Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКОВ

Изобретение относится к электротехнике и предлагается к использованию разработчикам индукционных электросчетчиков, защищаемых от неконтролируемого расхода электроэнергии.

Известно, что при прерывании тока нагрузки на повышенных частотах (например, в диапазоне 1…5 кГц) точность учета электроэнергии существенно снижается до недопустимых величин, что приводит к неконтролируемому расходу электроэнергии активными нагрузками типа нагревательных приборов, действие которых из-за прерываний тока не нарушается, а электросчетчик при этом может учитывать лишь около 25% от всей потребленной энергии. Это происходит вследствие ослабления магнитного поля, создаваемого токовой катушкой с U-образным сердечником, через обмотку которой проходит прерывающийся на повышенной частоте ток.

При исследовании работы индукционных электросчетчиков важно установить, на каких частотах прерываний тока нагрузки наиболее сильно проявляется снижение правильного учета электроэнергии для рассматриваемого диапазона мощностей нагрузки, например, от единиц сотен ватт до нескольких киловатт. Решению этой задачи посвящено заявляемое техническое решение.

Ближайшим техническим решением (прототипом) заявляемому техническому решению является модифицированное устройство, известное из патента РФ №2474826 того же автора на «Устройство для проверки чувствительности индукционных приборов учета электроэнергии к частотной модуляции рабочего тока», опубл. в бюлл. №4 от 10.02.2013 (приоритет от 13.09.2011).

Целью изобретения является построение компактного и высокоэффективного устройства для определения погрешности учета электроэнергии при прерывании тока нагрузки на различных частотах прерываний в заданном диапазоне мощности нагрузок.

Указанная цель реализуется в устройстве для исследования работы индукционных электросчетчиков, содержащем накопительные конденсаторы, заряд которых осуществляется в первую и третью четверти периодов сетевого напряжения прерывистым током, а разряд происходит плавно во времени во второй и четвертой четвертях периодов сетевого напряжения, отличающемся тем, что в качестве накопительных использованы четыре электролитических конденсатора, каждый из которых попарно подключен к фазному и нулевому проводникам электросети через последовательно с ними включенные диод и транзистор с учетом полярности указанного подключения электролитических конденсаторов, образующих две мостовые схемы, попеременно работающие в положительную и отрицательную полуволны сетевого напряжения, а в диагоналях этих мостовых схем включены последовательно установленные тиристор и дроссель, соединяющие последовательно каждую работающую пару заряженных накопительных конденсаторов мостовых схем для их плавного разряда обратно в сеть, причем обмотки двух дросселей мостовых схем выполнены на едином магнитопроводе с периодическим его перемагничиванием, а включение-выключение соответствующих транзисторов и тиристоров осуществлено от блока управления, синхронизируемого от сетевого напряжения.

Достижение указанной цели изобретения объясняется применением компактных электролитических конденсаторов с большой удельной емкостью на единицу объема и объединением дросселей двух мостовых схем с использованием для них единого магнитопровода без магнитного зазора, что повышает индуктивность дросселей, величина которой согласуется с емкостью используемых накопительных конденсаторов, которые определяют энергетику устройства. Прерывистый заряд каждой пары накопительных конденсаторов мостовых схем осуществляется параллельно от сетевого напряжения, а при их плавном разряде обратно в сеть эти конденсаторы включаются последовательно соответствующим тиристором, а затягивание во времени разряда определяется за счет включения соответствующего дросселя в разрядной цепи. Напряжение на последовательно соединенной паре конденсаторов при их разряде оказывается всегда больше по абсолютной величине напряжения сети, что создает ток разряда обратного направления, уменьшающий показания исследуемого электросчетчика.

Заявляемое устройство понятно из представленных рисунков. На рис.1 дана схема устройства совместно с исследуемым индукционным счетчиком, подключенным к воздушной линии ВЛ-0,4 кВ по однофазной схеме. На рис.2 приведена блочно-принципиальная схема блока управления транзисторами и тиристорами, на рис.3 и 4 приведены принципиальные схемы субблоков блока управления (рис.2).

Заявляемое устройство (рис.1) включает следующие элементы и блоки:

D1, D2, D3 и D4 - силовые диоды двух мостовых схем,

Т1, Т2, Т3 и Т4 - силовые транзисторы типа n-р-n двух мостовых схем,

С1, С2, С3 и С4 - накопительные электролитические конденсаторы двух мостовых схем,

U1 и U2 - силовые тиристоры (симисторы) в диагоналях двух мостовых схем,

Тр. - трансформатор в качестве двух связанных дросселей с одинаковыми обмотками,

блок управления транзисторами и тиристорами,

разъем подключения устройства к электросчетчику,

розетка подключения активной нагрузки,

индукционный электросчетчик, соединенный вводом с линией электропередачи ВЛ-0,4 кВ

Блок управления транзисторами и тиристорами (рис.2), синхронизируемый сетевым напряжением, построен на интегральных микросхемах микромощной серии К555 на семи микросхемах К555ЛАЗ (4 элемента 2И-НЕ) и на двух микросхемах К555ЛА7 (2 элемента 4И-НЕ с открытым коллектором), на нескольких транзисторах и диодах. Блок формирует две серии высокочастотных импульсов в первую и третью четверти периодов сетевого напряжения, управляющие работой транзисторов двух мостовых схем, а также импульсы запуска двух тиристоров Блок управления включает субблоки формирования импульсов запуска тиристоров - ФИЗТ-1 и ФИЗТ-2 (рис.3) и регулируемого генератора высокочастотных импульсов - РГВИ (рис.4), а также вторичный источник питания - ВИП, вырабатывающий напряжения питания для микросхем и транзисторов.

Рассмотрим действие устройства.

Устройство работает синхронно с четвертями периодов сетевого напряжения. В первую четверть периодов, начиная с положительного полупериода, па переходы «база-эмиттер» транзисторов Т1 и Т2 воздействуют высокочастотные положительные импульсы со скважностью, равной двум, и частотой из диапазона 1…5 кГц, и в течение 2,5 мс прерывисто заряжают накопительные конденсаторы С1 и С2 от сети через силовые диоды D1 и D2 до амплитудного напряжения сети (порядка 300 В), если постоянная времени цепи заряда τ_зар=2 r С существенно меньше времени действия прерывистого заряда 2,5 мс, где r - внутреннее сопротивление источника сети (порядка 0,5…1 Ом), С - емкость каждого накопительного конденсатора. При этом все другие транзисторы и тиристоры закрыты, и при заряде этой пары конденсаторов первой мостовой схемы энергия их заряда становится равной около W≈С Uo² (Дж), где Uo≈300 В - амплитудное значение напряжения сети (при его действующем значении 220 В). Отметим, что при увеличении энергетики устройства путем увеличения емкости накопительных конденсаторов может оказаться, что за 2,5 мс напряжение на накопительных конденсаторах не дойдет до амплитудного значения, если значение τ_зар окажется соизмеримым с временем действия прерывистого заряда 2,5 мс или даже большим его, что просто скажется на некотором снижении энергетики устройства, но не на его работоспособности.

Выбором частоты прерываний заряда накопительных конденсаторов при заданной энергетике устройства можно найти максимум погрешности учета электроэнергии, так что при прерывистом заряде накопительных конденсаторов индукционный электросчетчик будет учитывать лишь 25% потребленной энергии W.

Отметим также, что при прерывистом заряде накопительных конденсаторов импульсы заряжающего их тока сначала растут по величине, доходят до максимума в момент времени, соответствующий 1/8 периода, а затем уменьшаются до нуля в случае полного заряда этих конденсаторов до амплитудного значения напряжения сети или до некоторой ненулевой величины при неполном заряде накопительных конденсаторов, когда не выполняется условие τ_зар<<2,5 мс.

В конце первой четверти периодов сетевого напряжения силовые транзисторы Т1 и Т2 закрываются, и через некоторый небольшой интервал времени, например через 0,2…0,3 мс от начала второй четверти периодов, положительным импульсом открывается тиристор U1 диагонали первой мостовой схемы. При этом накопительные конденсаторы С1 и С2 оказываются включенными к сети последовательно через первую обмотку дросселя (трансформатора) Тр., и эти конденсаторы с их начальным напряжением, вдвое большим напряжения каждого из них, разряжаются обратно в сеть плавно во времени в течение почти 4,7 мс. При этом практически вся энергия W, накопленная в конденсаторах С1 и С2, возвращается к источнику сети, а ток через токовую обмотку индукционного электросчетчика проходит в противоположном направлении, организуя отмотку показаний в электросчетчике. Поскольку разряд протекает плавно во времени через открытый тиристор U1 и включенный с ним последовательно дроссель с индуктивностью его L, то электросчетчик учитывает при отмотке почти все 100% энергии W за небольшим вычетом энергии, рассеивающейся в активном сопротивлении обмотки дросселя.

Значение индуктивности L дросселя, выполненного в виде трансформатора Тр. с двумя одинаковыми обмотками, выбирают из условия ΔТ_РАЗР=(LC/2)^1/2≈4,7 мс, где ΔТ_РАЗР - период разряда последовательно включенных накопительных конденсаторов, С1 и С2 (их общая емкость при последовательном соединении равна С/2).

Протекание тока разряда обратно в сеть происходит за счет того, что модуль текущего напряжения сети всегда меньше модуля напряжения на включенных последовательно накопительных конденсаторах С1 и С2. Ограничение разрядного тока осуществляется за счет установки в цепи разряда дросселя, так что среднее значение тока разряда в пределах второй четверти периодов можно оценить неравенством I_РАЗР ≤W/ΔТ_РАЗР Uo=С Uo//ΔТ_РАЗР. Для сравнения отметим, что среднее значение прерывистого зарядного тока будет больше I_РАЗР почти в два раза, поскольку время заряда почти в два раза меньше времени разряда, а амплитудное значение зарядного тока оказывается равным Мах I_ЗАР≈2,7 I_РАЗР, так как амплитуда зарядного тока приблизительно в 1,41 раза больше его среднего значения, что необходимо учитывать при выборе силовых транзисторов по параметру максимально допустимого тока коллектора.

В конце второй четверти периодов сетевого напряжения разряд накопительных конденсаторов заканчивается, ток разряда падает до некоторой малой величины, при которой силовой тиристор U1 автоматически закрывается в соответствии с его принципом действия.

При отрицательной полуволне работает вторая мостовая схема. В начале третьей четверти периодов на переходы «база-эмиттер» силовых транзисторов Т3 и Т4 поступает пачка положительных импульсов со скважностью, равной двум, и с той же частотой их следования, как при работе в первой четверти периодов, и происходит прерывистый заряд накопительных конденсаторов С3 и С4 через силовые диоды D3 и D4. Силовые транзисторы и силовые диоды во второй мостовой схеме включены по их полярности встречно по сравнению с аналогичными элементами в первой мостовой схеме. Алгоритм прерывистого заряда аналогичен ранее описанному. В конце третьей четверти периодов силовые транзисторы закрываются.

С небольшой временной задержкой 0,2…0,3 мс от начала четвертой четверти периодов положительным импульсом открывается силовой тиристор U2, и последовательно соединенные этим тиристором накопительные конденсаторы С3 и С4 начинают плавно разряжаться обратно в сеть в течение 4,7 мс. При этом разрядный ток ограничивается использованием дросселя с индуктивностью L, в качестве которого использована вторая обмотка трансформатора Тр.

Важно отметить, что обе обмотки трансформатора Тр. выполняют функции дросселей для первой и второй мостовых схем, но при этом такие дроссели могут не иметь магнитного зазора в сердечнике общего для них магнитопровода, поскольку в последнем циркулирует знакопеременное магнитное поле с одинаковыми магнитными потоками. Это обстоятельство позволяет снизить активное сопротивление обмоток снижением числа их витков при получении необходимой величины индуктивности L, то есть снизить потери энергии при отмотке показаний электросчетчика. При этом можно полагать, что при правильно выбранном значении частоты прерываний зарядного тока (из диапазона 1…5 кГц) электросчетчик при действии заявляемого устройства будет отматывать показания с мощностью отмотки, равной Р_отм=0,7* 2WF=1,4WF=1,4C Uo² F при условии, что выполняется неравенство τ_ЗАР=2 r С<<2,5 мс, где F=50 Гц - частота сетевого напряжения.

Кратко рассмотрим работу блока управления транзисторами и тиристорами.

Сниженная величина переменного напряжения сети подвергается сдвигу по фазе на 90° в регулируемой двухзвенной RC-цепочке (в левом нижнем углу рис.2) и вместе с исходным переменным напряжением подвергается компарированию в двух микросхемах К555ЛАЗ, на выходах которых образуются прямоугольные меандровые импульсы длительностью 10 мс с частотой повторения 50 Гц. Фронты этих импульсов сдвинуты друг относительно друга на 5 мс (четверть периода сетевого напряжения), и из их комбинации для прямых и инвертированных последовательностей формируются на основе схем совпадения две последовательности прямоугольных импульсов длительностью 5 мс с частотой следования 50 Гц, соответствующие первой и третьей четвертям периодов сетевого напряжения, а также строб-импульсы начал второй и четвертой четвертей периодов. Первые из указанных двух последовательностей используются для работы транзисторов двух мостовых схем, а другая пара строб-импульсных последовательностей - для запуска тиристоров соответствующих мостовых схем. Эти выделенные последовательности запуска транзисторов подвергаются импульсной модуляции в двух схемах совпадений на частоте 1…5 кГц, сигнал которой образуется в перестраиваемом генераторе импульсов с частотой 2…10 кГц с последующим делением частоты на два в D-триггере на одном корпусе микросхемы К555ЛАЗ (рис.4). Организация сдвига на 0,2…0,3 мс запускающих тиристоры импульсов с их усилением по мощности выполняется в схеме на рис.3. Фрагмент четырех импульсных усилителей мощности указан в правой нижней части рис.2 пунктирными сносками с использованием микросхемы К174УНЗ и транзистора КТ819А. Управление работой транзисторов и тиристоров осуществляется с не связанных электрически вторичных обмоток трансформаторов, выполненных на тороидальных ферритовых сердечниках типа М2000НМ-1.

Рассмотрим примеры реализации заявляемого технического решения.

Так, при r=1 Ом, С=100 мкФ имеем τ_зар=2*10^-4=0,2 мс<<2,5 мс, и получаем мощность отмотки р_отм=1,4*10^-4*90000*50=630 Вт=0,63 кВт. При этом среднее значение разрядного тока за целый период будет равно I_{РАЗР СРЕДН}=10^-4 *300/2*0,0047=3,19 А с учетом скважности разрядных импульсов, равной двум (так как разряд действует только во второй и четвертой четвертях периодов, то есть половину периода). Максимальная амплитуда заряжающих импульсов при этом достигает величины порядка 17 А.

Если полагать, что τ_зар=2 r С=2,5 мс / 2,2, при котором напряжение на накопительных конденсаторах достигает величины около 0,9 Uo=270 В, то емкость накопительных конденсаторов может быть увеличена до С=1100 мкФ при значении r=1 Ом, что даст эффект мощности отмотки, равной P_ОТМ=1,4*1,1*10^-3*72900*50≈5613 Вт=5,6 кВт. При использовании трех таких устройств, подключаемых к трехфазному индукционному прибору учета, будем иметь полную мощность отмотки порядка 17 кВт. Если такое устройство постоянно работает в течение месяца при тарифе на коммерческую электроэнергию 5 р/кВт*час, то недостача платежей за израсходованную электроэнергию составит более 60 тысяч рублей в месяц. Именно поэтому разработчики новых приборов учета электроэнергии должны, пользуясь данным устройством, так разработать эти приборы учета, чтобы можно было избежать указанных огромных экономических потерь.

Для первого из приведенных примеров реализации устройства могут быть использованы транзисторы типа КТ834А, тиристоры Т-112-16-11 и диоды Д112-25-16. Для второго примера построения мощного устройства можно рекомендовать следующие приборы: транзисторы ТКД265-100-6-1, тиристоры (симисторы) ТС-151-160 (класса, не ниже 8-го) и диоды ДЛ161-320. В качестве электролитических следует использовать конденсаторы фирмы Yageo 100…330 мкФ × 450 В с возможностью их параллельного соединения при подборе требуемой емкости. В качестве двух дросселей обоих мостовых схем можно использовать трансформатор с двумя одинаковыми обмотками, намотанными на железный тороидальный сердечник из тонкой изолированной ленты с поперечным сечением магнитопровода площадью S=(1,5 Р_отм)^1/2 кв. см, (для первой из рассмотренных выше маломощной схемы S₁₀₀=30 см², а для мощной - S₁₁₀₀=90 см², где индекс при S означает величину емкости накопительных конденсаторов в мкФ). Указанные величины сечений магнитопроводов исключают их магнитное насыщение. Каждая из обмоток дросселей работает независимо от другой обмотки трансформатора, поскольку она подключена к запертому тиристору другой мостовой схемы.

Устройство предназначено для исследования новых приборов учета электроэнергии, разработка которых позволит избежать огромных экономических потерь, наносящих существенный вред энергоснабжающим организациям и вызывающих неизбежный рост тарифов на электроэнергию.