ĆWICZENIE NR
8
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. PrzyrzÄ…dy do pomiaru energii elektrycznej nazywane sÄ… 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 sÄ… 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.
127
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.
i(t)
Przetwornik Licznik
U f
mocy
impulsów
u(t)
U=C P
p
- 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.
~u
Odb.
u(t) i(t)
M1 M2 Up
G
128
Rys. 8.2. Schemat blokowy układu mnożącego TDM
Mając 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.
U1 T
_
T
2
a)
t
0
_
T
2
k1u
U1
b)
Ta Tb
t
0
Rys.8.3. Napięcie wyjściowe mnożnika szerokości impulsów
przy napięciu sterującym
129
a) U = 0, b) U > 0
Częstotliwość 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
T
Ta = + K1 Å" u (8.1)
2
Czas trwania przerwy
T
Tb = - K1u (8.2)
2
Względną zmianą szerokości impulsu, tzw. stosunek  impuls-przerwa , określa
siÄ™ jako
Ta - Tb 2K1
= u = K2 Å" u (8.3)
Ta + Tb T
U
F1
k2i
Up
t
0
F2
-k2i
Rys. 8.4. Napięcie wyjściowe modulatora amplitudy
130
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
F1 - F2 2K1 Å" K2
u = = Å" u Å" i = K Å" u Å" i = K Å" p (8.4)
p p p
T T
gdzie:
2 Å" K1 Å" K2
K = - stała przetwornika mocy,
p
T
p = i Å" u - wartość chwilowa mocy.
C
Up R
U
Integrator
Układ Licznik
U0 Komparator formujący impulsów
Układ
rozładowujący
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
131
modulatora doprowadza się do filtru dolnoprzepustowego, gdzie następuje
uśrednienie do wartości Up a następnie do przetwornika napięcie/częstotliwość
U f zawierajÄ…cego integrator (rys. 8.5). W integratorze przetwornika
U f następuje całkowanie napięcia Up do chwili osiągnięcia żądanej
wartości Eo. Wartość Eo jest miarą jednostkowej energii zwanej  kwantem
energii .
t1 t1 t2
Eo = Å" dt = K Å" P(t) Å" dt = K P(t) Å" dt (8.5)
p p p
+"U +" +"
o o t1
Przebiegi czasowe napięć w przetworniku napięcie-częstotliwość pokazane
sÄ… na rysunku 8.6.
U=kp. P
p
E0
E0 E0
E0
t
0 t1 t2 t3 t4
U
t
0
Ä1 Ä2 Ä3 Ä4
132
Rys. 8.6. Przebiegi napięć w przetworniku. U f
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
U f jest zależna od energii czynnej .
Liczba zliczonych impulsów N, wygenerowanych przez integrator w
określonym przedziale czasu, jest miarą przepływającej w tym czasie
energii
E = N Å" Eo (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
N
C = (8.7)
E
Liczniki elektroniczne budowane sÄ… 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.
133
5  Element regulacyjny  wieloobrotowy element regulacyjny,
wykorzystywany w momencie wzorcowania i legalizacji licznika.
1
T1
2
T2
T3
V
T4
P PLN
3
4
1998
- +
220V
MADE IN POLAND
5
Rys.8.7. Płyta czołowa licznika LAP-A1
8.3. Wykonanie ćwiczenia
Badania licznika LAP-A1 dotyczÄ… wyznaczenia prÄ…du rozruchu,
sprawdzenie biegu jałowego, wyznaczenie stałej licznika i sprawdzenie
dokładności wskazań.
134
L
2
1 3 4 6
2 1 2 1
Atr2
p
L1
L2
w2
Irozr.
Rp
mA
R2
Atr1
L1
L2 P.F.
V A W
R1
L3
w1
Rys. 8.8.. Układ połączeń do badania licznika
Oznaczenia
L  badany licznik,
W  watomierz,
V  woltomierz,
A  amperomierz,
Pf  przesuwnik fazowy,
Atr1, Atr2  autotransformatory,
R1, R2  oporniki suwakowe,
mA  miliamperomierz do pomiaru prÄ…du rozruchu licznika,
Rp  opornik suwakowy,
w1, w2  wyłączniki,
135
p  przełącznik.
Uwaga: w czasie ćwiczenia należy obok podanych oznaczeń wpisać wartości
charakteryzujące użyte przyrządy i sprzęt pomocniczy.
8.3.1. Postępowanie podczas pomiaru
Badanie prÄ…du rozruchu
Ustawić napięcie nominalne licznika (odczytać na woltomierzu V-rys.8.8).
Przy cosÕ =1(odczyt na przesuwniku fazowym), przeÅ‚Ä…cznik p w poÅ‚ożeniu
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
imp
minut, przy czym C oznacza stałą licznika wyrażoną w .W czasie
kWh
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 ą 1%, przy I =10A.
Sprawdzanie dokładności wskazań
Dokładność wskazań licznika należy wyznaczyć dla wartości obciążenia
20%IN , 50% IN ,100%IN oraz dla Imax i cosÕ=1, U=UN .
Dla licznika klasy 1, błąd pomiaru energii przy tych obciążeniach nie
powinien przekroczyć ą 1%. Sprawdzanie dokładności wskazań dokonuje się
przez pomiar mocy watomierzem i czasu  sekundomierzem (rys.8.8).
Błąd wskazania obliczany jest z zależności
136
tn - t
´ = 100%
t
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 siÄ™ ze wzoru
3600 Å"103
tn = Å" Nn
C Å" P
gdzie:
imp
îÅ‚ Å‚Å‚
C  stała licznika
ïÅ‚ kWhûÅ‚ ,
śł
ðÅ‚
P  wartość mocy w [W],
N  liczba impulsów.
Protokół wyników pomiaru
imp
îÅ‚ Å‚Å‚
UN = ....V IN = ...A C = ...
ïÅ‚ kWhûÅ‚ Typ licznika
śł
ðÅ‚
Tabela 8.1
Lp P cosÕ N tn t
´
Iobc
A W imp s s %
1 20% IN
2 100% IN
3 50%IN
4 Imax
Uwaga: Wyniki badań porównać z danymi licznikami podanymi przez
producenta.
Wzory i przykłady obliczeń
Podać odpowiednie wzory i przykłady obliczeń.
137
Wykresy
Wykreślić charakterystykę błędów w funkcji obciążenia.
8.4. Uwagi o wynikach pomiaru
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.