ĆWICZENIE NR POMIARY ENERGII ELEKTRYCZNEJ

LICZNIKAMI ELEKTRONICZNYMI

8.1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości metrologicznych elektronicznych liczników energii elektrycznej prądu jednofazowego i trójfazowego.

8.2.Teoretyczne podstawy pomiaru

Pomiar energii polega na pomiarze mocy z jednoczesnym całkowaniem jej w czasie. Przyrządy do pomiaru energii elektrycznej nazywane są licznikami.. Wskazania liczników umożliwiają kontrolę ilościową wytworzonej energii, a także jej zużycie prze odbiorniki .

Budowę i właściwości metrologiczne liczników określają normy i odpowiednie przepisy [1, 2, 5].

Ze względu na zasadę działania i konstrukcję, rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje liczników:- liczniki elektromechaniczne,- liczniki elektroniczne.Do liczników elektromechanicznych zalicza się liczniki indukcyjne oraz rzadziej stosowane liczniki magnetoelektryczne i elektrodynamiczne. Liczniki elektroniczne, ze względu na swoje zalety są coraz częściej stosowane do pomiaru energii elektrycznej zarówno w zakładach przemysłowych, jak i u odbiorców indywidualnych. Licznik elektroniczny o wielu taryfach może być dołączony do komputerowego systemu zdalnych pomiarów energii i średniej mocy.

W liczniku elektronicznym realizowane są dwie operacje: - mnożenie wartości napięcia i prądu w celu otrzymania wielkości zależnej od mocy,- całkowanie funkcji mocy w celu uzyskania wielkości proporcjonalnej do mierzonej energii.

Układ w którym następuje mnożenie napięcia i prądu może być układem analogowym lub układem cyfrowym. Mnożenie sygnałów analogowych napięcia i prądu może być zrealizowane np.za pomocą układu TDM działającego na zasadzie modulacji czasu trwania impulsów i modulacji ich amplitudy, lub może być zastosowany mnożnik hallotronowy.W przypadku mnożnika cyfrowego, sygnały analogowe napięcia i prądu są przetworzone przez przetworniki A/C w postać cyfrową, a następnie odpowiednie próbki tych sygnałów są wymnażane przez siebie. Liczniki z przetwarzaniem A/C nazywane są licznikami cyfrowymi. W ćwiczeniu przedmiotem rozważań jest licznik elektroniczny z mnożnikiem TDM, którego schemat blokowy przedstawiono na rys.1.

- Rys. 8.1. Schemat blokowy licznika elektronicznego

Liczniki z układem mnożącym TDM są obecnie przez wiele firm najczęściej produkowanymi licznikami. Wynika to między innymi z faktu, że mnożniki TDM umożliwiają osiągnięcie dużej dokładności mnożenia, a także charakteryzują się małą wrażliwością na zmianę parametrów elementów składowych.

127

P rz e tw o rn ikm oc y

L iczn ikim p u lsó wU f

i( t)

u ( t)

U = C Pp

Rys. 8.2. Schemat blokowy układu mnożącego TDMMając to na uwadze zostanie omówiona zasada mnożenia oparta na modulacji amplitudy i szerokości impulsu.

Sygnałem modulującym czas trwania impulsów (przerw między nimi) jest napięcie wejściowe. Proces ten realizowany jest w układzie z asymetrycznym astabilnym multiwibratorem RC. Przy zerowym napięciu wejściowym, napięcie wyjściowe U1 multiwibratora jest przebiegiem prostokątnym, jednokierunkowym o stałej częstotliwości i amplitudzie.

Rys.8.3. Napięcie wyjściowe mnożnika szerokości impulsów przy napięciu sterującym

128

t

t0

0

U 1

U 1

T a T b

T

T

T

2

2

_

_k u1

a )

b )

a) U = 0, b) U > 0Częstotliwość napięcia wyjściowego multiwibratora dobiera się

wielokrotnie większą od częstotliwości sieciowej (np. 5 kHz dla sieci 50 Hz), wtedy przy analizie poszczególnych impulsów, można założyć, że napięcie sieci ma wartość stałą.

Wraz ze wzrostem napięcia sterującego (napięcie sieci), proporcjonalnie do jego wartości chwilowej wzrasta szerokość impulsów (rys.8.3). Czas trwania impulsu określa się z zależności

(8.1)

Czas trwania przerwy

(8.2)

Względną zmianą szerokości impulsu, tzw. stosunek „impuls-przerwa”, określa się jako

(8.3)

Rys. 8.4. Napięcie wyjściowe modulatora amplitudy

129

t0

F 1

F 2

U p

-k i2

k i2

U

Właściwe działanie mnożnika zależy od stabilności stałej K2. Napięcie wyjściowe z mnożnika jest podane na modulator amplitudy. Modulator amplitudy jest sterowany z przekładnika prądowego, prądem wtórnym, proporcjonalnym do prądu sieci. Napięcie wyjściowe modulatora jest przebiegiem prostokątnym o zmianach czasowych wynikających z napięcia wyjściowego mnożnika U1 i o symetrycznych amplitudach dodatnich i ujemnych, proporcjonalnych do wartości chwilowych prądu sieci. Amplituda dodatnia K2 i występuje w czasie Ta, gdy do modulatora jest doprowadzone dodatnie napięcie z mnożnika, natomiast amplituda ujemna -K2 i występuje w czasie Tb przerwy napięcia mnożnika (rys. 8.4).

Wartość średnią Up za jeden okres napięcia zmodulowanego można obliczyć korzystając z zależności

(8.4)

gdzie:

- stała przetwornika mocy,

- wartość chwilowa mocy.

Rys. 8.5. Schemat przetwornika U f

Wartość up jest proporcjonalna do mocy chwilowej. Moc czynna w obwodzie jest równa wartości średniej mocy chwilowej za okres T. W celu otrzymania wielkości proporcjonalnej do mocy czynnej P, napięcie wyjściowe z

130

In teg ra to rK o m p ara to r

U k ładro z ła d ow u jący

U k ładfo rm u ją cy

L icz n ikim p u lsó w

CRU p

U 0

U ’

modulatora doprowadza się do filtru dolnoprzepustowego, gdzie następuje uśrednienie do wartości Up a następnie do przetwornika napięcie/częstotliwość

zawierającego integrator (rys. 8.5). W integratorze przetwornika następuje całkowanie napięcia Up do chwili osiągnięcia żądanej wartości Eo. Wartość Eo jest miarą jednostkowej energii zwanej „kwantem energii”.

(8.5)

Przebiegi czasowe napięć w przetworniku napięcie-częstotliwość pokazane są na rysunku 8.6.

Rys. 8.6. Przebiegi napięć w przetworniku.

131

t1

t2

t3

t4

0

0

U

t

t

U = k Pp p.

E 0E 0 E 0

E 0

Czas całkowania t1 jest zmienny i zależy od mocy odbiornika. Im większa moc, tym czas t1 , po którym całka osiąga wartość E0 jest krótszy i odwrotnie. W ten sposób częstotliwość impulsów na wyjściu przetwornika

jest zależna od energii czynnej .Liczba zliczonych impulsów N, wygenerowanych przez integrator w

określonym przedziale czasu, jest miarą przepływającej w tym czasie energii

(8.6)

Liczniki elektroniczne, podobnie jak liczniki elektromechaniczne charakteryzuje się przez podanie stałej, określającej liczbę impulsów przypadających na jednostkę energii. Stała ta dla typowych liczników elektronicznych ma wartość zawartą w przedziale 500-10.000imp/kWh

(8.7)

Liczniki elektroniczne budowane są jako jednofazowe oraz jako trójfazowe o dwóch lub trzech przetwornikach mocy, współpracujących z jednym licznikiem impulsów, wskazującym łączną energię trzech faz.Dla przykładu zostanie opisany licznik jednofazowy LAP-A1.

Przeznaczenie poszczególnych bloków licznika LAP-A1:

1 – Wyświetlacz typu LCD, służy do wizualizacji zbieranych przez licznik danych oraz komunikacji z użytkownikiem.2 – Przełącznik sekwencyjny – fotoelement służący do sekwencyjnego przełączania impulsami świetlnymi informacji wyświetlanych na ekranie LCD.3 – Sygnalizator impulsu – czerwona dioda świecąca, której mrugnięcie sygnalizuje pojawianie się impulsu o stałej impulsowania zgodnej z podaną na tabliczce znamionowej licznika.4 – Optołącze w standardzie IRDA – łącze transmisji szeregowej w podczerwieni, służące do komunikacji licznika z urządzeniami zewnętrznymi np. czytnikiem danych, przenośnym komputerom.5 – Element regulacyjny – wieloobrotowy element regulacyjny, wykorzystywany w momencie wzorcowania i legalizacji licznika.

132

Rys.8.7. Płyta czołowa licznika LAP-A1

8.3. Wykonanie ćwiczeniaBadania licznika LAP-A1 dotyczą wyznaczenia prądu rozruchu,

sprawdzenie biegu jałowego, wyznaczenie stałej licznika i sprawdzenie dokładności wskazań.

133

Rys. 8.8.. Układ połączeń do badania licznika

OznaczeniaL – badany licznik,W – watomierz,V – woltomierz,A – amperomierz,Pf – przesuwnik fazowy,Atr1, Atr2 – autotransformatory,R1, R2 – oporniki suwakowe,mA – miliamperomierz do pomiaru prądu rozruchu licznika,Rp – opornik suwakowy,w1, w2 – wyłączniki,p – przełącznik.

134

P.F. A WV

1112

22 3 4 6

L

p

L 1

L 1

L 2

L 2

L 3w 1

w 2

A tr1

A tr2

m A

R 1

R 2

R p

I ro z r.

Uwaga: w czasie ćwiczenia należy obok podanych oznaczeń wpisać wartości charakteryzujące użyte przyrządy i sprzęt pomocniczy.

8.3.1. Postępowanie podczas pomiaru

Badanie prądu rozruchu

Ustawić napięcie nominalne licznika (odczytać na woltomierzu V-rys.8.8). Przy (odczyt na przesuwniku fazowym), przełącznik p w położeniu 2, regulować prąd autotransformatorem Atr2 tak, aby licznik wyemitował co najmniej dwa impulsy, następnie odczytać prąd rozruchu na miliamperomierzu mA.

Sprawdzanie biegu jałowego

Podczas tego sprawdzania obwód prądowy licznika powinien być otwarty. Do obwodu napięciowego doprowadzić napięcie równe 115% napięcia nominalnego. Badanie przeprowadzić należy w czasie co najmniej 6000/C

minut, przy czym C oznacza stałą licznika wyrażoną w .W czasie

badania licznik może wyemitować najwyżej jeden impuls.

Wyznaczanie stałej licznika

Stałą licznika wyznacza się przy maksymalnym obciążeniu w czasie tak dobranym, aby błąd wskazania zużytej energii wynikający z rozdzielczości wyświetlacza nie przekraczał granicy błędów dopuszczalnych licznika przy tym obciążeniu. Dla badanego licznika granica ta wynosi 1%, przy

Sprawdzanie dokładności wskazań

Dokładność wskazań licznika należy wyznaczyć dla wartości obciążenia , 50% IN , oraz dla i cos=1, U=UN .

Dla licznika klasy 1, błąd pomiaru energii przy tych obciążeniach nie powinien przekroczyć 1%. Sprawdzanie dokładności wskazań dokonuje się przez pomiar mocy watomierzem i czasu – sekundomierzem (rys.8.8).

Błąd wskazania obliczany jest z zależności

135

gdzie:t –zmierzona wartość czasu trwania N impulsów w [s],tn –obliczona wartość czasu trwania N impulsów w [s].Należy tak dobrać liczbę impulsów, aby czas pomiaru był nie krótszy niż 60 s. Czas tn oblicza się ze wzoru

gdzie:

C – stała licznika ,

P – wartość mocy w [W],N – liczba impulsów.

Protokół wyników pomiaru

Typ licznika

Tabela 8.1Lp P N tn t

A W imp s s %1

2

3

4

20% IN

100% IN

50%IN

Imax

Uwaga: Wyniki badań porównać z danymi licznikami podanymi przez producenta.

Wzory i przykłady obliczeń

Podać odpowiednie wzory i przykłady obliczeń.

136

Wykresy

Wykreślić charakterystykę błędów w funkcji obciążenia.

8.4. Uwagi o wynikach pomiaru----------------------------------------------------------------------------------------UWAGA:

Zaliczenie niniejszego sprawozdania jest dla jego wykonawców jednym z elementów weryfikacji efektów kształcenia nr 1, 2, 4, 8 zapisanych w kartach przedmiotu nr 01 27 0704 00 oraz 01 27 0804 00.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

8.5. Literatura

[1] Kuśmierek Z.: Pomiary mocy i energii w układach elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 1994.

[2] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa 1992.

[3] Biernacki Z., Dróżdż T., Kurkowski M., Rakus P.: Pomiary energii elektrycznej licznikami elektronicznymi – aspekty dydaktyczne i futurystyczne. XXX Międzyuczelniana Konferencja Metrologów, Szczecin 1998.

[4] Katalogi Zakładów Elektronicznych Urządzeń Pomiarowych POZYTON, Częstochowa 1998.

[5] Dziennik Urzędowy Miar i Probiernictwa Nr 2, Nr 23. GUM, 1995. Wymagania o użytkowaniu liczników energii elektrycznej prądu przemiennego.

137