УСТРОЙСТВО ПРОВЕРКИ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКОВ
DEVICE FOR TESTING OF INDUCTIVE ELECTRIC METERS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при испытаниях однофазных индукционных электросчетчиков, в частности, при проверке погрешности отсчета расходуемой электроэнергии при прерывании рабочего тока на повышенной частоте, во много раз превышающей частоту энергоснабжающей сети.
Известно, что точность работы таких приборов учета на используемой промышленной частоте 50 Гц достаточно высокая, однако эти характеристики существенно снижаются, если ток нагрузки прерывается с повышенной частотой, много большей частоты сети. Это приводит к необходимости исследования зависимости правильного учета потребляемой электроэнергии от частоты прерываний электрического тока в нагрузках.
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.
Ранее автором были предложены эффективные способы борьбы с хищениями электроэнергии, выполняемые путем так называемого переброса фазного и нулевого проводников на соединении ввода к ответвлению от воздушной линии ВЛ-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]. Это понуждает к разработке электросчетчиков, не чувствительных к подключению такого рода устройств, снижающих их показания при подключении активной нагрузки.
Целью изобретения является повышение эффективности функционирования прибора проверки правильности учета электроэнергии для вновь разрабатываемых электросчетчиков активной энергии индукционного типа и других типов счетчиков.
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве проверки индукционных электросчетчиков, содержащем накопительные конденсаторы, заряжаемые прерывистым током на повышенной частоте прерываний и плавно разряжаемые обратно в сеть, а также транзисторные цепи прерывания тока и коммутации плавного разряда накопительных конденсаторов, отличающемся 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.
При этом блок управления транзисторами и симистором заявляемого устройства 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 открытии симистора с малой временной задержкой, например, не более 0,5 мс, относительно начал второй и четвертой четвертей периодов сетевого напряжения.
Достижение поставленной цели объясняется быстрым прерывистым зарядом накопительных конденсаторов в первой и третьей четвертях периодов сетевого напряжения через двунаправленные транзисторные коммутаторы и затянутым во времени за счет использования в цепи разряда индуктивности плавным разрядом этих конденсаторов, включаемых последовательно симистором, открываемым во второй и четвертой четвертях периодов сетевого напряжения, и при этом ток разряда протекает через электросчетчик в обратном направлении, вместо прямого, как при работе на активную нагрузку.
На представленных рисунках поясняется сущность заявляемого устройства.
На рис.1 приведена схема устройства, На рис.2 дана блок-схема блока управления транзисторами и симистором. На рис.3 представлены временные диаграммы формирования импульсных сигналов прерывания тока заряда накопительных конденсаторов и связи его выходных цепей с транзисторами и симистором (рис.1) прописными буквами русского алфавита, а также связи этого блока с проводниками сети.
На рис.1 указаны следующие компоненты:
1 - накопительный конденсатор первой цепи мостовой схемы (емкостью С).
2 - двунаправленный транзисторный коммутатор первой цепи мостовой схемы,
3 - двунаправленный транзисторный коммутатор второй цепи мостовой схемы,
4 - накопительный конденсатор второй цепи мостовой схемы (емкостью С),
5 - катушка индуктивности диагональной цепи мостовой схемы (индуктивностью L),
6 - симистор диагональной цепи мостовой схемы,
7 - блок управления транзисторами и симистором,
8 - заземление нулевого проводника сети.
Блок управления транзисторами и симистором 7 (рис.1) раскрыт на рис.2 и состоит из следующих элементов и узлов:
9 - первого регулируемого делителя напряжения,
10 - первого компаратора,
11 - первой фазосдвигающей RC-цепи, 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», или D-триггера,
27 - первой дифференцирующей цепи,
28 - второй дифференцирующей цепи,
29 - сумматора-формирователя запускающих симистор импульсов (схема «ИЛИ» с одновибратором),
30 - третьего импульсного усилителя мощности,
31 - третьего импульсного трансформатора запуска симистора,
32 - вторичного источника питания элементов блока управления (ВИП).
На рис.3 представлены 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.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
В начале первой четверти периода (рис.3а) сетевого напряжения симистор 6 закрыт, а на управляющие переходы «база-эмиттер» транзисторов 2 и 3 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 1 и 4 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 6 под действием запускающего импульса с выхода третьего импульсного усилителя мощности 30, формируемого в блоке 7. При этом оба заряженных конденсатора 1 и 4 оказываются включенными последовательно, напряжение на концах «а» и «и» равно почти удвоенному значению амплитуды сетевого напряжения (порядка 600 В) с направлением разрядного тока, противоположным прямому направлению тока в электросчетчике, какое было бы при включении активной нагрузки. Это вызывает снижение показаний в электросчетчике - отмотку.
В начале третьей четверти периода сетевого напряжения симистор в результате разряда конденсаторов 1 и 4 оказывается закрытым, а на переходы «база-эмиттер» другой пары двунаправленных транзисторных коммутаторов 2 и 3 действует аналогичный выше указанному пакет положительных импульсов с выхода второго импульсного усилителя мощности 22. Это создает прерывистый перезаряд конденсаторов 1 и 4 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 6 с небольшой задержкой (порядка 0,1-0,3 мс) открывается, снова включая последовательно соединенные конденсаторы 1 и 4, которые разряжаются в сеть. При этом через токовую обмотку электросчетчика ток течет в обратном направлении по сравнению с тем, какое было бы при включении активной нагрузки, то есть снова поддерживается режим «отмотки» показаний.
В дальнейшем весь описанный процесс периодически повторяется.
1/2
2
-5
4
1/2
2
2
-4
2
РАЗР
РАЗР
O
РАЗР
О
O
O
O
Важно отметить, что прерывистый заряд накопительных конденсаторов 1 и 4 происходит с малой постоянной времени при работе открытых транзисторов в режиме насыщения, то есть с весьма малым сопротивлением, а плавный разряд последовательно соединенных конденсаторов 1 и 4 происходит с затягиванием во времени практически на всю четверть периодов (вторую и четвертую) сетевого напряжения, что достигается включением в разрядную цепь катушки индуктивности 7. Разряд затягивается в соответствии с выражением τ=(LC/2)≈Т/4, где L и С/2 - индуктивность и емкость цепи разряда, Т - период сетевого напряжения (20 мс). Таким образом, величина индуктивности выбирается из условия L≈Т/8 С. Применительно к сети с частотой 50 Гц имеем L≈5∗10/С, где емкость выбирается в Фарадах, а индуктивность в Генри. При измерении индуктивности в мГн и емкости в мкФ имеем связь Ц(мГн)≈5∗10/С(мкФ). Так, при С=100 мкФ получим для L величину около L≈500 мГн. Ясно, что при таких параметрах разряд чисто апериодический при условии, что ρ=(2 L/С)=100 Ом>>r, где ρ - волновое сопротивление, LC/2 - линии, r - активное сопротивление разрядной цепи (в основном, это активное сопротивление катушки индуктивности). Это неравенство обычно всегда удовлетворяется при выполнении обмотки катушки индуктивности 7 медным проводником значительного поперечного сечения q≥I/2j, где I - средний разрядный ток, j - допустимая плотность тока (в медных проводниках j=10 А/мм). При наличии в разрядной цепи индуктивности L среднее значение разрядного тока при условии полного заряда накопительных конденсаторов до амплитудного значения сетевого напряжения U (то есть около 300 В при действующем напряжении сети 220 В) определяется равенством I≈4W/UT=2 С U //UT=2∗10′∗300/0,02=3 А, где W=С U /2 - энергия заряда конденсатора.
РАЗР
РАЗР
O
ОТМ
РАЗР
ИЗМ
ОТМ
ИЗМ
Если полагать, что при оптимальном значении частоты прерываний зарядного тока (например, из диапазона 1…5 кГц) меандровыми импульсами (со скважностью импульсов, равной двум) правильно учитываемая счетчиком энергия составляет только 25% от энергии отмотки, мощность разряда которой приблизительно равна P≈I U=900 Вт (при емкости С=100 мкФ), то мощность отмотки Р=0,75 Р=675 Вт. В течение времени измерения работы электросчетчика ΔТ=1 мин=60 с энергия отмотки составит W(ΔТ)=60∗675=0,01125 кВт·час. Регулировкой частоты прерываний тока заряда в блоке 25 можно найти оптимальное ее значение, при котором мощность отмотки максимальна. Соответственно разрабатываемые новые приборы учета электроэнергии должны быть поверены с помощью заявляемого устройства на этой частоте прерываний.
СР ЗАР
РАЗР
ЗАР
РАЗР
Зарядный ток в пределах соответствующей четверти периодов сетевого напряжения (первой и третьей) изменяется во времени заряда от нуля в начале заряда до некоторой максимальной величины (в средней части длительности заряда), а затем снова уменьшается до нуля. Среднее значение зарядного тока можно найти из выражения I =1,41 I*Q Здесь Q=2 - скважность следования импульсов заряда. Максимальное значение тока заряда в импульсе может превышать среднее в 1,41 раза. Тогда при емкости С=100 мкФ имеем максимальное значение в импульсе зарядного тока Мах I=4 I≈12 А. На это значение тока должны быть рассчитаны силовые транзисторы двунаправленных транзисторных коммутаторов 2 и 3 (рис.1). Этому условию удовлетворяют n-p-n транзисторы КТ839А.
ОТМ МЕС
ОТМ МЕС
В качестве симистора 6 может быть использован полупроводниковый прибор КУ208Г. При использовании накопительных конденсаторов 1 и 4 С=1000 мкФ все указанные величины токов заряда и разряда соответственно возрастут на порядок, и в такой схеме следует применять транзисторы типа ТКД265-100-6-1 и симистор ТС-151-160. При этом в течение месяца непрерывного включения такого устройства энергия отмотки составит W=4860 кВт·час. Транзисторы ТКД265-100-6-1 и симистор ТС-151-160 могут использоваться при емкостях накопительных конденсаторов не более 1500 мкФ, и при этом W=7300 кВт·час. При коммерческой стоимости 1 кВт·час порядка 5 рублей ущерб от месячной работы такого устройства составляет около 36,5 тыс.рублей. Поэтому использование такого рода устройств отмотки принесет колоссальный экономический вред энергосистеме страны.
Кратко рассмотрим работу блока управления транзисторами и симистором 7.
С фазным проводником сети (рис.3а) связаны первый 10 и второй 14 компараторы, на выходе которых образуются меандровые импульсы (рис.3в и рис.3г), полученные преобразованием исходного синусоидального напряжения фазы (рис.3а) и сдвинутого по фазе на 90° напряжения сети с помощью фазосдвигающих цепей 11 и 12 (вторая регулируемая). Из полученных импульсных последовательностей и их инверсии (рис.3д и рис.3е) соответственно в инверторах 15 и 16 с помощью схем совпадений 17 и 18 получают импульсные последовательности (рис.3ж и рис.3з), соответствующие первой и третьей четвертям периодов сетевого напряжения.
Регулируемый по частоте генератор высокочастотных колебаний 25 связан с D-триггером 26, на выходе которого образуется периодическая последовательность импульсов типа меандра (со скважностью, равной двум) в диапазоне частот 1…5 кГц (рис.3и). Эта последовательность импульсов подается на смесители 19 и 21 на логических элементах 2И-Не (схем совпадения) вместе с импульсами, поступающими на их вторые входы со схем совпадения 17 и 18 соответственно. На выходах схем 19 и 21 образуются пачки импульсов (рис.3к и рис.3л), которые затем усиливаются по мощности в импульсных усилителях 20 и 22, выходные цепи которых нагружены на импульсные ферритовые трансформаторы 23. Вторичные обмотки этих трансформаторов включены к переходам транзисторов двунаправленных транзисторных коммутаторов 2 и 3 (рис.1) через гридлики 24 из параллельно соединенных полярных конденсаторов значительной емкости (например, 2200 мкФ на 6 В типа К52-2) и проволочного резистора, используемого в качестве ограничителя тока базы транзистора от перенапряжения. Наличие гридликов в базовых цепях транзисторов позволяет получить отрицательное смещение на их базах в течение второй и четвертой четвертей периодов сетевого напряжения, что необходимо для надежного закрытия этих транзисторов в эти отрезки времени.
С помощью элементов 27-31 формируются импульсы запуска симистора 6. В них предусматривается небольшая задержка формирования этих импульсов (менее 0,5 мс), чтобы надежно обеспечивалось условие «открытие симистора после закрытия всех транзисторов». Симистор 6 автоматически закрывается вблизи конца второй и четвертой четвертей периодов сетевого напряжения при снижении тока разряда накопительных конденсаторов ниже некоторой паспортной величины на данный тип симистора.
Вторичный источник питания 32 (ВИП) снабжает соответствующие микросхемы и транзисторы блока 7. Подстройка напряжения срабатывания первого 10 и второго 14 компараторов осуществляется регулируемыми делителями напряжения 9 и 13 соответственно. Соединение вторичных обмоток трансформаторов 23 соответствующих пар транзисторов в двунаправленных транзисторных коммутаторах 2 и 3 и трансформатора 31 показано буквами русского алфавита на рис.1 и рис.2.
Использование заявляемого устройства по его прямому назначению - для проверки индукционных приборов учета электроэнергии при разработке подобных счетчиков не исключает использования таких устройств в целях хищения электроэнергии. Поэтому следует переоснастить парк существующих у населения и организаций индукционных приборов учета типа СО-2М, СО-И646М и других, чтобы исключить неконтролируемый расход электроэнергии и связанные с этим огромные экономические потери.
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. в бюлл. №20 от 20.07.2012.
Данные патентного поиска
RU 2338217 C1, 10.11.2008
RU 2190859 C2, 10.10.2002
RU 2181894 C1, 27.04.2002
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.