Патент на изобретение №2386994

(54) УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Устройство стабилизации напряжения, выполненное с возможностью подключения к источнику переменного электропитания и регулирования напряжения, подаваемого к определенным выбранным цепям, нагрузки которых получат преимущества от регулирования напряжения.

Устройство содержит ШИМ или автотрансформатор с переключаемым фазовым углом, который является достаточно компактным и легким для включения в стандартное электрическое потребительское устройство, которое имеет раздельные цепи, то есть те, нагрузки которых получают преимущества от регулирования напряжения, и те, которые не получают преимуществ, так что первые могут управляться устройством, обеспечивая работу при устойчивом и уменьшенном напряжении, таким образом обеспечивая технический результат – гарантируя сокращение потребления энергии и повышение срока службы приборов, подключенных к устройству. Рабочая температура автотрансформатора контролируется временным увеличением выходного напряжения автотрансформатора в случае перегрева. 2 и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к управлению напряжением электропитания объекта собственности в целях энергосбережения и для повышения производительности и продления жизни электрических приборов, подключенных к источнику питания, и дополнительно касается устройства стабилизации напряжения для этой цели.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Во многих частях света распределяющие электроэнергию компании поставляют конечным пользователям энергию на верхней границе разрешенного диапазона напряжения. Например, типичное среднее напряжение питания в Великобритании и в некоторых других частях света может быть около 240 В, тогда как установленный законом разрешенный европейский диапазон напряжения составляет 216-252 В. Уменьшение напряжение питания до 230 В не имело бы никакого отрицательного воздействия, и фактически существует много преимуществ, которые можно получить, поддерживая питание на уровне 230 В. Такие преимущества включают в себя снижение расхода потребляемой энергии, увеличение ожидаемого срока службы электрических приборов и сокращение чрезмерного выделения CO₂ в результате электропитания на неоправданно высоком уровне напряжения. Было показано, что 5% снижение напряжения приведет в среднем к 8% снижению потребления энергии.

Большинство изготавливаемых в настоящее время электрических приборов для использования в Европе разработаны для работы при номинальном напряжении 230 В. Функционирование этих приборов при более высоком напряжении уменьшит их ожидаемый срок службы. При напряжении, типично поставляемом на уровне или сверх 240 В, это не только приводит к расходованию впустую электроэнергии, но и значительно сокращает ожидаемый срок службы, например, осветительных ламп и некоторых дорогих потребительских товаров, таких как телевизионный приемник.

Энергосбережение и сокращение выброса углерода имеют высокие приоритеты для большинства правительств. Увеличение спроса на электрические сети означает, что правительства ищут новые источники выработки энергии, которые обязаны соответствовать сокращению выбросов CO₂, установленному согласно Киотскому протоколу. Таким образом, широкое введение устройства стабилизации напряжения особенно, хотя не исключительно, для бытовых и торговых помещений привело бы к распределенной системе управления потреблением энергии, которая бы уменьшила потребность в энергии в электрических сетях и помогла уменьшить выбросы, происходящие на электростанциях.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание устройства стабилизации напряжения, которое может быть легко установлено на объекте собственности и которое является достаточно компактным и недорогим в изготовлении, чтобы поощрить потребителей приобретать и использовать такое устройство.

Устройства стабилизации напряжения известны и состоят из автотрансформатора, подключенного к электрическому питанию и содержащего средства переключения фазового угла или широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которые могут использоваться для включения автотрансформатора в цепь и выключения из цепи по требованию, чтобы определять и управлять выходным напряжением, подаваемым к приборам. ШИМ-контроль используется для изменения продолжительности времени, когда автотрансформатор включен в и выключен из цепи, чтобы управлять его выходным напряжением. Устройство стабилизации напряжения используется для переключения индуктивных нагрузок. Обычно для переключения индуктивных нагрузок должны использоваться цепи с демпфером потерь, но подход мягкого переключения может быть использован для улучшения эффективности устройства стабилизации напряжения. Такое устройство описано в работе Фазада Н. Энджети “Подход к реализации контроллера переменного тока большей мощности ШИМ”, материалы конференции IEEE APEC, 1993, и в US 5747972. В публикациях раскрыто использование автотрансформатора “компенсирующей” формации, подключенного к электрическому питанию и управляемого контроллером ШИМ для определения установленного напряжения, которое, для Европы, может быть 230 В. Автотрансформатор используется для регулирования бытового напряжения путем уменьшения напряжение до установленной точки, если оно слишком высокое, или путем увеличения его до установленной точки, если оно слишком низкое. Устройство по патенту US 574792 подключено к подаваемому к объекту собственности электропитанию так, чтобы устройство регулировало все электропитание этого объекта собственности, включающего в себя в основном резистивные нагрузки, такие как электрические плиты и электрические мойки, так же как высокоиндуктивные нагрузки типа бойлеров, холодильников и т.д.

В типичном британском жилище потребительское устройство часто защищено 100 А выключателем, и таким образом, любое устройство стабилизации напряжения, предназначенное для включения во все цепи, должно быть спроектировано для максимального тока в 100 А. Это требует автотрансформатора, имеющего номинал около 24 кВ·А, который физически является очень большим, тяжелым и дорогим. Он может, например, весить более 35 кг, и во многих случаях его стоимость перевесила бы его значимость в управлении уровнями напряжения в бытовых помещениях. Поэтому для того, чтобы стабилизатор напряжения был эффективным и экономически оправданным, его размер, вес и стоимость должны быть значительно уменьшены.

Испытание подтвердило, что некоторые нагрузки очень выигрывают при регулировании напряжения, например осветительные цепи, холодильник/морозильник и приборы, содержащие двигатели или трансформаторы, тогда как резистивные тепловые нагрузки типа электрических моек, кипятильников и плит не выигрывают от контроля напряжения. Нагрузки, которые выигрывают от управления напряжением, имеют тенденцию составлять большинство базовой нагрузки объекта собственности и вносить вклад в большую часть потребленной электрической энергии (кВт·ч). Управление напряжением цепей, содержащих эти нагрузки, позволит добиться наилучшей экономии при минимизации размера автотрансформатора. Нагрузки, которые не выигрывают от управления напряжением, составляют большинство кратковременных, пиковых нагрузок, что приводит к тому, что подключение объекта собственности к сети рассчитано на намного более высокое напряжение, чем требовалось бы из базовой нагрузки. Поэтому определенные цепи, содержащие нагрузки, такие как электроплиты, электрические мойки и кипятильники, не управлялись бы.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является уменьшение размеров автотрансформатора.

Поставленная задача согласно настоящему изобретению решена путем создания устройства стабилизации напряжения, содержащего автотрансформатор, выполненный с возможностью подключения к электропитанию, средств циклического переключения, связанных с автотрансформатором для определения его выходного напряжения, и средств, реагирующих на изменения рабочей температуры автотрансформатора и подключенных к средствам циклического переключения для изменения выходного напряжения и, таким образом, управления рабочей температурой.

Теплочувствительные средства могут быть термистором, выполненным с возможностью непрерывно измерять температуру автотрансформатора, или моделью теплового расчета для оценки температуры ядра автотрансформатора, и в случае увеличения вышеуказанной температуры приводить к увеличению логикой переключения выходного напряжения автотрансформатора.

Устройство может включать в себя обходной выключатель, действующий автоматически для шунтирования автотрансформатора, если его выходное напряжение в основном равно напряжению электропитания.

Устройство может быть включено в состав бытового электрического потребительского устройства, которое содержит, по меньшей мере, две выходных клеммы, по меньшей мере, одна из которых должна подавать электроэнергию одной или нескольким цепям, которые выигрывают от регулирования напряжения, и по меньшей мере, другая подает электроэнергию на одну или несколько цепей, которые не получают преимуществ от регулирования напряжения, устройство подключено между главным электропитанием и каждой из цепей, которые получают преимущества от регулирования напряжения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вариант осуществления изобретения будет теперь описан, только в качестве примера, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает устройство стабилизации напряжения, встроенное в бытовое потребительское устройство, согласно изобретению;

фиг.2 – принципиальную блок-схему устройства стабилизации напряжения, встроенного в бытовое потребительское устройство, согласно изобретению.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предполагается, что устройство стабилизации напряжения выполнено с возможностью подключения к переменному электропитанию, работающему в пределах диапазона 230 В плюс или минус 10%, который является предписанным диапазоном, требуемым согласно Европейскому законодательству об электроэнергии, и далее предполагается, что устройством должно поддерживаться постоянное выходное напряжение 230 В.

Бытовое потребительское устройство 10 (фиг.1) снабжается электричеством от измерителя 11, имеющего выходные клеммы с напряжением и без напряжения 12 и 13, соответственно. В пределах устройства 10 напряжение разделяется для подачи питания на две выходные клеммы 14 и 15 с напряжением и выходную клемму 16 без напряжения. БУП или другие устройства 17 безопасности включены в подачу питания к каждой из клемм 14 и 15. Клеммы 14 и 16 подключены главным выключателем 18 непосредственно к клеммам 12 и 13, через связанные БУП 17, в случае клеммы 14.

Согласно изобретению выходная клемма 15 присоединена к клемме 12 с напряжением через плавкий предохранитель 19 и, в этом варианте осуществления, устройство 20 стабилизации напряжения подключается к устройству 21 измерения напряжения для обеспечения обратной связи для управления устройством 20. Устройство 21 измерения напряжения может также быть подключено между плавким предохранителем 19 и устройством 20 стабилизации напряжения, чтобы обеспечить упреждающее управление устройством 20.

Устройство 20 (фиг.2) стабилизации напряжения содержит переключающий автотрансформатор 22, микроконтроллер 23, устройство 24 измерения температуры, устройство 21 измерения напряжения и обходной выключатель 26.

Микроконтроллер 23 включает в себя переключающую логику 25 и блок 27 широтно-импульсной модуляции (ШИМ)/контроля фазового угла. Переключающая логика разработана для генерации сигнала, представляющего установленную точку напряжения, подходящую для использования устройства, этот сигнал подается ШИМ-устройству 27 для управления циклическим переключением автотрансформатора 22.

Как было описано, устройство стабилизации напряжения выполнено с возможностью подачи заданного напряжения (установленная точка) цепям, которые получат преимущество от регулирования напряжения, подключенного в цепи к клемме 15 потребительского устройства. Сети, которые не получат преимуществ от регулирования напряжения, соединены непосредственно с подачей питания на клемме 14.

Ток в регулируемой цепи типично составляет 3 А или меньше, но будет изменяться согласно числу приборов, используемых одновременно. Общепринято, что для приблизительно 30% любого двадцатичетырехчасового периода потребность типично снижается до 0,5 А, выработанная такими устройствами, как телевизоры и другие электронные компоненты, которые находятся в режиме “ожидания”. Для оставшихся 65% времени нагрузка типично находится между 1 и 4 А, но в течение коротких периодов, составляющих один час или около того, эта потребность может увеличиться до значения 20 А, когда используются стиральные машины и сушилки для белья. Также известно, что случайные кратковременные запросы возможно до 40 А могут быть произведены на очень короткие периоды, возможно пятнадцати минут в любой двадцатичетырехчасовой период.

Таким образом, автотрансформатор 22 может быть рассчитан для базовой нагрузки, скажем 20 А, а не полного или максимального номинала сети питания, который может составлять, например, 100 А, то есть меньше чем четверть максимума, и может быть получен из одной фазы 500 В·А разделительного трансформатора, перенастроенного для создания 5 кВ·А автотрансформатора, способного постоянно подавать 20 А. Такое устройство является компактным и весит около 3,5 кг, т.е. является достаточно маленьким и легким, чтобы быть объединенным в стандартном потребительском устройстве. Такой небольшой трансформатор также является относительно недорогим в изготовлении.

Как указано выше, время от времени потребность, предъявляемая устройству стабилизации напряжения, может превысить 20 А и в таких обстоятельствах автотрансформатор начнет нагреваться. С этой целью предусмотрен теплочувствительный элемент типа термистора, который соединен в контуре обратной связи с автотрансформатором через переключающую логику 25 микроконтроллера 23. Таким образом, циклическое переключение автотрансформатора при повышении его температуры будет скорректировано в целях увеличения выходного напряжения, тем самым уменьшая нагрузку на автотрансформаторе и позволяя ему остыть. Установленная точка напряжения будет увеличиваться постепенно, чтобы не вызвать никакого значимого изменения в работе действующих электрических приборов во время, когда напряжение увеличено. Альтернативно, тепловая модель может быть использована, чтобы оценить температуру ядра автотрансформатора. Оценочная температура может быть использована в той же самой манере, как описано ранее, чтобы скорректировать циклическое переключение автотрансформатора. Это обеспечивает механизм уменьшения нагрузки на автотрансформатор, позволяя ему остыть.

Во время значительной нагрузки температура автотрансформатора может увеличиться до такого уровня, что его установленная точка напряжения увеличивается переключающей логикой до уровня, где она существенно выравнивается до входного напряжения. В этой точке переключающая логика автоматически задействует обходной выключатель 26, чтобы исключить автотрансформатор из цепи, пока он не остынет в достаточной мере, что определяется термистором 24 или тепловой моделью.

Делая допущения о предполагаемой нагрузке и управляя автотрансформатором в тех редких случаях, когда применена чрезмерная нагрузка, можно обеспечить намного меньший и менее дорогой трансформатор, чем потребовался бы, чтобы противостоять таким высоким нагрузкам, без температурного контроля. Это позволяет применять компактный, легкий и недорогой трансформатор, который может быть легко размещен внутри стандартного потребительского устройства типа используемого в бытовых помещениях. Управление напряжением, подаваемым таким потребительским устройством к цепям, которые получат преимущество от регулирования напряжения, приводит к значительной экономии затрат в потреблении энергии и значительно перевешивает дополнительные затраты потребительского устройства, снабженного таким устройством. В свою очередь, потребление энергии при общем уменьшенном напряжении служит для гарантирования общего уменьшения потребности в энергии для питающей электросети и уменьшения выброса CO₂ от электростанций.

Не предполагается ограничивать изобретение описанными деталями. Например, компактное устройство стабилизации напряжения, описанное выше, может быть расположено вне потребительского устройства, рядом с ним и, таким образом, будет доступно как устройство, которое будет подключено к существующему потребительскому устройству с незначительными корректировками схемы таким образом, чтобы разделить схему питания на две части, одна – для цепей, которые не получат преимущества от регулирования напряжения, и другая – для цепей, которые получат преимущества от регулирования напряжения, где уменьшенное и постоянное напряжение сэкономит энергию и продлит срок службы приборов.

Кроме того, устройство может быть сконструировано и работать при различных уровнях напряжения, таких как те, которые являются общепринятыми в других странах.

Наряду с обеспечением энергосбережения, устройство стабилизации напряжения также обеспечивает уровень компенсации коэффициента мощности для цепей, которые он регулирует. Плотность потока в магнитопроводе пропорциональна напряжению, и чем выше плотность потока, тем выше магнитные потери в цепи. Поэтому уменьшение напряжения вызовет уменьшение плотности потока и соответствующее уменьшение магнитных потерь. Это приведет к улучшенному коэффициенту мощности для цепи. Это улучшение коэффициента мощности будет полезно компаниям распределения, передачи и производства электроэнергии.

Формула изобретения

1. Устройство стабилизации напряжения, содержащее автотрансформатор, выполненный с возможностью подключения к источнику электропитания, средство циклического переключения, подключенное к автотрансформатору для определения его выходного напряжения, и средство, реагирующее на изменение рабочей температуры автотрансформатора и подключенное к средству циклического переключения, корректирует циклическое переключение автотрансформатора при повышении его температуры в целях повышения выходного напряжения автотрансформатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство циклического переключения обеспечивает широтно-импульсную модуляцию или контроль фазового угла.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автотрансформатор рассчитан для базовой нагрузки питаемой цепи, а не по максимальному номинальному для цепей току питаемой цепи.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что автотрансформатор рассчитан так, что базовая нагрузка не превышает четверть максимального номинального тока питаемой сети.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автотрансформатор рассчитан на подачу устойчивого тока не более 50 А.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что автотрансформатор рассчитан на подачу устойчивого тока не более 20 А.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство циклического переключения содержит микроконтроллер, включающий в себя широтно-импульсную модуляцию, или устройство контроля фазового угла для переключения электрических нагрузок без потребности в демпферных цепях.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочий цикл средств циклического переключения настраивается для определения установленной точки для выходного напряжения.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплочувствительными средствами являются термистор или тепловая модель, выполненные с возможностью непрерывно оценивать или измерять, или оценивать рабочую температуру автотрансформатора и, в случае увеличения вышеуказанной температуры, заставляет переключающую логику увеличивать установленную точку автотрансформатора.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что средство циклического переключения выполнено с возможностью увеличения установленной точки постепенно за определенный период времени, соответственно наращивая выходное напряжение.

11. Устройство по п.1, содержащее обходной выключатель, действующий автоматически, для шунтирования автотрансформатора, если его выходное напряжение в основном равно напряжению электропитания.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочий цикл средства циклического переключения регулируется измерением выходного напряжения автотрансформатора.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочий цикл средства циклического переключения регулируется измерением входного напряжения трансформатора.

14. Устройство стабилизации напряжения по любому из пп.1-13 в комбинации с потребительским устройством, причем устройство стабилизации напряжения выполнено с возможностью подключения к главному источнику электропитания объекта собственности, содержащее, по меньшей мере, два набора клемм вывода, по меньшей мере, один из которых предназначен для подачи электроэнергии в одну или несколько цепей, нагрузки которых не получают преимущества от регулирования напряжения, и, по меньшей мере, в одну другую цепь, нагрузки которой получают преимущество от регулирования напряжения, при этом устройство стабилизации напряжения подключено между главной электросетью и теми цепями, нагрузки которых получают преимущество от регулирования напряжения.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что размещено в одном корпусе потребительского устройства и содержит, по меньшей мере, один миниатюрный автоматический выключатель (МАВ) для цепей, нерегулируемых устройством стабилизации напряжения и, по меньшей мере, один МАВ для цепей, регулируемых устройством стабилизации напряжения.

16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что устройство стабилизации напряжения рассчитано на базовую нагрузку, а не максимальный номинальный ток каждой цепи, нагрузки которых получают преимущество от регулирования напряжения.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что главное электропитание является однофазным.

18. Устройство по п.14, отличающееся тем, что главное электропитание является трехфазным.

РИСУНКИ