Результат интеллектуальной деятельности: Инверторная схема для проверки индукционных электросчётчиков

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при проверке вновь разрабатываемых электросчетчиков, в частности, индукционного типа с целью исключения неконтролируемого расхода электроэнергии [1-2].

Известны приборы для проверки индукционных электросчетчиков на предмет правильного учета расходуемой потребителем электроэнергии [3-14 и 16-22].

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения является «Устройство для проверки правильности учета электроэнергии индукционными электросчетчиками» [16], состоящее из последовательно соединенных после поверяемого электросчетчика силового импульсного диода и электролитического конденсатора, к которому параллельно подключена активная нагрузка, допускающая работу на постоянном токе, причем величина емкости С электролитического конденсатора находится по формуле С≈Т/2η(1+η)R, где Τ - период переменного тока сети, при условии, что отношение η времени заряда к времени разряда электролитического конденсатора во много раз меньше единицы, например порядка 0,01, где R - активное сопротивление нагрузки, подключенной параллельно к электролитическому конденсатору, а силовой импульсный диод должен быть рассчитан на импульсный ток I_ИМП≈2I_Н/η, где I_Н - номинальный ток в нагрузке с сопротивлением R.

Недостатком этого устройства является питание нагрузки от постоянного тока с повышенным напряжением (порядка 310 В), что исключает работу многих бытовых приборов, рассчитанных на переменный ток сети 220 В.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является построение схемы прибора по инверторному принципу, при котором выпрямленное напряжение простыми средствами преобразуется в переменное напряжение 220 В.

Указанная цель достигается в инверторной схеме для проверки индукционных электросчетчиков, содержащей выпрямитель сетевого напряжения на последовательно соединенных сильноточного импульсного диода и электролитического конденсатора большой емкости С, рассчитываемой по формуле С≈Т/2η(1+η)R, где Τ - период переменного тока сети, при условии, что отношение η времени заряда к времени разряда электролитического конденсатора во много раз меньше единицы, например, порядка 0,01 и менее, где R - активное сопротивление нагрузки, отличающейся тем, что в нее введен аналогичный указанному дополнительный выпрямитель для другой полуволны переменного тока сети, а последовательно соединенные оба электролитических конденсатора большой емкости подключены к коллекторам последовательно соединенных силовых транзисторов соответственно n-p-n и р-n-р типов, эмиттеры которых соединены со средней точкой электролитических конденсаторов большой емкости через дроссель, образующий выход сетевого напряжения для подключения нагрузки R, к которому подключен пленочный конденсатор, образующий вместе с дросселем колебательный контур, настроенный на частоту сетевого напряжения (например, 50 Гц), при этом управление работой силовых транзисторов осуществлено подключением к их переходам «база-эмиттер» понижающей обмотки маломощного трансформатора, подключенного к входным сетевым контактам, а силовые импульсные диоды двухполупериодного выпрямителя должны быть рассчитаны на амплитуду импульсного тока I_{ИМП MAX}≈I_Н/η, где I_Н - номинальный ток в нагрузке с сопротивлением R.

Достижение цели изобретения объясняется построением инверторной схемы преобразования с использованием силовых транзисторов разного типа проводимости по мостовой схеме их включения к электролитическим конденсаторам двухполупериодных выпрямителей, а в диагонали этой мостовой схемы установлен параллельный колебательный контур из дросселя и пленочного (то есть биполярного) конденсатора, настроенный на частоту сетевого напряжения с управлением работой силовых транзисторов от маломощного понижающего трансформатора, подключенного к входным контактам сети. При этом на дросселе формируется синусоидальное напряжение с действующим значением 220 В, подключаемом к нагрузке с сопротивлением не менее величины R.

На рис. 1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства, включающая следующие элементы:

1 и 2 - силовые диоды, например, лавинные на импульсные токи I_{ИМП MAX},

2 и 4 - электролитические конденсаторы большой емкости С,

5 и 6 - силовые транзисторы соответственно n-p-п и p-n-ρ типов,

7 - дроссель с индуктивностью L,

8 - пленочный конденсатор с емкостью С_К, образующий с дросселем параллельный колебательный контур, настроенный на частоту f=1/2π(L С_К)^1/2=50 Гц,

9 - маломощный понижающий трансформатор,

10 - ограничивающий базовые токи силовых транзисторов 5 и 6 резистор (несколько Ом)

На рис. 2 представлен график периода сетевого напряжения с амплитудой U_О, а на рис. 3 - график импульсных токов подзаряда электролитических конденсаторов 2 и 4 в соответствующих частях полупериодов сетевого напряжения. Длительность этих импульсов t_И весьма мала по сравнению с полупериодом Τ/2 сетевого напряжения, так что величина отношения η=2t_И/Τ=Δϕ/π≤0,01, при значении которой электросчетчик индукционного типа учитывает лишь не более 25% реально расходуемой мощности подключенной к дросселю 7 нагрузкой R, что нарушает правильный учет электроэнергии и обязывает разработчиков таких приборов учета обеспечить эффективную защиту от хищения электроэнергии.

Рассмотрим работу заявляемого устройства.

Как было показано в работе [16], при постоянной времени τ цепи разряда электролитического конденсатора емкостью С на нагрузку сопротивлением R, где τ=RС, существенно большей периода Τ переменного тока, то есть при τ=RC>>T=l/f, электролитический конденсатор будет заряжен приблизительно до амплитудного напряжения U_О=(2)^1/2 U_С, где U_С - действующее напряжение сети (220 В), и в процессе работы на нагрузку будет во времени изменяться незначительно, например на величину ΔU^* за промежуток времени разряда ΔТ_РАЗР, равный Τ-t_И, где t_И - интервал времени импульсного заряда конденсатора для каждого из периодов переменного напряжения, причем ΔТ_РАЗР>>t_И. Обозначим t_И/ΔТ_РАЗР=η. Тогда η<<1, например η≤0,01. При этом в нагрузке протекает постоянный ток с повышенным напряжением (около 300 В) по сравнению с действующим напряжением сети, что представляет известные неудобства при использовании стандартных потребителей.

В рассматриваемой схеме разряд каждого из конденсаторов 3 и 4 происходит не в течение периода Т, а только в течение полупериода Τ/2, что определяется работой силовых транзисторов 5 и 6, управляемых от подключенного к сети понижающего трансформатора 9. При этом в колебательном контуре из дросселя 7 и пленочного конденсатора 8 формируется переменное напряжение с амплитудой, приблизительно равной U_О - аналог сетевого напряжения, подводимого к внешней нагрузке с сопротивлением R.

Силовые импульсные диоды 1 и 2 включены так, что пропускают ток только соответственно в нечетные и четные полупериоды переменного напряжения, подзаряжая электролитические конденсаторы 3 и 4 до напряжения U_О от напряжения U_О-ΔU в каждом из полупериодов сетевого напряжения, как это видно на рис. 3. За время ΔТ_РАЗР=Т/2(1+η) за счет протекающего в активной нагрузке с сопротивлением R тока напряжение лишь незначительно снижается на величину ΔU по экспоненциальному закону u(t)=U_Oexp(-t/τ), так что ΔU=U_O[1-ехр(-ΔТ_РАЗР/τ)=U_O{1-ехр[-Т/2(1+η)τ]}. Полагая отношения η и Т/2 τ одинаковыми, находим ΔU=U_O[1-ехр (-η/(1+η)], и падение напряжения ΔU составляет порядка 3 В. Тогда величина емкости электролитического конденсатора находится по формуле: C=T/2ηR - раздельно для каждой из двух ветвей выпрямителей. При Т=20 мс и η=0,01 получим С≈1/2R (здесь емкость выражается в фарадах, нагрузка в омах). Заряд конденсаторов 3 и 4 начинается в каждом полупериоде переменного напряжения в момент времени, когда напряжение на конденсаторе доходит до минимального значения U_O-ΔU-ΔU_ПОТ, где ΔU_ПОТ - потери напряжения на диодах 1 и 2 и транзисторах 5 и 6, например, порядка 2,5 В, то есть до значения около 305 В, и за время ΔТ_ЗАР=ηТ/2(1+η) возрастает до максимального значения U_MAX=U_O-ΔU_ПОТ=307,5 В. Энергия подзаряда W_ЗАР электролитических конденсаторов вычисляется по формуле W_ЗАР=С{U_O²-[U_O-ΔU)]²}/2=С[U_OΔU-ΔU²/2]≈CU_OΔU, так как ΔU<<U_O по исходному условию. Эта энергия W_ЗАР подзаряда ничтожно мала в сравнении с полной энергией электролитических конденсаторов CU_O²/2 (в U_O/2ΔU≈50 раз!), что позволяет использовать именно электролитические конденсаторы.

Учитывая малое падение напряжения ΔU, можно считать, что на дросселе 7 образуется переменное напряжение U_C*=217 В, практически равное исходному напряжению сети U_C.

Рассмотрим пример, в котором потребляемая мощность в нагрузке R составляет 1 кВт. Это означает, что величина сопротивления R выбрана равной . Тогда расчетная емкость конденсаторов 3 и 4 равна С≈1/2R=0,01064 Ф=10638 мкФ. Рабочее напряжение этих конденсаторов должно быть не менее 400 В. Такая большая величина емкости приводит к существенному удорожанию всего прибора в целом. Так, известные импортные электролитические конденсаторы емкостью 4700 мкФ на напряжение 400 В стоят на рынке от 1000 до 2000 рублей за одну штуку, а в таком приборе их надо использовать желательно в количестве 6 штук в двух цепях выпрямителей по 3 параллельно соединенных конденсатора. При этом такой прибор стоил бы более 10 тысяч рублей при закупке конденсаторов оптом.

Дроссель 7 выполняют проводником ПЭВ-2 диаметром 1 мм на Ш-образном железе сечением сердечника Ш40×80 с индуктивностью L=1 Гн, пленочный конденсатор 8 имеет емкость 10 мкФ на рабочее напряжение 400 В. Резонансная частота f=50 Гц. Трансформатор 9 мощностью около 5 Вт понижает напряжение управления транзисторами 5 и 6 до 5…7 В.

В качестве силовых транзисторов 5 и 6 можно применить КТ862А (n-p-n) и КТ892А (p-n-р). Диоды 1 и 2 типа В200 должны допускать импульсные токи подзаряда до нескольких килоампер.

Заявителем в работе [15] был предложен вариант построения прибора учета электроэнергии, исключающий хищение электроэнергии известными способами.

Литература

1. Меньших О.Ф. Способ борьбы с хищениями электроэнергии, патент РФ №2208795 опубл. в №20 от 20.07.2003.

2. Меньших О.Ф. Способ борьбы с хищениями электроэнергии (способ Меньших), патент РФ №2308726, опубл. в №29 от 20.10.2007.

3. Меньших О.Ф. Устройство для проверки чувствительности электронного электросчетчика с двумя токовыми цепями с активной нагрузкой и реактивной компенсацией, патент РФ №2338217, опубл. в №31 от 10.11.2008.

4. Меньших О.Ф. Устройство проверки электросчетчиков активной энергии, патент РФ №2456623, опубл. в №20 от 20.07.2012.

5. Меньших О.Φ. Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков, патент РФ №2474825, опубл. в №4 от 10.02.2013.

6. Меньших О.Ф. Устройство для проверки чувствительности трехфазных цифровых приборов учета электроэнергии, патент РФ №2474833, опубл. в №4 от 10.02.2013.

7. Меньших О.Ф. Устройство для проверки чувствительности индукционных приборов учета электроэнергии к частотной модуляции рабочего тока, патент РФ №2474826, опубл. в №4 от 10.02.13.

8. Меньших О.Ф. Схема контроля чувствительности трехфазных электронных приборов учета электроэнергии, патент РФ №2474834, опубл. в №4 от 10.02.2013.

9. Меньших О.Ф. Устройство для проверки работы однофазных индукционных электросчетчиков, патент РФ №2474825, Опубл. в бюлл. №4 от 10.02.2013.

10. Меньших О.Ф. Мостовое устройство для проверки электросчетчиков активной энергии индукционного типа, патент РФ №2522706, опубл. в №20 от 20.07.2014.

11. Меньших О.Ф. Устройство для контроля электросчетчиков, патент РФ №2521782, опубл. в №19 от 10.07.2014.

12. Меньших О.Ф. Устройство для исследования работы индукционных электросчетчиков, патент РФ №2523109, опубл. в №20 от 20.07.2014.

13. Меньших О.Ф. Устройство для проверки индукционных приборов учета электроэнергии, патент РФ №2521307, опубл. в №18 от 27.06.14.

14. Меньших О.Ф. Устройство проверки индукционных электросчетчиков, патент РФ №2532861, опубл. в №31 от 10.11.2014.

15. Меньших О.Ф. Устройство учета электроэнергии, патент №2521767, опубл. в №19 от 10.07.2014.

16. Меньших О.Ф. Устройство для проверки правильности учета электроэнергии индукционными электросчетчиками, патент РФ №2552541, опубл. в №16 от 20.09.2015 - (прототип).

17. Меньших О.Ф. Устройство для проверки индукционных электросчетчиков, патент РФ №2564689, опубл. в №28 от 10.10.2015.

18. Меньших О.Ф., Устройство для поверки электросчетчиков, патент РФ №2572165, опубл. в №36 от 27.12.2015.

19. Меньших О.Ф. Устройство для проверки электросчетчиков, решение от 26.01.2016 о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2015101283/28 (001787) с приоритетом от 16.01.2015.

20. Меньших О.Ф. Схема управления тиристором мостового устройства оценки пригодности индукционных электросчетчиков, решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2015109342/28 (014849) с приоритетом от 17.03.2015.

21. Меньших О.Ф. Прибор для исследования работы электросчетчиков, решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2014137746/28 (061121) с приоритетом от 17.09.2014.

22. Меньших О.Ф. Устройство управления симисторами мостовой схемы для проверки учета электроэнергии индукционными электросчетчиками, решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2015108287/28 (013252) с приоритетом от 10.03.2015.

Данные патентного поиска

RU 2523109 С1, 20.07.2014, RU 2521307 С1, 27.06.2014, US 7692421 В2, 06.04.2010, RU 2355089 С2, 10.05.2009, RU 2338217 С1, 10.11.2008, RU 2190859 С2, 10.10.2002, RU 2181894 С1, 27.04.2002, US 6362745 В1, 26.03.2002, RU 2178892 С2, 27.01.2002, ЕР 1065508 А2, 03.01.2001, RU 8170009 U1, 16.10.1998, RU 2079201 С1, 10.05.1997, RU 2030100 С1, 27.02.1995, SU 1781628 А1, 15.12.1992, SU 1780022 А1, 07.12.1992, SU 1422199 А1, 07.09.1988.