УНИВЕРСАЛЬНОЕ АВТОМАТИЧЕСКОЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
MULTIPURPOSE AUTOMATIC ENERGY-SAVING DEVICE

Предлагаемый способ относится к электротехнике, а именно к обслуживанию вторичных элементов, и может быть использован в устройствах для регулирования мощности нагрузки, заряда накопителей электрической энергии (НЭЭ), связанных зависимостью: количество заряда, накопленного на элементе, обратно пропорционально его внутреннему сопротивлению, например, аккумуляторов и конденсаторов, при установке его в первичную цепь зарядного устройства перед трансформатором; минимизации мощности, т.е. автоматическому регулированию мощности к минимальному значению, при котором обеспечивается эффективная работа с минимальным электропотреблением нагрузки - энергосберегающий режим; защите от пробоя, в том числе в результате повышения температуры корпуса, повышению стабильности работы тиристоров при перегреве, в том числе стабилизации тока нагрузки; в роли элемента последовательного генератора при работе с емкостной нагрузкой.
Известен способ фазового угла отпирания, используемый в тиристорных регуляторах напряжения, позволяющий регулировать мощность нагрузки посредством угла открытия тиристоров в цепи переменного напряжения (Кублановский Я.С. Тиристорные устройства. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1987. - 112 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека. Вып.1104), стр.26). Данная возможность обеспечена ручной регулировкой и не позволяет отслеживать активный, индуктивный и емкостный характер нагрузки, ее внутреннее сопротивление, чтобы определить оптимальный энергосберегающий режим, и не обеспечивает автоматические функции уменьшения мощности.
Известно средство регулирования реактивной мощности трехфазных резкопеременных нагрузок промышленных предприятий с помощью статических тиристорных компенсаторов с тиристорно-реакторным исполнительным органом (пат. RU №2084066 C1, H02J 3/18). Способ и устройство, его реализующее, сложное, как правило в следствии этого менее надежное и узкоспециализированное.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Автоматическое зарядное устройство (АЗУ)»(пат. RU №2155426 C1, H02J 15/00, 7/00). Недостатком схемы является наличие трансформатора, расположение тиристорного бесконтактного ключа во вторичной цепи питающего трансформатора, отсутствие автоматических функций при работе с активной и реактивной нагрузкой. Номинал тиристора должен быть достаточно большим, чтобы обеспечивать значительным током заряд НЭЭ, его приходится ставить на теплоотвод.
Задачей предлагаемого изобретения является
- удешевление и упрощение конструкции;
- получения автоматических функций поддержания минимальной мощности нагрузки для увеличения ее срока службы и экономии электроэнергии;
- использование в роли элемента последовательного генератора при эксплуатации с емкостной нагрузкой для увеличения питающего напряжения на последнем;
- повышение надежности работы тиристоров при их перегреве использованием тепловой защиты.
- защита от перенапряжения в одно и многофазной системе.
Удешевление и упрощение конструкции решается за счет применения элементов схемы, рассчитанных на меньший пропускаемый ток в случае использования с трансформатором при установке в первичную цепь;
Получение автоматических функций поддержания минимальной мощности нагрузки для увеличения ее срока службы и экономии электроэнергии решается введением в цепь управляющих электродов терморезистора с положительным температурным коэффициентом (ТКС)-позистора, например лампы накаливания;
Использование в роли элемента последовательного генератора при эксплуатации с емкостной нагрузкой для увеличения питающего напряжения на ней, осуществляется включением емкостной нагрузки, например, конденсатора.
Повышение надежности работы тиристоров при их перегреве достигается использованием тепловой защиты, в роли которой выступают терморезисторы с отрицательным ТКС, шунтирующими цепь: управляющий электрод - катод тиристора.
Защита от перенапряжения в одно и многофазной системе осуществляется стабилизацией тока нагрузки увеличением сопротивления нити лампы накаливания в результате повышения питающего напряжения, что позволяет стабилизировать и даже уменьшать отпирающий ток тиристоров, уменьшая тем самым ток нагрузки и питающее ее напряжение после устройства, в результате провала напряжения под действием уменьшающегося тока при существующей стабильности мощности нагрузки. Эта способность позволяет устранять перекос фаз и в трехфазном исполнении, когда в каждой фазе стоит по однотипному устройству.
Общедоступность элементной базы, техническая сущность и достигаемый результат обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию «промышленная применимость».
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию «новизна».
При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и явным образом не следуют из уровня техники, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень». На схеме приведена принципиальная электрическая схема устройства минимизации мощности (МИМ), (фиг.1).
МИМ состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров 1 и 2, подключенных последовательно с нагрузкой, управляющие электроды которых соединены через терморезистор с положительным ТКС - позистор, например лампу накаливания 3. Две цепи: управляющий электрод - катод каждого тиристора 1 и 2 шунтированы терморезисторами с отрицательным ТКС 4 и 5, а параллельно им включены электролитические конденсаторы 6 и 7.
МИМ работает следующим образом.
При подаче напряжения в нагрузку, нить лампы 3 холодная и обладает малым внутренним сопротивлением, а сопротивление терморезисторов 4 и 5 наоборот достаточно большим, тиристоры 1 и 2 закрыты, так как в закрытом состоянии они обладают большим внутренним сопротивлением. Этот фактор позволяет току пройти по пути наименьшего сопротивления в нагрузку по пути, быстро заряжая конденсаторы 6 и 7 соответствующей полярностью, зависящей от полуволны и по экспоненциальному закону. Так как терморезисторы 4 и 5 шунтируют конденсаторы 6 и 7, то при прохождении через них даже незначительного тока, сопротивление их уменьшается и это позволяет им разряжать конденсаторы до определенной величины, как бы недозаряжая их до установленных значений, и эта величина зависит от тока потребления нагрузки. Эта способность терморезисторов в данной схеме позволяет стабилизировать ток и напряжение отпирания тиристоров, удерживая последние на определенном уровне угла отпирания, тем самым стабилизируя выходные характеристики тока и напряжения после МИМ на нагрузке. Один из тиристоров при положительной полуволне и достижении отпирающего тока и напряжения, открывается, при этом конденсаторы успевают зарядиться. Встречновключенные электролитические полярные конденсаторы являются аналогом конденсатора, рассчитанного на переменное напряжение, но обладают малыми размерами и заряжаются они не более величины амплитудного значения отпирающего напряжения управляющих электродов, поэтому легко переносят бросок сетевого напряжения при подаче последнего в нагрузку. После открытия тиристора, конденсаторы почти мгновенно разряжаются через него на лампу, при этом сопротивление нити лампы увеличивается, а конденсаторов уменьшается, и нить, достаточно долго остывая, сохраняя большое внутреннее сопротивление, препятствует току поступать на управляющие электроды тиристора сразу, в результате тиристор выключается шунтированием его конденсаторами и лампой, так как ток, идущий по пути наименьшего сопротивления, перестает проходить через тиристор, а идет в обход через разряженные конденсаторы, обладающие очень низким сопротивлением, и лампу, сопротивление которой в данный момент меньше, чем сопротивление перехода тиристора и зависит от общего сопротивления цепи схемы, включая нагрузку. В данном случае сопротивление нагрузки напрямую влияет на сопротивление лампы. Этот обходной ток вновь заряжает конденсаторы, их сопротивление увеличивается, сопротивление нити лампы в результате этого уменьшается, тиристор перестает быть шунтированным, ток вновь поступает в цепь управляющего электрода и тот вновь открывается. Процесс схож с реле напряжения, включенного последовательно с нагрузкой, и у которого обратно-замкнутые контакты последовательно соединены с катушкой, так называемый «зуммер», который позволяет делать питающий ток прерывистым. Такой же процесс повторяется при прохождении отрицательной полуволны. Подбором сопротивления цепи управляющих электродов можно добиться такого момента, когда тиристор будет выключаться и вновь включаться на гребне полуволны чуть ближе или чуть далее или несколько раз за все время прохождения полуволны, а не только при полном прохождении полуволны через ноль. Так как мощность нагрузки определяется колличеством энергии, в нее поступившей, от нуля, до вершины и чуть далее полуволны синусоиды, можем с уверенностью заявить, что убывающая энергия второй половины полуволны, той, что за вершиной, для работы не используется и теряется. Срезая, например, вершину полуволны синусоиды, МИМ позволяет отсекать частично, как фазовый регулятор, часть первой половины полуволны синусоиды и как МИМ, часть второй, убывающей полуволны синусоиды, экономя тем самым электроэнергию. А, принимая во внимание тот факт, что реально на нагрузку, в данном случае, подается повышенная частота, отличная от входящей, при снижении основной токовой составляющей и форма каждого импульса схожа с «пилой», например, где отсутствует ниспадающая часть, не участвующая в совершении полезной работы при сохранении общих контуров волны синусоиды, можем с уверенностью заявить о работоспособности и целесообразности такого процесса. Замеры приборами подтверждают эти выкладки. При включении индуктивной нагрузки, когда индуктивность сама генерирует свою реактивную энергию, МИМ за время прохождения каждой полуволны успевает выключиться раньше, уменьшив питающее напряжение на нагрузке и уменьшив тем самым величину реактивной энергии, стабилизируя баланс активной и реактивной энергии, повышая косинус фи. При включении емкостной нагрузки, конденсатора, мгновенно заряжающегося и разряжающегося и обладающего в разряженном состоянии очень низким сопротивлением, а в заряженном бесконечно большим, тиристор за время прохождения полуволн успевает многократно включиться и выключиться, тем самым повышая частоту питающего нагрузку напряжения, но так как конденсатор заряжается по экспоненциальному закону, по плавной, но остроконечной дуге, подобие синусоиды сохраняется и нагрузка не испытывает на себе негативного влияния, тем более запараллеленная нагрузке-конденсатору иная активная или реактивная нагрузка позволяет сглаживать всплески и автоматически регулировать повышенную частоту, за счет изменения общего сопротивления включаемых и выключаемых запараллеленных нагрузок. При перегреве тиристоров в результате эксплуатации мощной нагрузки, последние начинают перегреваться и из-за этого тиристор начинает «плыть» -позже выключаться, может выйти из строя. Резистор, устанавливаемый обычно между управляющим электродом и катодом, «смягчает» включающий фактор, чтобы не было резкого не произвольного включения при подаче отпирающего напряжения и тока, терморезисторы 4 и 5 тоже выполняют эту функцию, но кроме этого при перегреве, уменьшая свое внутреннее сопротивление, они увеличивают ток, проходящий через нить лампы, и сопротивление той увеличивается и тем самым уменьшает отпирающий ток и напряжение, подаваемое на управляющие электроды вплоть до минимального запирающего, повышая напряжение на лампе и при критической температуре, выключают тем самым тиристоры, защищая их от пробоя. Обладая достаточно быстрым временем реагирования на критическую температуру, нагрузка обесточивается плавно и безболезненно. При уменьшении общего тока потребления нагрузки, например, отключением запараллеленной нагрузки или обесточивании и остывании МИМ, все возвращается в исходное состояние.
В конкретном случае реализации в цепи управляющего электрода может стоять кулер - компьютерный вентилятор, частично выполняющий такую же, как и лампа функцию - оттягивания тока, поступающего на управляющие электроды тиристоров, а также для охлаждения тиристоров и быстрого восстановления работоспособности МИМ после перегрева тиристоров и их запирания путем уменьшения внутреннего сопротивления терморезисторов 4 и 5, реагирующих на перегрев. Кулер может быть запитан как через диодный мост, с фильтрующим конденсатором или без него, так и напрямую, схема кулера позволяет это делать. Переменный резистор или диммер - последовательный электронный регулятор напряжения в цепи управления, позволяет регулировать мощность нагрузки и выставлять оптимальную величину автоматической минимизации. Она находится, как правило, до 20 вольт ниже питающего напряжения. То есть если нагрузка питается от напряжения 220 вольт, а после МИМ от 200 вольт, то если это активная нагрузка, то МИМ автоматически прибавит питающее напряжение, в пределах номинального входящего; если реактивная нагрузка - уменьшит питающее напряжение; если емкостная, то напряжение вырастет выше номинального входящего, МИМ в этом случае будет работать как генератор, повышая частоту сети, при этом диммер тоже будет работать в режиме генератора, параллельно основным тиристорам, перекрывая диапазон при работе с малой мощностью нагрузки, в том числе заполняя паузы, когда основные тиристоры выключены, а электроэнергия еще подается.
Таким образом, при минимуме схемных элементов устройством решается поставленная задача по обслуживанию вторичных элементов, в частности регулирования мощности нагрузки, заряда накопителей электрической энергии, связанных зависимостью количества заряда, накопленного на элементе, обратно пропорционально его внутреннему сопротивлению, например, аккумуляторов и конденсаторов, при установке его в первичную цепь зарядного устройства перед трансформатором; автоматической минимизации мощности, т.е. автоматическому регулированию мощности к минимальному значению, при котором обеспечивается эффективная работа с минимальным электропотреблением нагрузки - энергосберегающий режим; защите от пробоя, в том числе в результате повышения температуры корпуса, повышению стабильности работы тиристоров при перегреве, в роли элемента последовательного генератора при работе с емкостной нагрузкой.