Пропорциональное перераспределение действующего электрического напряжения для конечных потребителей
PROPORTIONAL REDISTRIBUTION OF ACTUAL ELECTRIC VOLTAGE FOR END CONSUMERS

Наша электрическая сеть переменного напряжения - частота 50 Гц, действующее напряжение 220 В (Рис. 1.1).
Очень часто приходится применять электрические устройства, регулируя их потребляемую мощность. Это связано с нашими запросами и потребностями (например: регулирование яркости освещения, скорости вращения двигателя). Делается это примерно так. Осуществляется контроль перехода напряжения через точку нулевого значения (Рис. 1.2). Затем, происходит временная задержка включения нагрузки от 0 до 10 мс (до следующего перехода напряжения через нулевое значение). Значение задержки включения нагрузки определяет регулирование мощности потребителя: значение задержки 0 мс - мощность максимальная, значение задержки 10 мс - мощность потребления стремится к нулю (для частоты сетевого напряжения 50 Гц). Когда режим включения сформирован пятимиллисекундной задержкой, на нагрузку подается половина от максимального действующего значения напряжения (Рис. 2.1, участок 1). Включение происходит с помощью электронного ключа. Чаще всего это полупроводниковый элемент четырехслойной или более сложной структуры, такой как тиристор или симметричный тиристор (Рис. 2.2). По команде на управляющем электроде элемент открывается, и проводит электрический ток до потребителя. Закрывается он в результате прекращения протекания электрического тока, то есть при переходе подаваемого переменного напряжения через нулевое значение (Рис. 1.2). Эта система регулирования потребления электрической энергии очень давно и широко используется в мире. Это самый распространенный способ регулирования.
Недостатком данного технического решения является частичное использование подаваемого напряжения. Например, группа однотипных потребителей включается на половинную мощность (Рис. 2.1). Таким образом, потребление электрической энергии происходит на второй половине полуволны подаваемого напряжения. Рис. 3.1 демонстрирует протекание электрического тока в этой группе устройств. Линия 1 отражает протекание электрического тока одной нагрузки, включенной на половинную мощность. Линия 2 - две нагрузки. Линия 3 - три нагрузки, включенные на половинную мощность. И так далее. Первая половина полуволны остается неиспользуемой, и электрический ток не протекает. Зато вторая половина включается по полной схеме, и подключение большого числа потребителей приводит к искажению формы сетевого напряжения, вызванному неравномерным потреблением (Рис. 3.2). То есть при уменьшении энергопотребление в два раза эффективность использования электроэнергии понижается в два раза. Если энергопотребление уменьшить в три раза, то эффективность упадет в три раза (Рис. 4.1, Рис. 4.2).
Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является использование всего диапазона напряжения, то есть добиться максимальной эффективности использования электрической энергии за счет перераспределения действия электрического напряжения в группе потребителей, индивидуально для каждого элемента или на заранее определенную группу. Делается это примерно так. При снижении потребляемой мощности на 50% делаем перераспределение включения потребителей (Рис 5.1). Одну часть устройств включаем в диапазоне задержки от 0 до 5 мс, участок 1, другую часть - от 5 до 10 мс, участок 2. Протекание электрического тока в этой цепи выглядит примерно как на Рис. 5.2. Также половинная мощность потребления может выглядеть как на Рис. 6.1.
Если есть необходимость снижения энергопотребления более чем в два раза, это делается путем пересчета, необходимая мощность - временной диапазон. И самое главное использовать весь временной диапазон действующего напряжения, не перегружая отдельные его участки. Например, нагрузка потребляет 30% мощности. Выглядит это как на  Рис. 6.2
Данная задача решается за счет того, что заявленное пропорциональное перераспределение действующего электрического напряжения для конечных потребителей осуществляется с помощью индивидуального или группового контроллера, запрограммированного на определенный режим работы и имеющего возможность дистанционного управления, который управляет индивидуальным силовым ключом (Рис. 7.1). В качестве силового элемента можно использовать транзисторы любой структуры, например, биполярные, полевые, комбинированные (IGBT). Это дает возможность перераспределить действие электрической энергии на потребителей таким образом, чтобы избежать сильных бросков электрического тока в линии и эффективным образом расходовать электрическую энергию в режимах снижения энергопотребления.
Предлагается еще одно возможное применение этого метода. До этого момента говорилось о применении переменного напряжения, но сегодня приходящее переменное напряжение к потребителю в большей части выпрямляется и преобразовывается. Преобразователи применяются разных мощностей. Очень широкое применение получили преобразователи малой мощности за миниатюрные габариты и низкий вес. Так вот данное предложение касается именно преобразователей малой мощности. И в этом предложении основной мыслью является не экономия электроэнергии, а нормальное, безаварийное функционирование преобразователя.
К сожалению, наши электрические сети не могут называться идеальными. Электрическое напряжение на линии может изменяться по ряду причин. Например, погодные условия, количество и мощность потребителей, качество или распределения самой сети. Так вот преобразователи маленькой мощности стараются сделать как можно меньше, чаще всего за счет уменьшения предельных характеристик используемых электронных компонентов, отдавая предпочтение минимизации. И эксплуатация таких преобразователей при идеальном напряжении может быть долгой, или даже бесконечной, но при снижении или при увеличении напряжения меняются режимы работы преобразователей. И если с понижением напряжения можно справиться достаточно простыми способами, то с повышением напряжения удается справиться не всегда. А особенно при большом увеличении, когда напряжение возрастает до 380 В вследствие специфики доставки электрической энергии к потребителю и нарушения подводящих электрических сетей.
Таким образом, предлагается способ программного включения выпрямительного моста для преобразователя (Рис. 7.2). Устройство анализирует входное напряжение и дает команду на включение или выключение подачи сетевого напряжения на преобразовательное устройство. В случае отсутствия нормального напряжения на входе преобразователя, а в нашем случае - это напряжение, превышающее предельно допустимое, устройство дает сигнал на включение в тот момент, когда напряжение на входе удовлетворяет нашим граничным условиям и выключает подачу электричества, когда граничные условия превышаются, то есть перераспределяя входное напряжение, исключая опасные участки. Используются участки 1 (Рис. 8.1).
Получая необходимое количество электричества, устройство продолжает нормально работать. В этом случае, когда указанное устройство работает при повышенном напряжении на входе, можно сделать индикацию или сигнализацию превышения сетевого напряжения.