устройство проверки электросчетчиков активной энергии

Формула изобретения

Устройство проверки электросчетчиков активной энергии индукционного типа, содержащее рабочий конденсатор, заряжаемый от электрической сети через высокочастотный коммутатор и разряжаемый обратно в сеть непосредственно, емкость которого выбирают из расчета безучетно потребляемой мощности, отличающееся тем, что рабочий конденсатор одним из его полюсов подключен к фазному и нулевому проводникам электросети через управляемые попеременно силовые транзисторы, а другим - через коммутирующие попеременно симисторы, параллельно которым включены фильтрующие конденсаторы, кроме того, в разрядных цепях рабочего конденсатора использованы два дополнительных коммутирующих симистора, а попеременное включение всех силовых транзисторов и симисторов осуществлено подключенным к ним блоком управления, работа которого синхронизирована сигналом электрической сети.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке электросчетчиков активной энергии.

Общее потребление электроэнергии в 2010 году составило около одного триллиона кВт·час. Статистический анализ показал, что не менее 10 процентов генерируемой и поставляемой пользователям энергии ими похищается, что составляет коммерческие потери. Известны различные способы борьбы с хищениями электроэнергии бытовыми потребителями [1-2] в сельской местности, пригородных домах и садоводствах путем переброса фазного и нулевого проводников ввода, подсоединяемого к ответвлению от ВЛ - 0,4 кВ, и при использовании скрытого заземляющего устройства. Эти способы создают экономию не менее 30 миллиардов рублей ежегодно. Промышленность разработала новые электросчетчики с двумя токовыми измерительными цепями (например, типа СЕ-200), использование которых нечувствительно к указанному перебросу проводников ввода. Такие электросчетчики устанавливают в городах и в новостройках. Однако работа таких электросчетчиков может быть нарушена применением простых электрических схем [3-4], предназначенных для проверки токовой чувствительности электросчетчиков, при использовании скрытого заземляющего устройства. Это еще больше увеличит масштабы хищения электроэнергии, особенно в связи с постоянным ростом тарифов на нее.

Меры противодействия хищению электроэнергии, предпринимаемые Гостехнадзором и местными отделениями Энергосбыта, оказываются недостаточными, и тенденция роста хищений электроэнергии требует помимо усиления контрольных функций создания приборов учета электроэнергии принципиально иной конструкции [5] что приводит, в частности, к отказу от использования в них индукционных измерителей тока, поскольку разработаны электронные схемы остановки или замедления работы индукционных приборов учета, которые не требуют использования скрытого заземляющего устройства, при этом пломбировка, прочное закрепление и целостность элементов электросчетчика не нарушаются потребителями. Такие устройства являются полностью автономными и просто включаются в розетку электрической сети.

Для проверки работы электросчетчиков нового типа, включая и электросчетчики индукционного типа, которыми оснащены 100% бытовых потребителей в стране, необходимо разработать устройство-тренажер. Решению этой задачи посвящено заявляемое техническое решение, вариацией параметров которого можно определить степень уязвимости действующих и вновь разрабатываемых приборов учета электроэнергии.

Целью изобретения является оценка защищенности электросчетчиков активной энергии от возможности ее неконтролируемого хищения.

Указанная цель достигается в заявляемом устройстве проверки электросчетчиков активной энергии индукционного типа, содержащем рабочий конденсатор, заряжаемый от электрической сети через высокочастотный коммутатор и разряжаемый обратно в сеть непосредственно, емкость которого выбирают из расчета безучетно потребляемой мощности, отличающимся тем, что рабочий конденсатор одним из его полюсов подключен к фазному и нулевому проводникам электросети через управляемые попеременно силовые транзисторы, а другим - через коммутирующие попеременно симисторы, параллельно которым включены фильтрующие конденсаторы, кроме того, в разрядных цепях рабочего конденсатора использованы два дополнительных коммутирующих симистора, а попеременное включение всех силовых транзисторов и симисторов осуществлено подключенным к ним блоком управления, работа которого синхронизирована сигналом электрической сети.

Достижение цели изобретения объясняется снижением учета электроэнергии индукционным прибором учета в нечетные четверти периодов сетевого напряжения при соответствующем подборе частоты в высокочастотном импульсном генераторе, быстро прерывающем зарядный ток в рабочем конденсаторе, и возвратом в сеть накопленной электроэнергии от него без модуляции разрядного тока, что либо останавливает работу прибора учета, либо уменьшает его показания в зависимости от величины присоединенной нагрузки и от величины емкости рабочего конденсатора.

Изобретение понятно из представленных рисунков.

На рис.1 дана электрическая схема зарядно-разрядной цепи рабочего конденсатора под управлением с блока управления, состоящая из:

БУ - блока управления,

T₁ и Т₂ - первого и второго силовых транзисторов цепей заряда,

С₁ - рабочего конденсатора, определяющего энергетику устройства,

D₁ D₄ - симисторов зарядных и разрядных цепей рабочего конденсатора C₁,

С₂ и С ₃ - фильтрующих конденсаторов, установленных параллельно симисторам зарядных цепей рабочего конденсатора.

Выводы блока управления, подключенного к сети, и связанные с ними выводы управляющих цепей силовых транзисторов и симисторов обозначены цифрами от 1 до 8.

На рис.2 представлена функциональная схема блока управления БУ (рис.1), содержащая фазосдвигающую цепь из двух конденсаторов С и резисторов R, один из которых подстраиваемый, обеспечивающую сдвиг фазы входного переменного напряжения сети на /2, два усилителя-ограничителя, два инвертора, шесть схем совпадений, высокочастотный импульсный генератор (ВИМ) с регулируемой частотой следования импульсов, шесть разделительных конденсаторов и шесть токовых ключей, используемых для попеременного открывания-запирания силовых транзисторов и симисторов в схеме на рис.1. В этой схеме не показаны раздельные источники питания токовых ключей с их общими точками-выводами 4 и 5, а также источник питания ВИГ, усилителей-ограничителей, выполненных на операционных усилителях, и логических элементов - инверторов и схем совпадения, например, на ТТЛ-логике. Эти блоки питания подключены к сетевому напряжению. Каждая из пары последовательно включенных RC-цепочек создает сдвиг фазы входного напряжения на 45°. Подстройка резистора в одной из них позволяет уточнить полный сдвиг фазы на 90°. При этом на вход первого усилителя-ограничителя воздействует сигнал u(t)₁= U₀sin2 Ft, а на вход второго - сигнал u(t)₂= U₀cos2 Ft, где U₀ и F - амплитуда и частота сетевого напряжения, <<1 - коэффициент деления сетевого напряжения (активный делитель напряжения сети не представлен на схеме). В качестве делителя может быть использован микромощный понижающий трансформатор.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Оно работает в четыре циклически повторяющихся этапа, суммарная длительность которых равна периоду сетевого напряжения Т.

На первом этапе 0 t Т/4 рабочий конденсатор C₁ заряжается по цепи «первый силовой транзистор T₁ - симистор D ₄». При этом симистор D₄ открыт по сигналу с вывода 8 с выхода БУ, а силовой транзистор T₁ прерывает цепь заряда высокочастотным сигналом той или иной частоты f, поступающим с вывода 1 БУ. Модуляция тока заряда приводит к сниженному учету потребленной рабочим конденсатором энергии из-за свойств индукционной измерительной токовой цепи электросчетчика активной энергии. На рабочем конденсаторе формируется заряд с энергией W=C₁U₀ ²/2, где U₀ - амплитудное значение напряжения сети, равное 310В при эффективном напряжении 220 В. Как показывает анализ, за счет использования модуляции зарядного тока высокочастотным сигналом учет энергии W электросчетчиком составляет всего 20 30% этой величины в зависимости от выбранного значения частоты прерываний зарядного тока, определяемой работой высокочастотного импульсного генератора 9 (рис.2). Отметим, что параллельное подключение фильтрующего конденсатора С₃ к симистору D₄ приводит к поддержанию этого симистора открытым на этапе заряда рабочего конденсатора C₁.

На втором этапе Т/4 t Т/2 рабочий конденсатор C₁ разряжается по цепи «симистор D₁ - симистор D₄». При этом закрыт ранее открытый первый силовой транзистор T ₁. При этом на симистор D₄ продолжает действовать управляющий сигнал с вывода 8 БУ, длительность которого равна Т/2, а на симистор D₁ - сигнал управления с вывода 2 БУ длительностью Т/4. Энергия заряда W передается обратно в сеть, и при этом индукционный прибор учета электроэнергии работает исправно, на 100%, так как разрядный ток не модулирован высокочастотными импульсами с ВИГ.

На третьем этапе Т/2 t 3Т/4 рабочий конденсатор C₁ вновь заряжается по цепи «второй силовой транзистор Т₂ - симистор D₂» во второй полуволне периода сетевого напряжения. Ток заряда также является прерывающимся за счет его модуляции сигналом с ВИГ, что приводит к неправильному учету энергии W электросчетчиком. Сигнал управления на силовой транзистор Т ₂ поступает с вывода 6 БУ. На симистор D₂ действует управляющий сигнал с вывода 3 БУ. Фильтрующий конденсатор С ₂, включенный параллельно симистору D₂, выполняет те же функции, что и фильтрующий конденсатор С₃.

На четвертом этапе 3Т/4 t Т рабочий конденсатор C₁ разряжается через полностью открытые симисторы D₂ и D₃. На управляющие входы этих симисторов действуют управляющие сигналы соответственно с выводов 3 и 7 БУ. При этом второй силовой транзистор Т ₂ закрыт.

Разделительные конденсаторы Ср передают с логических схем формирования управляющих сигналов переменную составляющую логических нулей и единиц, но отделяют токовые ключи от логической схемы по постоянным составляющим, поскольку низковольтные источники питания логической схемы устройства заземлены, а два раздельных незаземленных источника питания шести токовых ключей «подвешены» относительно заземления (нулевого проводника сети). При этом токовые ключи, образующие выводы 1, 2, 6 и 7 БУ, имеют общую точку их источника питания с выводом 4 БУ, а токовые ключи с выводами 2 и 7 имеют общую точку другого их источника питания с выводом 5 БУ.

Токовые ключи вырабатывают сигналы управления для включения силовых транзисторов и симисторов (рис.1) необходимой мощности, зависящей от типов применяемых силовых транзисторов T₁ и Т ₂ и симисторов D₁ D₄, а также в зависимости от коммутируемой ими мощности, определяемой емкостью рабочего конденсатора C₁ .

Высокочастотный импульсный генератор (ВИГ) содержит перестраиваемый по частоте, например, в диапазоне 1 20 кГц RC генератор и формирователь ТТЛ-импульсов в форме «меандра», которые модулируются ТТЛ-импульсами длительностями Т/4, соответствующими первой и третьей четвертями в каждом периоде сетевого напряжения.

В последующих периодах процессы заряда и разряда рабочего конденсатора C₁ повторяются с частотой 2F, где F - частота сетевого напряжения (F=50 Гц).

Если частоту прерываний заряда f>>F выбрать так, что учет энергии при заряде составляет, например, 0,25 W, а обратный учет равен W, то мощность обратного учета электроэнергии таким прибором учета будет равна Р=0,75 W F.

Рассмотрим пример. Пусть C₁=500 мкФ, F=50 Гц, U₀=310 В. Тогда мощность обратного учета электроэнергии составит P=0,75*5*10 ^-4*310²*50=1802 Вт. Рабочий конденсатор C ₁ должен быть рассчитан на рабочее напряжение 400 В и допускать работу в частотном режиме заряда. Частота f высокочастотного импульсного генератора 9 имеет порядок от 1 кГц до 20 кГц и подбирается в зависимости от конструкции индукционной токовой измерительной цепи электросчетчика по максимуму величины мощности Р. Емкость фильтрующих конденсаторов C₂ и С₃ выбирают меньше емкости C₁ в кратное число раз k от величины отношения f/F. Если f=10 кГц, k=3, то С₂=С₃ =3*500*50/10000=7,5 мкФ. Эти конденсаторы также рассчитывают на рабочее напряжение 400 В, и они должны допускать работу в частотном режиме (при f=10 20 кГц).

Выполнение данного устройства только на управляемых симисторах нежелательно, поскольку сильноточные симисторы работают надежно только в низкочастотном диапазоне колебаний. Поэтому было принято решение использовать в качестве управляемых высокочастотными импульсами коммутаторов зарядных цепей именно силовые транзисторы n-p-n типа с обратным напряжением на коллекторе не менее 800 В. Поскольку силовые транзисторы и симисторы работают в ключевом режиме, мощность рассеяния на них мала даже при больших значениях мощности Р [6-8]. С учетом того, что заряд рабочего конденсатора C₁ однополярный (без перезаряда), можно использовать малогабаритные электролитические (танталовые) конденсаторы. Это существенно снижает вес и габариты устройства.

Целесообразно обойтись в будущем без индукционных приборов учета активной энергии и применять счетчики полной энергии (активной и реактивной).

Литература

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

2. Меньших О.Ф. Способ борьбы с хищениями электроэнергии (способ Меньших), патент РФ № 2308726, опубл. в бюл. № 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 № 2338217, опубл. в бюл. № 31 от 10.11.2008.

4. Меньших О.Ф. Способ проверки работоспособности электронного счетчика электроэнергии с двумя токовыми измерительными цепями и схема его осуществления, патент РФ № 2344428, опубл. в бюл. № 02 от 20.01.2009.

5. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях, - 2-е изд., М., Энергоатомиздат, 1986.

6. Блихер А. Физика тиристоров, пер. с англ., Л., 1981;

7. Евсеев Ю.А., Дерменжи П.Г. Силовые полупроводниковые приборы, М., 1981.

8. Тучкевич В.М., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л., 1988.