УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРКИ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ
DEVICE FOR TESTING OF ELECTRIC METERS

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для поверки вновь разрабатываемых электросчетчиков, конструкция которых не допускает неправильного учета потребленной активной электроэнергии.
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 весь 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, так как конденсатор успевает зарядиться до амплитудного напряжения сети U, учитывая малое сопротивление источника питания и линии электропередачи. 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 путем перемножения мгновенных значений тока и напряжения и интегрирования 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
- при включении активной нагрузки,
- при включении конденсатора.
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 С U/2=Τ U/8 R, то есть когда обеспечивается равенство потребленных энергий в конденсаторе С и в активной нагрузке R.
ИМП
ЗАД
ИМП
ЗАД
ЗAP
ИМП
Δ
Δ
ИМП
Это различие отсчета позволяет создавать устройства «отмотки» показаний в счетчиках при использовании конденсаторов в качестве буферного потребителя электроэнергии, потребляющего электроэнергию как емкостной накопитель и отдающего обратно в сеть эту же энергию в том же полупериоде в интервале времени вблизи наибольшего мгновенного значения напряжения, а именно в интервале (Т/4)-ΔΤ≤t≤(Τ/4)+ΔΤ, где Τ - период переменного напряжения сети (например, Τ=20 мс), ΔΤ=(t/2)+Δt, t - длительность импульса разряда конденсатора обратно в сеть, Δt - малое время задержки от конца заряда конденсатора за время t=(Τ/4)-ΔΤ до начала импульса разряда длительностью t (см. рис. 2). В течение этого интервала разряда конденсатора в сеть напряжение находится вблизи амплитудного значения U с малым разбросом от значения U до U, где U=Usinω[(Τ/2)-t)/2], где ω=2π/Τ - круговая частота сетевого напряжения (например, ω=314 Гц). При этом ясно, что вышеприведенные интегральные соотношения показывают, что отсчет в счетчике энергии заряда снижен по отношению к энергии разряда в 1,18 раза, то есть около 18% электроэнергии можно потреблять БЕЗУЧЕТНО, причем применительно к любым выпускаемым типам счетчиков, использующих операции перемножения мгновенных значений тока на напряжение с последующим интегрированием результатов перемножений.
Известны устройства, предназначенные для поверки электросчетчиков, в которых учет возвращаемой в сеть электроэнергии превышает учет потребляемой энергии при равенстве самих истинных значений энергии, циркулирующей из сети и в сеть через прибор учета электроэнергии [1-8].
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого технического решения можно считать «Устройство для поверки индукционных приборов учета электроэнергии» [9], 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.
Одним из недостатков известного устройства является снижение вдвое времени заряда накопительных конденсаторов при прерывистом режиме их заряда со скважностью, равной двум. Кроме того, организация прерывистого режима заряда связана с усложнением конструкции электронного оборудования. Другим недостатком известного устройства является невозможность повышения напряжения в разрядной цепи двух накопительных конденсаторов при их последовательном соединении открывающимся симистором больше величины удвоенной амплитуды сетевого напряжения, что может оказаться недостаточным при весьма малом внутреннем сопротивлении электрической сети, поскольку последнее фактически определяет величину напряжения, действующего в катушке напряжения индукционного электросчетчика, которое в целях более эффективной «отметки» показаний счетчика необходимо увеличивать при разряде накопительных конденсаторов обратно в сеть. Действительно, снижение этого напряжения связано с потерями внутри самого устройства до электросчетчика, которые образуются в элементах разрядной цепи - двух накопительных конденсаторах, дросселе, симисторе в его открытом состоянии, проводниках, соединяющих устройство с выходом электросчетчика, и в токовой катушке последнего. Это полное сопротивление может оказаться существенно больше внутреннего сопротивления электрической сети, определяемого сопротивлениями вторичной обмотки трансформатора подстанции, воздушной (кабельной) линии электропередачи и ввода к электросчетчику конкретного потребителя электроэнергии. Как показал эксперимент, применение в однополупериодном устройстве «отмотки» электролитических конденсаторов типа К50-12 (малогабаритных и более электроемких) вместо импульсных К75-17 имеет на порядок более высокое внутреннее сопротивление при одной и той же емкости этих конденсаторов.
Указанные недостатки известного устройства устранены в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является обеспечение возможности увеличения напряжения в катушке напряжения электросчетчика при разряде высоковольтных импульсных накопительных конденсаторов обратно в сеть без их последовательного соединения.
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве для поверки электросчетчиков, в которых осуществляется учет потребляемой энергии путем интегрирования произведения мгновенных значений протекающего через счетчик тока на напряжение в катушке напряжения счетчика, содержащем коммутирующие параллельно-встречно включенные силовые транзисторы, накопительные конденсаторы, последовательно соединенные дроссель и тиристор (симистор) в первой разрядной цепи и блок управления силовыми транзисторами и тиристорами (симисторами), отличающимся тем, что включает повышающий автотрансформатор с коэффициентом трансформации, большим двух, дополнительную цепь из последовательно включенных дросселя и тиристора (симистора) во второй разрядной цепи и силовые высоковольтные диоды, включенные между выводом повышающего автотрансформатора с соответствующими накопительными конденсаторами, при этом тиристоры (симисторы) подключены к соответствующим точкам соединения силовых высоковольтных диодов с их накопительными конденсаторами и фазным проводником электросети, а параллельно-встречно включенные силовые транзисторы включены между фазным проводником электросети и входным выводом повышающего автотрансформатора, соответствующие управляющие переходы силовых транзисторов и тиристоров (симисторов) подключены к блоку управления, который дополнен схемой формирования импульсов запуска тиристора (симистора) второй разрядной цепи.
зад
ЗАД
ЗАД
Достижение цели изобретения объясняется простотой формирования импульсов управления открыванием силовых транзисторов, применением высоковольтных импульсных конденсаторов и формированием импульсов разряда накопительных конденсаторов, центрально симметричных моментам времени Τ/4 для каждого из положительных полупериодов сетевого напряжения и моментам времени 3Т/4 для каждого из отрицательных полупериодов сетевого напряжения, для которых напряжение, воздействующее на перемножитель электросчетчика является максимальным, притом существенно большим, чем амплитудное значение U сетевого напряжения благодаря периодически раздельному включению двумя тиристорами (симисторами) двух заряженных накопительных конденсаторов в моменты времени (Т/4)-ΔΤ+Δt в каждом положительном полупериоде сетевого напряжения и в моменты времени (3Т/4)-ΔΤ+Δt в каждом отрицательном полупериоде сетевого напряжения, что существенно увеличивает обратный учет электроэнергии счетчиком по сравнению с прямым учетом электроэнергии. Открытие тиристоров (симисторов) производится с небольшой задержкой Δt<<ΔΤ после закрытия соответствующих силовых транзисторов, что исключает раздельный разряд каждого из накопительных конденсаторов через обмотку автотрансформатора, а направляет его только обратно в электросеть. Раздельный разряд накопительных конденсаторов, то есть без их последовательного соединения, как в прототипе, дополнительно снижает внутреннее сопротивление в двух разрядных цепях заявляемого устройства, а применение повышающего трансформатора позволяет существенно увеличить напряжение в высоковольтных импульсных накопительных конденсаторах, что повышает энергетику устройства.
Заявляемое устройство представлено на рис. 1. На рис. 2 показаны для положительного полупериода мгновенные значения зарядного и разрядного токов, протекающих в токовой катушке индукционного электросчетчика или элементе перемножителя (например, в датчике Холла) в цифровом счетчике, и напряжения в его катушке напряжения. На рис. 3 показаны графики сетевого напряжения и напряжения, сдвинутого по фазе на величину Δφ=2πω[(Τ/4)-ΔΤ]. На рис. 4 приведены временные диаграммы формирования импульсов управления силовыми транзисторами и тиристорами (симисторами). На рис. 5 дана структура блока управления силовыми транзисторами и тиристорами (симисторами), аналогичная схеме блока управления прототипа, но дополненная второй схемой формирования импульсов запуска тиристора (симистора) второй разрядной цепи.
На рис. 1 заявляемое устройство состоит из:
1 - поверяемого электросчетчика (индукционного или цифрового),
2 - повышающего автотрансформатора,
3 - силового транзистора первой цепи,
4 - высоковольтного диода первой цепи,
5 - импульсного накопительного конденсатора первой цепи,
6 - дросселя первой цепи,
7 - тиристора (симистора) первой цепи,
8 - силового транзистора второй цепи,
9 - высоковольтного диода второй цепи,
10 - импульсного накопительного конденсатора второй цепи,
11 - дросселя второй цепи,
12 - тиристора (симистора) второй цепи,
13 - блока управления силовыми транзисторами и тиристорами (симисторами).
Блок управления 13 на рис. 5 состоит из следующих элементов:
14 - регулируемой фазосдвигающей цепи,
15 и 16 - первого и второго компараторов (диаграммы А и В на рис. 4),
17 и 18 - первого и второго инверторов логических уровней (диаграммы Б и Г на рис. 4),
19 и 20 - первой и второй схем совпадений (диаграммы Д и И на рис. 4),
21 и 22 - третьего и четвертого инверторов логических уровней (диаграммы Ε и К на рис. 4),
23 и 24 - первой и второй дифференцирующих цепей (диаграммы Ж и Л на рис. 4),
ЗАД
25 и 26 - первой и второй цепей временной задержки на величину Δt (см. на рис. 2),
27 и 28 - первого и второго формирователей импульсов запуска тиристоров (симисторов) (диаграммы 3 и Μ на рис. 4),
29 и 30 - первого и второго усилителей мощности запускающих тиристоры (симисторы) импульсов,
31 и 32 - первого и второго усилителей мощности открывающих силовые транзисторы импульсов,
33 - блок питания от сети 220 В с выходами, например, на +5 В и +15 В.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
Данная схема состоит из двух независимых заряд-разрядных цепей с накоплением энергии соответственно в первой четверти периодов сетевого напряжения в первой цепи на высоковольтном накопительном конденсаторе 5 и в третьей четверти периодов во второй цепи на высоковольтном накопительном конденсаторе 10. При этом заряд указанных конденсаторов осуществляется от повышающего автотрансформатора 2, подключенного к сети через силовые транзисторы 3 и 8 при их открытых состояниях в части первой и третьей четвертей периодов сетевого напряжения, через соответствующие высоковольтные диоды 4 и 9 в первой и второй цепях, работающие для положительных и отрицательных полупериодов. Разряд указанных конденсаторов происходит с моментов открытия тиристоров (симисторов) 7 и 12 через дроссели 6 и 11 обратно в сеть энергосистемы при закрытых силовых транзисторах 3 и 8. Управление открытием силовых транзисторов 3 и 8 на отрезки времени (Т/4)-ΔΤ в первой и третьей четвертях периодов, а также запуском тиристоров (симисторов) 7 и 12 в тех же четвертях, но после того, как будут надежно закрыты силовые транзисторы 3 и 8, осуществляется подачей на их управляющие электроды соответствующих импульсов, формируемых в блоке управления 13.
Все существующие электросчетчики - индукционные и цифровые, несмотря на значительное различие их конструкции, работают по принципу интегрирования произведения мгновенных значений тока, потребляемого присоединенной к сети нагрузкой, и напряжения на соответствующих клеммах счетчиков. Поскольку при заряде накопительных конденсаторов 5 и 10 соответственно в первой и третьей четвертях периодов максимум зарядного тока приходится на фазы π/4 в первой четверти и 5 π/4 в третьей четверти, когда мгновенные значения напряжений, действующих в их катушках, создающих магнитное поле, не равны амплитудному значению U=+/-310 В, а составляют величины +/-220 В для соответствующих четвертей периодов, то и произведение тока на напряжение в этих фазовых точках оказывается меньше на 18% того значения мгновенной мощности, которая реализуется в случае активной нагрузки, осуществляемой при разряде накопительных конденсаторов в период времени, центрально симметричный фазам π/4 и 5 π/4 соответственно в первой и третьей четвертях периодов, даже если бы напряжение на накопительных конденсаторах не более сетевого амплитудного U=+/-310 В.
При использовании повышающего автотрансформатора 2 с коэффициентом трансформации k≥2, напряжение, до которого заряжаются высоковольтные импульсные накопительные конденсаторы 5 и 10, может быть выбрано больше величины ≈2 U=620 В (реально от 560 до 600 В), характерной для выбранного решения-прототипа, в котором оба конденсатора при разряде включаются симистором последовательно, что повышает энергетику устройства, пропорциональную квадрату напряжения заряда. Следовательно, увеличение этого напряжения способствует возможности снижения емкости накопительных конденсаторов. Кроме того, при разрядах накопительных конденсаторов сопротивление разрядных цепей снижается по сравнению с прототипом, в котором разряд осуществляется от двух последовательно включенных конденсаторов. Это существенно в тех случаях, когда внутреннее сопротивление источника сети для данного конкретного потребителя оказывается весьма малым, например, меньше 0,1 Ом.
1
c2
H
1
H
2
Как показал проведенный автором эксперимент с высоковольтным импульсным конденсатором типа К75-17 с емкостью 50 мкФ и рабочим напряжением 1000 В, его сопротивление при разряде (при коротком замыкании) составляет около 0,1 Ом. Сопротивление открытого симистора типа ТС212-16 равно в открытом состоянии всего 0,03 Ом и примененного дросселя около 0,1 Ом с учетом соединяющих проводников в разрядной цепи до счетчика. Сопротивление токового измерительного элемента счетчика можно принять равным 0,02 Ом. Тогда полное сопротивление разрядной цепи составляет порядка 0,25 Ом. Это означает, что при внутреннем сопротивлении источника сети 0,1 Ом только (0,1/0,35)·100%=28,6% энергии будет возвращено в сеть, а 71,4% будет рассеяно до измерительного электросчетчика. Измеренное значение внутреннего сопротивления сети в опыте автора составляло величину 0,27 Ом, и в этом случае в сеть возвращается уже 51,9% энергии, образующейся от разности интегралов, указанных выше, но при замене мгновенных значений разрядного тока и напряжения при вычислении указанных интегралов. Попутно отметим, что внутреннее сопротивление сети для любого потребителя легко вычисляется по формуле [(Uc/U)-1]R, где Uc - действующее напряжение сети без подключения нагрузки сопротивлением R, a Uc - действующее напряжение сети при подключении данной нагрузки.
Следует отметить, что подключение данного устройства к сети напряжение в ней может заметно повыситься, что в ряде случаев оказывается полезным, особенно когда в длинной линии электропередачи имеют место заметные потери, например, в сельской местности отмечалось недопустимое падение напряжения на конце линии электропередачи (ВЛ-0,4 кВ) до 180 В и ниже. Для потребителей, расположенных вблизи подстанции или вблизи подключенного к сети заявляемого устройства, применение рассматриваемого устройства может заметно повысить напряжение сети, которое отчасти компенсируется падениями напряжения в фазовых точках π/4 и 5 π/4 переменного напряжения, когда зарядный ток в накопительных конденсаторах достигает максимума, и форма тока и напряжения в сети отличается от синусоидальной, как это видно на рис. 2. Возникающее искажение формы сетевого напряжения незначительно сказывается на работе бытовой техники и промышленных установок. В сложной электронной технике (компьютерах, телевизорах и др.), как правило, используются стабилизаторы напряжения, так что указанное искажение формы напряжения практически никак не сказывается на работе этих устройств.
Обратимся теперь к рассмотрению работы блока управления 13.
ИМП
ИМП
В его составе в блоке питания 33 имеется понижающий трансформатор с выпрямителями и стабилизаторами напряжений питания микросхем ТТЛ-логики +5 В и усилителей мощности при +15 В, с обмотки которого снимается переменное напряжение U**=17 В, которое в той же фазе относительно фазы сетевого напряжения подается на первый компаратор 15, а также на регулируемую по сдвигу фазы этого напряжения фазосдвигающую цепь 14. Сдвиг фазы в этой двойной RC-цепи регулируется в пределах от 65° до 85°, что при различной заданной длительности разрядного импульса t (см. рис. 2), например t≈Τ/8, необходимо для центровки этого импульса относительно фазовых точек π/2 и 3π/2 соответственно в положительных и отрицательных полупериодах сетевого напряжения. Выходной сигнал с регулируемой фазосдвигающей цепи подается на второй компаратор 16. На выходе компараторов 15 и 16 образуются меандровые прямоугольные импульсы ТТЛ-логики - нуля и единицы, которые подвергаются инвертированию в первом и втором инверторах 17 и 18. Выходы с компаратора 15 и инвертора 18 связаны с первой схемой совпадений 19, на выходе которой образуются логические уровни для открытия силового транзистора 3, для чего используется усилитель мощности 31 с трансформаторным выходом. Выходы с компаратора 16 и инвертора 17 связаны с второй схемой совпадений 20, на выходе которой образуются логические уровни для открытия силового транзистора 8, для чего также используется усилитель мощности 32 с трансформаторным выходом. Сопротивление вторичных обмоток указанных трансформаторов усилителей мощности 31 и 32 достаточны для ограничения токов базы указанных транзисторов 3 и 8.
Использование дросселей 6 и 11 (рис. 1) приводит к растягиванию импульса разряда и понижению напряжения на клеммах электросчетчика - фазном и нулевом - при разряде.
ЗАД
ЗАД
Для формирования импульсов запуска тиристоров (симисторов) 7 и 12 используются цепи из последовательно включенных инвертора 21 (22), дифференцирующих RC-цепочек 23 (24), формирователей коротких импульсов задержки Δt≈0,1…0,3 мс 25 (26), генераторов импульсов включения тиристоров (симисторов) 27 (28), включение которых задерживается на величину Δt относительно моментов времени закрытия соответствующих силовых транзисторов 3 и 8, и усилителей мощности с трансформаторными выходами 29 (30). Так, для симистора типа ТС212-16 напряжение управления составляет 3 В при управляющем токе для открытия симистора 0,1 А, что следует учитывать при выборе коэффициента трансформации выходных трансформаторов в 29 (30) порядка 0,20…0,33 и сопротивления их вторичных обмоток.
В качестве компараторов, инверторов, схем совпадения и формирователей коротких импульсов задержки могут быть использованы микросхемы К555ЛА3 (4 элемента 2И-Не) в их типовом включении. Усилители мощности могут быть построены на микросхемах К174УН7 с выходной мощностью от 0,25 Вт до 4,5 Вт. Для мощных устройств «отмотки» могут дополнительно использоваться транзисторы, например, типа КТ819А, а в качестве силовых транзисторов могут применяться такие, как ТКД265-100, со средним током до 100 А и лавинные тиристоры типа ДЛ-161-320 с импульсным током до 600 А при обратном напряжении 1800 В.
Заявитель подчеркивает, что данное устройство эффективно для использования разработчиками принципиально новых типов электросчетчиков, не допускающих хищения электроэнергии, например, таких, как предложено в [10].
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 №2520311, 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.
9. Меньших О.Ф. Устройство для поверки индукционных приборов учета электроэнергии. Патент №2521307, опубл. в №18 от 27.06.14 (прототип).
10. Меньших О.Ф. Устройство учета электроэнергии. Патент №2521767, опубл. в №19 от 10.07.2014.