УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ
DEVICE FOR TESTING INDUCTIVE ELECTRIC METERS

Изобретение относится к области измерительной электротехники и может быть использовано для оценки пригодности вновь разрабатываемых электросчетчиков от неконтролируемого отбора электроэнергии 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 существенное упрощение мостовой схемы, устройства управления и исключение вторичного источника питания.
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве для проверки индукционных электросчетчиков, содержащем в ветвях мостовой схемы накопительные конденсаторы, выводы которых с одной стороны подключены к проводникам сети, а с другой стороны - к тиристору в диагональной цепи мостовой схемы, отличающемся тем, что последовательно с накопительными конденсаторами включены дроссели, подключенные к проводникам сети, в диагональной цепи мостовой схемы установлен дополнительный встречно включенный тиристор, а схема управления тиристорами включает подключенную к сети двухзвенную интегрирующую цепь с регулируемой постоянной времени, причем второй конденсатор этой цепи подключен к встречно подключенным к нему диодам двух раздельных цепей управления тиристорами, каждая из которых содержит последовательно соединенные к этим диодам динисторы и понижающие трансформаторы, первичные обмотки которых шунтированы гасящими экстратоки диодами, а вторичные обмотки подключены к переходам «управляющий электород-катод» тиристоров через ограничивающие низкоомные резисторы.
Достижение поставленных целей изобретения очевидно, поскольку вместо активных управляемых силовых транзисторов в ветвях мостовой схемы используются пассивные элементы - дроссели, отсутствует вторичный источник питания и существенно упрощено устройство управления тиристорами диагональной цепи мостовой схемы.
Принципиальная схема устройства дана на рис. 1. В верхней половине этой схемы показана мостовая схема, а в нижней - устройство управления включением тиристоров мостовой схемы. Фрагмент устройства управления представлен на рис. 2. На рис. 3 и рис. 4 представлены графики напряжения на накопительных конденсаторах мостовой схемы и тока их заряда и разряда.
Устройство (рис. 1) содержит следующие элементы:
1 и 2 - накопительные конденсаторы первой и второй ветвей мостовой схемы,
3 и 4 - дроссели первой и второй ветвей мостовой схемы с индуктивностями L,
5 и 6 - встречно включенные тиристоры в диагональной цепи мостовой схемы.
Нижняя половина схемы рис. 1 - устройство управления включением тиристоров 5 и 6 - имеет общую часть и две раздельных части схемы.
Фрагмент устройства управления на рис. 2 в его общей части включает следующие элементы:
7 - резистор первого звена интегрирующей цепи,
8 - конденсатор первого звена интегрирующей цепи,
9, 10 и 11 - комбинация резисторов второго звена интегрирующей цепи с управлением по напряжению и постоянной времени (резистором 9),
12 - конденсатор второго звена интегрирующей цепи.
Каждая из двух раздельных цепей устройства управления включает элементы:
13 - диод-разделитель первой раздельной цепи для пропуска тока разряда конденсатора 12 в положительные и отрицательные полупериоды сетевого напряжения, сдвинутого по фазе интегрирующей цепью,
14 - динистор первой раздельной цепи, инициирующий разряд конденсатора 12 при достижении на нем порогового напряжения отпирания,
15 - понижающий трансформатор первой раздельной цепи,
16 - гасящий экстратоки первичной обмотки понижающего трансформатора 15 первой раздельной цепи,
17 - низкоомный ограничивающий ток резистор в цепи управления тиристором 5 первой раздельной цепи устройства управления.
Вторая раздельная цепь устройства управления тиристором 6 на рис. 1 не обозначена и содержит те же элементы, как в первой раздельной цепи, с теми же параметрами. Отличие второй раздельной цепи от первой заключается лишь в обратном включении диодов 13 и 16, а также динистора 14, как это видно на рис. 1.
O
O
O
2
2
O
На рис. 3 дан график изменения напряжения u(t) на накопительных конденсаторах 1 и 2 мостовой схемы при их заряде и разряде в функции текущего значения фазы φ(t) переменного напряжения сети с амплитудой U. В зависимости от моментов включения тиристоров 5 и 6 напряжение заряда накопительных конденсаторов 1 и 2 может оказаться максимальным - до величины U (при  для положительных полуволн сетевого напряжения и  - для отрицательных полуволн), либо несколько меньшим этой величины U, как это и показано на рис. 3 для φ>π/2 и φ>3π/2. Изменение напряжения ΔU заряда накопительных конденсаторов 1 и 2 от амплитудного значения U следует минимизировать соответствующей подстройкой моментов включения тиристоров 5 и 6 соответствующим подбором комбинации резисторов 9, 10 и 11 и, в частности, подстройкой резистором 9.
На рис. 4 представлен график тока заряда и разряда накопительных конденсаторов 1 и 2 дважды за период переменного напряжения сети. До момента включения соответствующего тиристора (5 в течение положительного полупериода и 6 в течение отрицательного) эти конденсаторы заряжаются сравнительно малым током через дроссели 3 и 4 в течение значительного промежутка времени (порядка Т/4, где Т - период сетевого напряжения, равный для действующей сети 20 мс). В момент включения соответствующего тиристора эти конденсаторы включаются последовательно и быстро разряжаются обратно в сеть с большой амплитудой по экспоненциальному закону, после чего тиристор автоматически закрывается.
Рассмотрим работу заявляемого технического решения.
O
O
O
O
РАЗР.МАХ
O
O
РАЗР
РАЗР
C
X
H
H
В первую четверть периодов синусоидального напряжения сети накопительные конденсаторы 1 и 2, параллельно включенные к сети через дроссели 3 и 4, в общем случае заряжаются до напряжения U-ΔU, а при соответствующей подстройке резистором 9 - до амплитудного значения U. Будем далее рассматривать случай заряда накопительных конденсаторов до амплитудного значения U сетевого напряжения (для стандартной однофазной сети это напряжение равно 220*1,41=310 В). Если емкость каждого из накопительных конденсаторов равна С, то полная энергия их заряда равна . При фазе  включается тиристор 5 и происходит быстрый разряд этой энергии W обратно в сеть при последовательном включении накопительных конденсаторов 1 и 2 (при этом емкость разрядной цепи равна С/2), и при этом напряжение, приложенное к проводникам сети и, в частности, к обмотке напряжения электросчетчика, удваивается, становится равным 2 U (если не учитывать, в первом приближении, потери этого напряжения от мостовой схемы устройства до электросчетчика). Поскольку сопротивление разрядной цепи составляет десятые доли Ом, амплитуда импульса разрядного тока достигает большой величины I=(2U-U)/r, где r - активное сопротивление разрядного контура, определяемое суммой сопротивлений малых потерь в мостовой схеме и подводящих проводниках от устройства до электросчетчика (например, порядка 0,05 Ом) и сопротивлением сети, составленным сопротивлениями токовой обмотки электросчетчика, ввода к электросчетчику и воздушной линии электропередачи ВЛ-0,4 кВ вместе с сопротивлением вторичной обмотки трансформатора электроподстанции (например, порядка 0,15 Ом). Отметим, что сопротивление сети варьируется в зависимости от места расположения потребителя электроэнергии от электроподстанции, а также качества воздушной линии и ввода от нее к электросчетчику. Величина сопротивления сети r легко опытно находится путем двух измерений напряжения сети - в холостом ходе U и при нагрузке сети U при известном сопротивлении нагрузки R по простой формуле:
P
C
1
ОБМ
U
C
РАЗР
O
C
P
C
Так, если внутреннее сопротивление разрядной цепи мостовой схемы равно r=0,05 Ом, а сопротивление сети r=0,15 Ом, то напряжение на обмотке напряжения электросчетчика в момент открытия тиристора T достигает величины U=2Or/r=2Ur/(r+r)=620*0,15/(0,05+0,15)=465 В.
РАЗР
РАЗР
РАЗР
C
P
C
Постоянная времени разрядной цепи вычисляется по формуле τ=rС/2, и за интервал времени порядка 3 r - длительности разрядного импульса тока - накопленный в конденсаторах 1 и 2 электрический заряд с энергией  будет частично возвращен в сеть через токовую обмотку индукционного электросчетчика за вычетом потерь энергии внутри рассматриваемого устройства, а именно в сеть будет возвращена энергия Wr/(r+r). В рассматриваемом примере она составит 75% от энергии заряда.
Согласно закона сохранения заряда можно написать общее выражение для заряд-разряда:
где К>>1 - безразмерный множитель, равный отношению амплитуды разрядного импульса к амплитуде зарядного (при φ=π/8), учитывая равенство площадей под кривыми зарядного и разрядного токов, то есть К - есть относительная амплитуда разрядного импульса по отношению к амплитуде зарядного, принимаемой за единицу (см. рис. 4).
O
2
Учитывая то важное обстоятельство, что амплитуда напряжения в последовательно включенных накопительных конденсаторах в начале разряда в общем случае равна 2 (U-ΔU) в момент времени, соответствующий фазе φ, и принимаемого за единичный уровень, можно записать отношение энергий разряда к энергии заряда в показаниях индукционного счетчика, определяемых произведением мгновенных значений тока в токовой обмотке счетчика на напряжение, действующее в обмотке напряжения счетчика, в следующей форме:
РАЗР
РАЗР
C
P
C
1
2
2
Из выражения (2) при исходных данных для Т=0,02 с и τ=r С/2, например при С=100 мкФ, получаем вычислением по программе MathCad К=11,166. Подставляя значение К в выражение (3), и с учетом величины r/(r+r)=0,75, находим значение L=1,181 при значении Δt*=0, соответствующем оптимизированной настройке момента включения тиристора Т при которой φ=φ*=π/2.
1
2
P
C
C
O
O
2
Таким образом, при заряде накопительных конденсаторов C и С диск индукционного электросчетчика вращается в прямом направлении медленнее в L раз, чем вращается в обратном направлении при разряде этих конденсаторов, что связано только с принципом действия этого счетчика, хотя фактически возвращаемая в сеть энергия меньше потребляемой в (r+r)/r раз (в рассматриваемом примере в 1,33 раза). Это определяет неправильный учет энергии таким электросчетчиком. Так, при С=100 мкФ, U=310 В энергия ΔW за каждый положительный полупериод сетевого напряжения ΔW=W(L-1)=0,181CU =1,74 Дж.
1
2
2
В третьей четверти каждого периода переменного напряжения происходит перезаряд накопительных конденсаторов C и С с последующим разрядом их через отпираемый тиристор Т по вышеописанному алгоритму, но с заменой знаков для напряжения и тока заряда-разряда. Это означает, что при частоте сетевого напряжения F=1/Т=50 Гц за единицу времени осуществляется сто циклов заряд-разряда, и при этом мощность ΔР в показаниях индукционного электросчетчика составляет для рассматриваемого примера величину ΔР=2FΔW=174 Вт.
ЗАР
O
P
C
2
Увеличение мощности ΔР возникает при увеличении емкости С накопительных конденсаторов. Отмечая, что ΔР=(L-1)Р=2CU F(L-1), можно пользуясь программой MathCad вычислить значения К и L из выражений (2) и (3) для заданных значений С, r и r и найти соответствующее значение разностной мощности ΔР. Как показывает анализ, ΔР пропорциональна значению С при прочих равных условиях. Так что при выборе С=500 мкФ использованием двадцати импульсных конденсаторов К75-17 1000 В 50 мкФ или десяти конденсаторов К75-40 750 В 100 мкФ разностная мощность ΔР составляет не менее 0,8 кВт. Такие потери обязывают исключить из оборота существующие (особенно в частном секторе потребителей) индукционные электросчетчики и разработать новые типы счетчиков электроэнергии, и при этом заявляемое устройство должно быть использовано разработчиками таких электросчетчиков для их проверки на противодействие неправильным показаниям.
Обратимся к рассмотрению работы блока управления тиристорами 5 и 6 (рис. 2).
Д
Для формирования сигнала отпирания тиристора (импульса положительной полярности, приложенного к управляющему электроду тиристора относительно его катода) используется двухзвенная интегрирующая цепочка с регулировкой постоянной времени в ее втором звене и напряжения, заряжающего и перезаряжающего конденсатор 12 второго звена. Когда напряжение на конденсаторе 12 достигает порога U отпирания динистора 14 в положительных полупериодах напряжения сети, происходит быстрый разряд этого конденсатора через диод 13, динистор 14 и первичную обмотку понижающего трансформатора 15. При отрицательных полупериодах напряжения сети то же происходит во второй раздельной цепи устройства управления при формировании отпирающего тиристор 6 импульса. Но при этом соответствующие диоды и динистор включены встречно по отношению к конденсатору 12.
Д
2
2
2
Первое звено интегрирующей цепи на элементах 7 и 8 осуществляет сдвиг фазы переменного напряжения сети на угол в диапазоне π/4…π/3, а также снижает переменное напряжение на конденсаторе 8 более, чем вдвое по сравнению с напряжением сети (например, в диапазоне 50…100 В). Во втором звене интегрирующей цепи также производится регулируемый резистором 9 дополнительный сдвиг фазы в диапазоне π/4…π/3 и регулировка амплитуды напряжения, подаваемого на конденсатор 12. Такая регулировка позволяет зарядить последний до напряжения пробоя U динистора 14 в моменты времени, соответствующие фазе φ сетевого напряжения, например, равной φ=π/2 в положительных полупериодах φ=3π/2 - в отрицательных (для оптимизированной настройки).
2
Д
В одном из рассмотренных вариантов построения устройства управления использованы следующие элементы: 8 и 12 типа К73П-3 1 мкФ 160 В, резистор 7 составлен из двух последовательно соединенных резисторов ОМЛТ-2 (или С2-23) на 4,7 кОм, потенциометр 9 типа ППМЛ-И (многооборотный для точной подстройки фазы φ) на 1 кОм, резистор 10=1 кОм, резистор 11=2,2 кОм типа МЛТ-1, диоды 8 и 12 типа Д312, динистор 14 типа КН102А с напряжением пробоя U=20 В, понижающий трансформатор 15 типа ТПП-227 с коэффициентом трансформации 20 В/5,7 В=3,5 (или иной самодельный на ферритовом кольце М2000НМ-1 К45×28×8), ограничивающий резистор 17 типа ПТМН-0,5 3,9 Ом. В качестве тиристоров 5 и 6 могут быть использованы обычные сильноточные тиристоры, например Т160 класса 9 или лавинный тиристор ТЛ-150-7 на импульсный ток до 2500 А с переходным сопротивлением открытого перехода «анод-катод» порядка 1 мОм. Для управления такими тиристорами требуется формирование отпирающих импульсов амплитудой около 5 В с током до 0,5 А (ток удержания порядка 0,2 А). Основные потери внутри разрядной цепи устройства определяются исключительно качеством используемых импульсных или иных биполярных накопительных конденсаторов.
С
P
C
Важно отметить, что при разряде накопительных конденсаторов подавляющая доля энергии разряда поступает обратно в сеть, а не закорачивается через дроссели, поскольку спектр коротких импульсов разряда столь широк, что дроссели для таких импульсов представляют большие реактивные сопротивления |Х|=ωL, где ω=2π/3(r+r)С.
P
C
C
Так, при С=100 мкФ, r+r=0,2 Ом и L=0,04 Гн (например типа Д-170-2,2-0,04) имеем |Х|≈4,19 кОм>>>0,2 Ом. По закону Кирхгофа практически весь разрядный ток возвращается в электрическую сеть. Именно это обстоятельство позволило отказаться от сильноточных транзисторов в ветвях мостовой схемы, которые для своей работы требовали применения достаточно сложных электронных устройств управления и вторичного источника питания.
Заряд накопительных конденсаторов 1 и 2 через дроссели 3 и 4 осуществляется беспрепятственно, поскольку модуль реактивного сопротивления этих дросселей мал для сетевого напряжения (порядка 12,5 Ом), а также малыми являются их активные сопротивления (порядка 0,3 Ом).
O
O
O
O
ДР
ДР
1
2
1/2
1/2
Последовательное включение дросселя с индуктивностью L и накопительного конденсатора емкостью С образует колебательный контур с резонансной частотой f, равной f=1/2π(LC). При близости собственной частоты f такого колебательного контура к частоте F сетевого напряжения можно поднять напряжение заряда в накопительных конденсаторах максимально до величины QU, где Q=(L/С)/r - добротность контура, r - активное сопротивление дросселя. Этим приемом можно увеличить энергетические характеристики устройства, в частности, повысить величину ΔР без увеличения емкости накопительных конденсаторов, однако это потребует применения таких конденсаторов с большим рабочим напряжением, а также тиристоров T и Т с более высоким классом по их напряжению (до 12-го… 14-го класса при Q≥2). Однако при этом на обмотке напряжения электросчетчика возникает слишком высокое переменное напряжение, хотя и кратковременно, способное вывести из строя эту обмотку, то есть привести к гибели прибора учета электроэнергии.
Заявляемое устройство следует использовать при разработке приборов учета электроэнергии, не чувствительных к искажениям их показаний. Например, можно рекомендовать разработку электросчетчиков, работающих по однополупериодной схеме, то есть допускающих протекание тока только в одном прямом направлении, как это было предложено в [7].
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. 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 С1, 10.11.2008. RU 2181894 С1, 27.04.2002. RU 2190859 С2, 10.10.2002.
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.