Устройство и принципы действия однофазного индукционного счетчика. Включение счетчика в цепь

Рис. 3. Основные узлы простейшего  цифрового счетчика электроэнергии

 

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 EEPROM для сохранения показаний счётчика. Поскольку сбои по питанию являются наиболее характерной аварийной  ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счётчике.

Алгоритм работы программы (рис. 4) для простейшего варианта такого счётчика довольно прост. 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.

Рис. 4. Алгоритм работы программы

При записи в EEPROM значение накопленной  энергии может быть утеряно в  момент отключения напряжения. По этим причинам значение накопленной энергии  записывается в EEPROM циклически друг за другом через определённое число  изменений показаний счётчика, заданное программно, в зависимости от требуемой  точности. Это позволяет избежать потери данных о накопленной энергии. 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.

Схема цифрового вычислителя  показана на рис. 5. К разъёму X1 подключается напряжение питания 220 В и нагрузка. С датчиков тока и напряжения сигналы  поступают на микросхему преобразователя  КР1095ПП1 с оптронной развязкой  частотного выхода. Основу счётчика составляет микроконтроллер MC68HC05KJ1 фирмы Motorola, выпускаемый  в 16-выводном корпусе (DIP или SOIC) и имеющий 1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Для хранения накопленного количества энергии при  сбоях по питанию используется EEPROM малого объёма 24С00 (16 байт) фирмы Microchip. В качестве дисплея используется 8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый  любым недорогим контроллером, обменивающийся с центральным микроконтроллером  по протоколу SPI или I2C и подключаемый к разъёму Х2.

Реализация алгоритма  потребовала менее 1 Кбайт памяти и менее половины портов ввода/вывода микроконтроллера MC68HC05KJ1. Его возможностей достаточно, чтобы добавить некоторые  сервисные функции, например, объединение  счётчиков в сеть по интерфейсу RS-485. Эта функция позволит получать информацию о накопленной энергии в сервисном  центре и отключать электричество  в случае отсутствия оплаты. Сетью  из таких счётчиков можно оборудовать  жилой многоэтажный дом. Все показания  по сети будут поступать в диспетчерский  центр.

Определённый интерес  представляет собой семейство 8-разрядных  микроконтроллеров с расположенной  на кристалле FLASH-памятью. Поскольку  его можно программировать непосредственно  на собранной плате, обеспечивается защищённость программного кода и возможность  обновления ПО без монтажных работ.

Рис. 5. Цифровой вычислитель  для цифрового счетчика электроэнергии

 

Ещё более интересен вариант  счётчика электроэнергии без внешней EEPROM и дорогостоящей внешней энергонезависимой  ОЗУ. В нём можно при аварийных  ситуациях фиксировать показания  и служебную информацию во внутреннюю FLASH-память микроконтроллера. Это к  тому же обеспечивает конфиденциальность информации, чего нельзя сделать при  использовании внешнего кристалла, не защищённого от несанкционированного доступа. Такие счётчики электроэнергии любой сложности можно реализовать  с помощью микроконтроллеров  фирмы Motorola семейства HC08 с FLASH-памятью, расположенной на кристалле.

Переход на цифровые автоматические системы учёта и контроля электроэнергии — вопрос времени. Преимущества таких  систем очевидны. Цена их будет постоянно  падать. И даже на простейшем микроконтроллере такой цифровой счётчик электроэнергии имеет очевидные преимущества: надёжность за счёт полного отсутствия трущихся элементов; компактность; возможность  изготовления корпуса с учётом интерьера  современных жилых домов; увеличение периода поверок в несколько  раз; ремонтопригодность и простота в обслуживании и эсплуатации. При  небольших дополнительных аппаратных и программных затратах даже простейший цифровой счётчик может обладать рядом сервисных функций, отсутствующих у всех механических, например, реализация многотарифной оплаты за потребляемую энергию, возможность автоматизированного учёта и контроля потребляемой электроэнергии.   

Схем подключения электросчётчиков и их проверка:

Счетчик является прибором, который реагирует не только на значение энергии, но и на направление ее передачи. Свойство счетчика реагировать на направление  энергии приводит к обязательной необходимости включать токовую  цепь счетчика и цепь напряжения согласованно, так чтобы при положительном  направлении энергии диск вращался в соответствии со стрелкой. Перед  рассмотрением конкретных схем включения  счетчиков перечислим несколько  общих положений

Зажимы токовой обмотки  счетчика и обмотки напряжения, подключаемые со стороны источника питания, условно  называются однополярными. На схемах однополярные выводы обмоток счетчика (начала обмоток) обозначают звездочкой. Однополярный зажим цепи напряжения всегда располагается  рядом с соответствующим зажимом  токовой обмотки и у счетчиков  непосредственного включения соединяется  с токовым зажимом съемной  перемычкой.

Ранее, при описании счетчиков, отмечалось, что зажимы токовых обмоток  обозначаются буквами Г (генератор) и Н (нагрузка). При этом генераторный зажим соответствует началу обмотки, а нагрузочный - ее концу. При подключении  счетчика необходимо следить за тем, чтобы ток через токовые обмотки  проходил от их начал к концам. Для  этого провода со стороны источника  питания должны подключаться к генераторным зажимам (зажимам Г) обмоток, а провода, отходящие от счетчика в сторону  нагрузки, должны быть подключены к  нагрузочным зажимам (зажимам Н). Для счетчиков, включаемых с измерительными трансформаторами, должна учитываться  полярность как ТТ, так и ТН. Это  особенно важно для трехфазных счетчиков, имеющих сложные схемы включения, когда неправильная полярность измерительных трансформаторов не всегда сразу обнаруживается на работающем счетчике. Если счетчик включается через ТТ, то к началу токовой обмотки подключается провод от того зажима вторичной обмотки ТТ, который однополярен с выводом первичной обмотки, подключенным со стороны источника питания. При этом включении направление тока в токовой обмотке будет таким же, как и при непосредственном включении. Для трехфазных счетчиков входные зажимы цепей напряжения, однополярные с генераторными зажимами токовых обмоток, обозначаются цифрами 1, 2, 3. Тем самым определяется заданный порядок следования фаз 1-2-3 при подключении счетчиков. Следует заметить, что при подключении схема внутренних соединений не должна вызывать каких-либо сомнений или неясностей, так как все требуемые внутренние подключения сделаны при изготовлении счетчиков. Важно следить лишь за правильностью внешних подключений. На рис.a.6.в приведены типовые схемы включения счетчиков активной и реактивной энергии как при непосредственном их включении в электрическую сеть, так и с измерительными трансформаторами. На рис.а, б, в изображены принципиальные схемы включения однофазного счетчика активной энергии с указанием полярности измерительных трансформаторов. Вторичные обмотки ТТ и ТН в целях безопасности заземлены. Принципиально безразлично, что заземлять - начала или концы обмоток измерительных трансформаторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Схемы включения  однофазного счетчика активной энергии: а - при непосредственном включении; б - при полукосвенном включении  в - при косвенном подключении;

Принципиальные схемы  включения трехфазного трехпроводного двухэлементного счетчика активной энергии типа САЗ (САЗУ) приведены  на рис. а, б, в. Здесь особо отметим, что к зажиму с цифрой 2 обязательно  подключается средняя фаза, т.е. та фаза, ток которой к счетчику не подводится. При включении счетчика с ТН зажим  этой фазы заземляется. На схеме рис.в  у Т1 заземлены зажимы со стороны  источника питания (т.е. зажимы .И 1), но можно было бы заземлять зажимы и со стороны нагрузки. Счетчики типа САЗ применяются главным  образом с измерительными трансформаторами, и поэтому приведенная схема  рис. в является основной при учете  активной энергии в электрических  сетях 6 кВ и выше.

Рис.2 Схемы включения  трехфазного трехпроводного двухэлементного  счетчика активной энергии типа САЗ (САЗУ): а - при непосредственном включении; б - при полукосвенном включении; в - при косвенном включении

Принципиальные электрические  схемы включения трехфазного  трехэлементного счетчика активной энергии типа СА4 (СА4У) приведены  на рис.д, при этом на рис. а, б, в представлены схемы включения трехпроводного, а на рис. г, д -четырехпроводного  счетчика.

 

Рис.3 Схемы включения  трехфазного трехэлементного счетчика активной энергии типа СА4 (СА4У) а - при  полукосвенном включении в трехпроводную  сеть; б - при косвенном включении  в трехпроводную сеть; в - при непосредственном включении в четырехпроводную сеть; г - при полукосвенном включении  в четырехнроводную сеть

На рис.4 показана схема  включения с тремя однофазными  ТН, первичные и вторичные обмотки  которых соединены в звезду. При  этом общая точка вторичных обмоток в целях безопасности заземляется. Это же относится и к вторичным обмоткам ТТ. На рис. в, г необходимо обратить внимание на наличие обязательной связи нулевого проводника сети с нулевым зажимом ( 0 ) счетчика. Выше отмечалось, что отсутствие такой связи может вызывать дополнительную погрешность при учете энергии в сетях с несимметрией напряжений. Схемы включения счетчиков реактивной энергии с 90 -м сдвигом типа СР4 (СР4У) в четырсхпроводную сеть приведены на рис. а, б, в. Порядок подведения напряжений и токов к счетчику такой же, как и у счетчика активной энергии. Схема косвенного включения этого же счетчика в трехпроводную сеть приведена на рис. г. Так как в средней фазе сети отсутствует ТТ, то вместо тока Ib к токовой обмотке второго элемента счетчика подведена геометрическая сумма токов Ia+Ic, которая, как-известно, равна -Ib.

Рис. 4 Схемы включения трехэлементного  счетчика реактивной энергии с 90°-м  сдвигом типа СР4 (СР4У): а - при непосредственном включении в четырехпроводную сеть; б - при полукосвенном включении  в четырехпроводную сеть; в - при  косвенном включении в четырехпроводную сеть; г - при косвенном включении  в трехпроводную сеть

На рис.5 приведена схема  полукосвенного включения двухэлементного  счетчика реактивной энергии с разделенными последовательными обмотками типа СР4 (СР4У) в четырехпровоную сеть. В трехпроводных сетях, где имеются лишь два ТТ, этот счетчик может быть включен по схеме с использованием геометрической суммы токов двух фаз аналогично схеме на рис. г. На рис. представлены схемы включения счетчика реактивной энергии типа СРЗ (СРЗУ) с 60°-м сдвигом в трехпроводную сеть.

Рис.5 Схема полукосвенного включения  двухэлементного счетчика реактивной энергии с разделенными последовательными  обмотками тина СР4 (СР4У) в четырехпроводную сеть

 

Рис.6 Схема включения  двухэлементного счетчика реактивной энергии типа СРЗ (СРЗУ) с 60-м сдвигом  в трехпроводную сеть: а - при непосредственном включении; б -при полукосвснном  включении; в - при косвенном включении 
 
 

 

 

  

 

 

  

 

 

 

Ввиду того, что счетчики активной и реактивной энергии обычно используются вместе, на рис. в качестве примера приведены схемы их совместного  включения. На рис.7 приведены схемы  полукосвснного включения счетчиков  в четырехпроводную сеть (380/220 В). Схема  на рис.требует для монтажа меньшего количества провода или контрольного кабеля. При ее сборке значительно  уменьшается риск неправильного  включения счетчиков, так как  исключается несовпадение фаз (А, В, С) тока и напряжения. Проверить правильность схемы можно упрощенными способами  без снятия векторной диаграммы. Для этого достаточным является измерение фазных напряжений, определение  порядка следования фаз и проверка правильности включения токовых  цепей с помощью поочередного вывода двух элементов счетчиков  из работы и фиксацией при этом правильного вращения диска. Недостаток схемы заключается в том, что  проверка правильности включения токовых  цепей вызывает необходимость трижды отключать потребителей и принимать  особые меры по технике безопасности при производстве работ, так как  вторичные цепи ТТ находятся под  потенциалами фаз первичной сети. Другим серьезным недостатком рассматриваемой  схемы является то, что ее использование  приходит в противоречие с ПУЭ (п. 1.7..46), где говорится о необходимости  зануления или заземления вторичных  обмоток измерительных трансформаторов. В отличие от предыдущей схема  на рис. имеет раздельные цепи тока и напряжения, поэтому она позволяет  производить проверку правильности включения счетчиков и их замену без отключения потребителей, так  как в этой схеме цепи напряжения могут быть отсоединены. Кроме этого, в ней соблюдены требования ПУЭ  к занулению и заземлению вторичных  обмоток ТТ. 

 

Рис.7 Схема полукосвенного включения  трехэлементных счетчиков активной и реактивной энергии в четырехпроводную сеть с совмещенными цепями тока и  напряжения.

 

Рис.8 Схема полукосвенного включения  трехэлементных счетчиков активной и реактивной энергии в четырехпроводную сеть с раздельными цепями тока и  напряжения.