СХЕМА КОНТРОЛЯ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКОВ
CONTROL CIRCUIT FOR INDUCTION ELECTRICITY METERS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при испытаниях однофазных индукционных электросчетчиков, в частности, при проверке погрешности отсчета расходуемой электроэнергии при прерывании рабочего тока на повышенной частоте, во много раз превышающей частоту энергоснабжающей сети.
Известно, что точность работы таких приборов учета на используемой промышленной частоте 50 Гц достаточно высокая, однако эти характеристики существенно снижаются, если ток нагрузки прерывается с повышенной частотой, много большей частоты сети, поскольку в этих счетчиках используются электромагнитные элементы - высокоомные катушки напряжения, создающие магнитное поле, не согласованные с высокочастотными колебаниями. Это приводит к необходимости исследования зависимости правильного учета потребляемой электроэнергии от частоты прерываний электрического тока в нагрузках.
Для исследования качества работы вновь разрабатываемых электросчетчиков при прерывающемся токе в нагрузке с достаточно высокой частотой (1…5 кГц) необходимо разработать соответствующие схемы контроля, имитирующие такого рода нагрузки с регулируемой частотой прерываний тока.
Целью изобретения является установление значения частоты прерываний тока нагрузки, при которой электросчетчик индукционного типа обладает наихудшей погрешностью правильного учета расходуемой электроэнергии.
1/2
-2
Указанная цель достигается в заявляемой схеме контроля индукционных электросчетчиков, отличающейся тем, что в качестве нагрузки использован накопительный конденсатор, прерывающийся заряд которого при отрицательных полупериодах сетевого напряжения осуществлен от повышающего напряжение высокочастотного автотрансформатора с высоковольтным силовым диодом, при этом автотрансформатор подключен к электрической сети после исследуемого индукционного электросчетчика через последовательно включенные силовой транзистор и силовой диод, пропускающий ток только при действии отрицательных полупериодов сетевого напряжения, при этом коммутация тока заряда накопительного конденсатора силовым транзистором осуществляется подачей на его переход «база-эмиттер» периодической последовательности импульсных сигналов от генератора с настраиваемой частотой колебаний, например, в диапазоне 1…5 кГц, с усилителем мощности, а плавный во времени разряд накопительного конденсатора обратно в электрическую сеть в положительные полупериоды сетевого напряжения производится через включаемый в начале положительных полупериодов сетевого напряжения тиристор и последовательно с ним включенную катушку индуктивности, величина которой L согласуется с величиной емкости С накопительного конденсатора по формуле (L·С)≈10 с.
2
Достижение поставленной цели объясняется тем, что в отрицательные полупериоды сетевого напряжения за счет прерывания зарядного тока вращение диска индукционного электросчетчика замедляется, и может учитываться только порядка 25% расходуемой электроэнергии, а при плавном во времени разряде обратно в электрическую сеть накопленной энергии в накопительном конденсаторе электросчетчик учитывает все 100% энергии, накопленной в указанном конденсаторе, которая равна W=С·U/2, где U - напряжение, до которого заряжается накопительный конденсатор в каждом цикле его заряд-разряда. Выбором частоты прерываний тока заряда накопительного конденсатора можно по отношению к исследуемому электросчетчику установить оптимальное значение этой частоты прерываний, которая соответствует наибольшему расхождению учета электроэнергии при отрицательных и положительных полупериодах сетевого напряжения, то есть наихудшую погрешность учета электроэнергии.
MAX
ПОТР
ПОТР
opt
2
-3
Действие заявляемого технического решения понятно из рассмотрения его схемы на рис.1. Накопительный конденсатор С включен через высоковольтный силовой диод к выходу повышающего высокочастотного (на диапазон 1…5 кГц) автотрансформатора, первичная цепь которого подключена к зажимам сетевого напряжения (после исследуемого электросчетчика, не показанного на рисунке) через последовательно включенные силовой транзистор и силовой диод, пропускающий ток только во время действия отрицательных полупериодов сетевого напряжения. При этом на обкладке накопительного конденсатора С, связанной с катушкой индуктивности L, образуется положительный заряд, а величина напряжения U, до которого заряжается накопительный конденсатор, определяется коэффициентом автотрансформации k>1 при условии, что постоянная времени τ=r·С<<<<Т/ 4q, где r - сопротивление полной обмотки автотрансформатора постоянному току, Т - период сетевого напряжения, равный 20 мс при частоте сетевого напряжения F=1/Т=50 Гц, q - скважность следования импульсной последовательности, определяющей режим прерывания тока заряда накопительного конденсатора в первой четверти отрицательных полупериодов сетевого напряжения, обычно равная двум. Тогда произведение r С должно быть в 2…3 раза меньше величины 2,5 мс, чтобы напряжение заряда накопительного конденсатора U было максимальным и равным U=1,41·220·k>310 В. Следует отметить, что указанное выше неравенство необязательно должно соблюдаться, но при этом напряжение на накопительном конденсаторе будет соответственно снижаться, и заряд накопительного конденсатора будет продолжен в начальной части второй четверти отрицательных полупериодов сетевого напряжения. Так, если полагать, что r·С=0,8…1,3 мс, то при заданном значении сопротивления r можно найти предельное значение величины емкости С, при которой будет достигаться максимум напряжения U в накопительном конденсаторе. Например, при r=1 Ом наибольшая величина емкости C=800…1300 мкФ. Как понятно, величина емкости С накопительного конденсатора определяет его энергетику и соответственно мощность, потребляемую из сети Р=W F=С (220 k)F. Так, при С=1000 мкФ и k=2 для сети 50 Гц получим Р=10 193600·50=9680 Вт=9,68 кВт. Однако при оптимальном выборе частоты прерываний f (из диапазона 1…5 кГц) практически счетчиком будет учтено только около 25% энергии с кажущейся мощностью в нагрузке, равной 2,42 кВт.
1/2
-4
-3
При действии положительных полупериодов в их началах открывается силовой тиристор под действием отпирающего напряжения с выхода дополнительного низкочастотного трансформатора, подключенного к сети, и при этом накопленный электрический заряд с энергией W стекает обратно в электрическую сеть через включенную с ним катушку индуктивности L, роль которой сводится к обеспечению временного затягивания разряда накопительного конденсатора в течение всего положительного полупериода сетевого напряжения длительностью порядка 10 мс. Для этого должно соблюдаться условие (L·С)=10 мс. Так, для рассмотренного выше примера при С=1000 мкФ имеем для значения индуктивности L этой катушки (дросселя) L=10/10=0,l Гн. Поскольку разряд происходит плавно во времени, то счетчик учитывает все 100% энергии, поступающей обратно в сеть в положительные полупериоды сетевого напряжения, и направление тока через токовую обмотку счетчика противоположно тому, какое оно было бы при включении чисто активной нагрузки. Это приводит к реверсу вращающегося диска счетчика, то есть к отмотке его показаний с мощностью отмотки, равной 9,68 кВт для рассматриваемого примера.
ОТМ
ОТМ
Следовательно, использование данной схемы при указанных выше параметрах приводит к реверсу показаний электросчетчика с мощностью отмотки Р≈0,75, Р=0,75·9,58=7,26 кВт. За целые сутки это приведет к неконтролируемому расходу энергии, равному 24·7,26=174,2 кВт·час, а за месяц непрерывной работы данного устройства неучтенная электроэнергия составит 30,5·174,2=5314,3 кВт·час, что при коммерческой стоимости 5 р./кВт·час энергоснабжающая организация недополучит от потребителя около 26,6 тыс.руб. Именно в связи с такими потерями по оплате электроэнергии возникает задача разработки электросчетчиков, не чувствительных к высокочастотному прерыванию тока в нагрузке, для чего и следует разработчикам использовать заявляемое устройство в своей работе.
Укажем на использование элементной базы при построении достаточно мощного устройства описанного выше типа. В качестве силового транзистора можно использовать транзистор типа ТКД265-100-6-1 с рабочим током до 100А, силовой тиристор или симистор типа ТС-151-160 класса не ниже 8-го и силовые диоды типа ДЛ161-320.
В случае использования устройства рассмотренного выше типа применительно к трехфазной сети мощность отмотки при использовании трех одинаковых устройств становится равной около 29 кВт и соответствующая недоплата за электроэнергию в месяц может составить около 80 тыс.руб.
ПОТМ
2
-5
2
Рассмотрим вариант построения относительно маломощного устройства с использованием накопительного конденсатора емкостью C=50 мкФ при k=1,5. При этом Р=С (220 k) F=5·10·(220·1,5)·50=272, 25 Вт. Следовательно, при оптимальной частоте прерываний зарядного тока мощность, не учитываемая индукционным электросчетчиком, будет равна приблизительно 200 Вт, что за месяц непрерывной работы такого устройства составит неучтенную энергию в 144 кВт·час, и при абонентском тарифе в 3 р/кВт·час неоплаченная энергия составит около 430 рублей.
Для построения такого маломощного устройства могут быть использованы силовой транзистор типа КТ839А, КТ848А или КТ8114А с рабочим током до 10…15 А, тиристор типа Т112-16-11 и силовые диоды типа ДЛ-212-16. Накопительный конденсатор типа К-75 на 50 мкФ с рабочим напряжением 1 кВ. На указанных элементах можно построить схему с накопительным конденсатором 100 мкФ и повышением неучитываемого расхода за месяц порядка 300 кВт·час. Катушка L имеет индуктивность L=2 Гн (при С=50 мкФ).
Для питания перестраиваемого по частоте импульсного генератора, выполненного на однопереходном транзисторе типа КТ117, и усилителя мощности на транзисторе типа КТ 817А используется понижающий трансформатор, вторичная обмотка которого включена к выпрямителю с мостом Греца и фильтром на электролитическом конденсаторе К52-2 емкостью 470 мкФ с рабочим напряжением 25 В. Резисторы и конденсатор в генераторе на однопереходном транзисторе подбираются для генерирования импульсной последовательности в диапазоне 1…5 кГц с перестройкой частоты переменным резистором. Диоды в управляющих цепях силового транзистора и силового тиристора маломощные, низковольтные на ток порядка до 2 А (для маломощной схемы). В этих управляющих цепях также используются гридлики из параллельно соединенных низкоомного резистора и однополярного (электролитического) конденсатора. Резистор ограничивает ток управления, а конденсатор поддерживает отрицательный потенциал на управляющих электродах силового транзистора и силового тиристора для надежного запирания этих элементов во время пауз между импульсами управления. Постоянная времени гридлика силового транзистора должна быть порядка 1 мс, а гридлика силового тиристора - порядка 20 мс. Силовой транзистор работает в насыщенном режиме при малых тепловых потерях.
Высокочастотный автотрансформатор цепи заряда накопительного конденсатора может быть выполнен как на ферритовом сердечнике типа М2000НМ-1 необходимого типоразмера или (для мощных схем) на тороидальном сердечнике из тонкой ферромагнитной ленты с большой индукцией насыщения. Катушка индуктивности L (дроссель) может быть выполнена с применением железного сердечника.
O
O
РАЗР
ПОТР
РАЗР
MAX
РАЗР
Поскольку напряжение U на накопительном конденсаторе С существенно выше амплитудного значения сетевого напряжения (около 310 В), а в момент включения силового тиристора напряжение сети u(t)=Usin2πFt (где U=1,41·220 В) находится вблизи нуля (при t≈0), то прямое подключение силовым тиристором накопительного конденсатора в электрическую сеть, то есть без использования катушки индуктивности, привело бы к короткому импульсу разряда с огромным значением тока разряда, учитывая низкоомность сети, например, в 1…2 Ома. При напряжении U=600 В импульс разрядного тока составил бы порядка 300…600 А и был бы весьма коротким по его длительности, что, во-первых, могло бы привести к пробою силового тиристора, а, во-вторых, не привело бы к заметному реверсу вращения диска счетчика в силу весьма малой длительности импульса разряда (порядка нескольких мксек). Поэтому использование индуктивности в цепи разряда затягивает во времени разряд и ограничивает ток разряда по величине. Значение разрядного тока ориентировочно может быть найдено по формуле I≥Р/220. Среднее значение прерывистого зарядного тока больше величины I в q раз (например, в два раза). Однако поскольку импульсы зарядного тока в диапазоне 0≤t≤Т / 8 плавно возрастают от импульса к импульсу, а в диапазоне Т/8≤t≤Т / 4 плавно уменьшаются от импульса к импульсу по мере заряда накопительного конденсатора до напряжения U, то наибольшая амплитуда импульсов тока заряда I в момент времени t=Т/8 оказывается в (2…3) q раз большей значения разрядного тока I. Так, при разрядном токе 1,4 А импульс зарядного тока может доходить до величины 8 А. Это следует учитывать при выборе силового транзистора.
РАС
РАС
Для охлаждения силового транзистора и силового тиристора следует использовать радиаторы охлаждения, рассчитанные на величину теплоизлучения по их поверхности охлаждения S≥20 Р (кв.см / Вт), где Р - мощность рассеяния соответствующих приборов - силового транзистора и силового тиристора.
H
ОТМ
H
H
ОТМ
2
Методика оценки эффективности работы индукционных приборов учета электроэнергии может быть основана на одновременном подключении к электрической сети после исследуемого электросчетчика заявляемого устройства с оптимально выбранной частотой прерываний зарядного тока и переменной (регулируемой) активной нагрузкой. Величину этой активной нагрузки ее изменением выбирают до тех пор, пока не будет остановлен ход вращения диска счетчика. По величине сопротивления этой активной нагрузки R рассчитывают мощность Р=220/R. Так, при остановке вращения диска индукционного счетчика при подключении активной нагрузки с сопротивлением R=160 Ом имеем мощность Р≈300 Вт.
Литература
RU 2338217 С1, 10.11.2008 RU 2190859 С2, 10.10.2002.
RU 2181894 С1, 27.04.2002 RU 2178892 С2, 27.01.2002.
SU 1781628 А1, 15.12.1992 SU 1780022 А1, 07.12.1992.
SU 1422199 А1, 07.09.1988 US 7692421 В2, 06.04.2010
US 6362745 В1, 26.03.2002 ЕР 1065508 А2, 03.01.2001.