УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРКИ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ
DEVICE FOR TESTING OF INDUCTIVE ELECTRIC METERS

Заявляемое техническое решение создано с целью указания энергоснабжающим организациям о необходимости в полной замене парка индукционных приборов учета без стопора обратного хода вращающихся алюминиевых дисков типа СО-2М, до сих пор широко распространенных по стране, поскольку они допускают возможность хищения электроэнергии путем так называемой отмотки показаний реверсированием вращения диска.
MAX
Известно, что включение к сети конденсатора емкостью С не изменяет показаний электросчетчика активной энергии, поскольку при этом электроэнергия циркулирует в сети с двойной частотой. При этом в первую четверть периода сетевого напряжения такой конденсатор заряжается до амплитудного значения U (для сети 220 В значение амплитуды U=310 В), а во второй четверти периода отдает свой заряд обратно в сеть. В третьей четверти периода конденсатор перезаряжается до амплитудного значения U=-310 В, и в четвертой четверти снова разряжается полностью обратно в сеть. Ток заряда конденсатора в первой четверти периода (или перезаряда в третьей четверти периода) изменяется от нулевого значения при t=0 до максимального при t=Τ/8, где Τ - период колебаний сетевого напряжения, а затем к концу первой четверти периода при t=Τ/4 снова становится равным нулю. Это существенно отличает ток при заряде конденсатора до амплитудного значения U в конце первой четверти периода от тока в активной нагрузке, в которой ток, напротив, растет с ростом напряжения и максимален при t=Τ/4, и равен при этом I=U/R, где R - величина сопротивления активной нагрузки.
Электросчетчик подсчитывает энергию перемножением мгновенных значений тока и напряжения и интегрированием результата такого перемножения за какой-либо произвольный отрезок времени. Если считать энергию за первую четверть периода 0≤t≤Τ/4, расходуемую фактически для заряда конденсатора С и на нагревание резистора R одинаковой, то с учетом различия в изменении токов при заряде конденсатора С и при прохождении через резистор R в функции от изменяющегося по гармоническому закону напряжения сети можно показать, что электросчетчик по разному реагирует на эти нагрузки, занижая показания учитываемой им энергии за четверть периода при заряде конденсатора по сравнению со случаем подключения активной нагрузки, что явно видно из сравнения следующих интегралов
2
2
Следовательно, при одной и той же потребленной фактически энергии за четверть периода отсчет ее оказывается различным: электросчетчик занижает показания расходуемой энергии при подключении конденсатора в 0,785/0,667=1.18 раз, когда СU/2=ΤU/8R, то есть обеспечивается равенство потребленных энергий в С и R.
Автором предложены различные варианты исполнения устройств, с помощью которых возможно нарушение правильного учета электроэнергии в индукционных счетчиках [1-8], которые предназначены для поверки счетчиков в процессе их разработки, обеспечивающей нечувствительность к высокочастотному прерыванию тока, проходящего через токовую обмотку счетчика.
Ближайшим известным техническим решением нарушения правильного учета электроэнергии можно считать мостовое устройство для проверки электросчетчиков активной энергии, рассмотренное в [2], и содержащее коммутирующие ток заряда конденсаторов транзисторы, управляемые от модулируемого генератора высокочастотных импульсов, отличающееся тем, что оно выполнено по мостовой схеме, первая и вторая ветви которой, параллельно подключенные к электросети, включают последовательно установленные и двунаправленный транзисторный коммутатор из двух однотипных параллельно-встречно соединенных транзисторов, причем первая ветвь мостовой схемы подключена к фазному проводнику сети двунаправленным транзисторным коммутатором, а вторая ветвь - конденсатором, в а диагональ мостовой схемы включен управляемый симистор (двунаправленный тиристор), управление работой четырех транзисторов и симистором осуществлено от блока управления, синхронизируемого сетевым напряжением. При этом самым сложным узлом такой схемы является блок управления силовыми транзисторами и симистором.
Целью изобретения является упрощение устройства, выполненного по мостовой схеме без высокочастотного дробления тока заряда накопительных конденсаторов.
Данная цель достигается в устройстве поверки индукционных электросчетчиков, выполненном по мостовой схеме и содержащем подключенные параллельно после прибора учета электроэнергии к фазному и нулевому проводникам первую и вторую одинаковые цепи с последовательно соединенными накопительным конденсатором и силовым транзистором, причем в первой цепи к фазному проводнику подключен накопительный конденсатор, а во второй цепи к фазному проводнику подключен силовой транзистор, между средними точками обеих цепей включен тиристор (или симистор), отличающемся тем, что последовательно тиристору включен дроссель, индуктивность которого вместе с последовательно включаемыми при открытом тиристоре накопительными конденсаторами указанных цепей образует последовательный резонансный контур, настроенный на двойную частоту сети, причем силовые транзисторы первой и второй цепей открываются в первой четверти каждого периода сетевого напряжения и закрываются в остальной части периода, а тиристор открывается в конце первой четверти каждого периода с помощью блока управления силовыми транзисторами и тиристором.
Блок управления силовыми транзисторами и тиристором включает два компаратора, первый из которых соединен с сетью через регулируемый делитель напряжения непосредственно, а второй через дополнительную фазосдвигающую цепь на π/2 с регулируемым делителем напряжения, выходы обеих компараторов подключены к схеме совпадений, выход которой в цепи управления тиристором соединен с последовательно установленными инвертором, дифференцирующей цепочкой и усилителем с трансформаторным выходом, а в цепи управления силовыми транзисторами соединен с усилителем с трансформаторным выходом, имеющим две раздельные вторичные обмотки, соединяемые с переходами «база-эмиттер» силовых транзисторов через гридлики из параллельно включенных ограничивающего резистора и конденсатора с постоянной времени, превышающей период сетевого напряжения.
Упрощение устройства связано с реорганизацией блока управления силовыми транзисторами путем исключения цепей для высокочастотного дробления тока заряда накопительных конденсаторов и применением дросселя. Это стало возможным в связи с тем, что максимумы мгновенной мощности при заряде меньше максимума мгновенной мощности при разряде накопительных конденсаторов.
При этом возникает отмотка показаний электросчетчика несмотря на то, что энергия заряда и разряда накопительных конденсаторов является одинаковой аналогично тому, как это следует по аналогии из выражений (1) и (2).
Принципиальная схема устройства приведена на рис. 1, схема блока управления силовыми транзисторами и тиристором указана на рис. 2, поясняемая графиками на рис. 3.
Заявляемое устройство (рис. 1), подключаемое после поверяемого электросчетчика, состоит из следующих элементов:
1 - первого накопительного конденсатора емкостью С,
2 - первого силового транзистора n-p-n-типа,
3 - второго силового транзистора n-p-n-типа,
4 - второй накопительный конденсатор емкостью С,
5 - тиристора,
6 - дросселя индуктивностью L,
7 - блока управления силовыми транзисторами и тиристором.
Блок управления 7 включает:
8 - первый регулируемый делитель переменного напряжения сети,
9 - промежуточный делитель напряжения,
10 - фазосдвигающую цепь на π/2,
11 - второй регулируемый делитель сдвинутого по фазе переменного напряжения,
12 - первый компаратор,
13 - второй компаратор,
14 - схему совпадений,
15 - инвертор на микросхеме «И-Не»,
16 - дифференцирующую цепь,
17 - усилитель положительных импульсов,
18 - трансформатор цепи управления тиристором,
19 - ограничивающие сопротивления,
20 - импульсный усилитель цепи управления силовыми транзисторами,
21 - трансформатор с двумя раздельными вторичными обмотками,
22 - конденсаторы гридлика.
На рис. 3 представлены графики переменного напряжения сети (действующего в катушке напряжения счетчика, не рассматривая его изменение при разряде накопительных конденсаторов), тока заряда накопительных конденсаторов в первой четверти каждого периода Τ сетевого напряжения и их разряда во второй четверти каждого периода (протекающий в токовой катушке счетчика), а также импульсов, открывающих тиристор.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
Как нетрудно понять, на выходах первого 12 и второго 13 компараторов образуются последовательности прямоугольных импульсов типа «меандра», сдвинутых во времени на четверть периода синусоидального напряжения сети, так что на выходе схемы совпадений 14 возникают прямоугольные импульсы положительной полярности, привязанные по времени к промежутку от 0 до Τ/4 в каждом из последовательности периодов сетевого напряжения. После инвертирования этих импульсов в 15 и их дифференцирования в 16, а также усиления положительных дифференцирующих импульсов в 17 на вторичной обмотке трансформатора 18 образуются импульсы, запускающие открытие тиристора 5 по окончании первой четверти каждого из периодов сетевого напряжения. Импульсы с выхода схемы совпадений 14 также поступают на вход импульсного усилителя 20, с двух раздельных обмоток трансформатора 21 которого снимаются импульсные сигналы, открывающие силовые транзисторы 2 и 3 в первой четверти каждого из периодов сетевого напряжения. Особо отметим, что открытие тиристора 5 возникает только после полного закрытия силовых транзисторов 2 и 3 в конце первой четверти каждого периода сетевого напряжения, чтобы избежать саморазряда накопительных конденсаторов 1 и 4 через силовые транзисторы 2 и 3, а направить ток разряда обратно в сеть. Ограничивающие резисторы 19 снижают ток управления тиристором и силовыми транзисторами до допустимой величины, а конденсаторы 22 гридликов в цепях управления силовыми транзисторами поддерживают необходимый уровень отрицательного напряжения на базах транзисторов для их надежного запирания в промежутках времени Τ/4≤t≤Т. При этом включение тиристора 5 осуществляется при t=Δt+Τ/4, где Δt<<Τ/4, например, Δt=0,1 мс при Τ=0,02 с.
1/2
1/2
Максимум тока одновременного заряда накопительных конденсаторов 1 и 4 достигается в моменты времени t=Τ/8, когда напряжение сети равно U/2=220 В, а максимум тока разряда последовательно включенных накопительных конденсаторов 1 и 4 с их общим напряжением, равным 2 U=620 В, достигается при t=Τ/4, когда напряжение сети равно амплитудному значению U=310 В, и при этом ток разряда протекает в обратном направлении через токовую обмотку счетчика. Наибольшее значение тока разряда ограничивается применением в разрядной цепи дросселя с индуктивностью L, в результате чего образуется последовательный контур LС/2. Индуктивность дросселя подбирает так, чтобы выполнялось равенство (LС/2)=Τ/16π, при котором основная часть энергии разряда сосредоточена в первой половине второй четверти каждого из периодов сетевого напряжения, для которой напряжение сети изменяется от 310 В до 220 В. Более того, напряжение в обмотке напряжения счетчика при разряде накопительных конденсаторов дополнительно возрастает из-за того, что напряжение разряжаемых и последовательно включенных конденсаторов равно 620 В в начале разряда, учитывая конечное сопротивление линии электропередачи до счетчика, хотя в самой сети - в месте установки счетчика - это напряжение снижается за счет затягивающего разряд действия дросселя 6. Указанные процессы заряда и разряда накопительных конденсаторов приводят к отмотке показаний счетчика, вместо того, чтобы показания последнего не изменялись, как это имеет место при подключении к сети одного только конденсатора.
Использование однополупериодной схемы позволяет в качестве накопительных использовать конденсаторы электролитического типа как более энергоемкие при заданных габаритах.
Более подробный численный анализ эффективности такой отмотки требует учета сопротивления линии электропередачи и внутреннего сопротивления трансформаторной подстанции, передающей электроэнергию в линию электропередачи до регистрирующего счетчика.
Интересно отметить, что такое же действие данная схема будет оказывать и на электросчетчики других типов, в которых применяется процедура перемножения мгновенных значений напряжения и тока в перемножающем элементе и последующее интегрирование результатов такого перемножения. Отмотки не происходит в счетчиках со стопором обратного хода или цифровых счетчиках, исключающих обратный ход в механизме цифрового отсчета энергии. Однако при одновременном включении в сеть какого-либо потребителя электроэнергии и данного устройства учет электроэнергии будет занижен на величину кажущейся отмотки.
Это приводит к необходимости разработки электросчетчиков активной энергии, которые были бы не чувствительны к воздействию на них подобного рода схем отмотки.
Литература
1. Меньших О.Ф., Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков, Патент №2474825, Опубл. в бюлл. №4 от 10.02.2013;
2. Меньших О.Ф., Мостовое устройство для проверки электросчетчиков активной энергии индукционного типа, Патент №2522706, опубл. в №20 от 20.07.2014;
3. Меньших О.Ф., Способ компенсации потерь в конце длинной линии электропередачи, Патент №2512706, опубл. в №10 от 10.04.2014;
4. Меньших О.Ф., Устройство вольт-добавки электросети, Патент №2517203, опубл. в №15 от 27.05.2014;
5. Меньших О.Ф., Устройство для контроля электросчетчиков, Патент №2521782, опубл. в №19 от 10.07.2014;
6. Меньших О.Ф., Вольтдобавочное устройство для трехфазной линии электропередачи, Патент №2515049, опубл. в №13 от 10.05.2014;
7. Меньших О.Ф., Система стабилизации напряжения на протяженной линии электропередачи, Патент №0252311, опубл. в №17 от 20.06.2014;
8. Меньших О.Ф., Устройство для исследования работы индукционных электросчетчиков, Патент №2523109, опубл. в №20 от 20.07.2014.