СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01R31/00 

Область техники

Данное изобретение относится к области оценки эксплуатационных показателей устройств и, в частности, к способу и приспособлению для контроля показателей энергоэффективности устройств.

Предпосылки изобретения

Электрическая энергия, допускающая непосредственное использование, в природе не встречается. Хотя в ходе некоторых природных явлений, например грома и молнии, генерируется определенное количество электрической энергии, ее затруднительно использовать в качестве источника питания. Соответственно, используемая человеком электрическая энергия получается путем преобразования механической, тепловой, химической или солнечной энергии и других видов энергии. Зачастую параметры электрической энергии, полученной путем преобразования механической, тепловой, химической или солнечной энергии, не соответствуют требованиям, установленным для ее использования; таким образом, необходимо еще одно преобразование одной формы электрической энергии в другую. Устройства, обеспечивающие преобразование и передачу энергии, распространены и находят широкое применение в повседневной жизни.

Электрическая энергия может быть разделена на две категории - переменный ток и постоянный ток, и устройства преобразования энергии могут быть разделены на четыре типа: преобразования переменного тока в переменный ток, преобразования переменного тока в постоянный ток, преобразования постоянного тока в переменный ток и преобразования постоянного тока в постоянный ток. Преобразование переменного тока в постоянный ток и преобразование постоянного тока в переменный ток относительно просты для понимания. В случае преобразования переменного тока в переменный ток параметры, которые могут подвергаться преобразованию, включают частоту, фазу, напряжение и силу тока. В случае преобразования постоянного тока в постоянный ток параметры, которые могут подвергаться преобразованию, включают напряжение и силу тока.

Способы контроля и оценки показателей электрического устройства могут быть грубо разделены на две категории:

Первый подход заключается в том, чтобы контролировать наличие вырабатываемой устройством энергии и исходя из этого осуществлять базовое управление работой устройства. Преимуществом данного способа является простота и удобство контроля, а недостатком - невозможность реализации всестороннего и точного управления работой устройства.

Второй подход заключается в том, чтобы отслеживать информацию о работе устройства, например о включении/отключении входного и выходного контуров, значениях напряжения, силы тока, температуры и т.п., в режиме реального времени внутри устройства, оснастив устройство интеллектуальным блоком контроля, и направлять соответствующую информацию в интеллектуальный блок контроля более высокого уровня для осуществления всестороннего и точного управления. Недостаток такого подхода заключается в том, что интеллектуальный блок контроля имеет сложную структуру, и, соответственно, необходимо обеспечить надежность указанного блока, поскольку как устройство, так и интеллектуальный блок контроля функционируют в относительно тяжелых рабочих условиях, например в условиях высокой температуры, высокой влажности, при наличии сильных помех, электростатических разрядов и т.п.

Как первый, так и второй способы не позволяют точно оценить эксплуатационные показатели контролируемого устройства в состоянии пониженной работоспособности, например снижения рабочих показателей и увеличения потерь, обусловленного тяжелыми условиями эксплуатации, усталостью материала и другими причинами.

Краткое описание изобретения

Принимая во внимание вышесказанное, основная цель данного изобретения - предложить способ и приспособление для контроля показателей энергоэффективности устройства с тем, чтобы решить связанную с законом сохранения энергии проблему, которая заключается в том, что установленный внутри устройства блок контроля недостаточно надежен, а для обеспечения всестороннего и точного управления работой устройства необходимо использовать сложную конструкцию.

Для достижения вышеуказанной цели данным изобретением предусмотрена описанная ниже техническая схема.

Согласно данному изобретению предложен способ контроля показателей энергоэффективности устройства, предусматривающий:

подключение контролируемого устройства, получение данных об энергии на входе и энергии на выходе контролируемого устройства за определенный период времени и расчет энергетического КПД (индекса энергоэффективности) контролируемого устройства; и

определение отклонения энергетического КПД от стандартного энергетического КПД контролируемого устройства и определение состояния контролируемого устройства исходя из отклонения энергетического КПД.

Определение состояния контролируемого устройства исходя из отклонения энергетического КПД включает определение состояния контролируемого устройства исходя из положения величины отклонения энергетического КПД в заранее установленном диапазоне отклонения энергетического КПД.

Набор возможных состояний включает исправное состояние, состояние пониженной работоспособности и неисправное состояние.

Указанный период времени представляет собой один или несколько полных циклов, выбранных исходя из циклических изменений энергетического КПД устройства.

Стандартный энергетический КПД (индекс энергоэффективности) представляет собой стандартный энергетический КПД в идеальном состоянии устройства, предоставленный производителем устройства.

Также согласно данному изобретению предложено приспособление для контроля показателей энергоэффективности устройства, которое подключается к контролируемому устройству извне и содержит модуль контроля энергии и модуль определения энергетического КПД, где

модуль контроля энергии предназначен для получения данных об энергии на входе и энергии на выходе контролируемого устройства за определенный период времени с целью передачи этих данных в модуль определения энергетического КПД;

модуль определения энергетического КПД предназначен для расчета энергетического КПД контролируемого устройства, определения отклонения энергетического КПД от стандартного энергетического КПД контролируемого устройства и определения состояния контролируемого устройства, исходя из отклонения энергетического КПД.

Модуль контроля энергии содержит подмодуль контроля энергии на входе и подмодуль контроля энергии на выходе, где

подмодуль контроля энергии на входе предназначен для получения данных об энергии на входе контролируемого устройства за указанный период времени с целью передачи этих данных в модуль определения энергетического КПД;

подмодуль контроля энергии на выходе предназначен для получения данных об энергии на выходе контролируемого устройства за указанный период времени с целью передачи этих данных в модуль определения энергетического КПД.

Способ и приспособление для контроля показателей энергоэффективности устройства согласно данному изобретению предусматривают первоначальное получение данных об энергии на входе и на выходе контролируемого устройства за определенный период времени с тем, чтобы для последующего определения использовались полученные в результате данные аккумулирования энергии, что позволяет исключить влияние текущих погрешностей. Далее, расчет энергетического КПД производится исходя из показателей энергии на входе и на выходе, затем определяется отклонение энергетического КПД от стандартного энергетического КПД, и, наконец, производится определение состояния контролируемого устройства исходя из диапазона отклонения энергетического КПД; таким образом, эксплуатационные показатели контролируемого устройства могут оцениваться с точки зрения третьей стороны. При этом процесс, предусмотренный способом согласно данному изобретению, прост в реализации, а конструкция приспособления отличается простотой, надежностью и обеспечивает высокую точность.

Краткое описание чертежей

На ФИГ.1 представлена блок-схема последовательности способа контроля показателей энергоэффективности устройства согласно данному изобретению.

На ФИГ.2 представлена блок-схема приспособления для контроля показателей энергоэффективности устройства согласно данному изобретению.

Предпочтительные варианты изобретения

Техническая схема данного изобретения подробно описана ниже со ссылками на прилагаемые чертежи и конкретные варианты осуществления.

На ФИГ.1 представлена блок-схема последовательности способа контроля показателей энергоэффективности устройства согласно данному изобретению. Как показано на ФИГ.1, способ контроля показателей энергоэффективности устройства включает перечисленные ниже шаги.

Шаг 101 предусматривает подключение к контролируемому устройству и получение данных об энергии на входе и на выходе контролируемого устройства за определенный период времени.

В частности, способ согласно данному изобретению отличается тем, что при необходимости в контроле подключение к контролируемому устройству осуществляется извне. Соответственно, необходимо вначале осуществить подключение к контролируемому устройству. Указанный период времени представляет собой выбранный период Т определения, то есть период между моментом t1 времени и моментом t2 времени. Длительность выбранного периода определения может выбираться с учетом различных особенностей контролируемого устройства. Как правило, если энергетический КПД устройства изменяется циклически, в качестве периода определения выбирается один или несколько полных циклов. Например, в качестве периода работы холодильной камеры может быть выбран промежуток времени между первым и вторым включениями компрессора или промежуток времени между первым и третьим включениями компрессора. Таким образом, можно гарантировать всестороннюю и точную оценку полученного в результате показателя энергетического КПД.

В течение выбранного периода времени, т.е. периода между моментами t1 и t2, вначале производится измерение значений входного напряжения u_in и входного тока i_in контролируемого устройства, а затем расчет энергии Е1 на входе контролируемого устройства.

$$E_1={\displaystyle {\int }_{t2}^{t1}{u}_{in}\left(t\right)*i_{in}\left(t\right)dt}$$

Аналогично, в течение периода времени между моментами t1 и t2 вначале производится измерение значений выходного напряжения u_out и выходного тока i_out контролируемого устройства, а затем расчет энергии Е2 на выходе контролируемого устройства: $$E_2={\displaystyle {\int }_{t2}^{t1}{u}_{out}\left(t\right)*i_{out}\left(t\right)dt}$$

В ходе шага 102 производится расчет энергетического КПД контролируемого устройства.

Более конкретно, энергетический КПД η равен: $$\eta =\frac{E2}{E1}*100\%$$ , где Е1 - энергия на входе, а Е2 - энергия на выходе. При уменьшении энергии Е2 на выходе энергетический КПД снижается; при увеличении энергии Е2 на выходе энергетический КПД возрастает.

Шаг 103 предусматривает определение отклонения энергетического КПД от стандартного энергетического КПД контролируемого устройства и определение состояния контролируемого устройства, исходя из отклонения энергетического КПД.

Стандартный энергетический КПД η_rat контролируемого устройства предоставляется производителем устройства. Производитель предоставит стандартный энергетический КПД в идеальном состоянии исходя из параметрических условий устройства, например процесса и материалов, использовавшихся для изготовления данного устройства. Стандартный энергетический КПД может представлять собой фиксированную величину или кривую энергетического КПД. Расчет отклонения энергетического КПД производится по формуле Δη=|η-η_rat|, где Δη - отклонение энергетического КПД, полученное путем вычитания Стандартного энергетического КПД из полученного на практике значения энергетического КПД.

Определение состояния контролируемого устройства исходя из отклонения энергетического КПД включает определение состояния контролируемого устройства исходя из предоставленного производителем диапазона отклонения энергетического КПД. Информация о диапазоне отклонения энергетического КПД предоставляется производителем исходя из комплексных факторов, в частности технологического процесса, материалов, типов изделий, используемых в изготовлении устройства, а также условий эксплуатации устройства. Пользователи также могут корректировать диапазон отклонения энергетического КПД с учетом конкретных условий эксплуатации. Диапазон отклонения энергетического КПД записывается в форме (Δη₁, Δη₂), где 0<Δη₁<Δη₂.

Установленный стандарт описывается следующим образом:

1.Если Δη≤Δη₁, показатели контролируемого устройства достигают стандарта и контролируемое устройство находится в исправном состоянии.

2. Если Δη₁≤Δη≤Δη₂, энергетический КПД контролируемого устройства снижается, отклонение энергетического КПД возрастает, рабочие показатели снижаются и устройство находится в состоянии пониженной работоспособности.

3. Если Δη₂≤Δη, энергетический КПД контролируемого устройства заметно снижается, отклонение энергетического КПД существенно возрастает и устройство находится в неисправном состоянии.

Далее описание способа контроля показателей энергоэффективности устройства согласно данному изобретению описывается на примере.

В устройстве преобразования переменного тока в постоянный входные параметры включают диапазон входного напряжения 80-300 В, номинальное входное напряжение 220 В, максимальный допустимый входной ток 18 А, а выходные параметры включают диапазон выходного напряжения 42-58 В, номинальное выходное напряжение 48 В, максимальный выходной ток 55 А и номинальный выходной ток 50 А. Рабочая температура составляет от -20°C до +50°C, энергетический КПД равен η_rat=94%, а диапазон отклонения энергетического КПД составляет (Δη₁=3%, Δη₂=5%).

Если подводимая энергия Е1 на входе составляет 2500 Дж, а энергия Е2 на выходе составляет 2325 Дж, η составляет около 93%, а Δη равняется 1%. Исходя из диапазона отклонения энергетического КПД можно заключить, что устройство находится в исправном состоянии.

Если подводимая энергия Е1 на входе составляет 2500 Дж, а энергия Е2 на выходе составляет 2250 Дж, η составляет около 90%, а Δη равняется 4%. Исходя из диапазона отклонения энергетического КПД можно заключить, что устройство находится в состоянии пониженной работоспособности.

Если подводимая энергия Е1 на входе составляет 2500 Дж, а энергия Е2 на выходе составляет 2075 Дж, η составляет около 83%, a Δη равняется 11%. Исходя из диапазона отклонения энергетического КПД можно заключить, что устройство находится в неисправном состоянии.

На ФИГ. 2 представлена блок-схема приспособления для контроля показателей энергоэффективности устройства согласно данному изобретению. Как показано на ФИГ. 2, приспособление подключается извне к контролируемому устройству и содержит модуль 20 контроля энергии и модуль 23 определения энергетического КПД.

Модуль 20 контроля энергии предназначен для получения данных об энергии на входе и энергии на выходе контролируемого устройства за определенный период времени с целью передачи этих данных в модуль 23 определения энергетического КПД.

В частности, модуль 20 контроля энергии также содержит подмодуль 21 контроля энергии на входе и подмодуль 22 контроля энергии на выходе.

Подмодуль 21 контроля энергии на входе предназначен для получения данных об энергии на входе контролируемого устройства за указанный период времени с целью передачи этих данных в модуль 23 определения энергетического КПД.

В частности, указанный период времени может выбираться с учетом различных особенностей контролируемого устройства. Как правило, если энергетический КПД устройства изменяется циклически, в качестве периода определения выбирается один или несколько полных циклов. Например, в качестве периода работы холодильной камеры может быть выбран промежуток времени между первым и вторым включениями компрессора или промежуток времени между первым и третьим включениями компрессора. Таким образом можно гарантировать всестороннюю и точную оценку полученного в результате показателя энергетического КПД.

Подмодуль 22 контроля энергии на выходе предназначен для получения данных об энергии на выходе контролируемого устройства за указанный период времени с целью передачи этих данных в модуль 23 определения энергетического КПД.

Контроль энергии Е2 на выходе и энергии Е1 на входе осуществляется одновременно.

Модуль 23 определения энергетического КПД предназначен для расчета энергетического КПД контролируемого устройства, определения отклонения энергетического КПД от стандартного энергетического КПД контролируемого устройства и определения состояния контролируемого устройства исходя из отклонения энергетического КПД.

Более конкретно, энергетический КПД η равен $$\eta =\frac{E2}{E1}*100\%$$ , где Е1 - энергия на входе, а Е2 - энергия на выходе. При уменьшении энергии Е2 на выходе энергетический КДП снижается; при увеличении энергии Е2 на выходе энергетический КДП возрастает. Стандартный энергетический КПД η_rat контролируемого устройства предоставляется производителем устройства. Производитель предоставляет стандартный энергетический КПД в идеальном состоянии исходя из параметрических условий устройства, например процесса и материалов, использовавшихся для изготовления данного устройства. Стандартный энергетический КПД может представлять собой фиксированную величину или кривую энергетического КПД. Расчет отклонения энергетического КПД производится по формуле Δη=|η-η_rat|, где Δη - отклонение энергетического КПД, полученное путем вычитания стандартного энергетического КПД из полученного на практике значения энергетического КПД.

Определение состояния контролируемого устройства исходя из отклонения энергетического КПД включает определение состояния контролируемого устройства исходя из предоставленного производителем диапазона отклонения энергетического КПД. Информация о диапазоне отклонения энергетического КПД предоставляется производителем исходя из множества различных факторов, в частности технологического процесса, материалов, типов изделий, используемых в изготовлении устройства, а также условий эксплуатации устройства. Пользователи также могут корректировать диапазон отклонения энергетического КПД с учетом конкретных условий эксплуатации. Диапазон отклонения энергетического КПД записывается в форме (Δη₁, Δη₂), где 0<Δη₁<Δη₂ Установленный стандарт описывается следующим образом:

1.Если Δη≤Δη₁, показатели контролируемого устройства достигают стандарта и контролируемое устройство находится в исправном состоянии.

2. Если Δη≤Δη≤Δη₂, энергетический КПД контролируемого устройства снижается, отклонение энергетического КПД возрастает, рабочие показатели снижаются и устройство находится в состоянии пониженной работоспособности.

3. Если Δη₂≤Δη, энергетический КПД контролируемого устройства заметно снижается, отклонение энергетического КПД существенно возрастает и устройство находится в неисправном состоянии.

Преимущества способа и приспособления, предложенных согласно данному изобретению, перечислены ниже.

1) Конструкция приспособления согласно данному изобретению отличается простотой, надежностью и обеспечивает высокую точность.

2) Использование данного изобретения позволяет получить результат определения в течение соответствующего периода, что обеспечивает эффективную работу в режиме реального времени.

3) Данное изобретение предусматривает использование полученных в результате данных аккумулирования энергии, что позволяет исключить влияние текущих погрешностей; соответственно, данная система обладает высокой помехоустойчивостью.

4) Приспособление согласно данному изобретению обеспечивает оценку эксплуатационных показателей контролируемого устройства с точки зрения третьей стороны и относительно мало зависит от контролируемого устройства. Нормальность функционирования приспособления контроля рабочих показателей согласно данному изобретению не сказывается на работе контролируемого устройства, благодаря чему обеспечивается высокая надежность.

5) Данное изобретение может быть адаптировано к различным типам устройств преобразования и передачи энергии разных производителей и с разными КПД и, соответственно, обладает универсальностью в области преобразования или передачи энергии.

6) Согласно данному изобретению диапазон отклонения энергетического КПД является регулируемым фактором, который может быть легко отрегулирован и обладает высокой гибкостью.

Данное изобретение обеспечивает контроль энергетического КПД устройства в режиме реального времени и общую оценку эксплуатационных показателей контролируемого устройства, в том числе определение исправного состояния, состояния пониженной работоспособности и неисправного состояния, и обеспечивает следующие преимущества:

1) Возможность определения, замены и ремонта неисправного устройства, что способствует более стабильной работе системы.

2) Возможность определения состояния пониженной работоспособности для устройств преобразования энергии, что облегчает поиск устройств с высоким потреблением энергии с тем, чтобы начать реализацию плана использования запчастей; при этом устройства с высоким потреблением энергии отбраковываются, что позволяет уменьшить потери энергии на устройствах, снизить эксплуатационные издержки и защитить интересы инвесторов. Сегодня, когда нехватка энергии становится все более серьезной, данное изобретение имеет важное значение для экономии энергии, сокращения выбросов и построения экологической модели с рациональным использованием энергии.

3) В области преобразования электрической энергии израсходованная энергия обычно преобразуется в тепловую, поэтому раннее выявление перегрева или возможных точек возгорания способствует повышению безопасности среды, в которой работает устройство, а также личной безопасности, позволяет повысить надежность функционирования системы, что, в свою очередь, позволяет избежать серьезных аварий, в том числе пожара и крупномасштабных сбоев в системе электроснабжения, и обеспечить своевременное оповещение, позволяющее избежать распространения отказов.

Приведенное выше описание относится только к предпочтительным вариантам данного изобретения и ставит своей целью ограничить объем данного изобретения. Любые изменения и эквивалентные замены, соответствующие духу данного изобретения, включены в объем данного изобретения.

Заявленная группа изобретений относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения энергетического КПД. Способ контроля показателей энергоэффективности устройства предусматривает подключение контролируемого устройства, получение данных об энергии на входе и энергии на выходе контролируемого устройства за определенный период времени, расчет энергетического КПД контролируемого устройства, определение отклонения энергетического КПД от стандартного энергетического КПД контролируемого устройства и определение состояния контролируемого устройства исходя из отклонения энергетического КПД. При этом подмодуль контроля энергии на входе и подмодуль контроля энергии на выходе получают данные об энергии за один или несколько полных циклов, выбранных исходя из циклических изменений энергетического КПД устройства. Устройство для контроля показателей энергоэффективности устройства содержит модуль контроля энергии и модуль определения энергетического КПД. Модуль контроля энергии предназначен для получения данных об энергии на входе и энергии на выходе контролируемого устройства и передачи этих данных в модуль определения энергетического КПД. Модуль определения энергетического КПД предназначен для расчета энергетического КПД . Технический результат - повышение точности измерений, обеспечение простого и надежного механизма контроля энергетического КПД устройств. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля показателей энергоэффективности устройства, предусматривающий:
подключение контролируемого устройства, получение данных об энергии на входе и энергии на выходе контролируемого устройства за определенный период времени и расчет энергетического КПД контролируемого устройства; и
определение отклонения энергетического КПД от стандартного энергетического КПД контролируемого устройства и определение состояния контролируемого устройства исходя из отклонения энергетического КПД;
при этом период времени представляет собой один или несколько полных циклов, выбранных исходя из циклических изменений энергетического КПД устройства.

2. Способ по п.1, где определение состояния контролируемого устройства исходя из отклонения энергетического КПД включает определение состояния контролируемого устройства исходя из положения величины отклонения энергетического КПД в заранее установленном диапазоне отклонения энергетического КПД.

3. Способ по п.2, где набор возможных состояний включает исправное состояние, состояние пониженной работоспособности и неисправное состояние.

4. Способ по п.1 или 2, где стандартный энергетический КПД представляет собой стандартный энергетический КПД в идеальном состоянии устройства.

5. Приспособление для контроля показателей энергоэффективности устройства, которое подключается снаружи к контролируемому устройству и содержит модуль контроля энергии и модуль определения энергетического КПД, где
модуль контроля энергии предназначен для получения данных об энергии на входе и энергии на выходе контролируемого устройства за определенный период времени с целью передачи этих данных в модуль определения энергетического КПД;
модуль определения энергетического КПД предназначен для расчета энергетического КПД контролируемого устройства, определения отклонения энергетического КПД от стандартного энергетического КПД контролируемого устройства и определения состояния контролируемого устройства исходя из отклонения энергетического КПД;
при этом период времени, в течение которого подмодуль контроля энергии на входе и подмодуль контроля энергии на выходе получают данные об энергии, представляет собой один или несколько полных циклов, выбранных исходя из циклических изменений энергетического КПД устройства.

6. Приспособление по п.5, где модуль контроля энергии содержит подмодуль контроля энергии на входе и подмодуль контроля энергии на выходе, где
подмодуль контроля энергии на входе предназначен для получения данных об энергии на входе контролируемого устройства за указанный период времени с целью передачи этих данных в модуль определения энергетического КПД;
подмодуль контроля энергии на выходе предназначен для получения данных об энергии на выходе контролируемого устройства за указанный период времени с целью передачи этих данных в модуль определения энергетического КПД.

7. Приспособление по п.5 или 6, где модуль определения энергетического КПД, определяющий состояние контролируемого устройства исходя из отклонения энергетического КПД, содержит модуль определения энергетического КПД, определяющий состояние контролируемого устройства исходя из положения величины отклонения энергетического КПД в заранее установленном диапазоне отклонения энергетического КПД.

8. Приспособление по п.5 или 6, где стандартный энергетический КПД, используемый модулем определения энергетического КПД, представляет собой стандартный энергетический КПД в идеальном состоянии устройства.