Беспроводное устройство коммутации электрической нагрузки
WIRELESS DEVICE FOR SWITCHING ELECTRIC LOAD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления электропитанием различных электроприборов, в том числе для дистанционного включения / отключения электроприборов от сети питания, а также, для включения / отключения электроприборов по различным программируемым сценариям.
ровень техники
У
В настоящий момент становится актуальным использование беспроводных коммутаторов электрической энергии. Это обусловлено стремительным развитием технологий «умных домов» и «интернета вещей», развитием мобильных приложений для управления электронными устройствами и т. п. Беспроводное устройство коммутации электрической энергии может выполнять одну из ключевых функций в данных областях, а именно управление электропитанием различных электроприборов.
Из уровня техники известен корпус для умной розетки (см. [1] патент РФ на полезную модель № 183511, МПК H01R13/00, опубл. 25.09.2018) с размещенным в основании розетки модулем управления нагрузкой; подключением нагрузки к электрическим контактным элементам, а сети электропитания - к контактным штырям штепсельной вилки; индикацией уровня мощности, потребляемой нагрузкой, с помощью световода и рассеивателя света; выполнением требований электробезопасности путем соединения контактных штырей заземления на крышке с заземляющим контактом кожуха штепсельной вилки. Недостатком указанной розетки является малый ресурс и низкая надежность за счет использования в ней контактных элементов (реле).
Аналогичных приборов, выполненных в виде розеточного модуля на одну вилку достаточно много (см., например, [2] патент РФ на полезную модель № 145549, МПК G08B13/00, опубл. 20.09.2014; [3] патент РФ на полезную модель № 126221, МПК H02J3/00, опубл. 20.03.2013; [4] патент на полезную модель Китая № 204028223, МПК G01R21/00, опубл. 17.12.2014; [5] патент на изобретения США № 9378530, МПК G06Q50/06, опубл. 28.06.2018; [6] заявка на выдачу патента США на изобретение № 20170155526, МПК H01R13/66, опубл. 01.06.2017). Основным конструктивным элементом таких приборов является контактное реле, которое имеет механические элементы и соответствующий коэффициент инерционности, причем коэффициент инерционности изменяется как в течение эксплуатации реле, так и различается в разных моделях реле, что не позволяет осуществлять замыкание контактов в нужный момент (в момент перехода фазы через ноль). Кроме того, при замыкании / размыкании контактов реле, возникает электрическая дуга, которая сокращает срок службы изделия и в конечном счете может привести к «залипанию» контактов.
Недостаток, связанный с «залипанием контактов», был решен заменой реле на двунаправленный триодный тиристор (симистор) (см. [7] патент РФ на изобретение № 2638182, МПК H01H43/00, опубл. 12.12.2017). Использование симистора позволяет осуществлять практически мгновенное замыкание цепи без образования электрической дуги, однако данное решение обладает существенным недостатком - при длительной работе симистор будет в значительной степени нагреваться, что потребует дополнительного теплоотвода, что в свою очередь увеличит габарит изделия и т. п., а при перегреве просто выйдет из строя, что в конечном итоге снижает общую надежность устройства.
Из уровня техники известна схема защиты контактов для реле (см. [8] патент США № 3639808, МПК Н01Н 9/54, опубл. 01.02.1972), на катушку которой подается постоянное напряжение и контакт переключает переменный ток. Симистор подключен параллельно контакту реле и может управляться с помощью катушки, которая магнитно-связана с катушкой реле. Недостатком такой схемы является сложность изготовления реле, ввиду необходимости дополнительной магнитно-связанной катушки. Также рассматриваемая схема служит для защиты контактов реле только в момент размыкания контактов.
Из уровня техники известен способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой (см. [9] патент РФ на изобретение № 2711587, МПК H02P13/06, опубл. 17.01.2020). В способе управления напряжением трансформатора под нагрузкой, включающем задание уровня выходного напряжения трансформатора, контроль напряжения питающей сети, контроль тока, подачу импульсов управления на двунаправленные тиристорные ключи, включенные в цепях ответвлений первичной обмотки трансформатора, управление каждого двунаправленного тиристорного ключа осуществляют совместно с управлением управляемым реле, подключенным параллельно двунаправленному тиристорному ключу, так что в установившемся режиме работы трансформатора состояние управляемого реле задают аналогично состоянию двунаправленного тиристорного ключа, а в процессе управления напряжением трансформатора, при изменении состояния двунаправленного ключа из выключенного во включенное, изменение состояния управляемого реле из выключенного во включенное осуществляют с задержкой во времени после включения двунаправленного тиристорного ключа, а перед изменением состояния двунаправленного ключа из включенного в выключенное предварительно переводят управляемое реле из включенного состояния в выключенное, а в устройстве управления напряжением трансформатора под нагрузкой, содержащем по крайней мере два двунаправленных тиристорных ключа, параллельно каждому двунаправленному тиристорному ключу подключено управляемое реле, соединенное с блоком управления.
Недостатком указанного аналога является отсутствие гальванической развязки, при этом симистор представляет собой встречно-параллельное включение тиристоров, поэтому указанный способ коммутации является аналогом.
Из уровня техники известно устройство коммутации нагрузки для счетчиков электроэнергии (см. [10] патент РФ на полезную модель № 21307, МПК G01R11/63, опубл. 10.01.2002), содержащее включенные между электросетью и шиной потребителя счетчик электроэнергии и схему коммутации, при этом схема коммутации содержит включенные между электросетью и шиной потребителя электромеханическое реле и параллельное ему твердотельное реле, при этом счетчик электроэнергии подключен к шине интерфейса, управляющие входы электромеханического и твердотельного реле связаны со счетчиком электроэнергии, а твердотельное реле выполнено на дискретных элементах, например, оптроне и симисторе.
Описанное устройство является аналогом, так как использует параллельное включение контактов реле и твердотельного реле (симистора, управляемого оптическим драйвером). Однако данный аналог не позволяет удаленно управлять нагрузкой, а использует данную схему коммутации только для аварийного отключения потребителей в случае перегрузки.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения, принятым на прототип, является система для удаленного управления устройствами и контроля устройств (см. [11] патент РФ на изобретение № 2648564, МПК G08C17/00, опубл. 26.03.2018). В частном варианте осуществления изобретения реализовано предотвращение «залипания» реле (в частности, электромагнитного реле, являющегося частью реализации конечного устройства / модуля, например, модуля 110A…110N) при включении (емкостных) нагрузок, например, реактивных нагрузок. Так, при включении нагрузок, в частности, (значительных) реактивных нагрузок, например, емкостных нагрузок через реле, в последнем может происходить кратковременный пробой зазора между контактами. Для предотвращения пригорания контактов и необходимости механического вмешательства человека осуществляется следующий способ устранения такого рода инцидентов: в первый момент включения нагрузки, она коммутируется через симистор, далее через определенный / заданный (незначительный, например, от 400 до 700 миллисекунд) промежуток времени осуществляется (в частности, средствами контроллера) коммутация реле. Выключение нагрузки происходит в обратном порядке, что позволяет избежать токов коммутации на реле, а незначительное время работы симистора, позволяет ему полностью поглотить рассеиваемую мощность без вреда для конструкции компонента (в частности, симистора) даже при максимально допустимых токах. Причем, максимально допустимая величина тока, в частном случае, зависит от конфигурации конечного устройства 110A…110N и может быть ограничена используемой парой реле - симистор.
Недостатком прототипа является отсутствие драйвера с детектором нуля и гальванической развязки, что в свою очередь снижает надежность и безопасность эксплуатации (гальваническая развязка) изделия.
Недостатками перечисленных технических решений являются:
- ограниченный срок эксплуатации изделий при использовании в их составе только контактного реле, контакты которого оплавляются и поддаются эрозии со временем из-за возникающей электрической дуги при его замыкании и размыкании;
- при использовании Wi-Fi модулей в составе изделий рабочая зона действия ограничена зоной покрытия Wi-Fi сигнала;
- отсутствие модульности изделий - в случае, если необходимо разместить изделия рядом друг с другом, то для каждого изделия необходим отдельный Wi-Fi модуль, что в свою очередь увеличивает общую стоимость группы изделий, а также ее габариты.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является создание надежного устройства коммутации электрической энергии с повышенным ресурсом эксплуатации.
Техническим результатом является повышение ресурса устройства коммутации электрической энергии, повышение надежности связи и увеличение радиуса действия и, как следствие, улучшение качества связи по сети (Wi-Fi-сети, Mesh-сети на основе стандартов ZigBee, Thread), уменьшение габаритных размеров устройства.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет устройства коммутации электрической нагрузки содержащего размещенные в одном корпусе блок электропитания, контактное реле с переключающимися контактами, полупроводниковый симистор: условный анод и условный катод которого подключены параллельно переключающим контактам контактного реле, разъемы для подключения к коммуникациям, при этом устройство содержит от 1 до 8 контактных реле с параллельно подключенными полупроводниковыми симисторами, управляемыми оптическим драйвером с детектором нуля, при этом устройство содержит Mesh-модуль, отвечающий за управление коммутирующим устройством, передачу данных на удаленный сервер и поддержку самоорганизующихся беспроводных Mesh-сетей.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Структурная схема коммутатора.
Фиг. 2 - Электрическая схема коммутатора.
Фиг. 3 - Схема Mesh-сети, образуемой беспроводными электрическим коммутаторами.
Фиг. 4 - Схема группы коммутирующих устройств в модульном исполнении.
Осуществление изобретения
Устройство коммутации электрической нагрузки содержит размещенные в одном корпусе и соединенные между собой: блок электропитания; контактное реле с переключающимися контактами; полупроводниковый симистор: условный анод и условный катод которого подключены параллельно переключающим контактам контактного реле; разъемы для подключения к коммуникациям. Блок электропитания (источник питания) имеет общеизвестную стандартную компоновку и включает предохранитель для защиты устройства и коммуникаций от короткого замыкания, варистор для защиты устройства от перепадов напряжения, диодный мост для выпрямления сетевого напряжения, электрический конденсатор для накопления энергии для импульсного стабилизатора, импульсный стабилизатор напряжения, керамический и танталовый конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения, линейный стабилизатор (если в составе устройства есть Mesh-модуль).
При этом устройство содержит от 1 до 8 контактных реле с параллельно подключенными полупроводниковыми симисторами, управляемыми оптическим драйвером с детектором нуля. Также устройство содержит Mesh-модуль, выполненный с возможностью управления коммутирующим устройством, передачу данных на удаленный сервер и поддержку самоорганизующихся беспроводных Mesh-сетей.
Увеличение ресурса достигается наличием в коммутаторе симистора (фиг. 1). Это один из главных отличительных признаков патентуемого устройства. Замыкание контактов осуществляется с помощью реле. В нашем случае вначале замыкается симистор (при прохождении фазы через нулевую отметку) и только потом замыкается реле для предотвращения перегрева симистора, см. фиг. 2. Этот принцип позволяет избежать появления электрической дуги при замыкании / размыкании контактов (т. к. в момент перехода фазы через нулевую отметку напряжение равно нулю), т. е. не будет происходить эрозии контактов. Как следствие, существенно увеличивается ресурс устройства коммутации электрической нагрузки.
Повышение ресурса устройства коммутации электрической энергии достигается за счет использования схемы параллельного включения контактного реле (электромеханического) и полупроводникового симистора. Для увеличения ресурса работы симистора, а также снижения рассеиваемой на нем мощности в момент коммутации и уменьшения уровня помех в сети, для управления симистором используется драйвер с детектором нуля (например, на основе оптопар). За счет использования оптического драйвера с детектором нуля обеспечивается также гальваническая развязка между управляющими и высоковольтными цепями, что является просто необходимым. Управление симистором осуществляется с помощью оптического драйвера с детектированием пересечения нуля. В начальный момент времени выполнять коммутацию электрической нагрузки будет симистор. Это обусловлено тем, что контактное реле имеет механические элементы и соответствующий коэффициент инерционности, причем коэффициент инерционности изменяется как в течение эксплуатации реле, так и различается в разных моделях реле, что не позволяет осуществлять замыкание контактов в нужный момент (в момент перехода фазы через ноль). Кроме того, при замыкании / размыкании контактов реле, возникает электрическая дуга, которая сокращает срок службы изделия и в конечном счете может привести к «залипанию» контактов. Симистор, управляемый драйвером с детектированием пересечения нуля, позволяет осуществлять практически мгновенное замыкание цепи без образования электрической дуги. Однако при длительной работе симистор будет в значительной степени нагреваться, что потребует дополнительного теплоотвода. Использование симистора в качестве коммутатора нагрузки влечет за собой проблему отвода тепла, при протекании через него токов более 0,5 А, что в последствии приведет к его разрушению. Именно поэтому разработчики вынуждены дополнительно размещать на печатной плате устройства коммутации радиатор, что в конечном итоге ведет к увеличению габаритов изделия и его стоимости, что, в свою очередь, не всегда доступно. Таким образом, для длительного удержания цепи в замкнутом состоянии будет использоваться контактное реле. Контактное реле будет замыкаться после замыкания симистора по параллельной цепи, в результате чего, между контактами реле не будет возникать электрическая дуга. В результате, с одной стороны обеспечивается гарантированное подключение нагрузки в момент перехода фазы через ноль, с другой стороны - отсутствие перегрева и перегрузки электронных компонентов. Данная опция позволит существенно увеличить ресурс работы устройства. В момент отключения электрической нагрузки сперва будут размыкаться контакты реле, затем окончательно цепь будет размыкать симистор. Основным преимуществом симистора является его возможность коммутации нагрузок без искрообразования и отсутствие механически подвижных частей, что гарантирует при необходимом теплоотводе и соблюдении рекомендаций по его защите практически неограниченный ресурс работы элемента.
Повышение надежности связи и увеличение радиуса действия достигается путем интеграции в устройство Mesh-модуля (например, но не ограничиваясь, на основе технологии Wi-Fi) для построения Mesh-сети. Это главный отличительный признак от аналогов. Наличие Mesh-модуля в коммутаторе позволяет построить беспроводную сеть между такими же устройствами (фиг. 3), тем самым площадь охвата устройств Wi-Fi сигналом (от роутера) увеличивается на площадь образованной беспроводной сети с помощью коммутаторов с Mesh-модулями. Mesh-сеть позволяет соединять многочисленные устройства, расположенные на большой площади (как внутри, так и вне помещений), в рамках одной беспроводной локальной сети. Такая сеть является самоорганизующейся и самовосстанавливающейся. Это означает, что сеть может строиться и поддерживаться автономно. Традиционная инфраструктура сети Wi-Fi представляет собой многоточечную сеть «point-to-multipoint», в которой один центральный узел (точка доступа), напрямую связан с остальными устройствами. Точка доступа ответственна за арбитраж и передачу данных между ней и подключенными устройствами. Некоторые точки доступа являются ретрансляторами из внешней IP-сети или во внешнюю IP-сеть через маршрутизатор. Традиционные инфраструктуры сети Wi-Fi отличаются тем, что имеют ограниченную зону покрытия. Кроме того, традиционные сети Wi-Fi подвержены перегрузке, поскольку максимальное количество подключаемых устройств ограничено возможностями точки доступа. Благодаря использованию Mesh-технологии, подключенным устройствам не требуется соединяться с центральным узлом. Вместо этого им разрешено соединяться с соседними устройствами. Устройства несут взаимную ответственность за ретрансляцию информации друг другу. Это позволяет сети Mesh иметь большую зону покрытия, поскольку устройства могут связываться друг с другом без необходимости находиться в зоне покрытия центрального узла. Аналогичным образом, сеть Mesh также менее восприимчива к перегрузке, поскольку количество узлов, разрешенных в сети, больше не ограничено единственным центральным узлом.
Сокращение габаритов достигается путем каскадного объединения коммутирующих устройств без индивидуальных модулей беспроводной Mesh-сети, при этом ко всей группе подключается только один модуль беспроводной Mesh-сети, с помощью которого возможно управление каждым коммутатором в отдельности (фиг. 4). Отсутствие индивидуальных модулей позволяет уменьшить габариты группы устройств. При использовании группы подобных устройств коммутации (каскадное соединение) к ним добавляется лишь один модуль беспроводной Mesh-сети, который соединяется с ними с помощью проводной линии связи. При этом беспроводные устройства коммутации электрической нагрузки уже не содержат встроенных модулей беспроводной Mesh-сети, что позволяет сократить их стоимость и габаритные размеры.