УСТРОЙСТВО ЛИМИТИРОВАНИЯ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электротехники и, в частности, к устройствам лимитирования потребляемой от сети электрической мощности с помощью автоматического отключения неприоритетных нагрузок.
Техническим результатом является создание двух вариантов устройства, лимитирующего общую нагрузку на питающую электросеть и позволяющего подключить больше оборудования, чем предписано лимитом установленной мощности, имеющее значительные преимущества перед аналогами и прототипом, поскольку: позволяет увеличить суммарную мощность и количество дополнительных нагрузок, которые можно подключить к сети без ухудшения условий, эффективности и комфорта их эксплуатации не требует прокладки отдельных питающих линий для подключения неприоритетных нагрузок; позволяет формировать неприоритетные линии в любой точке сети; осуществляет адресное управление конкретными неприоритетными нагрузками в точках их подключения к электросети; не привязывает нагрузку к линиям и помещениям; позволяет перемещать нагрузку по помещениям.
Техническая область
Настоящее техническое решение относится к устройствам лимитирования общей (суммарной) потребляемой нагрузками электрической мощности в сетях с ограниченной выделенной мощностью за счет автоматического управления нагрузками.
Уровень техники
Одним из факторов, ограничивающим количество подключаемых к электросети потребителей является недостаточная электрическая мощность, выделяемая на объект. При подключении дополнительных нагрузок с суммарной мощностью больше выделенной, срабатывает вводной защитный автомат, обесточивая все здание или помещение.
Существуют устройства, позволяющие лимитировать потребляемую от электросети мощность и подключать больше нагрузок.
Известно устройство и способ, принятые за аналог, «Гибкая система управления электрической нагрузкой и способ ее работы» (Патент на изобретение РФ 2431172, 26.11.2006, опубл. 10.10.2011, МПК G05В 15/00, 2006.01.
Недостатки:
- невозможность использования без модернизации электропроводки;
- невозможность использования при отсутствии возможности прокладки новых проводов;
- невозможность адресного управления нагрузками, подключенными к конкретным розеткам, в конкретных помещениях;
- невозможность перемещения нагрузок и подключения их в новых местах;
- высокая стоимость работ по инсталляции.
Известно устройство, принятое за прототип, позволяющее увеличить количество подключаемого оборудования и лимитировать потребляемую от электросети мощность за счет отключения неприоритетных нагрузок.
Например:
- Реле отключения неприоритетных нагрузок фирмы LEGRAND, Е-каталог 2011, кат. №038 11, сайт www.Iegrand.ru.
- Реле отключения неприоритетных нагрузок CDS фирмы Schneider-electric, кат. №15908, http://www.schneider-electric.ru.
- Устройство управления нагрузкой LSS1/2 фирмы ABB, каталог «System pro M compact», код заказа 2CSM112500R1311, EAN 274407.
В упрощенном виде такое устройство, содержит: входную питающую линию, выходную приоритетную линию, выходную неприоритетную линию, датчик тока, пороговое устройство (например, компаратор с источником опорного напряжения), силовое реле с контактами в цепи выходной неприоритетной линии.
Устройство, принятое за прототип, работает следующим образом.
Напряжение с входной питающей линии беспрепятственно поступает на выходную приоритетную линию. К ней подключаются потребители с высоким приоритетом, которые не отключаются ни при каких условиях. Суммарный ток нагрузок измеряется датчиком тока, сигнал с которого постоянно поступает на компаратор и сравнивается с опорным напряжением, составляющим уставку реле, т.е. порог срабатывания.
Если ток во входной питающей линии превысит ток уставки, компаратор изменит состояние, что приведет к срабатыванию силового реле, контакты которого отключат неприоритетную линию на время, пока общий потребляемый ток не упадет ниже тока уставки. Если неприоритетных линий несколько, то они будут отключаться по-очереди, до тех пор, пока потребляемый нагрузками ток не снизится до установленной величины.
Как только это условие выполнится, начнется обратный процесс - компаратор изменит состояние и реле подключит неприоритетную линию (линии). Таким образом, все потребители снова окажутся подключенными к электропитанию.
Однако, применение подобных устройств на объектах завершенного строительства затруднено и ограничено по следующим причинам:
- из-за невозможности использования без модернизации электропроводки {сопровождаемой ремонтно-строительными работами);
- при отсутствии возможности прокладки новых неприоритетных линий (например, в недавно отремонтированных помещениях, в арендуемых помещениях, в памятниках архитектуры и т.п.)
- из-за невозможности адресного управления конкретными нагрузками, подключенными к конкретным розеткам, в конкретных помещениях или постройках (например, в загородной усадьбе с домом, сауной, баней, гаражом, другими отдельно-стоящими постройками);
- из-за высокой стоимости работ по их инсталляции;
- из-за жесткой привязки нагрузок к проложенным проводным неприоритетным линиям и невозможности перемещения нагрузок без перемещения питающих линий.
Настоящая полезная модель направлена на создание двух вариантов устройства, свободного от недостатков аналогов и прототипа.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Ограничение общего потребляемого нагрузками тока в первом варианте устройства с помощью временного, дистанционного отключения конечных неприоритетных нагрузок от электросети, коммутируемых в точках их подключения к электросети (в отличие от аналогов и прототипа, где коммутация нагрузок происходит в электрощите, а неприоритетные нагрузки подключаются к отдельным питающим линиям).
Техническое решение
В соответствии с данной полезной моделью, задачу можно решить созданием первого варианта устройства лимитирования потребляемой мощности. Устройство состоит из управляющего блока, контролирующего суммарное потребление тока всеми нагрузками и дистанционно управляющего распределенными по внутренней электросети одним или несколькими коммутирующими блоками, отключающими/включающими конечную неприоритетную нагрузку, с целью снижения суммарного потребляемого нагрузками тока при его превышении.
Управляющий блок устанавливается после вводного автомата, а его взаимодействие с локальными блоками осуществляется с помощью команд дистанционного управления, передаваемых по радиоканалу или по питающей электросети.
Управляющий блок содержит: корпус, входную питающую линию, выходную приоритетную линию, датчик тока с пороговым устройством для контроля максимального суммарного тока нагрузок, установленного пользователем; индикаторные светодиоды по числу дистанционно коммутируемых неприоритетных нагрузок или групп; процессорный модуль, формирующий сигналы и алгоритмы управления; передатчик команд дистанционного управления.
Коммутирующий блок размещается в точке подключения конечной неприоритетной нагрузки к электросети и осуществляет ее включение-отключение (коммутацию) в соответствии с командами управляющего блока с целью лимитирования общего потребляемого нагрузками тока при пиковых потреблениях.
Блок может быть выполнен, например, в виде мобильного розеточного адаптера, который можно включить в любую розетку, в любом помещении, или модуля для инсталляции в электросеть. При этом нагрузка, подключенная к любой точке электросети через коммутирующий блок, получает статус неприоритетной. В отличие от аналогов и прототипа.
Коммутирующий блок содержит: корпус, входную питающую линию, выходную неприоритетную линию, приемник команд дистанционного управления, силовой модуль с ключом, светодиодный индикатор состояния нагрузки.
Задачу можно решить и созданием второго варианта устройства лимитирования потребляемой мощности, состоящего из управляющего блока, контролирующего суммарное потребление тока всеми нагрузками и дистанционно управляющего распределенными по внутренней электросети инверторными блоками, временно переключающими питание конечной нагрузки с электросети на питание от инвертора с аккумулятором, с целью снижения суммарного потребляемого нагрузками тока при пиковых потреблениях.
Управляющий блок устанавливается после вводного автомата, а его взаимодействие с инверторным блоком/блоками осуществляется с помощью команд дистанционного управления, передаваемых по радиоканалу или по питающей электросети.
Управляющий блок содержит: корпус, входную питающую линию, выходную приоритетную линию, датчик тока с пороговым устройством для контроля величины тока нагрузок, установленной пользователем; индикаторные светодиоды по числу дистанционно коммутируемых нагрузок или групп; процессорный модуль, формирующий сигналы и алгоритмы управления; передатчик команд дистанционного управления.
Инверторный блок размещается в точке подключения к электросети конечной (приоритетной или неприоритетной) нагрузки и осуществляет переключение ее питания с электросети на питание от инвертора с аккумулятором, в соответствии с командами управляющего блока с целью снижения общего потребляемого нагрузками тока при пиковых потреблениях.
Инверторный блок содержит: корпус, входную питающую линию, зарядное устройство, аккумуляторную батарею, инвертор, быстродействующий переключатель, приемник команд дистанционного управления, схему управления, выходную линию для подключения нагрузки.
Полезная модель содержит совокупность существенных признаков, необходимую и достаточную для достижения указанного технического результата.
Из уровня техники не известны технические решения с заявленной совокупностью существенных признаков, что подтверждает соответствие полезной модели условию патентоспособности - новизна.
Краткое описание чертежей
Устройство, работа и преимущества этого технического решения иллюстрируются приведенными чертежами. В связи с этим не делается попыток показать конструктивные и схемные особенности настоящей полезной модели более детально, чем это необходимо для понимания принципов его работы.
Фиг.1 - Структурная схема первого варианта устройства;
Фиг.2 - Структурная схема второго варианта устройства;
Фиг.3 - Вариант внешнего вида первого варианта устройства;
Фиг.4 - Вариант размещения и подключения блоков первого варианта устройства;
Фиг.5 - Вариант размещения и подключения блоков второго варианта устройства;
Осуществление полезной модели
Это краткое описание не предназначено для определения ключевых признаков и объема защиты заявленного объекта, а необходимо для иллюстрации, в общем виде, его состава, принципов работы, логики взаимодействия блоков и различных вариантов исполнения.
Первый вариант Устройства лимитирования потребляемой мощности состоит из управляющего блока, контролирующего общее энергопотребление, и распределенных по внутренней электросети коммутирующих блоков - отключающих/включающих подключенную к ним неприоритетную нагрузку, в соответствии с командами управляющего блока. Взаимодействие между управляющим и коммутирующими блоками - дистанционное: по радиоканалу или по питающей электросети.
Для примера, в описании и на чертежах представлен вариант устройства с передачей команд дистанционного управления по радиоканалу.
Второй вариант Устройства лимитирования потребляемой мощности состоит из управляющего блока, контролирующего общее энергопотребление, и одного и более инверторных блоков, распределенных по внутренней электросети, переключающих питание нагрузки с электросети на инвертор с аккумулятором (инвертор с питанием от аккумулятора), разгружая сеть и увеличивая общую мощность подключенных к ней нагрузок, в соответствии с командами управляющего блока. Взаимодействие между управляющим блоком и инверторными блоками - дистанционное: по радиоканалу или по питающей электросети.
Для примера, в описании и на чертежах представлен вариант устройства с передачей команд дистанционного управления по радиоканалу.
Устройство лимитирования потребляемой мощности (первый вариант)
Устройство лимитирования потребляемой мощности (Фиг.1) состоит из Управляющего блока и коммутирующего блока (блоков).
Управляющий блок содержит: входную линию - 1; датчик тока - 2; пороговое устройство - 3; логический процессор - 4; индикаторные светодиоды - 5; передатчик - 6, корпус управляющего блока - 7; выходную линию - 8.
Входная и выходная линии управляющего блока могут представлять собой сплошной магистральный проводник, без разрыва пропущенный сквозь корпус блока со встроенным датчиком тока (например, трансформатором тока, датчиком Холла и т.п.). В таком случае, питание элементов схемы блока осуществляется по отдельным проводникам.
Датчик тока может быть как внутренним, так и внешним. Кроме того, управляющий блок может содержать модуль беспроводной связи с внешними устройствами для управления и обмена информацией о текущих настройках, параметрах энергопотребления и стоимости потребленной электроэнергии и т.д.
Коммутирующий блок содержит: входную линию - 9; приемник - 10; силовой модуль - 11; индикаторный светодиод - 12; силовой ключ - 13; корпус коммутирующего блока - 14; выходную неприоритетную линию - 15.
Работа устройства
Напряжение сети с входной линии - 1 управляющего блока (Фиг.1) поступает на выходную линию - 8, к которой подключается внутренняя электросеть со всеми потребителями.
Суммарный потребляемый ток нагрузок измеряется датчиком тока - 2, сигнал с которого постоянно поступает на пороговое устройство - 3 и сравнивается с порогом срабатывания, который устанавливается пользователем и составляет уставку устройства.
Если потребляемый нагрузками ток превысит ток уставки, то пороговое устройство - 3 выдаст сигнал на логический процессор - 4, который, в соответствии с заданным алгоритмом работы, выдаст сигнал на передатчик - 6, который передаст команду дистанционного управления на коммутирующий блок на выключение неприоритетной нагрузки. Команда будет принята приемником - 10, сигнал с которого поступит на силовой модуль - 11, который разомкнет силовой ключ - 13, отключив напряжение от выходной неприоритетной линии - 15 и подключенной к ней неприоритетной нагрузки. На коммутирующем блоке включится индикаторный светодиод - 12. На управляющем блоке включится светодиод - 5, сигнализирующий о выключении соответствующей неприоритетной нагрузки или группы.
Даже если сразу после этого общий ток снизится до величины уставки, то устройство не изменит состояние, за счет временной задержки на обратное переключение. Это предотвратит возникновение режима постоянного переключения (генерации) на границе порога срабатывания.
Через заданное время логический процессор - 4, управляющего блока, через передатчик - 6, соответствующей командой дистанционного управления включит отключенную ранее неприоритетную нагрузку, коммутирующего блока.
При этом если суммарный ток потребления окажется равен или ниже заданного, то нагрузка останется включенной. Светодиод - 5 - погаснет, индицируя отключение этой неприоритетной нагрузки.
Если же общий ток потребления превысит заданное значение, то соответствующий сигнал с выхода порогового устройства - 3 снова поступит на логический процессор - 4, который выдаст управляющий сигнал на передатчик - 6, который, передаст дистанционную команду на локальный коммутирующий блок на выключение подключенной к нему неприоритетной нагрузки.
На управляющем блоке включится светодиод - 5, сигнализирующий о выключении соответствующей неприоритетной нагрузки (или группы).
Если и после этого общий ток будет превышать установленное значение, то логический процессор - 4, продолжит последовательное отключение неприоритетных нагрузок, соответствующими сигналами на передатчик - 6, который, передаст команду дистанционного управления на следующий коммутирующий блок на выключение его неприоритетной нагрузки.
И так далее, по числу каналов управления и коммутирующих блоков.
Через заданное пользователем время или по другому алгоритму, учитывающему, например, изменение тока или другие параметры, начнется обратное подключение неприоритетных нагрузок с непрерывным контролем общего потребляемого тока.
Если превышения общего тока не будет, то все потребители окажутся подключенными к электропитанию.
В зависимости от специализации устройства алгоритм работы логического процессора - 4 управляющего блока может быть различным. Например, при работе только с электрическими системами отопления он может учитывать такие параметры, как температура воздуха внутри помещения и снаружи.
Коммутирующий блок работает следующим образом.
После включения блока в сеть напряжение через входную линию - 9, через замкнутый силовой ключ - 13, поступает в выходную линию - 15 и в подключенную к ней неприоритетную нагрузку, о чем сигнализирует светодиод - 12.
Если общий потребляемый нагрузками ток, контролируемый управляющим блоком, превысит установленную величину, то коммутирующий блок отключит «лишнюю» неприоритетную нагрузку в соответствии с командой управляющего блока, как было описании выше.
Вариант размещения и подключения блоков устройства.
На вводе в здание или помещение - 26 (Фиг.5), после вводного автомата, устанавливается управляющий блок - 27, выходная приоритетная линия которого соединена с внутренней электросетью - 28, к которой подключаются все нагрузки.
Таким образом, электросеть и все включенные непосредственно в нее нагрузки являются - приоритетными и не отключаются ни при каких условиях.
Линии для подключения неприоритетных нагрузок организуются в любой точке электропроводки, путем подключения нагрузок через один или несколько коммутирующих блоков - 29, 30. Количество коммутирующих блоков определяет число неприоритетных линий.
Управление неприоритетными нагрузками осуществляет управляющий блок - 27 - посредством передачи команд дистанционного управления на коммутирующие блоки - 29, 30.
Устройство лимитирования потребляемой мощности (второй вариант)
Устройство лимитирования потребляемой мощности (Фиг.2) состоит из Управляющего блока и инверторного блока (блоков).
Управляющий блок содержит: входную линию - 1; датчик тока - 2; пороговое устройство - 3; логический процессор - 4; индикаторные светодиоды - 5; передатчик - 6, корпус управляющего блока - 7; выходную линию - 8.
Входная и выходная линии управляющего блока могут представлять собой сплошной магистральный проводник, без разрыва пропущенный сквозь корпус блока со встроенным датчиком тока (например, трансформатором тока, датчиком Холла и т.п.). В таком случае, питание элементов схемы блока осуществляется по отдельным проводникам.
Датчик тока может быть как внешним, так и внутренним. Кроме того, управляющий блок может содержать модуль беспроводной связи с внешними устройствами для управления и обмена информацией о текущих настройках, параметрах энергопотребления и стоимости потребленной электроэнергии.
Линии для подключения нагрузок, которые могут быть неприоритетными или приоритетными, организуются путем подключения указанных нагрузок к любой точке электросети через инверторный блок - 32 (на Фиг.6), например, посредством розеточного адаптера - 31, содержащего штепсельную вилку для питания инверторного блока и розетку, для подключения нагрузки. Количество линий определяется количеством инверторных блоков.
Инверторный блок (Фиг.2) содержит: входную линию - 16; зарядное устройство - 17; приемник команд дистанционного управления (на схеме представлен вариант радиоуправления) - 18; аккумулятор - 19; схему управления - 20; инвертор - 21; переключатель - 22; выходную линию - 23; корпус инверторного блока - 24.
Работа устройства
Напряжение сети с входной линии - 1 управляющего блока (Фиг.2) беспрепятственно поступает на выходную линию - 8, к которой подключается внутренняя электросеть со всеми потребителями.
Суммарный потребляемый ток нагрузок измеряется датчиком тока - 2, сигнал с которого постоянно поступает на пороговое устройство - 3 и сравнивается с порогом срабатывания, который устанавливается пользователем и составляет уставку устройства.
Если суммарный потребляемый нагрузками ток превысит ток уставки, то пороговое устройство - 3 выдаст сигнал на логический процессор - 4, который, в соответствии с заданным алгоритмом работы, выдаст сигнал на передатчик - 6, который передаст на инверторный блок команду дистанционного управления, соответствующую переключению питания нагрузки, с электросети на инвертор с аккумулятором. Команда будет принята приемником - 18, сигнал с которого поступит на схему управления - 20, запустит инвертор - 21, а быстродействующий переключатель - 22 подключит выходную линию - 23 к его выходу таким образом, чтобы фаза колебаний инвертора совпадала с фазой колебаний сети. На управляющем блоке включится светодиод - 5, сигнализирующий об активации соответствующего инверторного блока.
Аккумуляторная батарея будет поддерживать работу инвертора с нагрузкой в течение времени, которое зависит от мощности нагрузки, номинальной емкости батареи, и ее заряженности. Это время может быть больше или равно средней (статистической) длительности пикового превышения общей мощности.
Если сразу после этого общий ток снизится до величины уставки, то устройство, все равно останется в таком состоянии за счет временной задержки на обратное переключение.
Через заданное время логический процессор - 4, управляющего блока, через передатчик - 6, соответствующей командой дистанционного управления переключит нагрузку инверторного блока с питания от инвертора на питание от электросети.
Если при этом суммарный ток потребления окажется равен или ниже заданного, то нагрузка останется подключенной к сети. Светодиод - 5 - погаснет. Аккумулятор - 19 начнет подзаряжаться от зарядного устройства - 17, восстанавливая потраченную энергию.
Если же суммарный потребляемый нагрузками ток превысит заданное значение, то соответствующий сигнал с выхода порогового устройства - 3 снова поступит на логический процессор - 4, который выдаст управляющий сигнал на передатчик - 6, который, передаст дистанционную команду на инверторный блок на переключение подключенной к нему нагрузки с питания от электросети, на питание от инвертора.
На управляющем блоке включится светодиод - 5, сигнализирующий об активации инверторного блока и питании его нагрузки от инвертора с аккумулятором.
Если и после этого общий ток все еще будет превышать установленное значение, то логический процессор - 4, продолжит последовательное переключение нагрузок, соответствующими сигналами на передатчик - 6, который, передаст команду дистанционного управления на следующий инверторный блок на переключение его нагрузки с питания от сети, на питание от инвертора с аккумулятором.
И так далее, по числу каналов управления и инверторных блоков.
Через заданное пользователем время или по другому алгоритму, учитывающему, например, изменение тока или другие параметры, начнется обратное подключение нагрузок с непрерывным контролем общего потребляемого тока.
Если превышения общего тока не будет, то все потребители снова окажутся подключенными к питанию от электросети, а аккумуляторы инверторных блоков будут подзаряжаться своими зарядными устройствами.
Инверторный блок (Фиг.2) работает следующим образом.
В обычном режиме, питание его нагрузки осуществляется от электросети. Напряжение питания поступает на входную линию - 16 и через замкнутые контакты переключателя - 22 в выходную линию - 23 и нагрузку. Инвертор - 21 выключен. Напряжение сети поступает и на зарядное устройство - 17, осуществляющее заряд аккумулятора - 19.
В случае пиковой нагрузки на сеть, по дистанционной команде управляющего блока произойдет временный перевод нагрузки инверторного блока с питания от сети на питание от инвертора (перехват нагрузки).
Поскольку продолжительность пиковых перегрузок сети, обычно невелика и прогнозируема, а инвертор используется для питания только одной нагрузки с известной мощностью, то для питания инвертора не требуется аккумулятор с экстремально-большой емкостью, а следовательно, и габаритами.
Таким образом, инверторный блок, в зависимости от мощности подключаемой к нему нагрузки и соответствующей этому емкости аккумулятора, может быть выполнен в виде переносного устройства относительно небольших размеров.
В момент обратного переключения питания нагрузки с инвертора - 21 на входную линию - 16 и сеть (при уменьшении общего потребления), может обеспечиваться синфазность выходного напряжения. Тогда схема управления - 20 переключит переключатель - 22 в момент, когда фазы напряжений инвертора и электросети совпадут.
Процесс контроля совпадения фаз при переключении не является предметом настоящей полезной модели, поэтому подробно не рассматривается.
После подключения нагрузки к электросети схема управления - 20 отключит инвертор - 21. Зарядное устройство - 17 будет осуществлять заряд аккумулятора - 19.
Если во время питания нагрузки от инвертора - 21 заряд аккумуляторной батареи - 19 будет исчерпан, схема управления - 20 подаст команду на обратное переключение питания нагрузки с инвертора на сеть и выключение инвертора.
А при сохраняющемся превышении общего тока нагрузка может быть отключена и от сети (если она неприоритетная).
Вариант размещения и подключения блоков устройства.
На вводе в здание или помещение - 26 (Фиг.6), после вводного автомата, устанавливается управляющий блок - 27, выходная приоритетная линия которого соединена с внутренней электросетью - 28, к которой подключаются все нагрузки.
Таким образом, электросеть и все включенные непосредственно в нее нагрузки являются - приоритетными и не отключаются ни при каких условиях.
Линии для подключения дополнительных нагрузок организуются в любой точке электропроводки, путем подключения этих нагрузок через инверторный блок - 32, которых может быть несколько.
Перечень обозначений
1 - Входная линия;
2 - Датчик тока внутренняя электросеть с розетками;
3 - Пороговое устройство;
4 - Логический процессор;
5 - Индикаторные светодиоды;
6 - Передатчик команд дистанционного управления (вариант радиоуправления);
7 - Корпус управляющего блока;
8 - Выходная приоритетная линия;
9 - Входная линия;
10 - Приемник;
11 - Силовой модуль;
12 - Индикаторный светодиод;
13 - Силовой ключ;
14 - Корпус коммутирующего блока;
15 - Выходная неприоритетная линия;
16 - Входная линия;
17 - Зарядное устройство;
18 - Приемник команд дистанционного управления (вариант радиоуправления);
19 - Аккумулятор;
20 - Схема управления;
21 - Инвертор;
22 - Переключатель;
23 - Выходная линия;
24 - Корпус инверторного блока;
25 - Вход управления.
26 - Ввод в здание или помещение;
27 - Управляющий блок;
28 - Выходная приоритетная линия, соединенная с внутренней электросетью;
29 - Коммутирующий блок 1;
30 - Коммутирующий блок N;
31 - Розеточный адаптер инверторного блока;
32 - Инверторный блок;
33 - Внешнее реле неприоритетной нагрузки;
34 - Выходная неприоритетная линия;
35 - Выходная линия инверторного блока;
36 - Входная линия инверторного блока.