СХЕМА ДЛЯ ПРОВЕРКИ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКОВ
SCHEME FOR TESTING OF INDUCTIVE ELECTRIC METERS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для проверки чувствительности индукционных электросчетчиков с вращающимися дисками к реверсированию последних под действием 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 магнитомягкий диск, 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, а подсчет электроэнергии определяется числом вращений диска, что эквивалентно операции интегрирования указанных мгновенных значений произведений во времени.
1
2
При активной нагрузке форма токов и напряжений является синусоидальной, при этом максимум тока в активной нагрузке соответствует максимуму напряжения, то есть пиковые значения произведений тока на напряжение соответствуют фазам сетевого напряжения φ(t)=ωt+π/2 и φ=ωt+3π/2, причем оба этих произведения для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения всегда положительны, что создает вращательный момент одного знака, и диск вращается в одном и том же направлении, то есть без признаков реверса.
C
C
O
O
С другой стороны, 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)=U sin ωt/jωС, 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.
Для оценки влияния несимметричной для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения комплексной нагрузки на способность реверсирования вращающегося диска в индукционном электросчетчике следует создать такую нагрузку, что и является объектом заявляемого технического решения.
Целью изобретения является создание несимметричной для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения комплексной нагрузки.
Указанная цель достигается в схеме для проверки индукционных электросчетчиков, выполненной на основе трансформатора с повышающей и понижающей вторичными обмотками, к первичной обмотке которого, включаемой в сеть переменного тока, подключена цепь из последовательно соединенных накопительного конденсатора и тиристора, конденсатор через высоковольтный диод связан с повышающей вторичной обмоткой трансформатора и заряжается от нее при отрицательных полупериодах сетевого напряжения, а управляющий переход тиристора соединен с понижающей обмоткой трансформатора через встречно последовательно включенные стабилитрон и диод, а также резистор, причем тиристор открывается в течение положительных полупериодов сетевого напряжения с некоторой временной задержкой от начала этих полупериодов.
Достижение поставленной цели объясняется существенным нарушением симметрии во временном распределении мгновенных значений произведения тока рассматриваемой нагрузки на напряжение, действующее в ней, для положительной и отрицательной полуволн сетевого напряжения и разнозначностью этих произведений в указанных временных интервалах, при которой суммарный вращательный момент, воздействующий на диск индукционного электросчетчика, не равен нулю, и диск движется в реверсивном направлении.
В задачу разработчиков таких индукционных электросчетчиков входит обеспечение минимизации или полного исключения реверсивного движения их дисков при использовании абонентами такого рода комплексных нагрузок.
Заявляемое техническое решение поясняется схемой на рис.1 и временными диаграммами на рис.2.
На рис.1 представлены соединения следующих элементов:
1 - трансформатора с повышающей и понижающей вторичными обмотками,
2 - высоковольтного диода, заряжающего накопительный конденсатор 3 при отрицательных полупериодах сетевого напряжения,
3 - накопительного конденсатора,
4 - тиристора, разряжающего накопительный конденсатор 3 в течение положительных полупериодов сетевого напряжения,
5 - стабилитрона, используемого в качестве ограничителя напряжения,
6 - диода, открывающего тиристор 4 при положительных полупериодах сетевого напряжения,
7 - резистор, ограничивающий ток управляющего перехода тиристора 4.
Рассмотрим действие заявляемой схемы.
ЗАР
Л
2
1
ВН
Л
2
1
ВН
Л
2
1
ЗАР
C
2
1
O
2
В течение первой четверти отрицательного полупериода сетевого напряжения, показанного в верхней части диаграмм на рис.2, происходит заряд накопительного конденсатора 3 от повышающей вторичной обмотки трансформатора 1 через высоковольтный диод 2, как это видно в средней части диаграмм на рис.2. При постоянной времени цепи заряда τ=[r (w/w)+R] С<<Т/4, где r - активное сопротивление линии электропередачи (внутреннее сопротивление источника электрической сети), w/w>1 - соотношение витков повышающей вторичной и первичной обмоток трансформатора 1, R - внутреннее сопротивление повышающей вторичной обмотки трансформатора 1. Например, при r=1 Ом, w/w=2, Rbh=6 Ом и С=100 мкФ имеем τ=1 мс<<Т/4=5 мс. Таким образом, накопительный конденсатор 3 зарядится до напряжения U=(W/W) U=1,41*220*2=620 В (при этом накопительный конденсатор типа К75-1 следует взять на рабочее напряжение 1 кВ). Оно не изменяется до момента открытия тиристора 4.
РАЗР
Л
2
3
1
2
3
1
O
2
СЕТИ
2
O
2
C
МАХ РАЗР
C
СЕТИ
2
Л
НАЧ
МАХ РАЗР
С
Когда мгновенное значение напряжения на понижающей обмотке трансформатора 1 несколько превосходит уровень Us пробоя стабилитрона 5, ток управления через диод 6 открывает тиристор 4, имеющий при этом ничтожно малое внутреннее сопротивление (для силовых тиристоров это сопротивление составляет десятые или сотые доли Ома), и накопительный конденсатор 3 экспоненциально разряжается обратно в сеть, как это видно в нижней части диаграмм на рис.2, с постоянной времени разряда τ=r С=0,1 мс при ранее заданных параметрах схемы. Напряжение стабилизации Us (ограничения) определяет фазу φ задержки открытия тиристора 4 с учетом коэффициента трансформации для понижающей обмотки трансформатора w/w<1 по формуле φ ≈ arcsin [Us/(w/w)*U]. Например, при подборе значения этой фазы φ так, что сетевое напряжение при этом достигает величины u(φ)=U sin φ=20 В. Поэтому начальный ток обратно в сеть через тиристор 4 от накопительного конденсатора 3, заряженного, как было ранее указано, до напряжения U=620 В, будет иметь величину I= [U-u(φ)] / r≤600 А. При этом мгновенное напряжение, действующее в сети в начале разряда накопительного конденсатора, равно 620 В, то есть весьма большим является мгновенное значение произведения тока разряда накопительного конденсатора на напряжение его заряда Р=I**U≤600*620=372 кВт.
2
2
МАХ
При установке последовательно с накопительным конденсатором некоторой величины индуктивности L можно расширить длительность разрядного импульса и уменьшить его амплитуду, чтобы обеспечить сохранность тиристора 4 от превышения его рабочего тока. Значение этой индуктивности выбирают по условию L≤Т/16 π С, наибольшее возможное значение которой для ранее заданных параметров равно L = 25,3 мГн. Такая катушка индуктивности должна быть выполнена толстым медным проводником для обеспечения малого активного ее сопротивления и не иметь железного сердечника. При этом высоковольтный диод 2 включается в промежуток между накопительным конденсатором 3 и такой катушкой индуктивности (на рис.1 она не представлена), чтобы обеспечить более быстрый заряд накопительного конденсатора 3.
1
2
1
Тиристор 4 является открытым в течение почти всей длительности положительного полупериода сетевого напряжения, и фаза открытого состояния тиристора 4 составляет величину [π - (φ+φ)]. Поэтому для ограничения его управляющего тока в схеме используется низкоомный резистор 7 с необходимой мощностью рассеяния. Этот тиристор закрывается автоматически, когда напряжение на накопительном конденсаторе 3 практически сравняется с текущим значением напряжения сети при фазе π - φ, после чего остается неизменным до следующего цикла заряда накопительного конденсатора 3, как это видно в средней части диаграмм на рис.2.
Несимметрия зарядно-разрядного тока накопительного конденсатора и напряжения на нем выражается неравенством:
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>−</mo><mi>π</mi><mo>+</mo><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mo>−</mo><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>i</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ϕ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><msub><mi>u</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ϕ</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>ϕ</mi><mo><</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>i</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ϕ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><msub><mi>u</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ϕ</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
,
1
2
в силу чего возможен режим реверсирования вращающегося диска индукционного электросчетчика, учитывая, что интеграл в правой части этого неравенства отрицателен. В частном случае значения фаз φ и φ могут быть подобраны равными, как это показано в средней части диаграмм на рис.2.
2
1
С
2
-4
2
В рассматриваемом примере энергия заряда накопительного конденсатора составляет W=С [(w/w) U]/2=10*4*310/2=19,22 Дж, расходуемая на заряд мощность, потребляемая из сети, равна Р=W*F=19,22*50=0,96 кВт. Среднее значение зарядного тока равно 4,36 А, хотя пиковое значение зарядного тока может в несколько раз превышать это значение, например, быть равным 15 А. Поэтому высоковольтный диод 2 должен быть рассчитан на этот импульсный ток. Обратное допустимое напряжение этого диода должно быть рассчитано на величину не менее 2 кВ, поскольку при разряде накопительного конденсатора 3 через открытый тиристор 4 приложенное к первичной обмотке трансформатора 1 напряжение достигает величины 620 В и, следовательно, вызывает на его повышающей вторичной обмотке потенциал, равный -1240 В с полярностью, обратной полярности напряжения на накопительном конденсаторе 620 В, так что обратное напряжение на высоковольтном диоде становится равным по модулю 1860 В.