УСТРОЙСТВО ПРОВЕРКИ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКОВ АКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR ACTIVE ENERGY ELECTRIC METRES VERIFICATION

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке электросчетчиков активной энергии.
Общее потребление электроэнергии в 2010 году составило около одного триллиона кВт·час. Статистический анализ показал, что не менее 10 процентов генерируемой и поставляемой пользователям энергии ими похищается, что составляет коммерческие потери. Известны различные способы борьбы с хищениями электроэнергии бытовыми потребителями [1-2] в сельской местности, пригородных домах и садоводствах путем переброса фазного и нулевого проводников ввода, подсоединяемого к ответвлению от ВЛ - 0,4 кВ, и при использовании скрытого заземляющего устройства. Эти способы создают экономию не менее 30 миллиардов рублей ежегодно. Промышленность разработала новые электросчетчики с двумя токовыми измерительными цепями (например, типа СЕ-200), использование которых нечувствительно к указанному перебросу проводников ввода. Такие электросчетчики устанавливают в городах и в новостройках. Однако работа таких электросчетчиков может быть нарушена применением простых электрических схем [3-4], предназначенных для проверки токовой чувствительности электросчетчиков, при использовании скрытого заземляющего устройства. Это еще больше увеличит масштабы хищения электроэнергии, особенно в связи с постоянным ростом тарифов на нее.
Меры противодействия хищению электроэнергии, предпринимаемые Гостехнадзором и местными отделениями Энергосбыта, оказываются недостаточными, и тенденция роста хищений электроэнергии требует помимо усиления контрольных функций создания приборов учета электроэнергии принципиально иной конструкции [5] что приводит, в частности, к отказу от использования в них индукционных измерителей тока, поскольку разработаны электронные схемы остановки или замедления работы индукционных приборов учета, которые не требуют использования скрытого заземляющего устройства, при этом пломбировка, прочное закрепление и целостность элементов электросчетчика не нарушаются потребителями. Такие устройства являются полностью автономными и просто включаются в розетку электрической сети.
Для проверки работы электросчетчиков нового типа, включая и электросчетчики индукционного типа, которыми оснащены 100% бытовых потребителей в стране, необходимо разработать устройство-тренажер. Решению этой задачи посвящено заявляемое техническое решение, вариацией параметров которого можно определить степень уязвимости действующих и вновь разрабатываемых приборов учета электроэнергии.
Целью изобретения является оценка защищенности электросчетчиков активной энергии от возможности ее неконтролируемого хищения.
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве проверки электросчетчиков активной энергии индукционного типа, содержащем рабочий конденсатор, заряжаемый от электрической сети через высокочастотный коммутатор и разряжаемый обратно в сеть непосредственно, емкость которого выбирают из расчета безучетно потребляемой мощности, отличающимся тем, что рабочий конденсатор одним из его полюсов подключен к фазному и нулевому проводникам электросети через управляемые попеременно силовые транзисторы, а другим - через коммутирующие попеременно симисторы, параллельно которым включены фильтрующие конденсаторы, кроме того, в разрядных цепях рабочего конденсатора использованы два дополнительных коммутирующих симистора, а попеременное включение всех силовых транзисторов и симисторов осуществлено подключенным к ним блоком управления, работа которого синхронизирована сигналом электрической сети.
Достижение цели изобретения объясняется снижением учета электроэнергии индукционным прибором учета в нечетные четверти периодов сетевого напряжения при соответствующем подборе частоты в высокочастотном импульсном генераторе, быстро прерывающем зарядный ток в рабочем конденсаторе, и возвратом в сеть накопленной электроэнергии от него без модуляции разрядного тока, что либо останавливает работу прибора учета, либо уменьшает его показания в зависимости от величины присоединенной нагрузки и от величины емкости рабочего конденсатора.
Изобретение понятно из представленных рисунков.
На рис.1 дана электрическая схема зарядно-разрядной цепи рабочего конденсатора под управлением с блока управления, состоящая из:
БУ - блока управления,
1
2
T и Т - первого и второго силовых транзисторов цепей заряда,
1
С - рабочего конденсатора, определяющего энергетику устройства,
1
4
1
D…D - симисторов зарядных и разрядных цепей рабочего конденсатора C,
2
3
С и С - фильтрующих конденсаторов, установленных параллельно симисторам зарядных цепей рабочего конденсатора.
Выводы блока управления, подключенного к сети, и связанные с ними выводы управляющих цепей силовых транзисторов и симисторов обозначены цифрами от 1 до 8.
1
0
2
0
0
На рис.2 представлена функциональная схема блока управления БУ (рис.1), содержащая фазосдвигающую цепь из двух конденсаторов С и резисторов R, один из которых подстраиваемый, обеспечивающую сдвиг фазы входного переменного напряжения сети на π/2, два усилителя-ограничителя, два инвертора, шесть схем совпадений, высокочастотный импульсный генератор (ВИМ) с регулируемой частотой следования импульсов, шесть разделительных конденсаторов и шесть токовых ключей, используемых для попеременного открывания-запирания силовых транзисторов и симисторов в схеме на рис.1. В этой схеме не показаны раздельные источники питания токовых ключей с их общими точками-выводами 4 и 5, а также источник питания ВИГ, усилителей-ограничителей, выполненных на операционных усилителях, и логических элементов - инверторов и схем совпадения, например, на ТТЛ-логике. Эти блоки питания подключены к сетевому напряжению. Каждая из пары последовательно включенных RC-цепочек создает сдвиг фазы входного напряжения на 45°. Подстройка резистора в одной из них позволяет уточнить полный сдвиг фазы на 90°. При этом на вход первого усилителя-ограничителя воздействует сигнал u(t)=ηUsin2πFt, а на вход второго - сигнал u(t)=ηUcos2πFt, где U и F - амплитуда и частота сетевого напряжения, η<<1 - коэффициент деления сетевого напряжения (активный делитель напряжения сети не представлен на схеме). В качестве делителя может быть использован микромощный понижающий трансформатор.
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
Оно работает в четыре циклически повторяющихся этапа, суммарная длительность которых равна периоду сетевого напряжения Т.
1
1
4
4
1
1
0
0
3
4
1
2
На первом этапе 0≤t≤Т/4 рабочий конденсатор C заряжается по цепи «первый силовой транзистор T - симистор D». При этом симистор D открыт по сигналу с вывода 8 с выхода БУ, а силовой транзистор T прерывает цепь заряда высокочастотным сигналом той или иной частоты f, поступающим с вывода 1 БУ. Модуляция тока заряда приводит к сниженному учету потребленной рабочим конденсатором энергии из-за свойств индукционной измерительной токовой цепи электросчетчика активной энергии. На рабочем конденсаторе формируется заряд с энергией W=CU /2, где U - амплитудное значение напряжения сети, равное 310В при эффективном напряжении 220 В. Как показывает анализ, за счет использования модуляции зарядного тока высокочастотным сигналом учет энергии W электросчетчиком составляет всего 20…30% этой величины в зависимости от выбранного значения частоты прерываний зарядного тока, определяемой работой высокочастотного импульсного генератора 9 (рис.2). Отметим, что параллельное подключение фильтрующего конденсатора С к симистору D приводит к поддержанию этого симистора открытым на этапе заряда рабочего конденсатора C.
1
1
4
1
4
1
На втором этапе Т/4≤t≤Т/2 рабочий конденсатор C разряжается по цепи «симистор D - симистор D». При этом закрыт ранее открытый первый силовой транзистор T. При этом на симистор D продолжает действовать управляющий сигнал с вывода 8 БУ, длительность которого равна Т/2, а на симистор D - сигнал управления с вывода 2 БУ длительностью Т/4. Энергия заряда W передается обратно в сеть, и при этом индукционный прибор учета электроэнергии работает исправно, на 100%, так как разрядный ток не модулирован высокочастотными импульсами с ВИГ.
1
2
2
2
2
2
2
3
На третьем этапе Т/2≤t≤3Т/4 рабочий конденсатор C вновь заряжается по цепи «второй силовой транзистор Т - симистор D» во второй полуволне периода сетевого напряжения. Ток заряда также является прерывающимся за счет его модуляции сигналом с ВИГ, что приводит к неправильному учету энергии W электросчетчиком. Сигнал управления на силовой транзистор Т поступает с вывода 6 БУ. На симистор D действует управляющий сигнал с вывода 3 БУ. Фильтрующий конденсатор С, включенный параллельно симистору D, выполняет те же функции, что и фильтрующий конденсатор С.
1
2
3
2
На четвертом этапе 3Т/4≤t≤Т рабочий конденсатор C разряжается через полностью открытые симисторы D и D. На управляющие входы этих симисторов действуют управляющие сигналы соответственно с выводов 3 и 7 БУ. При этом второй силовой транзистор Т закрыт.
Разделительные конденсаторы Ср передают с логических схем формирования управляющих сигналов переменную составляющую логических нулей и единиц, но отделяют токовые ключи от логической схемы по постоянным составляющим, поскольку низковольтные источники питания логической схемы устройства заземлены, а два раздельных незаземленных источника питания шести токовых ключей «подвешены» относительно заземления (нулевого проводника сети). При этом токовые ключи, образующие выводы 1, 2, 6 и 7 БУ, имеют общую точку их источника питания с выводом 4 БУ, а токовые ключи с выводами 2 и 7 имеют общую точку другого их источника питания с выводом 5 БУ.
1
2
1
4
1
Токовые ключи вырабатывают сигналы управления для включения силовых транзисторов и симисторов (рис.1) необходимой мощности, зависящей от типов применяемых силовых транзисторов T и Т и симисторов D…D, а также в зависимости от коммутируемой ими мощности, определяемой емкостью рабочего конденсатора C.
Высокочастотный импульсный генератор (ВИГ) содержит перестраиваемый по частоте, например, в диапазоне 1…20 кГц RC генератор и формирователь ТТЛ-импульсов в форме «меандра», которые модулируются ТТЛ-импульсами длительностями Т/4, соответствующими первой и третьей четвертями в каждом периоде сетевого напряжения.
1
В последующих периодах процессы заряда и разряда рабочего конденсатора C повторяются с частотой 2F, где F - частота сетевого напряжения (F=50 Гц).
Если частоту прерываний заряда f>>F выбрать так, что учет энергии при заряде составляет, например, 0,25 W, а обратный учет равен W, то мощность обратного учета электроэнергии таким прибором учета будет равна Р=0,75 W F.
1
0
1
2
3
1
2
3
-4
2
Рассмотрим пример. Пусть C=500 мкФ, F=50 Гц, U=310 В. Тогда мощность обратного учета электроэнергии составит P=0,75*5*10*310*50=1802 Вт. Рабочий конденсатор C должен быть рассчитан на рабочее напряжение 400 В и допускать работу в частотном режиме заряда. Частота f высокочастотного импульсного генератора 9 имеет порядок от 1 кГц до 20 кГц и подбирается в зависимости от конструкции индукционной токовой измерительной цепи электросчетчика по максимуму величины мощности Р. Емкость фильтрующих конденсаторов C и С выбирают меньше емкости C в кратное число раз k от величины отношения f/F. Если f=10 кГц, k=3, то С=С=3*500*50/10000=7,5 мкФ. Эти конденсаторы также рассчитывают на рабочее напряжение 400 В, и они должны допускать работу в частотном режиме (при f=10…20 кГц).
1
Выполнение данного устройства только на управляемых симисторах нежелательно, поскольку сильноточные симисторы работают надежно только в низкочастотном диапазоне колебаний. Поэтому было принято решение использовать в качестве управляемых высокочастотными импульсами коммутаторов зарядных цепей именно силовые транзисторы n-p-n типа с обратным напряжением на коллекторе не менее 800 В. Поскольку силовые транзисторы и симисторы работают в ключевом режиме, мощность рассеяния на них мала даже при больших значениях мощности Р [6-8]. С учетом того, что заряд рабочего конденсатора C однополярный (без перезаряда), можно использовать малогабаритные электролитические (танталовые) конденсаторы. Это существенно снижает вес и габариты устройства.
Целесообразно обойтись в будущем без индукционных приборов учета активной энергии и применять счетчики полной энергии (активной и реактивной).
Литература
1. Меньших О.Ф. Способ борьбы с хищениями электроэнергии, патент РФ №2208795, опубл. в бюл. №20 от 20.07.2003.
2. Меньших О.Ф. Способ борьбы с хищениями электроэнергии (способ Меньших), патент РФ №2308726, опубл. в бюл. №29 от 20.10.2007.
3. Меньших О.Ф. Устройство для проверки чувствительности электронного электросчетчика с двумя токовыми цепями с активной нагрузкой и реактивной компенсацией, патент №2338217, опубл. в бюл. №31 от 10.11.2008.
4. Меньших О.Ф. Способ проверки работоспособности электронного счетчика электроэнергии с двумя токовыми измерительными цепями и схема его осуществления, патент РФ №2344428, опубл. в бюл. №02 от 20.01.2009.
5. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях, - 2-е изд., М., Энергоатомиздат, 1986.
6. Блихер А. Физика тиристоров, пер. с англ., Л., 1981;
7. Евсеев Ю.А., Дерменжи П.Г. Силовые полупроводниковые приборы, М., 1981.
8. Тучкевич В.М., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л., 1988.