Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРАМИ МОСТОВОЙ СХЕМЫ ПРИБОРА ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЭЛЕКТРОСЧЁТЧИКОВ

Изобретение относится к области измерительной электротехники и может быть использовано для оценки пригодности вновь разрабатываемых электросчетчиков от неконтролируемого отбора электроэнергии из энергетических электросетей.

Известны устройства для проверки электросчетчиков [1-6].

Ближайшим аналогом заявляемому техническому решению (прототипом) является «Устройство для проверки индукционных приборов учета электроэнергии» по Патенту РФ №2521307, опубл. в №18 от 27.06.2014 [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 проверяемого 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 повышенная сложность устройства управления включением и выключением транзисторных коммутаторов мостовой схемы, что связано с выполнением обязательного условия, по которому включение тиристора (симистора) диагональной цепи мостовой схемы должно последовать только после полного закрытия транзисторных коммутаторов зарядных цепей с накопительными конденсаторами в конце первой и третьей четвертей периода сетевого напряжения. Кроме того, при управлении транзисторными коммутаторами следует вырабатывать достаточно длинные импульсы (порядка 5 мс для стандартной сети с частотой 50 Гц), что увеличивает энергетические потери в схеме. Последние также растут при использовании в качестве коммутаторов именно транзисторов, требующих при этом охлаждения при достаточно большой мощности устройства.

Указанные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.

Целями изобретения являются упрощение устройства управления тиристорами при замене транзисторов коммутации цепей заряда накопительных конденсаторов мостовой схемы на тиристоры, включение которых осуществляется короткими импульсами, что снижает энергетические потери в устройстве управления.

Указанные цели достигаются в заявляемом устройстве управления тиристорами мостовой схемы прибора для проверки электросчетчиков, содержащем мостовую схему из двух параллельно подключенных к источнику сети цепей заряда накопительных конденсаторов с однонаправленными коммутаторами зарядного тока и диагональную разрядную цепь из тиристора, а также устройство управления коммутаторами зарядного тока и тиристора разрядной цепи мостовой схемы, отличающимся тем, что в качестве коммутаторов зарядного тока использованы тиристоры, а схема управления включением тиристоров зарядных и разрядной цепей короткими импульсами выполнена на основе последовательного соединения связанного с синхронизирующим напряжением сети компаратора, двух последовательно соединенных инверторов, выходы которых через две дифференцирующие RC-цепи подключены к двум импульсным усилителям мощности с трансформаторными выходами, связанными с выходом первой дифференцирующей цепи, и одного, связанного с выходом второй дифференцирующей цепи, а вторичные развязанные между собой обмотки выходных импульсных трансформаторов подключены к управляющим входам соответствующих тиристоров мостовой схемы.

Достижение указанных целей объясняется тем, что замена транзисторных коммутаторов зарядного тока на тиристоры снижает электрические потери в устройстве, поскольку включение тиристоров осуществляется короткими импульсами, привязанными по времени к фазам сетевого напряжения φ₁=2πn - для двух тиристоров в цепях заряда накопительных конденсаторов и φ₂=π(2n+1) - для тиристора диагональной разрядной цепи. Кроме того, использование тиристоров в зарядных цепях мостовой схемы вместо транзисторов приводит к автоматическому запиранию тиристоров, когда протекающий через них ток снижается до весьма малого уровня или после снятия напряжения, действующего между их катодом и анодом. Это позволяет использовать в устройстве управления тиристорами только один компаратор, синхронизируемый сетевым напряжением. Использование коротких импульсов для управления включением тиристоров упрощает конструкцию выходных трансформаторов импульсных усилителей мощности.

Схема заявляемого устройства дана на рис. 1, вариант построения импульсных усилителей мощности показан на рис. 2, а на рис. 3 приведены графики напряжения (сплошной линией), действующего на клеммах проверяемого электросчетчика (на его обмотке напряжения), и тока, протекающего через токовую обмотку электросчетчика (пунктирной линией), например, индукционного типа.

Принципиальная схема устройства (рис. 1) содержит следующие элементы и узлы:

1 - первый накопительный конденсатор емкостью C_H,

2 - первый тиристор цепи заряда,

3 - второй тиристор цепи заряда,

4 - второй накопительный конденсатор емкостью C_H,

5 - тиристор разрядной цепи мостовой схемы, включенный в ее диагонали,

6, 7 и 8 - выходные импульсные трансформаторы цепей управления тиристорами 2, 3 и 5, например, типа ТОТ62,

9, 10 и 11 - импульсные усилители мощности,

12 - понижающий трансформатор сетевого напряжения, (например, до напряжения 6,3 В),

13 - компаратор (например, на микросхеме типа К521СА3А),

RC - первая и вторая дифференцирующие цепи (RC ≈0,1 мс),

14 и 15 - соответственно первый и второй инверторы (например, на 1/2 ИМС типа К555ЛА3),

16 - вторичный источник питания на напряжения +5 В и +15 В, в составе которого использован понижающий трансформатор 12.

Вариант импульсного усилителя мощности (рис. 2) включает:

17 - n-p-n-транзистор, например, типа 2Т325В,

18 - одновибратор, например, на ИМС типа К1006ВИ1,

19 и 20 - резистор и конденсатор времязадающей цепи одновибратора 18 (на время 0,5 мс),

21 - промежуточный импульсный трансформатор, например, типа ТОТ2,

22 - выходной n-p-n-транзистор средней мощности, например, типа КТ819А,

23 - поглощающий экстратоки первичной обмотки трансформатора диод, например, типа Д312. Выход этого усилителя через импульсный трансформатор, например, типа ТОТ62 связан с управляющим электродом соответствующего тиристора мостовой схемы через ограничивающий резистор..

На рис. 3 сплошной линией показан вид напряжения u(t), действующего на обмотке напряжения электросчетчика, а пунктирной линией показан ток заряда i_ЗАР(t) и ток разряда i_РАЗР(t) в накопительных конденсаторах 1 и 4. Отметим, что при заряде эти конденсаторы подключены через открытые тиристоры 2 и 3 к источнику сети параллельно, а при разряде они включаются тиристором 5 последовательно (при уже закрытых тиристорах 2 и 3).

Рассмотрим работу заявляемого устройства.

При подаче пониженного трансформатором 12 переменного напряжения на вход компаратора 13 на его выходе образуется меандровый импульсный сигнал со скважностью, равной двум, инвертированный относительно положительных полуволн сетевого синусоидального напряжения. На выходе двух последовательно соединенных инверторов 14 и 15 образуются положительные и отрицательные меандровые сигналы, которые затем дифференцируются первой и второй RC-цепями. Положительные импульсы продифференцированных меандровых импульсов воздействуют на входы импульсных усилителей мощности (рис. 2) 9, 10 и 11 с трансформаторными выходами. Развязанные между собой вторичные обмотки этих трансформаторов 6, 7 и 8 через ограничивающие резисторы связаны с переходами «управляющий электрод - катод» соответственно тиристоров 2, 3 и 5 мостовой схемы.

При фазах сетевого напряжения φ₁=2πn (n - произвольное целое число) короткими импульсами открываются тиристоры 2 и 3 зарядных цепей мостовой схемы, и накопительные конденсаторы 1 и 4 заряжаются за четверть периода T сетевого напряжения до амплитудного значения U_O ≈300 В (при действующем напряжении сети 220 В). После заряда этих конденсаторов тиристоры 2 и 3 автоматически закрываются, так как зарядный ток стремится к нулю, как это видно на рис. 3. При фазах сетевого напряжения φ₂=π(2n+1) коротким импульсом открывается тиристор 5 цепи разряда, и накопительные конденсаторы 1 и 4 становятся включенными последовательно и, следовательно, разряжаются обратно к источнику сети при начальном напряжении 2U_O ≈600 В. Поскольку линия электропередачи и трансформатор подстанции имеют индуктивный характер, разрядный ток имеет форму квазисинусоидального импульса большой амплитуды, величина которой определяется весьма малым внутренним сопротивлением источника сетевого напряжения, например, порядка 0,3…1 Ом, а также длительностью Δt_РАЗР разрядного импульса (см. рис. 3), обусловленной индуктивностью сетевого источника и проводниками разрядной цепи мостовой схемы. При этом максимальное напряжение, действующее на обмотке напряжения проверяемого электросчетчика, включенного последовательно с заявляемым устройством к сети, несколько меньше величины 2U_O, как это видно на рис. 3, из-за небольших потерь внутри устройства. Эти потери складываются из падения напряжения на промежутке «катод-анод» тиристора 5 и известного качества используемых накопительных конденсаторов 1 и 4 (поэтому в устройстве необходимо использовать импульсные конденсаторы, например, типа К75-1).

Если, в первом приближении, пренебречь потерями в мостовой схеме, можно утверждать, что энергия заряда параллельно соединенных накопительных конденсаторов 1 и 4, равная , определяет и энергию W, возвращаемую обратно в сеть при разряде последовательно соединенных накопительных конденсаторов 1 и 4. Нетрудно понять, что величина электрического заряда q=2C_HU_O определяется интегралом от мгновенных значений тока заряда и разряда за время действия этих токов. Это можно записать в виде интегрального равенства:

то есть площади фигур, охваченных пунктирными линиями на рис. 3, оказываются равными. Ясно, что средний ток заряда I_ЗАР.СР накопительных конденсаторов существенно меньше среднего тока их разряда I_{РАЗР.СР}, поскольку Т/2>>Δt_РАЗР. В промежутках времени T/4 ≤ t ≤ T/2 и [(T/2)+Δt_РАЗР] ≤ t ≤ T токи в накопительных конденсаторах отсутствуют, как это видно на рис. 3. Отметим, что если бы электросчетчик учитывал именно количество электричества, проходящего через него к нагрузке, в которой это электричество производит полезную работу, то подключение заявляемой схемы к сети через такой электросчетчик не привело бы к изменению показаний при его работе. И поэтому такое устройство не могло бы быть использовано для «отмотки» показаний электросчетчика, что следует учесть разработчикам электросчетчиков, защищенных от хищения электроэнергии.

Однако современные электросчетчики, например, индукционного типа работают на основе интегрирования по времени работы ΔT подключенной активной нагрузки ПРОИЗВЕДЕНИЯ мгновенного значения тока нагрузки i_Н(t), протекающего через токовую обмотку счетчика, на мгновенное значение напряжения u(t), приложенного к обмотке напряжения счетчика, так что израсходованная активной нагрузкой энергия W_Н, учитываемая электросчетчиком, определяется из выражения:

где Р - средняя мощность, рассеиваемая в примененной активной нагрузке.

Для оценки учета энергии счетчиком в прямом направлении в выражении (2) вместо тока i_Н(t) следует подставить значение зарядного тока i_ЗАР(t), а при разряде - значение тока i_РАЗР(t).

В общем виде интеграл от произведения функций одной переменной не равен произведению интегралов от каждой функции по этой переменной, поэтому, строго говоря, нельзя вынести за знак интеграла (2) интегралы (в качестве общего множителя), указанные в (1) и равные между собой, чтобы можно было их сократить, показав явно, что на самом деле выполняется неравенство:

В схеме импульсного усилителя мощности (рис. 2) можно выбрать времязадающую цепь, подключенную к выводам 6 и 7 микросхемы К1006ВИ1, с постоянной времени порядка 0,5 мс (резистор 1,5 кОм, конденсатор 0,33 мкФ). Напряжение на выходной обмотке трансформатора должно быть около 4 В с током включения тиристора порядка 0,3 А. Сопротивление в цепи управляющего электрода тиристора составляет 2…7 Ом (включая и активное сопротивление выходной обмотки трансформатора) в зависимости от типа применяемого тиристора.

Предложение следует рекомендовать разработчикам электросчетчиков для проверки их нечувствительности к «отмотке» показаний потребляемой электроэнергии. Пример такого счетчика предложен в [7].

Литература

1. Меньших О.Ф. Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков. Патент №2474825, Опубл. в бюлл. №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. Устройство для контроля электросчетчиков. Патент №2521782, опубл. в №19 от 10.07.2014;

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

5. Меньших О.Ф. Устройство для проверки индукционных приборов учета электроэнергии. Патент №2521307, опубл. в №18 от 27.06.14 (прототип);

6. Меньших О.Ф. Устройство проверки индукционных электросчетчиков. Патент №2532861, опубл. в №31 от 10.11.2014;

7. Меньших О.Ф. Устройство учета электроэнергии. Патент №2521767, опубл. в №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.