Устройство проверки электросчетчиков активной энергии

Устройство проверки электросчетчиков активной энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 С₃ - 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 π/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=ηU₀sin2πFt, а на вход второго - сигнал u(t)₂=ηU₀cos2πFt, где U₀ и F - амплитуда и частота сетевого напряжения, η<<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 D₄». 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 T₁. 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 Т₂ поступает с вывода 6 БУ. На симистор D₂ действует управляющий сигнал с вывода 3 БУ. Фильтрующий конденсатор С₂, 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 Т₂ 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 Т₂ 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 C₁ 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.

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.