«Измерение электрической энергии электронным счётчиком в трёхфазных цепях»

«Измерение электрической энергии электронным счётчиком в трёхфазных цепях»

лабораторная работа № 10.

1.  Цель работы.

Ознакомиться со схемой включения электронного счётчика и измерить активную и реактивную энергию в трёхфазных цепях с применением компьютера.

2.  Краткие сведения об измерении энергии электронными счётчиками.

Обычно в трёхфазных цепях для измерения энергии применяются двух или трёхэлементные счётчики индукционной системы с классом точности 2, 2,5.

Повышение стоимости электрической энергии потребовало совершенствовать методы её измерения. Появление импортных электронных счётчиков фирмы “АВВ” привело к созданию отечественных приборов меньшей стоимости, качество которых не ниже импортных.

В этой работе используется электронный счётчик, изготавливаемый на Нижегородском заводе имени М. В.ФРУНЗЕ. Наименование, тип и обозначение счётчика: «Счётчик активной и реактивной энергии переменного тока, статический, многофункциональный СЭТ-4ТМ.02.0 класс 0,2 активной энергии, класс 0,5 реактивной энергии, 3*120…230/ 208…400 В, Iн=5 (Imax=7,5) А» . Счётчик является цифровым устройством и работает под управлением встроенного контроллера.

Измерительная часть построена по принципу цифровой обработки входных аналоговых сигналов и осуществляет измерение средних за период сети значений фазных напряжений, токов, активной и полной мощности на каждой фазе, а также частоты сети. Остальные физические величины вычисляются по измеренным величинам.

Устройство измерительное выполнено на основе шестиканального АЦП и цифрового сигнального процессора (ДСП). Устройство управления (однокристальный микроконтроллер) включает в себя:

-  трёхфазные датчики токов и напряжений;

-  устройство измерительное;

-  энергонезависимое запоминающее устройство;

-  трёхфазный блок питания;

-  таймер с резервным питанием;

-  драйвер интерфейса RS-485.

Измерение мгновенных значений величин, пропорциональных фазным напряжениям и токам осуществляет АЦП параллельно по шести каналам, преобразуя их в цифровой код, и передаёт по скоростному последовательному каналу ДСП.

ДСП по выборкам мгновенных напряжений и токов производит вычисление средних за период значений активной и полной мощности для каждой фазы сети по следующим формулам:

для активной мощности (1)

для полной мощности (2)

где : ui , ii – выборки мгновенных значений напряжений и токов,

n – число выборок за период сети.

Среднее за период сети значение реактивной мощности вычисляется по формуле :

(3)

где S и P – значения мощностей, вычисленные по формулам 2, 1.

Кроме того ДСП вычисляет частоту сети, коэффициент мощности и коэффициент искажения синусоидальности кривой фазных напряжений.

Все данные измерений и вычислений находятся во внутренних регистрах ДСП и доступны для считывания управляющим контроллером по 4-х проводному последовательному интерфейсу. ДСП производит преобразование средней мощности (за период сети) в частоту. Импульсы телеметрии имеют фиксированную длительность (» 150 мС), а период их следования пропорционален соответствующей мощности.

Далее ДСП подсчитывает число выданных им же импульсов и копит их в регистрах энергии и регистрах средних мощностей для построения графиков нагрузок. Таким образом, информация представлена в числах полупериодов телеметрии. При постоянной счётчика 1250 имп./кВт(квар)×ч, число 2500 в регистрах энергии любого вида соответствует энергии 2,500 кВт(квар)×ч с разрешающей способностью 0,4 Вт×ч.

Микроконтроллер (МК) управляет всеми узлами счётчика в соответствии с программой, размещённой во внутренней памяти. МК периодически считывает энергию и среднюю мощность из регистров ДСП и сохраняет их значения в энергонезависимой оперативной памяти для долговременного хранения. Для организации связи с внешним компьютером используется драйвер и канал RS-485. Нагрузочная способность драйвера равна 32. Т. е. к одному каналу RS-485 может быть подключено 32 счётчика СЭТ-4ТМ.02.

Счётчик в составе системы является всегда ведомым, т. е. находится в состоянии приёма данных по каналу RS-485 , пока не получит команду от компьютера на передачу данных. Кроме канала RS-485 счётчик имеет оптический интерфейс (оптопорт) RS-232.

Таймер с резервным питанием представляет собой ОЗУ с блоком хронометрии, который реализует часы реального времени и григорианский календарь. Питание микросхемы при отключении счётчика осуществляется от литиевой батареи, сроком до 10 лет. Установка и корректировка хода часов осуществляется программным способом.

Цифровой термометр предназначен для измерения температуры внутри счётчика с целью проведения коррекции метрологических характеристик и точности хода часов в диапазоне рабочих температур.

Устройство индикации счётчика состоит из жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и драйвера ЖКИ. Индикатор содержит 6,8 разрядный семи сегментный для отображения цифр дат и дней недели.

Клавиатура управления предназначена для управления режимами индикации и состоит из трёх кнопок: «РЕЖИМ ИНДИКАЦИИ», «ВИД ЭНЕРГИИ», «НОМЕР ТАРИФА».Порядок использования этих кнопок для получения информации из регистров счётчика дан в приложении №1.

В настоящей работе счётчик соединён с компьютером через интерфейс RS-485 с помощью преобразователя интерфейсов (RS-485 в RS-232) и программы “Конфигуратор СЭТ-4ТМ”, работающей в операционной среде Windows-95. Установки счётчика по умолчанию даны в приложении №2 , перепрограммирование было выполнено только по параметру время интегрирования мощности, которое установлено 2 мин.

В режиме индикации текущих измерений (см. Пр.№1) включены пиктограммы «Фаза 1», «Фаза 2», «Фаза 3». Если какая-либо из них мигает, то это свидетельствует об отсутствии напряжения на ней, если мигают все три пиктограммы, то это свидетельствует об ошибке последовательности подключения фаз к счётчику.

3.Порядок выполнения работы.

1. Произвести внешний осмотр приборов, установив, где находится вольтметр и его “штекеры” для измерения напряжений в различных точках схемы.

2. Записать номинальные данные приборов и счётчика (последние из данного руководства).

3. Разобраться в собранной схеме (по соединениям проводами) рис.1 для последующего доклада руководителю.

4. Подготовить таблицы для записи замеров, показав их руководителю.

5. По разрешению руководителя (если это необходимо) включить компьютер, нажать двойным щелчком кнопку «СЭТ-4М », нажав «ОК» по установке, получить окно «Конфигуратора…».

6. Получив от руководителя задание на номера режимов по рис.2 и разрешение на включение, включить схему и установить заданный режим.

7. Проверить, имеет ли питание преобразователь интерфейсов «ИП-1» щёлкнуть по кнопке «Тест», должно быть осуществлено соединение компьютера со счётчиком. Щёлкнуть по кнопке «МОНИТОР» и «Прочесть из прибора».

8. Продолжительность действия каждого режима должна быть не менее 4 мин. За это время (или более) необходимо с помощью «переносного» вольтметра замерить фазные напряжения, по амперметрам токи, записав их в табл.1. Из монитора компьютера записать данные в табл. 2.

9. Выполнив эти действия по всем заданным режимам, необходимо перейти к замеру профиля затраченной энергии, щёлкнув по кнопке «Профиль мощности».. Выбрав текущую дату, нажав кнопку «ОТЧЁТ» и «Прочесть из прибора», записать затраченную активную и реактивную энергию в течении 4 мин., за время заданное руководителем, в табл.3 (Т. к. отсчёт начинается с 0 часов, то придётся ожидать пока через четырёхминутные периоды процесс достигнет текущего времени).

10. Показать полученные результаты руководителю и, нажав кнопку «Отключить от прибора» осуществить выход из программы, выключить схему.

Примечание. Если по каким-то причинам нет связи компьютера с прибором, то запись данных в табл.2 осуществляется непосредственно со счётчика в соответствии с приложением 1.

KC

Таблица 1.

№ режима	И з м е р е н о	В ы ч и с л е н о
UA	UB	UC	IA	IB	IC	SS	r	d
1
2 и т. д.

Таблица 2.

Наименван. переменной	Режим № IR __ __ __	Режим № IR __ __ __	Режим № IR __ __ __
A	B	C	A	B	C	A	B	C
P Вт
Q вар
Cos j
U В
I А
S ВА

Таблица 3.

Время мин/мощ.	0 – 4	4 - 8	8 – 12	12 – 16	и т. д.
P Вт
Q вар

Ситу- ация	Наименование режима	№ режима	Положение выключателей схемы	Примечание
K(R)	K(L) A	K(L) B	K(L) C	KС	KN
	Симметричная активная нагрузка	1							Сеть уличного освещения
Несимметричная активная нагрузка	2							Сеть жилого дома
Симметричная индуктивная нагрузка	3							Работа асинхронного двигателя на Х. Х.
Симметричная активно – индуктивная нагрузка	4							Питание компрессора или вентиляторов
Несимметричная активно – индуктивная нагрузка 3-фаз	5							Сеть промышленного предприятия
Несимметричная активно – индуктивная нагрузка 2х-фаз	6							Сеть крупного универмага
Несимметричная активно – индуктивн. нагрузка 1-фазы	7							То же
	Несимметр. активная нагрузка при выключенной нейтрли	8							Обрыв нейтрали сети освещения
Несимметр. активно – индуктивная нагрузка при выключенной нейтрли	9							Обрыв нейтрали на предприятии
Несимметр. активно – индуктивная нагрузка при выключенной нейтрли	10							Обрыв нейтрали асинхронного двигателя
Несимметр. акт-инд нагрузка при 2х проводной схеме.	11							Обрыв фазы и выкл. нейтраль
Несимметр. активная нагрузка при 2‑х проводной схеме	12							Обрыв фазы
Несимметр. акт-инд нагрузка при 2х проводной схеме.	13							То же
Несимметр. акт-инд нагрузка 2-х проводной схемы	14							То же

Рис. 2

4. Оформление отчёта.

По данным замеров выполнить:

а). По показаниям таблиц 1,2 рассчитать полную мощность фаз и их сумму для трёх фаз, определив абсолютную погрешность r= S – Sсч, и относительную погрешность

%,

где SA=UAIA из таб.1 и т. д., а SS= SA+SB+SC; Sсч = SA+SB+SC из таб.2.

б). Используя данные таблицы 2, построить векторные диаграммы для двух режимов по указанию преподавателя. Определить геометрическим сложением токов величину тока в нейтральном проводе или смешение нейтральной точки при отключённой нейтрали.

в). Для «профиля» таблицы 3 найти среднее значение и дисперсию для полученного ряда расхода энергии по времени. Для этого использовать методические указания к задаче №1 в контрольной работе.

Сделать выводы по результатам выполненной работы.

3.  Вопросы для самопроверки.

1. Почему возникает необходимость измерения активной и реактивной энергии в цепях переменного тока?

2. Каковы достоинства электронного счётчика по сравнению с индукционным счётчиком?

3. Как измеряется активная и полная мощность счётчиком СЭТ-4ТМ?

4. Как определяется реактивная мощность электронным счётчиком, каков недостаток этого способа определения?

5. Какие значения U, I, P, Q можно измерить с помощью дисплея счётчика?

6. Какие величины испытуемого счётчика являются номинальными?

7. По какой формуле определяется cos j ,

8. Какие основные блоки содержит измерительное устройство счётчика СЭТ-4ТМ?

9. Какова схема включения счётчика в трёхфазную цепь: трех проводная или четырёх проводная. В каких схемах они применяются?

10. Что необходимо предпринять, если напряжения и токи сети превышают номинальные данные счётчика?