Schéma elektroměru
ElektroměrPřesněji řečeno, elektroměr je speciální zařízení určené k zaznamenávání elektrické energie spotřebované zátěží. Podle své technické koncepce se jedná o kombinaci měřiče spotřebované elektrické energie s počítacím mechanismem, který zobrazuje naměřené hodnoty. Elektroměry se rozlišují pro měření stejnosměrného nebo střídavého proudu. Elektroměry střídavého proudu jsou jednofázové a třífázové. Podle principu činnosti Elektroměry mohou být indukční a elektronické.
Stručná historie elektroměru
V roce 1885 provedl italský Galileo Ferraris (1847-1897) zajímavé pozorování rotace pevného rotoru ve tvaru kovového disku nebo válce pod vlivem dvou střídavých proudových polí s odlišnou fází. Tento objev sloužil jako výchozí bod pro vytvoření indukčního motoru a zároveň otevřel možnost vývoje indukčního elektroměru.
První pult tohoto typu vytvořil v roce 1889 Maďar Ottó Tituts Blathy, který pracoval v továrně Ganz v Budapešti v Maďarsku. Nápad si nechal patentovat. elektroměr pro střídavé proudy (německý patent č. 52.793 423.210, americký patent č. XNUMX XNUMX).
V tomto zařízení se Blathymu podařilo dosáhnout vnitřního fázového posunu téměř o 90°, což umožnilo měřiči poměrně přesně zobrazovat watthodiny. Elektroměr tohoto modelu již používal brzdný permanentní magnet, který poskytoval široký rozsah měření množství spotřebované energie, a také používal cyklometrický registr.
Následující roky se nesly ve znamení mnoha vylepšení, která vedly ke snížení hmotnosti a rozměrů zařízení, rozšíření rozsahu přípustného zatížení, kompenzaci změn hodnoty zatěžovacího faktoru, hodnot napětí a teploty. Tření v ložiskách rotujícího rotoru elektroměru bylo výrazně sníženo nahrazením axiálních ložisek kuličkovými ložisky; později byly použity dvojité kameny a magnetická ložiska. Stabilní životnost elektroměru byla výrazně zvýšena zlepšením technických vlastností elektromagnetického brzdného systému a nepoužitím oleje v ložiskách rotoru a počítacím mechanismu. Mnohem později byl pro průmyslové spotřebitele vytvořen třífázový indukční elektroměr, ve kterém byla použita kombinace dvou nebo tří měřicích systémů instalovaných na jednom, dvou nebo dokonce třech samostatných discích.
Schéma zapojení pro připojení indukčního elektroměru
Elektrické schéma zapojení měřiče Indukční typ je obecně extrémně jednoduchý a skládá se ze dvou vinutí (proudového a napěťového) a svorkovnice, ke které jsou připojeny jejich kontakty. Konvenční schéma, podle kterého je připojen jednofázový elektroměr, ve standardním elektrickém rozvaděči bytových domů vypadá takto:
Zde je fáze „A“ označena žlutou čarou, fáze „B“ zelenou čarou, fáze „C“ červenou čarou, nulový vodič „N“ modrou čarou a zemnící vodič „PE“ žlutozelenou čarou. Paketový přepínač je dnes často nahrazován modernějším dvoupólovým jističem s ochranou proti přetížení. Je třeba poznamenat, že mezi schématem zapojení indukčního elektroměru a podobným schématem zapojení elektronického elektroměru nejsou žádné zásadní rozdíly.
Konvenční schéma zapojení elektroměru v třífázové čtyřvodičové síti s napětím 380 voltů vypadá takto:
Zde je barevné kódování podobné předchozímu schématu zapojení elektroměru pro jednofázovou síť.
Je důležité dodržovat přímé pořadí střídání fází třífázové sítě na kontaktním bloku elektroměru. Lze jej určit pomocí fázového indikátoru nebo zařízení VAF. V přímém pořadí se střídání fází napětí provádí následovně: ABC, VSA, SAV (pokud jdete ve směru hodinových ručiček). V opačném pořadí se střídání fází napětí provádí následovně: ASV, SVA, VAS. Tím vzniká dodatečná chyba a dochází k samovolnému pohybu rotoru indukčního elektroměru pro činnou energii. elektroměr jalová energie obrácené pořadí střídání fází zátěže a napětí vede k otáčení rotoru v opačném směru.
Schéma elektrického zapojení jednofázového indukčního elektroměru
Na diagramu červené čáry označují fázový vodič a proudovou cívku a modré čáry označují nulový vodič a napěťovou cívku.
Elektrické schéma připojení třífázového indukčního elektroměru s přímým připojením k čtyřvodičové síti s napětím 380 voltů:
Zde: fáze „A“ je označena žlutě, fáze „B“ zeleně, fáze „C“ červeně, nulový vodič „N“ modře; L1, L2, L3 – označení proudových cívek; L4, L5, L6 – označení napěťových cívek; 2, 5, 8 – napěťové kontakty; 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 11 – kontakty pro připojení externího vedení k třífázovému elektroměru.
Princip činnosti a konstrukce indukčního elektroměru
Proudové vinutí, zapojené sériově se spotřebičem elektrické energie, má malý počet závitů, které jsou navinuty tlustým drátem odpovídajícím jmenovitému proudu tohoto měřiče. Tím je zajištěno minimální jeho odpor a zavedení chyby měření proudu.
Napěťové vinutí, zapojené paralelně se zátěží, má velký počet závitů (8000 – 12000), které jsou navinuty tenkým drátem, což snižuje spotřebovaný klidový proud elektroměru. Když je k němu připojeno střídavé napětí a proudem zátěže protéká proud, dochází k uzavření elektromagnetických polí přes hliníkový disk, kterým je rotor, a indukují v něm tzv. vířivé proudy. Tyto proudy interagují s elektromagnetickým polem a vytvářejí točivý moment, který uvádí pohybující se hliníkový disk do pohybu.
Permanentní magnet, který vytváří magnetický tok skrz kotouč měřidla, vytváří brzdný (protipůsobící) momentový efekt.
Konstanty rychlosti otáčení disku se dosahuje vyvážením rotačních a brzdných sil.
Počet otáček rotoru za hodinu bude úměrný vynaložené energii, což je ekvivalentní skutečnosti, že hodnota ustálené rovnoměrné rychlosti otáčení disku je úměrná spotřebovanému výkonu, pokud je krouticí moment působící na disk adekvátní výkonu spotřebiče, ke kterému je elektroměr připojen.
Tření v kinematických párech mechanismu indukčního elektroměru vytváří chyby v naměřených hodnotách. Vliv tření je obzvláště významný při nízkém (až 5-10% jmenovité hodnoty) zatížení indukčního elektroměru, kdy hodnota záporné chyby může být 12 – 15%. Pro snížení vlivu třecích sil v indukčním elektroměru se používá speciální zařízení, které se nazývá kompenzátor tření.
Základní parametr elektroměr střídavý proud — práh citlivosti zařízení, který udává hodnotu minimálního výkonu vyjádřenou v procentech jmenovité hodnoty, při které se rotor elektroměru začne rovnoměrně otáčet. Jinými slovy, práh citlivosti je minimální spotřeba energie, kterou je elektroměr schopen zaznamenat.
V souladu s GOST by prahová hodnota citlivosti pro indukční měřiče různých tříd přesnosti neměla být větší než 0,5 – 1,5%. Úroveň citlivosti je dána hodnotou kompenzačního momentu a brzdného momentu, který je vytvářen speciálním protipohonným zařízením.
Princip fungování elektronického měřiče
Indukční měřiče spotřeby elektrické energie, i přes svou jednoduchost a nízkou cenu, mají řadu nevýhod, které jsou založeny na použití mechanických pohyblivých prvků, které nemají dostatečnou stabilitu parametrů během dlouhodobého provozu zařízení. Elektronický elektroměr se těchto nevýhod zbavuje, má nízký práh citlivosti a vyšší přesnost měření spotřebované energie.
Je pravda, že pro sestavení elektronického měřiče je nutné použít vysoce specializované integrované obvody (IO), které dokáží znásobit proudové a napěťové signály a výslednou hodnotu formovat ve formě vhodné pro zpracování mikrokontrolérem. Například mikroobvody, které převádějí činný výkon na hodnotu opakovací frekvence pulzů. Celkový počet přijatých pulzů, integrovaných mikrokontrolérem, je přímo úměrný spotřebované elektřině.
Blokové schéma elektronického čítače
Neméně důležitá pro plný provoz elektronického měřiče je dostupnost všech druhů servisních funkcí, jako je vzdálený přístup k měřiči pro dálkové sledování odečtů, stanovení denní a noční spotřeby energie a mnoho dalších. Použití digitálního displeje umožňuje uživateli programově nastavit různé formáty pro výstup informací, například zobrazit informace o množství spotřebované energie v určitém intervalu, nastavit různé tarify a podobně.
Pro provádění jednotlivých nestandardních funkcí, jako je například přizpůsobení úrovně signálu, budou zapotřebí další integrované obvody. V současné době byly uvedeny na trh specializované mikroobvody – měniče výkonu na proporcionální frekvenci – a specializovaná mikrokontrolérová zařízení, která mají podobný měnič na monokrystalu. Nejčastěji jsou však pro použití v komunálních a domácích indukčních měřicích zařízeních příliš drahé. Proto mnoho světových výrobců mikrokontrolérů vyvíjí specializované levné mikroobvody speciálně určené pro takové aplikace.
Jaký to má být? schéma elektrického zapojení měřiče nejjednodušší digitální verzí na nejlevnějším (méně než dolar) 8bitovém mikrokontroléru od Motoroly? Uvažované řešení implementuje všechny minimální požadované funkce zařízení. Je založeno na použití levného integrovaného obvodu, který převádí energii na pulzní frekvenci typu KR1095PP1, a 8bitového mikrokontroléru MC68HC05KJ1. S takovou architekturou čítače musí mikrokontrolér sčítat přijatý počet pulzů, zobrazovat informace na displeji a chránit zařízení v různých abnormálních režimech. Popsaný čítač je ve skutečnosti digitálním funkčním analogem stávajících mechanických čítačů, upraveným pro další vylepšení.
Elektrické schéma nejjednoduššího digitálního elektroměru
Signály ekvivalentní hodnotám napětí a proudu v síti jsou přijímány ze senzorů a přiváděny na vstup převodníku. Mikroobvod vynásobí vstupní signály a vytvoří okamžitou hodnotu spotřebovaného výkonu. Tato hodnota je odeslána do mikrokontroléru a převedena na watthodiny. S nahromaděním dat se mění údaje z měřiče na LCD displeji. Přítomnost častých výpadků napájecího napětí v zařízení vede k nutnosti použití EEPROM k zajištění bezpečnosti odečtů měřiče. Vzhledem k tomu, že výpadky napájecího napětí jsou nejčastější nouzovou situací, je taková ochrana vyžadována u každého elektronického měřiče.
Elektrické schéma zapojení měřiče (digitální kalkulačka) je znázorněna níže. Síťové napětí 1 V a elektrický spotřebič jsou připojeny přes konektor X220. Snímače napětí a proudu generují signály, které jsou odesílány do mikroobvodu převodníku KR1095PP1, který má frekvenční výstup s optočlenem. Jádrem čítače je mikrokontrolér MC68HC05KJ1 od společnosti Motorola, vyrobený v 16pinovém pouzdře (pouzdro DIP nebo SOIC) a vybavený 1,2 KB ROM a 64 bajty RAM. Pro uložení nahromaděného množství spotřebované energie při výpadcích napájení se používá EEPROM s malou kapacitou paměti 24C00 (16 bajtů) od společnosti Microchip. Displej je 7segmentový 8místný LCD displej, který je řízen libovolným levným mikrokontrolérem, který si vyměňuje data s centrálním mikrokontrolérem prostřednictvím protokolů SPI nebo I2C a je připojen přes konektor X2.
Vestavěný algoritmus provozu měřiče vyžadoval méně než 1 KB paměti a méně než polovinu všech vstupně/výstupních portů na mikrokontroléru MC68HC05KJ1. Jeho technické možnosti jsou dostatečné k doplnění měřiče o některé servisní funkce, například možnost propojení měřičů do lokální sítě přes rozhraní RS-485. Tato funkce umožňuje přijímat data o spotřebované energii do servisního střediska a dálkově vypnout elektřinu, pokud spotřebitel neprovedl platbu. Bytový dům může být vybaven sítí obsahující takové měřiče. Všechny odečty měřičů budou vzdáleně odesílány do řídicího centra prostřednictvím sítě.
Prakticky zajímavé je použití rodiny 8bitových mikrokontrolérů s krystalem obsahujícím vestavěnou FLASH paměť. To umožňuje programování přímo na sestavené desce. To také zajišťuje ochranu před hackováním programového kódu a pohodlí aktualizace softwaru bez provádění instalačních prací.
Digitální kalkulačka pro elektronický elektroměr
Zajímavější možností je elektronický elektroměr bez použití externí EEPROM a drahé externí energeticky nezávislé RAM. V tomto případě je možné v případě nouze zaznamenávat odečty a další servisní informace do interní FLASH paměti mikrokontroléru. Tím je navíc zajištěna požadovaná důvěrnost dat, kterou nelze zajistit při použití externího krystalu, který není chráněn před neoprávněným přístupem třetích stran. Takový elektronický elektroměr s jakoukoli úrovní složitosti a funkčnosti lze vytvořit pomocí mikrokontroléru Motorola z řady HC08 s FLASH pamětí zabudovanou v hlavním krystalu.
Přechod na digitální dálkové automatické prostředky pro evidenci a řízení spotřeby elektřiny je otázkou času. Technické a spotřebitelské výhody takových systémů jsou zřejmé. Jejich cena bude neustále klesat. A i v případě použití nejjednoduššího mikrokontroléru má takový elektronický elektroměr zjevné výhody: vysokou spolehlivost díky úplné absenci pohyblivých částí; miniaturní velikost; možnost výroby elektroměru v pouzdře s ohledem na vnitřní prvky moderních obytných budov; několikanásobné prodloužení intervalu ověřování; vysokou údržbu a extrémní jednoduchost údržby a provozu. I malé dodatečné náklady na hardware a software v nejjednodušším digitálním elektroměru jej mohou doplnit řadou servisních funkcí, které u všech mechanických elektroměrů zásadně chybí, například použití vícetarifního účtování spotřebované energie, možnost implementace automatizovaného účetnictví a správy spotřeby elektřiny.
