УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ
DEVICE FOR TESTING 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 проверки индукционных электросчетчиков», патент №2532861, опубл. в №31 от 10.11.2014, 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.
Недостатком известного устройства является сложность его блока управления транзисторами и симистором. Этот недостаток устранен в заявляемом устройстве.
Целями изобретения являются существенное упрощение устройства управления тиристорами и исключение вторичного источника питания при выполнении устройства по однополупериодной схеме заряд-разряда накопительных конденсаторов.
Указанные цели достигаются в заявляемом устройстве для проверки индукционных электросчетчиков, содержащем в ветвях мостовой схемы накопительные конденсаторы одинаковой емкости, выводы которых с одной стороны подключены к фазному и нулевому проводникам сети, а с другой стороны - к последовательно связанным тиристору разрядной цепи и дросселю, установленным в диагональной цепи мостовой схемы, отличающемся тем, что последовательно с накопительными конденсаторами включены силовые диоды и тиристоры зарядных цепей, подключенные соответственно к нулевому и фазному проводникам сети, тиристоры зарядных цепей автоматически включаются за счет подключенных между анодом и управляющим электродом этих тиристоров резисторов и выключаются автоматически по мере заряда накопительных конденсаторов в конце первой четверти периодов сетевого напряжения, тиристор разрядной цепи в диагональной цепи мостовой схемы включается после полного заряда накопительных конденсаторов мостовой схемы во второй четверти периодов напряжения сети с помощью устройства управления, состоящего из подключенной к диагонали мостовой схемы интегрирующей цепи из последовательно включенных регулируемого ограничивающего сопротивления и управляющего конденсатора, подключенного к первичной обмотке понижающего трансформатора через динистор, причем указанная первичная обмотка шунтирована диодом гашения экстратока, а одна из трех вторичных обмоток этого трансформатора подключена к переходу «управляющий электрод-катод» тиристора разрядной цепи мостовой схемы через низкоомный резистор, причем исключение автоматического включения тиристоров зарядных цепей при включении тиристора разрядной цепи достигается с помощью цепей, включающих подключенные к переходам «управляющий электрод-катод» тиристоров зарядных цепей последовательно связанные стабилитрон, дополнительную вторичную обмотку трансформатора и конденсатор связи, шунтированный разрядным резистором.
Достижение целей изобретения объясняется заменой силовых транзисторов зарядных цепей мостовой схемы со сложной схемой блока управления, требующей применения вторичного источника питания, на тиристоры зарядных цепей с относительно простым блоком их управления и управления тиристором разрядной цепи мостовой схемы. При этом к управляющим электродам тиристоров зарядных цепей подается отрицательный импульс удержания этих тиристоров в закрытом состоянии до начала включения тиристора разрядной цепи и незначительно длящийся после завершения разряда последовательно соединяемых накопительных конденсаторов обратно в сеть. Временное положение импульса включения тиристора разрядной цепи в пределах второй четверти каждого из периодов сетевого напряжения регулируется изменением постоянной времени интегрирующей цепи с помощью регулируемого ограничивающего сопротивления, составленного из резистора постоянной величины и последовательно с ним связанного реостата.
На рис. 1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства. На рис. 2-6 даны временные диаграммы, поясняющие протекающие в схеме процессы.
Заявляемое устройство содержит следующие элементы:
1 и 2 - накопительные конденсаторы двух ветвей мостовой схемы, 3 и 4 - силовые диоды,
5 и 6 - тиристоры зарядных цепей мостовой схемы,
7 и 8 - включающие резисторы тиристоров зарядных цепей,
9 - дроссель, формирующий импульс разряда,
10 - сильноточный тиристор разрядной цепи мостовой схемы,
11 и 12 - регулируемый ограничивающий резистор интегрирующей цепи,
13 - управляющий конденсатор интегрирующей цепи,
14 - динистор,
15 - понижающий трансформатор с тремя раздельными вторичными обмотками,
16 - диод гашения экстратока первичной обмотки трансформатора,
17 и 18 - стабилитроны, анодами включенные к управляющим электродам тиристоров зарядных цепей мостовой схемы,
19 и 20 - разрядные резисторы в схемах удержания тиристоров зарядных цепей в закрытом состоянии во время разряда накопительных конденсаторов через открытый тиристор разрядной цепи мостовой схемы,
21 и 22 - конденсаторы связи,
23 - низкоомный резистор задержки включения тиристора разрядной цепи.
Устройство подключено к электросети через проверяемый индукционный электросчетчик.
1
O
O
На рис. 2 показана форма сетевого напряжения, на рис. 3  изображены моменты включения тиристоров 5 и 6 зарядных цепей мостовой схемы, когда напряжение сети достигает уровня U, и моменты их автоматического выключения при достижении амплитудного значения U переменного напряжения сети положительной полярности (отметим, что включение тиристоров 5 и 6 не требует формирования запускающих импульсов и осуществляется автоматически), на рис. 4  представлена последовательность импульсов, включающих тиристор 10 разрядной цепи мостовой схемы по мере полного заряда накопительных конденсаторов 1 и 2 практически до амплитудного напряжения сети U, на рис. 5 показан процесс заряда накопительных конденсаторов 1 и 2 в первой четверти положительных полупериодов сетевого напряжения, а также их разряд во второй четверти этих полупериодов, а на рис. 6 показан график зарядных и разрядных токов в накопительных конденсаторах.
Рассмотрим работу заявляемого технического решения.
1
1
O
1
O
1
1
1
В первой четверти положительных полупериодов сетевого напряжения, например, при фазе φ, то есть при напряжении U=Usinφ, автоматически открываются тиристоры 5 и 6 за счет установки резисторов 7 и 8, шунтирующих переход «анод-управляющий электрод» этих тиристоров, и происходит заряд накопительных конденсаторов 1 и 2 через силовые диоды 3 и 4 и тиристоры 5 и 6 почти до амплитудного напряжения сети U, учитывая весьма малую постоянную времени цепей заряда. Напряжение U относительно невелико - порядка 30…50 В, что обеспечивает требуемые токи удержания в открывающихся автоматически тиристорах 5 и 6, что, в свою очередь, определяет выбор величины резисторов 7 и 8. Поскольку эти тиристоры включаются на фазах φ>0, то зарядный ток содержит начальный импульс и плавно изменяющуюся немонотонно часть в пределах фаз φ≤φ(t)≤π/2, как это показано на рис. 6. Силовые диоды 3 и 4 препятствуют возникновению на управляющих электродах тиристоров 5 и 6 высоких отрицательных потенциалов при отрицательных полупериодах сети, что могло бы вывести из строя эти тиристоры.
2
O
2
O
2
O
O
P MAX
O
2
C
C
O
C
2
O
C
2
На участке изменения фаз π/2≤φ(t)≤φ напряжения на накопительных конденсаторах 1 и 2 сохраняются практически неизменными на уровне U (порядка 300 В для сети с действующим напряжением 220 В). Если с устройства управления тиристором 10 разрядной цепи мостовой схемы на управляющий электрод последнего действует отпирающий импульс, соотнесенный с фазой переменного напряжения сети φ, то в этот момент времени открытый тиристор 10 с ничтожно малым внутренним сопротивлением (например, в 1 мОм) накопительные конденсаторы 1 и 2 становятся подключенными последовательно к сети с их суммарным напряжением 2U. Поскольку в этот же момент времени напряжение в сети равно U<U и является встречно направленным по отношению напряжения 2U, то последовательно соединенные накопительные конденсаторы 1 и 2 разряжаются обратно в сеть с максимальным начальным током, равным I(2U-U)/r с учетом сглаживающего действия дросселя 9, исключающего мгновенное возрастание разрядного тока, где r - сопротивление сети (обычно это десятые доли Ом), после чего ток снижается квазисинусоидально. Максимально возможный ток разряда может быть несколько меньше величины 2U/r за счет действия дросселя 9 при φ=π или несколько меньше величины U/r при φ=π/2.
2
2
упр
S
S
S
В зависимости от выбранного времени задержки в интегрирующей RC-цепи на элементах 11, 12 и 13 значение фазы φ легко можно задать в пределах π/2<φ≤π реостатом 12 при заданном значении емкости управляющего конденсатора 13, величину которой С выбирают, исходя из потребной энергии  запуска тиристора 10, где U - напряжение включения динистора 14 (например, для динистора КН102А это напряжение равно 20 В, для динистора КН102Б U=28 В, а для динистора КН102Ж U=120 В), а также для работы двух цепей удержания тиристоров 5 и 6 в закрытом состоянии при открытом тиристоре 10. Так, опытно установлено, что для включения сильноточного тиристора Т-160 (с импульсным током до 2500 А) достаточно выбирать емкость конденсатора 13, равную 1 мкФ, с использованием динистора с напряжением пробоя в 120 В и понижающего трансформатора 15 с коэффициентом трансформации около 20:1 для всех трех его выходных обмоток. В качестве шунтирующего экстраток в первичной обмотке трансформатора параллельно ей включен диод 16, что исключает отрицательные выбросы в цепи управления тиристора 10 разрядной цепи мостовой схемы. Трансформатор 15 может быть изготовлен на ферритовом кольце К40×25×11 марки М2000НМ или на сердечнике из тонкой трансформаторной стали.
РЕЗ
C
РЕЗ
1/2
Будем полагать, что разряд последовательно включенных накопительных конденсаторов с емкостями С будет происходить по квазисинусоидальному закону из-за влияния дросселя 9 на резонансной частоте f=1/2π(LC/2), где L - индуктивность дросселя 9. Также, в первом приближении, будем полагать сопротивление потерь в разрядной цепи ничтожным (меньшим сопротивления сети r). Разряд при этом длится в течение времени, равного 1/2f, которое в К раз меньше времени заряда Т/4 накопительных конденсаторов 1 и 2, где Т - период колебаний сети. Тогда согласно закону сохранения заряда можно считать, что амплитуда тока разряда в К раз выше амплитуды тока заряда, полагая процессы заряда и разряда квазисинусоидальными при пренебрежении потерями энергии внутри разрядной цепи, для чего медные проводники в разрядной цепи выполняют с повышенным поперечным сечением (см. рис. 1).
2
2
O
2
2
2
2
2
Строго говоря, это соотношение токов заряда и разряда реализуется при фазе переменного напряжения сети φ=π, когда мгновенное напряжение сети равно нулю. В общем случае при π/2<φ<π соотношение амплитуд токов разряда и заряда К практически сохраняется, хотя при разряде из напряжения 2 U последовательно соединенных накопительных конденсаторов 1 и 2 вычитается напряжение сети U, соответствующее фазе φ (см. рис. 2 и 4), и заряд этих конденсаторов не стекает полностью обратно в сеть, и на конденсаторах действует остаточное напряжение, несколько меньшее значения напряжения U в начале разряда с учетом малой длительности разряда, что соответственно снижает максимально возможную величину зарядного тока. Поэтому более энергетически эффективным заявляемое техническое решение становится при подборе фазы φ включения тиристора 10 разрядной цепи, равной φ=π.
Поскольку проверяемый индукционный электросчетчик учитывает энергию как произведение 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
P
2
где r - сопротивление внутренних потерь в разрядной цепи до электросчетчика. Решение этого уравнения по программе MathCad при отношении r/(r+r)]=0,75, значении К=30 и фазе φ=π для Т=20 мс, позволяет найти значение L=1,575.
ЗАР
ЗАР
O
ЗАР
СР
ЗАР
CP ЗАР
MAX 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
РЕЗ
Полная энергия заряда равна удвоенной энергии заряда каждого из двух накопительных конденсаторов, то есть равна в рассматриваемом примере 9 Дж. Поэтому в однополупериодном режиме работы схемы мощность Р, которую при заряде будет отсчитывать счетчик, равна Р=9 Дж ∗ 50 Гц = 450 Вт. При этом разностная мощность ΔР в показаниях прибора учета будет определяться из выражения ΔР=Р(L-1) и будет равной 0,575×450=258,7 Вт. Амплитуда разрядного тока будет равна 693 А (при К=30) с полной длительностью разрядного квазисинусоидально подобного импульса, равной Т//4К=0,17 мс - длительность полупериода частоты резонанса f=3 кГц. Отсюда находим величину индуктивности L дросселя 9, равную L=0,028 мГн. Такой дроссель может быть выполнен толстым медным проводником в виде многослойной катушки без железного сердечника для исключения его насыщения.
Разностная мощность ΔР растет с увеличением емкости накопительных конденсаторов при соответствующем подборе индуктивности дросселя 9 мостовой схемы.
O
Рассмотрим особенности работы устройства управления включением тиристора 10 разрядной цепи. Для включения этого тиристора достаточно сформировать запускающий импульс амплитудой около 5 В и максимальным током до 0,5 А (ток удержания тиристора Т-160 порядка 0,2 А). Это могла бы легко обеспечить интегрирующая цепь с управляющим конденсатором 13 емкостью 1 мкФ при использовании динистора КН102А с напряжением пробоя 20 В и при понижающем трансформаторе 15 с коэффициентом трансформации 3,5:1, что экспериментально проверено. Однако при включении тиристора 10 диагональ мостовой схемы становится закороченной, и к анодам тиристоров зарядных цепей 5 и 6 снова прикладывается положительный потенциал с напряжением U≈300 В, которым эти тиристоры стремятся включиться, что недопустимо во время разряда накопительных конденсаторов обратно в сеть. Для удержания этих тиристоров в закрытом состоянии используются импульсы отрицательной полярности, подаваемые к управляющим  электродам тиристоров 5 и 6 от дополнительных двух вторичных обмоток трансформатора 15. Эти импульсы подаются к тиристорам 5 и 6 несколько раньше начала открытия тиристора 10 разрядной цепи и подзаряжают конденсаторы связи 21 и 22 через переход «управляющий электрод-катод» тиристоров (обладающий некоторым небольшим сопротивлением для токов в обеих направлениях), обеспечивая их запертое состояние в течение всей длительности разрядного импульса, для чего и необходимо увеличивать энергию конденсатора 13 выбором динистора с повышенным напряжением пробоя. После этого конденсаторы 21 и 22 разряжаются параллельно включенными к ним разрядными резисторами 19 и 20. Некоторое небольшое запаздывание включения тиристора 10 разрядной цепи относительно подачи отрицательных импульсов на управляющие электроды тиристоров 5 и 6 достигается подбором величины низкоомного резистора 23 в цепи управляющего электрода тиристора 10, то есть режимным подбором.
1
1
В рассматриваемых цепях управления тиристорами 5 и 6 применены стабилитроны, 17 и 18, анодами подключенные к управляющим электродам этих тиристоров, что не мешает включению тиристоров при достижении в сети напряжения U при фазе φ (см. рис. 2 и 4). Напряжение пробоя этих стабилитронов выбрано несколько большим того, которым включаются тиристоры 5 и 6, например стабилитроны КС168А с напряжением пробоя, равным 6,8В. Эти стабилитроны для импульсов отрицательной полярности, возникающих на короткое время для удержания тиристоров 5 и 6 в запертом состоянии, становятся обычными прямо включенными диодами, что по эффекту действия запирающих импульсов превалирует над действием положительных сигналов, поступающих с анодов тиристоров 5 и 6 на их управляющие электроды через включающие резисторы 7 и 8.
Заявляемое устройство предназначено для использования разработчиками вновь разрабатываемых приборов учета электроэнергии. Такой вариант электросчетчика был предложен автором в работе [7]. Например, можно рекомендовать разработку электросчетчиков, работающих по однополупериодной схеме и допускающих протекание тока в измерительном перемножителе (например, в датчике Холла) электросчетчика только в одном направлении.
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.