CC BY
1УДК 621.314
Велиева Т.Д.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика» Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (г. Баку, Азербайджан)
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.
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 соБф 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 , а меняется частота импульсов f , которая оказывается прямо пропорциональной величине сигнала на выходе преобразователя напряжения в частоту. Следовательно, показания счетного устройства (Л7) будут пропорциональны активной электроэнергии:
Ш = К6 = Ке /а (1)
Одним из наиболее распространенных на практике способов получения активной мощности Р=Шсо8ф (или при необходимости реактивной мощности ^иШиф) является схема умножения на двух квадраторах, осуществляющая операцию умножения двух электрических сигналов X и У по алгоритму [4]:
Х*У=0,25[(Х+У)2-(Х-У)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.
ПН кл УУ КЛЛсояср пнч Л5И7 ] СУ
I Кз1со$(р
ПТ -► ФП
К1
Рисунок. 1. Структура однофазного ЭСЭ.
Здесь ПН и ПТ - соответственно нормирующие преобразователи напряжения и 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 составляющую тока нагрузки 1со8ф, которая затем с помощью УУ умножается на напряжение цепи и. В результате на выходе УУ будет иметь электрический сигнал, прямо пропорциональный активной мощности к4Шсо8ф. Преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) преобразует этот сигнал в частоту f прямоугольных импульсов неизменной формы. Счетное устройство (СУ) с цифровым индикатором подсчитывает эти импульсы в режиме накопительного счета.
На рисунке 1. к1, к2, ... кб -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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Степанов В.М., Тулупов А.П. Особенности учета электрической энергии в электрических сетях.- Известия Тульского государственного университета. Технические науки.- 2016.- С.66-71;
2. Зеленкова Л. И. Методика мониторинга качества электроэнергии в электросетях / Л. И. Зеленкова // Глав. Энергетик. - 2017. - № 5/6. - С. 77-82;
3. Литвинов И. И., Фролова Е. И. Системы учета электроэнергии в электрических сетях.-2022.-124 С. Новосибирский государственный технический университет;
4. Мирсалимов Р.М. Универсальный преобразователь электрической мощности и энергии. Научно-технические проблемы электроэнергетики в современных условиях.- Баку.-1997, С.189-192.
Veliyeva T.D.
Azerbaijan State Oil and Industry University (Baku, Azerbaijan)
PROSPECTS FOR IMPROVING ACCOUNTING OF ELECTRICAL ENERGY CONSUMPTION IN ELECTRICAL CIRCUITS
Abstract: the energy crisis is one of the global world problems of the present time. Therefore, saving and rational consumption of electrical energy is one of the pressing issues of modern energy. It is important to comprehensively analyze and take into account the features of electrical energy control in various components of equipment and networks of electrical systems, where loads for various reasons can be distorted. In this case, the loads can be asymmetrical, nonlinear and variable-periodic in nature.
Keywords: electrical energy, load, savings, rational consumption, power converters, electrical energy meters, single-phase current networks.
