УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СИМИСТОРАМИ МОСТОВОЙ СХЕМЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ УЧЁТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИНДУКЦИОННЫМИ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКАМИ
BIDIRECTIONAL TRIODE THYRISTOR CONTROL DEVICE OF BRIDGE CIRCUIT FOR CHECKING METERING OF ELECTRIC POWER BY 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 разряжаемые 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.
Блок управления транзисторами и симистором 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.
Недостатком известного устройства является его сложность при выполнении и налаживании блока управления. В частности, перед началом разряда последовательно соединяемых накопительных конденсаторов с помощью симистора необходимо обязательно надежно закрыть транзисторы мостовой схемы, через которые осуществляется заряд накопительных конденсаторов, так как в противном случае эти транзисторы выходят из строя разрядным током каждого из накопительных конденсаторов.
Целями изобретения являются упрощение устройства управления симисторами и повышение надежности его работы при выполнении устройства по двухполупериодной схеме мостового типа, а также обеспечение регулировки мощности реверсных показаний электросчетчиков индукционного типа.
Указанные цели достигаются в заявляемом устройстве управления симисторами мостовой схемы для проверки учета электроэнергии индукционными электросчетчиками, содержащем мостовую схему из двух параллельно включенных к источнику сети цепей заряда накопительных конденсаторов и диагональную разрядную цепь, а также устройство управления коммутацией зарядного и разрядного токов в мостовой схеме, отличающемся тем, что в качестве коммутаторов зарядного и разрядного токов использованы симисторы, а схема управления их включением короткими импульсами выполнена на основе двух цепей управления, одна из которых состоит из последовательно соединенных связанного с синхронизирующим пульсирующим с двойной частотой напряжением сети компаратора, первой дифференцирующей цепи, первого транзисторного усилителя и первого одновибратора с трансформаторным выходом, подключенным к двум дополнительным импульсным усилителям мощности с трансформаторными выходами для управления включением симисторов зарядных цепей мостовой схемы, а другая включает последовательно подключенные к выходу первого транзисторного усилителя второго одновибратора с регулируемой длительностью формируемого импульса в пределах от четверти до половины каждого из полупериодов переменного напряжения сети, инвертора, второй дифференцирующей цепи, второго транзисторного усилителя и третьего одновибратора с трансформаторным выходом для управления включением симистора разрядной цепи мостовой схемы, подключенным к третьему импульсному усилителю мощности с трансформаторным выходом, причем синхронизирующий сигнал, подаваемый на вход компаратора, снимается с выпрямительного моста Греца, подключенного к понижающей обмотке сетевого трансформатора, использованного в составе блока питания устройства.
Достижение целей изобретения объясняется использованием в мостовой схеме симисторов, которые автоматически закрываются при снижении в них тока ниже тока удержания или при отсутствии напряжения между анодом и катодом симисторов, а также позволяют коммутировать токи при любой полярности приложенного к ним напряжения без усложнения цепей управления включением симисторов. Регулировка мощности реверсных показаний индукционного счетчика (мощности «отмотки») достигается изменением длительности импульса, формируемого во втором одновибраторе, в пределах между четвертью и половиной полупериодов сетевого напряжения и путем формирования импульса управления в третьем одновибраторе от заднего фронта импульса с выхода второго одновибратора с помощью второй дифференцирующей цепи.
Схема устройства приведена на рис. 1. На рис. 2 приведена принципиальная схема устройства управления симисторами мостовой схемы (рис. 1). Рисунок 3 поясняет принцип формирований импульсов, по времени привязанных к области перехода синусоидального напряжения через ноль (частота следования таких импульсов равна удвоенной частоте сети). На рис. 4 представлены графики, поясняющие работу устройства. На рис. 5 показана схема включения устройства в составе со счетчиком электроэнергии и нагрузкой. Работа устройства при этом контролируется с помощью двухканального осциллографа.
Графики на рис. 4 включают напряжение сети (а) с периодом Т, пульсирующее напряжение после его двухполупериодного выпрямления (b) с указанием порога срабатывания компаратора, формирующих импульсов включения симисторов зарядных цепей мостовой схемы (с), импульсов включения симистора цепи разряда в мостовой схеме (d) с возможностью плавной регулировки временного положения этих импульсов в пределах от Т/4 до Т/2, напряжения заряда, разряда и перезаряда с переразрядом импульсных конденсаторов мостовой схемы (е) и зарядного и разрядного токов в конденсаторах мостовой схемы для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения (f). Кривые «е» и «f» отображаются на экране двухканального осциллографа (типа С1-92).
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
O
В начале каждого полупериода (положительного и отрицательного) синусоидального напряжения сети от сформированного в блоке управления (рис. 2) импульса отрицательной полярности, подаваемого на управляющие электроды симисторов зарядных цепей мостовой схемы (рис. 1), относительно катодов этих симисторов последние открываются и происходит заряд накопительных конденсаторов мостовой схемы в течение первой половины этих полупериодов (четверти периода Т/4) до амплитудного напряжения U сети, равного более 300 В.
По мере заряда накопительных конденсаторов почти до величины 300 В симисторы зарядных цепей автоматически закрываются до следующего полупериода, поскольку ток в их цепях «анод - катод» снижается до величины менее тока удержания симисторов в открытом состоянии, что является известным свойством симисторов.
H
O
P
P
H
H
РАЗР МАХ
O
РАЗР MAX
В пределах второй половины полупериодов формируется под действием блока управления импульс отрицательной полярности, подаваемый на управляющий электрод симистора цепи разряда мостовой схемы, которым накопительные конденсаторы C этой схемы включаются последовательно, и на зажимах электросчетчика (рис. 5) в момент включения указанного симистора действует напряжение 2 U=600 В, и накопительные конденсаторы разряжаются обратно в сеть через токовую обмотку электросчетчика по экспоненциально спадающему закону во времени с постоянной времени τ=rC, где r - сопротивление нагрузки разрядной цепи мостовой схемы, C - емкость разрядной цепи, величина которой в последовательном включении равна половине емкостей C, используемых в ветвях мостовой схемы накопительных конденсаторов, то есть имеем τ=rC/2. При этом под величиной r надо понимать полную величину активного сопротивления, включающего сопротивление выводов накопительных конденсаторов, открытого симистора, подводящих проводников до электросчетчика и воздушной линии электропередачи (включая и ввод от нее к абоненту), а также и внутреннее сопротивление выходного трансформатора электроподстанции. Если между электросчетчиком в его фазной цепи и воздушной лини (ввода от ВЛ-0,4 кВ) использовать в эксперименте активную нагрузку для снижения максимума разрядного тока, равного I=2U/r, то это позволяет оперировать с использованием симистора разрядной цепи с не очень большим допустимым разрядным током, хотя в реальной работе указанный на рис. 5 резистор использован быть не может, и симистор разрядной цепи необходимо выбирать среди номенклатуры лавинных тиристоров с максимальным импульсным током порядка нескольких килоампер, поскольку сопротивление цепи разряда r может оказаться равным 0,3…0,6 Ом, и при этом I=1000…2000 А.
По мере разряда накопительных конденсаторов симистор разрядной цепи мостовой схемы автоматически закрывается.
Известно, что симисторы, в отличие от тиристоров, могут открываться при подаче на их аноды как положительного, так и отрицательного напряжения. Но при этом открывающие их импульсы должны иметь отрицательную полярность на их управляющих электродах, что легко обеспечивается соответствующим подключением обмоток выходных трансформаторов на рис. 1 (тиристоры открываются только при положительных импульсах и положительном напряжении на их анодах). Это означает, что работа устройства осуществляется как при положительных полупериодах сетевого напряжения, так и при отрицательных, то есть с двойной частотой сети (100 Гц), что соответственно увеличивает вдвое энергетическую эффективность устройства.
OП
Устройство управления открыванием симисторов (рис. 2) содержит логический компаратор (К521СА3А), на инвертирующий вход которого (электрод 3) подается пульсирующее напряжение от двухполупериодного выпрямителя (без сглаживания конденсаторами!!!) сетевого трансформатора с отдельной обмоткой, как показано на рис. 3. В течение большей части полупериодов на инвертирующем входе этого компаратора в логическом представлении возникает логическая единица, и на выходе компаратора (электрод 7) имеется низкий потенциал (логический ноль). В короткие промежутки времени в окрестности перехода синусоидального напряжения через нулевой уровень, то есть при напряжениях меньше некоторого малого опорного напряжения U, на выходе компаратора возникают короткие положительные импульсы (логические единицы) длительностью порядка 200 мкс. Эти импульсы дифференцируются RC-цепью, на выходе которой (на базе нижнего по схеме транзистора) образуется пара импульсов - положительного, а затем отрицательного, соответственно привязанных по времени с фронтом и спадом положительного импульса с выхода компаратора. Положительный продифференцированный импульс открывает первый нижний по схеме транзистор (КТ325В), и при этом отрицательный импульс с его коллектора через разделительный конденсатор небольшой емкости (порядка 0,01 мкФ) воздействует на вход управления работой первого одновибратора (электрод 5 микросхемы К1006 ВИ1). На выходе последнего (электрод 3) образуется положительный импульс на первый промежуточный трансформатор (ТОТ2), со вторичной обмотки которого этот импульс подается параллельно на два импульсных усилителя мощности (КТ819А) с трансформаторными выходами (ТОТ62), указанными на рис. 1. Длительность формируемых в первом одновибраторе импульсов длительностью около 0,5 мс определяется величинами резистора и конденсатора, подключенных к времязадающему электроду этого одновибратора (электроды 6 и 7).
2
Отрицательные импульсы с выхода указанного транзисторного усилителя также воздействуют на второй одновибратор (К1006ВИ1), в котором формируются длинные импульсы в диапазоне T/4<Δt<T/2 другой времязадающей цепью с варьируемой величиной времязадающего резистора. Затем положительный импульс длительностью Δt с выхода второго одновибратора воздействует на инвертор (на 1/4 К555ЛА3) для получения на его выходе отрицательных импульсов. Эти импульсы дифференцируются аналогичной RC-цепью, на выходе которой последовательно формируются отрицательные и положительные короткие импульсы. Положительные импульсы дифференцирования, привязанные к концу импульсов Δt, то есть к фазе φ, усиливаются верхним по схеме вторым транзистором (КТ325В), и через разделительный конденсатор усиленные отрицательные импульсы воздействуют на управляющий вход третьего одновибратора, вырабатывающего короткие импульсы (порядка 300 мкс), передаваемые через третий трансформатор (ТОТ2) на импульсный усилитель мощности на транзисторе (КТ819А) с трансформаторным выходом (ТОТ62) для открытия симистора разрядной цепи мостовой схемы.
В собранном макете устройства использованы импульсные накопительные конденсаторы типа К75-17 емкостью по 50 мкФ с рабочим напряжением 1000 В, имеющим малые потери и малую величину их внутреннего сопротивления (сотые доли одного Ома). В качестве симисторов зарядных цепей использованы симисторы типа КУ208Г, а в цепи разряда - симистор ТС 142-80-10 на максимальный ток до 580 А (недостаточный для реальной работы устройства), вместо предполагаемого к установке соответствующего лавинного симистора с большим импульсным током (не менее 2000 А).
Формирование импульсов запуска симисторов цепей заряда (рис. 4с) и разряда (рис. 4d) показано графиками на рис. 4. Напряжение заряда и разряда на каждом из накопительных конденсаторов снимается на осциллограф (С1-92) с резисторного делителя, соединенного с одним из накопительных конденсаторов (нижней ветви мостовой схемы на рис. 1), и отображено на рис. 4е. Токи заряда и разряда в накопительных конденсаторах в режимах соответственно заряда и разряда показаны на рис. 4f. Видно, что ток заряда имеет относительно небольшую амплитуду, но большую длительность, а ток разряда, напротив, имеет весьма большую амплитуду и весьма короткую длительность. При этом площади под этими кривыми токов заряда и разряда практически одинаковы (при игнорировании активных потерь внутри схемы устройства, что обычно выполняется), и это равенство вытекает из закона сохранения заряда.
РАЗР MAX
P
РАЗР
-6
Макет испытывался по схеме рис. 5с установкой мощного резистора с относительно небольшим сопротивлением (12 Ом на мощность около 2 кВт) для снижения амплитуды разрядного тока, величина которого в макете составила всего I=600 В/12 Ом=50 А. При этом постоянная времени цепи разряда равна τ=rC=12×25.10=300 мкс. Полная длительность экспоненциального импульса разряда на практически нулевом уровне равна Δt=2,23 τ=0,67 мс.
Произведем теоретический анализ работы идеализированной схемы макета заявляемого устройства в предположении ничтожных активных потерь внутри схемы (мостового устройства), при квазисинусоидальном процессе заряда накопительных конденсаторов и экспоненциальном их разряде. Прежде всего, отметим, что по закону сохранения заряда можно записать выражение вида:
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.
2
Учитывая то важное обстоятельство, что амплитуда напряжения в последовательно включенных накопительных конденсаторах в начале разряда равна двойной амплитуде сетевого напряжения, принимаемого за единичный уровень, можно записать отношение энергий разряда к энергии заряда в показаниях индукционного счетчика при условии, что разрядный импульс возникает практически к концу полупериода сетевого напряжения, то есть при фазе сети φ→π/2, в следующей форме:
ЗАР
H
O
ЗАР
РАЗР МАХ
O
H
2
Из выражения (1) при исходных данных для Т и τ получаем К=11,166. Подставляя К в выражение (2), находим L=1,575. При мощности заряда Р=2CU /Т=450 Вт находим мощность «отмотки» показаний электросчетчика ΔР=(L-1)Р≈258,8 Вт. Как уже указывалось, амплитуда импульса разряда равна I=2U/R=600/12=50 А.
Реально достижимая величина мощности «отмотки» оказывается, конечно, меньше указанной расчетной величины, поскольку в схеме разрядной цепи имеются неизбежные потери с учетом внутреннего сопротивления конденсаторов и симистора, а также подводящих проводников от схемы до электросчетчика, обычно разнесенных между собой. Кроме того, на уменьшение мощности «отмотки» может повлиять весьма короткая длительность разрядного импульса, ширина спектра которого существенно выше частоты сетевого напряжения, например более чем на порядок.
Поэтому реальная мощность ΔР определяется опытным путем для каждой из таких схем с учетом различия внутреннего сопротивления сети в месте размещения рассматриваемого устройства, а также параметров используемых в устройстве элементов. Кстати, внутреннее сопротивление r сети легко определяется по формуле:
XX
H
H
XX
H
H
где U - напряжение в сети при холостом ходе (без нагрузки). U - напряжение в присоединенной к сети нагрузке R после счетчика (желательно достаточно мощной нагрузке). Например, при холостом напряжении сети U=220 В и при подключении мощной нагрузки R=24 Ом измеренное значение напряжения на ней, например, снижается до U=217 В (рассеиваемая в нагрузке мощность составляет при этом 2 кВт). Тогда внутреннее сопротивление сети определяется согласно (3) в данном месте сети величиной порядка: r=24[(220/217)-1]=0,332 Ом.
2
2
2
Отметим, что вариацией времязадающей цепи во втором одновибраторе величина вольт-добавки напряжения со стороны разряжаемых последовательно включенных накопительных конденсаторов отличается от указанной в 600 В при фазе φ→π/2, а равна разности напряжения, до которого заряжены пара последовательно соединенных накопительных конденсаторов (600 В), и действующего в этот момент времени напряжения сети, то есть в пределе эта величина вольт-добавки может варьировать в пределах от 300 В до 600 В. Соответственно этому будет изменяться и амплитуда разрядного тока. В рассматриваемом примере - от 25 А до 50 А. Это, в свою очередь, соответственно изменяет мощность ΔР, которая зависит от величины L, определяемой выражением (2), в котором, вместо множителя 2 К, следует использовать множитель [1+cos(π-φ)]К≤2К, где π/2<φ<π.
В дальнейшем предполагается усовершенствовать макет установкой лавинного симистора разрядной цепи мостовой схемы, допускающего импульсные токи разряда в несколько тысяч ампер, например симистор ТС 165-100-10. Кроме того, для увеличения мощности устройства могут быть использованы импульсные конденсаторы большей емкости при их параллельном включении, например конденсаторы типа К75-40-750 В -100 мкФ.
Следует иметь в виду, что увеличение емкости накопительных конденсаторов пропорционально увеличит длительность импульсов разряда, что, в свою очередь снизит пределы изменения длительности импульсов, формируемых во втором одновибраторе, и тогда имеем:
MAX
H MAX
MAX
H
MAX
ЗАР
H
O
MAX
ЗАР
2
MAX
H
MAX
-3
2
Согласно (4) видно, что диапазон вариации длительности импульсов Δt составляет величину (Т/2)-3τ-(Т/4)-3τ=(Т/4)-6τ, и, следовательно, максимально допустимая величина постоянной времени τ≤rC/2=Т/24, откуда окончательно имеем τ=Т/24=0,83 мс. Таким образом, при r=0,3 Ом максимально допустимая емкость накопительных конденсаторов C≤2τ/r=1,66·10/0,3=5533 мкФ. При такой емкости мощность Р=2CU /Т=49,8 кВт, а мощность ΔP=k(L-1)Р с учетом величины вольт-добавки, равной 600-220=380 В (при φ=3π/4). Тогда величина безразмерного коэффициента определяется как k=380/600=0,633, и предельная мощность отмотки ΔP при заданном внутреннем сопротивлении сети r и емкости C=5533 мкФ при пренебрежении внутренним сопротивлением устройства равна ΔP=0,633·49,8(5500/5533)≈31,34 кВт. С учетом конечного значения внутреннего сопротивления разрядной цепи максимально допустимая мощность «отмотки» составляет величину порядка 30 кВт (для r=0,3 Ома).
2
Таким образом, общее выражение для величины мощности «отмотки» показаний в индукционных приборах учета электроэнергии в функции угла φ имеем выражение:
Предложение следует рекомендовать разработчикам электросчетчиков для проверки их нечувствительности к «отмотке» показаний потребляемой электроэнергии. Пример такого счетчика предложен в работе [7] и не допускает встречного тока в индукционном электросчетчике по отношению к приложенному напряжению сети в его обмотке напряжения, то есть когда знаки перемножаемых тока и напряжения не могут быть различными.
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. 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.