Счетчик потерь электроэнергии с индикацией потерь мощности (варианты)

Счетчик потерь электроэнергии с индикацией потерь мощности (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемая группа изобретений относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначена для вычисления и индикации усредненной на 1-минутном интервале мощности потерь электроэнергии, а также может быть использована в качестве счетчика-регистратора потерь электроэнергии за каждый час, сутки, месяц.

Известно устройство для определения начальных моментов любого порядка [1], содержащее входной зажим, функциональный преобразователь, интегратор, источник опорного напряжения, компаратор, одновибратор, первый и второй счетчики, генератор прямоугольных импульсов, блок деления, индикатор.

Недостатками аналога являются невысокая точность, обусловленная наличием в схеме устройства аналогового интегратора, выполненного на операционном усилителе и конденсаторе, а также узкие функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является счетчик потерь электроэнергии [2], содержащий генератор прямоугольных импульсов, компьютер, таймер, таймер-часы, датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, функциональный преобразователь, накапливающий сумматор, индикатор, блок деления, постоянное запоминающее устройство, приемо-передатчик, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы.

Недостатками прототипа являются невысокая точность, обусловленная неучетом зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева (погрешность по этой причине может достигать 40% [3]), а также узкие функциональные возможности.

Технические задачи, решаемые изобретением, - повышение точности за счет учета зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева и расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности непрерывного контроля мощности потерь электроэнергии.

Указанные технические задачи (в первом варианте реализации счетчика) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий датчик тока, квадратор, постоянное запоминающее устройство, компьютер, первый приемо-передатчик, генератор прямоугольных импульсов, дополнительно введены датчик температуры окружающей среды, аналоговый сумматор, блок умножения, микроконтроллер, второй приемо-передатчик, стрелочный индикатор, первый и второй источники опорного напряжения, первое и второе апериодические звенья, второй вход последнего подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, а выход соединен с третьим входом аналогового сумматора, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго источников опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом блока умножения, первый вход которого через квадратор подключен к выходу датчика тока, а выход соединен с объединенными первым входом второго апериодического звена и входом первого апериодического звена, выход которого соединен с объединенными входами стрелочного индикатора и порта А микроконтроллера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый и второй приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства и компьютера.

Указанные технические задачи (во втором варианте реализации счетчика) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий квадратор, постоянное запоминающее устройство, компьютер, первый приемо-передатчик, генератор прямоугольных импульсов, датчик тока, дополнительно введены датчик температуры электрооборудования, первый и второй источники опорного напряжения, микроконтроллер, второй приемо-передатчик, стрелочный индикатор, первый и второй аналоговые сумматоры, блок умножения, апериодическое звено, выход которого соединен с объединенными входами стрелочного индикатора и порта А микроконтроллера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый и второй приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства и компьютера, выходы датчика температуры электрооборудования и второго источника опорного напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами первого аналогового сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго аналогового сумматора, первый вход которого подключен к выходу первого источника опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом блока умножения, первый вход которого через квадратор подключен к выходу датчика тока.

Указанные технические задачи (в третьем варианте реализации счетчика) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий аналого-цифровой преобразователь, квадратор, первый накапливающий сумматор, генератор прямоугольных импульсов, компьютер, первый приемо-передатчик, постоянное запоминающее устройство, цифровой индикатор, датчик тока, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом квадратора, дополнительно введены первый и второй блоки вычитания, первый регистр, первый и второй цифровые сумматоры, второй и третий накапливающие сумматоры, датчик температуры окружающей среды, микроконтроллер, второй приемопередатчик, первый-пятый блоки умножения, первый-пятый блоки задания кодов, выход первого из которых соединен с первым входом первого цифрового сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго блока умножения, а выход соединен со вторым входом первого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу квадратора, а выход соединен с объединенными первым входом третьего блока умножения и информационным входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора и первого регистра, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, выход второго накапливающего сумматора соединен с входом порта А микроконтроллера, выход порта В которого через первый приемо-передатчик соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход порта С микроконтроллера через второй приемо-передатчик соединен с входом компьютера, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, разряды управляющего порта D которого соединены: первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй - с объединенными управляющими входами первого и третьего накапливающих сумматоров, третий - с объединенными управляющими входами первого регистра и второго накапливающего сумматора, четвертый - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора, пятый - с входом вектора прерываний микроконтроллера, шестой - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора, выход четвертого блока задания кода соединен с вторым входом третьего блока умножения, выход которого соединен с первым входом второго цифрового сумматора, второй вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, а выход соединен с входом уменьшаемого первого блока вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу четвертого блока умножения, а выход соединен с информационным входом третьего накапливающего сумматора, выход которого соединен с объединенными входом уменьшаемого второго блока вычитания и вторым входом четвертого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого блока задания кода, соединенному с вторым входом пятого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, выход третьего блока задания кода соединен с входом вычитаемого второго блока вычитания, выход которого соединен с вторым входом второго блока умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока задания кода.

Указанные технические задачи (в четвертом варианте реализации счетчика) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий квадратор, компьютер, первый приемо-передатчик, постоянное запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь, генератор прямоугольных импульсов, первый накапливающий сумматор, цифровой индикатор, датчик тока, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом квадратора, дополнительно введены цифровой сумматор, микроконтроллер, датчик температуры электрооборудования, блок вычитания, второй накапливающий сумматор, второй приемо-передатчик, первый регистр, первый и второй блоки умножения, первый-третий блоки задания кодов, выход последнего из которых соединен с входом вычитаемого блока вычитания, вход уменьшаемого которого подключен к выходу датчика температуры электрооборудования, а выход соединен с вторым входом второго блока умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока задания кода, а выход соединен с вторым цифрового сумматора, первый вход которого подключен к выходу второго блока задания кода, а выход соединен со вторым входом первого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу квадратора, а выход соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора и первого регистра, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, выход второго накапливающего сумматора соединен с входом порта А микроконтроллера, выход порта В которого через первый приемо-передатчик соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход порта С микроконтроллера через второй приемо-передатчик соединен с входом компьютера, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, разряды управляющего порта D которого соединены: первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй - с управляющим входом первого накапливающего сумматора, третий - с объединенными управляющими входами первого регистра и второго накапливающего сумматора, четвертый - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора, пятый - с входом вектора прерываний микроконтроллера, шестой - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора.

Указанные технические задачи (в пятом варианте реализации счетчика) решаются благодаря тому, что в счетчик потерь электроэнергии, содержащий компьютер, цифровой индикатор, датчик тока, первый приемо-передатчик, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, дополнительно введены второй приемо-передатчик, датчики температуры окружающей среды и электрооборудования, микроконтроллер, регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, а информационный и управляющий входы подключены соответственно к выходам портов D и Е микроконтроллера, выход порта F которого через первый приемо-передатчик соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход порта G микроконтроллера через второй приемо-передатчик соединен с входом компьютера, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, входы портов А, В и С которого подключены соответственно к выходам датчиков тока, температуры окружающей среды и температуры электрооборудования.

Аналоговый сумматор содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом аналогового сумматора и через резистор обратной связи - с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через входные резисторы ко входам аналогового сумматора.

Первое апериодическое звено содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом первого апериодического звена и через параллельно соединенные резистор обратной связи и конденсатор - с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через входной резистор ко входу первого апериодического звена.

Второе апериодическое звено содержит операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом второго апериодического звена и через параллельно соединенные резистор обратной связи и конденсатор - с инвертирующим входом операционного усилителя, подключенным через входные резисторы ко входам второго апериодического звена.

Накапливающий сумматор содержит третий цифровой сумматор, второй и третий регистры и одновибратор, выход которого соединен с входом управления записью третьего регистра, а инверсный вход объединен с входом управления записью второго регистра и подключен к управляющему входу накапливающего сумматора, информационный вход которого соединен с первым входом третьего цифрового сумматора, выход которого через второй регистр соединен с информационным входом третьего регистра, информационный выход которого соединен с объединенными вторым входом третьего цифрового сумматора и выходом накапливающего сумматора, вход установки нуля которого соединен с входом установки нуля третьего регистра.

Существенными отличиями предлагаемого счетчика являются введение дополнительных элементов в различных вариантах его реализации:

1) аналогового сумматора, блока умножения, микроконтроллера, второго приемо-передатчика, стрелочного индикатора, датчика температуры окружающей среды, первого и второго источников опорного напряжения, первого и второго апериодических звеньев;

2) первого и второго аналоговых сумматоров, блока умножения, микроконтроллера, второго приемо-передатчика, стрелочного индикатора, датчика температуры электрооборудования, первого и второго источников опорного напряжения, апериодического звена;

3) датчика температуры окружающей среды, микроконтроллера, второго приемо-передатчика, первого регистра, первого-пятого блоков умножения, первого и второго блоков вычитания, первого и второго цифровых сумматоров, второго и третьего накапливающих сумматоров, первого-пятого блоков задания кодов;

4) микроконтроллера, датчика температуры электрооборудования, второго накапливающего сумматора, первого-третьего блоков задания кодов, второго приемо-передатчика, первого регистра, первого и второго блоков умножения, блока вычитания, цифрового сумматора;

5) микроконтроллера, второго приемо-передатчика, регистра, датчиков температуры окружающей среды и электрооборудования.

К существенным отличиям предлагаемого счетчика также относятся организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширения функциональных возможностей счетчика за счет возможности непрерывного контроля мощности потерь электроэнергии, а также повышения его точности за счет учета зависимости активного сопротивления токоведущих элементов электрооборудования от температуры нагрева.

Схемы первого-пятого вариантов реализации счетчика представлены соответственно на фиг.1-5; также представлены схемы элементов счетчика: на фиг.6 - аналогового сумматора, на фиг.7 - первого апериодического звена, на фиг.8 - второго апериодического звена, на фиг.9 - накапливающего сумматора.

Схема первого варианта реализации счетчика (фиг.1) содержит датчик 1 тока (ДТ), квадратор 2, блок 3 умножения (БУ), первое 4 и второе 5 апериодические звенья (АЗ), первый 6 и второй 7 источники опорного напряжения (ИОН), аналоговый сумматор 8, датчик 9 температуры окружающей среды, стрелочный индикатор 10, генератор 11 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 12, первый 13 и второй 14 приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 15, компьютер 16. Выход датчика 1 тока через квадратор 2 соединен с первым входом блока 3 умножения, выход которого соединен с объединенными первым входом второго апериодического звена 5 и входом первого апериодического звена 4, выход которого соединен с объединенными входами стрелочного индикатора 10 и порта А микроконтроллера 12, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 11 прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый 13 и второй 14 приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства 15 и компьютера 16, второй вход второго апериодического звена 5 подключен к выходу датчика 9 температуры окружающей среды, а выход соединен с третьим входом аналогового сумматора 8, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого 6 и второго 7 источников опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом блока 3 умножения.

Схема второго варианта реализации счетчика (фиг.2) содержит датчик 1 тока (ДТ), квадратор 2, блок 3 умножения (БУ), апериодическое звено (АЗ) 4, первый 5 и второй 7 источники опорного напряжения (ИОН), датчик 7 температуры электрооборудования, первый 8 и второй 9 аналоговые сумматоры, стрелочный индикатор 10, генератор 11 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 12, первый 13 и второй 14 приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 15, компьютер 16. Выход датчика 1 тока через квадратор 2 соединен с первым входом блока 3 умножения, выход которого соединен с входом апериодического звена 4, выход которого соединен с объединенными входами стрелочного индикатора 10 и порта А микроконтроллера 12, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 11 прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый 13 и второй 14 приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства 15 и компьютера 16, выходы датчика 7 температуры электрооборудования и второго источника 6 опорного напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами первого аналогового сумматора 8, выход которого соединен с вторым входом второго аналогового сумматора 9, первый вход которого подключен к выходу первого источника 5 опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом блока 3 умножения.

Схема третьего варианта реализации счетчика (фиг.3) содержит датчик 1 тока (ДТ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, квадратор 3, первый 4, второй 5, третий 6, четвертый 7 и пятый 8 блоки умножения (БУ), первый 9, второй 10 и третий 11 накапливающие сумматоры (НС), первый регистр 12, цифровой индикатор (ЦИ) 13, генератор 14 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 15, первый 16 и второй 17 приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 18, компьютер 19, первый 20 и второй 21 цифровые сумматоры (ЦС), первый 22 и второй 23 блоки вычитания (БВ), первый 24, второй 25, третий 26, четвертый 27 и пятый 28 блоки задания кодов (БЗК), датчик 29 температуры окружающей среды (ДТОС). Выход датчика 1 тока через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 2 и квадратор 3 соединен с первым входом первого блока 4 умножения, выход которого соединен с объединенными первым входом третьего блока 6 умножения и информационным входом первого накапливающего сумматора 9, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора 10 и первого регистра 12, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора 13, выход второго накапливающего сумматора 10 соединен с входом порта А микроконтроллера 15, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 14 прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый 16 и второй 17 приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства 18 и компьютера 19, выход четвертого блока 27 задания кода соединен с вторым входом третьего блока 6 умножения, выход которого соединен с первым входом второго цифрового сумматора 21, второй вход которого подключен к выходу пятого блока 8 умножения, а выход соединен с входом уменьшаемого первого блока 22 вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу четвертого блока 7 умножения, а выход соединен с информационным входом третьего накапливающего сумматора 11, выход которого соединен с объединенными входом уменьшаемого второго блока 23 вычитания и вторым входом четвертого блока 7 умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого блока 28 задания кода, соединенному с вторым входом пятого блока 8 умножения, первый вход которого подключен к выходу датчика 29 температуры окружающей среды, выход третьего блока 26 задания кода соединен с входом вычитаемого второго блока 23 вычитания, выход которого соединен с вторым входом второго блока 5 умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока 25 задания кода, а выход соединен со вторым входом первого цифрового сумматора 20, первый вход которого подключен к выходу первого блока 24 задания кода, а выход соединен со вторым входом первого блока 4 умножения, разряды управляющего порта D микроконтроллера 15 соединены: первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 2, второй - с объединенными управляющими входами первого 9 и третьего 11 накапливающих сумматоров, третий - с объединенными управляющими входами первого регистра 12 и второго накапливающего сумматора 10, четвертый - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора 9, пятый - с входом вектора прерываний микроконтроллера 15, шестой - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора 10.

Схема четвертого варианта реализации счетчика (фиг.4) содержит датчик 1 тока (ДТ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, квадратор 3, первый 4 и второй 5 блоки умножения (БУ), первый 6 и второй 7 накапливающие сумматоры (НС), первый регистр 8, цифровой индикатор (ЦИ) 9, генератор 10 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 11, первый 12 и второй 13 приемо-передатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 14, компьютер 15, цифровой сумматор (ЦС) 16, блок 17 вычитания (БВ), первый 18, второй 19 и третий 20 блоки задания кодов (БЗК), датчик 21 температуры электрооборудования (ДТЭ). Выход датчика 1 тока через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 2 и квадратор 3 соединен с первым входом первого блока 4 умножения, выход которого соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора 6, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора 7 и первого регистра 8, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора 9, выход второго накапливающего сумматора 7 соединен с входом порта А микроконтроллера 11, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 10 прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через первый 12 и второй 13 приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства 14 и компьютера 15, выход третьего блока 20 задания кода соединен с входом вычитаемого блока 17 вычитания, вход уменьшаемого которого подключен к выходу датчика 21 температуры электрооборудования, а выход соединен с вторым входом второго блока 5 умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока 19 задания кода, а выход соединен со вторым входом цифрового сумматора 16, первый вход которого подключен к выходу первого блока 18 задания кода, а выход соединен со вторым входом первого блока 4 умножения, разряды управляющего порта D микроконтроллера 11 соединены: первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 2, второй - с управляющим входом первого накапливающего сумматора 6, третий - с объединенными управляющими входами первого регистра 8 и второго накапливающего сумматора 7, четвертый - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора 6, пятый - с входом вектора прерываний микроконтроллера 11, шестой - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора 7.

Схема пятого варианта реализации счетчика (фиг.5) содержит датчик 1 тока (ДТ), микроконтроллер (МК) 2, регистр 3, цифровой индикатор (ЦИ) 4, датчики температуры окружающей среды (ДТОС) 5 и электрооборудования (ДТЭО) 6, генератор 7 прямоугольных импульсов (ГПИ), первый 8 и второй 9 приемо-передатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10, компьютер 11. Выход датчика 1 тока соединен с входом порта А микроконтроллера 2, входы портов В и С которого подключены соответственно к выходам датчиков температуры окружающей среды 5 и температуры электрооборудования 6, а тактовый вход подключен к выходу генератор 7 прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера 2 соединены соответственно: D - с информационным входом регистра 3, Е - с управляющим входом регистра 3, F - через первый приемо-передатчик 8 с входом постоянного запоминающего устройства 10, G - через второй приемо-передатчик 9 с входом компьютера 11, информационный выход регистра 3 соединен с информационным входом цифрового индикатора 4.

Аналоговый сумматор 8 (фиг.6) содержит операционный усилитель (ОУ) 17, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом аналогового сумматора 8 и через резистор 18 обратной связи - с инвертирующим входом операционного усилителя 17, подключенным через входные резисторы 19-20 ко входам аналогового сумматора 8.

Первое апериодическое звено 4 (фиг.7) содержит первый 21 и второй 22 операционные усилители, неинвертирующие входы которых соединены с общей шиной счетчика, выход второго операционного усилителя 22 соединен с объединенными выходом первого апериодического звена 4 и через второй резистор 23 обратной связи - с инвертирующим входом второго операционного усилителя 22, подключенным через второй входной резистор 24 к выходу первого операционного усилителя 21, соединенному через параллельно соединенные первый резистор 25 обратной связи и конденсатор 26 с инвертирующим входом первого операционного усилителя 21, подключенным через первый входной резистор 27 ко входу первого апериодического звена 4.

Второе апериодическое звено 5 (фиг.8) содержит операционный усилитель 28, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной счетчика, а выход соединен с объединенными выходом второго апериодического звена 5 и через параллельно соединенные резистор 29 обратной связи и конденсатор 30 - с инвертирующим входом операционного усилителя 28, подключенным через входные резисторы 31 и 32 ко входам второго апериодического звена 5.

Накапливающий сумматор 9 (фиг.9) содержит третий цифровой сумматор 33, второй 34 и третий 35 регистры и одновибратор 36, выход которого соединен с входом управления записью третьего регистра 35, а инверсный вход объединен с входом управления записью второго регистра 34 и подключен к управляющему входу накапливающего сумматора 9, информационный вход которого соединен с первым входом третьего цифрового сумматора 33, выход которого через второй регистр 34 соединен с информационным входом третьего регистра 35, информационный выход которого соединен с объединенными вторым входом третьего цифрового сумматора 33 и выходом накапливающего сумматора 9, вход установки нуля которого соединен с входом установки нуля третьего регистра 35.

При наличии в электрической сети датчика тока ДТ 1 (трансформатора тока и преобразователя тока в напряжение или шунта) потери мощности в токоведущих элементах (ТЭ) электрооборудования (ЭО) определяются по формуле

где I(t) - изменяющийся во времени ток нагрузки, протекающий по ТЭ ЭО;

R - сопротивление ТЭ ЭО.

При упрощенных расчетах сопротивление R принимается неизменным во времени и равным сопротивлению R₀ при температуре окружающей среды t₀=20°C или сопротивлению при другой фиксированной температуре.

Значение сопротивления R в функции от температуры t_ЭО ТЭ ЭО определяется по формуле

где α - температурный коэффициент сопротивления ТЭ ЭО; имеет значение для меди α_м=0,0041°С^-1, алюминия α_а=0,0044°С^-1, стали α_ст=0,006°С^-1.

В том случае, если возможен доступ к ТЭ ЭО, то значение температуры t_ЭО определяется с помощью датчика температуры электрооборудования (во втором, четвертом и пятом вариантах счетчика).

В том случае, если доступ к ТЭ ЭО невозможен или затруднителен, опасен (в первом, третьем и пятом вариантах счетчика), то значение температуры t_ЭО(t) может быть определено из дифференциального уравнения нагрева [4], имеющего следующий вид

где - коэффициент изменения сопротивления ТЭ ЭО в функции от температуры;

t_ном - номинальная длительно допустимая температура ТЭ ЭО;

I_ном - номинальный ток ЭО;

I(t) - ток нагрузки.

Уравнение (3) решается в первом и втором вариантах счетчика аналоговыми средствами, а в третьем-пятом вариантах - цифровыми. Так как потери мощности отображаются на индикаторах в реальном масштабе времени, то масштаб по времени, а также по постоянной времени нагрева τ_ЭО при моделировании во всех вариантах счетчика принят равным единице.

Первый вариант счетчика (фиг.1) работает следующим образом.

С выхода ДТ 1, проходя через квадратор 2, на первый вход БУ 3 поступает напряжение, пропорциональное квадрату исследуемого процесса изменения тока нагрузки (где m_I=I/U_I - масштаб по току). На второй вход БУ 3 с выхода аналогового сумматора 8 поступает напряжение, пропорциональное сопротивлению R токоведущего элемента (ТЭ) электрооборудования (ЭО), по которому протекает ток I. На выходе БУ 3 появляется напряжение, пропорциональное потерям мощности в ЭО

где K_п - коэффициент пропорциональности.

Напряжение U₃ для удобства наблюдения при исследовании резко-переменных нагрузок пропускается через первое апериодическое звено 4, имеющее постоянную времени сглаживания τ₄=1 мин. Учитывая, что первый операционный усилитель 21 АЗ 4 (фиг.7) инвертирует входной сигнал, в схеме АЗ 4 используется аналоговый инвертор, выполненный на втором ОУ 22 и резисторах 23 и 24.

Выходное напряжение АЗ 4, пропорциональное сглаженному значению потерь мощности ЭО ΔР, отображается с помощью стрелочного индикатора, встроенного в микроконтроллер 12 АЦП. Дальнейшая обработка величины ΔР выполняется в МК 12 программными средствами; при этом в ПЗУ 15 могут быть зарегистрированы значения расхода электроэнергии ЭО ΔW за различные интервалы времени, например 1 мин, 1 час, 1 сутки и т.д.

Напряжение U₃ также поступает на первый вход второго АЗ 5, постоянная времени сглаживания которого равна постоянной времени нагрева исследуемого ЭО τ₅=τ_ЭО. Второй вход АЗ 5 подключен к выходу датчика температуры окружающей среды 9, выходное напряжение которого пропорционально температуре окружающей среды U₉=t_окр/m_t (где t_окр - температура окружающей среды, m_t=t/U_t - масштаб по температуре).

Напряжения U₃ и U₉ суммируются вторым АЗ 5 (фиг.8), выходное напряжение которого U₅=-t_ЭО/m_t, пропорциональное температуре ТЭ ЭО t_ЭО, изменяется по экспоненте с постоянной τ₅=τ_ЭО и представляет собой решение дифференциального уравнения модели нагрева ТЭ ЭО

которое для удобства пояснений можно записать, как

Решение уравнения 6 осуществляется апериодическим звеном 5 следующим образом [5, 6]. Понижение порядка производной dU₅/dt выполняет интегратор, реализованный на элементах 28, 30, 31, 32 (фиг.8) и имеющий постоянную интегрирования, равную Т=τ_ЭО. На вход интегратора на ОУ 28 поступают суммируемые напряжения через резисторы: 31 - U₃, 32 -U₉, 29 - (-U₃). Инверсию сигнала на выходе АЗ 5 вносит ОУ 28 (фиг.8).

Выходное отрицательное напряжение U₅ с выхода АЗ 5 поступает на третий вход аналогового сумматора 8, к первому и второму входам которого соответственно приложены: отрицательное напряжение с выхода первого ИОН 6 U₆=-R₀/m_R (где R₀ - сопротивление ТЭ ЭО при температуре окружающей среды t₀=20°C, m_R=R/U₄ - масштаб по сопротивлению) и положительное напряжение с выхода второго ИОН 7 U₅=t₀/m_t.

С учетом инвертирования сигнала операционным усилителем 17 (фиг.6) аналоговый сумматор 8 вычисляет сопротивление ТЭ ЭО по формуле (2).

Первый вариант счетчика применим для исследования только маломощного ЭО (мощностью до нескольких кВт). Это объясняется трудностью реализации интегратора на ОУ 28 (фиг.8) с большой постоянной интегрирования T=R₃₁·С₃₀. Например: 1) Т=1 мин, R₃₁=6 МОм, С₃₀=10 мкФ; 2) T=10 мин, R₃₁=6 МОм, С₃₀=100 мкФ. Из рассмотрения приведенных примеров ясно, что при дальнейшем увеличении значений R и С для увеличения постоянной τ рабочие токи через R и С будут соизмеримы со входными токами ОУ 28 и токами утечки конденсаторов, а это, в свою очередь, может привести к значительной погрешности устройства.

Второй вариант счетчика (фиг.2) работает следующим образом.

Группа элементов 1-4, 10-16 работает так же, как и в первом варианте счетчика. Потери мощности отображаются на индикаторе 10.

В этом варианте счетчика напряжение U₇, пропорциональное температуре ТЭ ЭО t_ЭО, задается датчиком 7 температуры электрооборудования. Это напряжение подается на первый вход первого аналогового сумматора 8, ко второму входу которого с выхода второго ИОН 6 приложено напряжение U₆=-t₀/m_t, пропорциональное температуре t₀=20°С. Выходное напряжение первого аналогового сумматора 8 U8=- (U₇+U₆)=- α/m_t(t_ЭО-t₀) подается на второй вход второго аналогового сумматора 9, к первому входу которого приложено напряжение с выхода первого ИОН 5 U₅=-R₀/m_R. В результате первым 8 и вторым 9 аналоговыми сумматорами реализуется формула (7): . Напряжение U₉, пропорциональное сопротивлению R, подается на второй вход БУ 3 и т.д.

Третий вариант счетчика (фиг.3) работает следующим образом.

Аналоговая величина тока I(t) с выхода ДТ 1 преобразуется АЦП 2 в цифровой код I, который возводится квадратором 3 в квадрат I². Код I² умножается БУ 4 на код R, присутствующий на выходе первого цифрового сумматора 20. На выходе БУ 4 появляется код мощности потерь ΔP=I²R.

Код мощности потерь ΔP поступает на вход БУ 6 и накапливающего сумматора 9, который работает следующим образом.

Через одинаковые интервалы выборки Δt на выходе первого разряда управляющего порта D МК 15 появляется импульс, запускающий АЦП 2. Импульсом с выхода второго разряда порта D выполняется запись в регистр 34 первого НС 9 (фиг.9) суммы кода АЦП 2 с содержимым регистра 35 (накопленным за предыдущее время измерения). Импульс с выхода второго разряда порта D запускает одновибратор 36, а импульсом с выхода последнего в регистр 35 заносится накопленная сумма выборок, пропорциональная потерям электроэнергии ΔW и усредненному значению потерь мощности ΔP.

Импульсом с выхода третьего разряда порта D МК 15 (который появляется 1 раз в минуту) значение усредненной за 1 мин мощности ΔP_1мин с выхода НС 9 поступает на информационный вход второго НС 10 для накопления в нем значения усредненной за 1 час мощности ΔP_1час, а также записывается в первый регистр 12.

Значение усредненной за 1 мин мощности ΔP_1мин отображается на цифровом индикаторе 13, непрерывно обновляясь каждую минуту.

Импульсом с выхода четвертого разряда порта D МК 15 содержимое регистра 35 (фиг.9) обнуляется - таким образом он подготавливается для определения значения потерь мощности ΔР_1мин за следующую минуту и т.д.

Импульсом с выхода пятого разряда порта D МК 15 (который появляется 1 раз в час и воздействует на вход вектора прерываний МК 15) в МК запускается программный блок, который размещает в очередных ячейках (или целиком использует страницу, если она малого объема) ПЗУ 18: дату; час; значение потерь электроэнергии ΔW_1час за этот час (численно равное значению усредненных за 1 час потерь мощности ΔP_1час, код которых приложен ко входу порта А МК 15). Операции размещения и считывания информации в ПЗУ 18 выполняются первым приемо-передатчиком 16.

Имп