Велиева Т.Д.
ПЕРСПЕКТИВЫ УЛУЧШЕНИЯ УЧЕТА РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ *
Аннотация:
энергетический кризис является одной из глобальных мировых проблем настоящего времени. Поэтому экономия и рациональный расход электроэнергии является одним из актуальных вопросов современной энергетики. Важное значение имеет всесторонний анализ и учет особенностей контроля электроэнергии в различных узлах аппаратуры и сетей электросистем, где нагрузки по разным причинам могут быть искажены. При этом нагрузки могут иметь несимметричный, нелинейный и переменно-периодический характер.
Ключевые слова:
электрическая энергия, нагрузка, экономия, рациональный расход, преобразователи мощности, счетчики электроэнергии, однофазные сети, трехфазные сети переменного тока
DOI 10.24412/2712-8849-2024-271-511-517
Учет расхода электроэнергии в промышленности и в быту требует постоянного внимания к проблеме улучшения учета расхода электроэнергии с точки зрения обеспечения возможно более точного и достоверного измерения электроэнергии. В этом направлении во многих развитых странах в течение ряда лет проводятся исследования по разработке электронных (статических) преобразователей электрической мощности и счетчиков электроэнергии (ЭСЭ) для однофазных и трехфазных сетей переменного тока [1]. При этом разработки ведутся как для сетей стандартной частоты, так и для измерения расхода электроэнергии в специальных условиях на повышенных частотах, на подвижных объектах, в условиях повышенных температур, в агрессивных средах и т.д. [2,3].В литературе и проспектах различных фирм и организаций приводятся действия схемы и технические характеристики ЭСЭ различного назначения, принципа действия и конструкции. По сравнению с широко применяемыми до настоящего времени электромеханическими счетчиками электроэнергии индуктивной системы (СЭИ) ЭСЭ обладает рядом неоспоримых преимуществ и, в первую очередь, отсутствием вращающихся и подвижных частей. СЭИ обладают следующими принципиальными недостатками:наличие подвижных и изнашивающихся частей ведет к постепенному снижению точности, что не позволяет выполнить такие счетчики для случая их стационарной установки класса точности выше 0,5,в случае установки СЭИ на подвижных объектах их точность снижается до 2,5-3% и их эксплуатационные характеристики при этом ухудшаются. ЭСЭ свободны от этих недостатков и могут нормально работать на подвижных объектах, на повышенных частотах, при измерении как сравнительно малых, так и относительно больших значений электроэнергии. Первых случай может иметь место в маломощных цепях электроники, радиотехники, автоматики, тогда как второй случай характерен для решения ряда задач в энергетике, электротранспорте, электроприводе и других областях науки и техники. Еще одно важное преимущество ЭСЭ – это реализация их в виде цифровых счетчиков электроэнергии, позволяющих помимо цифровой визуальной индикации, иметь кодовый выход для подключения к различным компьютеризированным блокам более высокого уровня иерархии (системы централизованного контроля, системы автоматического регулирования и управления и т.д.).Однако имеют место и определенные факторы, оказывающие влияние на погрешности счетчиков электроэнергии. К ним относится изменение условий нагрузки примерно от 10 до 150% от номинального и до максимального значения при изменении при этом значений ???????? в достаточно широких пределах. Кроме того, могут изменятся частота сети, коэффициент нелинейных искажений кривых напряжения и тока, температура и влажность среды, напряженность внешнего магнитного поля и др. Поэтому учет всех этих моментов имеет важное значение при выборе принципа действия счетчиков и их проектирования.Обобщенная структура ЭСЭ (активной энергии) состоит из трех основных блоков:преобразователя активной мощности в пропорциональный электрический сигнал,преобразователя этого сигнала в частоту импульсов,счетного устройства, которого интегрирует (подсчитывает) указанные импульсы.При этом энергия каждого импульса неизменна и равна wi, а меняется частота импульсов f , которая оказывается прямо пропорциональной величине сигнала на выходе преобразователя напряжения в частоту. Следовательно, показания счетного устройства (N) будут пропорциональны активной электроэнергии: (1)Одним из наиболее распространенных на практике способов получения активной мощности P=UIcos?? (или при необходимости реактивной мощности Q=UIsin??) является схема умножения на двух квадраторах, осуществляющая операцию умножения двух электрических сигналов X и Y по алгоритму [4]:X*Y=0,25[(X+Y)2-(X-Y)2] (2)Квадратор представляет собой безинерционную нелинейную или параметрическую цепь, осуществляющую операцию квадратирования сигнала. В квадраторах могут быть использованы нелинейные, резистивные, полупроводниковые, термоэлектрические, магнитные и другие элементы. Каждый из них имеет свое преимущества и недостатки.Существенным недостатком схемы с двумя квадраторами является необходимость иметь строго идентичные квадратичные характеристики в двух каналах преобразования сигналов. Однако выполнить это условие практически затруднительно, особенно, если учесть случайный характер влияния дестабилизирующих факторов. В результате технические характеристики ЭСЭ могут изменяться. К этим характеристикам относятся: точность, чувствительность, рабочие диапазоны частот и температур, быстродействие, потребляемая и выходная мощности, перегрузочная способность и другие.Поэтому прорабатываются пути исключения или значительного уменьшения указанных влияний. Одним из путей, исключающих влияние неидентичности квадратов, является переход от схемы умножения с двумя квадраторами к схеме умножения с одним квадратором [4].Структура разработанного ЭСЭ с устройством умножения (УУ) на одном квадраторе представлена на рисунке 1.Рисунок. 1. Структура однофазного ЭСЭ.Здесь ПН и ПТ – соответственно нормирующие преобразователи напряжения U и тока I измеряемой цепи. Устройство умножения УУ реализует на квадраторе кусочно-нелинейной аппроксимации на нелинейных полупроводниковых элементах, работающих в режиме электронных ключей. В зависимости от выбора числа участков аппроксимации квадратичной функции, а также введения температурной коррекции в звеньях аппроксиматора, можно получить требуемые точность, динамический и температурный диапазоны и стабильность характеристик преобразования ЭСЭ. Схема ЭСЭ на интегральных схемах с цифровой индикацией показаний в достаточной степени удовлетворяла основным требованиям, предъявляемым к счетчикам активной энергии. Фазовый преобразователь (ФП) позволяет получить активную состовляющую тока нагрузки Icos??, которая затем с помощью УУ умножается на напряжение цепи U. В результате на выходе УУ будет иметь электрический сигнал, прямо пропорциональный активной мощности k4UIcos??. Преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) преобразует этот сигнал в частоту ?? прямоугольных импульсов неизменной формы. Счетное устройство (СУ) с цифровым индикатором подсчитывает эти импульсы в режиме накопительного счета. На рисунке 1. k1, k2, … k6 –соответствующие коэффициенты пропорциональности отдельных блоков.Исследования показали, что ЭСЭ с одним квадратором обеспечивает класс точности 1.0, предусмотренный стандартом для однофазных счетчиков электроэнергии. На рисунке 2. приведена экспериментальная характеристика преобразования (1) ЭСЭ, которая отличается достаточно высокой линейностью и крутизной характеристики. Для сравнения на том же рисунке приведена характеристика преобразования (2) стандартного индуктивного счетчика электроэнергии типа СО-2.Рисунок.2. Характеристики преобразования однофазных счетчиков электроэнергии: 1-электронного счетчика активной электроэнергии, 2- стандартного индуктивного счетчика типа СО-2.Рассмотренный однофазный ЭСЭ может быть использован и для измерения в активной (или реактивной) электроэнергии в трехфазных цепях. Для этого, в зависимости от схемы включения нагрузки (звездой или треугольником), симметричности или ассиметричности системы, доступности нулевой точки, могут быть использованы известные методы измерения электроэнергии – метод одного, двух или трех приборов. При этом на основе рассмотренного однофазного ЭСЭ могут быть выполнены также двухэлементные и трехэлементные приборы для трехфазной цепи.Таким образом, однофазный ЭСЭ как прибор массового назначения, целесообразно ориентировать на использование в качестве бытового счетчика активной электроэнергии. Важное значение имеет, помимо точности, обеспечение надежной работы ЭСЭ в различных условиях эксплуатации, также технологичность, виброустойчивость, невысокая стоимость и длительный срок службы.
Номер журнала Вестник науки №2 (71) том 3
Ссылка для цитирования:
Велиева Т.Д. ПЕРСПЕКТИВЫ УЛУЧШЕНИЯ УЧЕТА РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ // Вестник науки №2 (71) том 3. С. 511 - 517. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/13039 (дата обращения: 17.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2024. 16+