6-4. ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ

Электронные приборы для измерения мощности — электронные ваттметры могут быть построены на основе измерительного преобразователя мощности в напряжение, на выходе которого

устанавливается магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах мощности. В настоящее время выпускаются измерительные преобразователи активной, реактивной и полной мощности переменного тока, которые предназначены для работы как в однофазных, так и трехфазных цепях. Принципы построения этих преобразователей во многом схожи. Рассмотрим основные способы построения преобразователей активной мощности.

В основе работы преобразователей активной мощности лежит реализация зависимости где Р — измеряемая мощность; Т — период тока и напряжения и на нагрузке. Отсюда следует, что необходимым элементом преобразователя является устройство перемножения величин и . В зависимости от способа получения произведения и и имеются параметрические и модуляционные множительные устройства

Параметрические множительные устройства могут быть с прямым и косвенным перемножением. При прямом перемножении используется четырехполюсник, на вход которого подается одна величина (например, и), а вторая величина управляет коэффициентом его передачи. В этом случае выходной сигнал четырехполюсника пропорционален произведению На этой основе построен преобразователь, представленный на рис. 6-15, а, где ОУ — операционный усилитель; — резистор постоянного сопротивления; — резистор, управляемый током сопротивление которого (например, полевой транзистор), — устройство усреднения. Выходной сигнал операционного усилителя (см. § 6-5) .

Устройство усреднения, например фильтр нижних частот или электромеханический измерительный механизм, должно иметь большую постоянную времени. Поэтому . Если напряжение подается на магнитоэлектрический измерительный механизм, то угол отклонения подвижной части где — чувствительность по напряжению измерительного механизма.

Параметрические множительные устройства могут быть построены с использованием косвенных способов умножения. Так, на основании зависимости построен преобразователь, структурная схема которого показана на рис. 6-15, б, где П — преобразователь тока в напряжение: — функциональные преобразователи (квадратирующие

Рис. 6-15. Структурные схемы (а — в) и временные диаграммы сигналов (г) преобразователей мощности в напряжение

устройства), осуществляющие возведение в квадрат, соответственно суммы и разности входных напряжений; ВУ — вычитающее устройство. Из рисунка видно, что

В таких схемах операция умножения заменяется более простой операцией возведения в степень, которая может быть реализована с помощью некоторых элементов (полупроводниковых и вакуумных диодов, полупроводниковых резисторов и транзисторов и др.), имеющих квадратичную вольт-амперную характеристику. Нашли также применение квадратирующие устройства на основе кусочно-линейной аппроксимации параболы, выполненные на диодах и резисторах.

Наиболее точными являются модуляционные множительные устройства, основанные на двойной модуляции импульсных сигналов. Используются различные виды модуляции, среди которых наибольшее распространение получила широтно-импульсная и амплитудно-импульсная модуляция (ШИМ - АИМ). На рис. 6-15, в показана структурная схема преобразователя с ШИМ-АИМ, а на рис. 6-15, г — временная диаграмма, поясняющая принцип его работы. Генератор Г вырабатывает прямоугольные двухполярные импульсы с постоянными амплитудой А, периодом То и длительностями положительной и отрицательной полуволн. Среднее значение напряжения на выходе генератора равно нулю. В широтном модуляторе ШМ длительность импульсов под действием тока изменяется по зависимости

Рис. 6-16. Структурная схема электронного счетчика активной энергии

где — коэффициент преобразования Среднее за период То значение напряжения импульса на выходе будет . В амплитудном модуляторе AM амплитуда А этих импульсов модулируется пропорционально входному напряжению где коэффициент преобразования Тогда т. е. среднее за период То значение напряжения на выходе AM пропорционально мгновенному значению измеряемой мощности Напряжение на выходе устройства усреднения

где Т — период изменения тока и напряжения и.

Электронные счетчики активной энергии строятся на основе преобразователя мощности с последующим интегрированием его выходной величины в соответствии с зависимостью

Одна из возможных структурных схем такого счетчика показана на рис. 6-16, где ПМН — преобразователь мощности в напряжение, представленный на рис. 6-15, в; ПНЧ - преобразователь напряжения в частоту; СИ — счетчик импульсов. Как было показано, пропорционально активной мощности . С помощью ПНЧ напряжение преобразуется в частоту импульсов, которая, таким образом, пропорциональна мощности . Выходные импульсы ПНЧ подсчитываются (интегрируются) счетчиком импульсов СИ. Следовательно, показания СИ пропорциональны активной энергии

Серийно выпускаемые в настоящее время электронные счетчики активной энергии переменного тока имеют класс точности Так счетчик рассчитанный на номинальные токи 5 и 10 А и напряжения 220 и 380 В, имеет класс точности 2,0.

Применяют электронные счетчики постоянного тока: счетчики киловатт-часов, счетчики ампер-часов и счетчики вольт-часов. Счетчики ампер-часов и вольт-часов строятся на основе преобразователей тока в частоту или напряжения в частоту с последующим счетом импульсов.

Промышленностью выпускаются счетчики ампер-часов типа класса 1,0 на номинальные токи от 6 до 7500 А и

счетчики вольт-часов типа класса точности 0,2 на номинальные напряжения 6, 24, 100, 400 В.