ОДНОПОЛУПЕРИОДНАЯ СХЕМА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКОВ НА ОТБОР ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
HALF-WAVE SCHEME FOR TESTING ELECTRICITY METERS FOR SELECTION OF ELECTRIC POWER

Изобретение относится к области измерительной электротехники и может быть использовано для оценки пригодности вновь разрабатываемых электросчетчиков от неконтролируемого отбора электроэнергии (отмотки) из энергетических электросетей.
Известны устройства для проверки электросчетчиков [1-6].
Ближайшим аналогом заявляемому техническому решению (прототипом) является «Устройство для поверки индукционных приборов учета электроэнергии», по Патенту РФ №2521307, опубл. в №18 от 27.06.14 [5], содержащее накопительные конденсаторы, заряжаемые прерывистым током на повышенной частоте прерываний и плавно разряжаемых обратно в сеть, а также транзисторные цепи прерывания тока и коммутации плавного разряда накопительных конденсаторов, отличающееся тем, что включает две параллельно подключенные к сети после поверяемого электросчетчика цепи из последовательно соединенных накопительного конденсатора и двунаправленного транзисторного коммутатора, образующие мостовую схему так, что накопительный конденсатор первой цепи подключен к фазному проводнику сети, а конденсатор второй цепи подключен к нулевому проводнику сети, а в диагонали этой мостовой схемы включены последовательно соединенные симистор и катушка индуктивности, причем транзисторы двунаправленных транзисторных коммутаторов указанных цепей и симистор подключены к соответствующим выходам блока управления транзисторами и симистором, синхронизация работы которого осуществляется от сети.
Недостатком известного устройства является сложность его блока управления транзисторами и симистором. Этот недостаток устранен в заявляемом устройстве.
Целью изобретения является упрощение устройства.
Указанная цель достигается в заявляемой однополупериодной схеме для испытания электросчетчиков на отбор электроэнергии, содержащая мостовое устройство из двух параллельно подключенных к сети цепей с одинаковыми накопительными конденсаторами, включаемых последовательно тиристором, установленным в диагонали мостовой схемы, и блок управления включением тиристора, отличающейся тем, что указанные ветви мостовой схемы включают последовательно соединенные вместе с накопительными конденсаторами дроссели и диоды зарядных цепей, а тиристор в диагонали мостовой схемы включает накопительные конденсаторы последовательно к сети, управление включением тиристора происходит после их заряда в положительном полупериоде напряжения сети в отрицательном полупериоде вблизи точки перехода переменного напряжения через нулевой уровень, для чего используется трансформатор, первичная обмотка которого через ограничивающий резистор подключена к сети, а его вторичная обмотка подключена к переходу «управляющий электрод - катод» тиристора через последовательно соединенные диод и дополнительный резистор.
Достижение цели изобретения объясняется существенным снижением количества оборудования при реализации устройства. Замена симистора лавинным тиристором позволяет увеличить импульс тока при разряде и увеличить емкость накопительных конденсаторов по сравнению с двухполупериодной схемой, как в прототипе.
O
На рис. 1 дана принципиальная схема заявляемого устройства. На рис. 2 приведен график изменения напряжения на накопительном конденсаторе в течение периода напряжения сети с амплитудой U. На рис. 3 показан процесс заряда накопительного конденсатора в течение первой четверти положительной полуволны сетевого напряжения, а также импульс тока разряда двух накопительных конденсаторов, включаемых при разряде последовательно открытым тиристором. Видно, что ток разряда и напряжение имеют разные знаки, что и определяет отмотку показаний электросчетчика.
1
2
1
3
2
Устройство состоит из двух субблоков - мостовой схемы 1 и блока управления тиристором 2. Мостовая схема включает две ветви, в каждой из которых имеются последовательно соединенные дроссель с индуктивностью L, силовой диод D (D) и накопительный конденсатор емкостью C, одни электроды которых включены к сети, а другие - к последовательно соединенным дросселю и силовому диоду, а также соответственно к аноду и катоду тиристора. Блок управления тиристором 2 содержит трансформатор Тр, первичная обмотка которого через ограничивающий резистор R подключена к сети, а вторичная - к переходу «управляющий электрод - катод» тиристора Т через последовательно соединенные диод D и дополнительный резистор R.
Рассмотрим работу схемы.
O
O
ДР
ДР
*
ДР
ДР
-3
1/2
2
1/2
В первую четверть положительной полуволны сетевого напряжения происходит параллельно заряд двух накопительных конденсаторов до амплитудного напряжения U сети и сохраняется в течение второй четверти положительной полуволны, как это видно на рис. 2. Зарядный ток достигает максимума в момент времени Т/8, где T - период переменного напряжения (T=0,02 с), после чего снижается до нуля в момент времени Т/4. Для того чтобы к концу заряда напряжение на накопительных конденсаторах достигло величины U, необходимо, чтобы активное сопротивление R было на порядок меньше величины T/4С. Например, при С=100 мкФ величина R≤T/40C=0,02/410=5 Ом. Индуктивность L дросселя выбирается из условия T=2π(LC), из которого находится величина L=(T/2π)/C=0,1 Гн =100 мГн. Волновое сопротивление последовательного LC - контура ρ=(L/C)=31,6 Ом >> R=5 Ом, что означает его низкую добротность Q=ρ/R<1 (отсутствуют резонансные явления при заряде).
O
3
2
1
Вблизи перехода через ноль переменного напряжения (от положительной полуволны к отрицательной) в блоке управления 2 возникает отпирающее тиристор напряжение положительной полярности, приложенной к управляющему электроду тиристора T, в связи с чем он быстро открывается, поскольку между его анодом и катодом действует двойное амплитудное напряжение сети 2U (несколько более 600 В). Это достигнуто соответствующим включением вторичной обмотки трансформатора Тр, как показано на рис. 1 точками у его обмоток, обозначающими начала этих обмоток. Для исключения подачи на управляющий электрод отрицательного напряжения в схеме используется диод D. Ток управления ограничивается резистором R. После включения тиристора сопротивление в цепи его управляющего электрода существенно снижается, и большая часть напряжения, действующего в первичной обмотке трансформатора Тр, также существенно уменьшается из-за применения ограничивающего резистора R в последовательной цепи с первичной обмоткой трансформатора, и большая доля сетевого напряжения рассеивается в этом сопротивлении, ограничивая ток управляющего электрода тиристора.
При заряде накопительных конденсаторах напряжение и ток, действующие в электросчетчике, установленном между сетью и рассматриваемым устройством, имеют один и тот же знак - положительный, и счетчик учитывает энергию в прямом правильном направлении, напротив, ток разряда последовательно включенных открытым тиристором и напряжение, действующие на счетчике, имеют разные знаки - напряжение положительное, а ток отрицательный, как возвращаемый обратно в сеть. Это видно из сопоставления графиков на рис. 2 и 3. В последнем случае происходит отмотка показаний в электросчетчике. Важно при этом рассмотреть, как будет работать при этом прибор учета электроэнергии, принцип действия которого основан на интегрировании произведения тока на напряжение, действующие на его зажимах, с учетом
знака этого произведения.
По закону сохранения заряда и при пренебрежении потерь в мостовой схеме можно утверждать соблюдение следующего соотношения
C
C
C
где τ=rC/2 - постоянная времени цепи разряда, r - активное сопротивление сети, включающее сопротивление проводников до счетчика, токовый элемент счетчика, проводники ввода, линию электропередачи от электроподстанции и сопротивление выходной обмотки трансформатора последней, К - безразмерный коэффициент превышения амплитуды разрядного тока по отношению к амплитуде зарядного тока, принимаемой за единичную. Из уравнения (1) находится коэффициент К. Так, если r=0,3 Ома и С=100 мкФ, то получаем значение К=11,166.
O
Поскольку в момент до непосредственного включения тиристора мгновенное напряжение сети приблизительно равно нулю, то в момент включения тиристора положительное напряжение на зажимах электросчетчика равно 2U≈600 В от последовательно включенных накопительных конденсаторов, а разрядный ток при этом направлен в обратном направлении, то есть имеет отрицательную полярность по сравнению с полярностью напряжения, и при этом электросчетчик производит обратный отсчет электроэнергии (режим отмотки).
Безразмерный множитель G, указывающий на превышение отсчета прибором учета назад над правильным отсчетом энергии вперед, может быть найден из выражения
ЗАР
O
ЗАР
ЗАР
O
2
Множитель два в числителе дроби (2) означает удвоение амплитуды напряжения при разряде по сравнению с амплитудой напряжения, действующего при заряде накопительных конденсаторов от сети. Решая (2) с учетом (1), получаем G=1,575, что означает значительное превышение темпа реверсного учета над прямым счетчиком электроэнергии, производящим перемножение напряжения на ток. Мощность заряда накопительных конденсаторов Р=СU /Т, а мощность индицируемого электросчетчиком разряда в G раз больше, поэтому мощность отмотки равна ΔР=(G-1) Р=0,575 Р. При исходных величинах С=100 мкФ и U=300 В получаем мощность отмотки ΔР=0,575∗9/0,02=259 Вт.
РАЗР
MAX
O
C
Амплитуда тока разряда I=2U/r=600/0,3=2000 А. Поэтому целесообразно использовать лавинный тиристор, например типа ТЛ-150, допускающий ток импульсного разряда до 2500 А.
Поскольку при работе устройства накопительные конденсаторы работают только при одной полярности напряжения, то можно в качестве таких конденсаторов использовать полярные конденсаторы, например танталовые электролитические, имеющие малые габариты по сравнению с импульсными неполярными пленочными конденсаторами, имеющими значительно большие габариты и вес. Но у электролитических конденсаторов потери значительно превышают потери в импульсных неполярных конденсаторах (К75-40-750В-100 мкФ), что снижает мощность отмотки, поэтому выбор того или иного типа накопительных конденсаторов определяется предпочтениями пользователей.
ДР
C
L
Следует отметить важную особенность схемы. При открытии тиристора разряд происходит в основном обратно в сеть, но небольшая его часть замыкается по контурам, включающим диоды и дроссели. Поскольку активное сопротивление дросселя во много раз больше сопротивления электросети, то есть R/r>>1, то основная энергия разряда уходит в сеть. Кроме того, спектр разрядного импульса ΔF~1/3τ=6667 Гц, и при этом реактивное сопротивление дросселя прохождению через него такого импульса равно X=2πΔFL=4,19 кОм. Следовательно, дроссели служат прекрасным буфером против рассеяния в нем энергии разрядного импульса, что выгодно отличает их по сравнению с применением, вместо них, активных сопротивлений.
Заявляемое устройство предназначено для использования разработчиками электросчетчиков нового типа, которые не чувствительны к отмотке или остановке их показаний при работе на активную полезную нагрузку и подключенное при этом устройство отмотки. Один из возможных приборов учета, не допускающий отмотку предложен в [7].
Литература
1. Меньших О.Ф. Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков. Патент №2474825, опубл. в бюл. №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. Устройство для контроля электросчетчиков, Патент №2521782, опубл. в №19 от 10.07.2014.
4. Меньших О.Ф. Устройство для исследования работы индукционных электросчетчиков. Патент №2523109, опубл. в №20 от 20.07.2014.
5. Меньших О.Ф. Устройство для проверки индукционных приборов учета электроэнергии. Патент №2521307, опубл. в №18 от 27.06.14 (прототип).
6. Меньших О.Ф. Устройство проверки индукционных электросчетчиков. Патент №2532861, опубл. в №31 от 10.11.2014.
7. Меньших О.Ф.. Устройство учета электроэнергии. Патент №2521767, опубл. в №19 от 10.07.2014.
Данные патентного поиска
RU 2338217 C1, 10.11.2008 RU 2181894 C1, 27.04.2002 RU 2190859 C2, 10.10.2002 RU 2178892 C2, 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