УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ, ПОТРЕБЛЯЕМОЙ НАГРУЗКОЙ ИЗ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ Российский патент 2000 года по МПК H02H3/08 H02H3/20 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве защитных устройств ограничения мощности, потребляемой, преимущественно, бытовыми приборами, например компьютерами или телевизорами, из питающей сети.

Известно устройство для ограничения мощности, потребляемой нагрузкой из питающей сети, содержащее блок питания, блок формирования импульса управления, блок сравнения сетевого напряжения с опорным и блок управления исполнительным органом [Патент РФ N 1697167, МПК H 02 H 3/08, 03.04.1989 г.].

Известно также устройство для ограничения мощности, потребляемой нагрузкой из питающей сети, содержащее блок питания и блок ограничения мощности [Патент РФ N 2095906, МПК H 02 H 3/20, 23.07.1996 г.) - прототип.

Недостатком известных устройств является неиспользование всех возможностей снижения погрешности задания устанавливаемых границ диапазона ограничиваемых мощностей.

Решаемой технической задачей в соответствии с изобретением является улучшение технических и экономических характеристик устройства с достижением технического результата в отношении снижения погрешности задания устанавливаемых границ диапазона ограничиваемых мощностей в пределах от 0,001 до 1%.

В качестве кратких сведений, раскрывающих сущность изобретения, следует отметить, что достигаемый технический результат обеспечивают с помощью предложенного устройства ограничения мощности, потребляемой нагрузкой из питающей сети, содержащего блок питания элементов устройства и формирования опорного напряжения, блок сравнения сетевого напряжения с заданным, блок сравнения токов, блок задержки срабатывания защиты по току, блок управления исполнительным органом, являющимся силовым ключом, и силовой ключ. Отличительные особенности устройства заключаются в том, 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 с вторым вводом питающей сети, а катод второго диода соединен с двухступенчатым стабилизатором опорного напряжения. Конструктивное выполнение двухступенчатого стабилизатора 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 Блок ограничения мощности выполнен в виде соединенных между собой блока сравнения сетевого напряжения с заданным, блока сравнения токов, блока задержки срабатывания защиты по току, блока управления исполнительным органом и силового ключа. 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 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.
Предложенное устройство целесообразно пояснить чертежами, на которых схематически изображены: фиг. 1 - блок-схема устройства ограничения мощности; фиг. 2 - принципиальная схема устройства.

При изложении сведений, подтверждающих возможность осуществления изобретения, целесообразно более детально описать предложенное устройство, в частности, такие его узлы, как блок 1 (см. фиг. 1, 2) питания элементов устройства и формирования опорного напряжения, блок 2 сравнения сетевого напряжения, блок 3 управления исполнительным органом, блок 4 сравнения токов, блок 5 задержки срабатывания защиты по току и силовой ключ 6.

Отличительные существенные особенности этих блоков (см. фиг. 1, 2) заключаются в том, что блок 1 питания элементов устройства и формирования опорного напряжения составлен из ограничителя мощности на конденсаторе C1, подключенном через предохранитель F к первому из вводов питающей сети и между двумя последовательно соединенными диодами, анод первого из которых соединен с вторым вводом питающей сети. Катод второго диода блока 1 соединен с двухступенчатым стабилизатором опорного напряжения, выполненным, в частности, из стабилитронов (см. фиг. 2) VD3, VD4, конденсатора C2 и резистора R1 (см. фиг. 1). Выполнение блока питания в виде ограничителя мощности на конденсаторе является наиболее целесообразным вариантом этого блока применительно к предложенному устройству. Конструктивное выполнение двухступенчатого стабилизатора опорного напряжения 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. Именно необходимость обеспечения соотношения этих параметров в заявленных пределах предопределяет конструктивные особенности сочетания элементов стабилизатора опорного напряжения.

Блок ограничения мощности выполнен в виде соединенных между собой блока 2 сравнения сетевого напряжения с заданным, блока 4 сравнения токов, блока 5 задержки срабатывания защиты по току, блока 3 управления исполнительным органом и силового ключа 6. Блок 4 сравнения токов содержит составленный из совокупности взаимосвязанных элементов R6, D1.2 и VD7 узел сравнения регулируемого опорного напряжения с падением напряжения на токоизмерительном резисторе R13 (фиг. 2), включенном последовательно с нагрузкой. Блок сравнения токов 4 непосредственно подключен к первому входу блока 3 управления исполнительным органом и через блок 5 задержки срабатывания защиты по току подключен ко второму входу блока 3 управления исполнительным органом. При этом блок 5 задержки срабатывания защиты по току выполнен в виде двух взаимосвязанных узлов (см. фиг. 2) задержки, из которых конструктивное выполнение первого узла задержки (выход C-D, фиг. 2) определено поддержанием соотношения 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. Конструктивное выполнение второго узла задержки (выход D-E, фиг. 2) определено заданием соотношения интервала t3 времени задержки включения и t2, выбранных в пределах 5≤(t+βt3)/t3≤100, где β - экспериментальный коэффициент, определенный теплорассеивающими свойствами исполнительного органа, токоизмерительного резистора в пределах 0,4≤β≤1,7. Здесь также следует подчеркнуть, что именно необходимость обеспечения соотношения параметров t1, t2 и t3 в заявленных пределах предопределяет конструктивные особенности сочетания элементов блока 5 задержки.

В качестве дополнительных сведений о заявленном устройстве целесообразно описать следующие. Устройство состоит из изоляционного корпуса, с одной стороны которого расположены штыри для включения в стандартную розетку сетевого питания, а с другой - гнезда для включения стандартной вилки электроприборов нагрузки. Внутри изоляционного корпуса расположена печатная плата с элементами управления и защиты, радиатор с симистором, разъем стандартной розетки.

Принцип работы устройства заключается в сравнении напряжения сети и тока в нагрузке с заданными значениями и отключении нагрузки от сети при выходе этих параметров за заданные пределы. При восстановлении соответствия напряжения питающей сети с заданным значением, нагрузка подключается к питающей сети с заданной задержкой по времени. В случае сохранения превышения силы тока в нагрузке относительно заданного значения отключение повторится с заданной задержкой на включение и т.д.

Питание схемы осуществляется от сети через плавкий предохранитель F (см. фиг. 2) и выпрямитель на элементах C1, VD1, VD2. Конденсатор C1 ограничивает ток через стабилитрон VD3 на уровне 35 мА. Конденсатор C2 осуществляет фильтрацию стабилизированного напряжения. Задаваемое напряжение стабилизируется стабилитроном VD4. Резистор R1 ограничивает ток через стабилитрон на уровне 5 мА. Компаратор D1.1 сравнивает напряжение сети, приходящее на вход 05 с делителя R2, R3 и выпрямленное диодом VD5, с заданным напряжением. Компаратор D1.2 сравнивает напряжение, приходящее на вход 03 с измерительного резистора R13 и выпрямленное диодом VD7, которое пропорционально току через нагрузку, с заданным напряжением. Одновибратор D2.1, длительность генерируемого импульса которого регулируется резистором R9 в пределах 0 - 7 с, служит для задержки срабатывания токовой защиты в моменты включения защищаемого прибора.

Транзисторы VT2, VT3 управляют работой оптопары U, которая в свою очередь управляет силовым ключом VS. В нормальном режиме транзисторы VT2 и VT3 закрыты и светодиод оптопары U находится во включенном состоянии. Ключ VS открыт, нагрузка подключена к сети. При превышении напряжением сети установленного предела (например - 250 В), компаратор D1.1 срабатывает, что приводит к насыщению транзистора VT3. В результате этого транзистор VT3 открывается и шунтирует светодиод оптопары U и ключ запирается, т.е. нагрузка отключается от сети. При превышении тока через нагрузку заданного значения (номинальный ток устройства соответствует типоисполнению 1 - 6, смотри схему принципиальную), компаратор D1.2 срабатывает, что приводит к насыщению транзистора VT2. В результате этого транзистор VT2 открывается и шунтирует светодиод оптопары U и ключ запирается, т.е. нагрузка отключается от сети.

В моменты включения защищаемых приборов, имеющих индуктивный или емкостной характер нагрузки, возникают кратковременные броски тока. Для исключения срабатывания токовой защиты в переходном периоде служит одновибратор D2.1. Он генерирует импульс продолжительностью 0 - 7 с, который управляет транзистором VTI, шунтирующим базу транзистора VT2. Длительность импульса регулируется переменным резистором R9.

Время задержки повторного включения по напряжению определяется временем разряда конденсатора C3 через резистор R4 (при существующих номиналах R4 и C3 это - 2,2 с). Время задержки повторного включения по току определяется временем разряда конденсатора C7 через резистор R11 (при существующих номиналах R11 и C7 это - 2,2 с). В целях исключения опасного нагрева защищаемого прибора при повторных включениях, время задержки срабатывания защиты по току должно обеспечивать задержки повторного включения.

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. Функцию контроля напряжения осуществляют: блок 2 сравнения сетевого напряжения с заданным, блок управления исполнительным органом 3 и силовой ключ 6.

При превышении тока потребления в нагрузке выше заданного значения происходит отключение нагрузки от сети. Функцию контроля тока потребления в нагрузке осуществляют: блок сравнения токов 4, блок управления исполнительным органом 3 и силовой ключ 6. Устройство ограничивает и контролирует скачок мощности, возникающий в течение переходных процессов. Контроль и ограничение мощности осуществляется за счет ограничения времени переходного процесса и непрерывного контроля напряжения сети. Функцию контроля тока потребления в нагрузке с учетом времени переходного процесса осуществляют: блок сравнения токов 4, блок задержки срабатывания защиты по току 5, блок управления исполнительным органом 3 и силовой ключ 6.

Достигаемый технический результат, как показали данные экспериментов, может быть реализован только взаимосвязанной совокупностью всех существенных признаков заявленного объекта, отраженных в формуле изобретения. Указанные в ней отличия дают основание сделать вывод о новизне данного технического решения, а совокупность испрашиваемых притязаний в связи с их неочевидностью - о его изобретательском уровне, что доказывается также вышеприведенным детальным описанием заявленного объекта.

При сопоставлении прототипа и примеров оказалось целесообразным использовать в качестве параметра, характеризующего достигаемый технический результат, например, параметр, определяющий соотношение снижения погрешности задания устанавливаемых границ диапазона ограничиваемых мощностей по прототипу и предложенному техническому решению. В предложенном устройстве было достигнуто соотношение снижения погрешности задания устанавливаемых границ диапазона ограничиваемых мощностей в пределах от 0,001 до 1%, что в 3-40 раз лучше, чем у прототипа. Нижние и верхние значения заявленных пределов были получены на основе статистической обработки результатов экспериментальных исследований, анализа и обобщения их и известных из опубликованных источников данных, исходя из условия достижения указанного технического результата.

Кроме указанного выше технического результата практическое осуществление заявленного объекта позволяет обеспечить следующие его достоинства.

1. В одном устройстве собраны защита от перенапряжения и ограничитель потребления тока.

2. Подключение потребителя к сети после восстановления параметров питающей сети и тока потребления до заданных значений происходит автоматически.

3. Ограничитель потребления тока имеет регулируемую задержку на отключение.

4. Колебания напряжения сети от 160 В до 380 В не влияют на работоспособность устройства.

5. Измерение напряжения и тока идут непрерывно при наличии напряжения в сети питания.

6. Устройство не имеет и не требует отдельного источника питания.

7. Устройство имеет регулируемую задержку на включение сетевого питания при восстановлении параметров питающей сети и тока потребления до заданных значений.

8. Устройство имеет защиту от высоких гармонических составляющих.

9. Коммутация сетевого напряжения происходит при нулевом значении питающего напряжения (в момент перехода синусоиды через ноль).

10. Устройство имеет цветовую индикацию режимов работы.

11. Устройство выполнено в виде переходника между питающей розеткой и вилкой (штепсельным разъемом) питающего шнура потребителя.

12. Устройство имеет повышенные надежность и перегрузочную способность по напряжению и току, минимальные потери мощности в измерительных цепях и на ключе.

Изобретение может быть использовано в качестве защитных устройств ограничения мощности, потребляемой преимущественно бытовыми приборами, например компьютерами или телевизорами, из питающей сети. Техническим результатом является улучшение технических и экономических характеристик устройства с достижением технического результата в отношении снижения погрешности задания устанавливаемых границ диапазона ограничиваемых мощностей в пределах 0,001-1%. В устройство дополнительно введен узел регулируемого опорного напряжения сравнения падения напряжения на токоизмерительном резисторе, включенном последовательно с нагрузкой, соединенный с блоком сравнения токов. Блок сравнения токов 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 поддержанием соотношения 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, Конструктивное выполнение второго узла задержки определено заданием соотношения интервала t3 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. 2 ил.

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.