МОСТОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРКИ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКОВ АКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ ИНДУКЦИОННОГО ТИПА
BRIDGE CALIBRATION DEVICE FOR INDUCTION-TYPE ELECTRIC METERS OF ACTIVE ENERGY

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при испытаниях однофазных индукционных электросчетчиков, в частности, при поверке погрешности отсчета расходуемой электроэнергии при прерывании рабочего тока на повышенной частоте, во много раз превышающей частоту энергоснабжающей сети.
Известно, что чувствительность и точность работы таких приборов учета на используемой промышленной частоте 50 Гц достаточно высокая, однако эти характеристики существенно снижаются, если нагрузка в электросети флуктуирует с повышенной частотой (единицы и десятки килогерц). Это приводит к необходимости исследования зависимости правильного учета потребляемой электроэнергии от частоты прерываний электрического тока в нагрузках. До последнего времени этой проблеме не уделялось достаточного внимания со стороны разработчиков индукционных приборов учета электроэнергии, что допускает возможность хищения электроэнергии, масштабы которого стали угрожающими, а борьба с этим практически сводится к росту тарифов на электроэнергию для покрытия неучтенно израсходованной электроэнергии, то есть к нейтрализации коммерческих потерь, исчисляемых сотнями миллиардов рублей ежегодно.
Известно, что подключение к сети переменного тока чисто емкостной нагрузки (конденсатора без потерь) электросчетчик активной энергии циркулирующую в нем энергию с двойной частотой сети не учитывает. Однако, если в первой и третьей четвертях периода такую емкостную нагрузку прерывать с достаточно высокой частотой (несколько килогерц) в течение заряда конденсатора, 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.
Автором предложены эффективные способы борьбы с хищениями электроэнергии путем так называемого переброса фазного и нулевого проводников на соединении ввода к
ответвлению от воздушной линии BЛ-0,4 кВ [1-2] при использовании скрытого заземляющего устройства, внедрение которых по стране в целом способно пополнить государственную казну до 50 миллиардов рублей в год при минимальных одноразовых затратах на опломбирование указанного соединения ввода.
Однако могут быть использованы более совершенные схемы хищения электроэнергии на основе автономно работающих компактных приборов, подключаемых непосредственно в сетевую розетку при правильно включенном и опломбированном электросчетчике и без использования заземляющего устройства [3-5], и применение недобросовестными гражданами или организациями таких приборов способно нанести значительный урон экономике страны, что и понуждает разрабатывающие электросчетчики предприятия поверять их изделия на предмет нечувствительности к подключению такого рода устройств, снижающих показания электросчетчиков активной энергии.
По мере совершенствования приборов учета активной электроэнергии известные приборы противодействия правильному учету потребленной электроэнергии становятся менее эффективными для обеспечения поверки разрабатываемых электросчетчиков, что относится к недостаткам таких поверяемых приборов.
Эти недостатки устранены в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является повышение энергетической эффективности устройств противодействия правильному учету электроэнергии индукционными электросчетчиками в активных нагрузках для повышения точности производимой поверки.
Указанная цель достигается в мостовом устройстве для поверки электросчетчиков активной энергии индукционного типа, содержащем коммутирующие ток заряда конденсаторов транзисторы, управляемые от модулируемого генератора высокочастотных импульсов, отличающимся тем, что оно выполнено по мостовой схеме, первая и вторая ветви которой, параллельно подключенные к электросети, включают последовательно установленные конденсатор 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, а в диагональ мостовой схемы включен управляемый симистор (двунаправленный тиристор), управление работой четырех транзисторов и симистором осуществлено от блока управления, синхронизируемого сетевым напряжением.
Устройство включает блок управления транзисторами и симистором, который вырабатывает пакеты высокочастотных импульсов управления прерыванием тока заряда (перезаряда) конденсаторов в первой и третьей четвертях периода сетевого напряжения при закрытом состоянии симистора и закрытие транзисторов во второй и четвертой частях периода сетевого напряжения при одновременном открытии симистора.
Достижение поставленной цели изобретения объясняется существенным увеличением напряжения (почти удвоением амплитуды переменного напряжения сети) при непрерывном разряде конденсаторов обратно в сеть во второй и четвертой частях периода сетевого напряжения, что существенно увеличивает интенсивность реверса вращающегося диска индукционных электросчетчиков, либо остановку работы цифрового электросчетчика при увеличенной активной нагрузке, дополнительно подключаемой к сети, поскольку в эти промежутки времени конденсаторы обеих ветвей мостовой схемы оказываются включенными последовательно к проводникам сети. Это повышает чувствительность при поверке разрабатываемых приборов учета электроэнергии к противодействию правильного учета активной электроэнергии со стороны заявляемого устройства.
Заявляемое устройство практически не создает при его работе перенапряжения в сети для нормальной работы всех подключенных к сети приборов различного назначения, поскольку почти двойное по амплитуде напряжение, снимаемое с последовательно
включенных конденсаторов обеих ветвей мостовой схемы (при открытом симисторе) частично компенсируется встречно направленным ему напряжением сети, что приводит лишь к некоторому искажению формы тока и напряжения во второй и четвертой частях периода сетевого напряжения, отличающейся от синусоидальной, но без увеличения амплитуды. Последнее обеспечивает безопасность работы подключаемых к сети потребителей электроэнергии.
Заявляемое устройство представлено на рис.1, и его работа поясняется последующими рисунками и временными диаграммами и эпюрами.
На рис.1 изображена мостовая схема, включающая следующие компоненты:
1 - транзистор заряда первой ветви мостовой схемы,
2 - транзистор перезаряда первой ветви мостовой схемы,
3 - накопительный конденсатор первой ветви мостовой схемы,
4 - транзистор заряда второй ветви мостовой схемы,
5 - транзистор перезаряда второй ветви мостовой схемы,
6 - накопительный конденсатор второй ветви мостовой схемы.
7 - симистор,
8 - блок управления транзисторами и симистором (работа этого блока синхронизирована
сетевым напряжением).
На рис.2 представлена блок-схема блока управления 8, состоящая из:
9 - первого регулируемого делителя напряжения,
10 - первого компаратора,
11 - первой фазосдвигающей RC-цени, подключенной к фазному проводнику сети,
12 - второй регулируемой фазосдвигающей RC-цепи,
13 - второго регулируемого делителя напряжения,
14 - второго компаратора,
15 - первого инвертора (схема «НЕ»),
16 - второго инвертора (схема «НЕ»),
17- первой схемы совпадений (схема «И»),
18 - второй схемы совпадений (схема «И»).
19 - первого модулятора (схема «И»),
20 - первого импульсного усилителя мощности,
21 - второго модулятора (схема «И»),
22 - второго импульсного усилителя мощности,
23 - четырех выходных импульсных трансформаторов, включенных попарно последовательно,
24 - четырех одинаковых гридликов из параллельно включенных резистора и электролитического конденсатора для получения отрицательного смещения на базах транзисторов 1, 2, 4 и 5 (рис.1) за счет базовых токов,
25 - регулируемого по частоте генератора высокочастотных колебаний,
26 - усилителя-ограничителя, формирующего импульсы типа «меандр»,
27 - первой дифференцирующей цепи,
28 - второй дифференцирующей цепи,
29 - сумматора-формирователя запускающих симистор импульсов (схема «ИЛИ» с одно-
вибратором),
30 - третьего импульсного усилителя мощности,
31 - третьего импульсного трансформатора запуска симистора,
32 - вторичного источника питания элементов блока управления (ВИП).
На рис. 3(а-р) лупредставлены временные диаграммы сигналов в различных точках схемы:
3а - исходное переменное напряжение на входе первого компаратора 10,
3б - переменное напряжение, сдвинутое по фазе на π/2, на входе второго компаратора 14,
3в - напряжение на выходе первого компаратора 10,
3г - напряжение на выходе второго компаратора 14,
3д - напряжение на выходе первого инвертора 15,
3е - напряжение на выходе второго инвертора 16,
3ж - напряжение на выходе первой схемы совпадений 17.
3з - напряжение на выходе второй схемы совпадений 18,
3и - напряжение на выходе усилителя-ограничителя 26,
3к - напряжение на выходе первого импульсного усилителя мощности 20,
3л - напряжение на выходе второго импульсного усилителя мощности 22,
3м - напряжение на выходе первой дифференцирующей цепи 27,
3н - напряжение на выходе второй дифференцирующей цепи 28,
3о - напряжение на выходе третьего импульсного усилителя мощности,
3п - напряжение на переходах база-эмиттер транзисторов 1 и 4,
3р - напряжение на переходах база-эмиттер транзисторов 2 и 5,
На рис.4а представлена эпюра процессов заряда (перезаряда)  и разряда конденсаторов 3 и 6 в течение периода сетевого напряжения, а на рис.46 - эпюра тока в фазном проводнике сети (обозначен как «а»), из которой усматривается, что обратный ток в электросчетчике, уменьшающий его показания при подключенной к активной нагрузке или без таковой (диск просто вращается в обратном направлении) существенно больше обратного тока в случае разряда только одного конденсатора, как в известных устройствах [5], что и повышает энергетическую эффективность предлагаемой схемы.
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
В начале первой четверти периода (рис.3а) сетевого напряжения симистор 7 закрыт, а на управляющие переходы «база-эмиттер» транзисторов 1 и 4 подается пакет импульсов с выхода первого импульсного усилителя мощности 20 с длительностью пакета, соответствующей четверти периода, то есть 5 мс, и с частотой следования этих импульсов в пакете, определяемой работой регулируемого по частоте генератора высокочастотных колебаний 25, например, в форме «меандра». Этими импульсами указанные транзисторы открываются, что создает прерывистый заряд конденсаторов 3 и 6 соответственно, каждый из которых за время действия пакета успевает зарядиться почти до амплитудного значения напряжения сети (около 300 В при напряжении сети 220 В 50 Гц).
В начале второй четверти периода сетевого напряжения все транзисторы схемы оказываются закрытыми, между их базами и эмиттерами действует отрицательное напряжение смещения за счет гридликов 24, поддерживающих это смещение за счет заряда их конденсаторов токами базы транзисторов в первой четверти периода (а затем и в третьей четверти периода). Постоянная времени гридликов должна быть соизмерима с четвертью периода, то есть порядка 5 мс, что позволяет вычислить емкость электролитических (полярных) конденсаторов гридликов при заданном значении сопротивлений гридликов, предназначенных для ограничения тока базы в транзисторах. Одновременно с закрытием всех транзисторов с небольшой задержкой (порядка 0,1-0,3 мс) открывается симистор 7 под действием запускающего импульса с выхода третьего импульсного усилителя мощности 30, формируемого в блоке 8. При этом оба заряженных конденсатора 3 и 6 оказываются включенными последовательно, напряжение на концах «а» и «и» равно почти удвоенному значению амплитуды сетевого напряжения (порядка 600 В) с полярностью, противоположной полярности сетевого напряжения (равного в начальный момент второй четверти периода около 310 В). Это вызывает протекание значительного по величине обратного тока через токовую обмотку прибора учета электроэнергии и тем снижает его показания.
В начале третьей четверти периода сетевого напряжения симистор в результате разряда конденсаторов 3 и 6 оказывается закрытым, а на переходе «база-эмиттер» транзисторов 2 и 5 действует аналогичный вышеуказанному пакет положительных импульсов с выхода второго импульсного усилителя мощности 22. Это создает прерывистый перезаряд конденсаторов 3 и 6 к концу третьей четверти периода до напряжения около 300 В, но с противоположной полярностью. В конце третьей четверти периода все транзисторы оказываются закрытыми (действием отрицательного смещения), а симистор 7 с небольшой задержкой (порядка 0,1-0,3 мс) открывается, снова включая последовательно соединенные конденсаторы 3 и 6, которые разряжаются в сеть. При этом через токовую обмотку электросчетчика ток течет в обратном направлении, то есть снова поддерживается режим «отмотки» показаний.
В дальнейшем весь описанный процесс периодически повторяется.
Блок управления 8 транзисторами и симистором по своей идеологии действия аналогичен известному блоку управления [5], поэтому его функционирование специальных пояснений не требует и понятно из прилагаемых рисунков рис.3 и рис.4 совместно с его структурой, представленной на рис.2.
При прерывании тока заряда (перезаряда) конденсаторов 3 и 6 прибор учета занижает свои показания из-за фактора высокочастотности прерываний тока, а при плавном разряде этих последовательно включенных конденсаторов обратный отсчет энергии существенно возрастает, в том числе и за счет увеличенного почти вдвое напряжения их разряда.
Оценочные расчеты показывают, что в индукционных счетчиках учет активной энергии при включении заявляемого устройства происходит по величине, не превышающей порядка 15% от всей расходуемой энергии в активной нагрузке, что создает огромные экономические потери для поставщика электроэнергии.
Энергетика заявляемого устройства определяется величинами емкости конденсаторов 3 и 6 при соответствующем выборе типов транзисторов и симистора по допустимым величинам токов и рабочих напряжений, а также рассеивающейся на этих элементах мощности, требующей применения средств охлаждения (радиаторов). Так, при получении безучетной мощности в используемой активной нагрузке P=2 кВт можно рассчитать необходимую величину емкостей 3 и 6 по формуле:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>1,7</mn><mi>C</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>o</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>F</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>к</mi><mi>у</mi><mi>д</mi><mi>а</mi><mtext> </mtext><mi>C</mi><mo>=</mo><mi>P</mi><mo>/</mo><mn>1,7</mn><msubsup><mi>U</mi><mi>o</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>F</mi></mrow>
,
o
где U=1,41×220 В=310 В - амплитудное значение напряжения сети, F=50 Гц - частота сетевого напряжения. Тогда имеем С=2000/(1,7×96100×50)=0,000245 Ф=245 мкФ. Следует выбрать емкости 3 и 6 по 250 мкФ каждая, допускающие импульсный режим на частоте до 10 кГц (например, типа К-75) с рабочим напряжением порядка 600 В.
В качестве транзисторов можно использовать при этом n-p-n транзисторы, например, типа КТ 839 А, которые допускают импульсные токи до 15 А с обратным напряжением 1500 В. В качестве симистора 7 можно использовать ТС-212-16.
o
2
При создании мощных устройств, работающих при мощностях в несколько десятков киловатт в трехфазных сетях 380 В в качестве транзисторов можно рекомендовать транзисторы типа ТКД265-100-6-1, выпускаемые в ООО «Промтехнология» (г.Воронеж), а в качестве симистора использовать малогабаритный симистор ТС242-80 не ниже 10-го класса. Так, при Р=20 кВт и U=380 В в трехфазном включении (при трех работающих устройствах) имеем для емкости С выражение: С=20000/(3×1,7×380×50)=0,000543 Ф=543 мкФ. При этом в устройстве используются шесть конденсаторов емкостью 550 мкФ каждый на рабочее напряжение не менее 1000 В, три симистора и 12 транзисторов названных выше типов с блоками управления раздельно по каждой паре фаз трехфазной сети. Такое устройство можно использовать для проверки индукционных счетчиков активной энергии (типа ЦЭ6803 В, Г1СЧ-4А.05.2 и др.), снабженных трансформаторами тока.
Регулировкой частоты прерываний зарядного (перезарядного) тока в генераторе 25 можно установить оптимальный режим работы устройства, при котором величина Р оказывается максимальной при выбранных параметрах элементов схемы (в частности, емкостей конденсаторов 3 и 6). Это входит в задачу проверки электросчетчиков на их чувствительность к частоте прерываний тока в нагрузке.
Кратко рассмотрим структуру и рекомендации по выбору элементов блока управления 8 транзисторами и симистором (рис.2).
Вторичный источник питания 32 включает выпрямители с фильтрами на выходные напряжения +5 В для питания транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серии К155, два разнополярных источника для питания интегральных компараторов 10 и 14 (например, К521СА2) и питания усилителей мощности 20, 22 и 30 с напряжением +27 В.
Вместо четырех трансформаторов 23 на ферритовом тороидальном сердечнике могут быть использованы два трансформатора с двумя раздельными вторичными обмотками в каждом. Феррит марки M2000HM-1.
Первая фазосдвитающая RC-цепочка 11 осуществляет сдвиг фазы на 45°, вторая 12 регулирует сдвиг фазы в диапазоне 40-50°.
Регулируемые делители напряжений 9 и 13 создают на входе компараторов 10 и 14 требуемые для их работы амплитуды напряжений (не более 5 В).
Модуляторы 19 и 21 могут выполняться на базе схемы совпадений ТТЛ, как и элементы 17 и 18 с логикой «2И» (К 155ЛИ 1). Инверторы 15 и 16 выполняются на логике «НЕ» (К155ЛН1). Сумматор-формирователь запускающих симистор импульсов 29 может быть выполнен с использованием логики «2ИЛИ» (К155ЛЛ1) с возможным использованием одновибратора на логике ТТЛ (К155АГ1) для получения запускающих импульсов, открывающих симистор в начале второй и четвертой четвертей периода сетевого напряжения, определенной длительности (например, 0,5 мс).
Регулируемый по частоте генератор 25 может быть создан на логике «2И-НЕ» с парой элементов и резистивно-емкостными связями (К 155 Л A3), причем подстройка частоты в диапазоне 1…5 кГц осуществляется переменным резистором. При этом в качестве усилителя-ограничителя 26 может быть использован компаратор (К521СА2), как в элементах 10 и 14.
Работа блока управления 8 исчерпывающе поясняется временными диаграммами напряжений в различных точках схемы на рис.3 и эпюрами на рис.4. В частности, важно указать на необходимость точной подстройки фазового сдвига на 90° исходного сетевого напряжения фазосдвигающими цепочками 11 и 12 для получения требуемых пакетов импульсов прерывания заряда (перезаряда) конденсаторов 3 и 6 в первой и третьей четвертях периода сетевого напряжения. Четкая работа схемы требует выполнения обязательного условия о том, чтобы симистор 7 открывался только после полного закрытия всех транзисторов 1, 2, 4 и 5, чтобы заряд этих конденсаторов не стекал через открытые транзисторы, отчего последние могут выйти из строя при недопустимо большом импульсном токе разряда. Для этого предусматривается небольшая задержка в подаче запускающих симистор импульсов относительно стробов, возникающих на выходах дифференцирующих цепей 27 и 28 и отвечающих фазам 90° и 270° в каждом периоде сетевого напряжения, при которых прекращается действие пакетов импульсов, действующих на соответствующие транзисторы, и последние закрываются отрицательным смещением, возникающим в гридликах 24.
Применение сверхмощной системы непосредственно после трехфазного прибора учета активной энергии индукционного типа в трансформаторной подстанции (ТП), снабжающей завод, город, поселок и т.д., приводит к занижению показаний отпускаемой потребителям электроэнергии от такой подстанции, что следует учитывать энергоснабжающим организациям при расчетах с потребителем. Возможность бесконтрольного использования потребителем такого рода устройств и определяет необходимость разработки приборов учета электроэнергии нового типа, не чувствительных к прерываниям тока нагрузки. Такие приборы учета должны вытеснить существующий в стране парк приборов учета электроэнергии, допускающих ее гигантское хищение.
Литература
1. Меньших О.Ф. Способ борьбы с хищениями электроэнергии. Патент РФ № 2208795, опубл. в № 20 от 20.07.2003.
2. Меньших О.Ф. Способ борьбы с хищениями электроэнергии (Способ Меньших). Патент РФ № 2308726, опубл. в № 29 от 20.10.2007.
3. 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.
4. 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.
5. Меньших О.Ф. Устройство проверки электросчетчиков активной энергии. Патент РФ № 2456623, опубл. № 20 от 20.07.2012.
Данные патентного поиска
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