ПРИБОР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКОВ
DEVICE TO CONTROL ELECTRIC METERS

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке новых приборов учета электроэнергии, нечувствительных к действию различного рода электронных устройств хищения электроэнергии. Кроме того, оно может быть использовано в целях повышения напряжения в конечных зонах протяженных линий электропередачи с достаточно большой энергетической нагруженностью, преимущественно к сельской местности и садоводческим товариществам. Известно, что хищение электроэнергии различными способами в крупных масштабах стали угрожающими для экономики государства, а борьба с неконтролируемым расходом электроэнергии сводится практически к росту тарифов на электроэнергию, то есть к нейтрализации коммерческих потерь, исчисляемых сотнями миллиардов рублей ежегодно.
Одним из способов хищения является инвертирование фазы тока относительно фазы действующего напряжения в подводящих проводниках электросети, что соответствует обратному отсчету электроэнергии приборами ее учета, что определяет необходимость в разработке таких приборов учета, которые были бы нечувствительны к подобному инвертированию фазы тока.
Другим широко распространенным способом хищения электроэнергии является использование прерывания тока нагрузки с повышенной частотой по сравнению с частотой сети (порядка 1…5 кГц), на которую рассчитаны существующие приборы учета индукционного типа. Так, если в первой и третьей четвертях периода переменного напряжения сети заряжать подключенный к ней накопительный конденсатор с прерыванием зарядного тока с достаточно высокой частотой, а во второй и четвертой четвертях периода эти прерывания прекратить, обеспечив плавный разряд накопленной в конденсаторе энергии обратно в сеть, то такие электросчетчики индукционного типа с вращающимися дисками (типа СО-2М, СО-И646М и другие) будут уменьшать свои текущие показания при реверсе вращающегося диска, а цифровые счетчики (типа СЕ-200 и подобные) с индукционными перемножителями тока на напряжение не будут учитывать энергию параллельно подключенной к сети активной нагрузки, если эта энергия не больше той, которая определяет уменьшение показаний в индукционных электросчетчиках с вращающимися дисками. При этом прямой прерывистый ток заряда конденсатора в индукционных приборах учета электроэнергии учитывается в значительно меньших объемах, чем обратный непрерываемый ток разряда этого конденсатора.
Оба этих указанных способа не связаны с какими-либо вмешательствами пользователя электроэнергией в правильное подключение и опломбирование приборов учета, и соответствующие устройства просто включаются пользователем в электрическую розетку на его территории (в доме, квартире и др.), что практически исключает возможности контроля манипуляций, связанных с хищением электроэнергии.
По мере совершенствования приборов учета активной электроэнергии известные приборы противодействия правильному учету потребленной электроэнергии становятся менее эффективными для обеспечения проверки вновь разрабатываемых электросчетчиков, что относится к недостаткам таких контролирующих приборов.
Аналогов заявляемого технического решения (прототипа) в технической литературе автором не найдено.
Указанные недостатки - снижение эффективности устройств контроля правильности учета электроэнергии устранены в заявляемом техническом решении.
Целями изобретения являются возможность выбраковки приборов учета электроэнергии, допускающих обратный отсчет электроэнергии при подключении заявляемого устройства к сети после расчетного счетчика, а также возможность его применения в качестве устройства вольт-добавки электросети с пониженным напряжением из-за потерь в конце нагруженной линии электропередачи достаточно большой протяженности.
Указанные цели достигаются в заявляемом устройстве для контроля электросчетчиков, включающем параллельно подключенные к проводникам сети две параллельно соединенные к проводникам электрической сети мостовые схемы с разным направлением проводимости соответственно для положительных и отрицательных полупериодов переменного напряжения электросети, каждая из которых включает по две цепи из последовательно соединенных накопительного конденсатора и силового тиристора, тиристоры этих цепей обеспечивают заряд накопительных конденсаторов соответственно в первой и третьей четвертях периодов переменного напряжения, причем свободные выводы конденсаторов первой и второй ветви каждой мостовой схемы включены соответственно к фазному и нулевому проводникам электросети, в диагоналях первой и второй мостовых схем включены коммутирующие силовые тиристоры, обеспечивающие последовательное включение накопительных конденсаторов двух ветвей каждой из мостовых схем к проводникам электросети во второй и четвертой четвертях периодов переменного напряжения соответственно для первой и второй мостовых схем, а управление включением тиристоров по заданному алгоритму осуществлено блоком управления тиристорами.
Входящий в состав заявляемого устройства блок управления тиристорами состоит из двух цепей формирования импульсов, совмещенных по времени с началами всех четырех четвертей периодов переменного напряжения электросети, входом подключенные к фазному проводнику последней, каждая из этих цепей состоит из последовательно соединенных регулируемого делителя напряжения, компаратора с прямым и инверсным выходами и четырех схем совпадения, к входам первой схемы совпадения подключены прямой выход компаратора первой цепи и инверсный выход компаратора второй цепи, к входам второй схемы совпадения подключены прямые выходы обоих компараторов, к входам третьей схемы совпадения подключены прямой выход компаратора второй цепи и инверсный выход компаратора первой цепи, а к входам четвертой схемы совпадения подключены инверсные выходы компараторов обеих цепей, кроме того, вторая цепь включает регулируемую фазосдвигающую цепь для получения сдвига фазы фазного напряжения электросети на 90°; выходы всех четырех схем совпадения через формирователи импульсов с трансформаторными связями соединены с соответствующими тиристорами двух мостовых схем, при этом первый формирователь импульсов открывает пару тиристоров первой мостовой схемы в начале первой четверти периодов переменного напряжения сети, обеспечивая заряд накопительных конденсаторов первой мостовой схемы, выход второго формирователя импульсов открывает диагональный коммутирующий силовой тиристор первой мостовой схемы в начале второй четверти периодов, выход третьего формирователя импульсов открывает пару тиристоров второй мостовой схемы в начале третьей четверти периодов, а выход четвертого формирователя импульсов открывает диагональный коммутирующий силовой тиристор второй мостовой схемы в начале четвертой четверти периодов, кроме того, формирователи импульсов запуска тиристоров обеспечивают небольшую задержку генерируемых импульсов (порядка 0,1 мс) относительно фаз переменного напряжения сети 0°, 90°, 180° и 270°.
Достижение указанных целей объясняется запасанием электроэнергии в реактивных элементах - накопительных конденсаторах мостовых схем при их параллельном попарном заряде соответственно в первой и третьей четвертях периода переменного напряжения электросети и их разряде во второй и четвертой четвертях периода при последовательном включении заряженных конденсаторов с удвоенным амплитудным напряжением обратно в электросеть, в том числе к нагрузкам абонента, и при этом электросчетчик абонента неполностью учитывает потребляемую энергию в зависимости от величины емкости накопительных конденсаторов. При этом первая мостовая схема работает в первом полупериоде сетевого напряжения, а вторая - во втором полупериоде. Использование двух мостовых схем, вместо одной (что принципиально возможно), позволяет использовать малогабаритные электролитические униполярные конденсаторы, вместо более громоздких биполярных металлобумажных или пленочных импульсных конденсаторов, допускающих их перезаряд в одномостовой схеме с заменой диагонального коммутирующего силового тиристора симистором, пропускающим электрический ток при их включении в обоих направлениях,
Заявляемое устройство понятно из представленных рисунков и временных диаграмм. На рис.1 представлена полная схема заявляемого устройства, на рис.2 даны временные диаграммы сигналов в различных участках схемы, на рис.3 показаны эпюры напряжения и тока в фазном проводнике электросети за один период переменного напряжения. На рис.4 приведена электрическая схема формирователя импульсов запуска тиристоров, входом связанная с соответствующим выходом одной из четырех схем совпадения. На рис.5 представлена временная диаграмма формирования импульсов запуска тиристоров, обеспечивающая их временную задержку относительно начал четырех четвертей периодов переменного напряжения.
Схема устройства (рис.1 и рис.4) включает следующие элементы и узлы:
1 и 2 - накопительные конденсаторы первой мостовой схемы,
3 и 4 - тиристоры, открываемые только в первой четверти периода напряжения сети,
5 - диагональный силовой коммутирующий тиристор первой мостовой схемы, открываемый во второй четверти периода,
6 и 7 - накопительные конденсаторы второй мостовой схемы,
8 и 9 - тиристоры, открываемые только в третьей четверти периода напряжения сети,
10 - диагональный силовой коммутирующий тиристор второй мостовой схемы, открываемый в четвертой четверти периода,
11 - первый трансформатор управления тиристорами 3 и 4,
12 - второй трансформатор управления тиристором 5,
13 - третий трансформатор управления тиристорами 8 и 9,
14 - четвертый трансформатор управления тиристором 10,
Все трансформаторы 11-14 выполнены на ферритовых сердечниках.
И
15 - формирователь импульсов запуска тиристоров, указанный на рис.4 (на рис.1 обозначен звездочкой) с длительностью τ,
16 - выходной силовой транзистор,
17 - первый компаратор формирования логического сигнала А (от сети),
18 - второй компаратор формирования сдвинутого по фазе на 90° сигнала В,
19 - четыре логических элемента «2И-НЕ»,
20 - шесть логических элементов «НЕ»,
21 - вторичный источник питания (ВИН) с выходными напряжениями +5 В 0,2 А для питания логических микросхем, - 6 В 50 мА для питания компараторов и +15 В 1,5 А для питания усилителей мощности генерируемых импульсов запуска всех тиристоров,
22, 23, 25 и 26 - логические элементы «2И-НЕ»,
сдв.
И
24 и 27 - n-p-n транзисторы соответственно в генераторах импульсов временного сдвига на Δt и формирования импульсов запуска тиристоров τ,
28 - импульсный усилитель на микросхеме со стандартной схемой его включения.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
O
O
В начале первой четверти периодов сетевого напряжения открываются сформированными импульсами в блоке управления тиристоры 3 и 4, и заряжаются до амплитуды U накопительные конденсаторы 1 и 2 первой мостовой схемы. К концу первой четверти периодов эти емкости полностью заряжаются, и зарядный ток через них снижается до малой величины, при которой тиристоры 3 и 4 автоматически закрываются за счет присущих им физических свойств. Через некоторый небольшой промежуток времени с блока управления поступает запускающий импульс, которым открывается диагональный силовой коммутирующий тиристор 5 первой мостовой схемы, который соединяет последовательно заряженные накопительные конденсаторы 1 и 2 при закрытых всех других тиристорах схемы, и к проводникам сети прикладывается напряжение с амплитудой 2U, в результате чего происходит разряд этих конденсаторов обратно в сеть (инвертирование фазы тока). Это происходит в первой положительной полуволне переменного напряжения сети.
В начале третьей четверти периодов открываются тиристоры 8 и 9 второй мостовой схемы, что приводит к заряду накопительных конденсаторов 6 и 7, и к концу третьей четверти периодов тиристоры 8 и 9 автоматически закрываются. Через небольшой промежуток времени запускающим импульсом с блока формирования открывается диагональный силовой коммутирующий тиристор 10 при закрытых всех остальных тиристорах, и при этом последовательно соединенные заряженные накопительные конденсаторы разряжаются обратно в сеть в противоположном направлении - для отрицательной полуволны переменного напряжения сети. В дальнейшем процесс заряд-разряда накопительных конденсаторов двух мостовых схем повторяется.
O
O
2
Прим работе данного устройства происходит некоторое повышение напряжения сети в месте установки устройства на некоторую амплитудную величину ΔU, как это видно из рис.3а, а искажение формы напряжения и тока в сети несущественно для работы осветительных, нагревательных и других бытовых приборов абонента, использующего данное устройство. При его работе происходит неправильный учет электроэнергии расчетным счетчиком с величиной неучитываемой мощности, равной ΔР=0,5 С U  F, где С - емкость накопительных конденсаторов (одинаковых), U - амплитуда сетевого напряжения (порядка 300 В при действующем напряжении 220 В для однофазной сети), F - частота сетевого напряжения (50 Гц). Это обстоятельство определяет необходимость разработки электросчетчиков, нечувствительных к обратному току разряда накопительных конденсаторов в сеть, при котором фазы напряжения и тока в ней имеют РАЗНЫЕ знаки, а двойное амплитудное напряжение и импульсный ток в начале разряда накопительных конденсаторов максимальны, как это видно на рис.3а и 3б.
И
сдв.
<mover accent="true"><mi>A</mi><mo>¯</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>B</mi><mo>¯</mo></mover>
Для формирования коротких запускающих тиристоры импульсов длительностью τ=0,3…0.5 мс в начале каждой четверти периодов сетевого напряжения (рис.2а) с небольшой задержкой Δt от фаз 0°, 90°, 180° и 270° (порядка 50…100 мкс) необходимо синхронизировать работу блока формирования с сетевым напряжением и получить сдвинутое по фазе на 90° переменное напряжение (рис.2б), что достигается с помощью двухзвенной фазосдвигающей RC-цепи с регулируемой в одной из этих цепей фазой на ±5° (регулятором «Фаза»). С помощью двух переменных резисторов (регуляторы «Уровни») устанавливают требуемые уровни переменных напряжений, подаваемых на компараторы 17 и 18, на выходах которых образуются логические сигналы уровней ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики) в форме меандровых прямоугольных импульсов с периодом Т=20 мс, обозначаемые как сигналы А и В (рис.2в, рис.2 г). Эти сигналы дополнительно инвертируются с помощью двух инверторов микросхемы «б НЕ» 20, и эти инвертированные логические сигналы обозначаются как
и
(показаны на рис.2д и рис.2е).
В дальнейшем в схеме реализованы четыре идентичных по конструкции канала, каждый для соответствующей четверти периодов сетевого напряжения. Каждый из этих каналов содержит одну схему совпадения в составе микросхемы «Четыре элемента 2Н-НЕ» 19, инвертор из состава микросхемы 20, формирователь импульсов запуска соответствующих тиристоров 15 (на рис.1 он отмечен звездочкой), выходной силовой транзистор 16, связанный с соответствующим выходным трансформатором 11 (12, 13 или 14), выходные обмотки которого подключены к соответствующим управляющим переходам тиристоров 3 и 4 (5, 8 и 9, или 10). Питание микросхем, компараторов и усилителей осуществляется от вторичного источника питания (ВИП) 21.
<mrow><mi>A</mi><mo>*</mo><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>A</mi><mo>¯</mo></mover><mo>*</mo><mi>B</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>A</mi><mo>¯</mo></mover><mo>*</mo><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>¯</mo></mover></mrow>
сдв.
И
сдв.
сдв.
ЗАР
ЗАР
ЗАР
-4
-4
2
2
-3
Четыре канальных схемы совпадения 19 формируют импульсные последовательности длительностью 5 мс с частотой повторения 50 Гц, образующиеся от логических операций
(рис.2ж), А*В (рис.2з),
(рис.2и), и
(рис.2к) с их двойным инвертированием (в микросхемах 19 и 20). Из этих импульсных последовательностей формируются сдвинутые во времени на Δt=50…100 мкс импульсы запуска тиристоров длительностью τ=0,3…0,5 мс (рис.2 л, рис.2 м, рис.2н и рис.2о) в импульсном формирователе 15, схема которого представлена на рис.4. Эта схема состоит из последовательно связанных формирователя коротких (длительностью 10…20 мкс) фронтальных импульсов 1 на микросхеме «»И-НЕ» 22 с затягивающим конденсатором, формирователя импульсов сдвига Δt на микросхеме «2И-НЕ» 23 с интегрирующей RC-цепочкой и транзистором 24 (генератором импульсов сдвига), второго формирователя фронтальных импульсов 2 на микросхеме «2И-НЕ» 25 с затягивающим конденсатором, формирователя запускающих тиристоры импульсов (длительностью 0,3…0,5 мс) на микросхеме «2И-НЕ» 26 с интегрирующей RC-цепочкой и транзисторе 27 и импульсного усилителя на микросхеме усилителя низкой частоты 28. Временные диаграммы формирования запускающих импульсов показаны на рис.5. Время сдвига Δt складывается из суммы длительностей фронтальных импульсов 1 и 2 и генерируемого импульса в формирователе импульсов сдвига. Указанный временной сдвиг необходим для обеспечения надежного запуска тиристоров той или иной группы, при полностью закрытых тиристорах других групп. Величина этой задержки определяется типом применяемых тиристоров, характеризующихся предельными временными параметрами по их открыванию и запиранию. Кроме того, эта задержка необходима при большой величине постоянной времени цепи заряда накопительных конденсаторов τ=2rС, где r - сопротивление линии электропередачи (обычно имеет порядок не более 1 Ом для линий протяженностью порядка 1 км). Так при емкости С=200 мкФ имеем τ=2rС=4·10с=0,4 мс<<Т/4=5 мс, и при этом ΔР=0,5·2·10·300·50=450 Вт (при напряжении сети 220 В). Однако, если получить ДР=10 кВт при междуфазном напряжении 380 В потребуется емкость С=2ΔР/50·380=0,00277 Ф=2770 мкФ. При этом постоянная времени τ=2rС=2·2,77·10=5,54 мс, то есть сравнима и даже чуть больше) с длительностью четверти периода сетевого напряжения (5 мс). Это означает, что применение такого мощного устройства возможно только в достаточно небольшой удаленности от трансформаторной подстанции ТП, при которой величина сопротивления r значительно меньше вышеуказанной. Например, в непосредственной близости от ТП величина этого сопротивления составляет единицы одного миллиОма, что позволяет применить данное устройство при большой мощности ДР.
O
0
Дальнейшее повышение эффективности действия заявляемого устройства связано с введением прерывания зарядного тока накопительных конденсаторов с частотой 1…5 кГц. При разряде энергии накопительных конденсаторов обратно в сеть форма напряжения в ней во второй и четвертой четвертях периода существенно изменяется наличием выброса с удвоенной амплитудой 2U, как это видно из эпюры 3а, вследствие чего среднее значение напряжения на конце линии электропередачи возрастает на некоторую достаточно сложно вычисляемую величину ΔU<<U, при рассмотрении мгновенного значения зарядного тока i(t) в фазном проводнике во временных интервалах 0≤t≤Т/4 (и Т/2≤t≤3T/4) по каждому из периодов синусоидального напряжения сети, величину которого можно найти вычислением интегрального уравнения (для зарядного тока в первой четверти периода) вида:
<mrow><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo stretchy="false">[</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub><mo>/</mo><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>r</mi><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><mrow><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mo stretchy="false">]</mo><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">[</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mi>t</mi><mo>/</mo><mi>r</mi><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
,
O
где U - амплитуда напряжения однофазной сети;
Н
r - сопротивление линии при условии, что r<<R - сопротивление нагрузки линии.
Это способствует увеличению качества поставляемой электроэнергии абонентам, находящимся на значительном удалении от ТП при нагруженности линии электропередачи.
Заявляемое устройство найдет широкое применение среди населения, особенно в сельских местностях и садоводческих товариществах, где нередко можно фиксировать значительное снижение напряжения электросети для удаленных от ТП пользователей, при условии снабжения этого устройства приспособлением известной конструкции, исключающим хищение электроэнергии действием обратного тока через прибор ее учета.
Литература
1. Меньших О.Ф. Устройство для проверки чувствительности электронного электросчетчика с двумя токовыми цепями с активной нагрузкой и реактивной компенсацией, Патент №2338217, опубл. №31 от 10.11.2008.
2. Меньших О.Ф. Способ проверки работоспособности электронного счетчика электроэнергии с двумя токовыми измерительными цепями и схема его осуществления, Патент №2344428, опубл. №02 от 20.01.2009.
3. Меньших О.Ф. Устройство проверки электросчетчиков активной энергии, Патент РФ №2456623, опубл. в бюлл. №20 от 20.07.2012.
Данные патентного поиска
RU 2338217 С1, 10.11.2008. RU 2190859 С2, 10.10.2002. RU 2181894 C1, 27.04.2002. RU 2178892 С2, 27.01.2002. SU 1781628 A1, 15.12.1992. SU 1780022 A1, 07.12.1992. SU 1422199 A1, 07.09.1988. US 7692421 B2, 06.04.2010. US 6362745 B1, 26.03.2002. EP 1065508 A2, 03.01.2001.