WO2021194395A1 - Wireless device for switching an electrical load - Google Patents

Wireless device for switching an electrical load Download PDF

Info

Publication number
WO2021194395A1
WO2021194395A1 PCT/RU2021/050079 RU2021050079W WO2021194395A1 WO 2021194395 A1 WO2021194395 A1 WO 2021194395A1 RU 2021050079 W RU2021050079 W RU 2021050079W WO 2021194395 A1 WO2021194395 A1 WO 2021194395A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching
relay
network
triac
parallel
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050079
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Алексей Юрьевич УСКОВ
Евгений Анатольевич СИРОТКИН
Андрей Игоревич ЦИМБОЛ
Надежда Викторовна УСКОВА
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Инсмартавтоматика"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Инсмартавтоматика" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Инсмартавтоматика"
Publication of WO2021194395A1 publication Critical patent/WO2021194395A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G08SIGNALLING
    • G08CTRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541Contacts shunted by semiconductor devices

Definitions

  • the invention relates to electrical engineering and can be used to control power supply of various electrical appliances, including for remote switching on / off electrical appliances from the power supply, as well as for switching on / off electrical appliances according to various programmable scenarios.
  • a wireless electrical switching device can perform one of the key functions in these areas, namely, power management of various electrical appliances.
  • a housing for a smart socket is known from the prior art (see [1] RF patent for a useful model N ° 183511, IPC H01 R13 / 00, publ. 09/25/2018) with a load control module located at the base of the socket; connecting the load to the electrical contact elements, and the power supply network to the contact pins of the plug; indication of the power level consumed by the load using a light guide and a light diffuser; compliance with electrical safety requirements by connecting the grounding pins on the cover with the grounding contact of the plug housing.
  • the disadvantage of this socket is a small resource and low reliability due to the use of contact elements (relays) in it.
  • a contact protection circuit for a relay is known from the prior art (see [8] US patent N ° 3639808, MPKN01 N9 / 54, publ. 02/01/1972), to the coil of which a constant voltage is applied and the contact switches alternating current.
  • the triac is connected in parallel with the relay contact and can be controlled by a coil that is magnetically connected to the relay coil.
  • the disadvantage of such a scheme is the complexity of manufacturing the relay, due to the need for an additional magnetically coupled coil.
  • the circuit under consideration serves to protect the relay contacts only at the moment of opening the contacts.
  • a load switching device for electricity meters is known (see [10] RF patent for utility model N ° 21307, IPC G01 R11 / 63, publ. 10.01.2002), containing an electricity meter and a switching circuit connected between the power grid and the consumer bus , while the switching circuit contains an electromechanical relay connected between the power grid and the consumer bus and a solid-state relay parallel to it, while the electricity meter is connected to the interface bus, the control inputs of the electromechanical and solid-state relay are connected to the electricity meter, and the solid-state relay is made on discrete elements, for example, optocoupler and triac.
  • the described device is analogous, since it uses parallel connection of relay contacts and a solid-state relay (triac controlled by an optical driver).
  • this analogue does not allow remote control of the load, but uses this switching scheme only for emergency shutdown of consumers in case of overload.
  • the closest analogue of the claimed invention is a system for remote control of devices and control of devices (see [11] RF patent for invention N ° 2648564, MI1KG08C17 / 00, publ. 03/26/2018).
  • the prevention of "sticking" of the relay in particular, the electromagnetic relay, which is part of the implementation of the final device / module, for example, the module 110A ... 110N
  • switching on (capacitive) loads such as reactive loads. So, when the loads are switched on, in particular (significant) reactive loads, for example, capacitive loads through the relay, in the latter, a short-term breakdown of the gap between the contacts can occur.
  • the following method of eliminating such incidents is carried out: at the first moment of switching on the load, it is switched through a triac, then after a certain / given (insignificant, for example, from 400 to 700 milliseconds) a period of time is carried out (in particular , by means of the controller) relay switching.
  • the load is switched off in the reverse order, which avoids switching currents on the relay, and the short operating time of the triac allows it to completely absorb the dissipated power without harming the component design (in particular, the triac) even at the maximum allowable currents.
  • the maximum permissible current value in a particular case, depends on the configuration of the final device 110A ... 110N and can be limited by the used pair of relays - triac.
  • the disadvantage of the prototype is the lack of a driver with a zero detector and galvanic isolation, which in turn reduces the reliability and safety of operation (galvanic isolation) of the product.
  • the working area is limited by the coverage area of the Wi-Fi signal
  • the objective of the claimed invention is to create a reliable device for switching electrical energy with an increased service life.
  • the technical result is to increase the resource of the electrical energy switching device, increase the reliability of communication and increase range and, as a result, improve the quality of communication over the network (Wi-Fi networks, Mesh networks based on ZigBee standards, Thread), reduce the overall dimensions of the device.
  • a device for switching electrical loads containing a power supply unit, a contact relay with switching contacts, a semiconductor triac: a conventional anode and a conventional cathode are connected parallel to the switching contacts of a contact relay, connectors for connecting to communications, located in one housing, the device contains from 1 to 8 contact relays with parallel-connected semiconductor triacs, controlled by an optical driver with a zero detector, while the device contains a Mesh module responsible for controlling the switching device, transmitting data to a remote server and supporting self-organizing wireless Mesh networks.
  • FIG. 1 Block diagram of the switch.
  • FIG. 2 Electrical diagram of the switch.
  • FIG. 3 Diagram of a mesh network formed by wireless electrical switches.
  • FIG. 4 Diagram of a group of switching devices in a modular design.
  • the device for switching electrical loads contains, placed in one housing and connected to each other: a power supply unit; contact relay with changeover contacts; semiconductor triac: the conventional anode and the conventional cathode of which are connected in parallel with the switching contacts of the contact relay; connectors for connection to communications.
  • the power supply unit has a well-known standard layout and includes a fuse to protect the device and communications from short circuits, a varistor to protect the device from voltage surges, a diode bridge to rectify the mains voltage, an electric capacitor to store energy for a switching regulator, a switching voltage regulator, ceramic and tantalum capacitors for smoothing voltage ripples, linear stabilizer (if the device has a Mesh module).
  • the device contains from 1 to 8 contact relays with semiconductor triacs connected in parallel, controlled by an optical driver with a zero detector.
  • the device also contains a Mesh module capable of controlling a switching device, transmitting data to a remote server, and supporting self-organizing wireless Mesh networks.
  • the increase in resource is achieved by the presence of a triac in the switch (Fig. 1).
  • a triac in the switch (Fig. 1).
  • Contact closure is carried out using a relay.
  • the triac closes first (when the phase passes through the zero mark) and only then the relay closes to prevent overheating of the triac, see Fig. 2.
  • This principle allows you to avoid the appearance of an electric arc when the contacts are closed / opened (because at the moment of the phase transition through the zero mark, the voltage is equal to zero), that is, there will be no erosion of the contacts.
  • the resource of the electrical load switching device is significantly increased.
  • An increase in the resource of the electrical energy switching device is achieved through the use of a parallel circuit for a contact relay (electromechanical) and a semiconductor triac.
  • a driver with a zero detector for example, based on optocouplers
  • galvanic isolation between the control and high-voltage circuits is also provided, which is simply necessary.
  • the triac is controlled by an optical driver with zero crossing detection. At the initial moment of time, the triac will switch the electrical load.
  • the contact relay has mechanical elements and a corresponding inertia coefficient, and the inertia coefficient changes both during the operation of the relay and differs in different relay models, which does not allow the contacts to be closed at the right time (at the moment of the phase transition through zero) ...
  • an electric arc occurs, which shortens the life of the product and, ultimately, can lead to "sticking" of the contacts.
  • Driver controlled triac with detection crossing zero allows for almost instantaneous closure of the circuit without the formation of an electric arc. However, during long-term operation, the triac will heat up to a significant extent, which will require additional heat dissipation.
  • a triac as a load switch entails the problem of heat dissipation, when currents of more than 0.5 A flow through it, which will subsequently lead to its destruction. That is why the developers are forced to additionally place a radiator on the PCB of the switching device, which ultimately leads to an increase in the size of the product and its cost, which, in turn, is not always available.
  • a contact relay will be used to keep the circuit closed for a long time. The contact relay will close after the triac is closed in the parallel circuit, as a result of which, an electric arc will not occur between the relay contacts.
  • a Mesh module eg, but not limited to Wi-Fi technology
  • the presence of a Mesh module in the switch allows you to build a wireless network between the same devices (Fig. 3), thereby the coverage area of Wi-Fi signal devices (from a router) increases to the area of the formed wireless network using switches with Mesh modules.
  • Mesh networking allows multiple devices located over a large area (both indoor and outdoor) to be connected within a single wireless LAN. Such a network is self-organizing and self-healing. This means that the network can be built and maintained autonomously.
  • Traditional Wi-Fi infrastructure is a point-to-multipoint network in which one central node (access point), directly connected to other devices.
  • An access point is responsible for arbitrating and transferring data between it and connected devices.
  • Some access points are repeaters from an external IP network or to an external IP network via a router.
  • Traditional Wi-Fi network infrastructures differ in that they have limited coverage.
  • traditional Wi-Fi networks are prone to congestion because the maximum number of connected devices is limited by the capabilities of the access point. Thanks to the use of Mesh technology, connected devices do not need to connect to a central site. Instead, they are allowed to connect with neighboring devices. The devices are mutually responsible for relaying information to each other.
  • the Mesh network allows the Mesh network to have a large coverage area as devices can communicate with each other without having to be in the coverage area of a central site.
  • the Mesh network is also less susceptible to congestion, as the number of nodes allowed on the network is no longer limited to a single central node.
  • the reduction in size is achieved by cascading switching devices without individual wireless Mesh modules, while only one wireless Mesh network module is connected to the entire group, with which it is possible to control each switch separately (Fig. 4).
  • the absence of individual modules makes it possible to reduce the size of a group of devices.
  • only one wireless Mesh network module is added to them, which is connected to them using a wired communication line.
  • wireless electrical load switching devices no longer contain built-in wireless Mesh network modules, which allows them to reduce their cost and overall dimensions.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)

Abstract

The invention relates to electrical engineering and can be used for controlling the power supply to different electrical appliances, inter alia for remotely turning electrical appliances on to/off from a mains supply, and also for turning electrical appliances on/off according to different programmed scenarios. A device for switching an electrical load comprises the following arranged in a single housing: an electric power unit, a contact relay with changeover contacts, a semiconductor triac connected in parallel to the changeover contacts of the contact relay, and connectors for connection to communication lines, wherein the device comprises from 1 to 8 contact relays with parallel-connected semiconductor triacs controlled by an optical driver with a zero-crossing detector, and further comprises a mesh module capable of controlling the switching device, transmitting data to a remote server and supporting ad hoc wireless mesh networks. The invention makes it possible to increase the operating life of a power switching device, to improve connection reliability and increase the range and, thus, improve the quality of connection over a network (e.g. a Wi-Fi network or a mesh network based on ZigBee or Thread standards), and to reduce the overall dimensions of the device.

Description

Беспроводное устройство коммутации электрической нагрузки Wireless electrical load switching device
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления электропитанием различных электроприборов, в том числе для дистанционного включения / отключения электроприборов от сети питания, а также, для включения / отключения электроприборов по различным программируемым сценариям. The invention relates to electrical engineering and can be used to control power supply of various electrical appliances, including for remote switching on / off electrical appliances from the power supply, as well as for switching on / off electrical appliances according to various programmable scenarios.
Уровень техники State of the art
В настоящий момент становится актуальным использование беспроводных коммутаторов электрической энергии. Это обусловлено стремительным развитием технологий «умных домов» и «интернета вещей», развитием мобильных приложений для управления электронными устройствами и т. п. Беспроводное устройство коммутации электрической энергии может выполнять одну из ключевых функций в данных областях, а именно управление электропитанием различных электроприборов. At the moment, the use of wireless switches of electrical energy is becoming relevant. This is due to the rapid development of smart home and Internet of Things technologies, the development of mobile applications for controlling electronic devices, etc. A wireless electrical switching device can perform one of the key functions in these areas, namely, power management of various electrical appliances.
Из уровня техники известен корпус для умной розетки (см. [1] патент РФ на полезную модель N° 183511 , МПК Н01 R13/00, 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). A housing for a smart socket is known from the prior art (see [1] RF patent for a useful model N ° 183511, IPC H01 R13 / 00, publ. 09/25/2018) with a load control module located at the base of the socket; connecting the load to the electrical contact elements, and the power supply network to the contact pins of the plug; indication of the power level consumed by the load using a light guide and a light diffuser; compliance with electrical safety requirements by connecting the grounding pins on the cover with the grounding contact of the plug housing. The disadvantage of this socket is a small resource and low reliability due to the use of contact elements (relays) in it.
Аналогичных приборов, выполненных в виде розеточного модуля на одну вилку достаточно много (см., например, [2] патент РФ на полезную модель N° 145549, МПК G08B13/00, опубл. 20.09.2014; [3] патент РФ на полезную модель N° 126221 , МПК H02J3/00, опубл. 20.03.2013; [4] патент на полезную модель Китая N° 204028223, МПК G01 R21/00, опубл. 17.12.2014; [5] патент на изобретения США Ns 9378530, МПК G06Q50/06, опубл. 28.06.2018; [6] заявка на выдачу патента США на изобретение N° 20170155526, МПК H01 R13/66, 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. There are a lot of similar devices made in the form of a socket module for one plug (see, for example, [2] RF patent for a useful model N ° 145549, IPC G08B13 / 00, publ. 09/20/2014; [3] RF patent for a useful model N ° 126221, IPC H02J3 / 00, publ. 03/20/2013; [4] utility model patent of China N ° 204028223, IPC G01 R21 / 00, publ. 17.12.2014; [5] US patent for inventions Ns 9378530, IPC G06Q50 / 06, publ. 06/28/2018; [6] application for a US patent for invention N ° 20170155526, IPC H01 R13 / 66, publ. 06/01/2017). The main structural element of such devices is a contact relay, which has mechanical elements and a corresponding inertia coefficient, and the inertia coefficient changes both during the operation of the relay and differs in different relay models, which does not allow the contacts to be closed at the right time (at the moment of the phase transition through zero). In addition, when the relay contacts are closed / opened, an electric arc occurs, which shortens the life of the product and, ultimately, can lead to "sticking" of the contacts.
Недостаток, связанный с «залипанием контактов», был решен заменой реле на двунаправленный триодный тиристор (симистор) (см. [7] патент РФ на изобретение N° 2638182, МПК Н01 Н43/00, 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 просто выйдет из строя, что в конечном итоге снижает общую надежность устройства. The disadvantage associated with "sticking contacts" was solved by replacing the relay with a bidirectional triode thyristor (triac) (see [7] RF patent for invention N ° 2638182, IPC N01 N43 / 00, publ. 12.12.2017). The use of a triac allows for almost instantaneous closure of the circuit without the formation of an electric arc, however, this solution has a significant drawback - during prolonged operation, the triac will heat up significantly, which will require additional heat dissipation, which in turn will increase the size of the product, etc. overheating will simply fail, which ultimately reduces the overall reliability of the device.
Из уровня техники известна схема защиты контактов для реле (см. [8] патент США N° 3639808, МПКН01 Н9/54, опубл. 01.02.1972), на катушку которой подается постоянное напряжение и контакт переключает переменный ток. Симистор подключен параллельно контакту реле и может управляться с помощью катушки, которая магнитно-связана с катушкой реле. Недостатком такой схемы является сложность изготовления реле, ввиду необходимости дополнительной магнитно- связанной катушки. Также рассматриваемая схема служит для защиты контактов реле только в момент размыкания контактов. A contact protection circuit for a relay is known from the prior art (see [8] US patent N ° 3639808, MPKN01 N9 / 54, publ. 02/01/1972), to the coil of which a constant voltage is applied and the contact switches alternating current. The triac is connected in parallel with the relay contact and can be controlled by a coil that is magnetically connected to the relay coil. The disadvantage of such a scheme is the complexity of manufacturing the relay, due to the need for an additional magnetically coupled coil. Also, the circuit under consideration serves to protect the relay contacts only at the moment of opening the contacts.
Из уровня техники известен способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой (см. [9] патент РФ на изобретение N° 2711587, МПК Н02Р13/06, опубл. 17.01.2020). В способе управления напряжением трансформатора под нагрузкой, включающем задание уровня выходного напряжения трансформатора, контроль напряжения питающей сети, контроль тока, подачу импульсов управления на двунаправленные тиристорные ключи, включенные в цепях ответвлений первичной обмотки трансформатора, управление каждого двунаправленного тиристорного ключа осуществляют совместно с управлением управляемым реле, подключенным параллельно двунаправленному тиристорному ключу, так что в установившемся режиме работы трансформатора состояние управляемого реле задают аналогично состоянию двунаправленного тиристорного ключа, а в процессе управления напряжением трансформатора, при изменении состояния двунаправленного ключа из выключенного во включенное, изменение состояния управляемого реле из выключенного во включенное осуществляют с задержкой во времени после включения двунаправленного тиристорного ключа, а перед изменением состояния двунаправленного ключа из включенного в выключенное предварительно переводят управляемое реле из включенного состояния в выключенное, а в устройстве управления напряжением трансформатора под нагрузкой, содержащем по крайней мере два двунаправленных тиристорных ключа, параллельно каждому двунаправленному тиристорному ключу подключено управляемое реле, соединенное с блоком управления. From the prior art, a method for controlling the voltage of a transformer under load is known (see [9] RF patent for invention N ° 2711587, IPC N02R13 / 06, publ. 17.01.2020). In the method of controlling the voltage of the transformer under load, including setting the level of the output voltage of the transformer, monitoring the voltage of the supply network, monitoring the current, supplying control pulses to the bidirectional thyristor switches included in the branch circuits of the primary winding of the transformer, the control of each bidirectional thyristor switch is carried out in conjunction with the control of the controlled relay connected in parallel with the bidirectional thyristor switch, so that in the steady-state operation of the transformer, the state of the controlled relay is set similarly to the state of the bidirectional thyristor switch, and in the process of controlling the voltage of the transformer, when the state of the bidirectional switch changes from off to on, the change in the state of the controlled relay from off to on is carried out with a time delay after turning on the bidirectional thyristor switch, and before changing the state of the bidirectional switch from on to off beforehand the controlled relay is transferred from the on state to the off state, and in the voltage control device of the transformer under load, containing at least two bidirectional thyristor switches, a controlled relay connected to the control unit is connected in parallel to each bidirectional thyristor switch.
Недостатком указанного аналога является отсутствие гальванической развязки, при этом симистор представляет собой встречно-параллельное включение тиристоров, поэтому указанный способ коммутации является аналогом. The disadvantage of this analogue is the lack of galvanic isolation, while the triac is an anti-parallel connection of thyristors, therefore, the specified switching method is analogous.
Из уровня техники известно устройство коммутации нагрузки для счетчиков электроэнергии (см. [10] патент РФ на полезную модель N° 21307, МПК G01 R11/63, 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. From the prior art, a load switching device for electricity meters is known (see [10] RF patent for utility model N ° 21307, IPC G01 R11 / 63, publ. 10.01.2002), containing an electricity meter and a switching circuit connected between the power grid and the consumer bus , while the switching circuit contains an electromechanical relay connected between the power grid and the consumer bus and a solid-state relay parallel to it, while the electricity meter is connected to the interface bus, the control inputs of the electromechanical and solid-state relay are connected to the electricity meter, and the solid-state relay is made on discrete elements, for example, optocoupler and triac.
Описанное устройство является аналогом, так как 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. The described device is analogous, since it uses parallel connection of relay contacts and a solid-state relay (triac controlled by an optical driver). However, this analogue does not allow remote control of the load, but uses this switching scheme only for emergency shutdown of consumers in case of overload.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения, принятым на прототип, является система для удаленного управления устройствами и контроля устройств (см. [11] патент РФ на изобретение N° 2648564, MI1KG08C17/00, опубл. 26.03.2018). В частном варианте осуществления изобретения реализовано предотвращение «залипания» реле (в частности, электромагнитного реле, являющегося частью реализации конечного устройства / модуля, например, модуля 110A...110N) при включении (емкостных) нагрузок, например, реактивных нагрузок. Так, при включении нагрузок, в частности, (значительных) реактивных нагрузок, например, емкостных нагрузок через реле, в последнем может происходить кратковременный пробой зазора между контактами. Для предотвращения пригорания контактов и необходимости механического вмешательства человека осуществляется следующий способ устранения такого рода инцидентов: в первый момент включения нагрузки, она коммутируется через симистор, далее через определенный / заданный (незначительный, например, от 400 до 700 миллисекунд) промежуток времени осуществляется (в частности, средствами контроллера) коммутация реле. Выключение нагрузки происходит в обратном порядке, что позволяет избежать токов коммутации на реле, а незначительное время работы симистора, позволяет ему полностью поглотить рассеиваемую мощность без вреда для конструкции компонента (в частности, симистора) даже при максимально допустимых токах. Причем, максимально допустимая величина тока, в частном случае, зависит от конфигурации конечного устройства 110А...110N и может быть ограничена используемой парой реле - симистор. The closest analogue of the claimed invention, adopted for the prototype, is a system for remote control of devices and control of devices (see [11] RF patent for invention N ° 2648564, MI1KG08C17 / 00, publ. 03/26/2018). In a particular embodiment of the invention, the prevention of "sticking" of the relay (in particular, the electromagnetic relay, which is part of the implementation of the final device / module, for example, the module 110A ... 110N) when switching on (capacitive) loads such as reactive loads. So, when the loads are switched on, in particular (significant) reactive loads, for example, capacitive loads through the relay, in the latter, a short-term breakdown of the gap between the contacts can occur. To prevent burning of contacts and the need for mechanical human intervention, the following method of eliminating such incidents is carried out: at the first moment of switching on the load, it is switched through a triac, then after a certain / given (insignificant, for example, from 400 to 700 milliseconds) a period of time is carried out (in particular , by means of the controller) relay switching. The load is switched off in the reverse order, which avoids switching currents on the relay, and the short operating time of the triac allows it to completely absorb the dissipated power without harming the component design (in particular, the triac) even at the maximum allowable currents. Moreover, the maximum permissible current value, in a particular case, depends on the configuration of the final device 110A ... 110N and can be limited by the used pair of relays - triac.
Недостатком прототипа является отсутствие драйвера с детектором нуля и гальванической развязки, что в свою очередь снижает надежность и безопасность эксплуатации (гальваническая развязка) изделия. The disadvantage of the prototype is the lack of a driver with a zero detector and galvanic isolation, which in turn reduces the reliability and safety of operation (galvanic isolation) of the product.
Недостатками перечисленных технических решений являются: The disadvantages of the listed technical solutions are:
- 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; - limited service life of products when only a contact relay is used in their composition, the contacts of which melt and erode over time due to the arising electric arc when it is closed and opened;
- при использовании Wi-Fi модулей в составе изделий рабочая зона действия ограничена зоной покрытия Wi-Fi сигнала; - when using Wi-Fi modules as part of products, the working area is limited by the coverage area of the Wi-Fi signal;
- 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. - lack of modularity of products - if it is necessary to place products next to each other, then for each product a separate Wi-Fi module is required, which in turn increases the total cost of the product group, as well as its dimensions.
Сущность изобретения The essence of the invention
Задачей заявленного изобретения является создание надежного устройства коммутации электрической энергии с повышенным ресурсом эксплуатации. The objective of the claimed invention is to create a reliable device for switching electrical energy with an increased service life.
Техническим результатом является повышение ресурса устройства коммутации электрической энергии, повышение надежности связи и увеличение радиуса действия и, как следствие, улучшение качества связи по сети (Wi-Fi-сети, Mesh-сети на основе стандартов ZigBee, Thread), уменьшение габаритных размеров устройства. The technical result is to increase the resource of the electrical energy switching device, increase the reliability of communication and increase range and, as a result, improve the quality of communication over the network (Wi-Fi networks, Mesh networks based on ZigBee standards, Thread), reduce the overall dimensions of the device.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет устройства коммутации электрической нагрузки содержащего размещенные в одном корпусе блок электропитания, контактное реле с переключающимися контактами, полупроводниковый симистор: условный анод и условный катод которого подключены параллельно переключающим контактам контактного реле, разъемы для подключения к коммуникациям, при этом устройство содержит от 1 до 8 контактных реле с параллельно подключенными полупроводниковыми симисторами, управляемыми оптическим драйвером с детектором нуля, при этом устройство содержит Mesh-модуль, отвечающий за управление коммутирующим устройством, передачу данных на удаленный сервер и поддержку самоорганизующихся беспроводных Mesh-сетей. The problem is solved, and the technical result is achieved due to a device for switching electrical loads containing a power supply unit, a contact relay with switching contacts, a semiconductor triac: a conventional anode and a conventional cathode are connected parallel to the switching contacts of a contact relay, connectors for connecting to communications, located in one housing, the device contains from 1 to 8 contact relays with parallel-connected semiconductor triacs, controlled by an optical driver with a zero detector, while the device contains a Mesh module responsible for controlling the switching device, transmitting data to a remote server and supporting self-organizing wireless Mesh networks.
Краткое описание чертежей Brief Description of Drawings
Фиг. 1 - Структурная схема коммутатора. FIG. 1 - Block diagram of the switch.
Фиг. 2 - Электрическая схема коммутатора. FIG. 2 - Electrical diagram of the switch.
Фиг. 3 - Схема Mesh-сети, образуемой беспроводными электрическим коммутаторами. FIG. 3 - Diagram of a mesh network formed by wireless electrical switches.
Фиг. 4 - Схема группы коммутирующих устройств в модульном исполнении. FIG. 4 - Diagram of a group of switching devices in a modular design.
Осуществление изобретения Implementation of the invention
Устройство коммутации электрической нагрузки содержит размещенные в одном корпусе и соединенные между собой: блок электропитания; контактное реле с переключающимися контактами; полупроводниковый симистор: условный анод и условный катод которого подключены параллельно переключающим контактам контактного реле; разъемы для подключения к коммуникациям. Блок электропитания (источник питания) имеет общеизвестную стандартную компоновку и включает предохранитель для защиты устройства и коммуникаций от короткого замыкания, варистор для защиты устройства от перепадов напряжения, диодный мост для выпрямления сетевого напряжения, электрический конденсатор для накопления энергии для импульсного стабилизатора, импульсный стабилизатор напряжения, керамический и танталовый конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения, линейный стабилизатор (если в составе устройства есть Mesh-модуль). При этом устройство содержит от 1 до 8 контактных реле с параллельно подключенными полупроводниковыми симисторами, управляемыми оптическим драйвером с детектором нуля. Также устройство содержит Mesh-модуль, выполненный с возможностью управления коммутирующим устройством, передачу данных на удаленный сервер и поддержку самоорганизующихся беспроводных Mesh-сетей. The device for switching electrical loads contains, placed in one housing and connected to each other: a power supply unit; contact relay with changeover contacts; semiconductor triac: the conventional anode and the conventional cathode of which are connected in parallel with the switching contacts of the contact relay; connectors for connection to communications. The power supply unit (power supply) has a well-known standard layout and includes a fuse to protect the device and communications from short circuits, a varistor to protect the device from voltage surges, a diode bridge to rectify the mains voltage, an electric capacitor to store energy for a switching regulator, a switching voltage regulator, ceramic and tantalum capacitors for smoothing voltage ripples, linear stabilizer (if the device has a Mesh module). The device contains from 1 to 8 contact relays with semiconductor triacs connected in parallel, controlled by an optical driver with a zero detector. The device also contains a Mesh module capable of controlling a switching device, transmitting data to a remote server, and supporting self-organizing wireless Mesh networks.
Увеличение ресурса достигается наличием в коммутаторе симистора (фиг. 1 ). Это один из главных отличительных признаков патентуемого устройства. Замыкание контактов осуществляется с помощью реле. В нашем случае вначале замыкается симистор (при прохождении фазы через нулевую отметку) и только потом замыкается реле для предотвращения перегрева симистора, см. фиг. 2. Этот принцип позволяет избежать появления электрической дуги при замыкании / размыкании контактов (т. к. в момент перехода фазы через нулевую отметку напряжение равно нулю), т. е. не будет происходить эрозии контактов. Как следствие, существенно увеличивается ресурс устройства коммутации электрической нагрузки. The increase in resource is achieved by the presence of a triac in the switch (Fig. 1). This is one of the main distinguishing features of the device being patented. Contact closure is carried out using a relay. In our case, the triac closes first (when the phase passes through the zero mark) and only then the relay closes to prevent overheating of the triac, see Fig. 2. This principle allows you to avoid the appearance of an electric arc when the contacts are closed / opened (because at the moment of the phase transition through the zero mark, the voltage is equal to zero), that is, there will be no erosion of the contacts. As a result, the resource of the electrical load switching device is significantly increased.
Повышение ресурса устройства коммутации электрической энергии достигается за счет использования схемы параллельного включения контактного реле (электромеханического) и полупроводникового симистора. Для увеличения ресурса работы симистора, а также снижения рассеиваемой на нем мощности в момент коммутации и уменьшения уровня помех в сети, для управления симистором используется драйвер с детектором нуля (например, на основе оптопар). За счет использования оптического драйвера с детектором нуля обеспечивается также гальваническая развязка между управляющими и высоковольтными цепями, что является просто необходимым. Управление симистором осуществляется с помощью оптического драйвера с детектированием пересечения нуля. В начальный момент времени выполнять коммутацию электрической нагрузки будет симистор. Это обусловлено тем, что контактное реле 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. Симистор, управляемый драйвером с детектированием пересечения нуля, позволяет осуществлять практически мгновенное замыкание цепи без образования электрической дуги. Однако при длительной работе симистор будет в значительной степени нагреваться, что потребует дополнительного теплоотвода. Использование симистора в качестве коммутатора нагрузки влечет за собой проблему отвода тепла, при протекании через него токов более 0,5 А, что в последствии приведет к его разрушению. Именно поэтому разработчики вынуждены дополнительно размещать на печатной плате устройства коммутации радиатор, что в конечном итоге ведет к увеличению габаритов изделия и его стоимости, что, в свою очередь, не всегда доступно. Таким образом, для длительного удержания цепи в замкнутом состоянии будет использоваться контактное реле. Контактное реле будет замыкаться после замыкания симистора по параллельной цепи, в результате чего, между контактами реле не будет возникать электрическая дуга. В результате, с одной стороны обеспечивается гарантированное подключение нагрузки в момент перехода фазы через ноль, с другой стороны - отсутствие перегрева и перегрузки электронных компонентов. Данная опция позволит существенно увеличить ресурс работы устройства. В момент отключения электрической нагрузки сперва будут размыкаться контакты реле, затем окончательно цепь будет размыкать симистор. Основным преимуществом симистора является его возможность коммутации нагрузок без искрообразования и отсутствие механически подвижных частей, что гарантирует при необходимом теплоотводе и соблюдении рекомендаций по его защите практически неограниченный ресурс работы элемента. An increase in the resource of the electrical energy switching device is achieved through the use of a parallel circuit for a contact relay (electromechanical) and a semiconductor triac. To increase the operating life of the triac, as well as reduce the power dissipated on it at the time of switching and reduce the level of noise in the network, a driver with a zero detector (for example, based on optocouplers) is used to control the triac. Due to the use of an optical driver with a zero detector, galvanic isolation between the control and high-voltage circuits is also provided, which is simply necessary. The triac is controlled by an optical driver with zero crossing detection. At the initial moment of time, the triac will switch the electrical load. This is due to the fact that the contact relay has mechanical elements and a corresponding inertia coefficient, and the inertia coefficient changes both during the operation of the relay and differs in different relay models, which does not allow the contacts to be closed at the right time (at the moment of the phase transition through zero) ... In addition, when the relay contacts are closed / opened, an electric arc occurs, which shortens the life of the product and, ultimately, can lead to "sticking" of the contacts. Driver controlled triac with detection crossing zero, allows for almost instantaneous closure of the circuit without the formation of an electric arc. However, during long-term operation, the triac will heat up to a significant extent, which will require additional heat dissipation. The use of a triac as a load switch entails the problem of heat dissipation, when currents of more than 0.5 A flow through it, which will subsequently lead to its destruction. That is why the developers are forced to additionally place a radiator on the PCB of the switching device, which ultimately leads to an increase in the size of the product and its cost, which, in turn, is not always available. Thus, a contact relay will be used to keep the circuit closed for a long time. The contact relay will close after the triac is closed in the parallel circuit, as a result of which, an electric arc will not occur between the relay contacts. As a result, on the one hand, a guaranteed connection of the load is ensured at the moment of the phase transition through zero, on the other hand, there is no overheating and overload of electronic components. This option will significantly increase the resource of the device. At the moment of disconnection of the electrical load, the relay contacts will first open, then the circuit will finally open the triac. The main advantage of a triac is its ability to switch loads without sparking and the absence of mechanically moving parts, which guarantees, with the necessary heat removal and compliance with recommendations for its protection, an almost unlimited resource of the element.
Повышение надежности связи и увеличение радиуса действия достигается путем интеграции в устройство Mesh-модуля (например, но не ограничиваясь, на основе технологии Wi-Fi) для построения Mesh-сети. Это главный отличительный признак от аналогов. Наличие Mesh-модуля в коммутаторе позволяет построить беспроводную сеть между такими же устройствами (фиг. 3), 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. 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. Improved communication reliability and increased range are achieved by integrating a Mesh module (eg, but not limited to Wi-Fi technology) into the device to build a Mesh network. This is the main distinguishing feature from analogues. The presence of a Mesh module in the switch allows you to build a wireless network between the same devices (Fig. 3), thereby the coverage area of Wi-Fi signal devices (from a router) increases to the area of the formed wireless network using switches with Mesh modules. Mesh networking allows multiple devices located over a large area (both indoor and outdoor) to be connected within a single wireless LAN. Such a network is self-organizing and self-healing. This means that the network can be built and maintained autonomously. Traditional Wi-Fi infrastructure is a point-to-multipoint network in which one central node (access point), directly connected to other devices. An access point is responsible for arbitrating and transferring data between it and connected devices. Some access points are repeaters from an external IP network or to an external IP network via a router. Traditional Wi-Fi network infrastructures differ in that they have limited coverage. In addition, traditional Wi-Fi networks are prone to congestion because the maximum number of connected devices is limited by the capabilities of the access point. Thanks to the use of Mesh technology, connected devices do not need to connect to a central site. Instead, they are allowed to connect with neighboring devices. The devices are mutually responsible for relaying information to each other. This allows the Mesh network to have a large coverage area as devices can communicate with each other without having to be in the coverage area of a central site. Likewise, the Mesh network is also less susceptible to congestion, as the number of nodes allowed on the network is no longer limited to a single central node.
Сокращение габаритов достигается путем каскадного объединения коммутирующих устройств без индивидуальных модулей беспроводной Mesh-сети, при этом ко всей группе подключается только один модуль беспроводной Mesh- сети, с помощью которого возможно управление каждым коммутатором в отдельности (фиг. 4). Отсутствие индивидуальных модулей позволяет уменьшить габариты группы устройств. При использовании группы подобных устройств коммутации (каскадное соединение) к ним добавляется лишь один модуль беспроводной Mesh-сети, который соединяется с ними с помощью проводной линии связи. При этом беспроводные устройства коммутации электрической нагрузки уже не содержат встроенных модулей беспроводной Mesh-сети, что позволяет сократить их стоимость и габаритные размеры. The reduction in size is achieved by cascading switching devices without individual wireless Mesh modules, while only one wireless Mesh network module is connected to the entire group, with which it is possible to control each switch separately (Fig. 4). The absence of individual modules makes it possible to reduce the size of a group of devices. When using a group of similar switching devices (cascade connection), only one wireless Mesh network module is added to them, which is connected to them using a wired communication line. At the same time, wireless electrical load switching devices no longer contain built-in wireless Mesh network modules, which allows them to reduce their cost and overall dimensions.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
Устройство коммутации электрической нагрузки, содержащее размещенные в одном корпусе блок электропитания, контактное реле с переключающимися контактами, полупроводниковый симистор подключенный параллельно переключающим контактам контактного реле, разъемы для подключения к коммуникациям, отличающееся тем, что устройство содержит от 1 до 8 контактных реле с параллельно подключенными полупроводниковыми симисторами, управляемыми оптическим драйвером с детектором нуля, при этом устройство содержит Mesh-модуль, выполненный с возможностью управления коммутирующим устройством, передачу данных на удаленный сервер и поддержку самоорганизующихся беспроводных Mesh -сетей. An electrical load switching device containing a power supply unit located in one housing, a contact relay with changeover contacts, a semiconductor triac connected in parallel with the switching contacts of a contact relay, connectors for connecting to communications, characterized in that the device contains from 1 to 8 contact relays with semiconductor connected in parallel triacs controlled by an optical driver with a zero detector, while the device contains a Mesh module capable of controlling a switching device, transmitting data to a remote server, and supporting self-organizing wireless Mesh networks.
PCT/RU2021/050079 2020-03-27 2021-03-24 Wireless device for switching an electrical load WO2021194395A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020112542A RU2733487C1 (en) 2020-03-27 2020-03-27 Wireless device for switching electric load
RU2020112542 2020-03-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021194395A1 true WO2021194395A1 (en) 2021-09-30

Family

ID=72927011

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050079 WO2021194395A1 (en) 2020-03-27 2021-03-24 Wireless device for switching an electrical load

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2733487C1 (en)
WO (1) WO2021194395A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2121183C1 (en) * 1992-11-30 1998-10-27 А.Альстрем Корпорейшн Electronic commutator
WO2007104152A2 (en) * 2006-03-14 2007-09-20 Jamie Hackett Long-range radio frequency receiver-controller module and wireless control system comprising same
US9966779B2 (en) * 2014-09-23 2018-05-08 Switchbee Ltd. Method and apparatus for controlling a load

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5790354A (en) * 1997-03-26 1998-08-04 Watlow Electric Manufacturing Company Hybrid power switching device
DE102009014944B4 (en) * 2009-03-30 2011-06-16 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Modular switching device for switching an electrical load circuit and method for operating such
AU2013204369B2 (en) * 2012-04-20 2015-09-03 Smartswitch Pty Ltd A programmable electrical control device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2121183C1 (en) * 1992-11-30 1998-10-27 А.Альстрем Корпорейшн Electronic commutator
WO2007104152A2 (en) * 2006-03-14 2007-09-20 Jamie Hackett Long-range radio frequency receiver-controller module and wireless control system comprising same
US9966779B2 (en) * 2014-09-23 2018-05-08 Switchbee Ltd. Method and apparatus for controlling a load

Also Published As

Publication number Publication date
RU2733487C1 (en) 2020-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3879365B1 (en) Gateway interface for an enhanced circuit breaker disconnect
US11699562B2 (en) Motor control center with enhanced circuit disconnect
CN103259325A (en) Power supply device and power supply method
CN106653433B (en) High-voltage large-current equal-zero-phase switch and control method
TW201707328A (en) Method for safe isolation and reconnect of grid generation devices to energy storage or alternate generation reference
CN114902524A (en) Power distribution system and method
CN104659920A (en) Topology configuration method of distribution circuit
US10476271B2 (en) Energy supply system and electrical outlet
RU2733487C1 (en) Wireless device for switching electric load
US20240155801A1 (en) Power distribution using hydra cable systems
CN104734360A (en) Power network instantaneous current control system
US20170149379A1 (en) Interconnect device for use in islanding a microgrid
CN208636396U (en) Feeder switch operating condition adaptive modeling device
CN100545974C (en) Multifunction safety knife switch
CN112563083B (en) Internet of things intelligent circuit breaker implementation device, method and system based on open protocol
RU209794U1 (en) WIRELESS HIGH POWER LOAD SWITCHING DEVICE
CN203339997U (en) Motor voltage reduction starting protector
CN212258819U (en) Remote control motor soft start cabinet system based on Internet of things
CN103236808A (en) Voltage reduction start protector for motor
CN211456664U (en) Main/standby circuit switching device
CN212111557U (en) Multifunctional digital instrument based on LoRa technology
CN108281954B (en) Power switching device and power supply and distribution system
CN103855546A (en) Socket with power line communication function
KR20090001506A (en) Rtu structure
CN2384368Y (en) AC electrical appliance switch with power supplying function

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21776581

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21776581

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1