Патент на изобретение №2200364
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УСТРОЙСТВО РАВНОМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ПО N-ФАЗНОЙ СЕТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
(57) Реферат: Устройство равномерного распределения электрической нагрузки по n-фазной сети распределения энергии. Ток в каждой из поступающих фаз ф1, ф2 и ф3 и в каждой из распределительных цепей 1-5 измеряется датчиками тока 16, 18, 20, 42, 44, 46, 48 и 50. Выходные сигналы датчиков тока отслеживаются процессором 12. С каждой из распределительных цепей связан многополюсной переключатель 22, 24, 26, 28 и 30 и обычный автоматический выключатель 32, 34, 36, 38, 40. Каждый переключатель 22, 24, 26, 28 и 30 способен подключать свою соответствующую распределительную цепь в 1-5 к любой из поступающих фаз ф1, ф2 и ф3 и отсоединять распределительную цепь 1-5 от всех n-фаз ф1, ф2 и ф3. Процессор 12 периодически отслеживает величины тока, протекающего через каждую из поступающих фаз и, основываясь на условиях нагрузки распределительных цепей 1-5, перепрограммирует переключатели 22, 24 и 26 с тем, чтобы удерживать нагрузки распределительных цепей 1-5 равномерно распределенными по всем трем поступающим фазам (ф1, ф2 и ф3). Технический результат – улучшение распределения нагрузки по фазам. 5 с. и 4 з.п. ф-лы, 12 ил. Настоящее изобретение относится к устройству равномерного распределения электрической нагрузки в трехфазной цепи распределения электроэнергии. В настоящее время многие жилые дома и коммерческие учреждения получают на электрическом входе все три фазы трехфазной цепи распределения электроэнергии, которые поставляются через электрическую энергосистему общего пользования или энергетической компанией. При обычной схеме трехфазного распределения электроэнергии каждая фаза снабжает одно или большее количество распределительных сетей здания. Определение того, какая распределительная сеть или распределительные сети должны быть соединены проводами с каждой из трех приходящих фаз, обычно производится в момент подключения электрического соединения или на этапе строительства и после того, как цепь будет собрана, ее уже трудно изменить. Например, в жилом доме различные распределительные сети могут снабжать энергией кухню, гостиную, спальню и т. д. В коммерческом помещении различные распределительные сети могут снабжать электроэнергией оборудование, офисы и т.д. При этом часто возникает проблема как равномерно распределить электрическую энергию, подаваемую через электрическую энергосистему общего пользования по трем входящим фазам во все распределительные сети. Часто с течением времени топология нагрузки помещения может изменяться, иногда очень существенно. Некоторые распределительные цепи становятся более нагруженными, а другие в меньшей степени, например, из-за перемещения оборудования по территории завода, из-за добавления или перемещения оборудования, потребляющего большую электрическую мощность (например, холодильников, электрических печей, микроволновых печей и т.д.) в доме. При этом нагрузка на каждую из трех поступающих фаз также изменяется с изменением нагрузки в распределительных сетях. Трехфазная цепь, которая была равномерно сбалансирована изначально, может стать несбалансированной с течением времени. Одним из решений этой проблемы является переключение каждой из распределительных цепей на входящую фазу для получения равномерной нагрузки по всем трем фазам путем физического переключения каждой из распределительных цепей. Недостатком такого решения является то, что оно потенциально требует выполнения дорогостоящего переключения в электрических шкафах и перераспределения панелей каждый раз, когда три фазы становятся несбалансированными, что может возникать достаточно часто. Другим недостатком является то, что для переключения обычно требуется прерывать подачу напряжения, что связано с потенциальной проблемой поставки электроэнергии потребителям. Кроме того, это решение представляет собой лишь грубый механизм балансирования нагрузки по трем поступающим фазам. При этом не отслеживается потребление энергии в каждой фазе и в распределительных сетях на достаточно частой основе. Изменения, которые происходят в электрической нагрузке каждый час и каждую минуту, которые могут быть достаточно значительными, что может вызвать существенную несбалансированность нагрузки в трех поступающих фазах, проходят незамеченными. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ В настоящем изобретении предлагается устройство и способ равномерного распределения электрической нагрузки по всем трем фазам трехфазной цепи распределения электроэнергии, в которых преодолеваются недостатки, присущие предыдущим решениям. В соответствии с описанием настоящего изобретения предлагается трехфазная система распределения нагрузки, содержащая первый, второй и третий датчики тока, подсоединенные к первой, второй и третьей фазам соответственно трехфазной сети распределения нагрузки, причем эти первый, второй и третий датчики тока предназначены для измерения электрического тока, протекающего по первой, второй и третьей фазе соответственно, множество переключателей, причем каждый из переключателей соединен с одной из множества распределительных цепей, причем каждый из множества переключателей предназначен для соединения одной из первой, второй или третьей фаз с одной из множества распределительных цепей, множество датчиков тока, причем каждый из датчиков тока присоединен к одной из множества распределительных цепей, причем это множество датчиков тока предназначено для измерения электрического тока, протекающего через каждую из множества распределительных цепей, и процессор, подсоединенный к первому, второму и третьему датчикам тока соответственно, к множеству переключателей и к множеству датчиков тока, причем этот процессор предназначен для управления множеством переключателей так, что электрический ток, протекающий через первую, вторую и третью фазы, не превышает заранее заданного порогового значения. Кроме того, в соответствии с описанием настоящего изобретения предлагается трехфазная система распределения нагрузки, содержащая первый, второй и третий датчики тока, присоединенные к первой, второй и третьей фазам соответственно трехфазной сети распределения электроэнергии, причем первый, второй и третий датчики тока предназначены для измерения электрического тока, протекающего через первую, вторую и третью фазы соответственно, множество переключателей, причем каждый из переключателей присоединен к одной из множества распределительных цепей, причем каждый из множества переключателей предназначен для соединения одной из первой, второй или третьей фаз с одной из множества распределительных цепей, множество датчиков тока, причем каждый датчик тока присоединен к одной из множества распределительных цепей, причем это множество датчиков тока предназначено для измерения электрического тока, протекающего через каждую из множества распределительных цепей, и процессор, присоединенный к первому, второму и третьему датчикам тока, множеству переключателей и множеству датчиков тока, причем процессор предназначен для управления множеством переключателей так, что разность между величинами электрического тока или отношение величин электрического тока, протекающего через каждую пару из первой, второй и третьей фаз, не превышает заранее определенного порогового значения. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ Настоящее изобретение, описываемое здесь только посредством описания примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг.1 изображает блок-схему трехфазного варианта осуществления настоящего изобретения; фиг. 1б – блок-схему однофазного варианта осуществления настоящего изобретения; фиг. 2 – блок-схему одного из вариантов осуществления настоящего изобретения; фиг.2б – простой вариант осуществления суммирующей схемы 52, выпрямителя 54, изображенных на фигуре 2, которые объединяют две функции в одном блоке трехфазного выпрямителя 524; фиг. 2в – схему “стационарного преобразователя” постоянного тока в переменный ток; фиг. 2г – схему улучшенного “стационарного преобразователя” преобразователя постоянного тока в переменный ток; фиг. 2д – трехфазный выпрямитель и улучшенный “стационарный преобразователь” – инвертор постоянного тока в переменный ток, с индуктивностью, которая добавлена для повышения входного коэффициента мощности; фиг. 2е – то же, что и на 2д, но индуктивность заменена усилительно-переключающим регулятором-контроллером высокого значения коэффициента мощности для дальнейшего повышения входного коэффициента мощности. фиг. 3 – блок-схему одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, в которой комбинируются признаки систем, изображенных на фигурах 16 и 2е, и в которой дополнительно добавлены возможности связи; фиг. 4 – альтернативный вариант выполнения схем, изображенных на фигурах 2 и 26; фиг. 5а – цифровой электрический измерительный прибор, соединенный с процессором; фиг.5б – оборудование, выполняющее функцию измерения энергии. ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ Принципы и работа настоящего изобретения будут лучше понятны при рассмотрении чертежей совместно с прилагаемым описанием. Блок-схема устройства 10, которая представляет собой вариант осуществления настоящего изобретения, изображена на фигуре 1. Трехфазный электрический ток, по фазовым выводам (фазам) ф1, ф2, ф3 подается в электрическую энергосистему общего пользования. Фазы ф1, ф2, ф3 защищены от перегрузки по току с помощью автоматического выключателя 14 электрической сети общего пользования. Выход автоматического выключателя 14 электрической сети общего пользования подключен ко входу энергоснабжения жилого помещения или коммерческого учреждения. Датчики тока 16, 18, 20 измеряют величину тока, протекающего через фазы ф1, ф2, ф3, соответственно. Выходные сигналы датчиков 16, 18, 20 тока отслеживаются с помощью процессора 12. Процессор 12 может представлять собой любое подходящее вычислительное устройство, такое как микропроцессор, микроконтроллер, персональный компьютер и т.д. Каждый из трехфазных выходов автоматического выключателя 14 электрической сети общего пользования подается на матрицу многополюсных переключателей 22, 24, 26, 28, 30. Каждый переключатель имеет четыре входных вывода. Три вывода предназначены для подключения каждой из трех поступающих фаз. Кроме того, имеется четвертый вывод, который представляет собой неподключенный вывод (то есть вывод, который не подключен ни к чему). Выходы переключателей 22, 24, 26, 28, 30 являются входами автоматических выключателей матрицы распределительных цепей 32, 34, 36, 38, 40 соответственно. Сигналы управления CONT1, CONT2, CONT3, CONT4, CONT5, приходящие от процессора 12, определяют положение переключателей 22, 24, 26, 28, 30 соответственно. Выход автоматических выключателей 32, 34, 36, 38, 40 распределительных цепей проходит через матрицу датчиков 42, 44, 46, 48, 50 тока соответственно перед подачей электроэнергии в каждую из пяти распределительных цепей. Каждая из пяти распределительных цепей имеет нулевую линию N, связанную с ней. Ток, измеряемый датчиками 42, 44, 46, 48, 50 тока отслеживается процессором 12. Работа устройства 10 основывается на многополюсных переключателях 22, 24, 26, 28, 30. При применении устройства 10 каждая из распределительных цепей, на которую подается электроэнергия, связана с одним из переключателей, одним из автоматических выключателей распределительной сети и одним из датчиков тока. На фигуре 1 изображена система балансирования нагрузки, обеспечивающая током пять распределительных цепей. Настоящее изобретение, однако, может легко быть разработано для снабжения любого количества распределительных цепей с помощью простого добавления достаточного количества компонентов. Процессор 12 периодически снимает выходные сигналы датчиков 16, 18, 20 тока, которые измеряют ток, протекающий через каждую из фаз подаваемой трехфазной электроэнергии. Процессор 12 также отслеживает выходные сигналы датчиков 42, 44, 46, 48, 50 тока, которые измеряют ток, протекающий через каждую из распределительных цепей. Время между последовательным съемом значений данных датчиков тока представляет собой несколько миллисекунд или десятков миллисекунд и зависит от применяемого программного обеспечения, управляющего процессором 12. Данные, снимаемые в каждом из циклов съема данных, не сбрасываются немедленно. Конечный ряд последних наборов снимаемых данных сохраняется в памяти, которая может быть внутренней или внешней по отношению к процессору 12. Процессор 12 запрограммирован соответствующим образом, чтобы периодически снимать данные всех датчиков тока с тем, чтобы обеспечить возможность отслеживать нагрузку на каждой из фаз поступающей трехфазной электроэнергии и в каждой из распределительных цепей. Когда измеренный ток на одной из фаз превысит фиксированный процент (например, 90%) от верхней границы установки тока, процессор 12 программирует переключатели 22, 24, 26, 28, 30 так, что общая нагрузка будет одинаковой по всем трем поступающим фазам. Так как нагрузка в каждой из распределительных цепей известна, процессор 12 может перераспределять нагрузку распределительных цепей так, что нагрузка на каждую фазу будет приблизительно равной. Как только будет определена новая установка переключателей, процессор 12 подаст на выход команды переключения переключателей по линиям управления CONT1, CONT2, CONT3, CONT4, CONT5 к переключателям 22, 24, 26, 28, 30 соответственно. Во время работы устройства 10 может возникнуть ситуация, когда нагрузка в одной из отдельных распределительных цепей увеличится до уровня, который превысит максимально разрешенный ток в распределительной сети. В ответ на это возможное условие перегрузки по току процессор 12 может запрограммировать соответствующий переключатель распределительной сети в неподключенное положение. В этом положении распределительная сеть электрически отсоединяется от всех трех поступающих фаз. Кроме защиты по перегрузке, обеспечиваемой процессором 12, устанавливаются также обычные автоматические выключатели 32, 34, 36, 38, 40 распределительных цепей для защиты от перегрузки по току каждой распределительной сети. Устройство 10 также способно обеспечить функцию, которую в настоящее время не могут обеспечить обычные автоматические выключатели. Процессор 12 может быть запрограммирован таким образом, что он будет способен предсказывать возникновение потенциально возможного условия перегрузки прежде, чем оно возникнет, путем контроля скорости возрастания тока, потребляемого каждой из распределительных цепей и в каждой из поступающих фаз. Таким образом, потенциальные перебои в снабжении электроэнергией из-за превышения ограничения тока по поступающей фазе могут быть предопределены и предотвращены прежде, чем они возникнут. Переключатели 22, 24, 26, 28, 30 могут использовать в качестве основных переключающих элементов релейные или полупроводниковые переключатели (такие как симисторы, кремниевые управляемые выпрямители и т.д.). Каждый из переключателей расшифровывает свой соответствующий сигнал управления, полученный от процессора 12, и либо соединяет свой выход с одной из трех поступающих фаз, либо полностью отсоединяет свой выход от всех трех фаз. Переключатели 22, 24, 26, 28, 30 могут подключать свои выходные выводы к любой из поступающих фаз достаточно быстро так, что устройство или оборудование, включенные в их соответствующие распределительные сети, не отметят какого-либо заметного перебоя в подаваемой электрической энергии и, таким образом, на них не будет оказано неблагоприятное воздействие. Процессор 12 получает напряжение питания от ф1 и нулевой линии N поступающей трехфазной электроэнергии. Процессор 12 может, однако, получать напряжение питания от любой из трех поступающих фаз. Установка верхнего ограничения тока может вводиться в процессор 12 любым способом, хорошо известным в данной области техники. Например, данные по верхнему ограничению тока могут быть записаны в постоянном запоминающем устройстве, могут задаваться установкой внешних установочных переключателей, поступать от внешнего вычислительного устройства и т.д. Хотя описание приведенного выше варианта осуществления настоящего изобретения было сделано по отношению к трем фазам, следует отметить, что система в соответствии с настоящим изобретением, может быть выполнена как n-фазная система для любого значения n. Для иллюстрации этого рассмотрим однофазную систему 1000, изображенную на фигуре 1б. Сравнивая фигуры, 1 и 1б, можно видеть, что на фигуре 16 удалены две входные фазы. Блоки, их функциональное назначение и обозначения остались теми же. Единственным различием между однофазной системой и двух- или более фазной системой, является то, что переключатели 22-30 способны только соединять или разъединять соответствующие распределительные цепи с одной фазой, а не изменять соединения распределительных цепей с одной фазы на другие фазы. Таким образом, в однофазной системе единственным вариантом реакции на перегрузку системы является выбор распределительной сети, которую требуется отсоединить, а не выбор фазы, на которую данная распределительная сеть была бы переключена. Таким образом, настоящее изобретение относится к источнику питания с любым количеством фаз, хотя обычно варианты его применения будут сводиться к трехфазной и однофазной схемам, которые изображены на фигурах 1 и 1б соответственно. Второй вариант осуществления настоящего изобретения, изображенный на фигуре 2, работает так, что с его помощью равномерно распределяется нагрузка по каждой фазе трехфазной цепи распределения электроэнергии. Каждая фаза ф1, ф2, ф3 трехфазной цепи распределения электроэнергии подается на суммирующую схему 52 суммирования электроэнергии. Схема 52 суммирования работает так, что на нее поступает каждая входная фаза и она комбинирует ее ток и энергетические возможности и вырабатывает, соответственно, единый суммированный выходной сигнал. Этот выходной сигнал характеризуется определенной величиной электрического напряжения переменного тока и силой тока, приблизительно равной сумме сил токов трех поступающих фаз. Сигнал с выхода схемы 52 суммирования затем подается на выпрямитель 54. Выпрямитель 54 выпрямляет сигнал переменного тока с выхода схемы 54 практически до уровня постоянного тока. Возможности по передаче тока выпрямителя 54 должны быть достаточными для удовлетворения общих потребностей по току всех распределительных цепей в сумме, которые должны обеспечиваться устройством 10. Сигнал с выхода выпрямителя 54 поступает на генератор 56 переменного тока. Генератор 56 переменного тока вырабатывает однофазное напряжение переменного тока из постоянного напряжения, поступающего с выпрямителя 54. Соответствующее напряжение и частота (например, 120 В, 60 Гц для Соединенных Штатов) вырабатываются в соответствии с конкретным местом, где должно работать устройство 10. Выходной сигнал генератора 56 переменного тока подается на автоматические выключатели 32, 34, 36, 38, 40 распределительных цепей, питание которых обеспечивается с помощью устройства 10. Распределительные цепи снабжаются электроэнергией с выходов автоматических выключателей 32, 34, 36, 38, 40 распределительных цепей. Хотя на фигуре 2 изображены пять распределительных цепей, устройство 10 может снабжать электроэнергией любое количество распределительных цепей при условии, что его компоненты будут иметь достаточные нагрузочные параметры по току для комбинированной нагрузки по всем распределительным сетям. Фактическое распределение нагрузки в устройстве 10 происходит в схеме 52 суммирования. Независимо от того, как нагрузка в каждой из распределительных цепей увеличивается или понижается, она автоматически распределяется равномерно по всем трем поступающим фазам. Например, если нагрузка в одной из цепей или в группе цепей повышается на 30%, соответствующая нагрузка на каждой из поступающих фаз увеличивается на 10%. Поскольку каждая из поступающих фаз может быть представлена эквивалентными источниками тока с низким внутренним сопротивлением, которые идентичны друг другу, то в случае, если нагрузка в суммирующей схеме 52 увеличивается на 30%, это увеличение одинаково повлияет на каждую из трех поступающих фаз. Преимущество этого второго варианта осуществления по сравнению с первым вариантом осуществления, состоит в том, что он является менее сложным, однако, возможно, более дорогостоящим, потому что должны использоваться дорогостоящие компоненты для схемы 52 суммирования, выпрямителя 54 и генератора 56 переменного напряжения, которые были бы способны работать с повышенными уровнями тока. На фигуре 2б изображен упрощенный вариант осуществления схемы 52 суммирования, выпрямителя 54, изображенных на фигуре 2, в которой скомбинированы две функции в одном блоке, трехфазном выпрямителе 524. На фигуре 2б также изображен конденсатор 58 фильтра, применяемый в случае необходимости (не обязательно). Важно отметить, что система, изображенная на фигуре 2 и 26, не является системой аварийного питания от батареи или системой непрерываемого снабжения электроэнергией, но скорее обеспечивает балансирование нагрузки, возникающей в каждой из однофазных выходных цепей равномерно по всем трем фазам благодаря использованию схемы 52 суммирования. Наличие схемы 52 приводит к тому, что нагрузка в однофазной выходной цепи немедленно и практически равномерно распределяется по всем трем фазам входной трехфазной электрической цепи, даже без необходимости использования процессора 12 балансирования нагрузки, изображенного на фигуре 1. Следовательно, система, изображенная на фигурах 2 и 2б, представляет собой усовершенствование эффективности работы системы в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с вариантом осуществления, изображенным на фигуре 1. Таким образом, система распределения нагрузки, такая как система аварийного питания от батареи известного уровня техники, раскрытая автором Фиорина (Fiorina) в американском патенте 5477091, которая представляет собой полностью однофазную систему, включающую батарею аварийного снабжения энергией, очевидно не может воспроизвести функцию балансирования нагрузки, выполняемую вариантом осуществления в соответствии с настоящим изобретением, представленным на фигурах 2 и 2б. Кроме того, генератор 56 переменного напряжения может быть выполнен как “стационарный преобразователь” – преобразователь постоянного тока в переменный ток или инвертор постоянного тока в переменный ток без отхода от описания настоящего изобретения, такого, в котором в качестве “генератора переменного тока” используется “вращающийся преобразователь”. При этом может также использоваться хорошо известный стационарный преобразователь. Пример схемы “стационарного преобразователя” – инвертора постоянного тока в переменный ток, изображен на фигуре 2В. Подаваемое на вход 213 постоянное напряжение от суммирующего выпрямителя 524 представляет собой электроэнергию, питающую инвертор 200 постоянного тока в переменный ток, который вырабатывает выходной ток 211 с колебаниями прямоугольной формы, который после установленного в случае необходимости фильтра низких частот, представленного катушками индуктивности 208 и 209 и конденсатора 210, становится синусоидальным выходным переменным током 212. В данном примере такая схема представляет собой двухтактный несинхронизированный генератор, состоящий из пары переключающих транзисторов 201 и 202, коллекторы которых соединены с концами первичной обмотки 207а, трансформатора 207 с насыщающимся сердечником. Входной постоянный ток проходит от центрального вывода первичной обмотки на общее соединение эмиттеров транзисторов 201 и 202. Смещение в прямом направлении подается на транзисторы 201 и 202 через резисторы 203 и 204 соответственно, которые шунтированы по переменной составляющей тока конденсаторами 205 и 206 соответственно. Обратная связь замкнута с помощью обмотки 207с трансформатора на базу транзистора 201 и с помощью обмотки 207d трансформатора – на базу транзистора 202. Данный генератор вырабатывает свободные колебания на частоте, зависящей от конструкции насыщающегося трансформатора. Эта схема представляет собой грубый вариант осуществления такого типа схемы и приведена как пример для иллюстрации принципа работы. Она известна как генератор Ройера (Royer) по имени ее изобретателя. Эта схема была опубликована в публикации автора Ройер Дж. X. Импульсный транзисторный преобразователь переменного тока в постоянный ток. Транс AIEE, июль 1955г.(Royer G.H., A Switching Transistor AC to DC Converter, Trans AIEE, July’55). Улучшенные конструкции, такие как инвертор 2000, изображенный на фигуре 2г, используют ненасыщающийся трансформатор 207, и в схеме добавляется насыщающийся трансформатор 2070 обратной связи, включенный в цепь баз. Насыщающийся трансформатор обратной связи базы определяет, кроме того, рабочую частоту инвертора постоянного напряжения в переменное напряжение. Эта схема не дает возможности обеспечивать регулирование выходного напряжения. В обеих схемах вторичное выходное напряжение между пиками сигнала прямоугольной формы зависит от входного постоянного напряжения, а выходная частота зависит как от постоянного входного напряжения, так и от характеристик насыщающегося трансформатора. Этот улучшенный инвертор был опубликован автором Йенсен Дж. Л. в публикации “Улучшенная схема генератора напряжения прямоугольной формы” Транс IRE, том СТ-4, 3, сентябрь 1957 г. (Jensen, J.L., An Improved Square Wave Oscillator Circuit. Trans. IRE, Vol. CT-4, No. 3, September’57). Далее, система, изображенная на фигуре 2, может быть выполнена в виде недорого варианта с помощью комбинации трехфазного выпрямителя, изображенного на фигуре 2б с инвертором, таким, как изображен на фигурах 2в и 2г. Трехфазный выпрямитель балансирует нагрузку равномерно по всем трем входным фазам без необходимости применения вычислительного оборудования. Система, изображенная на фигурах 2, 2б и 2в или 2г, может применяться одинаково хорошо как для двухфазных систем, так и для систем с количеством фаз больше трех, то есть для “n-фазной” системы распределения электроэнергии. Конденсатор 58 фильтра и фильтр (208, 209 и 210) низкой частоты, могут быть включены в случае необходимости (не обязательно) для получения выходного тока 212 синусоидальной формы, в зависимости от выходного спектра, требуемого цепью нагрузки, которая питается электроэнергией. Система, изображенная на фигурах 2, 2б, 2в, особенно хорошо работает с небольшими установками, такими как отдельный завод. В этом случае использование приведенных вариантов осуществления настоящего изобретения поможет также понизить проблемы “коррекции коэффициента мощности” на входе участка, поскольку различные нагрузки, типа электродвигателей и другие не чисто резистивные нагрузки, будут отделены от входной электроэнергии на участке и заменены одной “входной выпрямительной” схемой. Возможно также, что при исключении конденсатора 58 или использовании конденсатора очень малой емкости только с целью фильтрации шумов, индуктивность первичной обмотки 207а трансформатора 207, которая представляет собой как бы катушку индуктивности, позволит получить улучшенный коэффициент мощности по сравнению с подключением без такой схемы, балансирующей нагрузку. Это происходит в связи с тем, что выпрямитель с емкостным входом обеспечивает коэффициент мощности порядка 0,6, в то время как схема выпрямителя типа “бесконечной индуктивности” в идеале обеспечивает коэффициент мощности, приблизительно равный девяноста процентам. Улучшенная форма инвертора постоянного тока в переменный ток, изображенного на фигуре 2г, с ненасыщающимся коллекторным трансформатором 207 и с отдельным насыщающимся базовым трансформатором 2070, должны обеспечить еще большее улучшение коэффициента мощности на входе на участок. Наконец, третий вариант представляет собой двухтактный преобразователь с “питанием по току”, в котором большая индуктивность включена последовательно с входным выводом по питанию постоянным током, подключенным к центральному отводу трансформатора 207. Это обеспечивает повышенную индуктивность схемы выпрямителя и дополнительное повышение входного коэффициента мощности. Достижение высокого, близкого к единице, коэффициента мощности важно для электрической сети общего пользования, поскольку, как хорошо известно, он представляет возможность экономии затрат при распределении электроэнергии. На фигуре 2д изображена система 10, включающая трехфазный выпрямитель 524, и улучшенный “стационарный преобразователь” – инвертор 200 постоянного тока в переменный ток, с катушкой индуктивности 2071, которая включена для повышения входного коэффициента мощности. Чисто резистивная нагрузка имеет коэффициент мощности, равный 1,0. Смещение фазы тока нагрузки из-за нерезистивной нагрузки и искажения из-за нелинейных нагрузок снижают коэффициент мощности и приводят к повышению эксплуатационных расходов электрической компании из-за неэффективной подачи электроэнергии на участок нагрузки потребителя. В то время как изображенные стационарные схемы инвертора представляют собой очень старую технологию, они представляют самые простые и наименее дорогостоящие варианты осуществления настоящего изобретения. Более новые двухтактные импульсные регуляторы, включающие схему контроля обратной связи, с ненасыщающимися трансформаторами, могут быть использованы для осуществления нестационарных инверторов, имеющих выходное напряжение и частоту, не зависящие от входного напряжения. Хорошо известны варианты осуществления таких инверторов, работающих от низковольтных напряжений питания. Конструкция таких схем для более высокого входного напряжения является понятной и менее сложной, чем в случае низкого входного напряжения. Индуктивность 2071, изображенная на схеме на фигуре 2д, заменена на фиг. 2е усилительно-переключающим регулятором 5242 – контроллером высокого значения коэффициента мощности для дальнейшего повышения входного коэффициента мощности. В качестве усилительно регулятора 5242 может быть использован контроллер высокого значения коэффициента мощности, такой как схема номер UC1854 фирмы Юнитроуд Интегрейтэд Серкетс Корпорейшн (Unitrode Integrated Circuits Corporation). Эта схема и ее применение хорошо описаны в литературе компании Юнитроуд (Unitrode), которую можно найти в “Справочнике по продуктам и их применению” ’93-’94 IC850 Корпорации Юнитроуд Интегрейтид Серкетс, США, штат Ныо Гемпшир 03054, Мэрримэк, бульвар Континентал, 7, Телефон: (603) 424-2410 Факс: (603) 424-3460 (Product & Applications Handbook ’93-’94, # IC 850, Unitrode Integrated Circuits Corporation, 7 Continental Boulevard, Merrimack. NH 03054, Telephone: (603) 424-2410 FAX: (603) 424-3460). Блок 5242 обеспечивает регулирование выходного постоянного напряжения 5244, подаваемого на инвертор 10 постоянного тока в переменный ток, устраняя, таким образом, одну из причин изменения частоты выходного переменного тока, а также стабилизируя выходную амплитуду инвертора 10 постоянного тока в переменный ток. Накопительный конденсатор 5243 обеспечивает накопление заряда, что позволяет инвертору 10 преобразования постоянного тока в переменный ток продолжать вырабатывать выходное напряжение 211 в течение нескольких миллисекунд после какого-либо переходного условия низкого входного напряжения. Это обеспечивает определенную защиту от кратковременных “провалов” напряжения и обеспечивает возможность правильного отключения нагрузки в случае поступления сигнала, предупреждающего о низком входном напряжении от регулятора 5242 усиления, что часто случается. Схема UC1854 и аналогичные ей контроллеры высокого коэффициента мощности позволяют обеспечить входной коэффициент мощности n-фазного источника электроэнергии более 0,99 при работе в нормальной однофазной системе. В случае трехфазного входа, изображенного на фигуре 2е, идентичные схемы должны обеспечивать повышенный входной коэффициент мощности, так как источник ошибки, известный как “искажение перегиба”, описанный в литературе компании Юнитроуд (Unitrode), не должен присутствовать при использовании контроллера с n-фазным источником электроэнергии. Это происходит в связи с тем, что дополнительные фазы не позволяют при минимальном входном напряжении сбросить моментально напряжение, подаваемое на усилительный регулятор высокого значения коэффициента мощности до нуля, как это происходит, например, в случае однофазного двухтактного мостового выпрямителя, так как дополнительные фазы будут заполнять “провалы” между двумя полуциклами, получающимися при однофазном входе. Искажение провала аналогично переходным искажениям, возникающим в усилителях, и устраняется заполнением пульсирующим напряжением, поскольку входное напряжение больше ни в какой из моментов не достигает проблематичного низкого напряжения, близкого к нулю во всем диапазоне входных напряжений. Конроллер 1854 коэффициента мощности и способ его построения описаны в следующей литературе компании Юнитроуд Ай Си Корпорейшн (Unitrode IC Corporation): (1) UC 1854/2854/3854 Регулятор высокого коэффициента мощности (справочный листок 1854) (UC 1854/2854/3854 High Power Factor Preregulator (1854 Data Sheet). (2) U-134, UC3854 Разработка управляемой схемы коррекции коэффициента мощности (U-134, UC3854 Controlled Power Factor Correction Circuit Design). (3) DN-39D, Оптимизация эффективности при применении корректора коэффициента мощности в UC3854 (DN-39D, Optimizind Performance in UC3854 Power Factor Correction Applications). (4) DN-41, Расширенный диапазон применения трансформаторов токов (DN-41, Extended Current Transformer Ranges). (5) U-140, Управление режимом среднего тока импульсных источников питания (U-140, Average Current Mode Control of Switching Power Supplies). В целом способ работы, изображенной на фигуре 2 и т.д., системы равномерного балансирования электрической нагрузки n-фазного источника электроэнергии включает следующие этапы: выпрямления указанного n-фазного источника электроэнергии для получения источника постоянного напряжения, подсоединения указанного источника постоянного напряжения к инвертору постоянного тока в переменный ток для вырабатывания выходного переменного напряжения; вырабатывания указанного выходного переменного напряжения из указанного постоянного напряжения; присоединения нагрузки переменного тока к указанному выходному переменному напряжению, подавая, таким образом, выходной переменный ток нагрузки на указанные нагрузки переменного тока; отражения с помощью этого указанного выходного переменного тока нагрузки обратно через указанный инвертор постоянного тока в переменный ток как бы как нагрузки постоянного тока на указанный источник постоянного напряжения, посредством чего указанный постоянный ток нагрузки в свою очередь отражается обратно через указанный n-фазный выпрямитель, как входной переменный ток нагрузки на указанный n-фазный источник электроэнергии, причем указанный входной переменный ток нагрузки распределяется равномерно по указанным n фазам указанного n-фазного источника электроэнергии с помощью указанного n-фазного выпрямителя, распределения, таким образом, указанного выходного переменного тока нагрузки равномерно по указанным n фазам указанного n-фазного источника электроэнергии. На фигуре 3 изображена блок-схема одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, комбинирующего особенности систем, изображенных на фигуре 1Б и 2Е, в которой дополнительно добавлены возможности связи, например, с компанией-поставщиком электроэнергии или с потребителем через линию связи, например модем 3001. При осуществлении системы, изображенной на фигуре 2е, она вводится между автоматическим выключателем 14 электрической сети общего пользования по фигуре 1б и остальной части системы, изображенной на фигуре 1б, что позволяет обеспечить автоматическое балансирование нагрузки, а также высокий коэффициент мощности, как описано выше. Система, изображенная на фигуре 1б, представлена здесь как n блоков электрических схем, обозначенных 1001. . . 1002, которые представляют каждый из блоков электрических схем, связанных с каждой из m распределительных цепей. Эти m “блоков” распределительных цепей соединены с процессором 3012 аналогичным процессору 12, изображенному на фигуре 1б, и не только управляются таким же образом процессором 3012 для ограничения максимальной нагрузки n-фазной электрической сети общего пользования путем ограничения максимального тока нагрузки, обеспечиваемого инвертором 10 постоянного тока в переменный ток, но процессор 3012 имеет дополнительные возможности, которые будут описаны ниже. Теперь модем 3001 соединен с помощью шины 3004 обмена данными в двух направлениях с процессором 12. Модем 3001 предпочтительно соединен через интерфейс 3002 типа RJ11 с телефонной линией 3003 центрального офиса. Модем 3001 обеспечивает возможность связи, например, с компанией, снабжающей электроэнергией, или с потребителем. Кроме заранее запрограммированного управления процессором 12 подключения и отключения нагрузок, т.е. распределительных цепей, в соответствии с изменениями тока, выполняемыми датчиками 18 и 42 m, процессор 3012 также позволяет производить программирование для управления добавляемыми и убираемыми нагрузками функции времени, например, зависимости от времени дня или дня недели. Кроме того, выключение нагрузки в случае возникновения условия перегрузки в цепи питания и повторное включение нагрузки может выполняться в соответствии с заранее запрограммированными приоритетами, задаваемыми потребителем в процессоре 3012. Таким образом, потребитель электроэнергии может выполнять управление работой оборудования на данном участке даже в его отсутствие. Кроме того, процессор 3012 может посылать данные в электрическую компанию, связываясь с ней через модем 3001. Более того, электрическая компания может посылать запросы на процессор, например, касающиеся нагрузки в каждой из фаз в n-фазной системе, изображенной на фигуре 1, или касающиеся нагрузки в каждый из распределительных цепей в любом из вариантов осуществления, изображенных на чертежах. Кроме того, электрическая компания или потребитель могут подавать команды на процессор, например, на подключение или отключение различных нагрузок, выполняя, таким образом, управление нагрузками в помещении потребителя через модем 3001 и процессор 3012, и электрическая компания или потребитель могут с помощью удаленного доступа перепрограммировать процессор 3012 через модем 3001. В то время как изображена проводная телефонная линия, возможно использование сотового телефона или других способов беспроводной связи, осуществляющих соединение связи с процессором 3012, которое аналогично включено в объем настоящего изобретения. На фигуре 4 изображен альтернативный вариант осуществления комбинации 5400 блоков 52 и 54, изображенных на фигуре 2, для трехфазной системы, которая приведена здесь как пример n-фазной системы с n=3. На фигуре 4 каждая фаза сначала выпрямляется выпрямителями 401-403, причем выход каждого выпрямителя служит как вход отдельного модуля 405-407 коррекции коэффициента мощности (ККМ), которые аналогичны описанным выше, например, с использованием контроллера UC1854 или аналогичного. Выходы этих n модулей коррекции коэффициента мощности соединяются вместе и с накопительным конденсатором 409, обеспечивая, таким образом, выходное постоянное напряжение 410. N ККМ модулей имеют общую соединительную шину 408 распределения нагрузки такую, как, например, описана в литературе компании Юнитроуд по отношению к интегральной схеме контроллера распределения нагрузки UC1907 и по отношению к импульсным регулирующим контроллерам, таким как UC1842. Целью шины распределения нагрузки является обеспечение того, что на каждый из ККМ модулей будет подана эквивалентная доля тока нагрузки, как и на другие модули ККМ, плюс-минус погрешность порядка 10% или меньше. Преимущество варианта осуществления, изображенного на фигуре 4, по сравнению с фигурами 2 и 2Б состоит в том, что вариант осуществления по фигуре 4 более определенно обеспечивает как улучшенное балансирование нагрузки по n фазам, так и улучшенный коэффициент мощности на каждой из n фаз. На фигуре 5а изображено дополнительное цифровое электронное измерительное устройство 5001, подсоединенное к процессору 3012, такому как процессор 3012, изображенный на фигуре 3. Цифровое электрическое измерительное устройство 5001 представляет собой цифровой измеритель киловатт-часов, который записывает накапливаемое значение потребления электроэнергии. Так процессор 3012 имеет ассоциированную связь 3004 с модемом 3001, который предпочтительно соединен через интерфейс 3002 с телефонной линией 3003 центрального офиса. С помощью такого устройства управление потреблением электроэнергии в помещении потребителя может быть выполнено через процессор и линию связи для передачи на запрашивающее место, например компанию, поставляющую электроэнергию через электрическую сеть общего пользования. В другом варианте осуществления, полностью включенном в фигуру 3, датчики 18 и 42 n тока непрерывно опрашиваются процессором 3012, и в соответствии с мгновенными измерениями значений напряжения в местах подключения датчиков тока может вычисляться мгновенное потребление электроэнергии и по хорошо известным методикам, значения которых могут постоянно суммироваться, “интегрироваться” в процессоре 3012 для получения совокупного значения потребления электроэнергии в данном помещении. Необходимое оборудование для каждого из измерений электроэнергии проиллюстрировано на фигуре 5Б, на которой изображен датчик 518 тока с выходным сигнал 5181, поступающим на процессор 3012, и датчик 5189 напряжения с выходным сигналом 5189 V, поступающим на процессор 3012. Таким образом, в систему, изображенную на фигуре 3, может быть введена функция цифрового измерительного устройства 5001 электроэнергии и аналогично в n-фазную систему, такую как изображена на фигуре 1. Функция цифрового измерения электроэнергии, осуществленная в качестве отдельного инструмента, такого как изображен на фиг.5а или неявно, как изображено на фиг. 3, как описано выше, может быть использована в любой системе, описанной здесь, даже без наличия линии связи, предназначенной для получения дополнительного параметра для использования при управлении нагрузкой. Хотя настоящее изобретение было описано по отношению к ограниченному количеству вариантов осуществления, понятно, что может быть много вариантов модификаций и других случаев применения настоящего изобретения. В частности, как пример был использован обычный n-фазный случай при n=3. В целом, количество фаз не ограничивается тремя фазами, но может составлять любое количество фаз. Кроме того, любая форма линии связи может быть использована для обмена информацией между процессором, расположенным на участке потребителя, и электрической компанией. Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
