УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ
DEVICE FOR TESTING 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 [1-5].
Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению (прототипом) является «Устройство для проверки индукционных приборов учета электроэнергии» по Патенту РФ №2521307, опубл. в №18 от 27.06.2014 [5], содержащее накопительные конденсаторы, заряжаемые прерывистым током на повышенной частоте прерываний и плавно разряжаемых 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 проверяемого 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 закрытием 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 и повышение надежности его работы при выполнении устройства по однополупериодной схеме мостового типа.
Указанные цели достигаются в заявляемом устройстве для проверки электросчетчиков, выполненном по мостовой схеме с блоком управления, отличающемся тем, что силовые транзисторы мостовой схемы заменены на тиристоры, включаемые импульсами, привязанными по времени к началу положительной полуволны сетевого напряжения, и автоматически запираемые к концу первой четверти каждого периода сетевого напряжения, после чего открывается тиристор в диагонали мостовой схемы импульсом, задержанным по времени на величину, равную или несколько большую четверти периода сетевого напряжения относительно начала положительных полупериодов сетевого напряжения, при этом импульсы запуска тиристоров заряда накопительных конденсаторов формируются в блоке управления из последовательно соединенных первого компаратора, первого инвертора, первой дифференцирующей цепи и первого и второго импульсных усилителей с двумя трансформаторными выходами, а импульсы запуска тиристора диагональной цепи мостовой схемы формируются в блоке управления из последовательно связанных фазосдвигающей цепи на величину сдвига фазы переменного сетевого напряжения Δφ≥π/2, второго компаратора, второго инвертора и третьего импульсного усилителя с трансформаторным выходом.
Обеспечение поставленных целей в таком устройстве достигается заменой силовых транзисторов мостовой схемы на тиристоры, поскольку последние к концу четверти положительного полупериода сетевого напряжения закрываются автоматически без использования средств со стороны блока управления, что существенно упрощает конструкцию последнего и способствует повышению надежности работы устройства.
Схема устройства приведена на рис. 1. На рис. 2 показаны графики напряжений и токов в различных участках схемы. На рис. 3 приведена одна из возможных простых схем импульсного усилителя на транзисторах.
Схема устройства (рис. 1) содержит следующие элементы и узлы.
1 и 4 - первый и второй накопительные конденсаторы мостовой схемы,
2 и 3 - первый и второй тиристоры заряда накопительных конденсаторов мостовой схемы,
5 - силовой (сильноточный) тиристор разряда последовательно соединяемых этим тиристором накопительных конденсаторов 1 и 4 мостовой схемы,
6, 7 и 8 - согласующие импульсные трансформаторы управления тиристорами 2, 3 и 5,
9, 10 и 11 - первый, второй и третий импульсные усилители,
12 - понижающий трансформатор (входит в состав вторичного источника питания 18) с разными выходными напряжениями (например, 6,3 В и 12,6 В) для формирования импульсов запуска тиристоров,
13 и 16 - первый и второй компараторы,
14 и 17 - первый и второй инверторы,
RC - первая и вторая дифференцирующие цепи,
18 - вторичный источник питания (ИП) для питания микросхем 13-17 и импульсных усилителей 9-11.
На рис. 2 даны следующие графики напряжений и токов во времени:
2а - исходное синусоидальное напряжение сети,
2b - положительные прямоугольные импульсы с выхода первого инвертора 14,
2c - положительные прямоугольные импульсы с выхода второго инвертора 17,
2d - короткие импульсы с выхода первой дифференцирующей RC-цепи,
2e - короткие импульсы с выхода второй дифференцирующей RC-цепи,
2f - ток заряда накопительных конденсаторов 1 и 4 через тиристоры 2 и 3,
2g - ток разряда накопительных конденсаторов, последовательно включаемых тиристором 5,
2h - напряжение на обмотке напряжения электросчетчика (в его перемножителе тока на напряжение, выполненном по различным схемам).
На рис. 3 приведена схема импульсного усилителя на транзисторах включает:
1
T - n-p-n - транзистор малой мощности (например, КТ 325 В),
2
T - p-n-p - транзистор средней мощности (например, КТ 816 А),
D - кремниевый диод гашения экстратоков первичной обмотки трансформатора 6 (Д312Б).
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
При действии синусоидального напряжения сети напряжением 6,3 В на вход первого компаратора 13 на его выходе образуются отрицательные прямоугольные импульсы (уровни логического «0») длительностью, несколько меньшей полупериода Т/2, а на выходе первого инвертора 14 они инвертируются, становясь положительными (уровни логической «1» ТТЛ-логики). Их передние фронты практически совпадают с начальными фазами положительных полупериодов сетевого напряжения φ ≈ 0. После дифференцирования этих импульсов на вход первого и второго импульсных усилителей 9 и 10, выполненных, например, по схеме рис. 3, действуют короткие импульсы положительной и отрицательной полярности. Импульсные усилители не воспринимают отрицательные импульсы дифференцирования, а воспринимают только положительные, усиливают их по напряжению и мощности, после чего с выходных обмоток согласующих трансформаторов 6 и 7 импульсные сигналы одновременно открывают тиристоры 2 и 3, и в течение первой четверти полупериодов происходит заряд накопительных конденсаторов 1 и 4 от сети до практически амплитудного напряжения (около 300 В для сети с действующим напряжением 220 В).
На графике рис. 2f видно, что ток заряда конденсаторов 1 и 4 в этой четверти полупериода сначала возрастает, а к концу этой четверти снижается до весьма малых значений, при которых тиристоры 2 и 3 автоматически закрываются без какого-либо воздействия со стороны блока управления.
Более высокое переменное напряжение с выхода трансформатора 12, например напряжение 12,6 В, воздействует на фазосдвигающую цепочку 15 с регулировкой сдвига фазы Δφ так, что этот сдвиг выбирают величиной Δφ≥π/2, когда тиристоры 2 и 3 оказываются уже закрытыми. Этот сигнал аналогично вышеуказанному проходит через второй компаратор 16, второй инвертор 17, аналогичную дифференцирующую RC-цепь и третий импульсный усилитель 11, выход которого связан с согласующим трансформатором 8, которым включается сильноточный тиристор 5 (например, лавинный тиристор).
НАК
НАК
НАК
РАЗР
При включении тиристора 5 заряженные накопительные конденсаторы соединяются последовательно, и на сетевых клеммах возникает удвоенная амплитуда напряжения сети той же положительной полярности (на фазном проводнике). Так, если конденсаторы за время их заряда (порядка 5 мс при частоте сети 50 Гц) оказываются под напряжением около 300 В, то в момент включения тиристора 5 на клеммах сети, а следовательно, на обмотке напряжения электросчетчика действует положительной полярности напряжение 600 В. В это же время со стороны сети действует практически амплитудное напряжение 300 В также положительной полярности. Поэтому разница этих встречно действующих напряжений составляет 600-300=300 В. Поэтому разрядный ток последовательно включенных конденсаторов 1 и 4 протекает в токовой обмотке электросчетчика в обратном направлении - к источнику сети. Мощность разряда при этом является отрицательной для положительных полупериодов сетевого напряжения, и диск индукционного счетчика без стопора обратного хода реверсирует. Амплитуда разрядного тока оказывается весьма большой. Так, если внутреннее сопротивление источника сети (выходной обмотки трансформатора электроподстанции и линии электропередачи до данного потребителя) имеет величину 0.3…1,0 Ом, то ток разряда может в импульсе доходить до величин 300/(0,3…1,0)=1000…300 А. Поэтому предпочтительно использовать сильноточные лавинные тиристоры 5 разряда, например, ТЛ-150 с допустимыми импульсными токами до 2000 А. При этом напряжение на клеммах электросчетчика изменяется так, как показано на рис. 2h. Учитывая индуктивную составляющую источника сетевого напряжения, разрядный импульс несколько затягивается во времени по сравнению с величиной 2,2 r (C/2), где r - активное внутреннее сопротивление источника сети (0,3…1,0 Ом), C - емкость накопительных конденсаторов 1 и 4. Например, при C=100 мкФ и r=1 Ом величина времени разряда последовательно включенных накопительных конденсаторов 1 и 4 равна Δt=0,11 мс. При учете индуктивной составляющей источника сети длительность разрядного импульса увеличивается, а также изменяется его форма, которая становится похожей на представленную на рис. 2g.
НАК
2
Для снижения внутренних потерь энергии в заявляемом устройстве необходимо использовать накопительные конденсаторы 1 и 4 импульсного типа, например типа К75-1, с повышенным рабочим напряжением, например на напряжение 1 кВ. Тогда практически вся запасенная в двух накопительных конденсаторах энергия заряда W=CUo (где Uo=300 В) будет обратно возвращена к источнику сети (кпд ≈ 1).
ЗАР
СР.ЗАР
ЗАР
НАК
СР.ЗАР
МАКС.ЗАР.
НАК
МАКС.ЗАР.
*
*
-4
Полагая, что заряд накопительных конденсаторов длится около 5 мс, можно рассчитать среднюю мощность заряда P=4 W/Т (здесь Т - период сетевого переменного напряжения, равный 20 мс) и средний ток заряда I = 1,41 P/Uo = 5,64 C Uo/T. Если полагать, что максимальный ток заряда, соответствующий фазе π/8, вдвое больше среднего тока I, то он равен I = 11,3 C Uo/T. Например, при указанных выше величинах этот импульс тока заряда составляет I = 11,310 300/0,02 = 16,95 А. Поскольку этот ток делится на две цепи мостовой схемы, то тиристоры 2 и 3 должны быть рассчитаны на импульсный ток не менее 8,5 А. Этому условию вполне удовлетворяют симисторы типа КУ208Г и многие другие (например, тиристоры КУ221А, КУ202Н, КУ201Л и др.).
Обратимся теперь к рассмотрению взаимодействия заявляемого устройства с электросчетчиком, например, индуктивного типа СО-2М с вращающимся диском и без стопора обратного хода, каких в стране пока еще огромное множество. В частности, покажем, что подключение данного устройства в электрическую розетку приведет к реверсу вращения диска счетчика, то есть к «отмотке» его показаний при отсутствии других потребителей электроэнергии или к снижению показаний в счетчике при наличии других подключенных к электросети потребителей электроэнергии.
ЗАР
РАЗР
Полагая потери внутри устройства ничтожными при использовании импульсных накопительных конденсаторов (малость этих потерь также объясняется использованием тиристоров), легко понять, что количество электричества, то есть заряд, передаваемое из электрической сети в накопительные конденсаторы, равно количеству электричества, возвращаемого обратно в электрическую сеть. Эти количества электричества (прямое и обратное) определяются интегралами от текущего мгновенного значения тока заряда или разряда соответственно за промежуток времени процессов заряда и разряда, то есть кулонами q и q, что находится из выражений:
ЗАР
РАЗР
И при этом q = q согласно закону сохранения энергии.
Если электросчетчик учитывал бы проходящий через него ЗАРЯД, то очевидно, что никакого учета электроэнергии не происходило бы. Но индукционный электросчетчик, а также и другие типы электросчетчиков, например, перемножители которых тока на напряжение построены на датчиках Холла, как в некоторых цифровых счетчиках, учитывают энергию по формуле:
ПОТР
- мгновенная мощность потребления активной нагрузкой за неопределенный отрезок времени ΔT.
ЗАР
РАЗР
Рассмотрим различие в значениях w(t) и w(t) за один период T переменного напряжения. Тогда получим выражения:
При этом знак минус в выражении (3) вытекает из того факта, что разрядный ток течет в обратном направлении в фазном проводнике при положительной полуволне - обратно в сеть.
Как известно, интеграл от произведения переменных во времени величин (функций переменной интегрирования t) теоретически может быть взят по частям по общей формуле:
,
РАЗР
где ν′(x) и u′(x) - производные функций u и ν, непрерывно дифференцируемых на промежутке [a, b]. Однако для этого следует знать вид функций u(t) и i(t), в частности, на промежутке (Т/4)≤t≤(T/4)+Δt, что является достаточно неопределенной задачей, определяемой параметрами источника сетевого питания - его активного сопротивления и индуктивности, измеренных по конкретному пользователю.
Поскольку электросчетчики осуществляют операцию интегрирования за заданное время мгновенной мощности, проходящей через счетчик, а не только мгновенного значения тока, то можно утверждать, что разность парциальных энергий, учитываемых счетчиком за каждый из периодов сетевого напряжения Δw(T) при заряде и разряде накопительных конденсаторов 1 и 4, оказывается отрицательной величиной согласно (2) и (3), равной:
Это объясняется тем, что ток заряда перемножается с мгновенными значениями напряжения сети, которые существенно меньше мгновенных значений напряжения в интервале времени разряда, как это видно из рис. 2h. На основании (4) можно сделать вывод о реверсивном движении диска индукционного электросчетчика при подключении заявляемого устройства к розетке, размещенной после такого счетчика внутри помещения пользователя, либо о замедлении показаний счетчика или о его остановке при включенной нагрузке. Такая «отмотка» показаний счетчика характерна для всех типов электросчетчиков, включающих перемножители протекающего через счетчик тока на действующее на его клеммах - фазной и нулевой - напряжение.
В случае применения электросчетчиков со стопором обратного хода диска или с цифровыми табло отсчета потребленной энергии подключение к сети заявляемого устройства приведет к неправильному учету электроэнергии на величину учитываемой мощности, равную произведению Δw(T)/Т [Дж/с].
Предложение следует рекомендовать разработчикам электросчетчиков для проверки их нечувствительности к «отмотке» показаний потребляемой электроэнергии. Пример такого счетчика предложен в [6].
Литература
1. Меньших О.Ф. Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков. Патент №2474825, опубл. в БИ №4 от 10.02.2013.
2. Меньших О.Ф. Мостовое устройство для проверки электросчетчиков активной энергии индукционного типа. Патент №2522706, опубл. в БИ №20 от 20.07.2014.
3. Меньших О.Ф. Устройство для контроля электросчетчиков. Патент №2521782, опубл. в БИ №19 от 10.07.2014.
4. Меньших О.Ф. Устройство для исследования работы индукционных электросчетчиков. Патент №2523109, опубл. в БИ №20 от 20.07.2014.
5. Меньших О.Ф. Устройство для проверки индукционных приборов учета электроэнергии. Патент №2521307, опубл. в  БИ №18 от 27.06.14 (прототип).
6. Меньших О.Ф. Устройство учета электроэнергии. Патент №2521767, опубл. в БИ №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.