Схема устройства для ограничения потребления от сети

Внутренние электролинии питания бытовых электроприборов квартир и частных домов выполнены из расчета на потребление электроэнергии электроприборами, разработанными более полувека назад.

В настоящее время в связи с ростом мощности бытовых потребителей и их количества сечение проводов линии недостаточно, что приводит к перегоранию предохранителей, выходу из строя автоматов защиты линии от перегрузки. Возможные возгорания проводов от перегрева приводят к частым пожарам в бытовых и жилых помещениях. Неприятности чаще возникают в ночное время и при отсутствии контроля.

Количество используемых электроприборов в квартирах возросло, а установленная мощность превышает критическую, токи возросли в 3-5 раз. Для примера: мощность стиральной машины возросла с 300 Вт до 2,2 кВт, чайника с 500 Вт до 2,5 кВт — простая замена автомата на электрощите с 10 на 30 А без замены электропроводки не даст желаемых результатов. Перегрузки в линии суммируются и приводят к отключению энергосистемы. Снять перегрузку в линии невозможно простым отключением потребителей без контроля нагрузки.

Перегрузки в линии можно предупредить понижением мощности энергопотребления бытовыми электроприборами, временное снижение напряжения на которых не влияет на конечный результат, например: не столь важно через какое время подогреется электрочайник, если мы мощность уменьшим вдвое.

Кроме временного снижения напряжения на нагревательных элементах возможно использовать второй вариант — поочередное включение мощных энергопотребителей: к примеру насос подкачки воды из скважины автоматически включится в ночное время, когда нагрузка в линии ниже чем днем, или водоподогреватель максимально нагружен в ночное время, а в дневное время поддерживается подогрев минимальной мощностью. Если провести замену многих ламп освещения на газосветные и не готовить пищу на электропечах в сосудах без крышек, то без снижения комфорта появляется экономия электроэнергии почти в два раза.

Аварийное отключения электроэнергии от перегрузки приводит к еще одной неприятности — отключению компьютеров и потере информации. Во время аварийного отключения компьютера многие открытые файлы могут быть безвозвратно повреждены, что приведет к потере данных или неработоспособности операционной системы и прикладных программ. Для избежания указанных проблем можно использовать источник бесперебойного питания, однако аккумулятор, установленный для поддержания работоспособности компьютера при отсутствии сетевого напряжения, не рассчитан на поддержание рабочего состояния компьютера в течении продолжительного времени. Подключение же более мощного аккумулятора потребует изменений в зарядном устройстве и увеличении размеров корпуса.

Выход иэ положения один: оперативное снижение потребляемого сетевыми нагрузками тока, до наступления аварийного состояния в линии.

Прототипом прибора по ограничению максимальной мощности нагрузки в линии послужило устройство ограничения скорости автомобиля при критических значениях скорости движения с подачей светового и звукового предупреждающего сигнала.

При росте потребляемой мощности до аварийного состояния линии, устройство ограничения мощности потребителей автоматически снижает напряжение на одной из мощных нагрузок, и аварийное отключение в сети не произойдет. После снятия режима перегрузки в линии напряжение автоматически восстанавливается до рабочего состояния.

На мощные нагрузки в виде электропечей и водо-подогревателей линия питания проведена отдельно от других потребителей, и напряжение на ней удобно варьировать без ухудшения технологических процессов.

Устройство ограничения мощности представляет собой небольшой прибор, в состав которого входит: выносной датчик тока, корпус, в котором установлена плата схемы устройства, и трансформатор питания. Звуковой и световой индикаторы перегрузки закреплены на верхней крышке корпуса с предохранителем. Автоматы, указанные на схеме, входят в комплект защиты и расположены со счетчиком в электрощите. Датчик тока установлен в линии, после отсечного автомата.

Принципиальная схема (рис. 1) состоит из ждущего мультивибратора прямоугольных импульсов на аналоговом программируемом таймере DA1, который управляет работой регулятора напряжения на симисторе VS1.

Порог включения таймера зависит от нагрузки в линии, датчик тока Т2 контролирует максимальный ток в линии и через оптопару U1 управляет его работой. При критическом состоянии таймер перестает генерировать импульсы, и напряжение на нагрузке снижается. Для поддержания в нагрузке напряжения "подогрева" имеется узел предварительной установки мощности нагрузки на транзисторе обратной проводимости VT1.

Для защиты от напряжения электросети схема устройства гальванически разделена оптопарами U1 и U2.

Питание схемы выполнено от сетевого трансформатора Т1 с выпрямителем на импульсных диодах VD3 и фильтром на электролитическом конденсаторе С4. Таймер и цепи формирования прямоугольных импульсов — резисторы R4, R5, R6 и конденсатор С2 питаются от параметрического стабилизатора на диоде VD1. Импульсные помехи в сети при работе симисторного регулятора устраняются конденсаторами С6, С7.

Напряжение с электролинии поступает на штатный электросчетчик, и через отсечной автомат SA1 распределяется на автоматы отходящих линий — SA2, SA3, питания активных нагрузок и телерадиоаппаратуры.

Ток, проходящий по одной из главных цепей питания нагрузок, создает на обмотке (1) датчика тока Т2 напряжение, которое после выпрямления диодным мостом VD5 формирует на установочном резисторе R15 падение постоянного напряжения, стабилитрон VD2 ограничивает максимальную амплитуду для защиты от перегрузки оптопары U1, конденсатор С5 сглаживает пульсации и устраняет срабатывание схемы при кратковременных критических превышениях нагрузки, к примеру, в момент включения холодильника с большим пусковым током электродвигателя.

Резистор R17 ограничивает ток стабилизации диода VD2, R18 является нагрузкой датчика тока. Резистор R1 ограничивает ток через светодиод оптопары U1 при верхнем положении движка резистор R15, который позволяет установить максимальное значение тока нагрузки, при ограничении мощности. Порог срабатывания таймера DA1 зависит от значения делителя на резисторах R2, R3.

Ток, проходящий через светодиод оптопары U1, открывает ее транзистор, и напряжение смещения через ограничительный резистор R2 с положительной шины стабилизированного питания почти полностью поступит на вход (2) аналогового таймера и переключит его из рабочего состояния в состояние, когда на выходе (3) DA1 уровень будет равен нулю.

Свето-диоды переключатся с HL2 при нормальной нагрузке на HL1 при критическом состоянии с включением звукового сигнала НА1. Отсутствие импульсного напряжения на выходе таймера приведет к снижению напряжения на нагрузке в цепи симистора. Для поддержания уровня напряжения в режиме подогрева транзистор VT1 приоткрыт небольшим напряжением смещения через резисторы R11, R12.

Частота и скважность импульсов тока таймера зависят от параметров RC-цепи: резисторов R4, R5, R6 и конденсатора С2.

При снижении напряжения на входе (2) таймера DA1 ниже 1/3 Un на выходе (3) вновь появится импульсное напряжение, и мощность на нагрузке установится в начальных значениях.

Резисторы R14, R16 защищают элементы оптопары U2 от перегрузок и выхода из строя.

Печатная плата устройства (85×45 мм) приведена на рис. 2.

Выводы 12 В, идущие от диодного моста VD3, подключить ко вторичной обмотке трансформатора Т1 (С6). Вывод AVS1 платы подключить к аноду симистора VS1, вывод YVS1 от резистора R16 подключить к управляющему электроду симистора. Выводы Т2-Т2 с печатной платы подключить к обмотке (1) трансформатора тока Т2.

Трансформатор, симистор и печатная плата крепятся на нефольгированный стеклотекстолит с установкой в заводском корпусе подходящих размеров типа БП-1. Монтаж силовых сетей выполнить изолированным медным проводом сечением не менее 3 мм2, остальных — 0,5 мм2.

Наладка принципиальной схемы устройства ограничения мощности состоит в предварительной установке резистором R11 половины напряжения на нагрузке симистора при среднем положении резистора R5 — установки частоты генератора на таймере DA1. Один из выводов резистора R10 от схемы временно отключить. Вместо нагрузки можно подключить электролампу на 220 В и по ее накалу можно судить о работоспособности схемы устройства.

По окончанию регулировок резистор R10 установить по схеме — накал лампы нагрузки возрастет до максимальной яркости, при отсутствии напряжения с датчика тока. Следует соблюдать технику безопасности при работе в электросетях и по возможности во время испытаний использовать переходной трансформатор 220/220 В*100 Вт.

Имитируя нагрузку в цепи датчика тока, на диод VD2 с плюса цепи питания подать через ограничительный резистор в 3,3 кОм постоянное напряжение и резистором R15 выставить порог срабатывания по входу (2) нижнего компаратора аналогового таймера. Яркость лампы накаливания, используемой в качестве нагрузки, должна понизится наполовину. При необходимости мощность в нагрузке можно подстроить резистором R5.

Чувствительность устройства дополнительно следует скорректировать при включении датчика тока в цепь нагрузки сети.