Результат интеллектуальной деятельности: СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРОМ МОСТОВОГО УСТРОЙСТВА ОЦЕНКИ ПРИГОДНОСТИ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ

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:

C₁ и C₂ - накопительные конденсаторы одинаковой величины С (например, по 100 мкФ).

L₁ и L₂ - дроссели с одинаковыми индуктивностями L с железными сердечниками,

D₁ и D₂ - 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.

C₃ - дополнительный конденсатор цепи управления включением тиристора,

R₁ и R₂ - регулируемый резистор из последовательно включенных резистора постоянной величины R₁ и реостата R₂,

R₃ - ограничительный резистор, снижающий ток управления тиристора до обусловленной предельно допустимыми значениями тока управления величины,

T - тиристор, установленный в диагонали мостового устройства.

Кроме того, элементами связи устройства с двухканальным осциллографом выступают: R₄ - низкоомный резистор (порядка 0,1 Ом) цепи измерения тока заряда и разряда накопительных конденсаторов C₁ и C₂, проходящего через токовую обмотку счетчика, R₅ и R₆ - 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.

В первую четверть положительного полупериода происходит заряд накопительных конденсаторов C₁ и C₂ 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_O=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.

Указанная на рис. 1 установка силовых диодов D₁ и D₂ исключает возможность перезаряда накопительных конденсаторов, то есть устройство работает в однополупериодном режиме. Поэтому дроссели L₁ и L₂ работают на пульсирующем токе (одного направления) и должны иметь соответствующие зазоры в их магнитопроводах, рассчитанные на соответствующие токи заряда, что исключает эффект насыщения дросселей.

Дроссели L₁ и L₂ 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_РАЗР=2,3 τ, где τ=r_С С/2 - постоянная времени процесса разряда, r_С - внутреннее сопротивление сети (0,3…0,5 Ом)), имеем при емкости накопительных конденсаторов С=100 мкФ и r_С=0,3 Ом длительность разрядного импульса Δt_РАЗР=2,3∗0,3∗10^-4/2=0,345∗10^-4 с=34,5 мкс. Следовательно, ширина спектра разрядного импульса имеет порядок 30 кГц, и индуктивное сопротивление дросселя L имеет порядок X_L=2π ΔF L. Так, при использовании дросселя Д 170 - 0,04 - 2,2 с индуктивностью 40 мГн имеем X_L=6,28∗30000∗0,04=7536 Ом>>>r_С. 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).

Энергия заряда W_ЗАР каждого из двух накопительных конденсаторов мостового устройства вычисляется в виде W_ЗАР=СU_O ²/2. При С=100 мкФ имеем W_ЗАР=4,5 Дж, что определяет среднюю мгновенную мощность заряда за четверть периода Т/4 как P_СР=4W_ЗАР/Т=18/0,02=900 Вт. Следовательно, средний ток заряда составляет величину I_{СР ЗАР}=900/220=4,09 А, а максимальное значение зарядного тока (при фазе φ*=π/8) равно I_{MAX ЗАР}=1,41*4,09=5,7 А.

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_ЗАР, которую при заряде будет отсчитывать счетчик, равна Р_ЗАР=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.

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 D₃, резисторов R₁ и R₂ и дополнительного конденсатора C₃ 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 C₃ с постоянной времени (R₁+R₂)C₃. Заряжаемый при этом дополнительный конденсатор включен к переходу «управляющий электрод-катод» тиристора через последовательно включенные динистор Y и ограничительный резистор R₃. 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 C₃ и при этом начальный ток управляющего электрода будет порядка 0,5 А при ограничительном резисторе R₃=24 Ом. При этом дополнительный конденсатор C₃ будет разряжаться, однако ток на управляющем электроде тиристора будет складываться и из тока, вытекающего из цепи с регулирующим резистором (R₁+R₂), 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: R₁=5,1 кОм, R₂=2,2 кОм (переменное), C₃=47 мкФ, R₃=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.

Регулировкой величины сопротивления R₂ 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.