Устройство учета электрической энергии Российский патент 2023 года по МПК G01R11/00 G01R11/04 

Область техники

Устройство учета электрической энергии относится к области измерительной техники, и предназначена для измерения и учета электроэнергии в бытовом и промышленном секторах.

Предшествующий уровень

Учитывая все возрастающую энерговооруженность домохозяйств приборы учета должны быть рассчитаны на 100 А потребления по фазе, что составляет 23 кВт для однофазного прибора и 69 кВт для трехфазного.

Если принять среднюю стоимость прибора учета за 60 Евро, то стоимость 80 млн. приборов достигает почти 5 млрд. Евро, а общая стоимость систем автоматизированного учета может достигать 20 млрд. Евро, поскольку кроме приборов учета еще в системе есть концентраторы, центры управления, программное обеспечение и инсталляция систем учета. В общей стоимости систем учета, приборы учета составляют около 25%, однако, это большая величина, и следует оптимизировать стоимость приборов.

В последнее время большую популярность приобрели так называемые Split системы, в них основной прибор устанавливается, как правило, на мачте освещения, высоко над землей, а дисплей абонента находится в его доме. К приборам в таких системах предъявляются жесткие требования по климатическим воздействиям (дождь, снег, солнце, мороз, и т.д.) и необходимо соответствие нормам IP65, IP66.

В то же время, в технических требованиях на приборы учета существуют достаточно архаичные в наше время требования: наличие дисплея с кнопками управления, импульсного выхода, оптопорта, что во время перехода на беспроводную передачу данных может оказаться лишним, поскольку у всех сейчас имеется смартфон, на который данные с прибора могут быть переданы непосредственно в дом или квартиру.

Но стоимость этих «лишних» устройств превышает 6…7 Евро, что ведет к экономии порядка 0,5 млрд. Евро при их ликвидации.

Сегодня приборы учета достаточно громоздки, что ведет к повышенному расходу пластмассы для корпусных деталей, печатных плат, громоздкие изделия труднее герметизировать.

Так, на прибор требуется вместе с отходами в среднем 350 г. пластмассы, стоимость PC ~ 5 Евро за 1 кг., то есть примерно 1,5 Евро на прибор и на 80 млн. шт. ~120 млн. Евро. Сократив этот расход вдвое, мы экономим 60 млн. евро только на пластмассе.

В приборе ~1,5 дм² печатных плат, стоимость ~1 Евро/дм², то есть на 80 млн. приборов ~120 млн. Евро, сократив расход вдвое, получим 60 млн. евро экономии на печатных платах.

При грамотном подходе к проектированию этими расходами экономия не ограничивается, поскольку при снижении габаритов изделий сокращаются расходы на упаковку, на транспортирование, хранение, заливку (если она есть) и т.д.

Очень важно снижение типоряда приборов учета, поскольку некоторые предприятия параллельно выпускают ~до 100 и более типов приборов учета, что существенно увеличивает их себестоимость, а значит и цену.

Сегодня Split приборы рассматриваются как отдельные конструкции, но если каждый прибор сможет работать как Split, то это существенно снизит номенклатуру изделий.

В ряде систем требуются по старинке проводные интерфейсы, такие как RS-485 и проводной Ethernet. Любой ввод в прибор учета приводит к трудностям герметизации, также как любые физические кнопки управления, которые выведены наружу.

Целью разработки заявленного устройства является создание базовой конструкции для внутреннего и наружного использования с новой конфигурацией элементов, позволяющей оптимизировать массогабаритные характеристики при возможности обеспечения необходимых функциональных потребностей и достижения следующих показателей:

- минимизация размеров прибора,

- герметизация на уровне требований IP65, IP66,

- унификация деталей приборов,

- устранение избыточности функционала для каждого типа прибора,

- сокращение номенклатуры деталей и инструментов, необходимых для изготовления приборов.

Известны решения, раскрывающие устройство счетчиков электрической энергии, содержащих стандартный набор элементов, раскрытых в ГОСТ 31818.11-2012, а также патентах RU 182808, опубликован 04.09.2018; RU 186033, МПК G01R 11/00, опубликован 26.12.2018; на сайте https://www.nzif.ru/schetchiki-elektroenergii.html (ННПО им. М.В. Фрунзе) и сайтах других производителей счетчиков электрической энергии.

Техническое решение

Прежде всего, следует отметить, что все приборы учета, разработанные в соответствии с предложенным решением, относятся к серии «умных» приборов, обеспечивающих работу в системе автоматической системы контроля и управления электроэнергией (АСКУЭ), а также позволяющие получать всю положенную информацию клиентам и контролерам, независимо от наличия или отсутствия в них таких устройств, как дисплей, оптопорт, импульсный выход и др. При этом, в любом приборе, независимо от его сложности, в штатной комплектации имеется два модема. Blue tooth (BLE) для передачи информации клиенту и/или контролеру по их запросу и в соответствии с их правами, а также модем RF868 мГЦ, предназначенный, в основном, для включения прибора в сеть АСКУЭ.

Все приборы по данной конструкции, как однофазные, так и трехфазные имеют одинаковую базовую архитектуру, при этом элементы устройства крепятся на корпусе силовой колодке, которая является несущей основой прибора и герметично соединена с кожухом, имеющим средства закрепления на опорной поверхности. Плотность размещения элементов прибора на клеммной колодке минимизирует объем устройства, снижает материалоемкость, позволяет обеспечить надежную защиту по категории IP66 и позволяет применять их в качестве Split приборов с установкой на мачтах под открытым небом.

Устройство содержит кожух, охватывающий корпус силовой колодки, включающей силовые вводы и силовой терминал, при этом на корпусе силовой колодки закреплены токовый трансформатор, печатные платы с измерительной и управляющей схемотехникой, резервная батарея, датчик крышки силового интерфейса, плата модемов и дисплей, последнее в необходимых случаях.

Силовая колодка и кожух соединены на клей или сварку, обеспечивая герметичность внутреннего пространства, крышка силового терминала установлена на кожухе прибора и закрывает силовой терминал с помощью силиконовой герметизирующей детали. В некоторых вариантах приборах возможна установка дополнительного блока, который крепится на приборе с силиконовым уплотнителем под пломбу и с возможностью смены этого блока на другой. Как крышка силового терминала, так и корпус сменного блока находящиеся под пломбой, не могут быть открыты (сняты) без срабатывания датчика их открытия (смены), которые установлены в приборах. Все приборы учета рассчитаны на ток 100 А, но может быть и другое значение, что не влияет на конструкцию. На силовой колодке под крышкой силового терминала расположена дополнительная сменная батарея. Для герметизации ввода силовых проводов во всех приборах предусмотрены силиконовые втулки, гарантирующие герметичность вводов проводов разного диаметра. Встроенные штатные модемы BLE обеспечивают передачу необходимой информации клиенту и/или контролеру на соответствующие устройства, на которые установлены программные приложения в соответствии с их правами на информацию.

Устройство учета электрической энергии содержит силовую колодку, включающую силовые вводы и силовой терминал, по меньшей мере, один токовый трансформатор, печатные платы с измерительной и управляющей схемотехникой, резервную батарею, плату модемов, при этом токовый трансформатор, печатные платы с измерительной и управляющей схемотехникой, резервная батарея и плата модемов закреплены на корпусе силовой колодки, которая заключена в кожух, имеющий откидную крышку для доступа к силовому терминалу, а датчик крышки силового терминала, смонтирован на плате модемов.

На корпусе силовой колодки может быть смонтирован дисплей, для визуализации которого на кожухе смонтировано прозрачное окно.

Силовые вводы колодки снабжены силиконовыми втулками, обеспечивающими герметичность силовых вводов в широком диапазоне диаметров используемых проводов.

Для минимизации габаритов трехфазного счетчика, восемь силовых вводов расположены в шахматном порядке, что позволяет сохранить основные соотношения размеров счетчика.

Решение иллюстрируется графическими материалами, на которых номера позиций обозначают следующие элементы реального устройства учета электрической энергии:

1 - силиконовые втулки, обеспечивающие герметичность силовых вводов,

2 - силовая колодка,

3 - направляющие силовых вводов,

4 - сменная батарея,

5 - токовые трансформаторы,

6 - плата модемов BLE и RF868 мГц,

7 - силовое реле однофазного прибора,

8 - печатные платы с электронными компонентами,

9 - пластмассовый кожух,

10 - крышка силового терминала,

11 - дисплей,

12 - оптопорт,

13 - дополнительная плата любого интерфейса,

14 - крышка дополнительного сменного блока,

15 - силовой терминал (рис. 4),

16 - панель силовых вводов,

17 - крепление для DIN-рейки.

На фиг. 1а, 1б представлены в разборе конструкция самых малогабаритных приборов из серии: 1а - однофазный прибор, 1б - трехфазный прибор:

В однофазном приборе (фиг. 1а) силовое реле (7) и токовый трансформатор (5) расположены по обе стороны силового терминала и установлены на пластмассовом корпусе силовой колодки (2). Силовое реле может отсутствовать, тогда силовые вводы, идущие на реле, перемыкаются или образуют одну силовую шину. На силовой колодке также расположена печатная плата с модемами (6). Кожух (9) фиксируется на силовой колодке (2) с помощью клея по всему контуру. Крышка силового терминала (10) закреплена на кожухе и фиксируется на силовой колодке с помощью защелок. Петли на крышке и на кожухе позволяют крышке открываться. На плате модемов (6) установлен датчик (не показан) открытия крышки силового терминала. Силиконовые втулки (1) закрепляются на направляющих силовых вводов (3) колодки для герметизации вводов.

На фиг. 1б показана аналогичная конструкция для трехфазного прибора, основное отличие от рис. 1а это наличие 3-х трансформаторов тока и, соответственно, 8 силовых выводов. При этом, с целью минимизации размеров прибора и оптимизации силовых шин (изготовление их без разрывов и сварки), входные и выходные выводы фаз выполнены в шахматном порядке. Плата модемов установлена под сменной батареей (4), остальное все как в однофазном приборе.

На фиг. 2а, 2б показаны приборы, в которых возможна установка ЖКИ дисплея (11), оптопорта (12) с кнопками управления дисплеем и импульсным выходом. Отличие данных приборов от приведенных на фиг. 1 в удлиненном кожухе (9), который выполняется из прозрачной пластмассы, при этом отверстий в кожухе нет, а на фиг. 2а показаны контуры, где располагаются дисплей и оптопорт с кнопками. Плата прибора увеличена и, в связи с этим, увеличена мощность источника питания до 15 Вт, что позволило в этой конструкции установить при необходимости модем GSM (не показан). Во всем остальном прибор соответствует прибору на фиг. 1.

В качестве варианта развития заявленной конструкции приведены фиг. 3а, 3б, на которых показаны однофазный (3а) и трехфазный (3б) приборы, отличающиеся от устройства учета, показанного на фиг. 2 тем, что верхняя часть кожуха (9) выполнена таким образом, что на ней может быть установлена дополнительная плата (13) любого интерфейса и крышка (14) дополнительного сменного блока. При этом, в верхней части кожуха выполнено отверстие с силиконовым уплотнением для вывода питания сменного блока от источника питания прибора и сигнальные соединения. Все интерфейсы для установки в сменных блоках унифицированы по размерам так, что все интерфейсы могут быть установлены как в однофазный, так и в трехфазный приборы без дополнительной модернизации.

На фиг. 4 показано объемное изображение в сборе однофазного устройства учета электрической энергии, показанного на рис. 2а, без кожуха (9), а вид сзади этого же прибора показан на рис. 5, которые иллюстрируют новую компоновку элементов на силовой колодке, обеспечивающую достижение заявленного технического результата.

Как видно из фиг. 3б выводы силового реле расположены в шахматном порядке для фаз, как и в предыдущих конструкциях трехфазного прибора, что позволило применять цельные прямые шины без сварки.

На фиг. 5 показано объемное изображение вида сзади силовой колодки в сборе, тождественной по конструкции колодке, показанной в разборе на фиг. 1а, а на фиг. 6 - объемное изображение счетчика в кожухе, снабженным средствами крепления к DIN-рейке.

Промышленная применимость

Изобретение может быть реализовано в серийном производстве на универсальном оборудовании.

Устройство учета электрической энергии относится к области измерительной техники и предназначено для измерения и учета электроэнергии в бытовом и промышленном секторах. Техническим результатом является уменьшение габаритов и материалоемкости, повышение степени герметизации и защищенности за счет размещения всех базовых функциональных элементов на корпусе силовой колодки счетчика. Имеет кожух, снабженный средствами крепления на опорной поверхности и герметично закрепленный на корпусе силовой колодки. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство учета электрической энергии, содержащее:

- силовую колодку, включающую силовые вводы и силовой терминал,

- кожух, включающий откидную крышку силового терминала,

- по меньшей мере один токовый трансформатор,

- печатную плату с измерительной и управляющей схемотехникой,

- резервную батарею,

- датчик крышки силового терминала,

- плату модемов,

отличающееся тем, что

токовый трансформатор, печатная плата с измерительной и управляющей схемотехникой, резервная батарея и плата модемов, включающая датчик крышки силового терминала, закреплены на корпусе силовой колодки, при этом кожух соединен с корпусом колодки герметичным соединением, а силовые вводы снабжены силиконовыми втулками.

2. Устройство учета электрической энергии по п. 1, отличающееся тем, что на корпусе силовой колодки закреплен дисплей, а кожух снабжен прозрачным окном для визуализации дисплея.

3 . Устройство учета электрической энергии по п. 1, отличающееся тем, что силиконовые втулки выполнены с возможностью обеспечения герметичности силовых вводов в широком диапазоне диаметров используемых проводов.

4. Устройство учета электрической энергии по п. 1, отличающееся тем, что силовая колодка имеет на панели ввода четыре силовых вводов для однофазной электрической сети.

5. Устройство учета электрической энергии по п. 1, отличающееся тем, что силовая колодка имеет восемь силовых вводов для трехфазной электрической сети, которые размещены на панели ввода в шахматном порядке.

6. Устройство учета электрической энергии по п. 1, отличающееся тем, что снабжено силовым реле, закрепленным на силовой колодке.

7. Устройство учета электрической энергии по п. 1, отличающееся тем, что кожух и силовая колодка соединены герметичным клеевым соединением.

8. Устройство учета электрической энергии по п. 1, отличающееся тем, что кожух и силовая колодка соединены герметичным сварным соединением.