КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК H01H83/12 H03K3/13 

Изобретение относится к средствам коммутации, а конкретно к устройствам, осуществляющим подключение электрической нагрузки на стороне потребителя к сети в пеpиоды внепикового потребления электроэнергии.

Известно, что характер потребления электроэнергии в энергосистемах имеет неравномерный характер и характеризуется наличием пиков и спадов потребления. Для выравнивания пиков потребления применяются различные технические средства, позволяющие осуществлять сдвиг времени потребления электроэнергии отдельных категорий потребителей с часов пик на другое время, в результате чего обеспечивается снижение пиковой нагрузки в энергосистеме. Для стимулирования использования электроэнергии во внепиковые периоды потребления применяются льготные тарифы оплаты.

Известны технические средства, применяемые для решения задачи подключения нагрузки в периоды внепикового потребления электроэнергии, выполненные на основе коммутационных устройств с часовыми механизмами [1] которые по заданной временной программе осуществляют подключение нагрузки во внепиковые периоды работы энергосистемы. По этой же временной программе осуществляется и переключение регистpов счетчиков потребляемой электоэнергии с обычного тарифа на льготный.

Применение коммутационных устройств с часовым механизмом связано с определенными ограничениями, обусловленными особенностями перестройки их временных программ. В частности, коррекция временных программ, обусловленная периодическими, например сезонными, изменениями характера потребления в энергосистеме, требует централизованного управления и соответствующих линий диспетчерской связи.

Известны устройства, осуществляющие коммутацию нагрузки без диспетчеризации, исходя из уровня напряжения в сети.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее последовательно соединенные выпрямитель, вход которого является информационным входом устройства, пороговый элемент и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к входу управления коммутационного блока, силовые входы и выходы которого являются силовыми входными и выходными выводами соответственно [2]
Формирователь управляющего напряжения содержит элемент задержки, логический элемент И и ключ, сигнальный и управляющий входы которого подключены соответственно к выходу и входу элемента задержки, соединенным с первым и вторым входами элемента И, при этом вход элемента задержки является входом, а выходы элемента И и ключа выходом формирователя управляющего напряжения.

Коммутационный блок выполнен в виде поляризованного бистабильного реле, выводы катушки которого образуют вход управления коммутационного блока, а выводы переключаемых контактов силовые входы и выходы коммутационного блока. Силовые входы коммутационного блока предназначены для подключения к сети переменного тока и к резервному источнику питания, а силовые выходы для подключения к нагрузке. Вход выпрямителя (информационный вход устройства) предназначен для подключения к сети переменного тока.

Устройство осуществляет автоматическое отключение нагрузки от сети при аварийном снижении напряжения сети ниже порогового значения и ее подключение к резервному источнику питания. При этом выпрямитель преобразует переменное напряжение сети в постоянное, пороговый элемент формирует на своем выходе сигнал при превышении входным напряжением порогового уровня, элемент задержки осуществляет временную задержку сформированных пороговым элементом сигналов, элемент И формирует на своем выходе импульс при совпадении сигналов, поступающих на его входы с выхода порогового элемента и с выхода элемента задержки, ключ формирует на своем выходе импульс при наличии сигнала на сигнальном входе и пропадании сигнала на управляющем входе. Импульсы, поступающие с выходов элемента И и ключа, переключают поляризованное реле коммутационного блока из одного положения в другое таким образом, что при повышении напряжения сети выше порогового значения нагрузка подключается к сети переменного тока, а при снижении напряжения сети ниже порогового значения нагрузка отключается от сети и подключается к резервному источнику питания. При этом исключаются ложные срабатывания при кратковременных бросках напряжения сети, длительностью менее времени задержки, формируемой элементом задержки формирователя управляющего напряжения.

Такое устройство может использоваться для решения задачи аварийного переключения нагрузки сравнительно маломощных радиоэлектронных или телефонных устройств с основной энергосети на резервный источник питания с целью обеспечения бесперебойного режима работы в условиях аварийного падения напряжения сети. При этом не решается задача коммутации нагрузки в зависимости от пиковых или внепиковых периодов потребления электроэнергии в энергосети, а именно включение нагрузки на стороне потребителя в периоды внепикового потребления, характеризуемые повышением уровня напряжения сети за счет ее нагрузки, и отключение нагрузки в периоды пикового потребления, характеризуемые снижением уровня напряжения. Это связано как с низкими уровнями коммутируемой мощности в устройстве, так и с проблемой неустойчивой его работы и возникновением вследствие этого коммутационных помех в условиях, когда напряжение сети флуктуирует около порогового уровня.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи автоматического подключения (отключения) нагрузки на стороне потребителя во внепиковые (пиковые) периоды работы энергосети, характеризуемые повышением (понижением) уровня напряжения сети.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в коммутационное устройство, содержащее выпрямитель, вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с входом первого порогового элемента, формирователь управляющего напряжения и коммутационный блок, силовые входы и выходы которого являются силовыми входными и выходными выводами соответственно, а вход управления подключен к выходу формирователя управляющего напряжения, первый вход которого соединен с выходом первого порогового элемента, введен второй пороговый элемент, вход которого соединен с выходом выпрямителя, а выход с вторым входом формирователя управляющего напряжения, выполненного в виде RS-триггера, выход которого является выходом, а R- и S-входы являются первым и вторым входами формирователя управляющего напряжения, при этом первый и второй пороговые элементы имеют разные пороговые уровни, коммутационный блок содержит пару встречно-параллельно соединенных тиристоров, силовой цепью включенных между первым силовым входным и первым силовым выходным выводами, трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого через ограничительный резистор подключен к первому силовому входному выводу, а второй вывод к второму силовому входному выводу, соединенному с вторым силовым выходным выводом, первые выводы первой и второй вторичных обмоток трансформатора подключены к первому силовому входному выводу, а вторые выводы к управляющим электродам первого и второго силовых тиристоров соответственно, кроме того, третий тиристор, анод и катод которого соединен с выводами первичной обмотки трансформатора, а управляющий электрод соединен с входом управления.

Решение поставленной задачи коммутации нагрузки в зависимости от пиковых или внепиковых периодов потребления электроэнергии в энергосети, характеризуемых соответствующим изменением уровня напряжения в сети, обеспечивается в предлагаемом коммутационном устройстве за счет гистерезисного релейного закона управления силовым коммутационным блоком, выполненным по бесконтактной схеме на силовых тиристорах, осуществляющим подключение нагрузки к сети в начале внепикового периода работы энергосистемы при изменении напряжения сети выше первого порогового уровня, а отключение нагрузки в начале пикового периода при изменении напряжения сети ниже второго порогового уровня, отличного от первого порогового уровня.

На фиг. 1 показана электрическая схема коммутационного устройства; на фиг.2 эпюры напряжений.

Коммутационное устройство (фиг. 1) содержит выпрямитель 1, входы 2 и 3 которого образуют информационный вход устройства, первый и второй пороговые элементы 4 и 5, имеющие разные пороговые уровни, формирователь управляющего напряжения, выполненный в виде RS-триггера 6, выход которого является выходом, а R- и S-входы являются первым и вторым входами формирователя управляющего напряжения, а также коммутационный блок 7, силовые входы 8 и 9 и выходы 10 и 11 которого являются силовыми входными и выходными выводами соответственно.

Входы 2 и 3 выпрямителя 1 и силовые входы 8 и 9 коммутационного блока 7 предназначены для подключения к электрической сети переменного тока, а силовые выходы 10 и 11 коммутационного блока 7 для подключения к нагрузке (не показана). Вход 12 управления коммутационного блока 7 подключен к выходу RS-триггера 6, R- и S-входы которого соединены соответственно с выходами пороговых элементов 4 и 5, входы которых подключены к выходу выпрямителя 1.

Коммутационный блок 7 содержит пару встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров 13 и 14, силовой цепью включенных между первым силовым входным 8 и первым силовым выходным 10 выводами, тиристор 15, трансформатор 16 с первичной обмоткой 17 и вторичными обмотками 18 и 19, ограничительный резистор 20, а также резисторы 21, 22 и 23 в цепях управления тиристоров 13, 14 и 15.

Первый вывод первичной обмотки 17 трансформатора 16 через ограничительный резистор 20 подключен к первому силовому входному выводу 8, а второй вывод обмотки 17 к второму силовому входному выводу 9, соединенному с вторым силовым выходным выводом 11. Первые выводы вторичных обмоток 18 и 19 трансформатора 16 подключены к первому силовому входному выводу 8, а вторые выводы обмоток 18 и 19 к управляющим электродам тиристоров 13 и 14 через соответствующие резисторы 21 и 22. Анод и катод тиристора 15 соединены с выводами первичной обмотки 17 трансформатора 16, а управляющий электрод соединен с входом 12 управления блока 7 через резистор 23.

Выпрямитель 1 может быть выполнен по мостовой двухполупериодной схеме с RC-фильтром нижних частот на выходе. Пороговые элементы 4 и 5 могут быть выполнены, например, на основе коммутаторов напряжения. Триггер 6 может быть выполнен по схеме асинхронного RS-триггера, тиристоры блока 7 выбираются исходя из величин, коммутируемых блоком 7 токов. Например, если величина коммутируемых токов составляет десятки ампер, то в качестве силовых тиристоров 13 и 14 можно использовать тиристоры типа 2ТБ171-200, а в качестве управляющего тиристора 15 тиристор 2У201Ж.

Коммутационное устройство работает следующим образом.

Напряжение сети переменного тока поступает на входы 2 и 3 выпрямителя 1 и на входы 8 и 9 коммутационного блока 7. Выпрямленное с помощью выпрямителя 1 напряжение сети поступает на входы пороговых элементов 4 и 5, где сравнивается с пороговыми значениями U_п1 и U_п2.

Пороговые значения U_п1 и U_п2 выбираются из графика суточного изменения напряжения сети U_с (фиг.2а), где участки с U_с<U_п2 являются участками пикового потребления электроэнергии, участки с U_с>U_п1 участками внепикового потребления, участки с U_п2 ≅ U_с ≅ U_п1 промежуточными участками для реализации гистерезисного закона управления коммутационным блоком 7. При работе от сети переменного тока 220В, 50Гц в качестве первого порогового уровня U_п1 можно выбрать, например, верхнюю границу нормального напряжения сети (ГОСТ 13109) 220В+5% а в качестве второго порогового уровня U_п2 номинальное значение напряжения сети 220В.

Пороговый элемент 4 формирует на своем выходе сигнал U₄ высокого уровня в случае, когда напряжение сети U_с становится больше первого порогового значения U_п1 (фиг.2а, б), а пороговый элемент 5 формирует на своем выходе сигнал U₅ высокого уровня в случае, когда напряжение сети U_с становится меньше второго порогового значения U_п2 (фиг.2а, в). С выхода порогового элемента 4 сигнал U₄ поступает на R вход триггера 6, а с выхода порогового элемента 5 сигнал U₅ поступает на S-вход триггера 6.

Под воздействием фронта сигнала U₄, поступающего с выхода первого порогового элемента 4 на R-вход триггера 6, на выходе триггера 6 устанавливается сигнал U₆ низкого уровня (фиг.2б, г). Это имеет место при повышении напряжения сети выше первого порогового уровня U_c>U_п1 (фиг.2а, г).

Изменение сигнала на выходе триггера 6 с низкого уровня на высокий осуществляется под воздействием фронта сигнала U₅, поступающего с выхода второго порогового элемента 5 на S-вход триггера 6 (фиг.2в, г). Это имеет место при снижении напряжения сети ниже второго порогового уровня U_c<U_п2 (фиг.2а, г).

Таким образом, с момента времени, когда напряжение сети превышает первое пороговое значение U_c>U_п1 и до момента времени, когда напряжение сети снижается ниже второго порогового значения U_c<U_п2, т.е. в периоды внепикового потребления, на выходе триггера 6 имеет место управляющее напряжение низкого уровня. Напряжение низкого уровня с выхода триггера 6 поступает на вход 12 управления коммутационного блока 7, а затем через резистор 23 на управляющий электрод тиристора 15. Тиристор 15 в этом случае "заперт" и не шунтирует первичную обмотку 17 трансформатора 16, на которую с входов 8 и 9 блока 7 через резистор 20 поступает напряжение сети переменного тока. В результате переменные управляющие напряжения, формируемые вторичными обмотками 18 и 19 трансформатора 16, поступают через резисторы 21 и 22 на управляющие электроды силовых тиристоров 13 и 14, которые осуществляют коммутацию тока, протекающего через блок 7 от сети к нагрузке, подключенной к выходам 10, 11 блока 7 (не показано).

Каждый из тиристоров 13 и 14 под действием управляющего напряжения открывается на время, равное половине периода переменного напряжения сети, при этом в "положительный" полупериод напряжения сети открывается один тиристор, а в "отрицательный" полупериод другой, обеспечивая прохождение тока через блок 7 в нагрузку. Таким образом, с момента, когда напряжение сети превышает первое пороговое значение, и до момента, когда напряжение сети снижается ниже второго порогового значения, т.е. в периоды внепикового потребления электроэнергии, коммутационный блок 7 "включен" и обеспечивает подключение нагрузки к сети.

В периоды пикового потребления электроэнергии, когда напряжение сети снижается ниже второго порогового значения и не повышается при дальнейших флуктуациях выше первого порогового значения, коммутационный блок 7 "выключен" и обеспечивает отключение нагрузки от сети.

Таким образом, в устройстве реализуется гистерезисный характер управления коммутационным блоком 7, что обеспечивает устойчивую его работу и отсутствие коммутационных помех в условиях, когда напряжение сети флуктуирует около пороговых значений U_п1 или U_п2 (фиг.2а, г). Это позволяет использовать устройство в качестве коммутатора внепиковых нагрузок в быту, промышленности, сельском хозяйстве для коммутации нагрузок, допускающих периодический режим работы, например нагревательных электроустановок, аккумулирующих запасаемую энергию. При этом для учета потребляемой "внепиковой" электроэнергии на выходе устройства может устанавливаться счетчик электроэнергии (не показан), оплата по которому осуществляется по льготному тарифу.

Предлагаемое изобретение промышленно применимо и позволяет решить поставленную задачу автоматического подключения нагрузки во внепиковые периоды работы энергосистемы.

Использование: для автоматического подключения нагрузки на стороне потребителя к сети в периоды внепикового потребления электроэнергии, характеризуемые повышением напряжения в сети в результате ее разгрузки. Сущность изобретения: устройство содержит коммутационный блок, обеспечивающий подключение нагрузки к сети, вход управления которого подключен к выходу формирователя управляющего напряжения, выполненного в виде RS-триггера, а также выпрямитель и подключенные к его выходу два пороговых элемента с разными пороговыми уровнями, выходы которых подключены к R и S входам триггера. Коммутационный блок содержит пару встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров, управляемых цепью, содержащей трансформатор, первичная обмотка которого подключена к входным силовым выводам блока и зашунтирована третьим тиристором, управляющий электрод которого соединен с входом управления блока. При этом первые выводы вторичных обмоток трансформатора подключены к входному силовому выводу блока, а вторые - к управляющим электродам силовых тиристоров. В устройстве реализован гистерезисный закон управления коммутациооным блком на основе двухпороговой оценки уровня напряжения сети, обеспечивающий устойчивую работу устройства по подключению нагрузки к сети в начале внепикового периода работы энергосистемы при изменении напряжения сети выше первого порогового уровня и отключению нагрузки в начале пикового периода при изменении напряжения сети ниже второго порогового уровня. 2 ил.

КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее выпрямитель, вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с входом первого порогового элемента, формирователь управляющего напряжения и коммутационный блок, силовые входы и выходы которого являются силовыми входными и выходными выводами соответственно, а вход управления подключен к выходу формирователя управляющего напряжения, первый вход которого соединен с выходом первого порогового элемента, отличающееся тем, что введен второй пороговый элемент, вход которого соединен с выходом выпрямителя, а выход с вторым входом формирователя управляющего напряжения, выполненного в виде RS-триггера, выход которого является выходом, а R- и S-входы являются первым и вторым входами формирователя управляющего напряжения, при этом первый и второй пороговые элементы имеют разные пороговые уровни, коммутационный блок содержит пару встречно параллельно соединенных тиристоров, силовой цепью включенных между первым силовым входным и первым силовым выходным выводами, трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого через ограничительный резистор подключен к первому силовому входному выводу, а второй вывод к второму силовому входному выводу, соединенному с вторым силовым выходным выводом, первые выводы первой и второй вторичных обмоток трансформатора подключены к первому силовому входному выводу, а вторые выводы к управляющим электродам первого и второго силовых тиристоров соответственно, кроме того, введен третий тиристор, анод и катод которого соединены с выводами первичной обмотки трансформатора, а управляющий электрод соединен с входом управления.