БЕСПРОВОДНОЕ УСТРОЙСТВО КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для управления электропитанием различных электроприборов (нагрузок) высокой мощности, в том числе для дистанционного включения/отключения электроприборов от сети питания, а также для включения/отключения электроприборов по различным программируемым сценариям.
Уровень техники
В настоящий момент становится актуальным использование беспроводных коммутаторов электрической энергии. Это обусловлено стремительным развитием технологий «интернет вещей», развитием мобильных приложений для управления электронными и электротехническими устройствами и т.п. Беспроводное устройство коммутации электрической нагрузки высокой мощности 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 изобретение 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 симистор просто выйдет из строя, что в конечном итоге снижает общую надежность устройства.
Из уровня техники известно устройство коммутации нагрузки для счетчиков электроэнергии (см. [8] 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 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.
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.
Указанные недостатки аналогов были устранены в беспроводном устройстве коммутации электрической нагрузки (см. [9] патент CN 2469590 Y, 02.01.2002) принятым в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) заявляемой полезной модели. Указанное устройство содержит модуль беспроводной связи, выполненный с возможностью формирования управляющего сигнала для контактного реле, при этом контактное реле выполнено с возможностью формирования управляющего сигнала для модуля силовой коммутации, блок электропитания.
Однако указанный в прототипе приемопередатчик позволяет по беспроводной связи принимать и передавать сигналы только на хост-сервер, обмениваться информацией с соседними устройствами коммутации он не позволяет. В результате устройствами коммутации, которые не находятся в зоне покрытия беспроводной сети хост-сервера (максимальный радиус зоны покрытия составляет 20 километров), невозможно будет управлять удаленно.
Сущность полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является создание надежного устройства коммутации электрической нагрузки сколько угодно большой мощности с возможностью беспроводного управления.
Техническим результатом предложенного устройства является увеличение площади охвата устройств коммутации, за счет возможности устройства коммутации обмениваться информацией с соседними устройствами коммутации.
Технический результат достигается тем, что устройство коммутации электрической нагрузки содержит, размещенные в одном корпусе, блок электропитания, контактное реле, соединенное с модулем беспроводной связи с
возможностью формирования управляющего сигнала для контактного реле, которое соединено с модулем силовой коммутации, отличающееся тем, что модуль беспроводной связи выполнен с опцией формирования MESH-сети.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Структурная схема коммутатора.
Фиг. 2 - Схема MESH-сети, образуемой беспроводными электрическим коммутаторами.
Осуществление полезной модели
Устройство коммутации электрической нагрузки высокой мощности содержит размещенные в одном корпусе и соединенные между собой: блок электропитания; контактное реле (1) с переключающимися контактами; модуль беспроводной связи (2) с опцией формирования MESH-сети и модуль силовой коммутации (3) (например, это может быть контактор, пускатель, силовое реле).
Модуль беспроводной связи выполнен с возможностью формирования управляющего сигнала для контактного реле и обладает функцией формирования MESH-сети, что обеспечивает возможность удаленного управления процессом коммутации (фиг. 1). Это главный отличительный признак патентуемого устройства.
Устройство работает следующим образом.
Модуль беспроводной связи с опцией формирования MESH-сети получает по беспроводной связи внешний входной сигнал о необходимости включения или отключения электрической нагрузки при наступлении определенного события или временного момента. Далее модуль беспроводной связи с опцией формирования MESH-сети формирует управляющий сигнал для замыкания или размыкания контактного реле. А контактное реле в свою очередь, являясь активатором или деактиватором модуля силовой коммутации, формирует управляющий сигнал для модуля силовой коммутации.
Устройство может работать по беспроводной сети, как в единичном экземпляре, так и по MESH-сети в связке с другими беспроводными устройствами за счет наличия опции формирования MESH-сети с другими беспроводными устройствами.
Примером описываемого устройства может служить следующий вариант исполнения. Wi-Fi-модуль с опцией построения MESH-сети управляет контактным реле, рассчитанным на коммутацию электрической нагрузки, сила тока которой не
превышает 10 А. При этом устройство может коммутировать электрическую нагрузку, сила тока которой доходит до 100 А за счет наличия в конструкции контактора, рассчитанного на коммутацию электрической нагрузки, сила тока которой составляет до 100 А. При таком исполнении патентуемое устройство может использоваться для промышленного назначения, а не только для бытового.
Удаленное управление устройством коммутации электрической нагрузки достигается путем интеграции в устройство MESH-модуля (например, но не ограничиваясь, на основе технологии Wi-Fi) для построения MESH-сети.
Наличие MESH-модуля в коммутаторе позволяет построить беспроводную сеть между такими же устройствами (фиг. 2), 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, что очень важно при работе на промышленных предприятиях, где очень большие производственные площади. 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.
Таким образом, используя технологию беспроводной связи с использованием MESH-сети, решена техническая задача предлагаемого устройства по созданию надежного устройства коммутации электрической нагрузки сколько угодно большой мощности с возможностью беспроводного управления.