Электромеханические счетчики электроэнергии, популярные более 50 лет, в настоящее время вытесняются электронными счетчиками, которые имеют более высокую точность и гибкость. Электронные счетчики позволяют оплачивать энергию по многотарифной системе, дистанционно контролировать расход электроэнергии. Современная технология позволяет изготавливать однокристальные счетчики энергии, сочетающие высокую надежность с низкой стоимостью.
Рассмотрим основные принципы измерения электрической энергии (активной мощности). Активная мощность, потребляемая нагрузкой переменного тока, определяется как среднее за период значение мгновенной мощности, представляющей, в свою очередь, произведение мгновенных значений напряжения на нагрузке и тока через нее:
(9.21)
При синусоидальных напряжении и токе
формула (9.21) дает
(9.22)
причем cosφ — коэффициент мощности, определяемый свойствами нагрузки. Энергия, потребляемая нагрузкой за время t, вычисляется как интеграл от мгновенной мощности, взятый в пределах от нуля до t:
Один из первых интегральных счетчиков энергии AD7750 осуществляет аналого-цифровое преобразование мгновенных значений тока и напряжения и вычисление текущего значения активной мощности
Блок-схема этой ИМС приведена на Рис. 9.37.
Устройство имеет два входа. Дифференциальное напряжение между выводами V1 + и V1-пропорционально мгновенному значению тока. Оно обычно снимается с вторичной обмотки измерительного трансформатора тока, первичная обмотка которого включена последовательно с нагрузкой. AD7750 использует архитектуру с коммутируемыми конденсаторами, что позволяет принимать и преобразовывать биполярные сигналы при однополярном (+5 В) питании микросхемы. Входное напряжение проходит через усилитель с программируемым коэффициентом усиления (УПК), который может быть установлен равным 1 или 16. С выхода УПК сигнал подается на 16-разрядный сигма-дельта модулятор второго порядка с частотой выборки 900 кГц. Последовательный поток данных пропускают через цифровой ФВЧ, чтобы удалить постоянную составляющую сигнала. Этот фильтр вносит опережение по фазе 2.58° на частоте 50 Гц. Поэтому после него включается элемент задержки для компенсации этого сдвига.
Дифференциальное напряжение, приложенное между входами V2+ и V2-, пропорционально мгновенному значению напряжения на нагрузке (в соответствующем масштабе). Этот сигнал пропускают через усилитель с коэффициентом 2 и второй сигма-дельта модулятор. Мгновенные значения тока и напряжения перемножаются в цифровой форме, в результате чего получается мгновенная мощность. Текущее значение активной мощности получаем, фильтруя мгновенную мощность цифровым фильтром нижних частот.
Преобразователи код-частота (ПКЧ) преобразуют текущее значение кода в относительно низкую частоту противофазных импульсов на выходах F1 и F2. Низкая частота определяет длительное время накопления информации между импульсами, поэтому выходная частота пропорциональна средней активной мощности. Эта информация о средней активной мощности, в свою очередь, может быть накоплена (проинтегрирована) с помощью электромеханического счетчика или шагового двигателя. В результате показания счетчика оказываются пропорциональными потребленной энергии. Ширина выходных импульсов ПКЧ составляет 275 мс, а диапазон частот — 0...1.8 Гц. Выходы могут быть конфигурированы для представления среднего результата перемножения напряжения и тока в четырех квадрантах (знак и величина) или в двух (только величина). В последнем случае для сигнализации отрицательной мощности используется выход указателя полярности (REVP). Сигнал на выходе FOUT генерируется другим ПКЧ, имеющим значительно больший коэффициент преобразования и, следовательно, частоту выходных импульсов, поэтому этот выход удобно использовать для градуировки счетчика при постоянной нагрузке.
Микросхема имеет высокую точность: погрешность в измерении активной мощности менее 0.2% при динамическом диапазоне 500:1 и меньше, чем 0.4% при диапазоне 1000:1.
Фирма Analog Devices выпускает также однофазные измерители активной мощности AD7756, которые наряду с преобразователями код-частота снабжены последовательным интерфейсом, через который они могут передавать текущее значение активной мощности микропроцессору. Кроме того, недавно эта фирма начала производить ИМС AD7754 измерителя активной мощности и энергии в трехфазных цепях. Прибор подключается к измеряемой цепи по схеме трех ваттметров. Он имеет на кристалле цифровой процессор сигналов, который производит необходимые вычисления и коррекцию ошибок в режиме реального времени. Для преобразования информации об активной мощности в энергию ИМС снабжена ватт-часовым накапливающим сумматором. Вывод данных может быть организован по SPI-интерфейсу или через встроенный преобразователь код-частота, такой же, как у AD7750.
