преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов (варианты)

Формула изобретения

1. Преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов, содержащий амплитудно-импульсный модулятор, вход которого является первым входом устройства, первый широтно-импульсный модулятор, вход которого является вторым входом устройства, второй широтно-импульсный модулятор, вход которого подключен к выходу амплитудно-импульсного модулятора, а также n-разрядный реверсивный счетчик, счетный вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, а выход переноса является выходом устройства, амплитудно-импульсный модулятор и реверсивный счетчик имеют управляющие входы, отличающийся тем, что в него введены счетчик, элемент задержки, первый и второй элементы неравнозначности, инвертор и n переключателей, первые входы которых соединены между собой, вторые входы также соединены между собой, а выходы подключены к одноименным информационным входам реверсивного счетчика, при этом выход второго широтно-импульсного модулятора соединен с входом счетчика и с первым входом первого элемента неравнозначности, выход счетчика соединен с вторым входом первого элемента неравнозначности и с первым входом второго элемента неравнозначности, второй вход второго элемента неравнозначности подключен к выходу первого широтно-импульсного модулятора, а его выход - к управляющему входу амплитудно-импульсного модулятора, выход первого элемента неравнозначности подключен к управляющему входу реверсивного счетчика, к входу инвертора и к первым входам переключателей, вторые входы которых подключены к выходу инвертора, вход элемента задержки подключен к выходу устройства, а его выход - к входу записи реверсивного счетчика.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в него введен элемент И, первый вход которого подключен к выходу устройства, второй вход - к выходу первого элемента неравнозначности, а выход является вторым выходом устройства.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в него введен второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу устройства, второй вход - к выходу инвертора, а выход является третьим выходом устройства.

4. Преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов, содержащий амплитудно-импульсный модулятор, вход которого является первым входом устройства, первый широтно-импульсный модулятор, второй широтно-импульсный модулятор, вход которого подключен к выходу амплитудно-импульсного модулятора, а также n-разрядный реверсивный счетчик, счетный вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, а выход переноса является выходом устройства, амплитудно-импульсный модулятор и реверсивный счетчик имеют управляющие входы, отличающийся тем, что в него введены счетчик, элемент задержки, элемент неравнозначности, инвертор, второй амплитудно-импульсный модулятор и n переключателей, первые входы которых соединены между собой, вторые входы также соединены между собой, а выходы подключены к одноименным информационным входам реверсивного счетчика, при этом выход второго широтно-импульсного модулятора соединен с входом счетчика и с первым входом элемента неравнозначности, вход второго амплитудно-импульсного модулятора является вторым входом устройства, а его выход подключен к входу первого широтно-импульсного модулятора, управляющий вход амплитудно-импульсного модулятора подключен к выходу первого широтно-импульсного модулятора, выход счетчика соединен с вторым входом элемента неравнозначности и с входом управления второго амплитудно-импульсного модулятора, выход элемента неравнозначности подключен к управляющему входу реверсивного счетчика, к входу инвертора и к первым входам переключателей, вторые входы которых подключены к выходу инвертора, вход элемента задержки подключен к выходу устройства, а его выход - к входу записи реверсивного счетчика.

5. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что в него введен элемент И, первый вход которого подключен к выходу устройства, второй вход - к выходу элемента неравнозначности, а выход является вторым выходом устройства.

6. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что в него введен второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу устройства, второй вход - к выходу инвертора, а выход является третьим выходом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к измерительной технике и могут найти применение в счетчиках электрической энергии постоянного и переменного тока, в том числе в счетчиках, обеспечивающих раздельный учет энергии в каждом из двух направлений с помощью одного прибора, например, энергии, потребляемой электрифицированным транспортом в режиме тяги, и энергии, возвращаемой в контактную сеть в режиме рекуперативного торможения.

Известен преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов [2], содержащий амплитудно-импульсный и широтно-импульсный модуляторы и преобразователь напряжения в частоту, выполненный на основе методов аналогового интегрирования преобразуемых сигналов и импульсов обратной связи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный в качестве прототипа преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов [1] , содержащий амплитудно-импульсный модулятор, вход которого является первым входом устройства, первый широтно-импульсный модулятор, вход которого является вторым входом устройства, второй широтно-импульсный модулятор, вход которого подключен к выходу амплитудно-импульсного модулятора, а также n-разрядный реверсивный счетчик, счетный вход которого подключен к генератору опорной частоты, а выход переноса является выходом устройства, амплитудно-импульсный модулятор и реверсивный счетчик имеют управляющие входы, при этом выход первого широтно-импульсного модулятора подключен к управляющему входу амплитудно-импульсного модулятора, а выход второго широтно-импульсного модулятора подключен к управляющему входу реверсивного счетчика. В этом преобразователе второй широтно-импульсный модулятор, генератор опорной частоты и реверсивный счетчик образуют преобразователь напряжения в частоту, который основан на методах аналогового и цифрового интегрирования. (В [1] допущена неточность, поскольку узел, имеющий счетный вход и вход управления направлением счета и выполняющий функции сложения и вычитания импульсов, назван ключом, а не реверсивным счетчиком).

Общим недостатком обоих известных устройств является относительно низкая точность, так как использованные методы построения этих устройств не обеспечивают устранения или уменьшения погрешностей, обусловленных смещениями нулей широтно-импульсного модулятора и преобразователя напряжения в частоту первого устройства и смещениями нулей первого и второго широтно-импульсных модуляторов прототипа.

Другим общим недостатком известных устройств является отсутствие возможности раздельного учета энергии в двух направлениях. Причем первое устройство обеспечивает учет энергии только в одном направлении, а прототип - только суммарный учет потребленной и возвращенной в сеть энергии (без разделения по направлениям).

Кроме того, в обоих устройствах отсутствует возможность цифровой регулировки постоянной преобразования.

Недостатком прототипа является также самоход, т.е. наличие на выходе устройства импульсов при отсутствии в измеряемой сети потребления или возврата энергии.

В предлагаемом преобразователе энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов предполагается решить задачи устранения самохода, повышения точности и расширения функциональных возможностей за счет совершенствования его структуры, в том числе использования методов периодического реверсирования (переключения полярностей) преобразуемых сигналов.

Устранение самохода и погрешности, обусловленной смещением нуля второго широтно-импульсного модулятора (т.е. смещением нуля преобразователя напряжения в частоту), и обеспечение возможности цифровой регулировки постоянной преобразования достигается тем, что в преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов, содержащий амплитурно-импульсный модулятор, вход которого является первым входом устройства, первый широтно-импульсный модулятор, вход которого является вторым входом устройства, второй широтно-импульсный модулятор, вход которого подключен к выходу амплитудно-импульсного модулятора, а также n-разрядный реверсивный счетчик, счетный вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, а выход переноса является выходом устройства, амплитудно-импульсный модулятор и реверсивный счетчик имеют управляющие входы, введены счетчик, элемент задержки, первый и второй элементы неравнозначности, инвертор и n переключателей, первые входы которых соединены между собой, вторые входы также соединены между собой, а выходы подключены к одноименным информационным входам реверсивного счетчика, при этом выход второго широтно-импульсного модулятора соединен со входом счетчика и с первым входом первого элемента неравнозначности, выход счетчика соединен со вторым входом первого элемента неравнозначности и с первым входом второго элемента неравнозначности, второй вход второго элемента неравнозначности подключен к выходу первого широтно-импульсного модулятора, а его выход - к управляющему входу амплитудно-импульсного модулятора, выход первого элемента неравнозначности подключен к управляющему входу реверсивного счетчика, к входу инвертора и к первым входам переключателей, вторые входы которых подключены к выходу инвертора, вход элемента задержки подключен к выходу устройства, а его выход - к входу записи реверсивного счетчика.

Обеспечение раздельного учета энергии по одному направлению (только потребление или только возврат энергии) достигается тем, что в преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов по первому варианту введен элемент И, первый вход которого подключен к выходу устройства, второй вход - к выходу первого элемента неравнозначности, а выход является вторым выходом устройства.

Обеспечение раздельного учета энергии по другому направлению (только потребление или только возврат энергии) достигается тем, что в преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов по первому варианту введен второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу устройства, второй вход - к выходу инвертора, а выход является третьим выходом устройства.

Устранение самохода и погрешности, обусловленной смещениями нулей первого и второго широтно-импульсных модуляторов, и обеспечение возможности цифровой регулировки постоянной преобразования достигается тем, что в преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов по второму варианту, содержащий амплитудно-импульсный модулятор, вход которого является первым входом устройства, первый широтно-импульсный модулятор, второй широтно-импульсный модулятор, вход которого подключен к выходу амплитудно-импульсного модулятора, а также n-разрядный реверсивный счетчик, счетный вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, а выход переноса является выходом устройства, амплитудно-импульсный модулятор и реверсивный счетчик имеют управляющие входы, введены счетчик, элемент задержки, элемент неравнозначности, инвертор, второй амплитудно-импульсный модулятор и n переключателей, первые входы которых соединены между собой, вторые входы также соединены между собой, а выходы подключены к одноименным информационным входам реверсивного счетчика, при этом выход второго широтно-импульсного модулятора со соединен со входом счетчика и с первым входом элемента неравнозначности, вход второго амплитудно-импульсного модулятора является вторым входом устройства, а его выход подключен к входу первого широтно-импульсного модулятора, управляющий вход амплитудно-импульсного модулятора подключен к выходу первого широтно-импульсного модулятора, выход счетчика соединен со вторым входом элемента неравнозначности и с входом управления второго амплитудно-импульсного модулятора, выход элемента неравнозначности подключен к управляющему входу реверсивного счетчика, к входу инвертора и к первым входам переключателей, вторые входы которых подключены к выходу инвертора, вход элемента задержки подключен к выходу устройства, а его выход - к входу записи реверсивного счетчика.

Обеспечение раздельного учета энергии по одному направлению (только потребление или только возврат энергии) достигается тем, что в преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов по второму варианту введен элемент И, первый вход которого подключен к выходу устройства, второй вход - к выходу элемента неравнозначности, а выход является вторым выходом устройства.

Обеспечение раздельного учета энергии по другому направлению (только потребление или только возврат энергии) достигается тем, что в преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов введен второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу устройства, второй вход - к выходу инвертора, а выход является третьим выходом устройства.

На фиг. 1 изображена структурно-функциональная схема предлагаемого преобразователя энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов по первому варианту; на фиг. 2 - то же, по второму варианту.

Преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов по первому варианту (фиг. 1) содержит первый широтно-импульсный модулятор 1, амплитудно-импульсный модулятор 2, второй широтно-импульсный модулятор 3, n-разрядный реверсивный счетчик 4, генератор опорной частоты 5, счетчик 6, элемент задержки (например, пассивная RC-цепь) 7, первый 8 и второй 9 элементы неравнозначности (исключающее ИЛИ), инвертор 10, n переключателей 11.1, 11.2 ... 11.n, элемент И 12, второй элемент И 13, причем вход амплитудно-импульсного модулятора 2 является первым входом устройства, вход первого широтно-импульсного модулятора 1 является вторым входом устройства, выход переноса реверсивного счетчика 4 является выходом устройства, выходы элемента И 12 и второго элемента И 13 являются соответственно вторым и третьим выходами устройства, выход амплитудно-импульсного модулятора 2 подключен к входу второго широтно-импульсного модулятора 3, выход которого соединен со входом счетчика 6 и с первым входом первого элемента неравнозначности 8, выход счетчика 6 соединен со вторым входом первого элемента неравнозначности 8 и с первым входом второго элемента неравнозначности 9, второй вход которого подключен к выходу первого широтно-импульсного модулятора 1, а выход - к управляющему входу амплитудно-импульсного модулятора 2, выход устройства соединен с первыми входами элемента И 12 и второго элемента И 13 и с входом элемента задержки 7, выход которого соединен со входом записи реверсивного счетчика 4, выход генератора опорной частоты 5 соединен со счетным входом реверсивного счетчика 4, выход первого элемента неравнозначности 8 соединен с первыми входами переключателей 11.1, 11.2 ... 11. n, с входом инвертора 10, с управляющим входом реверсивного счетчика 4 и со вторым входом элемента И 12, выход инвертора 10 соединен со вторыми входами переключателей 11.1, 11.2 ... 11, n и со вторым входом второго элемента И 13, выходы переключателей 11.1, 11.2 ... 11. n подключены к одноименным информационным входам реверсивного счетчика 4.

Преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количестве импульсов по первому варианту (фиг. 1) работает следующим образом.

При нулевом (единичном) сигнале на входе счетчика 6 первый 8 и второй 9 элементы неравнозначности являются повторителями (инверторами) выходных сигналов второго 3 и первого 1 широтно-импульсных модуляторов.

Предположим, что на входе счетчика 6 имеется нулевой сигнал, а первый 8 и второй 9 элементы неравнозначности являются повторителями своих входных сигналов.

Первый широтно-импульсный модулятор 1 преобразует сигнал на втором входе устройства в относительную разность длительностей временных интервалов _y:



где

e_y - смещение нуля, приведенное к его входу;

K₁ - постоянный коэффициент;

T₁ - длительность импульса;

T₂ - длительность паузы.

Амплитуда сигнала Z на выходе амплитудно-импульсного модулятора 2 пропорциональна амплитуде сигнала X на первом входе устройства, причем в течение импульса T₁ их полярности одинаковы, а в течение паузы T₂ выходной сигнал Z имеет полярность, противоположную полярности сигнала X. (По существу амплитудно-импульсный модулятор 2 является переключателем полярности или, другими словами, реверсивным переключателем.)

Для сети постоянного тока среднее значение выходного сигнала Z за период преобразования T=T₁+T₂ пропорционально мощности:



Для сети переменного тока, если период преобразования T много меньше периода сети T₂, то среднее значение выходного сигнала Z за период T пропорционально мгновенной мощности, а за период сети T_c - активной мощности.

Интеграл по времени сигнала Z на выходе амплитудно-импульсного модулятора 2 пропорционален энергии (активной энергии для сети переменного тока).

Второй широтно-импульсный модулятор 3 также преобразует входной сигнал Z в относительную разность длительностей временных интервалов _z, имеет период преобразования много больший периода преобразования первого широтно-импульсного модулятора 1 и является интегрирующим преобразователем, поэтому сигнал Z за период преобразования первого широтно-импульсного модулятора 1 можно считать постоянным (он фильтруется интегратором второго широтно-импульсного модулятора 3) и пропорциональным измеряемой мощности.

Работа второго широтно-импульсного модулятора 3 с учетом (2) описывается уравнением



где

K₂ - постоянный коэффициент;

e_Z - смещение нуля, приведенное к его входу;

T_и - длительность импульса;

T_п - длительность паузы.

В дальнейшем условимся, что импульсы T_и имеют положительную, а паузу Т_п -отрицательную полярности.

Сигнал _z подается на управляющий вход реверсивного счетчика 4, а не его счетный вход подаются импульсы опорной частоты f_o с выхода генератора опорной части 5. В течение положительных импульсов Т_и производится сложение, а в течение отрицательных пауз Т_п- вычитание этих импульсов, при этом частота импульсов на выходе устройства (на выходе переноса реверсивного счетчика 4) составляет:



где

C - емкость раверсивного счетчика 4,

а количество импульсов за время измерения пропорционально энергии.

Если емкость счетчика C не зависит от направления счета, то частота f на выходе устройства инварианта направлению потока энергии как для постоянного, так и для переменного тока.

Предположим, что при потреблении энергии положительные импульсы Т_и длиннее отрицательных пауз Т_п, а при возврате энергии - отрицательные паузы Т_п длиннее положительных импульсов Т_и.

Тогда сигнал на выходе устройства будет формироваться при потреблении энергии только в течение положительных импульсов Т_и, а при возврате - только в течение отрицательных пауз Т_п.

Причем при потреблении энергии импульсы с выхода устройства будут поступать на второй выход устройства, так как в моменты их поступления на первый вход элемента И 12 на его втором входе имеются положительные Т_и, а при возврате энергии импульсы с выхода устройства будут поступать на третий выход устройства, так как в моменты их поступления на первый вход второго элемента И 13 на его втором входе имеется положительный сигнал - инверсия отрицательной паузы на выходе инвертора 10.

Таким образом, второй выход устройства обеспечивает учет энергии только в одном направлении (например, только потребляемой энергии), третий выход - только в другом направлении (например, только энергии, возвращаемой в сеть), а выход устройства - учет энергии в любом направлении, в том числе суммы потребленной и возвращенной энергии.

Эта особенность выхода устройства может быть использована, например, в бытовых счетчиках энергии для исключения субъективного фактора. При неправильном включении счетчика его показания все равно будут возрастать, а точность измерения энергии не изменится.

Задержанный элементом задержки 7 сигнал с выхода устройства поступает на вход записи реверсивного счетчика 4 и по его информационным входам происходит запись информации с переключателей 11.1, 11.2 ... 11. n.

При потреблении энергии запись происходит во время положительных импульсов Т_и в прямом коде: по информационным входам, подключенным к выходу первого элемента неравнозначности 8, записываются "единицы", а по информационным входам, подключенным к выходу инвертора 10, - "нули".

При возврате энергии запись происходит во время отрицательных пауз Т_п в инверсном коде: по информационным входам, подключенным к выходу первого элемента неравнозначности 8, записываются "нули", а по информационным входам, подключенным к выходу инвертора 10, - "единицы".

Это обеспечивает возможность устанавливать емкость С реверсивного счетчика 4 и постоянную преобразования всего устройства одновременно для обоих направлений потоков энергии.

(Действительно, если, например, реверсивный счетчик 4 имеет 4 двойных разряда и на переключателях 11.1. ... 11.4 набрано двоичное число 1011, то в прямом направлении счета в реверсивный счетчик 4 запишется число 1011 и его емкость С составит 5 импульсов; в обратном направлении счета в него запишется число 0100 и его емкость также составит 5 импульсов.)

Предположим, что на выходе счетчика 6 имеется единичный сигнал, в первый 8 и второй 9 элементы неравнозначности являются инверторами своих входных сигналов.

Тогда на управляющий вход амплитудно-импульсного модулятора 2 поступают импульсы с выхода первого широтно-импульсного модулятора 1 после их инвертирования вторым элементом неравнозначности 9, что эквивалентно изменению знака сигнала Z на выходе второго широтно-импульсного модулятора 3:

Z = -_уX = -K₁X(Y+e_y). (5)

при этом сигнал _z на выходе второго широтно-импульсного модулятора 3 принимает вид:



Сигналы инвертируются первым элементом неравнозначности 8, что эквивалентно изменению знака его выходного сигнала



Таким образом, с помощью первого 8 и второго 9 элементов неравнозначности сигнал (Y+9_y) реверсируется дважды (т.е. остается без изменения), а сигнал e_Z - только один раз.

Пусть счетчик 6 содержит m двоичных разрядов. Тогда сигнал на его выходе будет изменяться каждые 2^(m-1) периодов Т второго широтно-импульсного модулятора 3, и легко показать, что в среднем значении выходных сигналов первого элемента неравнозначности 8 за 2^m периодов Т не содержится сигнала e_Z.

Так, при m = 1 выходной сигнал счетчика 6 изменяется в каждом периоде Т = Т_и+Т_п = , при этом сигнал на выходе первого элемента неравнозначности 8 поочередно принимает вид (3) и (7), а его среднее значение за два периода Т на содержит сигнала e_Z:



Средняя выходная частота f за два периода Т описывается выражением:

.

Из (3), (4) и (7) следует, что при отсутствии периодического реверсирования сигналов второго широтно-импульсного модулятора 3 смешение нуля e_Z на его входе приводит к самоходу, т.е. к появлению сигналов на выходе устройства и на втором или третьем выходе устройства в зависимости от знака e_Z при отсутствии в измеряемой сети потребления или возврата энергии.

В предлагаемом устройстве устранены самоходы и погрешность, обусловленная смещением нуля e_Z второго широтно-импульсного модулятора 3, при измерении энергии как постоянного, так и переменного тока.

При измерении энергии постоянного тока относительная погрешность (для счетчиков энергии нормируется не приведенная, а относительная погрешность), обусловленная смещением нуля e_Y первого широтно-импульсного модулятора, составляет:

.

Однако при измерении энергии переменного тока за время, кратное целому числу периодов сети, интеграл от произведения e_y на сигнал X равен нулю, поэтому счетчик энергии переменного тока на основе описанного устройства не имеет погрешностей, обусловленных смещениями нулей как первого 1, так и второго 3 широтно-импульсных модуляторов.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый преобразователь обеспечивает большую точность измерения энергии постоянного и переменного тока и обладает расширенными функциональными возможностями.

Преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов по второму варианту (фиг. 2) содержит первый широтно-импульсный модулятор 1, амплитудно-импульсный модулятор 2, второй широтно-импульсный модулятор 3, n-разрядный реверсивный счетчик 4, генератор опорной частоты 5, счетчик 6, элемент задержки (например, пассивная RC-цепь) 7, элемент неравнозначности (исключающее ИЛИ) 8, инвертор 10, n переключателей 11.1, 11.2...11.n, элемент И 12, второй элемент И 13, второй амплитудно-импульсный модулятор 14, причем выход амплитудно-импульсного модулятора 2 является первым входом устройства, вход второго амплитудно-импульсного модулятора 14 является вторым входом устройства, выход переноса реверсивного счетчика 4 является выходом устройства, выходы элемента И 12 и второго элемента И 13 являются соответственно вторым и третьим выходами устройства, выход амплитудно-импульсного модулятора 2 подключен к входу второго широтно-импульсного модулятора 3, выход которого соединен со входом счетчика 6 и с первым входом элемента неравнозначности 8, выход счетчика 6 соединен со вторым входом элемента неравнозначности 8 и с управляющим входом второго амплитудно-импульсного модулятора 14, выход первого широтно-импульсного модулятора 1 подключен к управляющему входу амплитудно-импульсного модулятора 2, а его вход - к выходу второго амплитудно-импульсного модулятора 14, выход устройства соединен с первыми входами элемента И 12 и второго элемента И 13 и со входом элемента задержки 7, выход которого соединен со входом записи реверсивного счетчика 4, выход генератора опорной частоты 5 соединен со счетным входом реверсивного счетчика 4, выход элемента неравнозначности 8 соединен с первыми входами переключателей 11.1, 11.2...11.n, с входом инвертора 10, с управляющим входом реверсивного счетчика 4 и со вторым входом элемента И 12, выход инвертора 10 соединен со вторыми входами переключателей 11.1, 11.2...11. n и со вторым входом второго элемента И 13, выходы переключателей 11.1, 11.2...11.n подключены к одноименным информационным входам реверсивного счетчика 4.

Преобразователь энергии постоянного и переменного тока в количество импульсов по второму варианту (фиг. 2) работает следующим образом.

При нулевом (единичном) сигнале на выходе счетчика 6 элемент неравнозначности 8 и второй амплитудно-импульсный модулятор 14 является повторителями (инверторами) своих входных сигналов.

Предположим, что на выходе счетчика 6 имеется нулевой сигнал, а элемент неравнозначности 8 и второй амплитудно-импульсный модулятор 14 являются повторителями своих входных сигналов.

Первый широтно-импульсный модулятор 1 преобразует сигнал на втором входе устройства в относительную разность длительностей временных интервалов _y: :

,

где

e_y - смещение нуля, приведенное к его входу;

K₁ - постоянный коэффициент;

T₁ - длительность импульса;

T₂ - длительность паузы.

Амплитуда сигнала Z на выходе амплитудно-импульсного модулятора 2 пропорциональна амплитуде сигнала X на первом входе устройства, причем в течение импульса T₁ их полярности одинаковы, а в течение паузы T₂ выходной сигнал Z имеет полярность, противоположную полярности сигнала X. )По существу амплитудно-импульсный модулятор 2 является переключателем полярности или, другими словами, реверсивным переключателем).

Для сети постоянного тока среднее значение выходного сигнала Z за период преобразования T = T₁ + T₂ пропорционально мощности:

.

Для сети переменного тока, если период преобразования T много меньше периода сети T_c, то среднее значение выходного сигнала Z за период T пропорционально мгновенной мощности, а за период сети T_c - активной мощности.

Интеграл по времени сигнала Z на выходе амплитудно-импульсного модулятора 2 пропорционален энергии (активной энергии для сети переменного тока).

Второй широтно-импульсный модулятор 3 также преобразует входной сигнал Z в относительную разность длительностей временных интервалов , имеет период преобразования, много больший периода преобразования первого широтно-импульсного модулятора 1 и является интегрирующим преобразователем, поэтому сигнал Z за период преобразования первого широтно-импульсного модулятор 1 можно считать постоянным (он фильтруется интегратором второго широтно-импульсного модулятора 3) и пропорциональным измеряемой мощности.

Работа второго широтно-импульсного модулятора 3 с учетом (12) описывается уравнением:

,

где

K₂ - постоянный коэффициент;

e_Z - смещение нуля, приведение к его входу;

T_и - длительность импульса;

T_п - длительность паузы.

В дальнейшем условимся, что импульсы T_и имеют положительную, а паузы T_п - отрицательную полярности.

Сигнал _z подается на управляющий вход реверсивного счетчика 4, а на его счетный вход подаются импульсы опорной частоты f₀ с выхода генератора опорной частоты 5. В течение положительных импульсов T_и производится сложение, а в течение отрицательных пауз T_п - вычитание этих импульсов, при этом частота импульсов на выходе устройства (на выходе переноса реверсивного счетчика 4) составляет



где

C - емкость реверсивного счетчика 4,

а количество импульсов за время измерения пропорционально энергии.

Если емкость счетчика C не зависит от направления счета, то частота f на выходе устройства инвариантна направлению потока энергии как для постоянного, так и для переменного тока.

Предположим, что при потреблении энергии положительные импульсы T_и длиннее отрицательных пауз T_п, а при возврате энергии - отрицательные паузы T_п длиннее положительных импульсов T_и. Тогда сигнал на выходе устройства будет формироваться при потреблении энергии только в течение положительных импульсов T_и, а при возврате - только в течение отрицательных пауз T_п.

Причем при потреблении энергии импульсы с выхода устройства будут поступать на второй выход устройства, так как в моменты их поступления на первый вход элемента И 12 на его втором входе имеются положительные T_и, а при возврате энергии импульсы с выхода устройства будут поступать на третий вход устройства, так как в моменты их поступления на первый вход второго элемента И 13 на его втором входе имеется положительный сигнал - инверсия отрицательной паузы на выходе инвертора 10.

Таким образом, второй вход устройства обеспечивает учет энергии только в одном направлении (например, только потребляемой энергии), третий выход - только в другом направлении (например, только энергии, возвращенной в сеть), а выход устройства - учет энергии в любом направлении, в том числе суммы потребленной и возвращенной энергии.

Эта особенность выхода устройства может быть использована, например, в бытовых счетчиках энергии для исключения субъективного фактора. При неправильном включении счетчика его показания все равно будут возрастать, а точность измерения энергии не изменится.

Заданный элементом задержки 7 сигнал с выхода устройства поступает на вход записи реверсивного счетчика 4 и по его информационным входам происходит запись информации с переключателей 11.1, 11.2...11.n.

При потреблении энергии запись происходит во время положительных импульсов T_и в прямом коде: по информационным входам, подключенным к выходу элемента неравнозначности 8, записываются "единицы", а по информационным входам, подключенным к выходу инвертора 10 - "нули".

При возврате энергии запись происходит во время отрицательных пауз T_п в инверсном коде: по информационным входам, подключенным к выходу элемента неравномерности 8, записываются "нули", а по информационным входам, подключенным к выходу инвертора 10 - "единицы".

Это обеспечивает возможность устанавливать емкость C реверсивного счетчика 4 и постоянную преобразования всего устройства одновременно для обоих направлений потока энергии.

(Действительно, если, например, реверсивный счетчик 4 имеет 4 двоичных разряда и на переключателях 11.1...11.4 набрано двоичное число 1011, то в прямом направлении счета в реверсивный счетчик 4 запишется число 1011 и его емкость C составит 5 импульсов; в обратном направлении счета в него запишется число 0100 и его емкость также составит 5 импульсов.)

Предположим, что на выходе счетчика 6 имеется единичный сигнал, а элемент неравнозначности 8 и второй амплитудно-импульсный модулятор 9 являются инверторами своих входных сигналов. (Второй амплитудно-импульсный модулятор 9 также является переключателем полярности или, другими словами, реверсивным переключателем).

Тогда на вход первого широтно-импульсного модулятора 1 подается сигнал Y, а сигнал Z на входе второго широтно-импульсного модулятора 3 имеет вид:

Z = K₁(-Y + e_y)X = -K₁X(Y - e_y). (15)

При этом сигнал _z на выходе второго широтно-импульсного модулятора 3 описывается уравнением:



Сигналы инвертируются элементом неравнозначности 8, что эквивалентно изменению знака его выходного сигнала



Таким образом, с помощью элемента неравнозначности 8 и второго амплитудно-импульсного модулятора 9 сигнал Y реверсируется дважды (т.е. остается без изменения), а сигналы e_y и e_z - только один раз.

Пусть счетчик 6 содержит m двоичных разрядов. Тогда сигнал на его выходе будет изменяться каждые 2^(m-1) периодов T второго широтно-импульсного модулятора 3, и легко показать, что в среднем значении выходных сигналов элемента неравномерности 8 за 2^m периодов T не содержится сигналов e_y и e_z.

Так, при m = 1 выходной сигнал счетчика 6 изменяется в каждом периоде T = T_и + T_п = , при этом сигнал на выходе элемента неравнозначности 8 поочередно принимает вид (13) и (17), а его среднее значение за два периода T не содержит сигналов e_y и e_z:



Средняя выходная частота f за два периода T описывается выражением



Из (13), (14) и (17) следует, что при отсутствии периодического реверсирования сигналов второго широтно-импульсного модулятора 3 смещение нуля e_z на его выходе приводит к самоходу, т.е. к появлению сигналов на выходе устройства и на втором или третьем выходе устройства в зависимости от знака e_z при отсутствии в измеряемой сети потребления или возврата энергии.

В передающем устройстве устранены самоход и погрешность, обусловленная смещениями нулей e_y первого 1 и e_z второго 3 широтно-импульсных модуляторов, при измерении энергии как переменного, так и постоянного тока.

Это создает предпосылки для проверки преобразователя энергии переменного тока на постоянном токе.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый преобразователь обеспечивает большую точность измерения энергии постоянного и переменного тока и обладает расширенными функциональными возможностями.