RU2790953C1

RU2790953C1 - Устройство ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности

Info

Publication number: RU2790953C1
Application number: RU2022105008A
Authority: RU
Inventors: Иван Максимович Казымов; Борис Сергеевич Компанеец
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2023-02-28

Abstract

Устройство ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности предназначено для использования в электротехнике. Устройство содержит силовой ключ, датчики тока и напряжения, причем датчик тока выполнен в виде трансформатора тока и резистора, а датчик напряжения выполнен в виде резистивного делителя напряжения, монокристальный микроконтроллер, являющийся центральным вычислительным устройством, связанный с блоком питания, блоком связи, устройством обработки сигналов тока и напряжения и устройством управления. В качестве блока питания использовано электронное устройство, представляющее собой источник питания для элементов устройства. В качестве блока связи использовано электронное устройство, с помощью которого реализуется обеспечение беспроводной связи с монокристальным микроконтроллером. В качестве устройства обработки сигналов тока и напряжения использовано электронное устройство, преобразующее двухполярные синусоидальные аналоговые сигналы измеряемых сигналов тока и напряжения с датчиков тока и напряжения в цифровой сигнал, отражающий их величину в текущий момент времени. В качестве устройства управления использовано электронное устройство, непосредственно управляющее состоянием силового ключа. На устройство управления управляющий сигнал подается от монокристального микроконтроллера. Силовой ключ коммутирует нагрузку таким образом, чтобы обеспечить требуемую величину действующего значения напряжения на нагрузке для поддержания потребляемой мощности в заданных пределах. Устройство способно работать как в однофазных, так и в трехфазных сетях. Технический результат - устройство способно в автоматическом режиме ограничивать потребляемую нагрузкой мощность без ее полного отключения от сети на произвольный период времени за счет снижения уровня действующего напряжения на нагрузке в условиях, когда действующее значение напряжения на нагрузке сохраняется в рамках допустимых пределов отклонения напряжения (±10% от номинального значения), с восстановлением полного напряжения на нагрузке при снижении подключенной мощности ниже максимально допустимого уровня. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам ограничения потребления нагрузкой электрической мощности сверх разрешенной максимально допустимой мощности (установленного лимита), с полным отключением нагрузки и без такового, способных работать в автоматическом режиме для контроля величины потребляемой электрической мощности из сети отдельными потребителями.

Известно устройство ограничения мощности потребляемой электроэнергии, содержащее датчик потребляемой мощности и блок определителя перегрузки, отличающееся тем, что дополнительно введены ждущий мультивибратор, блок формирователя отключения, первый триггер, блок повторного включения и силовой коммутатор, причем вход датчика потребляемой мощности выполнен с возможностью соединения с электрической сетью. Первый выход датчика потребляемой мощности соединен с входом блока определителя перегрузки, первый выход блока определителя перегрузки посредством ждущего мультивибратора соединен с первым входом блока формирователя отключения, второй выход блока определителя перегрузки соединен со вторым входом блока формирователя отключения, выход блока формирователя отключения соединен с первым входом первого триггера, при этом сигнал с первого триггера отключает силовой коммутатор, на второй вход которого поступает сетевое напряжение, выход которого выполнен с возможностью подключения к потребителю, при этом сигнал с первого триггера поступает на блок повторного включения, на котором задана временная задержка повторного включения силового коммутатора. Использование устройства позволяет обеспечить контроль разрешенной потребляемой мощности при обеспечении возможности отключения потребителя при превышении лимита потребления (патент RU 2141, МПК Н02Н 3/093 (1995.01), Н02Н 9/02 (1995.01)).

Недостатки данного устройства состоят в отсутствии возможности ограничивать потребляемую нагрузкой мощность без полного отключения нагрузки ввиду того, что конструктивно устройство выполнено для полного отключения нагрузки от сети при превышении разрешенной мощности, а также в том, что у данного устройства отсутствует возможность удаленной настройки и программирования ввиду того, что задание разрешенной мощности производится вручную при непосредственном взаимодействии с устройством.

Известно устройство ограничения мощности, потребляемой нагрузкой из питающей сети, содержащее блок питания и блок ограничения мощности, отличающееся тем, что блок питания выполнен в виде блока питания элементов устройства и формирования опорного напряжения и составлен из ограничителя мощности на конденсаторе, подключенном через предохранитель к первому из вводов питающей сети и между двумя последовательно соединенными диодами, анод первого из которых соединен со вторым вводом питающей сети, а катод второго диода соединен с двухступенчатым стабилизатором опорного напряжения, конструктивное выполнение которого определено соотношением максимального превышения напряжения питающей сети ΔU1 над его номинальным значением и максимального отклонения ΔU2 опорного напряжения от его среднего значения, выбранных в пределах 1≤(ΔU1+γΔU2)/ΔU1≤1,001, где γ - экспериментальный коэффициент, выбранный в зависимости от диапазона напряжений устойчивой стабилизации в пределах 0,1≤γ≤1, а блок ограничения мощности выполнен в виде блока сравнения сетевого напряжения с заданным, блока сравнения токов, блока задержки срабатывания защиты по току, блока управления исполнительным органом, являющимся силовым ключом, блок сравнения токов содержит узел сравнения регулируемого опорного напряжения с падением напряжения на токоизмерительном резисторе, включенном последовательно с нагрузкой, и непосредственно подключен к первому входу блока управления исполнительным органом и через блок задержки срабатывания защиты по току подключен ко второму входу блока управления исполнительным органом, при этом блок задержки срабатывания защиты по току выполнен в виде двух узлов задержки, из которых конструктивное выполнение первого узла задержки определено соотношением минимального t1 и максимального t2 интервалов времени задержки срабатывания защиты по току, выбранных в пределах 1,0001≤(t1+αt2)/t2≤1,5, где α - экспериментальный коэффициент, выбранный в зависимости от особенностей переходных процессов при подключении заданных типов нагрузок к питающей сети в пределах 0,4≤α≤1,6, а конструктивное выполнение второго узла задержки определено соотношением интервала t3 времени задержки включения и t2, выбранных в пределах 5≤(t2+βt3)/t3≤100, где β - экспериментальный коэффициент, определенный теплорассеивающими свойствами исполнительного органа, токоизмерительного резистора в пределах 0,4≤β≤1,7. Таким образом контроль и ограничение мощности потребления осуществляется в устройстве за счет контроля уровня питающего напряжения сети и тока потребления в нагрузке и отключения нагрузки от сети в случае превышения заданного значения мощности потребления. При повышении напряжения в питающей сети выше заданного (установленного) значения происходит отключение нагрузки от сети (патент RU 2157037, МПК Н02Н 3/08 (2000.01), Н02Н 3/20 (2000.01)).

Недостатками описанного устройства являются отсутствие возможности ограничивать потребляемую нагрузкой мощность без ее полного отключения и ограниченная применяемость, так как отсутствует возможность плавного регулирования задаваемого значения порога мощности потребления.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство лимитирования потребляемой мощности, отличающееся тем, что состоит из управляющего блока, содержащего: входную линию, выходную линию, датчик тока, расположенный на электрическом вводе в здание или помещение, пороговое устройство, логический процессор, передатчик команд дистанционного управления, индикаторные светодиоды и одного или нескольких инверторных блоков, расположенных в точках подключения конечных нагрузок к внутренней электросети, каждый из которых содержит: входную линию, переключатель нагрузки, аккумулятор, зарядное устройство, инвертор, схему управления, приемник команд дистанционного управления, при этом взаимодействие управляющего блока с инверторными блоками осуществляется с помощью команд дистанционного управления. Устройство обеспечивает возможность подключения оборудования, превышающего лимит установленной мощности без модернизации электрической сети, а также возможность ограничения общего потребляемого нагрузками тока как с полным отключением нагрузки, так и с переводом части нагрузок на питание от инвертора с аккумулятором, разгружая электросеть (патент RU 2505900, МПК Н02Н 3/08 (2006.01), H02J 3/14 (2006.01).

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности ограничивать потребляемую нагрузкой мощность без ее полного отключения от сети без использования сторонних источников питания, так как в прототипе конструктивно предусмотрено полное отключение нагрузки или перевод ее на сторонний источник питания (инвертор с аккумулятором), что подразумевает полное отключение нагрузки или необходимость использовать дополнительные сторонние источники питания (инвертор с аккумулятором) для осуществления заявленных функций, что не обеспечивает возможность ограничения потребляемой нагрузкой мощности без ее полного отключения на произвольный период времени по причине конечного запаса энергии в предлагаемых к использованию сторонних источниках питания. Также данное устройство в режиме ограничения потребляемой мощности без полного отключения нагрузки фактически не ограничивает потребляемую нагрузкой мощность, а переводит часть нагрузки на питание от стороннего источника питания.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании устройства ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности с возможностью работать как в однофазных, так и в трехфазных сетях переменного тока, способного измерять величину электрического напряжения в точке его установки и величину протекающего через устройство электрического тока с дальнейшим определением фактически потребляемой нагрузкой электрической мощности, расчетом необходимого управляющего воздействия и выполнением ограничения потребления мощности нагрузкой до заданного уровня без ее полного отключения, а также способного работать в автоматическом режиме для контроля объема потребления электрической энергии из сети отдельным потребителем.

Решение данной технической проблемы достигается тем, что устройство ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности с возможностью работать как в однофазных, так и в трехфазных сетях переменного тока, содержащее датчики тока и напряжения, монокристальный микроконтроллер, силовой ключ, отличается тем, что позволяет ограничивать потребляемую нагрузкой мощность без ее полного отключения на произвольный период времени за счет снижения действующего значения напряжения на нагрузке в пределах задаваемого периода времени - периода регулирования с использованием силового ключа, представленного симистором, при этом устройство снабжено устройством обработки сигналов тока и напряжения, в качестве которого использовано электронное устройство, преобразующее двухполярные синусоидальные аналоговые сигналы измеряемых сигналов тока и напряжения с датчиков тока и напряжения в цифровой сигнал, отражающий их величину в текущий момент времени, подключенное к монокристальному микроконтроллеру, являющемуся центральным вычислительным устройством, к которому дополнительно подключены блок питания, представляющий собой источник питания для элементов устройства, блок связи, представляющий собой электронное устройство, при помощи которого реализуется обеспечение беспроводной связи с монокристальным микроконтроллером, являющимся центральным вычислительным устройством, а также устройство управления, непосредственно управляющее состоянием силового ключа, причем силовой ключ коммутирует нагрузку таким образом, чтобы обеспечить требуемую величину действующего значения напряжения на нагрузке для поддержания потребляемой мощности в заданных пределах.

Ограничение потребляемой нагрузкой электрической мощности без ее полного отключения обусловлено созданием возможности для снижения величины действующего напряжения на нагрузке за счет выполнения коммутации силового ключа особым образом в пределах задаваемого периода времени - периода регулирования. Причем период регулирования может быть выбран произвольным, но не ниже длительности одного периода сетевого напряжения.

Обеспечение возможности работы устройства в автоматическом режиме для контроля объема потребления электрической энергии из сети отдельными потребителями обусловлено наличием в составе устройства монокристального микроконтроллера, являющегося центральным вычислительным устройством, который обеспечивает расчет фактически потребляемой нагрузкой мощности, и, при необходимости, определение величины необходимого воздействия на величину действующего напряжения на нагрузке, а также выработку управляющего сигнала.

Удаленное управление устройством обусловлено введением в состав устройства узла связи для обеспечения беспроводной связи, реализующей возможность удаленного управления устройством.

Обеспечение возможности работы устройства как в однофазных, так и в трехфазных сетях обусловлено тем, что прибор выполнен на основе монокристального микроконтроллера, являющегося центральным вычислительным устройством, и может быть запрограммирован, в том числе удаленно, на работу как в однофазных, так и в трехфазных сетях. Различными в этом случае будут число обрабатываемых датчиков тока и напряжения, а также устройств управления и силовых ключей: для трехфазных сетей требуется обрабатывать сигналы с трех датчиков тока, трех датчиков напряжения и осуществлять управление тремя силовыми ключами при помощи трех устройств управления, а для однофазных сетей требуется обрабатывать сигналы с одного датчика тока, одного датчика напряжения и осуществлять управления одним силовым ключом при помощи одного устройства управления.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена его функциональная схема (фиг. 1), принципиальная схема части устройства, имеющей непосредственное значение для понимания принципа его работы на примере однофазного подключения устройства (фиг. 2), а также графики подаваемого на нагрузку напряжения по двум принципам регулирования значений действующего напряжения на нагрузке (фиг. 3 и фиг. 4).

Устройство ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности содержит ряд встроенных датчиков и узлов, а именно датчик(и) 1 тока, которые выполняются в виде трансформатора тока и резистора, датчик(и) 2 напряжения, которые выполняются в виде резистивного делителя напряжения, устройство 3 обработки сигналов тока и напряжения, в качестве которого использовано электронное устройство, преобразующее двухполярные синусоидальные аналоговые сигналы измеряемых сигналов тока и напряжения с датчиков тока и напряжения в цифровой сигнал, отражающий их величину в текущий момент времени, монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством, блок 5 питания, представляющий собой источник питания для элементов устройства, блок 6 связи, представляющий собой электронное устройство, при помощи которого реализуется обеспечение беспроводной связи с монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, а также устройство 7 управления, непосредственно управляющее состоянием силового ключа 8, причем силовой ключ 8 коммутирует нагрузку таким образом, чтобы обеспечить требуемую величину действующего значения напряжения на нагрузке для поддержания потребляемой мощности в заданных пределах.

Датчик(и) 1 тока и датчик(и) 2 напряжения подключены к устройству 3 обработки сигналов тока и напряжения. Устройство 3 обработки сигналов тока и напряжения, блок 5 питания, блок 6 связи и устройство 7 управления подключены к монокристальному микроконтроллеру 4, являющемуся центральным вычислительным устройством. Устройство 7 управления связано с силовым ключом 8.

Датчик 1 тока содержит трансформатор тока 9 (ТА1), резистор 10 (R1), клемму 11. Трансформатор тока 9 (ТА1) может иметь произвольный коэффициент трансформации. Рекомендуемым коэффициентом трансформации по току является 1:1000.

Внутри датчика 1 тока вторичная обмотка трансформатора тока 9 (ТА1) одним выводом соединена одновременно с первым выводом резистора 10 (R1) и клеммой 11, а вторым выводом соединена со вторым выводом резистора 10 (R1).

С внешней стороны датчик 1 тока связан с клеммой 12 (N) через второй вывод вторичной обмотки трансформатора тока 9 (ТА1) и второй вывод резистора 10 (R1), связан с устройством 3 обработки сигналов тока и напряжения через клемму 11, а также одним выводом первичной обмотки трансформатора тока 9 (ТА1) связан с клеммой 13 (L), а вторым выводом первичной обмотки трансформатора тока 9 (ТА1) связан с клеммой 14

Входным сигналом датчика 1 тока является ток, потребляемый нагрузкой, проходящий через первичную обмотку трансформатор тока 9 (ТА1). Выходным сигналом датчика 1 тока является синусоидальный аналоговый двухполярный сигнал напряжения, снимаемый с клемм 11 и 12 (N).

Датчик 2 напряжения выполнен в виде резистивного делителя напряжения и содержит резистор 15 (R3), резистор 16 (R4) и клемму 17. Датчик 2 напряжения имеет коэффициент деления по напряжению 1:1000.

Внутри датчика 2 напряжения первый вывод резистора 15 (R3) соединен одновременно с первым выводом резистора 16 (R4) и клеммой 17.

С внешней стороны датчик 2 напряжения связан с клеммой 13 (L) через второй вывод резистора 15 (R3) и с клеммой 12 (N), через второй вывод резистора 16 (R4), а также датчик 2 напряжения связан с устройством 3 обработки сигналов тока и напряжения через клемму 17.

Входным сигналом датчика 2 напряжения является сетевое напряжение между клеммами 13 (L) и 12 (N). Выходным сигналом датчика 2 напряжения является синусоидальный аналоговый двухполярный сигнал напряжения, снимаемый с клемм 17 и 12 (N).

В качестве устройства 3 обработки сигналов тока и напряжения использовано электронное устройство, преобразующее двухполярные синусоидальные аналоговые сигналы измеряемых сигналов тока и напряжения с датчика(ов) 1 тока и датчика(ов) 2 напряжения в цифровой сигнал, отражающий их величину в текущий момент времени. На схеме (фиг. 2) устройство 3 обработки сигналов тока и напряжения не показано.

С внешней стороны устройство 3 обработки сигналов тока и напряжения связано с монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, с блоком 5 питания, с клеммой 12 (N), а также с датчиком 1 тока через клемму 11 и с датчиком 2 напряжения через клемму 17.

Монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством, предназначен для управления всеми подключенными к нему узлами и устройствами, выполнения всех необходимых вычислений и выдачи управляющего сигнала на устройство 7 управления силовым ключом 8. На схеме (фиг. 2) монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством, не показан.

С внешней стороны монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством, связан с устройством 7 управления через клемму 18, а также с устройством 3 обработки сигналов тока и напряжения, блоком 5 питания, блоком 6 связи.

Блок 5 питания представляет собой высокостабильный по напряжению источник питания постоянного тока для элементов устройства ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности. Первичное напряжение для работы блока 5 питания снимается с клемм 13 (L) и 12 (N). На схеме (фиг. 2) блок 5 питания не показан.

С внешней стороны блок 5 питания связан с клеммой 13 (L) и 12 (N), с монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, а также с устройством 7 управления через клемму 19, соединенную с отрицательным полюсом выходного напряжения блока 5 питания.

Блок 6 связи представляет собой электронное устройство, с помощью которого реализуется обеспечение беспроводной связи с монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, посредством различных протоколов, например, GSM, GPRS, Wi-Fi, Bluetooth и так далее. На схеме (фиг. 2) блок 6 связи не показан.

С внешней стороны блок 6 связи связан с монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, а также с блоком 5 питания.

Устройство 7 управления представляет собой электронное устройство, содержащее клеммы 18 и 19, оптопару симисторную 20 (U1), резистор 21 (R5), резистор 22 (R2), резистор 23 (R6). Причем управляющий сигнал в виде постоянного напряжения подается на клеммы 18, 19, где клемма 18 является выходом монокристального микроконтроллера 4, являющегося центральным вычислительным устройством, связанным в режиме выдачи управляющего сигнала с положительным полюсом выходного напряжения блока 5 питания, а в режиме отсутствия управляющего сигнала с отрицательным полюсом выходного напряжения блока 5 питания, при этом клемма 19 постоянно связана с отрицательным полюсом выходного напряжения блока 5 питания.

Внутри устройства 7 управления оптопара симисторная 20 (U1) соединена с клеммой 18, с первым выводом резистора 21 (R5), с первым выводом резистора 22 (R2), с первым выводом резистора 23 (R6). Второй вывод резистора 21 (R5) соединен с клеммой 19.

С внешней стороны устройство 7 управления связано с монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, через клемму 18, с блоком 5 питания через клемму 19, с клеммой 14 через второй вывод резистора 22 (R2), с клеммой 24 через первый вывод резистора 23 (R6), с клеммой 25 через второй вывод резистора 23 (R6).

Силовой ключ 8 представлен симистором 26 (VS1).

С внешней стороны силовой ключ 8 соединен с клеммой 14 через первый катод симистора 26 (VS1), с клеммой 25 через второй катод симистора 26 (VS1) и с клеммой 24 через управляющий электрод симистора 26 (VS1).

Через клеммы 14, 24 и 25 силовой ключ 8 соединен с устройством 7 управления таким образом, чтобы в режиме выдачи управляющего сигнала монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, обеспечивалось открытое (включенное) состояние симистора 26 (VS1), а в режиме отсутствия управляющего сигнала от монокристального микроконтроллера 4, являющегося центральным вычислительным устройством, обеспечивалось закрытое (отключенное) состояние симистора 26 (VS1). При этом через клемму 25 силовой ключ 8 соединен с нагрузкой 27, напряжение на которую подается при открытом (включенном) состоянии симистора 26 (VS1) и не подается при закрытом (отключенном) состоянии симистора 27 (VS1).

Устройство ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности работает следующим образом: фазный проводник питающей сети подключается к клемме 13 (L), а нулевой проводник подключается к клемме 12 (N), нагрузка 27 присоединяется к клемме 25 и клемме 12 (N). Датчик(и) 1 тока, установленный(ые) как показано на фиг. 2 таким образом, чтобы весь ток, потребляемый нагрузкой, проходил через трансформатор тока 9 (ТА1), преобразует(ют) ток промышленной частоты и изменяющейся во времени величины, протекающий через нагрузку, в ток промышленной частоты, уменьшенный на величину коэффициента трансформации применяемого трансформатора тока 9 (ТА1), который преобразуется в двухполярный синусоидальный сигнал напряжения промышленной частоты, гальванически связанный с первичной цепью линии электропередачи, выделяемый на резисторе 10 (R1) и снимаемый с клемм 11 и 12 (N). Датчик(и) 2 напряжения, установленный(ые) как показано на фиг. 2 таким образом, чтобы преобразовывать сетевое напряжение промышленной частоты и изменяющейся во времени величины, подаваемое на клеммы 13 (L) и 12 (N) в двухполярный сигнал напряжения промышленной частоты, уменьшенный в 1000 раз от величины сетевого напряжения, гальванически связанный с первичной цепью линии электропередачи, выделяемый на резисторе 16 (R4) и снимаемый с клемм 17 и 12 (N). Устройство 3 обработки сигналов тока и напряжения преобразует полученные двухполярные синусоидальные аналоговые сигналы напряжения измеряемых сигналов тока и напряжения с датчика(ов) 1 тока и датчика(ов) 2 напряжения в цифровой сигнал, отражающий их величину в текущий момент времени и передает их значения на монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством. Блок 5 питания, представляющий собой источник питания постоянного тока, преобразует напряжение в первичной сети контролируемой линии в высокостабильное напряжение постоянного тока на выходе для питания элементов устройства ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности. Блок 6 связи реализует каналы беспроводной связи с монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством. Блок 6 связи принимает команды внешнего дистанционного управления и передает их на монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством, а также передает данные с монокристального микроконтроллера 4, являющегося центральным вычислительным устройством на устройство внешнего дистанционного управления (не рассматривается). Также монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством, принимает сигналы с устройства 3 обработки сигналов тока и напряжения, и записывает во внутреннюю память мгновенные значения тока и напряжения в сети (пофазно в случае использования устройства в трехфазных сетях). Кроме того, монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством, производит математические вычисления для определения фактически потребляемой нагрузкой мощности Р_факт по формуле 1:

где U_i - мгновенное значение напряжения в точке выборки i (В);

I_i - мгновенное значение тока в точке выборки i (А);

N - число точек выборки (число дискретных измерений внутри одного периода измеряемого сигнала) - задается при настройке устройства и определяется как отношение частоты проводимых измерений к частоте измеряемого сигнала напряжения в сети

Причем определение фактически потребляемой нагрузкой мощности Р_факт производится за каждый полный период измеряемого двухполярного синусоидального аналогового сигнала напряжения промышленной частоты и сравнивается полученного значения с заданным значением максимальной допустимой мощности. В случае, если фактически потребляемая мощность Р_факт за полный период измеряемого сигнала напряжения не превышает заданную величину максимально допустимой мощности Р_макс, монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством, выдает непрерывный сигнал на устройство 7 управления, которое, в свою очередь, обеспечивает открытое (включенное) состояние силового ключа 8 и подачу полного сетевого напряжения на подключенную нагрузку 27. В случае, если фактически потребляемая нагрузкой мощность Р_факт за полный период измеряемого сигнала напряжения превышает заданную величину максимально допустимой мощности Р_макс в течение некоторого времени, превышающего заданную величину выдержки времени, монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством, выдает прерывистый сигнал на устройство 7 управления, которое, в свою очередь, обеспечивает требуемое соотношение продолжительности нахождения силового ключа 8 в открытом (включенном) и закрытом (отключенном) состоянии для обеспечения поддержания потребляемой нагрузкой 27 мощности Р_факт не выше величины максимально допустимой мощности Р_макс путем снижения действующего напряжения на нагрузке 27. Принцип выдачи управляющего сигнала монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством зависит от заданного периода регулирования. Период регулирования - выбранная произвольно и заданная величина промежутка времени Т_рег, кратного целому числу периодов измеряемого сигнала напряжения, для которого монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, рассчитывается требуемое соотношение продолжительности нахождения силового ключа 8 в открытом (включенном) и закрытом (отключенном) состоянии. Причем для длительности выбранного периода регулирования Т_рег, составляющей менее 10 периодов измеряемого сигнала напряжения (Т_рег<0,2 секунды) регулирование соотношения продолжительности нахождения силового ключа 8 в открытом (включенном) и закрытом (отключенном) состоянии производится по следующему принципу: монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, определяется требуемое значение длительности t_з закрытого (отключенного) состояния силового ключа 8 внутри одного полупериода изменения сетевого напряжения по формуле 2:

где ƒ_изм - частота проводимых измерений (Гц);

n - параметр, определяемый из уравнения 3:

где n - число измерений внутри одного полупериода измеряемого сигнала напряжения, для которого справедливо уравнение 3, причем

Р_макс - максимально допустимая мощность, задаваемая при настройке (Вт);

Р_факт - фактически потребляемая нагрузкой мощность (Вт);

U_i - мгновенное значение напряжения в точке выборки i (текущий полупериод) (В);

U_k - мгновенное значение напряжения в точке выборки k (предыдущий полупериод) (В);

N - число точек выборки (см. формулу 1).

Затем, в соответствии с рассчитанным значением длительности t_з закрытого (отключенного) состояния силового ключа 8, монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, производится снятие управляющего сигнала с устройства 7 управления при переходе величины сетевого напряжения через нулевое значение, чем обеспечивается перевод силового ключа 8 в закрытое (отключенное состояние) и подача управляющего сигнала на устройство 7 управления по прошествии рассчитанного интервала времени длительности t_з закрытого (отключенного) состояния силового ключа 8, чем обеспечивается перевод силового ключа 8 в открытое (включенное состояние) до окончания полупериода сетевого напряжения. Таким образом обеспечивается требуемое снижение величины действующего напряжения на нагрузке 27 на одинаковую величину внутри каждого из полупериодов сетевого напряжения. В данном случае происходит ограничение потребляемой нагрузкой электрической мощности Р_факт до уровня максимально допустимой мощности Р_макс без ее полного отключения (график подаваемого на нагрузку 27 напряжения приводится на фиг. 3). Для длительности выбранного периода регулирования Т_рег, составляющего десять и более периодов измеряемого сигнала напряжения (Т_рег≥ 0,2 секунды) регулирование соотношения продолжительности нахождения силового ключа 8 в открытом (включенном) и закрытом (отключенном) состоянии производится по следующему принципу: монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, определяется требуемое число η_откл полупериодов сетевого напряжения внутри интервала времени, равного выбранному периоду регулирования, в которых силовой ключ 8 должен находиться в закрытом (отключенном) состоянии по формуле 4:

где Т_рег - длительность выбранного периода регулирования (с);

ƒ_с - частота измеряемого сигнала напряжения в сети (Гц);

Р_макс - максимально допустимая мощность (Вт);

Причем полученное по формуле 4 значение n_откл округляется до целого числа в большую сторону. Затем монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, определяется требуемое число n_вкл идущих подряд полных периодов сетевого напряжения, в течение которых силовой ключ 8 должен находиться в открытом (включенном) состоянии после периода сетевого напряжения, внутри которого в течение одного полупериода силовой ключ 8 находился в закрытом (отключенном состоянии), по формуле 5:

n_откл - число полупериодов сетевого напряжения внутри интервала времени, равного выбранному периоду регулирования, в которых силовой ключ 8 должен находиться в закрытом (отключенном) состоянии (см. формулу 4).

Причем полученное по формуле 5 значение n_вкл округляется до целого числа в большую сторону. Далее, в соответствии с рассчитанным числом n_откл полупериодов сетевого напряжения, в которых силовой ключ 8 должен находиться в закрытом (отключенном) состоянии, и рассчитанным числом n_вкл идущих подряд полных периодов сетевого напряжения, в течение которых силовой ключ 8 должен находиться в открытом (включенном) состоянии после периода сетевого напряжения, внутри которого в течение одного полупериода силовой ключ 8 находился в закрытом (отключенном состоянии), монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, производится снятие управляющего сигнала с устройства 7 управления при переходе величины сетевого напряжения через нулевое значение, чем обеспечивается перевод силового ключа 8 в закрытое (отключенное состояние) и подача управляющего сигнала на устройство 7 управления при следующем переходе величины сетевого напряжения через нулевое значение, чем обеспечивается перевод силового ключа 8 в открытое (включенное состояние) до окончания периода сетевого напряжения. Причем повторное снятие управляющего сигнала производится по прошествии числа полных периодов напряжения, равного n_вкл (полупериод напряжения, следующий за полупериодом напряжения, в котором управляющий сигнал был снят, не учитывается). Число полупериодов, в которых снимается управляющий сигнал в течение заданного периода регулирования Т_рег составляет n_откл. Таким образом обеспечивается требуемое снижение величины действующего напряжения на нагрузке 27 в пределах заданного периода регулирования Т_рег, однако внутри заданного периода регулирования Т_рег действующее значение напряжения на нагрузке 27 может составлять полное значение действующего сетевого напряжения (случай, когда на нагрузку 27 подается полный период сетевого напряжения) и сниженное в

раз (случай, когда на нагрузку 27 за полный период сетевого напряжения подается только один полупериод напряжения). В данном случае происходит ограничение потребляемой нагрузкой электрической мощности Р_факт до уровня максимально допустимой мощности Р_макс без ее полного отключения (график подаваемого на нагрузку 27 напряжения приводится на фиг. 4). Величина максимальной фактической мощности Р_{факт.макс}, определяется монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством по формуле 6:

где Р_макс - максимально допустимая мощность (Вт);

В случае, когда величина фактически потребляемой нагрузкой мощности Р_факт превышает величину максимальной фактической мощности Р_{факт.макс}, монокристальным микроконтроллером 4, являющимся центральным вычислительным устройством, производится полное снятие управляющего сигнала с устройства 7 управления, которое, в свою очередь, обеспечивает перевод силового ключа 8 в закрытое (отключенное) состояние и удержание его в таком состоянии до выполнения принудительного запуска командой дистанционного управления. Причем принудительный запуск командой дистанционного управления возможен с заданной выдержкой времени, равной по величине выдержке времени между превышением фактической мощностью Р_факт величины максимально допустимого значения мощности Р_макс и началом регулирования. Таким образом, в случае превышения фактически потребляемой нагрузкой мощностью Р_факт величины максимальной фактической мощности Р_{факт.макс} происходит полное ограничение потребляемой нагрузкой электрической мощности по причине невозможности обеспечения нахождения величины действующего на нагрузке 27 напряжения в пределах допустимого отклонения напряжения (+10% от номинального значения) при осуществлении ограничения мощности до уровня максимально допустимой мощности Р_макс. Вне зависимости от заданного периода регулирования Т_рег, монокристальный микроконтроллер 4, являющийся центральным вычислительным устройством, обеспечивает подачу непрерывного сигнала на устройство 7 управления, которое, в свою очередь, обеспечивает открытое (включенное) состояние силового ключа 8 и подачу полного сетевого напряжения на подключенную нагрузку 27 при частичном снятии нагрузки до уровня, при котором величина фактически потребляемой нагрузкой мощности при приложении полного сетевого напряжения не будет превышать максимально допустимого значения. Причем прекращение регулирования и подача полного сетевого напряжения на нагрузку 27 происходит с заданной выдержкой времени, равной по величине выдержке времени между превышением фактической мощностью Р_факт величины максимально допустимого значения мощности Р_макс и началом регулирования. Данная величина времени задается дистанционно и может быть изменена удаленно при настройке устройства. Возможность дистанционного управления и настройки устройства ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности позволяет производить гибкую настройку величин максимально допустимой потребляемой нагрузкой электрической мощности Р_макс, длительности периода регулирования Т_рег и длительности выдержки времени, а также производить первичную настройку устройства для работы в однофазных или трехфазных сетях для обеспечения опроса различного числа дополнительных внешних датчиков, а также управления различным количеством силовых ключей и устройств управления.

Пояснение принципа работы устройства приведено для однофазной нагрузки. В случае использования устройства ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности для ограничения трехфазной нагрузки принцип работы устройства для каждой из фаз питающей сети будет аналогичным приведенному принципу работы устройства для однофазной нагрузки. Причем регулирование потребляемой нагрузкой электрической мощности будет выполняться для каждой из фаз питающей сети независимо, ввиду того, что трехфазная нагрузка в данном случае представляется тремя однофазными нагрузками.

Устройство ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности проводит измерения значений величины тока, потребляемого нагрузкой и величины сетевого напряжения в точке его установки с частотой ƒ_изм=18000 Гц (измерений в секунду) (360 измерений за период сигнала в электрических сетях переменного тока промышленной частоты ƒ_с = 50 Гц) и на основе получаемых данных определяет необходимые для его работы параметры. Причем расчет фактически потребляемой нагрузкой мощности Р_факт производится за каждый полный период измеряемого двухполярного синусоидального аналогового сигнала напряжения промышленной частоты. Расчет параметров необходимого управляющего воздействия производится по прошествии заданного значения длительности интервала выдержки времени, в течение которого фактически потребляемая нагрузкой мощность Р_факт превышала максимально допустимую мощность Р_макс, при этом для расчета параметров необходимого управляющего воздействия выбирается среднее значение фактически потребляемой нагрузкой мощности Р_факт за период длительности интервала выдержки времени.

Таким образом, применение данного устройства позволит ограничивать потребляемую нагрузкой электрическую мощность в сети без ее полного отключения за счет снижения уровня действующего напряжения на нагрузке, а также с полным ее отключением.

В представляемом устройстве решены недостатки, присущие устройству, выбранному в качестве прототипа, а именно: предлагаемое устройство способно в автоматическом ограничивать потребляемую нагрузкой мощность без ее полного отключения от сети на произвольный период времени без использования сторонних источников питания за счет снижения уровня действующего напряжения на нагрузке в условиях, когда действующее значение напряжения на нагрузке сохраняется в рамках допустимых пределов отклонения напряжения согласно параметрам качества электрической энергии (+10% от номинального значения), с восстановлением полного сетевого напряжения на нагрузке при снижении подключенной мощности ниже максимально допустимого уровня.

Claims

1. Устройство ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности с возможностью работать как в однофазных, так и в трехфазных сетях переменного тока, содержащее датчики тока и напряжения, монокристальный микроконтроллер, силовой ключ, представленный симистором, при этом устройство снабжено устройством обработки сигналов тока и напряжения, в качестве которого использовано электронное устройство, преобразующее двухполярные синусоидальные аналоговые сигналы измеряемых сигналов тока и напряжения с датчиков тока и напряжения в цифровой сигнал, отражающий их величину в текущий момент времени, причем устройство обработки сигналов тока и напряжения связано с монокристальным микроконтроллером, являющимся центральным вычислительным устройством, с блоком питания, который представляет собой высокостабильный по напряжению источник питания постоянного тока для элементов устройства ограничения потребляемой нагрузкой электрической мощности, а также через клеммы с датчиком тока и с датчиком напряжения, при этом к монокристальному микроконтроллеру также подключены блок питания, блок связи, представляющий собой электронное устройство, при помощи которого реализуется обеспечение беспроводной связи с монокристальным микроконтроллером по протоколам GSM, или GPRS, или Wi-Fi, или Bluetooth, а также устройство управления, связанное с силовым ключом и управляющее его состоянием, причем устройство управления представляет собой электронное устройство, содержащее клеммы, оптопару симисторную и резисторы, при этом оптопара симисторная соединена с клеммами и с первыми выводами резисторов, а силовой ключ, представленный симистором, соединен через первый и второй катоды симистора и через управляющий электрод симистора с клеммами, через которые силовой ключ соединен с устройством управления, и с нагрузкой, напряжение на которую подается при открытом состоянии симистора и не подается при закрытом состоянии симистора, которое определяется соотношением измеряемого сигнала напряжения и заданной величиной максимально допустимой мощности, потребляемой нагрузкой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик тока содержит трансформатор тока проходного или дифференциального типа, подключаемый в схему без разрыва питающих проводов, резистор и клемму.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик напряжения выполнен в виде резистивного делителя напряжения и содержит резисторы и клемму.