Устройство контроля потребляемой мощности в сетях переменного тока

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к ограничителям мощности для применения в электрических сетях с напряжением до 0,4 кВ, предназначена для автоматического управления отключением цепей «Нагрузки» при превышении порогового значения уровня потребляемой мощности и непрерывного контроля параметров питающей сети. Технический результат: повышение скорости срабатывания защиты в трехфазных сетях переменного тока, возможность отключения «Нагрузки» от сети питания при повышении потребляемой мощности свыше установленного значения и автоматическое подключение «Нагрузки» после устранения причин перегрузки.

Устройство контроля 1 отличается тем, что вычислительный блок 4 содержит микропроцессорное устройство А2, а измерительный блок 3 снабжен средством А1 преобразования параметров входных сигналов напряжения и тока в цифровой код и выполнен с возможностью передачи цифрового кода на микропроцессорное устройство А2 вычислительного блока 4.

1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 3 фиг.чертежей.

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к ограничителям мощности для применения в электрических сетях с напряжением до 0,4 кВ, предназначена для автоматического управления отключением цепей «Нагрузки» при превышении порогового значения уровня потребляемой мощности и непрерывного контроля параметров питающей сети (защиты от перепадов напряжения, нарушения порядка чередования фаз, обрыва нулевого провода и короткого замыкания).

Известны устройства для защиты потребителя от перегрузок и коротких замыканий[1, 2, 3]. Так, выключатель автоматический быстродействующий [1], содержит раму, подвижный и неподвижный контакты, удерживающий электромагнит с магнитопроводом и якорем, установленными на общей оси. Выключатель снабжен двуплечим рычагом, один конец которого соединен с общей осью магнитопровода и якоря удерживающего электромагнита. Другой конец двуплечего рычага соединен с якорем механизма включения и дополнительно снабжен серьгой, один конец которой шарнирно установлен в опоре рамы, а другой конец шарнирно связан с тягой, соединяющей якорь и подвижный контакт. Конец подвижного контакта, противоположный его концу, предназначенному для соединения с неподвижным контактом, шарнирно соединен дополнительной тягой с якорем удерживающего электромагнита. Основной недостаток устройства - его низкое быстродействие.

Устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения и тока в сетях переменного тока с ограничителем амплитуды [2] содержит два пороговых элемента и исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством. Устройство снабжено также измерительным блоком, при этом пороговые элементы при изменении напряжения сети выше или ниже заданных уровней через измерительный блок подают сигнал отключения таймеру. К управляющему выходу таймера подключен светодиод оптопары, терморезистор - датчиком температуры, трансформатор тока, соединенный с таймером и включенным последовательно с исполнительным органом. Исполнительный орган состоит из двух включенных встречно-последовательно полевых транзисторов и защитных диодов. Истоки полевых транзисторов соединены с общим проводом цепи управления, которая включает включенные параллельно накопительный конденсатор и стабилитрон, соединенный через гасящий резистор с выпрямителем сетевого напряжения на диоде. Затворы полевых транзисторов подключены через токоограничительный резистор и неполярный стабилитрон параллельно потребителю и через фотодиод оптопары к общему проводу цепи управления. Измерительный блок подает сигнал отключения потребителя от сети при увеличении тока нагрузки, измеряемого трансформатором тока или при увеличении температуры полевых транзисторов, измеряемой терморезистором - датчиком температуры. Недостатком устройства является отсутствие регулировки времени задержки его включения для потребителей с различными техническими параметрами, а также защиты от токовых перегрузок и перегрева силовых транзисторов, что снижает функциональные возможности и его надежность устройства в целом.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения и тока в сетях переменного тока с ограничителем амплитуды, которое и выбрано в качестве прототипа [4]. Устройство содержит два пороговых элемента и исполнительный орган, являющийся одновременно защитным. Устройством снабжено измерительным блоком, а пороговые элементы при изменении напряжения сети выше или ниже заданных уровней через измерительный блок подают сигнал отключения таймеру. К управляющему выходу таймера подключен светодиод оптопары, терморезистором-датчиком температуры и трансформатором тока. Последний соединен с таймером, включенным последовательно с исполнительным органом, который состоит из двух включенных встречно-последовательно биполярных транзисторов и защитных диодов, эмиттеры биполярных транзисторов соединены с общим проводом цепи управления, который состоит из включенных параллельно накопительного конденсатора и стабилитрона, соединенного через гасящий резистор с выпрямителем сетевого напряжения на диоде, а базы биполярных транзисторов подключены через токоограничительный резистор и неполярный стабилитрон параллельно потребителю и через фотодиод оптопары к общему проводу цепи управления, при этом измерительный блок подает сигнал отключения потребителя от сети при увеличении тока нагрузки, измеряемого трансформатором тока или при увеличении температуры биполярных транзисторов, измеряемой терморезистором-датчиком температуры. Недостатком устройства является низкая скорость срабатывания защиты, не высокая точность измерения напряжения, тока и мощности, а также невозможность применения внешних трансформаторов тока для увеличения значения контролируемой мощности.

Техническим результатом полезной модели является повышение скорости срабатывания защиты в трехфазных сетях переменного тока, возможность отключения «Нагрузки» от сети питания при повышении потребляемой мощности свыше установленного значения и автоматическое подключение «Нагрузки» после устранения причин перегрузки.

Технический результат достигается тем, что в устройстве контроля потребляемой мощности в сетях переменного тока, содержащим функционально связанные между собой измерительный и вычислительный блоки, блоки управления и питания, а также исполнительный выходной блок, согласно полезной модели, вычислительный блок дополнительно содержит микропроцессорное устройство, а измерительный блок снабжен средством преобразования параметров входных сигналов напряжения и тока в цифровой код и выполнен с возможностью передачи цифрового кода на микропроцессорное устройство вычислительного блока.

Блок управления выполнен с возможностью задания алгоритма работы микропроцессорного устройства вычислительного блока, временных параметров отключения и включения «Нагрузки» и значения уровня мощности.

Сущность полезной модели поясняется чертежами на фиг.1-3.

На фиг.1 приведена блок - схема устройства.

На фиг.2 - принципиальная электрическая схема.

На фиг.3 - внешний вид устройства.

В корпусе 2 устройства 1 (фиг.3) смонтированы измерительный блок 3 со средством А1, выполненном на базе преобразователя аналоговых сигналов в цифровые, для обработки входных сигналов путем преобразования параметров входных сигналов напряжения и тока в цифровой код с ограничительными резисторами R1, R2, R3, встроенными трансформаторами тока Т1, Т2, Т3, разъемами ХР1 и ХР2, микропроцессорное устройство А2 вычислительного блока 4, блок управления 5, исполнительный (выходной) блок 6, блок питания 7. Питающие «Нагрузку» (фиг.2) провода L1, L2, L3 трехфазной сети смонтированы во внутренних отверстиях торроидальных измерительных трансформаторов тока Т1, Т2, Т3 блока 3 для обработки входных сигналов. Трансформаторы тока Т1, Т2, Т3 электрически не подсоединены к трехфазной сети питания L1, L2, L3. Разъем ХР1 блока 3 обработки входных сигналов служит для подключения электромеханического счетчика (на чертеже не показано) для измерения текущей потребляемой мощности. Наличие или отсутствие напряжения на разъеме ХР2 показывает направление потребления мощности (нагрузка сама потребляет мощность или отдает ее в цепь питания при реактивном характере «Нагрузки»).

Принцип действия устройства 1 основан на непрерывном вычислении значения потребляемой мощности и сравнение ее с заданным значением. В измерительный блок 3 для обработки входных сигналов (фиг.2) поступают следующие сигналы: сигнал, пропорциональный напряжению сети питания (через ограничительные сопротивления R1-R3) и сигнал с измерительных трансформаторов тока Т1-Т3, пропорциональный потребляемому «Нагрузкой» току. Поступающие сигналы средством A1-аналогово-цифровым преобразователем, преобразуются в измерительном блоке 3 в цифровой код и передаются на микропроцессорное устройство А2, выполненное на базе микросхемы, вычислительного блока 4, где происходит вычисление действующего значения потребляемой мощности. Переключатели R4, R5 и S1 блока управления 5 задают алгоритм работы вычислительного блока 4:

- временные параметры отключения и включение «Нагрузки» (регулировку времени отключения при перегрузке - от 2 до 180 с; регулировку времени повторного включения от 15 с до 10 мин);

- уровень мощности, при котором происходит отключение «Нагрузки»

Вычислительный блок 4 (фиг.2) с микропроцессорным устройствм А2 через резисторы R6, R7 и управляющие транзисторы T₆ и Т₇ исполнительного (выходного) блока 6 (фиг.1) соответственно связан с исполнительными органами - реле К1 и К2.

Кроме основной функции контроля и ограничения мощности, устройство 1 может выполнять:

- отключение «Нагрузки» при повышении напряжения в питающей сети свыше 260 В - за 0,1 сек, а так же при снижении его ниже 160 В - за 10 сек. с повторным включением через 10 сек. после восстановления;

номинального значения параметров сети питания (функция реле напряжения в каждой фазе);

- защиту питающей сети от перегрузки по току и короткого замыкания в «Нагрузке» (величина тока, при котором отключается «Нагрузка», рассчитывается исходя из установленного значения мощности, при превышении этого значения в 10 раз «Нагрузка» отключается за время не более 0,1 сек).

- отключение «Нагрузки» при обрыве нулевого провода за 0,1 сек;

- контроль чередования фаз и асимметрию напряжения между фазами (в трехфазных питающих сетях);

- защиту цепей питания от циклической перегрузки (блокировка включения нагрузки на 10 мин. при перегрузке свыше 10 раз по мощности в течении времени 10×t, где t - время повторного включения).

Порог срабатывания по мощности рассчитывают по двум вариантам:

1 вариант - пофазно, установленная мощность делится на 3,

2 вариант - суммарно, определяется как сумма мощностей по фазам, а так же пофазно - установленная мощность, умноженная на 2/5 (мощность делится на 3 и к результату прибавляется 20% от деления на 3).

Вариант 1 предпочтительнее использовать при равномерных «Нагрузках» на отдельных фазах. Вариант 2 допускает 20% перегрузку в отдельных фазах (т.е. перекос по «Нагрузке»). Если в реальных условиях обеспечить равномерную «Нагрузку» на фазы затруднительно, то предпочтительнее второй вариант расчета мощности.

В процессе работы устройства 1 (фиг.3) контролируется уровень мощности и как только потребляемая «Нагрузкой» мощность превысит пороговое значение, заданное блоком управления 5, микропроцессорное вычислительное устройство 4 выдает сигнал на отключение «Нагрузки» на время, заданное переключателями блока управления 5. Блок питания 7 преобразует напряжение из сети питания L1, L2, L3 в ряд напряжений постоянного тока, необходимых для работы основных блоков устройства 1.

Регулировка мощности выполнена ступенчатой в диапазон от 5 до 35кВт (9 значений) с наличием технологического режима, когда регулировка мощности принудительно отключена, но «Нагрузка» остается подключенной. Диапазон контролируемых токов - от 3 до 100А (возможно его увеличение, при использовании внешних трансформаторов тока). Погрешность измерения напряжения и мощности составляет 3%, тока 1%. Возможно проводить измерения с точностью до 0,1%, что определяется классом точности используемых навесных компонентов в измерительном блоке 3 обработки входных сигналов.

В устройстве 1 предусмотрен выход для подключения внешней сигнализации (на чертеже не показано) для предупреждение потребителя о превышении значения выделенной ему мощности. Как только уровень мощности, потребляемой нагрузкой, превысит пороговое значение, заданное блоком управления 5, микропроцессорное вычислительное устройство 4 выдает сигнал на реле К1 с частотой 1 Гц (в течение 80% установленного времени отключения нагрузки). В течение оставшихся до отключения нагрузки 20% времени реле К1 будет включено постоянно. Это предупредит потребителя об отключении его от сети питания через промежуток времени, установленный на блоке управления 5. Так же этот сигнал может быть использован в системах автоматики и управления, в компьютерных сетях сбора и обработки данных и т.д. По истечении установленного времени отключение нагрузки микропроцессорное вычислительное устройство 4 выдает сигнал на реле К2, которое отключает «Нагрузку» на время, заданное блоком управления 5. Повторное автоматическое подключение «Нагрузки» возможно только после устранения причины перегрузки.

Разработанное устройство контроля потребляемой мощности также применяют для защиты от несанкционированного подключения посторонних потребителей к сети питания, для контроля потребляемой мощности при введении лимитов потребления электроэнергии и т.п.

Источники информации:

1. RU 2296386 С1, 2007.03.27.

2. RU 2231190 С2, 2004.06.20.

3. «Оборудование для распределительных сетей низкого напряжения на токи от 0,5 до 125А». Schneider Electric. Multi 9 Merlin Gerin. Каталог-2006.

4. RU 2223583 C2, 2004.02.10 (прототип).

1. Устройство контроля потребляемой мощности в сетях переменного тока, содержащее функционально связанные между собой измерительный и вычислительный блоки, блоки управления и питания, а также исполнительный выходной блок, отличающееся тем, что вычислительный блок дополнительно содержит микропроцессорное устройство, а измерительный блок снабжен средством преобразования параметров входных сигналов напряжения и тока в цифровой код и выполнен с возможностью передачи цифрового кода на микропроцессорное устройство вычислительного блока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления выполнен с возможностью задания алгоритма работы микропроцессорного устройства вычислительного блока, временных параметров отключения и включения «Нагрузки» и значения уровня мощности.