БЕСПРОВОДНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЭНЕРГИИ В ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ЦЕПИ Российский патент 2021 года по МПК H02H3/00 H02H3/16 

Область техники

[0001] Изобретение относится к выключателям и, в частности, к беспроводным выключателям.

Уровень техники

[0002] Выключатели обеспечивают защиту в электрических системах, контролируя характеристики электрической мощности, подаваемой на нагрузки по электрическим проводам и разрывая или размыкая цепи (отключение) при обнаружении условий отказа (например, дуговых замыканий, замыканий на землю и небезопасных уровней “сверхтока”). Выключатели обычно устанавливаются в электрощитах, или центрах распределения нагрузки, часто в электрощитовых для коммерческих применений и подвалах для бытовых применений.

[0003] Многие устанавливаемые в настоящее время электрощиты обеспечивают электрикам и потребителям лишь ограниченную информацию о природе условий отказа, характерных для выключателей. Например, бытовой потребитель способен лишь определить, что выключатель отключился, не зная, почему. Усовершенствованные выключатели включают в себя схему для обнаружения дуговых замыканий и замыканий на землю. Замыкания на землю могут происходить, когда электрический ток не сбалансирован между линейным проводом, находящимся под напряжением, и нейтральным проводом, например, когда ток уходит в землю через человека, случайно коснувшегося цепи. Дуговые замыкания происходят с опасным зажиганием дуги вследствие дефектной или поврежденной проводки, переключателей и т.д. Выключатели, предназначенные для обнаружения замыканий на землю и дуговых замыканий, могут включать в себя схему для контроля линейного тока параллельной цепи, к которой подключен выключатель, и контроллер для обработки данных, регистрируемых из линейного тока. Контроллер также может включать в себя память для хранения таких данных. Однако эти данные обычно используются выключателем только для принятия решения на отключение. Опять же, потребитель или электрик может определить, что выключатель отключился, но не может узнать условия, вызвавшие отключение.

[0004] Эти данные, если бы они были доступны извне выключателя, были бы полезны для контроля отдельной параллельной цепи в течение продолжительного периода времени, и также совместно с аналогичными данными от других выключателей в системе, пригодны для контроля системы в целом. Например, можно отслеживать потребление электроэнергии на отдельных параллельных цепях, неисправность проводки можно выявлять до отключения цепи и т.д. По мере распространения технологии интеллектуальной сети, становится более желательным извлекать из выключателей как можно больше информации.

[0005] Однако модернизировать существующую электрическую систему схемой, способной контролировать и объединять данные от множества выключателей, трудно и дорого. Например, может потребоваться модифицировать существующие выключатели дополнительной схемой и внешними проводными соединениями, чтобы собирать и предоставлять информацию о состоянии параллельной цепи. Кроме того, может потребоваться модернизация электрощитов дополнительной схемой для сопряжения с дополнительными проводными соединениями модифицированных выключателей. Дополнительные трудозатраты, необходимые для установки дополнительной схемы, которая обычно осуществляется электриком или инженером, могут быть сложными и дорогостоящими. В подобных случаях, может быть более экономичным устанавливать полностью новый электрощит с новыми выключателями вместо модернизации существующего оборудования.

[0006] Кроме того, зачастую важное значение в электрощитах представляет свободное место. По мере того, как потребности потребителя в электронике возрастают, существующие электрические системы должны обеспечивать более высокое потребление электроэнергии. Миниатюрные выключатели (“MCB”) были внедрены для максимизации свободного места в электрощитах. В настоящее время MCB широко используются для бытовых выключателей и включают в себя существенную базу установленного оборудования. Добавление функциональных возможностей MCB желательно ввиду возможности пользоваться преимуществом большой базы установленного оборудования. Однако модернизация MCB усложняется из-за того, что эти пакеты уже ограничены по свободному месту. Вследствие ограниченного свободного места в щите, часто оказывается непрактично модернизировать существующий выключатель, дополняя его компонентами и проводкой вне корпуса выключателя и внутри щита. Например, в промежутке для размещения параллельной цепи щита может оказаться недостаточно места для размещения таких компонентов, как трансформаторов тока и соответствующей проводки. Это оказывается тем более сложной и дорогостоящей задачей, что компоненты вне пакета выключателей подвержены повреждению и нуждаются в защите какой-либо разновидностью корпуса, что увеличивает затраты на материалы и уменьшает свободное место за счет размещения дополнительных компонентов. Таким образом, конструкторы сталкиваются с дилеммой, состоящей в том, что, с одной стороны, ограничения на свободное место в электрощите препятствуют увеличению размера дополнительных компонентов существующих выключателей, и, с другой стороны, малый размер выключателей затрудняет увеличение их функциональных возможностей в самих существующих пакетах выключателей.

Сущность изобретения

[0007] Настоящим изобретением предусмотрены выключатели, которые осуществляют беспроводную передачу информации о состоянии и отказе на главный модуль контроля энергии. В одном варианте осуществления, беспроводной приемопередатчик встроен в корпус выключателя и подключен к контроллеру в выключателе. Беспроводной выключатель включает в себя источник питания, который индуктивно отбирает энергию из линейного провода с помощью трансформатора тока, окружающего провод, без необходимости в подключении к нейтральному проводу.

[0008] Соответственно, беспроводной выключатель можно реализовать с использованием тех же размеров пакета, что и существующие выключатели, что позволяет беспроводному выключателю быть упрощенной заменой в существующем щите. В частности, беспроводные функциональные возможности и источник питания можно реализовать в существующем размере пакета бытового MCB, и, таким образом, они могут служить упрощенной заменой для существующего MCB в базе установленного оборудования. Это избавляет от необходимости в замене щита при модернизации в систему, в которой используется главный модуль контроля энергии. Это также минимизирует любые дополнительные материалы и трудозатраты, необходимые для установки беспроводных выключателей по сравнению с существующими выключателями.

[0009] Согласно другому аспекту изобретения, беспроводной выключатель включает в себя устройство накопления энергии, например, конденсатор или аккумулятор, для подачи питания на выключатель после его отключения. Это позволяет выключателю осуществлять беспроводную передачу данных о наличии отключения, совместно с информацией об условиях, вызвавших отключение, на главный модуль контроля энергии после того, как происходит отключение.

[0010] Главный модуль контроля энергии включает в себя процессор для оценивания информации от одной или более параллельных цепей, принятой посредством беспроводной связи от беспроводных выключателей. Главный модуль контроля энергии включает в себя шлюз для сопряжения с другими приложениями, например, веб-страницами и смартфонами. Ценную информацию, включающую в себя наличие и обстоятельства отключения, можно собирать и отправлять непосредственно потребителю или электрику посредством веб-страниц и смартфонов.

Краткое описание чертежей

[0011] Вышеупомянутые и другие преимущества изобретения поясняются с помощью нижеследующего подробного описания, приведенного со ссылкой на чертежи.

[0012] фиг. 1 - блок-схема системы контроля выключателя в соответствии с аспектом изобретения;

[0013] фиг. 2 - блок-схема выключателя в соответствии с аспектом изобретения;

[0014] фиг. 3 - блок-схема выключателя, отличного от показанного на фиг. 2; и

[0015] фиг. 4 - блок-схема выключателя, отличного от показанного на фиг. 2 и 3.

[0016] Хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, конкретные варианты осуществления представлены в порядке примера на чертежах и будут подробно описаны ниже. Однако следует понимать, что изобретение не подлежит ограничению конкретными раскрытыми формами. Напротив, изобретение охватывает все модификации, эквиваленты, и альтернативы, отвечающие сущности и объему изобретения, определяемых нижеследующей формулой изобретения.

Подробное описание проиллюстрированных вариантов осуществления

[0017] На фиг. 1 показана блок-схема системы 100 контроля выключателя. Система 100 контроля выключателя включает в себя электрощит 110 с множеством выключателей 112. Каждый выключатель 112 включает в себя радиопередатчик/приемник (“приемопередатчик”) 114 для беспроводной передачи и приема данных. Щитом 110 может быть существующий щит, в котором один или более существующих выключателей заменено беспроводными выключателями 112.

[0018] Система 100 контроля выключателя также включает в себя главный модуль контроля энергии (“главный модуль”) 116, дистанцированный от электрощита 110. Главный модуль 116 включает в себя радиоприемопередатчик 118 для приема данных, передаваемых радиоприемопередатчиками 114 выключателей 112. Он также включает в себя ЦП 130 (например, микропроцессор, контроллер и т.д.), подключенный к приемопередатчику 118, для обработки информации, принятой от выключателей 112. Главный модуль 116 может быть объединен со щитом 110 или физически удален от него на расстояние, разрешенное протоколом передачи и мощностью радиоприемопередатчиков 114.

[0019] Каждый из выключателей 112 показан как однополюсный выключатель, который измеряет характеристики тока (например, силу тока в амперах) на единичной параллельной цепи и передает эту информацию на главный модуль 116. Один выключатель 113, например, двухполюсный выключатель, также измеряет и собирает данные напряжения из каждой фазы и передает эти данные, с использованием беспроводного приемопередатчика 115, на главный модуль 116. Альтернативно, данные напряжения можно измерять и собирать с помощью нескольких однополюсных выключателей 112 посредством схемы измерения напряжения. Согласно другой альтернативе, главный модуль 116 может измерять напряжение щита непосредственно с использованием модуля 132 измерения напряжения, подключенного непосредственно к щиту.

[0020] Главный модуль 116 собирает передаваемые в беспроводном режиме данные из всех параллельных цепей и осуществляет расчеты для получения данных энергопотребления, представляющих интерес для потребителей и электриков, контролирующих отдельные параллельные цепи или систему 100. Выключатели 112 также могут передавать другие данные, например, события и предупреждающие сигналы “отключен” или “близок к отключению”. Выключатели 112 также могут передавать данные от усовершенствованных защитных функций. После того, как данные от выключателей 112 получены главным модулем 116, их можно обрабатывать, анализировать и передавать различным другим приложениям.

[0021] Блок-схема беспроводного выключателя 200 показана на фиг. 2. Выключатель 200 показан как однофазный выключатель, хотя принципы изобретения применимы и к многофазным выключателям. Выключатель 200 включает в себя корпус 210 заключающий в себе схему выключателя. Корпус 210 может представлять собой стандартный пакет MCB, позволяющий использовать выключатель 200 в качестве вставной замены, например, для существующего бытового MCB в парке установленного оборудования. Выключатель 200 принимает линейный ток по линейному проводу 212 параллельной цепи. Выключатель 200 также подключен к нагрузке 214 через линейный провод 212. Нагрузка 214 также подключена к нейтральному проводу 216. Напряжение, подаваемое на нагрузку 214, между линейным проводом 212 и нейтральным проводом 216 обычно равно 120 В или 240 В. Выключатель 200 не подключен к нейтральному проводу 216.

[0022] Выключатель 200 включает в себя цепь 218 отключения, которая может включать в себя соленоид отключения, который размыкает цепь, прерывая ток, текущий в линейном проводе 212, когда ток превышает порог. В состав выключателя 200 могут входить другие стандартные компоненты защиты от сверхтока (не показаны). Выключатель 200 также включает в себя контрольно-измерительную цепь 220, которая регистрирует характеристики линейного тока, например, силу тока, частоту тока и т.д. Контрольно-измерительная цепь 220 подключена к цепи 218 отключения и может отправлять инструкции цепи 218 отключения для отключения и размыкания линейного провода 212. Контрольно-измерительная цепь 220 включает в себя устройство регистрации тока, например, трансформатор 222 тока, который может представлять собой катушку, которая окружает линейный провод 212 внутри корпуса 210 и генерирует ток, пропорциональный линейному току в линейном проводе 212. Альтернативно, устройство измерения тока может представлять собой резистивный шунт, датчик Холла или другие устройства, которые регистрируют характеристики тока на линейном проводе 212. Контрольно-измерительная цепь 220 также включает в себя центральный процессор (ЦП), контроллер или процессор. ЦП контрольно-измерительной цепи 220 может выполнять программу из сохраненных инструкций для одного или более аспектов описанных здесь способов и систем. Эти инструкции могут храниться в памяти 224, например, оперативной памяти (ОЗУ) или постоянной памяти (ПЗУ). Память 224 может быть объединена с ЦП или представлять собой отдельный модуль. Контрольно-измерительная цепь 220 может записывать регистрируемые характеристики линейного тока в течение периода времени (например, одной секунды, одной минуты и т.д.) и сохранять их в памяти 224.

[0023] Выключатель 200 также включает в себя приемопередатчик 226 для передачи информации от выключателя 200 на главный модуль 116. Приемопередатчик 226 может передавать информацию на радиочастотах с использованием любого из ряда протоколов, например, wi-fi, Bluetooth, Zigbee и т.д. Контрольно-измерительная цепь 220 и приемопередатчик 226 могут быть выполнены с возможностью передачи на главный модуль 116 информации о регистрируемых характеристиках, хранящихся в памяти, на регулярной основе (например, каждую секунду, каждую минуту, и т.д.) или после определенного события (например, отключения выключателя). Например, контрольно-измерительная цепь 220 может дискретизировать выходной сигнал трансформатора 222 тока на частоте дискретизации, и приемопередатчик 226 может периодически отправлять дискретизированную информацию состояния о токе, текущем через параллельную цепь, связанную с выключателем 200, на главный модуль 116, который может записывать эту информацию в течение продолжительного периода времени, связывать информацию измеренного тока с напряжением, связанным с этой параллельной цепью, и предоставлять электрику или потребителю информацию об энергопотреблении на этой линии.

[0024] Выключатель 200 также включает в себя источник 228 питания для подачи питания на компоненты выключателя 200. Например, источник 228 питания подключен к контрольно-измерительной цепи 220 и приемопередатчику 226 для подачи питания на эти компоненты. Поскольку пакет выключателей этого типа обычно не имеет нейтрального соединения, питание для контрольно-измерительной цепи 220 и приемопередатчика 226 подается посредством тока нагрузки с использованием трансформатора 230 тока, расположенного вокруг провода 212 нагрузки внутри выключателя 200. Таким образом, источник 228 питания может быть выполнен с возможностью индуктивного отбора мощности из линейного тока, а не из отдельной линии в соединении с нейтралью. Альтернативно, трансформатор 222 тока, используемый для регистрации также может быть подключен к источнику 228 питания для генерации индукционного тока для обеспечения питания выключателя 200. Поскольку источник 228 питания генерирует мощность непосредственно из тока, индуцируемого линейным током, нет необходимости в дополнительном соединении линии с нейтралью с выключателем 200. Соответственно, выключатель 200 может служить упрощенной заменой для существующих выключателей того же форм-фактора, без необходимости в особой проводке или установке.

[0025] Когда выключатель отключает (например, цепь 218 отключения отключает и размыкает линейный провод 212), источник 228 питания больше не может отбирать мощность из линейного провода 212. Для обеспечения питания для работы выключателя во время и после отключения, выключатель 200 включает в себя устройство 232 накопления энергии, подключенное к источнику 228 питания. Устройство накопления энергии может представлять собой конденсатор, который заряжается источником 228 питания в течение периодов, когда источник 228 питания генерирует мощность из линейного провода 212. Альтернативно, устройство 232 накопления энергии может представлять собой аккумулятор. Конденсатор может быть более или менее экономичным, чем аккумулятор, тогда как аккумулятор может быть способен обеспечивать питание в течение более длительного периода во время и после отключения.

[0026] Поскольку устройство 232 накопления энергии может подавать мощность на источник 228 питания после события отключения, выключатель 200 может использовать эту мощность для передачи информации на главный модуль 116 в момент или после события отключения. Например, когда выключатель 200 отключается, контрольно-измерительная цепь 220 может извлекать самую последнюю информацию о линейном токе из памяти 224 и предписывать приемопередатчику 226 передавать эту информацию на главный модуль 116. Эта информация может включать в себя наличие отключения и информацию о состоянии (например, характеристики тока непосредственно перед отключением, включающие в себя силу и частоту тока в течение измеренного периода времени). Эта информация может использоваться главным модулем 116 для помощи в понимании причины отключения параллельной цепи, связанной с выключателем 200.

[0027] Выключатель 200 также может включать в себя акселерометр 234, выполненный с возможностью обнаружения события отключения. Когда цепь 218 отключения отключается, высвобождается механическая энергия, которая встряхивает выключатель 200. Акселерометр 234 может обнаруживать движение, связанное с высвобождением механической энергии, и отправлять на контрольно-измерительную цепь 220 сигнал, указывающий отключение. Контрольно-измерительная цепь 220 может использовать сигнал от акселерометра 234 в качестве указания, когда нужно инициировать передачу информации об отключении и о состояниях на главный модуль.

[0028] Выключатель 200 также включает в себя пользовательский интерфейс 236, подключенный к контрольно-измерительной цепи 220. Пользовательский интерфейс 236 включает в себя например, ЖК дисплей, который отображает указание, что ток параллельной цепи близок к порогу или выше него, например, текущий рейтинг. Пользовательский интерфейс также может включать в себя кнопки, которые активируют опции выключателя, например, функциональные возможности “тестирование нажатием”, позволяющие удостовериться в том, что выключатель 200 работает правильно и/или кнопку для принудительной передачи информации на главный модуль 116.

[0029] На фиг. 3 показана блок-схема другого беспроводного выключателя 300. Выключатель 300 включает в себя ЦП или микропроцессор 310 и приемопередатчик 312 для передачи информации от ЦП 310 на главный модуль 116. ЦП 310 включает в себя память для хранения инструкций, исполняемых ЦП 310, и для хранения данных, собранных ЦП 310 для передачи. Выключатель 300 включает в себя цепь 314 отключения, подключенную к ЦП 310 и к линейному проводу 316, несущему ток для параллельной цепи, связанной с выключателем 300. Цепь 314 отключения может включать в себя, например, соленоид отключения и другую схему, например, конденсатор для хранения энергии для отключения соленоида отключения.

[0030] Выключатель 300 включает в себя электронику для регистрации и измерения различных характеристик мощности, проводимой на линейном проводе 316. Например, выключатель 300 может включать в себя модуль 318 измерения напряжения для измерения напряжения питания на линейном проводе 316. Для измерения напряжения, выключатель 300 принимает нейтральное соединение 319 для измерения напряжения между линией и нейтралью. Если выключателю 300 не нужно измерять напряжение, нейтральное соединение 319 и модуль 318 измерения напряжения можно исключить.

[0031] Выключатель 300 включает в себя трансформатор 320 тока, выполненный с возможностью генерации индукционного тока из тока, текущего в линейном проводе 316. Трансформатор 320 тока подключен к модулю 322 линейного тока, который регулирует линейный ток, подлежащий приему портом АЦП ЦП 310. ЦП 310 измеряет сигнал, принятый от модуля 322 линейного тока, для определения силы линейного тока на линейном проводе 316. Трансформатор 320 тока также подключен к множеству фильтров 324, которые могут быть аналоговыми фильтрами. Фильтры 324 могут, например, обеспечивать прохождение определенных частот через порты АЦП ЦП 310. Контролируя эти порты, ЦП может идентифицировать частоты линейного тока на линейном проводе 316, которые указывают условия отказа. ЦП 310 также может измерять и записывать частоты для анализа.

[0032] Выключатель 300 также включает в себя измерительную цепь 326 дугового замыкания, которая регистрирует условия опасного дугового замыкания. Измерительная цепь 326 дугового замыкания подключена к ЦП 310 и выполнена с возможностью отправки на ЦП 310 сигнала дугового замыкания после обнаружения дугового замыкания. Приняв сигнал дугового замыкания, ЦП 310 может предписывать цепи 314 отключения размыкать цепь. ЦП 310 также может сохранять указание дугового замыкания и состояния линейного тока. ЦП 310 также может предписывать приемопередатчику 312 передавать указание и информацию о состоянии на главный модуль 116. Выключатель 300 также может включать в себя акселерометр 328 подключенный к ЦП 310 для обнаружения высвобождения механической энергии из цепи 314 отключения, когда он размыкает цепь как объяснено выше.

[0033] Источник 330 питания подает питание на компоненты выключателя 300, включающие в себя ЦП 310, приемопередатчик 312, модуль 318 измерения напряжения, модуль 322 линейного тока, фильтры 324, цепь 326 датчика замыкания на землю и акселерометр 328. Источник 330 питания включает в себя трансформатор 332 тока для генерации индукционного тока из линейного провода 316. Альтернативно, источник 330 питания может быть подключен к трансформатору 320 тока, который может подавать индуцируемый ток. Когда для подачи питания и для подачи представления линейного тока для измерения используется один и тот же трансформатор тока, можно сэкономить на свободном месте в выключателе 300. Источник 330 питания также может быть подключен к устройству 334 накопления энергии, например, конденсатору или аккумулятору. Устройство 334 накопления энергии может подавать питание на компоненты выключателя после размыкания цепи, например, для передачи информации об отключении и о состоянии на главный модуль 116. Выключатель 300 также может включать в себя схему для других функциональных возможностей, например, схему 336 тестирования нажатием, подключенную к ЦП 310 и также подключенную к пользовательскому интерфейсу (не показан).

[0034] Блок-схема другого выключателя 400 показана на фиг. 4. Выключатель 400 подключен к линейному проводу 410 и нейтральному проводу 412. Цепь 414 отключения, которая может включать в себя соленоид отключения и конденсатор, показана размыкающей нейтральный провод 412, хотя она также может размыкать линейный провод 410. Цепь 414 отключения подключена к ЦП 416, который принимает входной сигнал от измерительной схемы и предписывает цепи 414 отключения производить отключение при регистрации условия отказа. Например, измерительная схема может включать в себя модуль 418 регистрации напряжения, который включает в себя схему для сравнения напряжения на линейном проводе 410 и нейтральном проводе 412 и отправки сигнала, представляющего это напряжение, на порт АЦП ЦП 416. Измерительная схема также может включать в себя модуль 420 линейного тока и набор фильтров 422 для отправки на ЦП 416 сигналов, указывающих силу и частоту линейного тока, соответственно. Модуль 420 линейного тока и фильтры 422 подключены к трансформатору 424 тока, который генерирует индукционный ток, представляющий ток, текущий через линейный провод 410. Выключатель 400 включает в себя приемопередатчик 428, подключенный к ЦП 416, для передачи данных от ЦП 416 на главный модуль 116.

[0035] Выключатель 400 также включает в себя измерительную цепь 426 замыкания на землю, которая регистрирует дисбаланс тока между линейным проводом 410 и нейтральным проводом 412. Измерительная цепь 426 замыкания на землю подключена к ЦП 416 и выполнена с возможностью отправки на ЦП 416 сигнала замыкания на землю после обнаружения замыкания на землю. Например, измерительная цепь 426 замыкания на землю может быть подключена к дифференциальному трансформатору 427 тока, который регистрирует разность токов между линейным проводом 410 и нейтральным проводом 412. Если, например, линейный провод 410 замыкается на землю, дифференциальный ток, регистрируемый дифференциальным трансформатором 427 тока, возрастает. Измерительная цепь 426 замыкания на землю обнаруживает это увеличение дифференциального тока и передает его на ЦП 416. Приняв сигнал замыкания на землю, ЦП 416 может предписывать цепи 414 отключения разомкнуть нейтральный провод 412. ЦП 416 также может сохранять указание замыкания на землю и состояние линейного тока. ЦП 416 также может предписывать приемопередатчику 428 передавать указание и информацию о состоянии на главный модуль 116. Выключатель 400 также может включать в себя акселерометр 434, подключенный к ЦП 416, для обнаружения высвобождения механической энергии из цепи 414 отключения, когда он размыкает цепь.

[0036] Компоненты выключателя запитываются от источника 430 питания. В этом варианте осуществления, источник 430 питания отбирает электрическую мощность непосредственно из линейного провода 410 и нейтрального провода 412. Источник 430 питания также может быть подключен к устройству 432 накопления энергии, например, конденсатору или аккумулятору. устройство 432 накопления энергии может подавать питание на компоненты выключателя после размыкания цепи, например, для передачи информации отключения и состояния на главный модуль 116.

[0037] Выключатель 400 также может включать в себя схему для других функциональных возможностей, например, схему 436 тестирования нажатием, подключенную к ЦП 416 и также подключенную к пользовательскому интерфейсу (не показан).

[0038] Возвращаясь к фиг. 1, главный модуль 116 принимает от выключателей 112 силу тока, текущего в каждой параллельной цепи и любые предупреждающие сигналы, например, события отключения. Главный модуль 116 может оценивать мощность в каждой параллельной цепи на основании величины напряжения (регистрируемой модулем 132 контроля напряжения главного модуля 116 или принятой от выключателя 113) и силы тока ветви (регистрируемой в каждой параллельной цепи выключателями 112). ЦП 130 главного модуля 116 может вычислять из этих данных среднеквадратическое напряжение, среднеквадратический ток и оценочную активную мощность для каждой параллельной цепи и для системы в целом. ЦП 130 также может генерировать предупреждающие сигналы для отключившихся выключателей и может прогнозировать отказы, например, путем обнаружения условий приближения к тепловому отключению из собранных данных. ЦП 130 также может сохранять историю принимаемых и вычисляемых им данных. Эти данные могут храниться в памяти 134 в главном модуле 116, которая может представлять собой память, объединенную с ЦП 130 или отдельный модуль памяти. Например, ЦП 130 может сохранять электрическая историю потребляемой мощности для системы в целом и для каждой отдельной параллельной цепи. ЦП 130 также может сохранять в памяти 134 историю событий отключения и событий приближения к отключению для каждой из параллельных цепей.

[0039] Когда выключатели 112 снабжены усовершенствованной схемой измерения, например, схемой для измерения частоты тока, обнаружения дуговых замыканий и обнаружения замыканий на землю, главный модуль 116 может вычислять более детальную информацию из данных, принятых посредством беспроводной связи от выключателей 112. ЦП 130 может выполнять более сложные алгоритмы для вычисления более точных измерений активной мощности, например, определяя фазовый угол между напряжением и током (напряжением, регистрируемым главным модулем 116, и током, регистрируемым выключателями 112 параллельных цепей). Выключатели 112 могут снабжать метками времени отсчеты тока относительно времени передачи на главный модуль 116 (с использованием вышеописанных ЦП выключателя). Затем главный модуль 116 может обращать относительное время в записанных им отсчетах напряжения для декодирования информации фазового угла. Информация, вычисленная ЦП 130, может включать в себя среднеквадратическое напряжение, среднеквадратический ток, активную мощность, реактивную мощность, текущие данные (данные формы волны) и данные сигнала замыкания на землю. Дополнительно, фазу напряжения на линии можно сопоставлять с измерением тока конкретного выключателя, что позволяет системе автоматически конфигурироваться, благодаря чему, например, ЦП 130 знает, к какой фазе присоединен однополюсный выключатель. ЦП 130 также может генерировать предупреждающие сигналы коэффициента мощности для условий приближения к тепловому отключению и предупреждающие сигналы, указывающие отключение конкретных выключателей. ЦП 130 может сохранять эти данные в памяти 134.

[0040] Главный модуль 116 обеспечивает доступность данных, которые он собирает и вычисляет, для внешних устройств через сетевой шлюз 120 в главном модуле 116, подключенный к ЦП 130. Это позволяет потребителю, системному администратору, электрику или службе поддержки клиентов удобно просматривать данные из главного модуля 116, даже из удаленного положения. Например, шлюз 120 может отправлять информацию из главного модуля 116 на веб-страницу 126, приложение 128 смартфона или планшета, или специализированный дисплей 124. Шлюз 120 сопрягается с сетью 122, которая может представлять собой любую из локальной сети (LAN), глобальной сети (WAN), интрасети и/или интернета. Шлюз 120 включает в себя протоколы, необходимые для осуществления связи с дополнительными компонентами по сети 122. Локальный дисплей 124 может быть подключен к главному модулю 116 либо напрямую, либо через шлюз 120 и сеть 122.

[0041] Информация из главного модуля 116 может использоваться потребителем или клиентом для дистанционного контроля его потребления электроэнергии вне дома. Например, если параллельная цепь, питающая холодильник и морозильник потребителя, отключается, когда потребитель находится в отпуске, пища может испортиться, и электроприбор может получить повреждение. Аналогично, если параллельная цепь, питающая горячую ванну потребителя отключается зимой, вода в ванне может замерзнуть, повредив ванну. Потребитель может дистанционно контролировать энергопотребление на этих конкретных параллельных цепях, зайдя на веб-страницу 126 или через приложение 128 на своем смартфоне. Главный модуль 116 также может отправлять предупреждения (на приложение 128 смартфона, по электронной почте, посредством текстового сообщения и т.д.), когда эти параллельные цепи оказываются в условии отключения или близкого к отключению.

[0042] Когда выключатели 112 параллельных цепей содержат схему для усовершенствованных защитных функций, например, защиты от замыкания на землю и дугового замыкания, более подробная информация может приниматься главным модулем 116 и передаваться в удаленное местоположение для обнаружения и устранения неисправностей. Например, выключатели 112 могут передавать на главный модуль 116 форму волны тока параллельной цепи, которая вызвала последнее событие отключения. Электрик, либо считая информацию, отображаемую на специализированном дисплее 124, либо просматривая информацию через веб-страницу 126 или приложение 128 смартфона, может обнаруживать проблемы на конкретной параллельной цепи, например, потерю нейтрали, которые могут ухудшать эксплуатационные показатели или приводить к повреждению электроприбора, подключенного к этой параллельной цепи. Производитель электроприбора также может использовать информацию, собранную главным модулем 116, для оценивания работоспособности электроприбора, подключенного к параллельной цепи. Например, главный модуль 116 может записывать характеристики потребления электроэнергии на параллельной цепи электроприбора и эффективно изучать “профиль” потребления электроэнергии электроприбора. Главный модуль 116 может обнаруживать изменения потребления электроэнергии на этой параллельной цепи и может предупреждать потребителя или производителя электроприбора о потенциальном повреждении электроприбора. Информацию, собранную и обработанную главным модулем 116, также можно использовать для отслеживания энергопотребления на конкретных параллельных цепях, чтобы помочь потребителю понять, где он использует электроэнергию, и как потребитель может сократить энергопотребление и сэкономить деньги.

[0043] Преимущества главного модуля контроля энергии и его способность обрабатывать и распределять данные параллельной цепи можно реализовать, не устанавливая полностью новый щит. Вместо этого, беспроводные выключатели согласно изобретению можно устанавливать вместо существующих традиционных выключателей в существующем щите с небольшим или вообще без дополнительного оборудования или трудозатрат. Дополнительные беспроводные функциональные возможности включены в том же пакете, что и существующие выключатели. Таким образом, беспроводные выключатели могут служить непосредственными заменами существующих традиционных выключателей, без необходимости в дополнительной проводке. Это позволяет сэкономить свободное место в щите. Это также позволяет модернизировать беспроводные выключатели, не заменяя щит целиком, и также допускает поэтапный подход к замене выключателей, при котором некоторые параллельные цепи можно модернизировать беспроводными выключателями, по-прежнему используя существующие выключатели в других цепях.

[0044] Заключение дополнительных компонентов радиосвязи, питания и регистрации в сам пакет выключателей обеспечивает защиту для этих компонентов, избавляя от необходимости в дополнительном оборудовании, которое потребовалось бы, если бы эти компоненты были установлены в щите вне выключателей. Отбирая энергию для обеспечения питания беспроводного выключателя непосредственно из линейного провода, через трансформатор тока, можно сэкономить свободное пространство в пакете выключателей, и избавиться от необходимости в дополнительном подключении к выключателю.

[0045] Поскольку беспроводные выключатели сохраняют энергию в течение некоторого периода времени после отключения, ценную информацию об отключении, включающую в себя состояние тока параллельной цепи до отключения, можно сохранять и передавать на главный модуль для анализа. Затем главный модуль может определять не только сам факт отключения, но и причину отключения. Главный модуль также может передавать эту информацию непосредственно потребителю, технику или электрику через интернет или на смартфон.

[0046] Хотя были проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления и применения настоящего изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми здесь конструкциями и комплектациями, и что различные модификации, изменения и вариации можно предложить на основании вышеприведенных описаний, не выходя за рамки сущности и объема изобретения, заданных в нижеследующей формуле изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к беспроводным выключателям. Технический результат заключается в обеспечении защиты в электрических системах, в минимизации трудозатрат, необходимых для установки беспроводных выключателей по сравнению с существующими выключателями. Достигается тем, что беспроводной выключатель включает в себя приемопередатчик и источник питания, который индуктивно отбирает энергию из линейного провода без необходимости в подключении к нейтральному проводу. Беспроводной выключатель можно реализовать в том же пакете, что и существующие выключатели, что избавляет от необходимости в замене щита при модернизации в систему, в которой используется главный модуль контроля энергии. Беспроводной выключатель также может включать в себя устройство накопления энергии для подачи питания на выключатель после его отключения, что позволяет выключателю передавать информацию после отключения. Главный модуль контроля энергии включает в себя процессор и шлюз для оценивания и передачи информации, принятой от выключателя, на другие приложения, например веб-страницы и смартфоны. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Выключатель, содержащий:

измерительную схему, выполненную с возможностью измерения характеристики линейного тока;

контроллер, подключенный к измерительной схеме;

беспроводной передатчик, подключенный к контроллеру;

источник питания, содержащий первый трансформатор тока, выполненный с возможностью генерации индукционного тока из линейного тока и подачи питания на контроллер и беспроводной передатчик; и

элемент накопления энергии, подключенный к источнику питания, причем элемент накопления энергии выполнен с возможностью накопления энергии в течение периодов, когда источник питания генерирует мощность, и подачи питания на беспроводной передатчик во время прерывания линейного тока;

причем контроллер выполнен с возможностью предписывать беспроводному передатчику передавать измеряемую характеристику от выключателя на главный модуль контроля энергии.

2. Выключатель по п. 1, дополнительно содержащий:

корпус, причем измерительная схема, контроллер, беспроводной передатчик и источник питания заключены в корпусе.

3. Выключатель по п. 2, в котором корпус является корпусом миниатюрного выключателя.

4. Выключатель по п. 1, в котором характеристика линейного тока является условием отказа.

5. Выключатель по п. 4, в котором контроллер дополнительно выполнен с возможностью передачи на главный модуль контроля энергии информации состояния о линейном токе до зарегистрированного условия отказа.

6. Выключатель по п. 1, дополнительно содержащий:

цепь отключения, выполненную с возможностью прерывания линейного тока;

причем измерительная схема содержит акселерометр, причем акселерометр выполнен с возможностью обнаружения события отключения цепи отключения; и

беспроводной передатчик выполнен с возможностью передачи информации о событии отключения на главный модуль контроля энергии после обнаружения акселерометром события отключения цепи отключения.

7. Выключатель по п. 1, в котором индукционный ток, генерируемый первым трансформатором тока, пропорционален линейному току, и измерительная схема измеряет индукционный ток, генерируемый первым трансформатором тока.

8. Выключатель, содержащий:

измерительную схему, выполненную с возможностью измерения характеристики линейного тока;

контроллер, подключенный к измерительной схеме;

беспроводной передатчик;

источник питания; и

элемент накопления энергии, подключенный к источнику питания, выполненный с возможностью подачи питания на беспроводной передатчик после потери линейного тока, причем элемент накопления энергии выполнен с возможностью накопления энергии в течение периодов, когда источник питания генерирует мощность, и подачи питания на беспроводной передатчик во время прерывания линейного тока;

причем контроллер выполнен с возможностью предписывать беспроводному передатчику передавать данные о характеристике на главный модуль контроля энергии после потери линейного тока.

9. Выключатель по п. 8, в котором элемент накопления энергии является конденсатором или аккумулятором.

10. Выключатель по п. 8, в котором измерительная схема содержит детектор дугового замыкания или детектор замыкания на землю.

11. Выключатель по п. 8, дополнительно содержащий:

память, выполненную с возможностью сохранения состояния выключателя;

причем характеристика линейного тока является условием отказа, и данные о характеристике, передаваемые беспроводным передатчиком, являются состоянием выключателя, хранящимся в памяти до отказа.

12. Выключатель по п. 8, дополнительно содержащий трансформатор тока, выполненный с возможностью генерации индукционного тока из линейного тока и подачи индукционного тока для обеспечения питания выключателя.

13. Выключатель по п. 12, в котором трансформатор тока выполнен с возможностью подачи индукционного тока на элемент накопления энергии для зарядки элемента накопления энергии.

14. Выключатель по п. 8, в котором измерительная схема содержит акселерометр.

15. Выключатель по п. 8, дополнительно содержащий корпус миниатюрного выключателя, причем измерительная схема, контроллер, беспроводной передатчик, источник питания и элемент накопления энергии заключены в корпусе.

16. Система, содержащая:

линейный провод;

выключатель, подключенный к линейному проводу, выполненный с возможностью контроля линейного провода и отключения при возникновении условия отказа, причем выключатель включает в себя:

измерительную схему, выполненную с возможностью регистрации характеристики линейного тока в линейном проводе;

контроллер, подключенный к измерительной схеме;

источник питания, содержащий первый трансформатор тока, выполненный с возможностью генерации индукционного тока из линейного тока; и

беспроводной передатчик; и

элемент накопления энергии, подключенный к источнику питания, причем элемент накопления энергии выполнен с возможностью накопления энергии в течение периодов, когда источник питания генерирует мощность, и подачи питания на беспроводной передатчик во время прерывания линейного тока;

и

главный модуль контроля энергии, содержащий беспроводной приемник;

причем беспроводной приемник главного модуля выполнен с возможностью приема данных о измеряемой характеристике, передаваемых от беспроводного передатчика выключателя.

17. Система по п. 16, в которой главный модуль контроля энергии дополнительно содержит шлюз, выполненный с возможностью передачи данных, принятых от выключателя, на удаленное приложение.

18. Система по п. 16, в которой схема обнаружения отказов содержит акселерометр.