УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЗА ПОТРЕБЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано как на промышленных предприятиях, так и в жилых помещениях для контроля за потреблением электроэнергии (ЭЭ) с целью ее экономии.
Электроэнергия W, которая потребляется 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 С, зная действующий тариф Т на электроэнергию:
Очевидно, что значения U, cosφ, T и t (на момент снятия показания счетчика ЭЭ) постоянны, т.е. и значение W, и значение С 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 применяются для контроля ЭЭ только на предприятиях промышленности и 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 потребители от сети. Кроме того, данное устройство также имеет сложное техническое решение.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ измерения расхода электроэнергии, потребляемой от электрической сети, и электронный счетчик электроэнергии [4].
Способ предполагает измерение тока потребителей; интегрирование тока во времени; интегрирование в функции напряжения сети; получение значения, пропорционального установленному значению единицы потребления ЭЭ; подсчет количества единиц для получения значения, пропорционального величине, подлежащей оплате.
Устройство, реализующее данный способ, включает в себя трансформатор тока, выпрямитель, запоминающее устройство значения потребленной энергии, компенсатор ошибок нелинейности трансформатора тока, управляемый электронный переключатель, два управляемых переключателя уровня напряжения, графитовый резистор и ряд дополнительных диодов и конденсаторов.
Недостатком устройства является то, что в нем происходит измерение и сравнение единиц электроэнергии, что не всегда просто и удобно. Кроме того, устройство, реализующее способ-прототип, также имеет довольно сложное техническое решение.
л
л
пр
Намного проще определить предельно допустимое (максимальное) значение тока 1пр, при котором текущие значения W и С не превысят свои лимитированные значения W и C, например, за один месяц. Из формулы (3) можно получить это выражение для I:
т
т
пр
т
пр
n
пр
Теперь остается автоматически измерять текущее значение только потребляемого тока I и сравнивать его с вычисленным (заданным) предельным значением тока. 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 потребители ЭЭ, чтобы вновь выполнялось условие I<I.
Целью изобретения является упрощение схемного решения устройства контроля за потреблением электроэнергии.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для контроля количества потребляемой ЭЭ сравниваются два постоянных напряжения, одно из которых пропорционально текущему потребляемому току, а другое - заданному максимально-допустимому (предельному) току для того или иного режима энергопотребления. Так как потребляемая ЭЭ прямо пропорциональна току, то при сравнении напряжений происходит сравнение именно электроэнергий - текущей и заданной.
Сравнение постоянных напряжений реализуется в пороговом устройстве, выполненном, например, в виде компаратора. Первый вход порогового устройства связан с выходом выпрямительного устройства, которое выпрямляет текущее переменное напряжение. Второй вход порогового устройства связан с выходом задатчика уровней напряжений, с которого выборочно подаются задаваемые уровни постоянных напряжений. Выход порогового устройства связан со входом индикатора, срабатывающего при равенстве этих двух напряжений и сигнализирующего о том, что потребление ЭЭ превышает установленное значение.
Принцип действия устройства контроля за потреблением электроэнергии поясняется фиг.1, на которой представлена его электрическая структурная схема.
Непосредственно само устройство содержит токовый трансформатор 1, выпрямительное устройство 2, пороговое устройство 3, индикатор 4, выполненный, например, на основе свето диода, и задатчик уровней напряжений 5.
1
2
к
пр
л
л
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 5, с которого последовательно подаются заданные значения уровней постоянного напряжения = U,=U,…,=U, пропорциональные соответствующим значениям предельного тока I, который, как показано выше, пропорционален лимитированному значению W или C. Выход порогового устройства связан со входом индикатора 4.
1
2
n
1
2
n
Кроме того, на схеме показаны N потребителей ЭЭ 6 (в виде резисторов П,П,…,П), подключающихся к электросети 7 с помощью выключателей S,S,…,S.
Устройство работает следующим образом.
т
т
т
1
При подключении хотя бы одного из потребителей 6 к сетевому фазному напряжению 7 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 напряжений на выходе задатчика уровней напряжений 5 (пусть U).
1
2
к
пр
Значения постоянных напряжений U,U,…,U задаются заранее и они пропорциональны соответствующим значениям предельных токов I, получаемым из (4), исходя из лимитированных значений W л или Сл, например, за один месяц.
т
1
л
Если U<U, то пороговое устройство не сработает и светодиод в индикаторе 4 светиться не будет. Это означает, что количество потребляемой ЭЭ не будет превышать лимитированного месячного значения, пусть стоимости, C.
2
3
n
т
т
1
При последовательном подключении выключателями S,S,…S других потребителей 6 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.
т
1
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.
Данная ситуация означает, что при таком значении текущего тока в цепи месячное потребление ЭЭ станет больше установленного лимита.
т
1
Лицо, контролирующее потребление ЭЭ (например, хозяин квартиры) должен принять решение: или отключить часть второстепенных потребителей ЭЭ до выполнения соотношения U<U, чтобы съэкономить деньги, или не отключать потребители, заведомо зная, что будет перерасход ЭЭ.
пр.1
1
пр.2
2
Задаваемые предельные значения тока, естественно, будут отличаться друг от друга в различные времена года и, даже, суток (ночь или день). Например, зимой при хорошо работающем отоплении предельное значение тока пусть будет I и ему соответствует значение напряжения U. Зимой при плохо работающем отоплении жильцы, однозначно, будут включать электрические обогреватели и тогда значение предельного тока можно увеличить, пусть до I, которому соответствует напряжение U и т.д.
Подавать эти напряжения с задатчика уровней напряжений 5 также может соответствующее физическое лицо (дежурный электрик, хозяин квартиры и др.), заинтересованные в контроле и экономии ЭЭ.
Таким образом, по состоянию порогового устройства (сработало - несработало) можно контролировать потребление электроэнергии и, при необходимости, управлять им с целью ее экономии.
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.