Електронните електромери

Структура, принцип на действие и специфични параметри

В последните години електронните електромери устойчиво изместват индукционните от пазара на средства за отчитане на енергопотреблението. Делът им нараства благодарение на по-богатата функционалност и съвременни характеристики, които им осигуряват редица предимства.

Така например, електронните електромери предоставят данни за дългосрочни анализи на енергийните мрежи и осигуряват защита против злоупотреби с измервателния уред. Добавена стойност носи и възможността за допълване на електромерите с комуникационни модули, чрез които се осъществява включването им в системи за дистанционно отчитане и пренос на данни в реално време.

Допълнителни възможности за измерване
Освен изброените предимства, електронните електромери предоставят и разширени възможности за измерване на електроенергията. Индукционните електромери могат да измерват реално използваната от потребителите активна енергия Еа и реактивната енергия Er, непрекъснато обменяна между тях и мрежата. Те не са в състояние да измерват действително доставяната от електроразпределителните дружества привидна енергия Е, чиято връзка с останалите две е Е = Ц(Еа2 + Er2). Тази енергия има значение за всички потребители и лесно се измерва с електронните електромери.
Твърде голям е броят на електрическите товари, които, поради естеството на своето действие, променят формата на напрежението и тока. Резултатът от това е, че върху тези товари освен напрежение и ток с честота 50 Hz има и множество други с честоти 100, 150, 200 Hz и т. н., наричани хармоници. В този случай точните стойности на активната и реактивната мощност са съответно сумите на активните и реактивните мощности на всички хармоници. Тяхното определяне също може да се извършва лесно и точно от електронните електромери.

Структура и действие
Електронните електромери са твърде сложни устройства, но действието им може да се изясни чрез опростената структура на еднофазен електромер на фиг. 1. Токът IL по проводника на фазата L преминава през преобразувателя ПТ, на чийто изход се получава напрежение UI, пропорционално на тока. Най-простата и често използвана реализация на ПТ е като нискоомен шунт (метална пластинка с подходяща форма и размери) със съпротивление R, върху което се получава UI = RIL. Напрежението се подава на т. нар. аналогово-цифров преобразувател АЦПТ, който през определени интервали от време преобразува съществуващата в момента стойност на UI в двоично число MI. То е пропорционално на тока IL в този момент. Според препоръките на влиятелни международни организации, за получаване на достатъчна точност на измерването е необходимо за 1 s да се формират не по-малко от 2000 числа. По аналогичен начин на входа на преобразувателя ПГ постъпва мрежовото напрежение UL, той го преобразува в UU и на изхода на АЦПН в същите моменти от време, както при АЦПТ, се получават други двоични числа MU, пропорционални на UL. За постигане на достатъчна точност на преобразуването числата MI и MU са между 16- и 24-разредни.
В блока за обработка БО се умножават двойките MI и MU, отчитани в един и същ момент от времето, получените произведения се натрупват в блока Памет и на тяхна основа могат да се определят двете енергии Еа и E. Важно качество на този блок е, че записаните данни не се губят при изключване на електромера от мрежата и се съхраняват между 10 и 100 години.
В електромерите за активна енергия се изчислява само Еа, а някои модели са предназначени и за привидна мощност. Лесното измерване на последната е едно от предимствата на електронните електромери пред индукционните.
За определяне на Er има няколко начина, при един от които в БО да се изчислява големината й чрез равенството Er = Ц(E2 - Ea2). Друга функция на БО е изработването на импулси с определена продължителност, която типично е няколко десетки ms. На всеки от тях съответства определено количество енергия, определяна от параметъра константа на електромера, обикновено написана на неговия лицев панел и имаща типични стойности 100, 1000 и 10000 импулса за kWh. Те се подават на измервателен индикатор (обикновено светодиод), чиято честота на мигане е пропорционална на консумираната в момента активна енергия и чрез тях може да се направи груба оценка за големината й. Някои електромери имат втори индикатор за реактивната енергия, а други - изход, от който импулси със същата честота могат да се предават на разстояние по специална линия. Аналогична оценка се прави в индукционните електромери по скоростта на въртене на диска.
При някои модели електромери в БО се изработват и импулси за дистанционно отчитане на консумираната електроенергия. Те са с продължителност няколко стотици ms и всеки от тях съответства на 1 или 10 kWh. Подават се на блока за дистанционен пренос ДП и всеки от тях чрез затварянето на механичен контакт осигурява токов импулс (токът обикновено е 20 mA) към външен импулсен брояч. За свързването й към електромера са предвидени две специални клеми (фиг. 4), а този начин на предаване се нарича интерфейс токов кръг, SC интерфейс или 20 mA токов кръг. На фиг. 1 блокът ДП е начертан с прекъсната линия, тъй като съществува само в някои електромери.
Стойностите на измерваните енергии се получават на дисплея Д в kWh за Еа, в kVarh за Er и в kVAh за Е. Изключение правят електромерите за големи консуматори, които измерват в MWh, MVarh или MVAh. Броят на цифрите е между 5 и 10, като една до три са след десетичната точка. Например, на дисплей от вида ХХХХХХ.хх kWh отчита активна енергия с точност 0,01 kWh (промяна с 1 на последната цифра се получава при промяна на енергията с 0,01 kWh), а най-голямата й стойност е 999999.99 kWh. Последната е прието да се нарича капацитет на регистриращата система. В огромната част от електронните електромери дисплеите са течнокристални и сравнително рядко - механични (както при индукционните електромери). Някои електромери с течнокристален дисплей имат вградена батерия или акумулатор за отчитане на показанията им дори при липса на мрежово напрежение.
За да не се увеличават излишно цената и габаритите на електромерите, често те са само с един течнокристален дисплей, на който във всеки момент от време е показана текущата тарифа и нейният вид, но могат последователно да се изписват различните измерени енергии за всяка от тарифите. Как точно става това, е въпрос на настройка. Обикновено, при производството доста електромери се настройват на автоматично превключване на тарифите, като всяка се задържа на дисплея десетина секунди. Преминаването към ръчно превключване и неговото осъществяване се прави чрез устройство, подобно на дистанционно, изпращащо необходимите команди към оптичния (инфрачервен) порт на електромера. Няколко десетки секунди след като приключи подаването им, електромерът сам се връща към режима на автоматично превключване. Частта от електромера, осигуряваща въвеждането на данни (не само команди) от оптичния вход и организацията на самото въвеждане, се нарича оптичен интерфейс или интерфейс за местна комуникация. Освен него, обикновено електромерите имат на лицевия си панел бутон, първото натискане на който осигурява преминаването на ръчно превключване, а всяко следващо води до изписване на една от измерените енергии.
Някои модели електромери имат индикатор за неправилно свързване към електрическата мрежа. Освен това е полезно да се знае, че когато токът на измервания товар влиза непосредствено в електромера (както е на фиг. 1), се използва терминът директно измерване на енергията.
Структурата и действието на трифазните електромери е аналогична, като съществуват разновидности без неутрала (3-проводен електромер), предназначени за товари, свързани в триъгълник и с неутрала (4-проводен електромер) за такива в звезда. Значителна част от електромерите могат чрез подходящо свързване на клемите им да работят и като двете разновидности, а има и такива, които се използват и като еднофазни. Всяка от трите фази се свързва по една от схемите на фиг. 1, 2 или 3.

Специфични параметри
Електронните електромери имат същите основни параметри както индукционните, но токът Imax достига до 120 А. При 3-фазните електромери неговата стойност се отнася за всяка от фазите. За увеличаване до nImax (дори до 5-6 kA) се използва токов трансформатор ТТ, свързван в съответствие с фиг. 2. Другото символично означение на ТТ е дадено на фиг. 3 и то се дължи на конструкцията на част от трансформаторите - феритен пръстен, през който минава проводникът на фазата, представляващ първичната намотка и с вторична намотка, свързвана към токовия вход на електромера. Неговият коефициент на трансформация n обикновено се дава във вида nImax/Imax, например 1000/5 означава n = 200 и че ток в мрежата 1000 А във входа на електромера се превръща в 5 А. При това на едно мигане на И съответства n-пъти по-голяма енергия. Същото се отнася и за импулсите от блока ДТ - на всеки от тях съответства n пъти по-голяма енергия. Например, електромер със 100 мигания за kWh и 1 импулс на всеки kWh при използване на дадения като пример токов трансформатор, ще има 1 мигане на 2 kWh и 1 импулс на 200 kWh.
Токовите трансформатори обикновено представляват допълнителен възел към електромера, който може да се закупи по желание. Използването им обуславя термина електромер с индиректно измерване на енергията. Минималният ток, който електромерът може да отчете, тук се нарича пусков ток и е между няколко mA и няколко десетки mA. Той е по-малък от този на индукционните електромери, което означава и измерване на по-малки енергии и е друго предимство на електронните електромери. Използваните у нас обикновено работят с мрежово напрежение 220 V±20%, но има и широкообхватни, например за напрежение между 50 и 240 V.
Класовете на точност са както при индукционните електромери, но има и такива за активна енергия с клас 0,2S (грешка ±0,2%). При измерване на реактивна енергия най-често се използват класове 2 и 3, но има и електромери от клас 0,5S. За реализиране на повече тарифи няма никакви принципни или конструктивни ограничения. Съществуват електронни електромери с до 8 тарифи, като на всяка може да се програмира интервалът (или интервалите) от време, в които да действа. Часовете на превключването им се задават много точно от вградения електронен часовник, който може да се сверява чрез оптичния интерфейс. Някои електромери имат две разновидности - с вграден часовник и със задействане от външен (например предавател на разпределителното дружество в определените моменти изпраща импулс, който се приема от електромерите и тарифата им се сменя).
За сигурната работа на електромерите значение имат параметрите, свързани с издръжливостта им към необичайно поведение на електрическата мрежа. Тук влизат максимално допустимият ток на късо съединение със стойности няколко kA, максималните импулси на напрежението, които най-често са до 4 kV и напрежението поради електростатични разряди, достигащо 15 kV.

Електромери с предплащане
По параметри и възможности те не се различават от останалите електронни електромери, но работят с помощта на карта, която потребителят зарежда с желана сума, т. е. с желан лимит на електроенергия, заплащайки я към електроразпределителното дружество. При поставянето й в електромера той включва инсталацията на жилището към електрическата мрежа. При консумиране на енергия съдържанието на картата намалява, като на дисплея на електромера във всеки момент може да се види консумираното и оставащото количество. Освен това някои електромери дават предупредителен сигнал при достигане на зададено минимално оставащо количество енергия, което е подсещане за потребителя, че трябва да зареди картата. Когато лимитът свърши, електромерът автоматично изключва инсталацията. Този сравнително нов тип електромери е подходящ за жилища под наем, такива със сезонно ползване, общежития и др. подобни.

Измерване на обратна енергия
Макар и бавно, у нас започват да си пробиват път битовите фотоволтаични системи, преобразуващи слънчевата светлина в електроенергия. Напълно възможно е в определени часове от денонощието, например слънчев летен ден, те да произвеждат повече енергия от нуждите на домакинството в момента. Излишъкът може да се предостави на други потребители и е прието да се нарича обратна енергия, тъй като се доставя в електрическата мрежа, а не се консумира. Съществуват електронни електромери, които не само могат да измерват, но и да показват на дисплея обратната активна и реактивна енергия, което често се нарича двупосочно измерване.

Мултифункционални електромери
Най-често те са трифазни и в съответствие с наименованието, освен двупосочно измерване на трите енергии, имат много допълнителни възможности за оценка на състоянието на електрическата мрежа - измерване на напрежението, тока, честотата и фактора на мощност на всяка фаза, осъществяване на хармоничен анализ на напрежението и тока (определяне големината на техните хармоници). Може да бъде определена товарната диаграма на потребителите (промяната на консумираната мощност във времето), да се регистрират случаите на напрежения извън определени граници и т. н. Често подобни електромери се предлагат в две разновидности - като устройство с всички описани възможности и като модулна конструкция с един основен възел за извършване на част от измерванията и прибавяни по желание няколко модула за останалите величини.

Автоматизирани системи
Класическият начин за събиране на данни за консумираната електроенергия отнема много време, изисква голям и скъпо струващ щат от инкасатори, а самото отчитане на показанията и въвеждането им за компютърна обработка неминуемо е свързано с грешки с всички добре познати неприятности, произтичащи от това. Не по-малко важен за електроразпределителните дружества е не особено ефективният начин за санкциониране на абонатите, които закъсняват или просто не желаят да плащат консумираната електроенергия, както и трудното ограничаване на кражбите й. Всички тези проблеми не съществуват в автоматизираните системи, които освен електронни електромери могат да съдържат и други компютърни и комуникационни устройства.
Те позволяват управляване и непрекъснат контрол на състоянието на електромерите, както и дистанционното отчитане на показанията. Към това се прибавят възможностите за получаване на информация за повредата им или опит за намеса в тяхната работа, както и за дистанционно изключване на абоната при неспазване на договорните му задължения. Чрез подходящи модеми за електромерите в такива системи могат да използват съществуващите компютърни и телефонни мрежи, а съществуват и модеми за връзка чрез GSM мрежата. Съществуват и специализирани системи, като засега най-разпространена е LonWorks. Използваните в тях електромери имат допълнителни блокове в сравнение с класическите и се наричат комуникационни или “интелигентни” електромери. Важно качество на подобни системи е, че към тях могат да се свързват други “интелигентни” електродомакински уреди, които по този начин да бъдат управлявани.