Генератор обратной мощности

Устройство предназначено для отмотки показаний индукционных электросчетчиков без измене-ния их схем включения. Применительно к электронным и электронно-механическим счетчикам, в кон-струкцию которых заложена неспособность к обратному отсчету показаний, устройство позволяет пол-ностью остановить учет до уровня обратной мощности, развиваемой генератором. При указанных на схеме элементах устройство рассчитано на номинальное напряжение сети 220 В и мощность отмотки 1-5 кВт.
Устройство, собранное по предлагаемой схеме, просто вставляется в розетку и счетчик начинает считать в обратную сторону. Вся электропроводка остается нетронутой. Заземление не нужно.

Теоретические основы
Работа устройства основана на том, что датчики тока электросчетчиков, в том числе и электрон-ных, содержат входной индукционный преобразователь, имеющий низкую чувствительность к токам высокой частоты. Этот факт позволяет внести значительную отрицательную погрешность в учет, если потребление осуществлять импульсами высокой частоты. Другая особенность – счетчик является реле направления мощности, т.е если с помощью какого-либо источника (например дизель-генератора) пи-тать саму электрическую сеть, то счетчик вращается в обратную сторону.
Перечисленные факторы позволяют создать имитатор генератора. Основным элементом такого устройства является конденсатор соответствующей емкости. Конденсатор в течение четверти периода сетевого напряжения заражают от сети импульсами высокой частоты. При определенном значении час-тоты (зависит от характеристик входного преобразователя счетчика), счетчик учитывает только чет-верть от фактически потребленной энергии. Во вторую четверть периода конденсатор разряжают обрат-но в сеть напрямую, без высокочастотной коммутации. Счетчик учитывает всю энергию, питающую сеть. Фактически энергия заряда и разряда конденсатора одинакова, но полностью учитывается только вторая, создавая имитацию генератора, питающего сеть. Счетчик при этом считает в обратную сторону со скоростью, пропорциональной разности в единицу времени энергии разряда и учтенной энергии за-ряда. Электронный счетчик будет полностью остановлен и позволит безучетно потреблять энергию, не более значения энергии разряда. Если мощность потребителя окажется большей, то счетчик будет вычи-тать из нее мощность устройства.
Фактически устройство приводит к циркуляции мощности в двух направлениях через счетчик, в одном из которых осуществляется полный учет, а в другом – частичный.

Принципиальная схема устройства
Принципиальная схема приведена на рис.1. Основными элементами устройства являются инте-гратор, представляющий собой резистивный мост R1-R4 и конденсатор С1, формирователь импульсов (стабилитроны D1, D2 и резисторы R5, R6), логический узел (элементы DD1.1, DD2.1, DD2.2), тактовый генератор (DD2.3, DD2.4), усилитель (Т1), выходной каскад (С2, Т2, Br1) и блок питания на трансфор-маторе Tr1.
Интегратор предназначен для выделения из сетевого напряжения сигналов, синхронизирующих работу логического узла. Это прямоугольные импульсы уровня ТТЛ на входах 1 и 2 элемента DD1.1.
Фронт сигнала на входе 1 DD1.1 совпадает с началом положительной полуволны сетевого на-пряжения, а спад – с началом отрицательной полуволны. Фронт сигнала на входе 2 DD1.1 совпадает с началом положительной полуволны интеграла сетевого напряжения, а спад - с началом отрицательной полуволны. Таким образом, эти сигналы представляют собой прямоугольные импульсы, синхронизиро-ванные сетью и смещенные по фазе относительно друг друга на угол /2.
Сигнал, соответствующий напряжению сети, снимается с резистивного делителя R1, R3, ограни-чивается до уровня 5 В с помощью резистора R5 и стабилитрона D2, затем через гальваническую раз-вязку на оптроне ОС1 подается на логический узел. Аналогично формируется сигнал, соответствующий интегралу напряжения сети. Процесс интегрирования обеспечивается процессами заряда и разряда кон-денсатора С1.
Логический узел служит для формирования сигналов управления мощным ключевым IGBT-транзистором Т2 выходного каскада. Алгоритм управления синхронизирован выходными сигналами ин-тегратора. На основе анализа этих сигналов, на выходе 4 элемента DD2.2 формируется сигнал управле-ния выходным каскадом. В необходимые моменты времени логический узел модулирует выходной сиг-нал сигналом задающего генератора, обеспечивая высокочастотное энергопотребление.
Для обеспечения импульсного процесса заряда накопительного конденсатора С2 служит задаю-щий генератор на логических элементах DD2.3 и DD2.4. Он формирует импульсы частотой 2 кГц ам-плитудой 5 В. Частота сигнала на выходе генератора и скважность импульсов определяются параметра-ми времязадающих цепей С3-R20 и C4-R21. Эти параметры могут подбираться при настройке для обес-печения наибольшей погрешности учета потребляемой электроэнергии.
Сигнал управления выходным каскадом через гальваническую развязку на оптроне ОС3 поступа-ет на вход усилителя на транзисторе Т1. Основное назначение этого усилителя – полное открытие с вво-дом в режим насыщения транзистора Т2 выходного каскада и надежное запирание его в моменты вре-мени, определяемые логическим узлом. Только ввод в насыщение и полное закрытие позволят транзи-стору Т2 функционировать в тяжелых условиях работы выходного каскада. Если не обеспечить надеж-ное полное открытие и закрытие Т2, причем за минимальное время, то он выходит из строя от перегрева в течение нескольких секунд.
Блок питания построен по классической схеме. Необходимость применения двух каналов пита-ния продиктована особенностью режима выходного каскада. Обеспечить надежное открывание Т2 уда-ется только при напряжении питания не менее 12В, а для питания микросхем необходимо стабилизиро-ванное напряжение 5В. При этом общим проводом можно лишь условно считать отрицательный полюс 5- вольтового выхода. Он не должен заземляться или иметь связь с проводами сети.

Детали и конструкция
Микросхемы могут применяться любые: 155, 133, 156 и других серий. Не рекомендуется приме-нение микросхем на основе МОП - структур, так как они более подвержены влиянию наводок от работы мощного ключевого каскада.
Ключевой транзистор Т2 обязательно устанавливается на радиаторе. Из соображений безопасно-сти в качестве радиатора не следует использовать металлический корпус устройства.
Накопительный конденсатор С2 может быть только неполярным. Применение электролитическо-го конденсатора не допускается. Конденсатор должен быть рассчитан на напряжение не менее 400В. Допускается применение батареи из нескольких конденсаторов, включенных параллельно. Лучше ис-пользовать конденсаторы, рассчитанные на эксплуатацию при высоких частотах, например серии МБГЧ.
Параметры выходного каскада для различной мощности устройства приведены в таблице

Мощность,
кВт Транзистор Т2 Диоды Br1 Емкость С2,
мкФ Площадь радиатора
для транзистора Т2,
кв.см.
1 IRG4PC30F Д246 250 50
2 IRG4PC40F Д246 500 100
3 IRG4PC50UD 2Д2990Б 750 150
4 IRG4PC50FD 2Д2997А 1000 200
5 IRG4PSC71U 2Д2997А 1200 300

Резисторы: R1 – R4 типа МЛТ-2, R19 - проволочный (отрезок нихромовой проволоки сопротив-лением 0.5-5 Ом, подбирается при настройке), остальные резисторы типа МЛТ-0.25.
Трансформатор Tr1 – любой мощностью около 10 Вт с двумя раздельными вторичными обмот-ками. Напряжение обмотки 2 должно быть 12 В, напряжение обмотки 3 должно быть 4 - 5 В.
Устройство в целом собирают в каком-либо корпусе. Очень удобно (особенно в целях конспира-ции) использовать для этого корпус от бытового стабилизатора напряжения, которые в недалеком про-шлом широко использовались для питания ламповых телевизоров. При мощности 3 кВт и выше размер конденсатора (батареи) получится довольно большим, поэтому его можно будет разместить отдельно от схемы устройства. При этом длина соединительных проводников должна быть не более 1 м.

Наладка
При наладке схемы соблюдайте осторожность! Помните, что не вся низковольтная часть схемы имеет гальваническую развязки от электрической сети! Не рекомендуется в качестве ра-диатора для выходного транзистора использовать металлический корпус устройства. Применение плавких предохранителей – обязательно! Накопительный конденсатор работает в предельном режиме, поэтому перед включением устройства его нужно разместить в прочном металлическом корпусе. Применение электролитического (оксидного) конденсатора не допускается!
Низковольтный блок питания проверяют отдельно от других модулей. Он должен обеспечивать постоянные напряжения 16 и 5 В для питания системы управления.
Интегратор проверяют двулучевым осциллографом. Для этого общий провод осциллографа со-единяют с нулевым проводом электросети (N), провод первого канала подсоединяют к точке соединения резисторов R1 и R3, а провод второго канала – к точке соединения R2 и R4. На экране должны быть видны две синусоиды частотой 50 Гц. Амплитуда первой около 150 В, второй около 50 В. Вторая сину-соида должна отставать по фазе от первой на угол /2.
Далее проверяют наличие сигналов на выходах ограничителей, подключая осциллограф парал-лельно стабилитронам D1 и D2. Для этого общий провод осциллографа соединяют с точкой N сети. Сигналы должны иметь правильную прямоугольную форму, частоту 50 Гц, амплитуду около 5 В и так-же должны быть смещены между собой на угол /2 по оси времени. Допускается нарастание и спад им-пульсов в течение не более 1мс. Если фазосмещение сигналов существенно отличается от /2, то его корректируют, подбирая конденсатор С1 в небольших пределах. Крутизну фронта и спада импульсов можно изменять, подбирая сопротивления резисторов R5 и R6. Эти сопротивления должны быть не ме-нее 8 кОм, в противном случае ограничители уровня сигнала будут оказывать влияние на качество про-цесса интегрирования, что в итоге будет приводить к перегрузке транзистора выходного каскада.
Затем налаживают тактовый генератор, отключив силовую часть схемы от электросети. Генера-тор должен формировать импульсы амплитудой 5 В и частотой около 2 кГц. Скважность импульсов приблизительно 1/1. При необходимости для этого подбирают конденсаторы С3, С4 или резисторы R20, R21.
Логический узел при условии правильного монтажа наладки не требует. Желательно только убе-диться с помощью осциллографа, что на входах 1 и 2 элемента DD1.1 есть периодические сигналы пря-моугольной формы, смещенные относительно друг друга по оси времени на угол /2. На выходе 4 DD2.2 должны периодически через каждые 10 мс формироваться пачки импульсов частотой 2 кГц, дли-тельность каждой пачки 5 мс. Осциллограммы в характерных точках схемы управления приведены на рис.2.
Для настройки выходного каскада рекомендуется отключить выходной каскад с усилителем от логического узла (отсоединить резистор R22 от выхода элемента DD2.2), и управлять каскадом, подавая напряжение +5 В на отсоединенный контакт резистора R22 непосредственно с блока питания. Вместо конденсатора С2 временно включают нагрузку в виде лампы накаливания мощностью 100 Вт. При по-гашенном оптроне ОС3 на затворе Т2 должно быть напряжение 12 В. После зажигания оптрона напря-жение на затворе должно уменьшиться практически до нуля.
После настройки всех элементов восстанавливают все соединения в схеме и проверяют работу схемы в сборе при нагрузке в виде лампы накаливания. Лампа должна гореть вполнакала. При этом ключевой транзистор, даже снятый с радиатора, должен оставаться холодным. Первое включение кон-денсатора С2 рекомендуется выполнить с уменьшенным значением емкости приблизительно до 1 мкФ. После включения устройства дайте ему поработать несколько минут, обращая особое внимание на тем-пературный режим ключевого транзистора. Если все в порядке – можете увеличивать емкость конденса-тора С2. Увеличивать емкость до номинального значения рекомендуется в несколько этапов, каждый раз проверяя температурный режим.
Мощность отмотки в первую очередь зависит от емкости конденсатора С2. Для увеличения мощ-ности нужен конденсатор большей емкости. Предельное значение емкости определяется величиной им-пульсного тока заряда. О его величине можно судить, подключая осциллограф параллельно резистору R19. Этим резистором также регулируют импульсный ток заряда конденсатора. Вначале сопротивление выбирают достаточно большим (около 10 Ом), затем его поэтапно выводят до момента, когда после-дующее уменьшение сопротивление перестает увеличивать скорость отмотки. При этом нужно следить, чтобы импульсный ток не превысил предельное значение для применяемого ключевого транзистора. Осциллограммы напряжения на накопительном конденсаторе и тока, протекающего через него при мощности устройства 1 кВт, приведены на рис.3. При больших значениях мощности импульсный ток возрастает почти прямо пропорционально мощности. Напряжение на конденсаторе не меняется и всегда синфазно с напряжением питающей сети.
Не рекомендуется использовать слишком большую мощность отмотки. Как правило, 1-2 кВт вполне достаточно. Если устройство работает совместно с другими потребителями, счетчик при этом вычитает из их мощности мощность устройства, но электропроводка будет загружена обратной мощно-стью, циркулирующей по электросети. Это нужно учитывать, чтобы не вывести из строя электропро-водку.

P.S. Не забывайте вовремя выключать устройство. Лучше всегда оставаться в небольшом долгу перед го-сударством. Если вдруг Ваш счетчик покажет, что государство должно Вам, оно этого никогда не простит.

Если при наладке устройства возникнут сложности – не спешите делать вывод о некорректности схемы. Схема проверена. Сформулируйте суть проблемы и обратитесь к разработчикам по адресу spkn@mail.ru. Мы обязательно разберёмся и поможем Вам.
Эти материалы уникальны и являются собственностью авторов проекта www.sparkling.ru.
Их распространение без согласия авторов недопустимо!





Рис.1. Генератор обратной мощности. Схема электрическая принципиальная



Рис.2. Осциллограммы схемы управления.





Рис.3. Осциллограммы напряжения и тока накопительного конденсатора выходного каскада при мощности генератора 1 кВт