Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРКИ ИНДУКЦИОННЫХ СЧЕТЧИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для проверки правильной работы электросчетчиков индукционного типа, работающих на активную нагрузку.

Известно, что индукционные электросчетчики содержат в своем составе перемножитель мгновенного значения протекающего через его низкоомную токовую обмотку тока активной нагрузки на действующее в высокоомной обмотке мгновенное значение напряжения сети, что реализуется действием соответствующих магнитных полей на вращающийся металлический диск, в котором возбуждаются вихревые токи, и при этом вращательный момент, прикладываемый к диску, пропорционален мгновенному значению произведений этих взаимно ортогональных магнитных полей, то есть произведению мгновенных значений тока на напряжение в указанных обмотках при гармоническом законе изменения величин тока и напряжения с низкой частотой сети (50 Гц), а подсчет электроэнергии определяется интегрированием указанного произведения тока на напряжение, что определяется числом оборотов алюминиевого диска.

Важно отметить, что правильная работа таких счетчиков происходит при гармоническом характере изменения во времени токов и напряжений в низкочастотном спектре. Нарушение этого условия, например, высокочастотным дроблением тока активной нагрузки и при импульсном характере нагрузочного тока, спектр которого существенно более высок по отношению к гармоническому колебанию сети, например, на порядок и более, приводит к занижению учета потребленной нагрузкой энергии, вплоть до учета только части от реально израсходованной энергии.

Это позволяет недобросовестным пользователям применять различные схемы для хищения электроэнергии, а разработчикам индукционных электросчетчиков необходимо усовершенствовать конструкцию приборов учета для противодействия таким схемам, одна из которых рассматривается в заявляемом техническом решении.

Известны различные варианты устройств отмотки показаний приборов учета электроэнергии, основанные на высокочастотном дроблении тока нагрузки, какой являются емкости накопительных конденсаторов с последующим плавным их разрядом в обратном направлении разрядного тока [1-8].

Недостатком таких устройств является их относительно высокая сложность, в частности, управляющих работой силовых транзисторов и симисторов устройств.

Целью изобретения является упрощение конструкции.

Указанная цель достигается в заявляемом устройстве для поверки индукционных счетчиков электроэнергии, содержащем две цепи, каждая из которых работает попеременно соответственно от положительных и отрицательных полуволн сетевого напряжения, отличающемся тем, что каждая из этих цепей содержит последовательно включенные к фазному и нулевому проводникам сети после прибора учета лавинный диод и накопительный конденсатор, точка соединения указанных элементов цепи соединена через резистор нагрузки с эмиттер-коллекторным переходом силового транзистора, другой электрод перехода которого соединен с фазным проводником сети, лавинные диоды двух цепей подсоединены к фазному проводнику сети разными электродами - катодом для цепи, работающей от положительных полупериодов сетевого напряжения, и анодом для цепи, работающей от отрицательных полупериодов сетевого напряжения, а силовые транзисторы этих цепей обеспечивают их проводимость разрядного тока через соответствующие резисторы нагрузки, причем каждый из этих силовых транзисторов является открытым для соответствующей полуволны сетевого напряжения и надежно закрытым для другой полуволны сетевого напряжения, для чего использован понижающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к фазному и нулевому проводникам сети после прибора учета, а его две раздельные вторичные обмотки подключены к управляющим электродам перехода «база-эмиттер» силовых транзисторов через ограничивающие резисторы.

Достижение поставленной цели объясняется формированием в каждом полупериоде сетевого напряжения для соответствующих двух цепей коротких заряжающих накопительные конденсаторы импульсов, спектр которых на два-три порядка выше частоты сетевого напряжения, и плавным разрядом накопительных конденсаторов обратно в сеть через открытые в соответствующих полупериодах силовые транзисторы, так что разрядные токи и действующие напряжения имеют разные знаки, в силу чего производится отмотка показаний счетчика.

Изобретение понятно из представленной на рис. 1 схемы, которая включает:

1 - однофазный индукционный электросчетчик без стопора обратного хода диска,

2 - предохранитель,

3 - первый лавинный диод,

4 - первый накопительный конденсатор, например, электролитического типа,

5 - первый резистор нагрузки,

6 - первый силовой транзистор, например, n-р-n-типа,

7 - понижающий трансформатор с двумя раздельными вторичными обмотками,

8 - первый ограничивающий резистор в цепи базы первого силового транзистора 6,

9 - второй накопительный конденсатор, например, электролитического типа,

10 - второй лавинный диод,

11 - второй резистор нагрузки,

12 - второй силовой транзистор, например, n-р-n-типа,

13 - второй ограничивающий резистор.

На рис. 2 дан график одного периода синусоидального переменного напряжения, а на рис. 3 - график тока в фазном проводнике после прибора учета.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

При подключении данной схемы в сеть оба накопительных конденсатора 4 и 9 быстро заряжаются в соответствующих полупериодах через лавинные диоды 3 и 10 и сравнительно медленно разряжаются обратно в сеть через резисторы нагрузки 5 и 11 и попеременно открытые силовые транзисторы 6 и 12 для соответствующих полупериодов сетевого напряжения, как это видно из графиков на рис. 2 и 3. Важно заметить, что полярности зарядных токов и действующих в это же время напряжений совпадают, что создает прямой отсчет показаний в электросчетчике, а полярности разрядных токов и действующих в это же время напряжений являются различными, что обеспечивает обратный счет (отмотку показаний счетчика).

Пусть накопительный конденсатор 4 емкостью С заряжается от сетевого напряжения через лавинный диод 3 с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением до напряжения U, равного амплитудному значению переменного напряжения, равного 310 В для сети с действующим напряжением 220 В. При этом во второй четверти первого положительного полупериода через резистор нагрузки 5 величиной R и открытый силовой транзистор 6 с весьма малым внутренним сопротивлением перехода «эмиттер-коллектор» протекает ток обратно в сеть, определяемый разностью мгновенных значений напряжения на накопительном конденсаторе и переменным напряжением сети во второй четверти периода, то есть равный

где τ=RC - постоянная времени разрядной цепи, t - текущее время 0≤t≤T/4.

При этом напряжение на накопительном конденсаторе медленно экспоненциально снижается, доходя к концу положительного полупериода до значения напряжения U₁.

Отметим, что при выполнении обязательного условия τ>>Т/4, можно полагать, что напряжение между значениями U и U₁ изменяется практически линейно во времени.

Энергию разряда накопительного конденсатора 4 через резистор нагрузки 5 во второй четверти периода можно подсчитать с учетом (1) по формуле

Так, если Т=0,02 с и τ=0,5 с, то согласно (2) имеем ΔW_РАЗР=1,107 U²/R (мДж) при интегрировании по программе MathCad. Отметим, что указанная в (2) энергия разряда расходуется на ее преобразование в тепловую энергию, выделяющуюся в резисторе нагрузки 5.

После разряда накопительного конденсатора 4 на величину энергии, указанной в (2), напряжение на этом конденсаторе снижается до величины U₁, равной:

При этом во всех других нечетных полупериодах сетевого напряжения такая ситуация сохраняется. По закону сохранения энергии отмечаем, что энергия дозаряда накопительного конденсатора 4 должна равняться энергии разряда, указанной в (2), полагая потери в линии электропередачи и в приборе учета электроэнергии пренебрежимо малыми. Следовательно, энергия дозаряда ΔW_ЗАР вычисляется по формуле

При отрицательных четных полупериодах те же эффекты повторяются с участием элементов 9, 10, 11 и 12. Следовательно, мощность заряда Рзар обоих накопительных конденсаторов 4 и 9 находится из выражения

и расходуется на нагревание пары резисторов нагрузки 5 и 11. При этом прибор учета 1 учитывает эту энергию, и алюминиевый его диск вращается в правильном направлении. Однако в связи с импульсной работой режима дозаряда накопительных конденсаторов 4 и 9 учет потребляемой энергии оказывается заниженным из-за высокочастотности спектра заряжающих импульсов, длительность которых во много раз меньше четверти периода Т/4=5 мс. Эта длительность заряжающих импульсов Δt_ИМП находится из выражения

где ΔW_РАЗР находится из выражения (2).

Рассмотрим пример. Пусть Т=0,02 с, τ=0,5 с, U=310 В, R=96,1 Ом. При этом 2 F ΔW_РАЗР=110,7 Вт - тепловые потери в резисторах нагрузки 5 и 11. Величина емкости накопительных конденсаторов 4 и 9 находится из выражения С=τ/R=0,5/96,1=0,005203 Ф≈5200 мкФ. Такой конденсатор может быть выполнен из 16-и параллельно включенных электролитических конденсаторов емкостью по 330 мкФ с рабочим напряжением не менее 350 В, допускающих работу в частотном режиме. Максимальная энергия заряда каждого из накопительных конденсаторов 4 и 9 СU²/2=249,86 Дж. Тогда из (6) находим длительность заряжающих импульсов Δt_ИМП=0,02[0,25-0,1592arcsin(1-0,1107/249.86)]=0,02[0,25-0,1592arcsin0,999557]=0,02(0,25-0.1592·1,541)=0,0000934 с=93,4 мкс. Спектр такого импульса находится в диапазоне частот f_СП≥1/Δt_ИМП=10707 Гц, что в 10707/50=214 раз выше частоты сетевого напряжения. Это обстоятельство приводит к сниженному учету электроэнергии, например до 75% от реально потребленной схемой электроэнергии для максимума спектральной плотности заряжающих импульсов на частоте около 10 кГц. То есть при потребляемой мощности данной схемой 110,7 Вт электросчетчик будет учитывать энергию при кажущейся мощности всего в 0,75·110,7=83,02 Вт.

Поскольку во второй и четвертой четвертях каждого периода переменного тока токи разрядов протекают в токовой обмотке счетчика 1 в обратном направлении, чем в первой и третьей четвертях периода, так что произведение этих токов на напряжения сети в этих четвертях периодов имеют РАЗНЫЕ ЗНАКИ, то это дополнительно снижает показания электросчетчика, и мощность отмотки Р_ОТМ находится из выражения

Таким образом, вместо учета мощности 110,7 Вт прибор будет учитывать мощность, равную 83,02-67,16=15,86 Вт, следовательно, неучитываемая счетчиком мощность составит величину 110,7-15,86=94,84 Вт. Следовательно, только 14,33% от реально израсходованной электроэнергии учитывается электросчетчиком.

Среднее значение разрядного тока в рассмотренном примере равно 0,36 А (максимальное в конце полупериода равно 3,2 А). Поэтому среднее значение тока лавинного диода приблизительно в Т/4 Δt_ИМП=50 раз больше среднего значения тока разряда, то есть имеет порядок 18 А, а максимальное значение этого тока имеет порядок 40 А, для чего применяются диоды лавинного типа.

Отметим, что в качестве резисторов нагрузки 5 и 11 могут быть использованы полезные потребители электроэнергии, например нагревательные приборы. В этом случае имеем дело с хищением электроэнергии.

Разработчики индукционных приборов учета без стопора обратного хода диска (как в счетчиках типа СО-2М) должны обеспечить нечувствительность приборов учета к действию коротких (порядка 100 мкс) зарядных импульсов при большой постоянной времени τ используемой RС-цепи в таких схемах, как рассмотренная в данном техническом решении.

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 №20 от 20.07.2014.

3. Меньших О.Ф. Способ компенсации потерь в конце длинной линии электропередачи. Патент №2512706, опубл. в №10 от 10.04.2014.

4. Меньших О.Ф. Устройство вольт-добавки электросети. Патент №2517203, опубл. в №15 от 27.05.2014.

5. Меньших О.Ф. Устройство для контроля электросчетчиков. Патент №2521782, опубл. в №19 от 10.07.2014.

6. Меньших О.Ф. Вольтдобавочное устройство для трехфазной линии электропередачи. Патент №2515049, опубл. в №13 от 10.05.2014.

7. Меньших О.Ф. Система стабилизации напряжения на протяженной линии электропередачи. Патент №0252311, опубл. в №17 от 20.06.2014.

8. Меньших О.Ф. Устройство для исследования работы индукционных электросчетчиков. Патент №2523109, опубл. в №20 от 20.07.2014.