Пристрій для автоматичного керування електроспоживанням

Реферат: Пристрій для автоматичного керування електроспоживанням, який має технологічну установку, що складається із каналу для газового/повітряного потоку, всередині якого встановлений повітряний гвинт, що оснащений пристроєм для автоматично змінювання кута атаки лопатей та генератор, ротор якого механічно пов'язаний з повітряним гвинтом. Додатково введені мікроконтролер, комутатори, датчик тиску газового/повітряного потоку та перетворювач електродвигуна вентилятора, який входом і виходом підключений до блока управління технологічною установкою, і комутатори відповідно включені в кожну фазу мережі живлення й кожну фазу генератора, а в канал для газового/повітряного потоку встановлений датчик тиску газового/повітряного потоку, вихід якого підключений до першого входу мікроконтролера, другий вхід останнього з'єднаний з виходом блока управління технологічною установкою, а перший вихід мікроконтролера - з входом блока управління технологічною установкою, причому третій, четвертий та п'ятий входи мікроконтролера підключені до відповідних трьох фаз виходу генератора, а кожний управляючий вхід трьох комутаторів мережі живлення підключені до перших трьох інверсних виходів мікроконтролера, а інші три управляючих входи комутаторів генератора під'єднані до трьох прямих виходів мікроконтролера та трьох фаз генератора, а виходи кожної фази комутаторів мережі живлення та генератора відповідно з'єднані одна з одною та під'єднані до відповідних входів кожної фази перетворювача електродвигуна вентилятора та блока управління технологічною установкою. UA 109979 U (12) UA 109979 U UA 109979 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до енергетичного будівництва, пов'язаного з енергозбереженням, за рахунок використання альтернативної енергії, і може бути використана для додаткового забезпечення електричною енергією систем автоматичного керування технологічними процесами різних технологічних установок, агрегатів та механізмів. Відомий пристрій для автономного живленням освітлювальних ламп (Патент України № 56231, кл. F21L 27/00, F03D 7/00, F03G 6/00, F21L 13/00 F21S 9/0), що містить блок перетворення механічної енергії в електричну з приєднаним до нього електрогенератором, який змонтовано в блоці для перетворення енергії сонячних променів у механічну через теплову з вертикально встановленою трубою змінного по висоті перерізу, що має прозору поверхню і поверхню з матеріалу з як найбільшим ступенем поглинання вертикально встановленою трубою змінного по висоті перерізу з розширенням у верхній та нижній і звуженням в середній частині труби, лопатями вітродвигуна в найбільш звуженій середній частині труби, днищем поглинання енергії сонячних променів в нижній частині труби і нагрівальний елемент у нижній частині труби. В цьому пристрої електрогенератор, який через блок контролю зарядження-розрядження живить акумуляторну батарею і разом з нею приводить в дію освітлювальні лампи та нагрівальний елемент через блок керування, винесено за межі блока. Основним недоліком цього способу роботи вітроенергетичної системи є недостатня ефективність використання вітрового потоку, що обумовлено його низькою кінетичною енергією при формуванні вітрового потоку в вертикально встановленій трубі, змінною по висоті перерізу, та використання вертикально встановленою трубою змінного по висоті перерізу, та обов'язкове використання енергії сонячних променів. Найбільш близьким є пристрій для автоматичного керування електроспоживанням, який має первинні датчики витрати електроенергії, що підключені до блока прийому інформації, який відрізняється тим, що блок прийому інформації від первинних датчиків підключений до мікроконтролера, додатково введені блоки прийому інформації від лічильників технічного і комерційного обліку, виходи з яких підключені до мікроконтролера, а вихід з мікроконтролера підключений до блока керування споживачами регуляторами. (Патент України № 62126, кл. H02J 13/00). Недоліком даного пристрою є те, що споживачі - регулятори весь час споживають із мережі електричну енергію, яка не економиться. В результаті цього, використання такого пристрою економічно не обґрунтовано. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення пристрою шляхом використання додаткової альтернативної електричної енергії, що живить разом з основною електричною енергією технологічну установку або агрегат, або механізм. Для альтернативної електричної енергії використовується потік маси газів/повітря, відпрацьованих, вивільнених або що видуваються технологічною установкою та перетворюється енергія потоку цих мас у електричну для додаткового живлення технологічної установки. Це дозволяє зменшити кількість використаної електроенергії та збільшити ККД технологічної установки. Поставлена задача вирішується в наслідку того, що пристрій для автоматичного керування електроспоживанням, який має технологічну установку, що складається із каналу для газового/повітряного потоку, всередині якого встановлений повітряний гвинт, що оснащений пристроєм для автоматичного змінювання кута атаки лопатей, перетворювача електродвигуна вентилятора, який входом і виходом підключений до блока управління технологічною установкою, та мікроконтролер, в нього додатково введені генератор, ротор якого механічно пов'язаний з повітряним гвинтом, і комутатори відповідно включені в кожну фазу мережі живлення й кожну фазу генератора, а в канал для газового/повітряного потоку встановлений датчик тиску газового/повітряного потоку, вихід якого підключений до першого входу мікроконтролера, другий вхід останнього з'єднаний з виходом блока управління технологічною установкою, а перший вихід мікроконтролера - з входом блока управління технологічною установкою, причому три фази виходу генератора підключені відповідно до третього, четвертого та п'ятого входів мікроконтролера, а кожний управляючий вхід трьох комутаторів мережі живлення підключені до перших трьох інверсних виходів мікроконтролера, а інші три управляючих входи комутаторів генератора під'єднані до трьох прямих виходів мікроконтролера та трьох фаз генератора, а виходи кожної фази комутаторів мережі живлення та генератора відповідно з'єднані одна з одною та під'єднані до відповідних входів кожної фази перетворювача електродвигуна вентилятора та блока управління технологічною установкою. Корисна модель пояснюється кресленням, яке ілюструється схемою, де надана блок-схема пристрою для автоматичного керування електроспоживанням. На креслені зображено наступне: технологічна установка 1, до якої входять: перетворювач 1.1 електродвигуна вентилятора, блок 1.2 управління технологічною установкою 1, канал 1.3 1 UA 109979 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 для газового/повітряного потоку, всередині якого встановлений повітряний гвинт 1.3.1 та датчик 1.4 тиску газового/повітряного потоку, мікроконтролер 2, генератор 3, комутатори 4.1-4.3 мережі живлення та комутатори 5.1-5.3 генератора. Технологічною установкою 1 може бути газовий котел, димосос, котлоагрегат, тощо. Установка 1 потребує відсмоктування димових газів із топок - продуктів згоряння палива або видування по повітроводам стислого повітря. Для цього в таких установках використовуються витяжні (видувні) вентилятори. Установка 1 має канал 1.3 для газового/повітряного потоку, всередині якого встановлені вентилятор, повітряний гвинт 1.3.1 і датчик 1.4 тиску газового/повітряного потоку. Кожний вентилятор керуються перетворювачем 1.1 та блоком 1.2 управління технологічною установкою. Перший вхід мікроконтролера 2 підключений до виходу датчика 1.4, що встановлений в середині каналу 1.3 для виміру тиску газового/повітряного потоку. Вхід блока 1.2 підключений до першого виходу мікроконтролера 2, а другий його вхід виходу цього блока. Мікроконтролер 2 містить модуль мікропроцесора, до якого приєднано модуль пам'яті з програмним модулем, модуль синхронізації, модуль формування та відображення текстової та графічної інформації, модуль підключення допоміжного пристрою керування системою, звуковий модуль, модуль живлення, модуль сполучення з шинами комп'ютера, тощо. Мікроконтролер 2 на входах має вбудовані аналого-цифрові перетворювачі та дільники напруги живлення, що подається від генератора. На виходах мікроконтролера 2 встановлені підсилювачі, вихідні сигнали з яких знімаються з прямих або інверсних виходів. Ротор генератора 3 механічно з'єднаний з повітряним гвинтом 1.3.1, і коли він обертається, на його трьох виходах з'являється змінна трифазна напруга, величина амплітуди та фаз якої дорівнює відповідно амплітудам та фазам напруги, що є в мережі живлення. Кожна фаза трифазної напруги генератора 3 подається до третього, четвертого та п'ятого входів мікроконтролера 2. Це необхідно для визначення амплітуд і фаз напруги на виході генератора 3. Одночасно у кожну фазу трифазної напруги генератора 3 включені комутатори 5.1-5.3 генератора. Інші три комутатори 4.1-4.3 включені також у кожну фазу але трифазної мережі живлення та вони входами підключені до цієї мережі. Управляючі входи комутаторів 4.1-4.3 живлячої мережі та комутаторів 5.1-5.3 генератора під'єднані відповідно до трьох інверсних і прямих виходів мікроконтролера 2. Виходи кожного комутатора 4.1-4.3 підключені відповідно до кожного виходу комутатора 5.1-5.3 та з'єднані трифазною мережею із перетворювачем 1.1 електродвигуна вентилятора та блоком 1.2 управління технологічною установкою 1. Блок 1.2 управління технологічною установкою 1 складається з спеціалізованого контролера, виконаного на великих інтегральних мікросхемах та мікропроцесорних засобах автоматизації та елементів, що узгоджують сигнали управління. Але цей блок також може бути виконаним з використанням: релейно-контакторної апаратури, елементів середньої ступені інтеграції, великих інтегральних схем, мікропроцесорів, тощо. Основним призначенням блока 1.2 є забезпечення основних і допоміжних режимів роботи технологічної установки 1 та управління перетворювачем 1.1 електродвигуна вентилятора. Блок 1.2 приймає інформацію від мікроконтролера 2, що підтверджує керування електроспоживанням технологічної установки 1 від генератора 3, та інформує мікроконтролер 2 про її живлення від мережі. Окрім цього, блок 1.2 формує сигнали управління для перетворювача 1.1, забезпечуючи: ненаголошений пуск, гальмування, номінальний момент при низьких швидкостях та регулювання швидкості у широких межах роботи електродвигуна витяжного (видувного) вентилятора технологічної установки 1. Блок 1.2 має вбудовані задавачі для встановлення порогів амплітуд та фаз перемикань трифазних напруг від генератора 3. Канал 1.3 для газового/повітряного потоку встановлюється на виході з технологічної установки 1 (котла, димососу, тощо) і призначений для відведення продуктів згорання від побутових газових приладів, печей та іншого побутового та промислового газового або повітряного обладнання. У каналі 1.3 встановлені повітряний гвинт 1.3.1 з пристроєм для зміни кута атаки лопатей та датчик 3-1 для визначення тиску повітря або газу та інших продуктів згорання. Повітряний гвинт 1.3.1. оснащений пристроєм для зміни кута атаки лопатей, причому кут атаки встановлюється пристроєм автоматично. Пристрій повітряного гвинта 1.3.1 побудований на основі використання до напрямку потоку середовища, що набігає. Під кутом атаки лопатей повітряного гвинта 1.3.1 ми маємо на увазі кут між напрямком швидкості набігаючого на лопатку потоку газу/повітря і характерним поздовжнім напрямком, вибраним на тілі лопатки. Лопать (крило) з пристроєм зміни кута атаки до напрямку набігаючого потоку середовища, встановлена на рухомій конструкції з можливістю обертання навколо власної осі, шляхом повороту його осі за допомогою впливу на нього через кінематичний зв'язок закрилка (шляхом 2 UA 109979 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 повороту його осі за допомогою впливу закрилка, який кінематично зв'язаний з пристроєм зміни кута атаки крила). Такий закрилок встановлений на задній кромці крила з можливістю повороту, відмінний тим, що пристрій зміни кута атаки являє собою вісь, один кінець якої розташований всередині закрилка між двома пластинами і загнутий під кутом 120-135° і має можливість переміщення між даними пластинами. Вісь виконана такою, що вона обертається, а її другий кінець розташований всередині крила і кінематично пов'язаний з рухомою конструкцією та з можливістю напружено-пружного повороту при перевищенні робочого моменту обертання осі. Датчик тиску 1.4 призначений для виміру тиску газу /повітря в каналі 1.3. Він встановлюється між витяжним (видувним) вентилятором технологічної установки 1 і повітряним гвинтом 1.3.1. Сигнал цього датчика представлений у вигляді постійного струму певної напруги. Величина напруги залежить від напрямку руху і кількості повітря, яке проходить через датчик. За принципом перетворення величини тиску газу/повітря у сигнал, що вимірює цю величину, датчик тиску 1.4 може бути електронним, у яких здійснюється вимірювання електричної величини, такої як електричний опір, індуктивність, резонансна частота. Ці параметри безпосередньо використовуються контролером 2. Датчики 1.4 для вимірювання тиску потоку газу/повітря і можуть мати інший принцип дії. Генератор 3 - це електрична машина, у якій механічна робота перетворюється в електричну енергію. Електрична машина складається із двох основних частин: рухомої - ротора й нерухомої - статора. Одна з цих частин, статор, використовується для створення магнітного поля, на іншій, роторі, змонтовані обмотки, з яких знімається електричний струм. Для створення магнітного поля на статорі використовуються постійні магніти, або електромагніти. Вал ротора генератора 3 кінематичне зв'язаний із валом повітряного гвинта 1.3.1. Комутатори 4.1-4.3 живлячої мережі та комутатори 5.1-5.3 генератора виконані на безконтактних полу провідникових елементах (оптронних тиристорах або симисторах), вони можуть бути виконані на релейно - контактних елементах або іншими. Комутатори 4.1-4.3 призначені для безпосереднього виконання перемикань напруг живлення від мережі, а комутатори 5.1-5.3 - від генератора 3 та подачі напруг живлення до перетворювача 1.1 вентилятора та блока 1.2 управління технологічною установкою 1. Для визначення моменту перемикань напруг мікроконтролер 2 використовує задані значення порогів амплітуд та фаз напруг живлення, що встановлюються оператором у блоці 1.2 управління технологічної установки 1, та виміряні значення параметрів датчику тиску 1.4, що розташований у каналі 1.3.1 газового/повітряного потоку. Для цього блок 1.2 одним із виходів пов'язаний із входом мікроконтролера 2. При цьому з першого виходу мікроконтролера 2 інформація передається до блока 1.2 управління технологічною установкою 1 про її живлення від генератора 3. Пристрій для автоматичного керування електроспоживанням працює наступним чином. При подачі трифазної напруги змінного струму від мережі живлення на входи комутаторів 4.1-4.3, останні відкриваються за рахунок того, що на їхніх управляючих входах присутні сигнали логічних одиниць, що подаються з інверсних виходів від мікроконтролера 2. В результаті цього трифазна напруга змінного струму від мережі живлення надходить на перетворювач 1.1 електродвигуна вентилятора та блок 1.2 управління технологічною установкою 1. Запускається технологічна установка 1, наприклад газовий котел, згорає пальне, нагрівається вода та з'являються залишки пального, що не згоріло, повітря, чадний газ, водень, сажа, тощо видаляються зовні з камери згорання установки 1 і направляються у канал 1.3, де формується газовий/ повітряний потік. Видалення газу та повітря зовні виконується вентилятором, який включається за допомогою перетворювача 1.1 по сигналам з блока 1.2 управління технологічною установкою 1. Сформований потік газу та повітря попадає на лопатки, які обертаються і приводять у дію повітряний гвинт 1.3.1, пристрій якого встановлює найкращий кут атаки лопатей, на основі використання до напрямку потоку середовища, що набігає. Обертаючись, повітряний гвинт 1.3.1 одночасно обертає ротор генератора 3, який виробляє трифазну електричну електроенергію змінного струму. Ця електроенергія подається на вхід мікроконтролера 2 та комутатори 5.1-5.3 генератора. Тиск потоку газу та повітря визначається датчиком 1.4, вихідний сигнал якого подається на перший вхід мікроконтролера 2. При цьому на другий вхід мікроконтролера 2 з блока 1.2 подаються сигнали від задавачів, що визначають задані оператором пороги амплітуд та фаз перемикань трифазних напруг від генератора 3. Для забезпечення автоматичного керування електроспоживанням мікроконтролером 2 обробляється інформація, що надходить з блока 1.2 від задавачів й порогових елементів про 3 UA 109979 U 5 10 15 20 25 величини амплітуд та фаз живлячої напруги генератора 3 і поріг, визначення величини тиску в каналі 1.3 газовим/повітряним потоком, та контролюються фаза електрорухомої сили на обмотках статора електродвигуна вентилятора і визначається стан технологічної установки 1. По алгоритму, що реалізується у мікроконтролері 2, виміряні дані датчика тиску 1.4 зрівняються з раніше заданими оператором параметрами порогу тиску в блоці 2. При досягненні потрібної величини тиску газового/повітряного потоку та достатньої по амплітуді електричної напруги на виході генератора 3 мікроконтролер 2 за допомогою інверсних виходів через комутатори 4.1-4.3 відключає технологічну установку 1 від мережі живлення. Одночасно із прямих виходів мікроконтролер 2 подає імпульсні сигнали на управляючі входи комутаторів 5.15.3 генератора. Ці комутатори відкриваються і живлення трифазною напругою перетворювача 1.1 електродвигуна вентилятора та блока 1.2 управління технологічної установки 1 виконується вже від генератора 3. Через деякий час у каналі 1.3 зменшується тиск газового/повітряного потоку. В результаті швидкість обертання повітряного гвинта 1.3.1 знижується та падають амплітуди трифазної вихідної напруги генератора 3, яка подається на третій, четвертий та п'ятий входи мікроконтролера 2. При зменшенні амплітуди вихідної напруги генератора 3 мікроконтролер 2 відключає цю напругу від перетворювача 1.1 електродвигуна вентилятора та блока 1.2 управління технологічною установкою 1. Це виконується за допомогою закриття комутаторів 5.1-5.3 при подачі на їх управляючі входи логічного нуля з прямих виходів мікроконтролера 2. Одночасно, на інверсних виходах мікроконтролера 2 з'являються сигнали логічних одиниць, які подаються на управляючі входи комутаторів 4.1-4.3 мережі живлення. Ці комутатори відкриваються і живляча напруга знову подається на перетворювач 1.1 електродвигуна вентилятора та блок 1.2 управління технологічною установкою 1, але від мережі живлення. Далі робота пристрою для автоматизованого керування електроспоживанням повторюється. Мікроконтролер 2 по алгоритму формує на прямому та інверсному виходах імпульсні сигнали (фіг. 1), які визначаються шпаруватістю S , що є функцією від величини амплітуди напруги генератора 3 Uг  і величини тиску газового/повітряного потоку Pn , тобто S  f Uг,Pn . Шпаруватість S визначається наступним чином: S 30 35 t М  tГ , tГ - відповідно тривалість подачі на технологічну установку 1 трифазної напруги живлення від мережі живлення та генератора 3. Таким чином, запропонований пристрій для автоматичного керування електроспоживанням дозволяє зменшити до 20 % кількість спожитої електроенергії технологічною установкою за рахунок додаткового її живлення альтернативною енергією, яка виробляється шляхом використання потоку газів/повітря відпрацьованих, вивільнених або що видуваються вентилятором технологічної установки, що перетворюється генератором у додаткову електричну енергію. Так як технологічна установка живиться не тільки від електричної мережі, а й від електричного генератора, то як показали результати експериментальних досліджень підвищується ККД технологічної установки до 12 %. t М , tГ 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 Пристрій для автоматичного керування електроспоживанням, який має технологічну установку, що складається із каналу для газового/повітряного потоку, всередині якого встановлений повітряний гвинт, що оснащений пристроєм для автоматично змінювання кута атаки лопатей та генератор, ротор якого механічно пов'язаний з повітряним гвинтом, який відрізняється тим, що додатково введені мікроконтролер, комутатори, датчик тиску газового/повітряного потоку та перетворювач електродвигуна вентилятора, який входом і виходом підключений до блоку управління технологічною установкою, і комутатори відповідно включені в кожну фазу мережі живлення й кожну фазу генератора, а в канал для газового/повітряного потоку встановлений датчик тиску газового/повітряного потоку, вихід якого підключений до першого входу мікроконтролера, другий вхід останнього з'єднаний з виходом блока управління технологічною установкою, а перший вихід мікроконтролера - з входом блока управління технологічною установкою, причому третій, четвертий та п'ятий входи мікроконтролера підключені до відповідних трьох фаз виходу генератора, а кожний управляючий вхід трьох комутаторів мережі живлення підключені до перших трьох інверсних виходів мікроконтролера, а інші три управляючих входи комутаторів генератора під'єднані до трьох прямих виходів мікроконтролера та трьох фаз генератора, а виходи кожної фази комутаторів мережі живлення та генератора 4 UA 109979 U відповідно з'єднані одна з одною та під'єднані до відповідних входів кожної фази перетворювача електродвигуна вентилятора та блока управління технологічною установкою. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5