ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ
ELECTRIC METERS OPERATION SCIENTIFIC INSTRUMENT

Заявляемое техническое решение создано с целью указания энергоснабжающим организациям о необходимости полной замены парка индукционных приборов учета без стопора обратного хода вращающихся алюминиевых дисков типа СО-2М, до сих пор широко распространенных по стране, поскольку они допускают возможность хищения электроэнергии путем так называемой отмотки показаний реверсированием вращения диска, а также с целью разработки электросчетчиков, не содержащих элемента перемножения текущих значений напряжения сети и тока в активной нагрузке, как это имеет место в данное время практически во всех типах выпускаемых счетчиков активной энергии, включая электронные электросчетчики.
MAX
Известно, что включение к сети конденсатора емкостью C не изменяет показаний электросчетчика активной энергии, поскольку при этом электроэнергия циркулирует в сети с двойной частотой. При этом в первую четверть периода сетевого напряжения такой конденсатор заряжается до амплитудного значения U (для сети 220 В значение амплитуды U=310 В), а во второй четверти периода отдает весь свой заряд обратно в сеть. В третьей четверги периода конденсатор перезаряжается до амплитудного значения U=-310 В и в четвертой четверти снова разряжается полностью обратно в сеть. Ток заряда конденсатора в первой четверти периода (или перезаряда в третьей четверти периода) изменяется от нулевого значения при t=0 до максимального при t=T/8, где T - период колебаний сетевого напряжения, а затем к концу первой четверти периода при t=T/4 снова становится равным нулю, так как конденсатор успевает зарядиться до амплитудного напряжения сети U, учитывая малое сопротивление источника питания и линии электропередачи. Это существенно отличает ток при заряде конденсатора до амплитудного значения U в конце первой четверти периода от тока в активной нагрузке, в которой ток, напротив, растет с ростом напряжения и максимален при t=T/4, и равен при этом I=U/R, где R - величина сопротивления активной нагрузки.
Электросчетчик подсчитывает энергию путем перемножения мгновенных значений тока и напряжения и интегрированием результата такого перемножения за какой-либо произвольный отрезок времени. Если считать энергию за первую четверть периода 0≤t≤T/4, расходуемую фактически для заряда конденсатора C и на нагревание резистора R, одинаковой, то с учетом различия в изменении токов при заряде конденсатора C и при прохождении через резистор R в функции от изменяющегося по гармоническому закону напряжения сети можно показать, что электросчетчик по разному реагирует на эти нагрузки, занижая показания учитываемой им энергии за четверть периода при заряде конденсатора по сравнению со случаем подключения активной нагрузки, что явно видно из сравнения следующих интегралов
- при включении активной нагрузки,
- при включении конденсатора.
2
2
Следовательно, при одной и той же потребленной фактически энергии за четверть периода отсчет ее оказывается различным: электросчетчик занижает показания расходуемой энергии при подключении конденсатора в 0,785/0,667=1,18 раз, когда CU/2=TU/8R, то есть когда обеспечивается равенство потребленных энергий в конденсаторе C и в активной нагрузке R.
ИМП
ЗАД
ИМП
ЗАД
ЗАР
ИМП
Δ
Δ
ИМП
Это различие отсчета позволяет создавать устройства «отмотки» показаний в счетчиках при использовании конденсаторов в качестве буферного потребителя электроэнергии, потребляющего электроэнергию как емкостный накопитель и отдающего обратно в сеть эту же энергию в том же полупериоде в интервале времени вблизи наибольшего мгновенного значения напряжения, а именно в интервале (T/4)-ΔT≤t≤(T/4)+ΔT, где T - период переменного напряжения сети (например, Τ=20 мс), ΔT=(t/2)+Δt, t - длительность импульса разряда конденсатора обратно в сеть, Δt - малое время задержки от конца заряда конденсатора за время t=(T/4)-ΔT до начала импульса разряда длительностью t (см. рис. 2). В течение этого интервала разряда конденсатора в сеть напряжение находится вблизи амплитудного значения U с малым разбросом от значения U до U, где U=Usinω[(T/2)-t)/2], где ω=2π/T - круговая частота сетевого напряжения (например, ω=314 Гц). При этом ясно, что вышеприведенные интегральные соотношения показывают, что отсчет в счетчике энергии заряда снижен по отношению к энергии разряда в 1,18 раза, то есть около 18% электроэнергии можно потреблять БЕЗУЧЕТНО, причем применительно к любым выпускаемым типам счетчиков, использующих операции перемножения мгновенных значений тока на напряжение с последующим интегрированием результатов перемножений.
Известны устройства, предназначенные для поверки электросчетчиков, в которых учет возвращаемой в сеть электроэнергии превышает учет потребляемой энергии при равенстве самих истинных значений энергии, циркулирующей из сети и в сеть через прибор учета электроэнергии [1-8].
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого технического решения можно считать «Устройство для поверки индукционных приборов учета электроэнергии» [9], 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.
Кроме того, в этом устройстве его 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 - не более 0.5 мс, относительно начал второй и четвертой четвертей периодов сетевого напряжения.
Недостатками известного решения являются его повышенная сложность, связанная с необходимостью формирования пачек высокочастотных импульсов, подаваемых попеременно на пары транзисторов для обеспечения прерывистого заряда накопительных конденсаторов мостовой схемы, невозможность использования компактных энергоемких накопительных конденсаторов электролитического типа (монополярных) из-за перезаряда таких конденсаторов при работе устройства-прототипа для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения и снижение эффективности работы вследствие разряда накопительных конденсаторов обратно в сеть в течение всей четверти (второй и четвертой) периодов, когда напряжение изменяется в сети от амплитудного значения (+/-) U до нулевого.
Указанные недостатки известного решения устранены в заявляемом приборе.
Целями изобретения являются упрощение конструкции и увеличение его энергетической эффективности.
ЗАД
ИМП
Поставленные цели достигаются в приборе для исследования работы электросчетчиков, действие которых основано на перемножении мгновенных значений напряжения сети на ток в активной нагрузке с последующим интегрированием результатов этих перемножений во времени, содержащем подключенную через поверяемый электросчетчик к сети переменного тока мостовую схему из параллельно соединенных двух ветвей из последовательно соединенных накопительного конденсатора и силового транзистора с включенными в диагонали мостовой схемы последовательно соединенными тиристором и катушкой индуктивности (дросселем), причем в первой ветви мостовой схемы к фазному проводнику подключен накопительный конденсатор, а во второй ветви - силовой транзистор, кроме того, прибор включает блок управления силовыми транзисторами и тиристором, отличающемся тем, что в качестве накопительных использованы однополярные компактные и энергоемкие электролитические конденсаторы, а в блоке управления силовыми транзисторами и тиристором формируются прямоугольные импульсы открытия силовых транзисторов длительностью (T/4)-ΔT, где ΔT<T/16, для каждого положительного полупериода сетевого напряжения, а также импульсы запуска тиристора, задержанного по времени от моментов времени (T/4)-ΔT в каждом положительном полупериоде сетевого напряжения на малую величину Δt=ΔT-(Δt/2)<<T/16.
ЗАД
ЗАД
Достижение целей изобретения объясняется простотой формирования импульсов управления открыванием силовых транзисторов мостовой схемы, применением электролитических конденсаторов и формированием импульсов разряда накопительных конденсаторов, центрально симметричных моментам времени T/4 для каждого из положительных полупериодов сетевого напряжения, для которых напряжение, воздействующее на перемножитель электросчетчика, является максимальным, притом существенно большим, чем амплитудное значение U сетевого напряжения благодаря последовательному включению тиристором двух заряженных накопительных конденсаторов мостовой схемы в моменты времени (T/4)-ΔT+Δt в каждом из положительных полупериодов сетевого напряжения, что существенно увеличивает обратный учет электроэнергии счетчиком по сравнению с прямым учетом электроэнергии. Открытие тиристора производится с небольшой задержкой Δt<<ΔT после закрытия силовых транзисторов, что исключает разряд накопительных конденсаторов через силовые транзисторы.
На рис. 1 приведена схема устройства, на рис. 2 представлены временные диаграммы, на рис. 3 показана блок-схема блока управления силовыми транзисторами и тиристором, прописными буквами русского алфавита указаны связи этого блока с элементами мостовой схемы, а на рис. 4 показан фрагмент блока управления - его фазосдвигающая цепь, обеспечивающая сдвиг по фазе сетевого напряжения на угол Δφ=ω[(T/4)-ΔT].
На рис. 1 указаны следующие компоненты:
1 - накопительный конденсатор первой цепи мостовой схемы (емкостью C),
2 - силовой транзисторный коммутатор первой цепи мостовой схемы,
3 - силовой транзисторный коммутатор второй цепи мостовой схемы,
4 - накопительный конденсатор второй цепи мостовой схемы (емкостью C),
5 - тиристор диагональной цепи мостовой схемы,
6 - катушка индуктивности (дроссель) диагональной цепи мостовой схемы (индуктивность L),
7 - блок управления транзисторами и тиристором.
ЗАР
РАЗР
ИМП
ЗАД
ИМП
Δ
ИМП
ИМП
ИМП
1/2
На рис. 2 показаны временные диаграммы для положительных полупериодов сетевого напряжения u(t)-Usinωt в интервале времени 0≤t≤T/2, тока заряда i(t) накопительных конденсаторов 1 и 4 через открытые транзисторы 2 и 3 в течение интервала времени (T/4)-ΔT, а также тока их разряда обратно в сеть i(t) в течение интервала времени [(T/2)-t]/2+Δt≤t≤[(T/2)+t)]/2. В интервале времени действия разрядного тока последовательно соединенных накопительных конденсаторов 1 и 4 с помощью открытого тиристора 5 напряжение на перемножителе счетчика существенно возрастает до величины U+U, где ΔU<U, за счет действия индуктивности дросселя 6, уменьшающего ток разряда и затягивающего его во времени до величины t с учетом действия резонанса напряжения при выполнении условия t=2π(LC/2) практически в апериодическом режиме из-за малой величины добротности такого резонансного контура (порядка единицы). При снижении разрядного тока почти до нулевой величины тиристор 5 автоматически закрывается в силу его известных свойств, и процесс разряда прекращается. Возникающая эдс обратной полярности в дросселе 6 при закрытии тиристора 5 гасится к следующему положительному полупериоду за время T-t. Тиристор 5 должен выдерживать обратное напряжение, несколько большее двойной амплитуды сетевого напряжения 2U.
На рис. 3 представлена блок-схема управляющего силовыми транзисторами и тиристором блока. Блок состоит из следующих элементов и узлов:
8 - первого регулируемого делителя напряжения сети,
9 - второго делителя напряжения сети для фазосдвигающей цепи,
10 - фазосдвигающей RC-цепи, подключенной ко второму делителю 9,
11 - второго регулируемого делителя фазосдвигающей RC-цепи,
12 - первого компаратора
13 - второго компаратора,
14 - первого инвертора (схемы «НЕ»),
15 - схемы совпадений (схемы «И»),
16 - второго инвертора (схемы «НЕ»),
ЗАД
17 - элемента временной задержки на Δt,
18 - формирователя короткого импульса, запускающего тиристор,
19 - импульсного усилителя запуска тиристора,
20 - импульсного трансформатора запуска тиристора, например ферритового,
21 - усилителя импульсов длительностью (T/4)-ΔT открытия силовых транзисторов,
22 - трансформатора импульсов усилителя 21, например, на железном сердечнике,
23 - резисторов ограничения тока базы силовых транзисторов 2 и 3 и управляющего перехода тиристора 5,
24 - конденсаторов гридликов в базовых цепях силовых транзисторов (для удержания закрытыми силовых транзисторов в интервалах времени (T/4)-ΔT≤t≤T).
1
2
3
1
1
4
2
2
4
1
2
ИМП
На рис. 4 представлен фрагмент блока управления (рис. 3) - фазосдвигающей цепи, в котором напряжение сети понижается делителем 9 из резисторов R и R. В первом звене RC осуществляется сдвиг фазы сниженного по величине сетевого напряжения с регулировкой фазы в пределах 30°≤Δφ≤40°, а во втором звене RC - на Δφ=45° с регулировкой уровня напряжения резистором R, Поэтому общий сдвиг по фазе Δφ=Δφ+Δφ=ω[(T/4)-ΔT] регулируется в пределах от 75° до 85°, определяя тем самым ширину импульса разряда Δt.
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
3
Пусть сдвиг фазы Δφ=ω[(T/4)-ΔT] регулировкой резистора R (рис. 4) определяет время заряда накопительных конденсаторов 1 и 4 через открытые силовые транзисторы 2 и 3.
ЗАД
Δ
Напряжение на конденсаторах 1 и 4 при их заряде доходит до величины U*<U, равной U*=sinω[(T/4)-ΔT]>Usin(3ωT/16). С учетом малой временной задержки Δt<<T/16 напряжение U становится чуть больше напряжения U* и близко к амплитудному значению напряжения сети U.
∑
Δ
∑
При включении тиристора 5 при непроводящих силовых транзисторах 2 и 3 напряжения на накопительных конденсаторах складываются, и их напряжение равно 2U*≈2Usin(3ωT/16)=1,848U. При U=310 В напряжение на последовательно включенных конденсаторах равно U=1,848∗310=573 В. Это напряжение имеет тот же знак (положительный), как и мгновенные значения напряжения сети в диапазоне времени разряда конденсаторов обратно в сеть. Это означает, что ток разряда последовательно включенных конденсаторов 1 и 4 пойдет в обратную сторону через электросчетчик, а напряжение на перемножающем элементе счетчика будет возрастать по квазигармоническому закону с учетом действия индуктивности дросселя 6 до величины U+U<U=573 В, например до величины около 500 В, то есть в среднем на 200 В больше амплитудного напряжения сети в максимуме при t=T/4. Максимум значения тока разряда обратно в сеть естественно будет определяться внутренним сопротивлением источника и линии электропередачи, включая воздушную линию (ВЛ) или подземный кабель и ввод к потребителю от ВЛ (кабеля). Неопределенность этой величины сопротивления делает невозможным точный аналитический расчет погрешности учета электроэнергии счетчиками различных типов (индукционных и цифровых).
Однако ясно, что непременно соблюдается сильное неравенство вида:
Δ
, где напряжение u(t) в правой части неравенства учитывает прибавку с амплитудой, существенно большей, чем амплитуда U (например, с амплитудой U+U около 500 В). При этом очевидно, что отношение правой части указанного неравенства к его левой части будет существенно больше 1,18. Можно полагать, что применение данного устройства может наполовину снизить правильный учет потребляемой активной энергии (если указанное отношение интегралов принять равным 2) при относительной его простоте.
Следует отметить, что применение данного прибора в целях «отмотки» показаний электросчетчиков недобросовестными пользователями приводит к некоторому повышению напряжения в сети, что необходимо учитывать влияние такой искаженной сети на качество работы электроприборов, таких как холодильники, телевизоры, компьютеры и другие электронные приборы и устройства, включающие двигатели переменного тока (например, в холодильниках).
ЗАР
РАЗР
ЗАР
2
2
Средняя мощность, потребляемая мостовой схемой с конденсаторами 1 и 4, например, емкостью C=1000 мкФ, равна P=CU/T=0,001∗310/0,02=4805 Вт. Если полагать, что средняя мощность разряда P, УЧИТЫВАЕМАЯ СЧЕТЧИКОМ при работе заявляемого прибора, оказывается вдвое больше средней мощности заряда P, то средняя мощность «отмотки» будет составлять порядка 4,8 кВт. При работе такого устройства по 6 часов в сутки (в ночное время) «отмотка» в индукционных счетчиках без стопора обратного хода типа СО-2М составит неучитываемые потери энергии 28,8 кВт∗час/сутки. Ценовые потери энергоснабжающей организации в месяц при тарифе 4 р/кВт∗час составят около 3500 рублей. В случае установки у потребителей электросчетчиков со стопором обратного хода диска в индукционных счетчиках или электронных счетчиков «отмотка» показаний сводится к замедлению темпа учета электроэнергии при потреблении мощности более 4,8 кВт либо к полной остановке учета, если средняя потребляемая мощность меньше или равна 4,8 кВт.
2
2
1/2
Величина индуктивности дросселя 6 вычисляется как L≈0,01T/4πC, и при емкости конденсаторов 1 и 4 C=0,001 Φ получим L=0,01∗0,0004/4∗9,86∗0,001≈0,0001 Гн = 0,1 мГн. Волновое сопротивление такого контура равно ρ=(L/C)=0,32 Ом, что указывает на низкую его добротность Q=ρ/r, где r - активное сопротивление дросселя 6 и линии электропередачи.
Кратко рассмотрим процесс формирования импульсов управления в блоке на рис. 3.
ЗАД
ЗАД
ЗАД
Компаратор 12 вырабатывает положительные прямоугольные импульсы длительностью T/4 с частотой повторения сетевого напряжения F=ω/2π. Компаратор 13 вырабатывает такие же импульсы, но сдвинутые по времени на (T/4)-ΔT. С помощью инвертора 14 эти импульсы, оставаясь положительными, смещаются влево по оси времени на половину периода T/2. Положительные импульсы, следующие с выхода компаратора 12 и инвертора 14, поступают на вход схемы совпадений 15, в результате чего на ее выходе образуется периодическая последовательность положительных импульсов длительностью (T/4)-ΔT. Эти импульсы усиливаются в усилителе импульсов 21 с трансформаторными раздельными выходными обмотками с гридликами на резисторах 23 и конденсаторах 24 электролитического типа с постоянной времени таких гридликов порядка 15 мс, что позволяет удерживать отрицательный потенциал на базах силовых транзисторов 2 и 3 в течение времени T-(T/4)+ΔT. Сигнал с выхода схемы совпадений 15 также поступает на второй инвертор 16 и далее на элемент 17 временной задержки на Δt, который может представлять собой дифференцирующую RC-цепь. Положительные импульсы с выхода дифференцирующей цепи оказываются привязанными к спаду импульсов, образующихся на выходе схемы совпадений 15. Фронт этих импульсов оказывается несколько сдвинутым от фронта импульсов на выходе элемента 16 на малую величину задержки Δt, и им запускается формирователь 18 короткого импульса, запускающего тиристор 5, с трансформаторным выходом на ферритовом трансформаторе 22. Величина задержки Δt достаточна для надежного запирания силовых транзисторов 2 и 3 до отпирания тиристора 5.
В состав устройства также включен блок питания микросхем и усилителей импульсных сигналов, не указанный на рисунках. Этот блок питается от сети.
Необходимо отметить, что недавно рекламируемое в Интернете устройство снижения показаний электросчетчиков приблизительно на 50% с массой 125 грамм есть не что иное, как полнейшее шарлатанство и обман потребителей, ничего не имеющее общего с наукой. Цель такой рекламы - кража средств у покупателей этого устройства. Именно поэтому продавец не указывает своих реквизитов, не приводит никакого понятного технически описания и схемы устройства, рассчитывая только на доверчивость покупателей и обманные комментарии множества якобы довольных покупкой этого изделия.
Заявляемое устройство предназначено для разработчиков электросчетчиков, в основе действия которых не должны быть положены операции перемножения мгновенных значений напряжения на ток активной нагрузки и интегрирования результатов такого перемножения во времени.
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. Способ компенсации потерь в конце длинной линии электропередачи. Патент №2512706, опубл. в №10 от 10.04.2014.
4. Меньших О.Ф. Устройство вольтдобавки электросети, Патент №2517203, опубл. в №15 от 27.05.2014.
5. Меньших О.Ф. Устройство для контроля электросчетчиков, Патент №2521782, опубл. в №19 от 10.07.2014.
6. Меньших О.Ф. Вольтдобавочное устройство для трехфазной линии электропередачи, Патент №2515049, опубл. в №13 от 10.05.2014.
7. Меньших О.Ф, Система стабилизации напряжения на протяженной линии электропередачи, Патент №2520311, опубл. в №17 от 20.06.2014.
8. Меньших О.Ф. Устройство для исследования работы индукционных электросчетчиков, Патент №2523109, опубл. в №20 от 20.07.2014.
9. Меньших О.Ф. Устройство для поверки индукционных приборов учета электроэнергии, Патент №2521307, опубл. в №18 от 27.06.14 (прототип).
Данные патентного поиска
RU 2338217 C1, 10.11.2008
RU 2181894 C1, 27.04.2002
RU 2190859 C2, 10.10.2002
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.