Online Electric

     На сегодняшний день электрическая энергия является той коммунальной услугой, расчеты за которую осуществляются в соответствии с показаниями приборов ее учета - электрических счетчиков.
     Сейчас в России эксплуатируются главным образом два типа электросчетчиков - индукционные и электронные. Сейчас индукционные счетчики уже морально и физически устарели. Электронные (цифровые) счетчики электроэнергии являются современными, часто многофункциональными, устройствами учета расхода электроэнергии. Эти приборы отличаются гораздо более высокой точностью и удобством эксплуатации, что дает возможность строго контролировать расход электроэнергии. Электронные счетчики позволяют дистанционно снимать информацию, в том числе и в автоматическом режиме, могут работать по нескольким тарифам [1].
     В настоящее время существует огромный выбор приборов учета. Каждый из них имеет свои особые характеристики, разный набор функциональных возможностей.
     Повысилась точность электросчетчиков (класс точности 1, 2). Увеличился диапазон токов, он стал теперь до 100 А [2]. Появились счетчики с датчиком в канале тока в виде шунта. Все это изменило требования к установкам для поверки счетчиков. К установкам предъявляются следующие требования:
     - метрологический запас согласно ГОСТ 8.584-2004 при измерении активной энергии равняется 5, а при измерении реактивной энергии - 3;
     - поверочные установки должны обеспечивать диапазон токов до 100 А.
     Согласно ГОСТ 8.584-2004 поверочная установка должна в том или ином виде содержать такие функциональные устройства как:
     - источник фиктивной мощности;
     - эталонные средства измерений, обеспечивающие проведение поверки счетчиков во всем диапазоне нормированных метрологических характеристик;
     - стенд для установки и подключения поверяемых счетчиков к источнику фиктивной мощности и эталонным средствам измерений;
     - устройство обработки результатов измерений при поверке, отображающее (регистрирующее) результаты поверки счетчиков, вычислитель погрешности.
К источнику фиктивной мощности предъявляются следующие требования:
     - формы кривых тока и напряжения должны быть синусоидальными, а коэффициент искажения формы кривой не должен превышать 5%;
     - нестабильность выходных напряжений и токов должна быть нормирована исходя из продолжительности периода поверки определенных видов (типов) и классов точности поверяемых счетчиков;
     - отклонение значения каждого из фазных токов и напряжений не должно превышать 1% задаваемого значения;
     - отклонение значения каждого из фазных или междуфазных напряжений не должно превышать 1% задаваемого значения;
     - допускаемое отклонение номинальной частоты выходных токов и напряжений не должно превышать 0,3%;
     - значения углов сдвига фаз между фазными токами и соответствующими им фазными напряжениями не должны отличаться друг от друга более чем на 2°;
     - дискретность задания углов сдвига фаз между фазными токами и фазными напряжениями не должна превышать 1° в диапазоне от минус 180° до плюс 180°;
     - должна быть обеспечена работа в цепи напряжения на индуктивную или емкостную нагрузку при cosφ от 1 до 0,2, а в цепи тока - на индуктивную нагрузку при cosφ от 1 до 0,5;
     - питание источника фиктивной мощности должно быть осуществлено от однофазной или трехфазной промышленной сети и иметь защиту от токов короткого замыкания.
     Достижение таких параметров обеспечивается или переходом на бестрансформаторные схемы силовых каналов, возможным на основе использования мощных МДП-транзисторов, введением глубоких (более 60 дБ) обратных связей по мгновенному значению. С учетом практически фиксированной рабочей частоты обеспечение устойчивости при таких глубинах является задачей инженерного уровня, решение которой существенно облегчается наличием мощных моделирующих программ типа MicroSim DesignLab, OrCad и др.
     Современный источник фиктивной мощности (ИФМ), используемый как образцовое средство для задания прецизионных выходных значений токов и напряжений, представляет собой сложную электронную систему с программным управлением, в состав которого входит задатчик опорного гармонического сигнала [3].
     Обобщенная структурная схема калибратора мощности представлена на рисунке 1.


Рисунок 1 Обобщенная структурная схема калибратора мощности

     На данной структурной схеме представлены следующие основные блоки:
     1)МЦАП - масштабирующий ЦАП перемножающего типа, позволяющий устанавливать поддиапазоны выходного сигнала(тока и напряжения) по заданной программе. На данный момент в установке «Вектор М» находится 12-разрядный МЦАП, для достижения поставленной цели увеличения точности необходимо повысить данный разряд до 14, 16. Например, чтобы иметь класс точности 0,1 необходимо использовать как минимум 14-разрядный МЦАП;
     2) МК - микроконтроллер, который координирует всю работу калибратора мощности по заданной программе;
     3) ПНН, ПНТ - мощные аналоговые выходные каскады преобразователей "напряжение-напряжение" и "напряжение-ток", соответственно. Обеспечивают задание необходимой величины токов. В идеальном случае не должны вносить фазовый сдвиг, должны иметь стабильные коэффициенты преобразования. По своим свойствам ПНТ должен приближаться к идеальному источнику тока, а ПНН – к идеальному источнику напряжения;
     4) Синтезатор – на его выходе – 2 синусоиды, определяет дискретность фазового сдвига между сигналами, стабильность частоты.
     Для того чтобы та или иная особенность структуры синтезатора была очевидной, начнем разработку с конечного результата, который необходимо получить.
     Задачей синтезатора является получить на выходе сигналы синусоидальной формы заданной частоты и фазовым сдвигом. Поскольку в задатчике формирование выходных сигналов происходит в цифровой форме, совершенно очевидна необходимость цифро-аналоговых преобразователей.
     На рисунке 2 приведена упрощённая принципиальная схема для одного плеча преобразователя, так как в другом плече происходит аналогичное преобразование.


Рисунок 2 Принципиальная схема преобразователя для расчёта
     Чтобы гарантировать точность преобразования напряжения в ток, отсутствие фазового сдвига, стабильность вся система охватывается еще отрицательной обратной связью по току. Для обеспечения устойчивости схемы ПНТ приходится вводить корректирующую цепь. На рисунке 3 приведена такая схема.



Рисунок 3 Принципиальная схема преобразователя для расчёта

     Моделирование является следующим этапом разработки задатчика и служит основой для последующей разработки принципиальной электрической схемы. Существует в настоящее время множество моделирующих программ, которым позволяют смоделировать электрическую схему и произвести расчет ее параметров, не прибегая к реальному проектированию на макетной плате. При моделировании электрической схемы задатчика использовался профессиональный пакет моделирующих программ MicroSim DesingLab 8. Данный пакет позволяет спроектировать электрическую схему и провести различные виды анализа: на постоянном токе; на переменном токе; параметрический анализ; анализ переходных процессов. Также имеется возможность вывода различных сигналов на график и их анализ.
     Разработанная принципиальная схема задатчика представлена на рисунке 4.



Рисунок 4 Схема электрическая принципиальная двухканального цифрового задатчика

     На рисунке 4 приведена принципиальная электрическая схема задатчика, которая разработана по структурной схеме двухканального синтезатора. Для разработки электрической схемы использовались микросхемы из стандартной библиотеки компонентов за исключением одной микросхемы ПЗУ, которая была разработана в самом пакете с последующем моделированием.
     Моделирование преобразователя существенно отличается от моделирования цифрового двухканального задатчика. Необходимо проверить устойчивость разрабатываемого преобразователя и точное преобразование входного напряжение в выходной ток. Для моделирования намоточных компонентов схемы были сняты реальные параметры силового выходного трансформатора и датчика дока.      Принципиальная схема преобразователя "напряжение-ток" приведена на рисунке 5. Приведём элементы принципиальной схемы преобразователя, которые образуют блоки на рисунке 5.




Рисунок 5 Электрическая принципиальная схема преобразователя

     Таким образом, влиять на значение погрешности выходной мощности будет трансформатор тока или напряжения. Их погрешность будет составлять погрешность выходной мощности в отношении 1:1.
     Разработанный задатчик имеет отличительные особенности от рассмотренных синтезаторов частот: синтезируемая частота является фиксированной; задатчик имеет два канала формирования синусоидального сигнала с возможностью изменения фазового сдвига между ними; объединение в трёхфазную систему.
     Преобразователь "напряжение-ток" выполнен по двухтактной схеме с однополярным питанием, что существенно снижает его стоимость. Это в свою очередь ведёт к снижению стоимости всей автоматизированной поверочной установки.
     Разработанные двухканальный цифровой задатчик опорного гармонического сигнала и преобразователь "напряжение-ток" в будущем будут использовать для модификации существующей автоматизированной поверочной установки.

Список использованных источников:
     1. Сергеев В.М., Власкин И.Л., Мошкин В.В., Резников М.В., Фомичёв Ю.М. Средства автоматизированной поверки счетчиков электрической энергии //Датчики и системы. - 2000. - №10. - стр. 11-15.
     2. Правила учета электрической энергии (сборник основных нормативно-технических документов, действующих в области учёта электроэнергии): Главгосэнергонадзор России АОЗТ «Энергосервис». -.М.: 1998 г.
     3. Принципы построения цифровых синтезаторов частоты //Измерение, контроль, автоматизация - 1984. - №3. - стр. 62-68.