СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРОМ МОСТОВОГО УСТРОЙСТВА ОЦЕНКИ ПРИГОДНОСТИ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ
CONTROL CIRCUIT OF BRIDGE DEVICE THYRISTOR FOR ESTIMATION OF INDUCTION ELECTRIC METERS SUITABILITY

Изобретение относится к области измерительной электротехники и может быть использовано для оценки пригодности вновь разрабатываемых электросчетчиков от неконтролируемого отбора электроэнергии (хищения путем отмотки) 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.
Недостатком известного устройства является сложность его блока управления транзисторами и симистором. Этот недостаток устранен в заявляемом устройстве.
Целью изобретения является существенное упрощение устройства.
Указанная цель достигается в заявляемой схеме управления тиристором мостового устройства оценки пригодности индукционных электросчетчиков, содержащей в ветвях мостового устройства накопительные конденсаторы, выводы которых с одной стороны подключены к проводникам сети, а с другой стороны к тиристору в диагональной цепи мостового устройства, отличающаяся тем, что последовательно с накопительными конденсаторами включены силовые диоды и дроссели, подключенные к проводникам сети, а схема управления тиристором включает последовательно соединенные диод, регулируемый резистор и дополнительный конденсатор, включенные параллельно катоду и аноду тиристора, а его управляющий электрод подключен к точке соединения регулируемого резистора и дополнительного конденсатора через последовательно соединенные динистор и ограничительный резистор.
Достижение поставленной цели изобретения объясняется, во-первых, заменой силовых транзисторов в ветвях мостового устройства на пассивные элементы - силовые диоды и дроссели, не требующие какого-либо управления со стороны блока управления, что существенно упрощает его конструкцию, а во-вторых, применение простой схемы формирования сигнала, открывающего тиристор в заданный момент времени в каждом из периодов сетевого напряжения без применения достаточно громоздкой электронной схемы на микросхемах и транзисторах с выходными трансформаторами, а также вторичного источника питания.
На рис. 1 приведена схема заявляемого устройства и его подключение к электросчетчику и контролирующему работу схемы двухканальному осциллографу с резисторными элементами связи с последним. На рис. 2 представлен график мгновенного значения напряжения на каждом из накопительных конденсаторах мостового устройства - сплошными линиями и напряжения сети - пунктирной. На рис. 3 дан график зарядного и разрядного токов в накопительных конденсаторах, а временное положение импульсов разряда сможет регулироваться (показано двунаправленными стрелками) с помощью регулируемого резистора цепи формирования сигнала управления включением тиристора.
Схема устройства (рис. 1) включает следующие элементы:
1
2
C и C - накопительные конденсаторы одинаковой величины С (например, по 100 мкФ).
1
2
L и L - дроссели с одинаковыми индуктивностями L с железными сердечниками,
1
2
D и D - силовые диоды, рассчитанные на максимальный ток заряда накопительных конденсаторов с обратным напряжением, превышающим амплитуду напряжения сети,
Y - динистор, открывающийся при достижении напряжения на нем порядка 20 В.
3
C - дополнительный конденсатор цепи управления включением тиристора,
1
2
1
2
R и R - регулируемый резистор из последовательно включенных резистора постоянной величины R и реостата R,
3
R - ограничительный резистор, снижающий ток управления тиристора до обусловленной предельно допустимыми значениями тока управления величины,
T - тиристор, установленный в диагонали мостового устройства.
4
1
2
5
6
Кроме того, элементами связи устройства с двухканальным осциллографом выступают: R - низкоомный резистор (порядка 0,1 Ом) цепи измерения тока заряда и разряда накопительных конденсаторов C и C, проходящего через токовую обмотку счетчика, R и R - резисторы делителя напряжения, приложенного к катушке напряжения счетчика, то есть к проводникам сети - фазному и нулевому.
На рис. 2 пунктирная линия (напряжение сети) совпадает со сплошной линией напряжения на накопительных конденсаторах в процессе их заряда на промежутке первой четверти каждого периода напряжения сети (от нуля до Т/4).
На рис. 3 ток заряда протекает в первую четверть периода сети и имеет квазисинусоидальную форму с двойной частотой сети (полупериод тока заряда соответствует четверти периода сетевого напряжения), а ток разряда представляет собой экспоненциально спадающий короткий импульс, амплитуда которого в К раз больше амплитуды зарядного тока, площади зарядного и разрядного импульсов равновелики при малых внутренних потерях в мостовом устройстве, что соответствует закону сохранения заряда. Это отражено приведенным на рис. 3 интегральным равенством.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
1
2
O
В первую четверть положительного полупериода происходит заряд накопительных конденсаторов C и C через последовательно с ними включенными силовыми диодами и дросселями, которые для зарядного тока, длящегося за достаточно длительный промежуток времени (5 мс), представляют малые сопротивления, и к концу четверти периода напряжение на накопительных конденсаторах достигает амплитудного значения напряжения - порядка U=300 В. Тиристор Т при этом закрыт. Установка силовых диодов в ветвях мостового устройства поддерживает это напряжение заряда накопительных конденсаторов в течение второй четверти положительного полупериода. В момент включения тиристора в диагонали мостового устройства накопительные конденсаторы включаются последовательно, и напряжение на проводниках сети возрастает до величины порядка 600 В, и последовательно включенные накопительные конденсаторы быстро разряжаются обратно в сеть с малым внутренним сопротивлением сети (порядка 0,3…0,5 Ом) в зависимости от удаленности абонента от электроподстанции и сопротивления ввода от линии электропередачи (например, от воздушной линии ВЛ-0,4 кВ). Момент включения тиристора выгодно выбирать, когда синусоида переменного напряжения сети проходит нулевой уровень, то есть когда заканчивается положительный полупериод в момент времени Т/2.
1
2
1
2
Указанная на рис. 1 установка силовых диодов D и D исключает возможность перезаряда накопительных конденсаторов, то есть устройство работает в однополупериодном режиме. Поэтому дроссели L и L работают на пульсирующем токе (одного направления) и должны иметь соответствующие зазоры в их магнитопроводах, рассчитанные на соответствующие токи заряда, что исключает эффект насыщения дросселей.
1
2
РАЗР
С
С
С
РАЗР
L
L
С
-4
-4
Дроссели L и L выполняют заградительную функцию для существенного проникновения разрядного тока накопительных конденсаторов самих на себя при открытии тиристора. В устройстве-прототипе такую заградительную функцию выполняли силовые транзисторы, которые при открытии тиристора (симистора) должны были быть надежно закрытыми сигналами с блока управления. В противном случае эти силовые транзисторы оказались бы пробитыми огромным разрядным током порядка 600 В / 0,3 Ом = 2000 А. В рассматриваемой схеме эта опасность не существует, так как нет и силовых транзисторов. А, учитывая широкий спектр коротких разрядных импульсов (порядка ΔF=1/Δt=2,3 τ, где τ=r С/2 - постоянная времени процесса разряда, r - внутреннее сопротивление сети (0,3…0,5 Ом)), имеем при емкости накопительных конденсаторов С=100 мкФ и r=0,3 Ом длительность разрядного импульса Δt=2,3∗0,3∗10/2=0,345∗10 с=34,5 мкс. Следовательно, ширина спектра разрядного импульса имеет порядок 30 кГц, и индуктивное сопротивление дросселя L имеет порядок X=2π ΔF L. Так, при использовании дросселя Д 170 - 0,04 - 2,2 с индуктивностью 40 мГн имеем X=6,28∗30000∗0,04=7536 Ом>>>r. При этом практически весь разрядный ток с накопительных конденсаторов при разряде поступает обратно в сеть. Для зарядного тока такой дроссель представляет собой индуктивное сопротивление величиной всего 12,5 Ом (для сети с частотой 50 Гц), и заряд при этом не затягивается во времени сколько-нибудь ощутимо. При этом постоянная времени заряда при С=100 мкФ в каждой ветви мостового устройства составляет всего 1,3 мс, что в 3,85 раза меньше полного времени заряда. Кроме того, можно выбрать иные дроссели с меньшим значением индуктивности, например, дроссели типа Д 177 - 0,0025 - 12,5 с индуктивностью всего 2,5 мГн (их индуктивное сопротивление на частоте 50 Гц будет всего 0,8 Ом, а на частоте 30 кГц оно равно 470 Ом).
ЗАР
ЗАР
O
ЗАР
СР
ЗАР
СР ЗАР
MAX ЗАР
2
Энергия заряда W каждого из двух накопительных конденсаторов мостового устройства вычисляется в виде W=СU /2. При С=100 мкФ имеем W=4,5 Дж, что определяет среднюю мгновенную мощность заряда за четверть периода Т/4 как P=4W/Т=18/0,02=900 Вт. Следовательно, средний ток заряда составляет величину I=900/220=4,09 А, а максимальное значение зарядного тока (при фазе φ*=π/8) равно I=1,41*4,09=5,7 А.
ЗАР
ЗАР
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 P, которую при заряде будет отсчитывать счетчик, равна Р=9 Дж * 50 Гц=450 Вт.
На основании закона сохранения заряда, пренебрегая, в первом приближении, потерями в мостовом устройстве, можно записать очевидное соотношение:
где 3 τ - длительность импульса разряда вблизи его нулевого уровня, К>>1 - превышение амплитуды разрядного импульса над амплитудой зарядного, принимаемого за единичный уровень.
Остановимся теперь на вопросе формирования сигнала управления открыванием тиристора Т мостового устройства в моменты времени t=Т/2 в каждом периоде напряжения сети.
3
1
2
3
3
1
2
3
3
3
3
3
1
2
1
2
3
3
В качестве тиристора следует выбирать сильноточный лавинный тиристор, например, типа ТЛ-150 с импульсным током до 2500 А и средним током 150 А. Для его запуска необходимо напряжение на его управляющем электроде порядка +5 В относительно катода тиристора с током удержания 0,2 А. При подключении цепи из диода D, резисторов Rи R и дополнительного конденсатора C параллельно аноду и катоду тиристора Т (рис. 1), между которыми действует возрастающее напряжение до 600 В в течение первой четверти периода времени Т/4 и сохранении этого напряжения в последующие четверть периода, как это видно на рис. 2, происходит заряд дополнительного конденсатора C с постоянной времени (R+R)C. Заряжаемый при этом дополнительный конденсатор включен к переходу «управляющий электрод-катод» тиристора через последовательно включенные динистор Y и ограничительный резистор R. Если в качестве элемента Y выбрать динистор типа КН102А с напряжением прямого пробоя 20 В, то в момент пробоя динистора при фазах переменного напряжения сети φ=π в каждом из периодов переменного напряжения сети к управляющему переходу тиристора Т будет приложено это напряжение с дополнительного конденсатора C и при этом начальный ток управляющего электрода будет порядка 0,5 А при ограничительном резисторе R=24 Ом. При этом дополнительный конденсатор C будет разряжаться, однако ток на управляющем электроде тиристора будет складываться и из тока, вытекающего из цепи с регулирующим резистором (R+R), и будет иметь порядок не менее 0,2 А в течение времени открывания тиристора, которое имеет величину 10…15 мкс, соизмеримого с временем разряда накопительных конденсаторов мостового устройства. Тиристор будет открыт в течение всего разряда даже и без сохранения управляющего тока и закроется автоматически по мере разряда накопительных конденсаторов, когда напряжение анод-катод на тиристоре обнулится. В разработанной схеме используются следующие параметры элементов: R=5,1 кОм, R=2,2 кОм (переменное), C=47 мкФ, R=24 Ом при динисторе КН102А. Энергии, запасенной в дополнительном конденсаторе порядка 9,4 мДж, достаточно для включения тиристора ТЛ-150 за время около 10…15 мкс.
2
Регулировкой величины сопротивления R можно сдвигать по времени импульс разряда (указано двунаправленными стрелками на рис. 3), чтобы его начало приходилось на фазу φ=π переменного напряжения сети в каждом из его периодов.
Литература
1. Меньших О.Ф., Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков, патент №2474825, опубл. в бюл. №4 от 10.02.2013.
2. Меньших О.Ф., Мостовое устройство для проверки электросчетчиков активной энергии индукционного типа, патент №2522706, опубл. в бюл. №20 от 20.07.2014.
3. Меньших О.Ф., Устройство для контроля электросчетчиков, патент №2521782, опубл. в бюл. №19 от 10.07.2014.
4. Меньших О.Ф., Устройство для исследования работы индукционных электросчетчиков, патент №2523109, опубл. в бюл. №20 от 20.07.2014.
5. Меньших О.Ф., Устройство для проверки индукционных приборов учета электроэнергии, патент №2521307, опубл. в бюл. №18 от 27.06.14 (прототип).
6. Меньших О.Ф., Устройство проверки индукционных электросчетчиков, патент №2532861, опубл. в бюл. №31 от 10.11.2014.
7. Меньших О.Ф., Устройство учета электроэнергии, патент №2521767, опубл. в бюл. №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