(12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11)179982

RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11)179982 (13)B1 (21) Numer zgłoszenia: 317673 (51) IntCl7: G01R 21/06 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej Data zgłoszenia: 20.12.1996 54) Licznik energii elektrycznej czynnej i biernej (43) Zgłoszenie ogłoszono: 22.06.1998 BU P 13/98 (73) Uprawniony z patentu: Fabryka Aparatury Pomiarowej "PAFAL" SA, Świdnica, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.11.2000 WUP 11/00 (7 2) Twórcy wynalazku: Ludwik Borucki, Świdnica, PL Bolesław Mackiewicz, Świdnica, PL PL 179982 B1 ( 5 7 ) L icznik energii elektrycznej czynnej 1 biernej posiadający układy przetworników m ocy na napięcie, złożone z układów m nożników napięć, 1 układy przetworników napięcia na częstotliw ość w torze pomiaru energii czynnej 1 w torze pomiaru energii biernej, zn am ien n y tym, że jedno z wejść, każdego m nożnika w chodzącego w skład przetworników mocy na napięcie (P /U l 1 P/U2), podłączone jest do układów przetworników prąd-napięcie (I/U ), natomiast drugie wejście podłączone jest do w ejściowych dzielników napięciow ych (D N ) poprzez układ matrycy napięciow ej (M N ), w yjścia natomiast podłączone są do układów przetworników napięcia na częstotliw ość (U /f1, U /f2), których w yjścia im pulsowe (Z 1, Z2) połączone są do w ejść zliczających rejestrów (R 1,...,R 6) poprzez układy sprzęgające (U S1, U S2), natomiast dodatkowe w yjścia identyfikujące kierunek przepływu energii przyłączone są do wejść sterujących (K 1, K 2) układów sprzęgających (U S1, U S2), przy czym układ matrycy napięciowej (M N ) złożony jest z trzech wtórników napięciow ych (W 1, W 2, W 3), których w ejścia stanowią jedn ocześnie w ejścia matrycy (W e 1, W e2, W e3), natom iast w yjścia połączone są do w ejść trzech układów (A l, A 2, A 3) odwracających fazę napięcia oraz do układu łączówek (Ł), łączącego dow olne w yjście (W y 1, W y2, W y3, W y4, W y5, W y6, W y7, W y8, W y9) matrycy (M N ) z w yjściem dow olnego układu wtórnika napięciow ego (W 1, W 2, W 3) lub układu odwracającego napięcie (A 1, A2. A3) Fig.1

Licznik energii elektrycznej czynnej i biernej Zastrzeżenie patentowe Licznik energii elektrycznej czynnej i biernej posiadający układy przetworników mocy na napięcie, złożone z układów mnożników napięć, i układy przetworników napięcia na częstotliwość w torze pomiaru energii czynnej i w torze pomiaru energii biernej, znamienny tym, że jedno z wejść, każdego mnożnika wchodzącego w skład przetworników mocy na napięcie (P/Ul i P/U2), podłączone jest do układów przetworników prąd-napięcie (I/U), natomiast, drugie wejście podłączone jest do wejściowych dzielników napięciowych (DN) poprzez układ matrycy napięciowej (MN), wyjścia natomiast podłączone są do układów przetworników napięcia na częstotliwość (U/f1, U/f2), których wyjścia impulsowe (Z1, Z2) połączone są do wejść zliczających rejestrów (R1,...,R6) poprzez układy sprzęgające (US1, US2), natomiast dodatkowe wyjścia identyfikujące kierunek przepływu energii przyłączone są do wejść sterujących (K1, K2) układów sprzęgających (US1, US2), przy czym układ matrycy napięciowej (MN) złożony jest z trzech wtórników napięciowych (W1, W2, W3), których wejścia stanowią jednocześnie wejścia matrycy (We1, We2, We3), natomiast wyjścia połączone są do wejść trzech układów (Al, A2, A3) odwracających fazę napięcia oraz do układu łączówek (Ł), łączącego dowolne wyjście (Wy1, Wy2, Wy3, Wy4, Wy5, Wy6, Wy7, Wy8, Wy9) matrycy (MN) z wyjściem dowolnego układu wtórnika napięciowego (W1, W2, W3) lub układu odwracającego napięcie (Al, A2, A3). * * * Przedmiotem wynalazku jest licznik energii elektrycznej czynnej i biernej, służący do kompleksowego rozliczania poboru energii u dużych odbiorców i w punktach wymiany energii, np. pomiędzy zakładami energetycznymi. Z polskiego opisu patentowego nr 145 952, oraz z polskiego zgłoszenia patentowego P-297394, ogłoszonego w Biuletynie Urzędu Patentowego nr 15 z 1994 r. na str. 46, znane są liczniki energii elektrycznej czynnej, wykorzystujące układy przetworników mocy na częstotliwość działające na zasadzie integracyjnej, identyfikujące kierunek przepływu energii. Znane są także inne rozwiązania układowe liczników, np. rozwiązania przedstawione w polskim opisie patentowym nr 168 974, w opisach patentowych USA, nr nr 4.315.212 i 4.663.587, posiadające układy mnożników i przyporządkowane im układy przetworników napięcia na częstotliwość. Wynalazki przedstawione w polskim opisie patentowym nr 168 245 oraz polskim zgłoszeniu patentowym P-282286, ogłoszonym w Biuletynie Urzędu Patentowego nr 10 z 1991 r. na str. 46, przedstawiają układy, które posiadają dwa przetworniki napięcia na częstotliwość w torze pomiarowym energii czynnej jednej fazy. W opisie patentowym USA nr 5.198.751 przedstawiono układ licznika energii biernej, identyfikujący kierunek przepływu energii, w którym zastosowano cyfrowy sposób sumowania napięć wyjściowych mnożników, przy czym jako sygnał wyjściowy przetworników napięcia na częstotliwość uważa się sygnał przepełnienia akumulatora, a jako sygnał kierunku przepływu energii sygnał pożyczki w akumulatorze. Układy przedstawione powyżej nie rozwiązują zagadnienia jednoczesnego pomiaru energii czynnej i biernej w jednym układzie pomiarowym licznika, odpowiedniego dla polskich sieci energetycznych oraz sposobu adaptacji układu pomiarowego do pomiarów w sieciach energetycznych trójfazowych czteroprzewodowych i/lub trójprzewodowych. Przykładowo w opisie patentowym USA nr 5.198.751 opisano licznik, w którym przy pomiarze energii biernej, zastosowano analogowe układy przesunięcia o 90 fazę jednej z wielkości wejściowych. W opisie patentowym USA nr 4.663.587 przesunięcie o 90 uzyskano za pomocą

179 982 3 odpowiedniego rejestru przesuwnego, przesuwającego ciąg impulsów wychodzących z układu modulatora w torze napięciowym mnożnika o określoną ilość taktów zegara, którego częstotliwość powiązana jest z częstotliwością sieci. W polskich sieciach energetycznych stosuje się metodę pomiaru energii biernej wykorzystującą przesunięcie napięć fazowych i międzyfazowych o 90 i do tej metody stosuje się przedstawione rozwiązanie. Licznik energii elektrycznej czynnej i biernej według wynalazku posiada układy przetworników mocy na napięcie, złożone z mnożników napięć, i układy przetworników mocy na częstotliwość w torze pomiaru energii czynnej i w torze pomiaru energii biernej, w których jedno z wejść, każdego mnożnika wchodzącego w skład przetworników mocy na napięcie, podłączone jest do układów przetworników prąd-napięcie, natomiast drugie wejście podłączone jest do wejściowych dzielników napięciowych poprzez układ matrycy napięciowej, wyjścia natomiast podłączone są do układów przetworników napięcia na częstotliwość, których wyjścia impulsowepołączone są do wejść zliczających rejestrów poprzez układy sprzęgające, natomiast dodatkowe wyjścia identyfikujące kierunek przepływu energii przyłączone są do wejść sterujących układów sprzęgających. Układ matrycy napięciowej natomiast jest złożony z trzech wtórników napięcio-. wych, których wejścia stanowią jednocześnie wejścia matrycy, natomiast wyjścia połączone są do wejść trzech układów odwracających fazę napięcia, oraz do układu łączówek, łączącego dowolne wyjście matrycy z wyjściem dowolnego układu wtórnika napięciowego lub układu odwracającego napięcie. Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość jednoczesnego pomiaru energii czynnej i biernej, jego dokładność pomiarowa przy dużej prostocie i pewności działania. Zastosowanie układu przetwarzającego napięcia wejściowe w postaci matrycy napięciowej, umożliwiającej wyprowadzenie na każde swoje wyjście dowolnego z napięć doprowadzonych do licznika lub jego wartość przeciwną, umożliwia przystosowanie w prosty sposób układu pomiarowego do pomiarów w różnych sieciach zasilających np. w sieciach energetycznych trójfazowych trójprzewodowych lub trójfazowych czteroprzewodowych. Przedmiot wynalazku, w przykładzie realizacji, jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1przedstawia rozwiązanie licznika w układzie pomiarowym do sieci energetycznej trójfazowej, czteroprzewodowej, a fig. 2- matrycę napięciową stosowaną w układzie. Przykładem realizacji licznika według wynalazku jest licznik energii elektrycznej czynnej i biernej do sieci trójfazowej czteroprzewodowej. Licznik posiada przetwornik mocy na napięcia P/U1 w torze pomiaru energii czynnej składający się z trzech układów mnożników i przetwornik mocy na napięcia P/U2 składający się z trzech układów mnożników w torze pomiaru energii biernej. Jedno z wejść każdego mnożnika podłączone jest do układu przetworników prąd-napięcie I/U natomiast drugie wejście, w przypadku mnożnika energii czynnej (lub w przypadku mnożników pracujących w torze pomiaru energii biernej dwa wejścia) podłączone jest do wejściowego dzielnika napięciowego DN poprzez układ matrycy napięciowej MN..Wyjścia mnożników, wchodzących w skład przetworników P/U1 i P/U2, podłączone są do układów przetworników napięcia na częstotliwość U/f1 i U/f2, których wyjścia impulsowe połączone s ą do wejść zliczających rejestrów R1,...,R6 poprzez układy sprzęgające, natomiast dodatkowe.wyjścia identyfikujące kierunek przepływu energii przyłączone są do wejść sterujących K1, K2 układów sprzęgających US1, US2. Układ matrycy napięciowej MN jest złożony z trzech wtórników napięciowych W 1, W2, W3, których wejścia stanowią jednocześnie wejścia matrycy, natomiast wyjścia połączone są do wejść trzech układów A1, A2, A3 odwracających fazę napięcia, oraz do układu łączówek Ł. Układ łączówek Ł łączy dowolne wyjście matrycy Wy1,...,Wy6 z wyjściem dowolnego układu wtórnika napięciowego W1, W2, W3 lub układu odwracającego napięcie A l, A2, A3. Prądy fazowe obwodu mierzonego IR, Is, Ix podawane są na układy trzech przetworników prąd-napięcie I/U, wytwarzających napięcia o wartości chwilowej odpowiadającej wartościom chwilowym, prądów fazowych. Napięcia fazowe UR, Us, UT oraz napięcie, przewodu zerowego UNpodawane są na trzy układy rezystancyjnych dzielników napięciowych DN, z wyjść których napięcia kur, k.us, kux proporcjonalne do napięć fazowych UR, Us, UTpodawane są na matrycę napięciową MN. Z układu matrycy napięciowej MN napięcia kur,,.kus, ku,t podawane są na

4 179 982 wejścia trzech układów mnożników P/U l, pracujących w torze pomiaru energii czynnej. Mnożniki wykonują wymnożenie wartości chwilowych napięć podawanych z układu przetworników prąd-napięcie I/U oraz matrycy napięciowej MN, odpowiadających wartościom chwilowym prądu i napięcia w danej fazie. Na wyjściu mnożnika otrzymuje się napięcie, którego wartość chwilowa jest proporcjonalna do wartości mocy chwilowej, mierzonej w danej fazie. Wiadomo, że wartość energii czynnej otrzymuje się, dokonując operacji całkowania wartości chwilowej mocy, a energia czynna mierzona przez licznik w układzie trójfazowym jest sumą energii czynnych mierzonych w poszczególnych fazach. W układzie według wynalazku trzy napięcia odpowiadające wartościom chwilowym mocy w poszczególnych fazach podawane są na wejście układu przetwornika U/f1 napięcie-częstotliwość, na którego wejściu znajduje się układ sumowania napięć X z trzech układów fazowych. Napięcie z układu sumowania przetwarzane jest na częstotliwość w układzie integracyjnym o czasie integracji większym od okresu przebiegu mierzonego. Jeśli na wyjściu Z1 przetwornika napięcie-częstotliwość U/fl generowany jest impuls w momencie, gdy wartość całki sumy napięć wejściowych osiągnie określony poziom, częstotliwość impulsów będzie proporcjonalna do mocy mierzonej, a ilość impulsów wychodzących z wyjścia Z1 przetwornika U/fl odpowiadać będzie wartości energii czynnej zmierzonej przez licznik. W celu uniknięcia generowania impulsów w przypadku braku prądów w obwodach pomiarowych licznika (tzw. biegu jałowego licznika ) przetwornik napięcie-częstotliwość U/fl posiada na swym wyjściu filtr gómoprzepustowy FG zapewniający, że na wyjście układu przetwornika przejdą tylko impulsy o częstotliwości większej niż połowa częstotliwości występującej przy tzw. prądzie rozruchu licznika. Układ przetwornika U/fl posiada także wbudowany układ wykrywania kierunku przepływu energii UWK. W zależności od kierunku przepływu energii ( eksportu lub importu energii) zmienia się stan sygnału na wyjściu K1 przetwornika U/fl. Z wyjścia K1 sygnał podawany na wejście sterujące układu sprzęgającego US1. Zmiana stanu sygnału powoduje przełączenie sygnału z wyjścia Z1 na odpowiedni rejestr Rejl lub Rej2 energii czynnej pobieranej, lub energii czynnej oddawanej. Dodatkowo sygnał impulsowy Z1 może być skierowany na odpowiednie wyjście impulsowe Wyi1 lub Wyi2 licznika. Każdy z trzech mnożników układu przetwornika P/U2, pracujący w torze pomiaru energii biernej posiada trzy wejścia. Pomiędzy napięciami wejściowymi X1, X2, X3 mnożnika i sygnałem wyjściowym Y zachodzi zależność Y = XI (X2 + X3). Jeśli np. na wejście X 1 podawane jest napięcie z wyjścia układu przetwornika prąd-napięcie U/1 odpowiadające prądowi IRw fazie R, na wejście X2 napięcie kus z matrycy napięciowej MN odpowiadającej napięciu fazowemu Us w fazie S, na wejście X3 napięcie z matrycy napięciowej MN równe -kut, odpowiadające napięciu fazowemu UT w fazie T lecz o odwróconej fazie, to wówczas napięcie wyjściowe mnożnika będzie proporcjonalne do wielkości IR (US - UT). Ze znanych wykresów wskazanych napięć w obwodach trójfazowych wynika, że różnica napięć Us - UT jest równa napięciu międzyfazowemu UST, które jest przesunięte o 90 w stosunku do napięcia fazowego UR. Z powyższego wynika, że na wyjściu mnożnika otrzymuje się napięcie o wartości średniej proporcjonalnej do mocy biernej w fazie R. Jeśli analogiczne układy połączeń zastosuje się dla prądów w fazach S i T to otrzymuje się układ pomiaru mocy biernej w sieci trójfazowej. Układ łączówek Ł, w przykładzie rozwiązania według wynalazku, połączono w ten sposób, by do 3-przewodowej szyny S2 doprowadzającej napięcia do mnożników P/U 1 pracujących w torze pomiaru energii czynnej doprowadzone były napięcia kur, kus, kux z 3-przewodowej szyny S1, proporcjonalne do napięć fazowych, natomiast do 6-cio przewodowej szyny S3 doprowadzającej napięcia do układów mnożników P/U2 pracujących w torze pomiaru energii biernej odpowiednio: napięcia kus i -kut do mnożnika pracującego w fazie R, napięcia kut i -kur do mnożnika pracującego w fazie S, napięcia kuri -kus do mnożnika pracującego w fazie T. Układ przetwornika napięcie-częstotliwość U/f2 w torze pomiaru energii biernej jest identyczny jak układ U/fl w torze pomiaru mocy czynnej. Na układ sprzęgający US2 podawany jest sygnał impulsowy z wyjścia Z2 przetwornika U/f2 oraz dwa sygnały z wyjść K1, K2, układów wykrywania kierunku przepływu energii przetworników U/fl i U/f2. W zależności od stanu sygnałów na wyjściach K1 i K2 impulsy z wyjścia Z2 przetwornika U/f2 zliczane są na odpowiednim

179 982 5 rejestrze wyjściowym Rej3, Rej4, Rej5 lub Rej6 energii biernej indukcyjnej lub pojemnościowej występującej przy pobieraniu energii czynnej, lub energii biernej indukcyjnej lub pojemnościowej występującej przy oddawaniu energii czynnej. Dodatkowo sygnał impulsowy skierowany może być na odpowiednie wyjście impulsowe Wyi3, Wyi4, Wyi5 lub Wyi6 licznika. Poza opisanym przykładem realizacji wynalazku w postaci licznika energii elektrycznej do sieci trójfazowej czteroprzewodowej wynalazek stosować można w postaci licznika do sieci trójfazowej trójprzewodowej. Zmiana w realizacji polegać będzie na podaniu innych napięć, za pośrednictwem matrycy napięciowej MN, na układy przetworników mocy na napięcie P/Ul i P/U2. Fig.2

179 982 Fig.1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.