровней, преобразования мощности в частоту используются дополнительные ИС и специализированные микроконтроллеры. Сравнительный анализ некоторых типов трехфазных электронных счетчиков приведен в табл. П.9.2 (прил. 9).

На рис. 9.8 показан простейший вариант однофазного цифрового счётчика на 8-разрядном микроконтроллере MC68HC05KJ1 фирмы Motorola [[161].

В представленном решении реализованы все минимально необходимые функции. При такой структуре микроконтроллеру требуется суммировать число импульсов, выводить информацию на дисплей и осуществлять её защиту в различных аварийных режимах. Сигналы, пропорциональные напряжению и току в сети, снимаются с датчиков и поступают на вход преобразователя. ИС преобразователя перемножает входные сигналы, получая мгновенную потребляемую мощность. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера, преобразующего его в Вт·ч, и по мере накопления сигналов изменяющего показания счётчика. Частые сбои напряжения питания приводят к необходимости использования ОЗУ (EEPROM) для сохранения показаний счётчика. Поскольку сбои по питанию являются наиболее характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счётчике.

Р и с. 9.8. Структурная схема цифрового счетчика электрической
энергии на 8-разрядном микроконтроллере Motorola

При включении питания микроконтроллер конфигурируется в соответствии с программой, считывает из EEPROM последнее сохранённое значение и выводит его на дисплей. Затем контроллер переходит в режим подсчёта импульсов, поступающих от ИС преобразователя, и по мере накопления каждого Вт·ч увеличивает показания счётчика. Чтобы не утерять информацию в моменты отключения напряжения, значение накопленной энергии записывается в EEPROM циклически друг за другом через определённое число изменений показаний счётчика. При появлении напряжения микроконтроллер анализирует все значения в EEPROM и выбирает последнее. Для минимальных потерь достаточно записывать значения с шагом 100 Вт·ч. Эту величину можно менять в программе. Контроллер обеспечивает подключение счётчика к АСКУЭ по интерфейсу RS-485.

При небольших дополнительных аппаратных и программных затратах простейший цифровой счётчик может обладать рядом сервисных функций, отсутствующих у всех механических, например, реализация многотарифной оплаты потребляемой энергии, возможность автоматизированного учёта и контроля качества потребляемой электроэнергии. Такой счетчик называется интеллектуальным. Например, электронный бытовой счетчик «МИКРОН СЭБ-2А» предназначен для включения в однофазную сеть переменного тока 50 Гц и измерения потребляемой сетью мощности по двум тарифам (основному и льготному). Включение требуемого тарифа производится автоматически в зависимости от времени суток и дня недели. Имеется возможность учета более 50 видов льгот для различных категорий потребителей и лимитов мощностей (энергии). Встроенный в счетчик микропроцессор с энергонезависимой электронной памятью обеспечивает учет реального времени, включение соответствующего отсчетного устройства, хранение в памяти данных об использованной электроэнергии и выдачу информации при учете и контроле [166].

9.2.3. Интеллектуальные счетчики

Среди отечественных интеллектуальных счетчиков, предназначенных для измерений с точностью 0,2% и 0,5%, наилучшие технико-экономические показатели у приборов серии «Альфа» производства предприятия «АББ ВЭИ Метроника» [166]. Из приборов, контролирующих качество энергии, известны ИВК Омск-М, Эрис-КЭ.02, Ресурс-UF, ППКЭ 1-50М, Парма РК3.01 и др.

Структурная схема счетчика «Альфа» А1700 показана на рис. 9.9. Токи и напряжения измеряемой сети переменного тока через соответствующие клеммы и входные элементы поступают на основной модуль. Преобразование сигналов тока и напряжения осуществляется измерительной СБИС, включающей в себя цифровой сигнальный процессор (DSP) со встроенными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Выделение дискретных значений осуществляется выборками по каждой фазе тока и напряжения с частотой 2400 Гц.

Микроконтроллер является центральным элементом, который управляет работой всех электронных элементов счетчика. На печатной плате установлены следующие компоненты:

− трехфазный источник питания 5 В;

− резистивные делители напряжения;

− нагрузочные резисторы для трех датчиков тока;

− измерительная СБИС;

− микроконтроллер;

− схема сброса;

− память EEPROM;

− кварцевый генератор часов (32,768 кГц);

− элементы оптического порта;

− жидкокристаллический индикатор (ЖКИ);

− интерфейсы для подключения к АСКУЭ.

Р и с. 9.9. Структурная схема счетчика «Альфа» А1700

Счетчики А1700 в многотарифном режиме поддерживают 16 тарифных зон для энергии и 8 – для мощности. Расписания тарифных зон заносятся в счетчик и модифицируются с помощью ПО Power Master Unit. Счетчики Альфа различных модификаций измеряют активную и реактивную потребленную электрическую энергию, коэффициент мощности фазы, угол и частоту фазных токов.

Для построения различных схем конфигурации АСКУЭ специалистами АББ ВЭИ Метроника разработан ряд устройств системы сбора и передачи информации. К ним, в частности, относятся:

− мультиплексор на 16 каналов с возможностью расширения;

− преобразователь RS232/485 и RS232/ИРПС.

Более совершенный счетчик ION 8500 является совместной разработкой концерна АББ и канадской компании Power Measurement. Имеет мощную микропроцессорную систему‚ увеличенную память 4 Мбит для хранения до 320 измеренных параметров‚ два цифровых интерфейса для одновременного удаленного доступа к счетчику из двух различных мест‚ гибкую тарифную систему и отвечает всем требованиям современного рынка электроэнергии. ION 8500 имеет класс точности 0,2, измеряет до 63 высших гармоник и ток в нулевом проводе, проводит расчеты для компенсации потерь в трансформаторе. Счетчики ION анализируют параметры электроэнергии и сигнализируют обо всех изменениях и отклонениях параметров сети от нормальных.

Многофункциональный энергомер Prismeter (Франция), показанный на рис. 9.10, предназначен для управления производственными тарифами на электроэнергию в компаниях-дистрибьюторах электроэнергии.

Измеряет параметры, связанные с энергией и качеством трехфазной сети. Аппаратные средства Prismeter составляет электроника для измерений, вычислений и обработки. Ядром модуля вычислителя является коммуникационный 16-разрядный процессор Am186CC (или Am186CU) – 40МГц (4 MIPS). Диспетчер может дистанционно через протокол DLMS настраивать параметры измерителя. Функции прибора определяются его программой.

а б

Р и с. 9.10. Энергомер Prismeter:
а – внешний вид контроллера; б – интерфейсы связи

Энергомером Prismeterможно производить:

− измерение компонентов сети, и особенно параметров качества сети;

− управление датой и временем (учет времени и даты каждого измерения);

− регулярное дублирование данных;

− самопроверку работы электронных систем, локальную проверку, проводимую оператором, и т.д.

Протокол связи DLMS (Device Language Message Specification) позволяет обмениваться данными между различными абонентами независимо от вида системы связи и назначения систем.

Измеряемые параметры:

− активная энергия, потребленная по каждой фазе;

− общая по 3-м фазам индуктивная реактивная энергия;

− общая по 3-м фазам емкостная реактивная энергия;

− общая по 3-м фазам полная энергия.

Контролируемые параметры качества:

− амплитуда, продолжительность, дата и время нарушения напряжения (выброс или провал);

− продолжительность и дата нарушения 3-фазного напряжения;

− циклическое изменение среднеквадратического значения напряжения (медленные изменения амплитуды напряжения).

Чтение данных и программирование прибора на месте осуществляется через инфракрасный порт на передней панели прибора. Он позволяет настраивать прибор, загружать тарифные профили, считывать графики нагрузки и таблицы параметров качества. Для обмена используется протокол TRIMARAN+.Измеритель имеет встроенный модем V22 bis (2400 бит/с) для дистанционного получения результатов измерений и программирования прибора. Возможна настройка модема под ISDN и GSM. Локальная шина позволяет вести обмен данными между измерителем и персональным компьютером или специальным портативным устройством Hand Held Unit (HHU) для считывания данных, программирования и загрузки тарифных профилей. Для обмена используется протокол EURIDIS+. Локальная шина: Euridis bus обеспечивает передачу данных на расстояние 100...500 м. Потребитель может свободно подключиться к шине данных, чтобы получать информацию о текущем тарифе, индексе потребления, параметрах качества сети и т.п. Тарифное применение определяется дистрибьютором электроэнергии и программируется при помощи языка описания тарифов (Tariff Description Language).