Jak oszukać licznik energii elektrycznej, czyli Elektrotechnika w pigułce cz.3

Uwaga! Nie jest to poradnik „oszczędzania” i nie należy postępować zgodnie z instrukcją - wszystko poniżej powinno pełni rolę ciekawostki, którą można podzielić się przy piwie ze znajomymi.

Wprowadzenie

Nadal popularne w naszym kraju liczniki indukcyjne były polem do popisu domowych majstrów pragnących zaoszczędzić troszkę grosza na energii. By zrozumieć jak oszukać taki licznik, należy wiedzieć (mniej więcej) jak działa. Rysunek poglądowy niżej:


Zasada działania jest prosta: obwody napięciowe i prądowe licznika wchodzą na dwie cewki - napięciowa (4) i prądową (3). Strumienie magnetyczne, które są w nich wytworzone (od prądów płynących w obwodach), oddziałują na tarczę licznika (1) i wytwarzają na niej prądy wirowe. Prądy te (od obu cewek) zaczynają wytwarzać moment napędowy i obracać tarczą. Jednak gdyby nie magnes hamujący (6), to tarcza kręciłaby się coraz szybciej. Tarcza i magnes są kluczowe w naszym przekręcie. Trzeba coś zrobić, by tarcza obracała się wolniej.

Magnes neodymowy

Wielu próbowało oszukać taki licznik poprzez dość prymitywne metody: wywiercić mały otworek i drucikiem zawadzić o tarczę, próbować wcisnąć między obudowę licznika kliszę od aparatu. Ale najlepszym sposobem (wg ludzi oszczędnych) jest przykładanie magnesu neodymowego z boku licznika. Dlaczego z boku, a nie od spodu czy z przodu? Rysunek poniżej podpowie dlaczego.


W pierwszym przypadku mamy normalny licznik. Linie pola magnesu hamującego oddziałują prostopadle do tarczy i ją hamują. Gdy dokładamy magnes neodymowy z boku, to sprzęga się z magnesikiem hamującym i mu „pomaga”. Jednak trzeba pamiętać, że domeny magnetyczne i ich orientacja determinują linie pola magnesu. A jak zmienić rozkład domen magnetycznych? Ciepłem albo… silnym polem magnetycznym (to rozwala magnes). Gdy raz podziałamy neodymem, to zmieniamy rozkład pola w fabrycznym magnesie. Zróbmy tak parę razy i linie pola magnetycznego zamiast przechodzić przez tarczę, idą równolegle do niej. Nie ma hamowania = wyższe rachunki, bo tarcza kręci się jak szalona (nawet 10x szybciej). Tacy ludzie idą zwykle do zakładu energetycznego z zażaleniem i… dostają karę, bo wystarczy badanie rozkładu pola magnetycznego.

Pobieranie prądu sprzed licznika

Genialne w swojej prostocie - wystarczy wpiąć się przed licznik (np. „kradziejką” do oświetlenia na klatce schodowej). Tu też jest jeden problem - gdy odczyty z głównego licznika się nie zgodzą z ilością sprzedanej energii, to… mamy przerypane. Poza tym zwykle na klatkach montowane są ograniczniki poboru energii.

Wielki transformator powietrzny!

W jednym z komentarzy pod poprzednim artykułem pojawiło się pytanie:

„Czy jest możliwość ustawienia urządzenia pod liniami wysokiego napięcia, tak aby z pola elektromagnetycznego/elektrycznego emitowanego przez te linie odzyskać trochę energii? I czy takie „odzyskiwacze” byłyby kradzieżą?”.

Na to samo pytanie wpadł pewien jegomość. Stwierdził, że zrobi wielki transformator powietrzny. Zakopał pod linią wysokiego napięcia masę drutu (przeliczył, ile zwojów ma być) i zrobił sobie transformator. W zwykłym transformatorze strumień zamyka się przez rdzeń - tu się zamykał przez powietrze. Czy jest to kradzież? TAK. Zwykły transformator gwarantuje separację obwodów - więc mimo że drut pod linią nie był podłączony do niej, był sprzężony i tworzył maszynę elektryczną.

A co zrobić z nowoczesnymi licznikami?

Liczniki elektroniczne działają odmiennie od indukcyjnych. Prąd i napięcie poprzez przetworniki analogowo/cyfrowe „zamieniają” wyliczoną ilość energii na impulsy. Potem je zliczają. Ilość impulsów = ilość energii.
Liczniki elektroniczne są odporne na wszelkie mechaniczne zabawy. Ale czy są odporne na oszukiwanie? Jasne, że nie - zaraz to wytłumaczę.

Licznik energii a poprawność pomiaru

Okazuje się, że liczniki energii elektrycznej nie zawsze mierzą to co powinny. Liczniki indukcyjne mają problemy z pomiarem energii przy prądzie i napięciu odkształconym od sinusoidy (zawierają harmoniczne - generowane przez zasilacze impulsowe, świetlówki LED i inne urządzenia cyfrowe, szczególnie te energooszczędne).


Przyczyn jest kilka:

1. Strumienie z cewek napięciowej i prądowej (o których była mowa wcześniej) nie odwzorowują się w stosunku 1:1 z prądami odkształconymi - wprowadzają błąd.
2. Odkształcone strumienie tworzą na tarczy dodatkowe prądy wirowe, które mogą przyspieszać i hamować tarczę - kolejny błąd.

Jest jeszcze kilka przyczyn błędów, ale będzie to zbyt szczegółowe. Należy wiedzieć tyle - liczniki indukcyjne nie są dobrze przystosowane do nowoczesnych odbiorów o prądach i napięciach odbiegających od czystej sinusoidy.
A co z licznikami elektronicznymi? Powinny mierzyć rzeczywistą wartość skuteczną (True RMS) i mieć poprawnie odwzorowanie przebiegów odkształconych. Ostatnie badania, o których było głośno (Uniwersytet Twente) podawały znaczne błędy w pomiarach licznikami elektronicznymi przy wysokiej zawartości harmonicznych (duże odkształcenie). Mogą pojawić się problemy z próbkowaniem sygnału (za mało próbek i błędnie odwzorowany prąd lub napięcie - twierdzenia Kotielnikowa-Shannona), problemy ze złą identyfikacją częstotliwości (detekcja wielokrotnego przejścia przez zero - rysunek niżej).


Jednak wielu twierdzi, że badania nie zostały poprawnie przeprowadzone. Nie mnie to oceniać (za mało prac na ten temat i sam nie prowadziłem takiego badania), dlatego podchodzę do nich bardzo ostrożnie i traktuję, że zawyżone rachunki (ludzi, którzy mają nowe liczniki) mogą wynikać z tego, że w końcu licznik mierzy to co powinien :-)

Mój pomysł na oszukanie licznika

Przy zniekształceniach prądu dość często stosowane są filtry aktywne. Ich zasada działania polega na wygenerowaniu prądu, który łącznie z naszym „paskudnym” prądem da razem„piękną” sinusoidę. Gdyby zastosować taki układ, ale zniekształcający odpowiednio prąd (jak zasilanie mieszkania wielkim zasilaczem komputerowym), to może uda się dość znacząco wpłynąć na pomiar licznikiem.
Niestety ma to wady. Odkształcony, „paskudny” prąd, jak płynie przez elementy, to powoduje na nich „paskudnie” odkształcony spadek napięcia (prawo Ohma, ale nie zawsze ono działa). Zasilanie urządzeń takim paskudnym napięciem nie jest zbyt dobre. Ale o tym dlaczego, może kolejnym razem.

Teraz kilka wyjaśnień odnośnie ostatniego artykułu o OZE (odnawialne źródła energii):

1. Nie jestem przeciwnikiem OZE. Podchodzę jednak do sprawy w miarę realistycznie i wiem, że na tym etapie rozwoju systemu elektroenergetycznego nie możemy bezkrytycznie dodawać coraz to więcej odbiorów o niepewnym źródle zasilania. Wpłynie to na stabilność systemu i może prowadzić do awarii.

2. Nie jestem zwolennikiem zasilania tylko węglem. Niestety w obecnej sytuacji istnieją pewne priorytety. By móc inwestować w inne źródła, trzeba mieć dobrze rozbudowaną sieć, by móc „manewrować” mocą w razie nagłego spadku wytwarzania w jakimś rejonie. Kolejnym krokiem jest zapewnienie odpowiedniego zapasu regulacji (zapasu mocy zainstalowanej w systemie), by znowu nie być zmuszonym wprowadzić stopni zasilania. Potem należy ocenić co jest opłacalne w naszych warunkach. Niestety nie jest tego za dużo, bo albo nie wieje optymalnie, albo nie ma spadku na rzekach, albo coś jest za drogie i nigdy się nie zwróci. To zmienia się z czasem. Może pojawi się alternatywa - czysta energia ze stabilnego źródła.

3. Generacja rozproszona jest ciekawą alternatywą. Niestety ma pewne limity. Obecny system połączony z innymi systemami zapewnia w miarę duży zapas stabilności (większe zakłócenie może się pojawić i nie doprowadzi do reakcji łańcuchowej). By taki system był stabilny, należy mieć jednak dużo połączeń wewnętrznych i zasilanie bez względu na warunki atmosferyczne. A praca wyspowa (tylko na własne potrzeby, bez połączenia z siecią) negatywnie wpływa na jakość energii.

4. Niektórzy twierdzą, że można spokojnie magazynować energię elektryczną (elektrownie szczytowo-pompowe albo akumulatory). Elektrownie szczytowo-pompowe niestety są w systemie do innych celów, a w Polsce dużo takich elektrowni nie jesteśmy w stanie wybudować. Akumulatory znowu mają za małe zdolności magazynowania - 80 MWh (największy magazyn energii) pozwoli na zmagazynowanie 0,018% dziennego zużycia energii w kraju (czyli potrzeba ok. 5600 takich magazynów, by zapewnić zasilanie przez jeden dzień).

5. Pominąłem sporo rozwiązań, które można zastosować jako źródła zasilania. Jednak część z nich była/jest w trakcie badań i nie mam dostatecznej wiedzy o ich przydatności w systemie (badania, które kiedyś czytałem, stawiały elektrownie wodne oparte o oscylację fal morskich na wysokim miejscu, jeśli chodzi o przyszłość energetyki. Jednak zakładały, że dobre warunki będą w okolicach W. Brytanii czy Portugalii. Ich wydajność na tej części Morza Bałtyckiego może być niewielka (potrzebne badania). Wiatraki pionowe traktowałem natomiast jako inna odmianę wiatraka, który może ma więcej zalet, ale też ma te same wady co jego starszy brat (wiatr). Natomiast elektrownie gazowo-parowe są uzależnione od dostępności i cen gazu. Ich cena budowy, eksploatacji, wydajności i ekologiczności musi zrekompensować cenę gazu.

6. Częsty argument, który potrafi się pojawiać, to ceny energii. Niestety większość cen, która jest podawana w EU, to ceny energii przed „opodatkowaniem”. Przykładem może być Dania, gdzie sucha energia jest tańsza niż u nas, ale opodatkowana znacznie droższa. Często budowa drogich rozwiązań powoduje takie efekty.

No, to tyle na dzisiaj. Teraz pytanie na koniec. Co kolejne?
1. Porażenie - czyli jak nie dać się usmażyć,
2. Prąd nie zawsze płynie prosto - ciekawe zjawiska elektryczne,
3. Jak nie dać się wkręcić w wirnik - opowieść o maszynach elektrycznych,
4. Wyładowania piorunowe i ochrona odgromowa,
5. Stacje elektroenergetyczne i linie - krótki kurs,
6. Teoria obwodów - od podstaw po efekty falowe,
7. Geologia, meteorologia, gospodarka w elektryce.