Как инженеры прошлого измеряли мощность без современных микросхем с DSP: разбираем Энергомеру ЦЭ6806П

Введение

Как инженеры прошлого решали задачи измерения мощности без современных микросхем с DSP? В статье рассказываем о приборе Энергомера ЦЭ6806П, созданном в 2006 году для поверки электросчётчиков и построенном по технологиям 1980-х годов.

Мы разберём его конструкцию, принципы работы, а также узнаем, как дискретно-аналоговые решения помогали достигать высокой точности. Энергомера — это пример инженерной изобретательности, открывающий уникальный взгляд на развитие электроизмерительных приборов.

Автор: Роман, инженер компании Wiren Board.

Современные технологии учёта электроэнергии

В настоящее время задача учета потребленной электрической энергии решается, конечно, использованием специализированных микросхем. Таким же образом работают и наши измерители WB-MAP — мы используем микросхемы ATM90E32AS и ATM90E36A фирмы Microchip. Еще есть много других производителей микросхем для счетчиков: несколько западных, несколько китайских, российские и даже южно-африканский. 

Практически все такие микросхемы работают одинаково. Сигналы напряжения (с калиброванного делителя напряжения) и тока (с трансформатора тока или резистивного шунта) поступают на входы 24-битных сигма-дельта АЦП с очень большим динамическим диапазоном. Эти отсчеты напряжения и тока дальше обрабатываются специализированным цифровым сигнальным процессором (DSP). Обычно DSP прореживает отсчеты тока и напряжения до частоты 2 кГц и выполняет их взаимное перемножение. Таким образом, получаются значения мгновенной мощности (потребленной энергии) за каждые 0.5 мс. Накапливая (интегрируя) эти значения, мы получаем основной для учета электроэнергии показатель — потребленную активную мощность. Разумеется, из отсчетов тока и напряжения DSP может вычислять (и конечно, делает это) другие полезные значения: частоту сети, RMS значения напряжения и тока, реактивную мощность, фазовые углы и так далее.

Но эти микросхемы получили распространение лишь последние 30 лет. Как эта задача решалась раньше?

Экскурс в историю

В совсем давние времена, когда появились первые электрические сети постоянного тока, использовались даже электрохимические счетчики, использующие электролитический перенос ртути с конца одного ртутного столбика на другой. Забавно, что похожие ячейки применялись на советских измерительных приборах для учета их времени наработки вплоть до 1980-х годов!

По мере распространения сетей переменного тока стали использовать электромеханические счетчики. Они используют алюминиевый диск, две мудрено сделанные катушки с магнитопроводами (для напряжения и для тока), расположенные сверху и снизу от диска, и магнитодинамический тормоз. Первая катушка наводит в диске вихревой ток, который взаимодействует с полем второй катушки и создает вращающий момент. А поле второй катушки тоже наводит в диске вихревой ток, который взаимодействует с полем первой и тоже создает свой вращающий момент. Сумма этих моментов не равна нулю, и, как задумано нашими талантливыми предками, получается пропорциональной произведению мгновенных значений напряжения и тока. А магнит тормоза, в свою очередь, тоже наводит вихревой ток в своей зоне диска, образуя уравновешивающий тормозной момент. Вращение диска передается через червячную передачу на механический барабанный счетчик, который показывает значение потребленной электроэнергии.

Очевидно, что несмотря на появление этого механизма более 100 лет назад, он производит точно те же самые вычисления, что и современные аналогово-цифровые чипы электрических счетчиков. А именно, поскольку вращающий момент определяется хитрым взаимодействием магнитных полей катушек напряжения и тока с алюминиевым диском, мгновенное значение вращающего момента пропорционально произведению мгновенных значений напряжения и тока, то есть мгновенному значению активной мощности, что мы видели и в цифровой реализации. А тормозной момент от магнита прямо пропорционален скорости вращения диска. Если не учитывать небольшую погрешность от трения, то эти моменты балансируют друг друга и текущая скорость вращения диска прямо пропорциональна потребляемой активной мощности даже с учетом фазового угла и искажений формы тока и напряжения. А барабанный счетчик оборотов является механическим вариантом интегратора.

Для трехфазного счетчика конструкция из пары катушек повторяется два или три раза с одним или двумя алюминиевыми дисками. Вращающие моменты суммируются, что соответствует суммированию мощностей, измеренных на трех (или иногда двух) фазах. Обратите внимание на безумное количество шайбочек, проволочек, винтиков для калибровки — всё это ручной труд! Разве можно сравнить это с электронным счетчиком, который автоматическая установка тестирует и калибрует за несколько минут?

Есть даже хитрый трюк, позволяющий измерять подобным образом не активную, а реактивную мощность. Правда, без электроники точность измерения получается так себе, но об этом подробнее дальше.

Примерно в 1970-1990-х годах начали пытаться выполнять вычисления, необходимые для задач учета электроэнергии, в чисто электронном виде. Но тогда еще не было дешевых доступных многоразрядных АЦП, и DSP процессоров. Вычисления проводились гибридным, дискретно-аналоговым способом, используя доступную в те времена элементную базу — CMOS логику 4000-й серии, аналоговые MOS ключи, операционные усилители.

Недавно к нам попал интересный прибор. Хоть он и произведен в 2006 году, технические решения в нем относятся к 80-м годам прошлого века.

Прибор называется «Энергомера ЦЭ6806П». Его основная задача не в учете электроэнергии, а в поверке/калибровке абонентских счетчиков электроэнергии, соответственно, заявлена более высокая точность (хотя при анализе конструкции в этом возникают некоторые сомнения