УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам контроля и управления мощностью электрической сети, обеспечивающим сбережение электроэнергии, и может найти применение как на крупных производствах, так и в небольших компаниях. Заявленное устройство предназначено для компенсации мощности, кратковременной стабилизации напряжения, фильтрации помех в сети переменного тока 220В и 380В, возникающих при работе приборов, подключенных к сети.
Важным условием для стабильной работы является качество потребляемой электроэнергии и ее расход.
Качество потребляемой энергии является одним из ключевых показателей, определяющих энергоэффективность систем электропитания, и в значительной степень влияет на срок полезного использования всего электрооборудования. Отклонение параметров электропитания от номинальных значений может быть вызвано как качеством электроэнергии, обеспечиваемым поставщиком, так и характером электроустановок потребителей. В зависимости от типов нагрузки и качества поставляемой электроэнергии, пользователи сталкиваются с рядом проблем. К таким проблемам можно отнести следующие:
- неравномерная загрузка фаз,
- гармонические искажения,
- низкий коэффициент мощности.
При управлении процессорами в трехфазных системах сложно добиться равномерной загрузки всех фаз, поэтому зачастую одна или две фазы оказываются нагруженной больше остальных. Например, данная ситуация возникает при подключении большого количества однофазных устройств на одну из фаз трехфазной системы, вызывая повышенную загрузку данной фазы относительно остальных. Для трехфазных нагрузок технические средства с электроприводом (компрессора, насосы и др.) причиной перекоса может быть обусловлена дефектами в обмотках электродвигателей. Следствием чего будет являться снижение общего К.П.Д. системы. Кроме того, для системы с электроприводом это обуславливает превращение кругового вращающегося поля в эллиптический, что приводит к нагреву двигателей, повышению токов за счет возникновения режима электромагнитного тормоза. Таким образом, потребитель электроэнергии столкнется с ремонтом оборудования, выходящего из строя из-за низкого качества электроэнергии.
При гарантированном качестве потребляемой электроэнергии и отсутствии искажений, последние могут возникать в процессе потребления энергии и быть обусловлены характером нагрузки - импульсные источники питания электронных устройств, двигатели переменного тока, люминесцентные лампы и т.д. нелинейные электрические нагрузки создают искажения в питающей сети. Суммарный эффект этих нагрузок выражается в искажении напряжения, которое воздействует на другое оборудование, получающее электропитание от того же источника. Это как правило вызывает перегрев и рассинхронизацию в других устройствах, сбои в коммуникациях и сетях передачи данных, как следствие – повреждение аппаратуры. Гармонические искажения могут являться причиной снижения К.П.Д. системы.
Наличие гармоник снижает коэффициент мощности, что обусловлено повышением доли реактивной энергии.
Основными негативными эффектами, вызываемыми высшими гармониками напряжения и тока являются:
- искажение формы питающего напряжения,
- падение напряжения в распределительной сети,
- эффект гармоник, кратных трем в трехфазных сетях,
- резонансные явления на частотах высших гармоник,
- наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях,
- повышение акустических шумов в электромагнитном оборудовании,
- вибрации в электромагнитных системах,
- нагрев и дополнительные потери в трансформаторах и электрических машинах,
- нагрев конденсаторов,
- нагрев кабелей распределительной сети.
Наличие в системе нагрузок с реактивным характером (вентиляция, кондиционеры, отопительные устройства, насосы, моторы и др.) приводит к увеличению реактивной мощности, и, как следствие, к снижению коэффициента мощности, так как реактивная мощность нагрузкой не потребляется (происходит обмен энергией между источником и потребителем), происходит снижение эффективности системы.
Мощность пропорциональна квадрату тока, при этом полезная работа и передача энергии в нагрузку осуществляется за счет активной мощности. Наличие реактивной составляющей приводит к увеличению тока нагрузки и снижению К.П.Д. системы, перегреву обмоток электродвигателей, насыщению сердечников трансформаторов и прочим негативным последствиям.
Пусковые токи и кратковременные падения напряжения, переходные процессы, вызывающие кратковременные превышения токов своих номинальных значений, могут быть обусловлены внешними и/или внутренними причинами. Как правило, на практике до 80% изменений напряжения в результате переходных процессов обусловлены переключениями на нагрузке (включение/выключение двигателей, систем кондиционирования, дроссели ламп и др.).
Данные проблемы могут вызвать следующие негативные последствия: преждевременный выход оборудования из строя, потеря данных и перезагрузка системы, выход из строя контроллеров с программируемой логикой, потери в результате простоя, частое перегорание ламп освещения и стартеров люминесцентных ламп, вынужденная замена обмоток двигателей вследствие пробоя изоляции, отказ источников бесперебойного питания.
Перечисленные выше факты не включают весь спектр негативных явлений, но являются при этом основными для решения вопросов, связанных со снижением потерь электроэнергии в электроустановках потребителей. Единственно возможный способ экономии электроэнергии заключается в снижении потерь и компенсации факторов, снижающих К.П.Д. систем электропотребления.
Попытки устранения указанных проблем были предприняты ранее в уровне техники, например в документе RU 174881 U1, опубликованном 09.11.2017 (данный источник был взят в качестве наиболее близкого аналога).
Однако, данное устройство в процессе эксплуатации показало свою недостаточную эффективности как при сбережении электроэнергии, так и при устранении остальных, указанных выше проблем.
Таким образом, задачей заявленной полезной модели является устранение недостатков известного уровня техники.
Заявленная полезная модель направлена на повышение эффективной работы устройства контроля и управления мощностью электрической сети.
Данный результат полностью достигается совокупностью признаков независимого пункта формулы заявленной полезной модели.
Устройство контроля и управления мощностью электрической сети представляет собой корпус, внутри которого установлены и закреплены электронный компенсатор с дисплеем и автоматические выключатели. Электронный компенсатор представляет собой соединенных регулятора мощности, блок измерения тока, активный PFC, пассивный фильтр, блок управления процессами и передающий блок.
Устройство дополнительно содержит конденсаторную батарею, которая подключена через контакторы.
Передающий блок осуществляет передачу данных при помощи технологии 4G.
Устройство дополнительно содержит анализатор качества электроэнергии.
Устройство дополнительно содержит аварийный блок питания.
Устройство дополнительно содержит блок пожаротушения.
Заявленное устройство контроля и управления мощностью электрической сети содержит корпус с лицевой панелью, на которой расположены светодиоды, индуцирующие работу устройства. Внутри корпуса расположены и зафиксированы электронный компенсатор и автоматический выключатель.
Внутри электронного компенсатора расположена печатная плата из фольгированного стеклопластика, на которой расположены при помощи пайки элементы схемы (блоки):
регулятор мощности,
блок измерения тока,
активный PFC,
пассивный фильтр,
блок управления процессами и
передающий блок.
PFC - Power Factor Correction (коррекция коэффициента мощности), это процесс приведения потребления конечного устройства, обладающего низким коэффициентом мощности при питании от силовой сети переменного тока, к состоянию, при котором коэффициент мощности соответствует принятым стандартам.
Технически реализуется в виде той или иной дополнительной схемы на входе устройства.
Данная процедура, необходимая для равномерного использования мощности фазы и исключения перегрузки нейтрального провода трехфазной сети, обязательна для импульсных источников питания мощностью в 100 и более ватт. Компенсация обеспечивает отсутствие всплесков тока потребления на вершине синусоиды питающего напряжения и равномерную нагрузку на силовую линию.
Блок измерения тока, блок управления процессами, активный PFC, и пассивный фильтр служат для выравнивания синусоиды тока и напряжения и приводят их в соответствующие параметры сети.
Регулятор мощности и блок управления процессами уменьшают неравномерность загрузки фаз, а также увеличивают коэффициент мощности.
Активный PFC и пассивный фильтр служат для снижения гармонических колебаний по току и напряжению.
Передающий блок предназначен для передачи данных с устройства на компьютер процесса и итогов работы устройства.
Все блоки в электронного компенсатора могут быть настроены последовательно или параллельно.
Выполнение заявленного устройства приведенным образом обеспечивает устранение всех недостатков известного уровня техники и возникающих ранее и приведенных выше проблем.
Использование заявленного устройства предназначено для устранения таких проблем, как преждевременный выход оборудования из строя, потеря данных и перезагрузка системы, выход из строя контроллеров с программируемой логикой, частое перегарное ламп освещения и стартеров люминесцентных ламп, вынужденная замена обмоток двигателей в следствии пробоя изоляции, отказ источников бесперебойного питания, которые обычно вызываются пусковыми токами, кратковременное падение напряжений при переходных процессах.
Дополнительно в электронном компенсаторе могут быть установлены одна или несколько косинусных конденсаторных батарей, которые подключены через контакторы.
Заявленное устройство устанавливается после узлов учета электросетевой компании и не требует внесения изменений в проектную документацию и дополнительных согласований. Заявленное устройство не дает дополнительную нагрузку на сеть, оптимизирует напряжение в сети, что в свою очередь, продлевает «жизнь» электроприборов. Заявленное устройство также производит балансировку фаз, фильтрацию гармоник и увеличивает коэффициент мощности.
Все указанные выше преимущества заявленного устройства обеспечивают повышение эффективной работы устройства контроля и управления мощностью электрической сети.
Заявленная полезная модель является новой, поскольку совокупность ее существенных признаков не известна из уровня техники, и, соответственно, отвечает условию патентоспособности "новизна".
Заявленная полезная модель отвечает условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку она может использоваться в промышленности.
Хотя настоящая полезная модель была раскрыта со ссылкой на предпочтительные варианты ее осуществления, это не предназначено для ограничения настоящей полезной модели, специалисты с общими знаниями в данной области техники настоящей полезной модели могут модифицировать и осуществить ее, не отступая от идеи и объема полезной модели, следовательно, объем охраны настоящей полезной модели должен регулироваться объемом, заданным в формуле полезной модели.