УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ВНОВЬ РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ
DEVICE FOR CHECKING NEWLY DEVELOPED ELECTRIC METERS

Изобретение относится к области измерительной техники и электроники, может быть использовано разработчиками новых типов приборов учета электроэнергии для их проверки по критерию противодействия к снижению правильных показаний расходуемой электроэнергии при применении ее пользователями различных технических средств хищения электроэнергии.
Известны устройства указанного назначения [1-6].
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемому устройству является прибор для исследования работы индукционных электросчетчиков, содержащий накопительные конденсаторы, заряд которых осуществляется в первую и третью четверти периодов сетевого напряжения прерывистым током, а разряд происходит плавно во времени во второй и четвертой четвертях периодов сетевого напряжения, отличающийся тем, что в качестве накопительных использованы четыре электролитических конденсатора, каждый из которых попарно подключен к фазному и нулевому проводникам электросети через последовательно с ними включенные диод и транзистор с учетом полярности указанного подключения электролитических конденсаторов, образующих две мостовые схемы, попеременно работающие в положительную и отрицательную полуволны сетевого напряжения, а в диагоналях этих мостовых схем включены последовательно установленные тиристор и дроссель, соединяющие последовательно каждую работающую пару заряженных накопительных конденсаторов мостовых схем для их плавного разряда обратно в сеть, причем обмотки двух дросселей мостовых схем выполнены на едином магнитопроводе с периодическим его перемагничиванием, а включение-выключение соответствующих транзисторов и тиристоров осуществлено от блока управления, синхронизируемого от сетевого напряжения [4].
Недостатком известного устройства является высокая сложность построения блока управления силовыми транзисторами мостовой схемы и тиристорами, образующими разряд обратно в сеть последовательно включенных этими тиристорами накопительных конденсаторов мостовой схемы при работе схемы в двухполупериодном режиме.
Указанный недостаток устранен в заявляемом устройстве.
Целью изобретения является существенное упрощение конструкции схемы управления зарядом и разрядом накопительных конденсаторов мостовой схемы при работе ее в однополупериодном режиме.
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве для проверки вновь разрабатываемых электросчетчиков, содержащем мостовую схему из двух параллельно подключенных к сети цепей из последовательно соединенных силового диода, тиристора заряда и накопительного конденсатора, при этом накопительные конденсаторы одними своими полюсами подключены соответственно к фазному и нулевому проводникам сети, а также силовой тиристор разряда последовательно им соединяемыми накопительными конденсаторами, установленный в диагонали мостовой схемы, анод и катод которого подключены соответственно к другим полюсам накопительных конденсаторов, а управляющий электрод силового тиристора разряда связан с последовательно соединенными вторичной (понижающей) обмоткой импульсного трансформатора и ограничивающего ток резистора, а первичная обмотка импульсного трансформатора шунтирована диодом гашения экстратоков, отличающимся тем, что параллельно аноду и катоду силового тиристора разряда включена цепь из последовательно соединенных времязадающего подстраиваемого резистора и дозирующего энергию разряда конденсатора, выводы которого подключены к первичной обмотке импульсного трансформатора через высоковольтный динистор, включаемый вблизи момента перехода сетевого напряжения от нечетных к четным полупериодам, а блоки управления включением тиристоров мостовой схемы одинаковой конструкции выполнены с применением оптопары, излучающий светодиод которой включается в начале нечетных полупериодов сетевого напряжения от низковольтной обмотки сетевого трансформатора через последовательно включенные первый диод и пару резисторов, а в четные полупериоды осуществляется заряд накопительного конденсатора блока управления с дополнительной обмотки сетевого трансформатора через второй диод, и заряд на этом конденсаторе разряжается через ограничивающий резистор и тиристор оптопары на переход «управляющий электрод-катод» тиристора мостовой схемы, вызывая его включение и заряд накопительных конденсаторов мостовой схемы в начале нечетных полупериодов сетевого напряжения, причем защита светодиода тиристорной оптопары от пробоя при разряде накопительных конденсаторов мостовой схемы обратно в сеть выполнена включением низковольтного стабилитрона между парой резисторов оптопары и катодом светодиода оптопары; при этом второе устройство управления тиристором мостовой схемы использует две другие аналогичные обмотки сетевого трансформатора, электрически не связанные между собой.
Достижение поставленной цели изобретения объясняется использованием в мостовой схеме, вместо силовых транзисторов, тиристоров заряда накопительных конденсаторов, открывание которых осуществляется короткими импульсами в начале каждого нечетного полупериода сетевого напряжения, а закрытие их происходит автоматически по мере заряда накопительных конденсаторов в конце первой четверти нечетных полупериодов при снижении тока заряда до величины ниже тока удержания, что весьма существенно упрощает конструкцию устройства управления этими тиристорами заряда на основе использования оптопар, включение светодиодов в которых происходит в начале нечетных полупериодов, при котором обеспечивается разряд из накопительных конденсаторов, заряжаемых в четные полупериоды, через тиристоры оптопар на соответствующие переходы «управляющий электрод-катод» тиристоров заряда накопительных конденсаторов мостовой схемы. Также существенно упрощена схема включения силового тиристора разряда мостовой схемы с использованием времязадающей цепи из регулируемого резистора и дозирующего энергию разряда конденсатора и высоковольтного динистора, включаемого автоматически при достижении напряжения на дозирующем энергию разряда конденсаторе напряжения пробоя динистора, и такой пробой происходит в конце нечетных полупериодов сетевого напряжения, а заряд дозирующего энергии разряда конденсатора осуществляется от заряжаемых накопительных конденсаторов мостовой схемы, включенных последовательно с анодом и катодом силового тиристора мостовой схемы.
Принципиальная схема заявляемого устройства представлена на рис. 1 и включает:
1 и 2 - накопительные конденсаторы мостовой схемы,
3 и 4 - силовые диоды мостовой схемы,
5 и 6 - тиристоры заряда накопительных конденсаторов мостовой схемы,
7 - силовой тиристор разряда последовательно включаемых им накопительных конденсаторов 1 и 2, включенный в диагонали мостовой схемы,
8 - регулируемый резистор времязадающей цепи управления силовым тиристором 7,
9 - постоянный резистор времязадающей цепи управления силовым тиристором 7,
10 - дозирующий энергию разряда конденсатор времязадающей цепи,
11 - высоковольтный динистор (например КН102 Ж или КН102И),
12 - импульсный понижающий трансформатор цепи управления силовым тиристором 7,
13 - диод, гасящий экстратоки в первичной обмотке импульсного трансформатора 12,
14 - резистор, ограничивающий ток управляющего электрода силового тиристора 7,
15 - сетевой трансформатор с двумя парами раздельных понижающих обмоток,
16 - второй диод заряда накопительного конденсатора цепи управления тиристором заряда мостовой схемы,
17 - накопительный конденсатор цепи управления тиристора заряда мостовой схемы,
18 - ограничивающий резистор в цепи управляющего электрода тиристора заряда соответствующего накопительного конденсатора 1 (2) мостовой схемы,
19 - тиристорная оптопара,
20 - первый диод включения тиристорной оптопары в начале нечетных полупериодов сетевого напряжения,
21 - первый резистор, ограничивающий ток светодиода тиристорной оптопары,
22 - низковольтный стабилитрон защиты светодиода тиристорной оптопары от пробоя при разряде последовательно соединяемых силовым тиристором накопительных конденсаторов мостовой схемы обратно в сеть с ее двойным амплитудным напряжением,
23 - второй резистор, ограничивающий ток светодиода тиристорной оптопары.
Рассмотрим работу указанной схемы, работающей в однополупериодном режиме.
Включение тиристоров 5 и 6 в начале каждого нечетного полупериода сетевого напряжения u(t)=Usinωt (U - амплитуда сетевого напряжения 310 В, ω=2 π f - круговая частота сетевого напряжения, f=50 Гц) приводит к заряду накопительных конденсаторов 1 и 2 до напряжения U к конце первой четверти нечетных полупериодов. После этого ток заряда снижается до величины ниже тока удержания тиристоров заряда 5 и 6, и последние автоматически выключаются (запираются). Напряжение на накопительных конденсаторах сохраняется практически неизменным до момента включения силового тиристора разряда 7 мостовой схемы, который наступает к концу каждого нечетного полупериода. При этом, как нетрудно понять, эти накопительные конденсаторы силовым тиристором разряда 7 включаются последовательно и разряжаются непосредственно обратно в сеть с начальным напряжением, практически равном 2U (около 600 В). Поскольку ток разряда этих конденсаторов течет в обратном направлении через токовую обмотку прибора учета электроэнергии (электросчетчика), а напряжение, прикладываемое к его обмотке напряжения, является положительным, то производится так называемая «отмотка» показаний в индукционном счетчике без стопора обратного хода или снижение показаний цифрового счетчика или счетчика со стопором обратного хода диска в индукционных электросчетчиках по сравнению с их показаниями при подключении к сети полезной нагрузки без подключения к этой сети рассматриваемого устройства.
Действительно, можно показать, что поскольку проверяемый, например, индукционный электросчетчик учитывает энергию как интеграл от произведения протекающего через его токовую обмотку количества электричества (тока в соответствующие интервалы времени), которые одинаковы при заряде и разряде, на действующее напряжение в катушке напряжения, то отношение L энергии, учитываемой таким электросчетчиком при разряде и заряде. можно найти из выражения:
P
C
C
C
P
2
где K - отношение амплитуд токов разряда и заряда накопительных конденсаторов 1 и 2, r - сопротивление внутренних потерь в разрядной цепи до электросчетчика, r - сопротивление сети после электросчетчика, T=1/f=20 мс - период сетевого напряжения. Решение этого уравнения по программе MathCad при отношении r/(r+r)]=0,75, значении K=30 и фазе φ=π, соответствующей моменту начала разряда последовательно соединяемых накопительных конденсаторов 1 и 2 для Т=20 мс позволяет найти из соотношения (1) величину L=1,575.
ЗAP
ЗAP
ЗAP
СР
ЗAP
CP ЗАР
МАХ ЗАР
2
Энергия заряда W каждого из двух накопительных конденсаторов мостового устройства вычисляется в виде W=CU/2. При С=100 мкФ имеем W=4,5 Дж, что определяет среднюю мгновенную мощность заряда за четверть периода Т/4 как Р=4W/Т=18/0,02=900 Вт. Следовательно, средний ток заряда составляет величину I=900/220=4,09 А, а максимальное значение зарядного тока в фазном проводнике сети (при фазе φ*=π/8) равно I=4*1,41*4,09=23,1 А.
ЗАР
ЗАР
ЗАР
Полная энергия заряда равна удвоенной энергии заряда каждого из двух накопительных конденсаторов, то есть равна в рассматриваемом примере 9 Дж. Поэтому в одно-полупериодном режиме работы схемы мощность Р, которую при заряде будет отсчитывать счетчик, равна Р=9 Дж*50 Гц=450 Вт. При этом мощность «отмотки» ΔР в показаниях прибора учета будет определяться из выражения ΔР=Р(L-1) и будет равна 0,575×450=258,7 Вт. Амплитуда разрядного тока будет равна 693 А (при K=30) с полной длительностью разрядного импульса равной Т/4K=0,17 мс. Для синусоидально-подобного импульса разряда можно рекомендовать последовательное включение с силовым тиристором разряда 7 индуктивности с весьма малым активным сопротивлением.
Увеличения мощности «отмотки» ΔР можно добиться увеличением емкости накопительных конденсаторов при практически линейной, в первом приближении, зависимости энергии «отмотки» от емкости С.
1
1
Включение тиристоров заряда 5 и 6 происходит при фазах φ>0 в начале каждого нечетного полупериода сетевого напряжения и приводит к заряду накопительных конденсаторов 1 и 2 мостовой схемы в диапазоне φ<φ≤π/2. При этом имеется в виду, что накопительный конденсатор 17 цепи управления соответствующим тиристором заряда 5 (6) мостовой схемы уже заряжен за предыдущий четный (отрицательный) полупериод сетевого напряжения. Поэтому при включении светодиода оптопары 19 через первый диод 20 и пару резисторов 21 и 23 включается тиристор оптопары, и накопительный конденсатор 17, разряжаясь через этот тиристор и ограничивающий резистор 18, включает тиристор заряда 5 (6) с малой задержкой относительно начала нечетных полупериодов сетевого напряжения.
C
C
P
C
P
В момент разряда последовательно соединяемых силовым тиристором 7 накопительных конденсаторов 1 и 2 напряжение в начале сети (непосредственно на электросчетчике) достигает величины 2U[r/(r+r)] и при условии, что r>>r может достигать значения, соизмеримого с 2U (порядка 600 В). При этом во вторичных обмотках сетевого трансформатора 15 возникают импульсы напряжения положительной полярности, которыми вновь открывается тиристор тиристорной оптопары 19, поскольку через светодиод оптопары 19 вновь протекает значительный по величине импульс тока. Однако при этом НЕ ВОЗНИКАЕТ открытие запертых тиристоров заряда 5 и 6 мостовой схемы, поскольку накопительные конденсаторы 17 при этом НЕ ЗАРЯЖЕНЫ. Таким образом, весь заряд накопительных конденсаторов 1 и 2 происходит обратно в сеть через токовую обмотку проверяемого электросчетчика, приводя к нарушению правильных его показаний о расходуемой полезной нагрузкой электроэнергии.
Для исключения недопустимо большого тока через светодиод оптопары 19 в схеме использован низковольтный стабилитрон (например, типа КC133A на напряжение пробоя 3,3 В). Резисторы 21 и 23 подобраны таким образом, что при амплитудном значении напряжения, снимаемого с верхней части вторичной обмотки в 7 В, ток в светодиоде тиристорной оптопары 19 не превосходит допустимого значения (например, для оптопары АОУ103Б1 этот ток не должен превышать значения 10 мА в непрерывном режиме и 30 мА в импульсном при прямом постоянном напряжении на светодиоде, равном 2 В). Следовательно, учитывая падение напряжения на первом диоде 20 около 0,7 В, падение напряжения на резисторах 21 и 23 должно быть равно 7-2-0,7=4,3 В при токе 10 мА, и соответственно сумма этих сопротивлений равна 4,3 В / 0,01 А = 430 Ом. При этом падение напряжения на резисторе 21 должно быть таково, что стабилитрон 22 оставался бы закрытым, то есть напряжение на нем было бы меньше 3,3 В и ток в нем отсутствовал бы. Если принять его равным 3,2 В, то величина сопротивления резистора 21 находится как (7-0,7-3,2)В / 0,01 А=310 Ом. Тогда сопротивление резистора 23 равно 430-310=120 Ом. При действии импульса разряда, когда амплитуда короткого импульса на верхней части вторичной обмотки сетевого трансформатора 15 достигает 14 В, то без стабилитрона 22 ток через светодиод тиристорной оптопары стал бы равным (14-0,7-2)В // 430 Ом = 26,3 мА, что допустимо по ТУ на оптопару АОУ103Б1, но все же нежелательно для сохранения надежной работы схемы управления. Поэтому использование стабилитрона 22 ответвляет часть тока, протекающего через резистор 21, когда напряжение на стабилитроне становится равным 3,3 В, соответствующим его открытию (пробою). Поскольку напряжение в цепи (резистор 23 - светодиод оптопары 19) при этом приблизительно равно 3,3 В, то ток через светодиод этой оптопары равен (3,3-2)В / 120 Ом = 10,8 мА, что вполне согласуется с нормами ТУ на рассматриваемую оптопару. Таким образом, применение стабилитрона 22 надежно гарантирует длительную работу схемы.
Из указанного видно, что для создания нового типа приборов учета электроэнергии следует исключить возможность протекания через токовую обмотку электросчетчика (или датчика Холла, как в цифровых приборах учета) обратного тока в положительные полупериоды сетевого напряжения. Одна из возможных конструкций такого электросчетчика предложена автором в [7].
2
1
Д
Д
Д
Д
Д
Д
Д
2
2
-3
2
-7
Для открытия силового тиристора 7 при φ≈π может быть использован динистор типа ЕН102И с напряжением пробоя 150 В, когда напряжение на дозирующем энергию разряда конденсаторе 10 достигает этой величины в соответствующий момент времени. Заряд этого конденсатора от источника постоянного тока - с электродов «анод-катод» силового тиристора разряда 7 мостовой схемы происходит в диапазоне фаз φ<φ≤π нечетных полуволн сетевого напряжения через сумму резисторов 8 и 9 по экспоненциальному закону с постоянной времени τ=RC, где R - сопротивление последовательно включенных резисторов 8 и 9, С - емкость дозирующего энергию конденсатора разряда 10, энергия которого определяется как W=СU/2, где U - напряжение пробоя динистора 11 (150 В). Если для включения силового тиристора 7 необходимо напряжение его включения по управляющему электроду, равное 3,5 В при токе включения 0,2 А, то при выбранном коэффициенте трансформации k импульсного трансформатора 12, равном 15, величина ограничивающего ток управления резистора 14 должна быть вычислена по условию [(150/15)-3,5]В / 0,2 А = 32,5 Ом (можно выбрать его несколько меньшим, например, в 24 Ом, что увеличит ток управления до величины 270 мА). При длительности импульса отпирания силового тиристора разряда 7, равном 1 мс, энергия управления составляет около 2…2,5 мДж. Тогда емкость дозирующего энергию разряда конденсатора 10 находим равной С=2W/U =5·10/150=2,22·10Ф≈0,22 мкФ. Если для гарантии надежного открытия силового тиристора величину емкости С выбрать равной 1,0 мкФ, применив конденсатор ОС К73П-3 с рабочим напряжением 160 В, то параметры резисторов 8 и 9 могут быть приблизительно рассчитаны по формуле:
Д
∑
∑
-6
где ε<1 - постоянная, учитывающая непостоянство напряжения заряда накопительных конденсаторов 1 и 2 мостовой схемы в процессе их заряда. Так, если принять ε=0,83, то есть считать, что 2εU=500 В, то из (2) получаем соотношение ехр(Т/2τ)=500/350=1,42857. Прологарифмировав обе части равенства, имеем Т/2τ=In1,42857=0,35667. Тогда τ=Т / 0,71334=28,04 мс. Так как С=10 Ф, то сумма сопротивлений R резисторов 8 и 9 равна R=28,04 кОм. При этом резистор 9 может быть выбран с сопротивлением, равным 22 кОм типа МЛТ-2, а резистор 8 (подстроечный) с величиной сопротивления 10 кОм, типа ППМЛ-И-1 многооборотный, класса 0,5%, или типа СП-3.
Импульсный трансформатор может быть изготовлен на двух ферритовых кольцах марки М2000НМ-1 К45×28×8. Первичная обмотка его имеет 500 витков проводом ПЭВ-2 диаметром 0,16 мм, вторичная содержит 35 витков проводом ПЭВ-2 диаметром 0,85 мм. Измеренные индуктивность первичной обмотки 825 мГн и ее сопротивление 19 Ом.
Сетевой трансформатор используется готовый типа ТПП258-127/220-50, четыре раздельные вторичные обмотки которого имеют две по 5 В и две по 10 В, последняя - для заряда накопительных конденсаторов 17 до напряжения около 13,5 В. Так как напряжение открывания силовых тиристоров типа КУ208Г равно около 5 В с током удержания 0,15 А, то величина сопротивления ограничивающего резистора 18 может быть выбрана равной 47…56 Ом. При энергии включения этого тиристора порядка 1 мДж величина емкости накопительного конденсатора 17 имеет порядок 10 мкФ или более, например, можно взять конденсатор типа ОСК33-7 22 мкФ на рабочее напряжение 30 В. В качестве силовых диодов 3 и 4 могут использоваться диоды типа Д231А ОС или КД206А.
Силовой тиристор разряда 7 мостовой схемы может быть выбран типов Т-160, ТЛ-150 и др. классов не ниже 7-го (с пробивным напряжением не ниже 700 В), допускающие работу с импульсными токами до 2…2,5 кА и снабженные радиаторами охлаждения. Радиаторы охлаждения также следует применить и к силовым диодам 3 и 4 и к силовым тиристорам заряда 5 и 6 мостовой схемы. В качестве накопительных конденсаторов 1 и 2 целесообразно использовать импульсные конденсаторы типа К75-17 емкостью по 50 мкФ с рабочим напряжением 1000 В или импульсные конденсаторы К75-40 емкостью 100 мкФ с рабочим напряжением 750 В. Маломощные диоды 16 и 20 имеют широкий ассортимент для выбора. В частности, заявитель применил в макете устройства диоды типа Д312. Гасящий экстратоки диод 13 выбран типа 2Д202Н.
Рассмотренный пример устройства при использовании прибора учета индукционного типа СО-2М показал возможность «отмотки» показаний этого счетчика с мощностью порядка 250 Вт при использовании накопительных конденсаторов 1 и 2 типа К75-17 по две банки в параллель емкостью по 50 мкФ. При непрерывной работе такого устройства объем неконтролируемого хищения электроэнергии составит около 180 кВт·час ежемесячно («экономия» в месяц составит 900 рублей при тарифе 5 р/кВт·час). Следует отметить, что в зоне обслуживания данной сети ее эффективное напряжение несколько повышается, причем тем больше, чем ближе потребители расположены к включенному данному устройству. Кроме того, устройство при его работе создает импульсные помехи по сети, спектр которых ограничен низкочастотной областью в несколько единиц кГц. Эти помехи можно эффективно ослабить подключением к сети после электросчетчика (в сторону подстанции) конденсаторов с емкостью соответствующей величины, соизмеримой или большей применяемых в устройстве накопительных конденсаторов мостовой схемы.
Особенностью работы данной схемы является возможность ее работы только в однополупериодном режиме, чтобы накопительный конденсатор 17 заряжался бы только во время четных полупериодов сетевого напряжения и не мог бы заряжаться в нечетных полупериодах от действия разрядных импульсов при двухполупериодном режиме, что могло бы привести к режимам короткого замыкания накопительных конденсаторов 1 и 2 через силовые диоды 3 и 4 и открытые при этом силовые тиристоры заряда 5 и 6, что привело бы их к пробою и уничтожению работы такого устройства.
Устройство надлежит использовать при разработке и проверке приборов учета электроэнергии, защищенных от ее неконтролируемого работниками Энергосбыта хищения недобросовестными пользователями.
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.