УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
DEVICE TO CONTROL POWER CONSUMPTION

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано на промышленных предприятиях и в административных зданиях для контроля за потреблением электроэнергии (ЭЭ) с целью ее экономии.
Электроэнергия W, потребляемая приемником, определяется по формуле
где P - активная мощность электроприемника;
t - время, на которое электроприемник подключен к сети;
U, I - действующие значения напряжения и тока;
φ - угол между векторами тока и напряжения, зависящий от характера нагрузки.
Количество потребленной ЭЭ измеряется в кВт·час. По значению потребленной ЭЭ можно определить ее стоимость C, зная действующий тариф T на электроэнергию
Очевидно, что значения U, cos φ, T и t (на момент снятия показания счетчика ЭЭ) постоянны, т.е. и значение W, и значение C будут зависеть только от потребляемого тока I:
1
2
где K, K - постоянные коэффициенты, определяемые из (1) и (2).
Пусть заданы верхние границы по количеству потребляемой ЭЭ, а значит, и по количеству финансов для ее оплаты. Тогда необходимо соответствующими устройствами постоянно измерять количество потребленной ЭЭ за определенный фиксированный отрезок времени и сравнивать его с заданным лимитированным значением, чтобы его не превысить.
Известны аналогичные устройства, позволяющие выполнять указанные операции, например, устройства для учета и контроля потребления электроэнергии [1, 2], однако, эти устройства имеют очень сложные технические решения.
Автоматическое устройство учета расхода электроэнергии [3] имеет ограничения по времени работы: учет расхода ЭЭ осуществляется только при, предварительной оплате соответствующего количества ЭЭ. При отсутствии оплаты устройство вообще отключает потребителя от сети. Кроме того, данное устройство также имеет сложное техническое решение.
В устройстве, реализующем «Способ измерения расхода электроэнергии, потребляемой от электрической сети, и электронный счетчик электроэнергии» [4], происходит измерение и сравнение единиц электроэнергии, что не всегда просто и удобно. Кроме того, это устройство также имеет довольно сложное техническое решение.
пр
л
л
пр
Намного проще определить предельно допустимое (максимальное) значение тока I, при котором текущие значения W и С не превысят свои лимитированные значения W и С, например, за один месяц. Из формулы (3) можно получить это выражение для I
т
пр
т
пр
т
пр
n
пр
Теперь остается автоматически измерять текущее значение только потребляемого тока I и сравнивать его с заданным (вычисленным) предельным значением тока I. Если I<I, то, значит, количество потребленной ЭЭ не превысит заданного лимита. Если I>I, то, значит, появляется вероятность того, что количество потребленной ЭЭ и ее стоимость превысят заданные лимиты. В этом случае необходимо отключить какие-то менее важные группы потребителей ЭЭ, чтобы вновь выполнялось условие I<I.
Именно так работает устройство контроля за потреблением электроэнергии [5], взятое за прототип.
В прототипе трансформатор тока, включенный в питающую сеть, связан с диодным выпрямителем. Выход диодного выпрямителя через усилитель и сглаживающий фильтр подключен к первому входу порогового устройства (компаратора). Ко второму входу порогового устройства подключен задатчик уровней напряжений, а выход порогового устройства связан с индикатором.
Недостатком прототипа является то, что при срабатывании устройства контроля, которое фиксируется, например, по загоранию светодиода в индикаторе, отключение некоторых потребителей электроэнергии осуществляется вручную дежурным электриком, обслуживающим данное промышленное предприятие или административное здание. При таком отключении возможны пропуски человеком моментов срабатывания устройства контроля и, как результат, несвоевременные отключения лишних потребителей ЭЭ, что приведет к перерасходу электроэнергии.
Задача предлагаемого изобретения заключается в:
- автоматизации процесса контроля потребления электроэнергии, заключающейся в автоматическом отключении потребителей электроэнергии от сети при срабатывании устройства для контроля, что не будет приводить к перерасходу ЭЭ;
- расширении функциональных возможностей устройства, заключающемся в возможности работать в ручном и автоматическом режимах.
Поставленная задача достигается тем, что в состав устройства для контроля потребления ЭЭ, наряду с трансформатором тока, выпрямительным устройством, пороговым устройством, задатчиком уровней напряжения и индикатором, дополнительно введены переключатель режимов работы, блок автоматического отключения потребителей и автоматические выключатели, установленные в каждой электрической линии, питающей соответствующую группу потребителей, причем, переключатель режимов работы связан с выходом порогового устройства, первый выход переключателя режимов работы связан со входом индикатора, второй выход переключателя режимов работы подключен ко входу блока автоматического отключения потребителей, выходы которого подключены к соответствующим отключающим входам автоматических выключателей.
Переключатель режимов работы позволяет вообще выключать устройство для контроля, работать в автоматическом режиме отключения потребителей ЭЭ без участия человека, работать в ручном режиме отключения потребителей ЭЭ (как прототип) в случае выхода из строя аппаратуры автоматического отключения.
Принцип действия устройства для контроля потребления электроэнергии поясняется фиг.1 и фиг.2, на которых соответственно представлены его электрическая структурная схема и один из вариантов схемной реализации переключателя режимов работы устройства.
1
2
n
Непосредственно само устройство содержит токовый трансформатор (ТТ) 1, выпрямительное устройство (ВУ) 2, пороговое устройство (ПУ) 3, задатчик уровней напряжений (ЗУН) 4, переключатель режимов работы (ПРР) 5, индикатор (И) 6, блок автоматического отключения потребителей (БАОП) 7 и автоматические выключатели (АВ) 8, 8, …, 8 (по числу электрических линий, по которым питаются различные группы потребителей электроэнергии).
1
2
n
1
2
n
На схеме показаны N различных групп потребителей ЭЭ 9 (в виде резисторов П, П, …, П), каждая из которых питается по своей электрической линии. Каждая группа потребителей подключаются к электросети 10 с помощью соответствующего автоматического выключателя S, S, …, S.
3
пр
л
л
1
2
n
Вторичная обмотка трансформатора тока 1 (на схеме не показана) связана со входом выпрямительного устройства 2, выход которого подключен к первому входу порогового устройства 3. Второй вход порогового устройства связан с выходом задатчика уровней напряжений 4, с которого подаются заданные значения уровней постоянного напряжения =U, пропорциональные соответствующим значениям предельного тока I, который, как было показано выше, пропорционален лимитированному значению W, или С. Выход порогового устройства связан со входом переключателя режимов работы 5, первый выход которого подключен ко входу индикатора 6, а второй выход связан со входом блока автоматического отключения потребителей 7. Выходы БАОП связаны с соответствующими отключающими входами автоматических выключателей 8, 8, …, 8.
Устройство работает следующим образом.
Вначале рассмотрим ручной режим (РР) работы. Для перехода на этот режим в переключателе режимов работы 5 необходимо выбрать режим РР.
При этом сигналы с порогового устройства будут попадать только на вход индикатора (см. фиг.2).
т
Т
т
з
Далее при подключении хотя бы одного любого потребителя 9 к сетевому фазному напряжению 10 (включается соответствующий автоматический выключатель 8) по цепи начинает протекать переменный ток ~I. Во вторичной обмотке трансформатора тока 1 наводится пропорциональное этому току текущее переменное напряжение ~u, которое прикладывается ко входу выпрямительного устройства 2 и там выпрямляется. Выпрямленное постоянное напряжение=U будет также пропорционально протекающему в цепи току I. Пороговое устройство 3 представляет собой компаратор или сравнивающее устройство двух постоянных напряжений: =U и одного из заданных напряжений на выходе задатчика уровней напряжений =U.
пр
л
л
Значения выходных постоянных напряжений ЗУН задаются заранее и они пропорциональны соответствующим значениям предельных токов I, получаемым из (4), исходя из лимитированных значений W или С, например, за один месяц.
T
З
Если U<U, то пороговое устройство не сработает, и светодиод в индикаторе 6 светиться не будет. Это означает, что количество потребляемой ЭЭ не будет превышать лимитированного месячного значения, пусть по стоимости, Сл.
2
3
n
T
T
З
При последовательном подключении выключателями S, S, …, S других потребителей 9 значение текущего тока будет увеличиваться, а значит, будет увеличиваться и постоянное напряжение U на выходе выпрямительного устройства. Если U будет оставаться меньше U, то, аналогично, количество потребляемой ЭЭ не будет превышать соответствующего лимитированного значения.
T
З
Если же при подключении потребителей напряжение U станет равным или больше заданного значения напряжения U, то сработает пороговое устройство 3, и на его выходе появится электрический сигнал, который проявится, например, свечением светодиода или(и) включением звукового сигнала в индикаторе 6.
Данная ситуация означает, что при таком значении текущего тока в цепи месячное потребление ЭЭ станет больше установленного лимита.
T
З
В этом случае лицо, контролирующее потребление ЭЭ, должно принять решение: или отключить часть второстепенных потребителей ЭЭ до выполнения соотношения U<U, чтобы сэкономить деньги, или не отключать потребители, заведомо зная, что будет перерасход ЭЭ.
Рассмотрим автоматический режим (АР) работы. Для перехода на этот режим в переключателе режимов работы необходимо выбрать режим АР. При этом сигналы с порогового устройства будут попадать не только на вход индикатора, но и на вход блока автоматического отключения потребителей (см. фиг.2).
Работа устройства в данном режиме будет аналогична работе устройства в ручном режиме. Отличие заключается в следующем.
Т
З
Если при подключении потребителей напряжение U станет равным или больше заданного значения напряжения U, то сработает пороговое устройство 3 и на его выходе появится электрический сигнал, который попадает не только на вход индикатора 6, но и на вход БАОП 7.
БАОП может быть выполнен в виде простейшего коммутатора или распределителя сигналов: при первом срабатывании ПУ формируется сигнал на первом выходе БАОП, при втором срабатывании ПУ сигнал формируется на втором выходе БАОП и т.д. Выходы БАОП связаны с отключающими входами соответствующих автоматических выключателей.
1
1
2
2
Как отмечалось выше, все потребители 9 должны быть объединены в различные группы по их назначению. Например, первая группа (П) - это сплит-системы и кондиционеры и они запитываются через контакт АВ 8, вторая группа (П) - это какие-то бытовые приборы и они запитываются через контакт АВ 8 и т.д.
Это необходимо для того, чтобы для экономии ЭЭ отключать сначала второстепенные потребители ЭЭ, оставляя включенными более важные потребители.
1
1
Таким образом, при срабатывании ПУ на первом выходе БАОП появляется сигнал, который поступает на соответствующий вход АВ 8, автомат срабатывает, и его контакт размыкает цепь, по которой питались все потребители первой группы П. Текущий ток в фазе при этом заметно уменьшается.
При дальнейшем подключении потребителей в других группах ток вновь может достичь предельного значения. Тогда ПУ опять срабатывает, сигнал появится на втором выходе БАОП и аналогично будет отключена вторая группа потребителей и т.д.
Включаются автоматические выключатели дежурным персоналом (может быть, в конце рабочего дня, после проведения соответствующих разъяснительных бесед с работающими в здании сотрудниками и т.п.).
пр.1
1
пр.1
2
Задаваемые предельные значения тока, естественно, будут отличаться друг от друга в различные времена года и даже суток. Например, зимой при хорошо работающем отоплении предельное значение тока пусть будет I и ему соответствует значение напряжения ЗУН U. Зимой при плохо работающем отоплении сотрудники, однозначно, будут включать электрические обогреватели и тогда значение предельного тока можно увеличить, пусть до I, которому соответствует напряжение ЗУН U и т.д.
Выставляются эти напряжения на задатчике уровней напряжений 4 также дежурным персоналом, отвечающим за экономию ЭЭ.
Таким образом, предложенное устройство для контроля потребления электроэнергии позволит более жестко контролировать расход электроэнергии на промышленных предприятиях и в административных зданиях.
Источники информации
1. Устройство для учета и контроля потребления энергии. Авторское свидетельство СССР №1538134, 1990.
2. Устройство для учета и контроля потребления электроэнергии. Патент РФ №2035820, 1995.
3. Автоматическое устройство учета расхода электроэнергии. Патент РФ №2231889, 2004.
4. Способ измерения расхода электроэнергии, потребляемой от электрической сети, и электронный счетчик электроэнергии. Патент РФ №2139547, 1999.
5. Устройство контроля за потреблением электроэнергии. Патент DE №19725880, 1999.