Результат интеллектуальной деятельности: СХЕМА ДЛЯ ПРОВЕРКИ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКОВ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для проверки чувствительности индукционных электросчетчиков с вращающимися дисками к реверсированию последних под действием включенной в сеть после электросчетчика несимметричной для положительного и отрицательного полупериодов сетевого напряжения комплексной нагрузки.

Известно, что индукционные электросчетчики содержат в своем составе перемножитель мгновенного значения протекающего через его низкоомную токовую обмотку тока нагрузки на действующее в высокоомной обмотке мгновенное значение напряжения сети, что реализуется действием соответствующих магнитных полей на вращающийся магнитомягкий диск, при этом вращательный момент, прикладываемый к диску, пропорционален мгновенному значению произведений этих магнитных полей, то есть произведению мгновенных значений тока на напряжение в указанных обмотках, а подсчет электроэнергии определяется числом вращений диска, что эквивалентно операции интегрирования указанных мгновенных значений произведений во времени.

При активной нагрузке форма токов и напряжений является синусоидальной, при этом максимум тока в активной нагрузке соответствует максимуму напряжения, то есть пиковые значения произведений тока на напряжение соответствуют фазам сетевого напряжения φ₁(t)=ωt+π/2 и φ₂=ωt+3π/2, причем оба этих произведения для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения всегда положительны, что создает вращательный момент одного знака, и диск вращается в одном и том же направлении, то есть без признаков реверса.

С другой стороны, известно, что при подключении к сети чисто емкостной нагрузки (конденсатора без потерь), диск электросчетчика остается в неподвижном состоянии, хотя в цепи протекает электрический ток, величина которого i_C(t) определяется номиналом емкости С включенного конденсатора по формуле i_C(t)=U_O sin ωt/jωС, где U_O - амплитудное значение напряжения сети, ω - круговая частота сетевого напряжения, j - мнимая единица, указывающая на то, что фазы мгновенных значений тока в конденсаторе и напряжения на его обкладках отличаются на постоянную во времени разность Δφ=π/2. При этом в проводниках сети и, следовательно, через электросчетчик циркулирует электрическая энергия с двойной частотой 2F=ω/π, а вращательный момент, приложенный к диску счетчика, испытывает переменнозначные осцилляции с этой двойной частотой с результирующим вращательным моментом, равным нулю, и диск электросчетчика не вращается.

Для оценки влияния несимметричной для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения комплексной нагрузки на способность реверсирования вращающегося диска в индукционном электросчетчике следует создать такую нагрузку, что и является объектом заявляемого технического решения.

Целью изобретения является создание несимметричной для положительных и отрицательных полупериодов сетевого напряжения комплексной нагрузки.

Указанная цель достигается в схеме для проверки индукционных электросчетчиков, выполненной на основе трансформатора с повышающей и понижающей вторичными обмотками, к первичной обмотке которого, включаемой в сеть переменного тока, подключена цепь из последовательно соединенных накопительного конденсатора и тиристора, конденсатор через высоковольтный диод связан с повышающей вторичной обмоткой трансформатора и заряжается от нее при отрицательных полупериодах сетевого напряжения, а управляющий переход тиристора соединен с понижающей обмоткой трансформатора через встречно последовательно включенные стабилитрон и диод, а также резистор, причем тиристор открывается в течение положительных полупериодов сетевого напряжения с некоторой временной задержкой от начала этих полупериодов.

Достижение поставленной цели объясняется существенным нарушением симметрии во временном распределении мгновенных значений произведения тока рассматриваемой нагрузки на напряжение, действующее в ней, для положительной и отрицательной полуволн сетевого напряжения и разнозначностью этих произведений в указанных временных интервалах, при которой суммарный вращательный момент, воздействующий на диск индукционного электросчетчика, не равен нулю, и диск движется в реверсивном направлении.

В задачу разработчиков таких индукционных электросчетчиков входит обеспечение минимизации или полного исключения реверсивного движения их дисков при использовании абонентами такого рода комплексных нагрузок.

Заявляемое техническое решение поясняется схемой на рис.1 и временными диаграммами на рис.2.

На рис.1 представлены соединения следующих элементов:

1 - трансформатора с повышающей и понижающей вторичными обмотками,

2 - высоковольтного диода, заряжающего накопительный конденсатор 3 при отрицательных полупериодах сетевого напряжения,

3 - накопительного конденсатора,

4 - тиристора, разряжающего накопительный конденсатор 3 в течение положительных полупериодов сетевого напряжения,

5 - стабилитрона, используемого в качестве ограничителя напряжения,

6 - диода, открывающего тиристор 4 при положительных полупериодах сетевого напряжения,

7 - резистор, ограничивающий ток управляющего перехода тиристора 4.

Рассмотрим действие заявляемой схемы.

В течение первой четверти отрицательного полупериода сетевого напряжения, показанного в верхней части диаграмм на рис.2, происходит заряд накопительного конденсатора 3 от повышающей вторичной обмотки трансформатора 1 через высоковольтный диод 2, как это видно в средней части диаграмм на рис.2. При постоянной времени цепи заряда τ_ЗАР=[r_Л (w₂/w₁)²+R_ВН] С<<Т/4, где r_Л - активное сопротивление линии электропередачи (внутреннее сопротивление источника электрической сети), w₂/w₁>1 - соотношение витков повышающей вторичной и первичной обмоток трансформатора 1, R_ВН - внутреннее сопротивление повышающей вторичной обмотки трансформатора 1. Например, при r_Л=1 Ом, w₂/w₁=2, Rbh=6 Ом и С=100 мкФ имеем τ_ЗАР=1 мс<<Т/4=5 мс. Таким образом, накопительный конденсатор 3 зарядится до напряжения U_C=(W₂/W₁) U_O=1,41*220*2=620 В (при этом накопительный конденсатор типа К75-1 следует взять на рабочее напряжение 1 кВ). Оно не изменяется до момента открытия тиристора 4.

Когда мгновенное значение напряжения на понижающей обмотке трансформатора 1 несколько превосходит уровень Us пробоя стабилитрона 5, ток управления через диод 6 открывает тиристор 4, имеющий при этом ничтожно малое внутреннее сопротивление (для силовых тиристоров это сопротивление составляет десятые или сотые доли Ома), и накопительный конденсатор 3 экспоненциально разряжается обратно в сеть, как это видно в нижней части диаграмм на рис.2, с постоянной времени разряда τ_РАЗР=r_Л С=0,1 мс при ранее заданных параметрах схемы. Напряжение стабилизации Us (ограничения) определяет фазу φ₂ задержки открытия тиристора 4 с учетом коэффициента трансформации для понижающей обмотки трансформатора w₃/w₁<1 по формуле φ₂ ≈ arcsin [Us/(w₃/w₁)*U_O]. Например, при подборе значения этой фазы φ₂ так, что сетевое напряжение при этом достигает величины u_СЕТИ(φ₂)=U_O sin φ₂=20 В. Поэтому начальный ток обратно в сеть через тиристор 4 от накопительного конденсатора 3, заряженного, как было ранее указано, до напряжения U_C=620 В, будет иметь величину I_{МАХ РАЗР}= [U_C-u_СЕТИ(φ₂)] / r_Л≤600 А. При этом мгновенное напряжение, действующее в сети в начале разряда накопительного конденсатора, равно 620 В, то есть весьма большим является мгновенное значение произведения тока разряда накопительного конденсатора на напряжение его заряда Р_НАЧ=I_{МАХ РАЗР}**U_С≤600*620=372 кВт.

При установке последовательно с накопительным конденсатором некоторой величины индуктивности L можно расширить длительность разрядного импульса и уменьшить его амплитуду, чтобы обеспечить сохранность тиристора 4 от превышения его рабочего тока. Значение этой индуктивности выбирают по условию L≤Т²/16 π² С, наибольшее возможное значение которой для ранее заданных параметров равно L_МАХ = 25,3 мГн. Такая катушка индуктивности должна быть выполнена толстым медным проводником для обеспечения малого активного ее сопротивления и не иметь железного сердечника. При этом высоковольтный диод 2 включается в промежуток между накопительным конденсатором 3 и такой катушкой индуктивности (на рис.1 она не представлена), чтобы обеспечить более быстрый заряд накопительного конденсатора 3.

Тиристор 4 является открытым в течение почти всей длительности положительного полупериода сетевого напряжения, и фаза открытого состояния тиристора 4 составляет величину [π - (φ₁+φ₂)]. Поэтому для ограничения его управляющего тока в схеме используется низкоомный резистор 7 с необходимой мощностью рассеяния. Этот тиристор закрывается автоматически, когда напряжение на накопительном конденсаторе 3 практически сравняется с текущим значением напряжения сети при фазе π - φ₁, после чего остается неизменным до следующего цикла заряда накопительного конденсатора 3, как это видно в средней части диаграмм на рис.2.

Несимметрия зарядно-разрядного тока накопительного конденсатора и напряжения на нем выражается неравенством:

,

в силу чего возможен режим реверсирования вращающегося диска индукционного электросчетчика, учитывая, что интеграл в правой части этого неравенства отрицателен. В частном случае значения фаз φ₁ и φ₂ могут быть подобраны равными, как это показано в средней части диаграмм на рис.2.

В рассматриваемом примере энергия заряда накопительного конденсатора составляет W=С [(w₂/w₁) U_С]²/2=10^-4*4*310²/2=19,22 Дж, расходуемая на заряд мощность, потребляемая из сети, равна Р=W*F=19,22*50=0,96 кВт. Среднее значение зарядного тока равно 4,36 А, хотя пиковое значение зарядного тока может в несколько раз превышать это значение, например, быть равным 15 А. Поэтому высоковольтный диод 2 должен быть рассчитан на этот импульсный ток. Обратное допустимое напряжение этого диода должно быть рассчитано на величину не менее 2 кВ, поскольку при разряде накопительного конденсатора 3 через открытый тиристор 4 приложенное к первичной обмотке трансформатора 1 напряжение достигает величины 620 В и, следовательно, вызывает на его повышающей вторичной обмотке потенциал, равный -1240 В с полярностью, обратной полярности напряжения на накопительном конденсаторе 620 В, так что обратное напряжение на высоковольтном диоде становится равным по модулю 1860 В.