УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ПРАВИЛЬНОСТИ УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИНДУКЦИОННЫМИ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКАМИ
DEVICE FOR VERIFICATION OF ELECTRICITY METERING BY INDUCTION ELECTRICITY METERS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для проверки правильной работы электросчетчиков индукционного типа с вращающимися дисками при включенной в сеть после электросчетчика несимметричной для положительного и отрицательного полупериодов сетевого напряжения комплексной нагрузки.
Известно, что индукционные электросчетчики содержат в своем составе перемножитель мгновенного значения протекающего через его низкоомную токовую обмотку тока нагрузки на действующее в высокоомной обмотке мгновенное значение напряжения сети, что реализуется действием соответствующих магнитных полей на вращающийся металлический диск, и при этом вращательный момент, прикладываемый к диску, пропорционален мгновенному значению произведений этих магнитных полей, то есть произведению мгновенных значений тока на напряжение в указанных обмотках при гармоническом законе изменения величин тока и напряжения с частотой сети (50 Гц), а подсчет электроэнергии определяется числом вращений диска, что эквивалентно операции интегрирования указанных мгновенных значений произведений во времени.
C
C
О
О
Также известно, что при подключении к сети чисто емкостной нагрузки (конденсатора без потерь), диск электросчетчика остается в неподвижном состоянии, хотя в цепи протекает электрический ток, величина которого i(t) определяется номиналом емкости С включенного конденсатора по формуле i(t)=jωCUsinωt, где U - амплитудное значение напряжения сети, ω - круговая частота сетевого напряжения, j - мнимая единица, указывающая на то, что фазы мгновенных значений тока в конденсаторе и напряжения на его обкладках отличаются на постоянную во времени разность Δφ=π/2. При этом в проводниках сети и, следовательно, через электросчетчик циркулирует электрическая энергия с двойной частотой 2F=ω/π, а вращательный момент, приложенный к диску счетчика, испытывает переменнозначные осцилляции с этой двойной частотой с результирующим вращательным моментом, равным нулю, и диск электросчетчика не вращается.
Это означает, что индукционный электросчетчик правильно учитывает электроэнергию при включении активной нагрузки, при которой фазы изменения тока и напряжения не различаются во времени.
Наконец известно, что работа индукционного электросчетчика с вращающимся диском предполагает работу на переменном токе, поэтому при использовании выпрямительных элементов (силовых диодов) нарушает его правильную работу, хотя при этом пульсирующий ток нагрузки (от какой-либо одной полуволны переменного тока) в ряде случаев непригоден для нормальной работы некоторых типов нагрузок, например, телевизоров, компьютеров, СВЧ-печей, стиральных машин с асинхронными двигателями. Но такие активные нагрузки, как электропечи (электроплитки), осветительные приборы, водонагреватели, радиаторы отопления, вентиляторы и пылесосы с коллекторными двигателями и другое оборудование могут одинаково хорошо работать как на переменном, так и на пульсирующем и постоянном токе.
Это обстоятельство позволяет создавать устройства, нарушающие правильный учет электроэнергии индукционными электросчетчиками [1-5], и одно из такого рода устройств рассматривается в заявляемом техническом решении, аналогов которому заявитель не установил. Использование такого устройства позволит разработчикам индукционных электросчетчиков проводить проверку правильности учета электроэнергии при модернизации устройства таких электросчетчиков.
Целью изобретения является упрощение устройства проверки правильного учета электроэнергии индукционными электросчетчиками по сравнению с известными устройствами того же назначения при работе на активные нагрузки, допускающие работу на постоянном токе.
ИМП
H
H
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве для проверки правильности учета электроэнергии индукционными электросчетчиками, состоящими из последовательно соединенных после поверяемого электросчетчика силового импульсного диода и электролитического конденсатора, к которому параллельно подключена активная нагрузка, допускающая работу на постоянном токе, причем величина емкости С электролитического конденсатора находится по формуле С≈Т/2η(1+η)R, где Т - период переменного тока сети, при условии, что отношение η времени заряда к времени разряда электролитического конденсатора во много раз меньше единицы, например, порядка 0,01, где R - активное сопротивление нагрузки, подключенной параллельно к электролитическому конденсатору, а силовой импульсный диод должен быть рассчитан на импульсный ток I≈2I/η, где I - номинальный ток в нагрузке R.
MAX
О
О
H
1/2
Достижение цели изобретения в заявляемом техническом решении объясняется накоплением на электролитическом конденсаторе заряда, при котором напряжение на конденсаторе весьма мало изменяется во времени и практически равно амплитудному значению напряжения сети U=(2)U, где U - действующее значение напряжения сети (например, 220 В), и при этом подзаряд конденсатора импульсным током весьма большой величины по сравнению с номинальным током I нагрузки происходит за весьма короткий промежуток времени по сравнению с четвертью периода переменного тока, равной 5 мс при частоте сети 50 Гц. Это существенно нарушает правильный учет электроэнергии.
Кроме того, возникновение при подзаряде конденсатора весьма большого импульсного тока одновременно заметно снижает напряжение, действующее в катушке напряжения электросчетчика, из-за потерь на вводе от ВЛ-0,4 кВ, что также искажает правильный учет электроэнергии.
Схема устройства показана на рис. 1 и включает:
1 - однофазный электросчетчик индукционного типа, связанный с вводом сети,
2 - силовой импульсный диод, например лавинный,
3 - электролитический конденсатор с емкостью С,
4 - активная нагрузка с сопротивлением R, допускающая работу на постоянном токе.
MAX
При вариации величины активной нагрузки R, когда к сети подключаются разные электроприборы с достаточно большим разбросом по потребляемой мощности, следует соответственно подбирать и разные по величине емкости С электролитических конденсаторов и снабжать такие приборы подобранными по импульсному току силовыми диодами, что повышает общую сложность оборудования. Поэтому целесообразно задать предельную наибольшую возможную мощность Р электроприборов, для которой подобрать общие элементы схемы - силовой импульсный диод и электролитический конденсатор.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
MAX
O
РАЗР
ЗАР
ЗАР
РАЗР
ЗАР
ЗАР
РАЗР
1/2
Как нетрудно понять, при постоянной времени τ цепи разряда конденсатора С на нагрузку сопротивлением R, где τ=RС, существенно большей периода Т переменного тока, то есть при τ=RС>>T=2π/ω, электролитический конденсатор 3 будет заряжен до амплитудного напряжения U=(2)U, и в процессе работы на нагрузку будет во времени изменяться незначительно, например, на величину ΔU за промежуток времени разряда ΔТ=Т-ΔТ, где ΔТ - интервал времени заряда конденсатора для каждого из периодов переменного напряжения, причем ΔТ>>ΔТ, например, примем отношение ΔТ/ΔТ=η<<1.
MAX
MAX
O
O
O
ЗАР
РАЗР
O
O
CР
O
O
1/2
Пусть силовой импульсный диод 2 включен так, что пропускает ток только в нечетные полупериоды переменного напряжения. Тогда ясно, что в моменты времени t=(Т/4)+nТ, где n=0, 1, 2, … - целые числа, напряжение на электролитическом конденсаторе 3 достигает максимума U, равного амплитуде переменного напряжения (за вычетом падения напряжения на p-n-переходе силового импульсного диода, порядка 0,6 В) U=(2)U=1,41U, где U - действующее напряжение сети (220 В). Это напряжение достигается подзарядом конденсатора за время ΔТ импульсом тока из сети. За время ΔТ=Т/(1+η) за счет протекающего в активной нагрузке 4 с сопротивлением R напряжение незначительно снижается на величину ΔU по экспоненциальному закону u(t)=1,41Uехр(-t/τ), где для каждого периода переменного напряжения время t изменяется в пределах T/4≤t≤T. С учетом того, что 3Т/4<<τ, можно считать процесс изменения напряжения в период разряда конденсатора квазилинейным, что означает, что ΔU=1,41U[1-ехр(-3Т/4τ)]. При этом среднее значение напряжения, действующего в нагрузке, равно U=1,41U-ΔU/2=1,41U[1-Т/2(1+η)RС] при условии, что Т/2(1+η)RC=γ<<1.
СР
O
O
O
O
СР
Пусть γ=0,01. Тогда величина емкости электролитического конденсатора находится по формуле: C=Т/2γ(1+η)R. При Т=20 мс, γ=η=0,01 получим С=0,99/R≈1/R (здесь емкость выражается в Фарадах, нагрузка в Омах). Среднее значение напряжения равно U=1,41U(1-γ)=1,396U и ΔU=2U(1,41-1.396)=0,028U=6,16 В. Таким образом, можно считать, что активная нагрузка работает на чисто постоянном токе и при среднем напряжении U=307,12 В (без учета малого падения напряжения на p-n-переходе силового импульсного диода).
O
ЗАР
MAX
O
3АР
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mrow><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mn>2</mn><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1,41</mn><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>=</mo><mi>C</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1,41</mn><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo>−</mo><mrow><mrow><mi>Δ</mi><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>≈</mo><mn>1,41</mn><mi>C</mi><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub><mi>Δ</mi><mi>U</mi></mrow>
Заряд конденсатора начинается в каждом периоде переменного напряжения в момент времени, когда напряжение на конденсаторе доходит до минимального значения 1,41U-ΔU=304,04 В, и за время ΔТ=ηТ/(1+η) возрастает до максимального значения U==1,41U=310,2 В. Энергия подзаряда W электролитического конденсатора вычисляется по формуле
,
O
так как ΔU<<2,82 U по исходному условию.
ЗАР
ЗАР
РАЗР
РАЗР
H
СР
РАЗР
O
РАЗР
ЗАР
РАЗР
O
O
<mrow><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>I</mi><mi>H</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>R</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>Р</mi><mi>А</mi><mi>З</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Р</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mi>T</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>η</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>R</mi></mrow></mrow><mo>=</mo><mn>2</mn><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>γ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mi>T</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>η</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>R</mi></mrow></mrow></mrow>
Согласно закону сохранения и превращения энергии энергия подзаряда W за промежуток времени ΔТ=ηТ/(1+η) равна энергии разряда W конденсатора 3 за промежуток времени ΔТ=Т/(1+η) и равна средней мощности в нагрузке
, где I=U/R - среднее значение тока в нагрузке, умноженной на интервал времени ΔТ=Т/(1+η), то есть имеем
. При условии γ=η=0,01, Т=0,02 сек и U=220 В имеем W=1878,7/R Джоулей. Следовательно, из равенства W=W получаем соотношение 1,41СUΔU=1878,7/R. При сделанных допущениях находим связь между элементами С и R в виде: С=1878,7/1,41RUΔU=0,983/R≈1 c/R Ом [Ф].
H
СР ЗАР
H
ИМП
H
Среднее значение тока заряда электролитического конденсатора во столько раз больше среднего значения тока разряда (тока нагрузки I), во сколько раз время заряда меньше времени разряда, то есть I=I/η. Форма импульса тока заряда колоколообразная - в начале и конце заряда ток равен нулю, поэтому максимум импульса зарядного тока вдвое выше среднего значения зарядного тока, то есть I≈2I/η.
MAX
СР
H
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mrow><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Р</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>М</mi><mi>А</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>18,86</mn><mtext> </mtext></mrow></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mi>О</mi><mi>м</mi></mrow>
Рассмотрим пример, в котором заявляемая схема предназначена для электроснабжения ряда активных нагрузок, включаемых раздельно или совместно, рассчитана на наибольшую возможную мощность энергопотребления. Пусть такая мощность Р=5 кВт при напряжении U=307,12 В. Полный ток такой нагрузки равен I=5000/307,12=16,28 А. При этом силовой импульсный диод должен быть выбран на возможность импульсного тока длительностью порядка 0,2 мс величиной порядка 3,3 кА с мощностью рассеяния не менее 20 Вт. Сопротивление нагрузки
и при этом емкость электролитического конденсатора должна быть порядка С≈1/18,86=0,053, Ф=53000 мкФ на рабочее напряжение, не ниже 400-450 В. Отметим, что импульсное протекание столь большого тока через электросчетчик нарушает его правильную работу еще и потому, что при этом токе возникает падение напряжения на подводящих проводниках ввода от ВЛ-0,4 кВ (в максимуме импульсного тока). Кроме того, при импульсной работе токовой обмотки счетчика с одной полярностью тока существенно нарушается процесс перемножения тока на напряжение с участием токов Фуко, возбуждаемых в металлическом диске индукционного электросчетчика, и учет электроэнергии существенно уменьшается.
H
Следует особо отметить, что среднее значение напряжения в нагрузке заметно выше действующего, на которое рассчитаны приборы потребления, и это может представлять опасность при непосредственном подключении нагрузки к электролитическому конденсатору из-за перенапряжения. Поэтому следует либо подключить последовательно с полезной нагрузкой дополнительный гасящий резистор r=R-220/I, либо использовать между электролитическим конденсатором и полезной нагрузкой широтно-импульсный модулятор (ШИМ), на выходе которого установить сглаживающий конденсатор сравнительно небольшой емкости. Схема ШИМ при этом управляется системой авторегулирования путем сравнения части возникающего на этом дополнительном конденсаторе напряжения с некоторым эталоном с выработкой разностного сигнала управления по схеме статического или астатического регулирования скважности высокочастотных импульсов, заряжающих указанный дополнительный конденсатор с частотой порядка 5…10 кГц. При этом емкость такого конденсатора выбирают в 100…200 раз меньше величины емкости электролитического конденсатора (для рассмотренного примера она может быть выбрана равной 220…470 мкФ на напряжение 400…450 В). Эта емкость должна допускать работу в частотном режиме. Использование схемы ШИМ управления позволяет существенно увеличить кпд системы энергопотребления.
Заявляемое устройство целесообразно использовать на предприятиях, разрабатывающих приборы учета электроэнергии, в том числе индукционного типа, чтобы исключить возможность хищения электроэнергии при применении пользователями подобного рода схем.
Литература
1. Меньших О.Ф. Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков, Патент №2474825, опубл. в №4 от 10.02.2013.
2. Меньших О.Ф. Устройство для проверки чувствительности трехфазных цифровых приборов учета электроэнергии, Патент №2474833, опубл. в №4 от 10.02.2013.
3. Меньших О.Ф. Схема контроля чувствительности трехфазных электронных приборов учета электроэнергии, Патент №2474834, опубл. в №4 от 10.02.2013.
4. Меньших О.Ф. Устройство для проверки чувствительности индукционных приборов учета электроэнергии к частотной модуляции рабочего тока, Патент №2474826, опубл. в №4 от 10.02.2013.
5. Меньших О.Ф. Устройство для проверки индукционных электросчетчиков, Патент №2498323, опубл. в №31 от 10.11.2013.