关于大学宿舍用电功率限制原理的研究
关于大学宿舍用电功率限制原理的研究
可能大家都有过这种经历，宿舍里6台电脑同时工作一切ok，但是用一个小小的电吹风，电表就跳闸了。电脑的电源都是250W～400W的，6台电脑功率之和绝对在一个电吹风之上，但为什么可以带6台电脑同时工作但不能接入一个300W的电吹风呢？两者有什么不同呢？下面我们就来研究一下。
我们平时使用的最多的加热装置就是热得快、电吹风，它们的工作原理就是电流流过电阻丝，电阻丝发热来烧水。对于220V电网来说，这类负载相当于一个纯电阻接到电网里，学过电路的同学都知道，交流220V加到电阻上，其两端的电压波形和流过电阻的电流波形是同相的，也就是说，两者相位差是0。这类负载我们称之为纯电阻性负载。
计算机相当于什么负载呢？计算机的电源对于电网来说，就是电网的一个负载。计算机的电源是开关电源（注意，这可不是有开关的电源哦），属于非线性负载（也叫整流性负载）。开关电源的原理是先把220V/50hz交流电整流为高压直流，再把高压直流逆变为高压高频交流，再通过高频变压器降为低压高频交流，再转为低压直流输出，这种电源的效率要比传统稳压器高得多。把计算机的开关电源当做220V电网的一个负载，这种负载在220V市电输入端看来等效于一个容性负载，虽然它的电压波形还是正弦波，但是它的电流波形已经畸变了，不再是规则的正弦波，而是接近脉冲波的波形（其实这种非线性负载才是对电网有危害的恶性负载，会给电网带来高次谐波）。
那么电表如何识别这两种负载呢？方法有很多种，但都是通过单片机+AD转换器，对220V输出端的电压电流的波形实时采样，然后编制相应的程序，通过算法，判断这两种负载的功率各占多大的比例，仅仅限制纯电阻性负载的接入，或者是检测总电流，限制总功率。鉴于本文是发表在非专业论坛，就不详细描述判断过程了。
对于部分目前广泛使用的监视平均功率的电表，用一只整流二极管或快恢复二极管（反向耐压值450V以上，最大电流6A以上，为安全起见，留有一定裕度）串 联在热得快上，相当于半波整流，减少了一半的电压，那么根据P=(U^2)/R,(1000W的热得快电阻为50欧姆左右)。可以求得，平均功率已经减小 到了额定功率的1/4，也就是250W，但实际上瞬时功率与未改装之前相同，只是改装后只有改装前一半的导通时间，平均到整个周期上，平均功率才下降了。 这种办法只能骗过监视平均功率的电表，对于监视峰值电流的电表，还是逃不过它的眼睛。
采用二极管的方式比较简便，但是，由于功率只有原来的1/4，加热时间会变得很长。有没有可以手动调节功率的呢？答案是：有。不过这种方案比二极管方案要复杂，这种方案是利用了晶闸管（又名可控硅），通过调节触发脉冲，来改变晶闸管的导通角，从而控制一个周期内的热得快的导通时间。二极管的方案相当于是固定的把导通时间减小到1/2，晶闸管的方案就是可以理解为可以手动调节这个导通时间，从而调节热得快的平均功率。这样，就可以最大限度的利用电表所设置的负载上限，只要把功率调的比跳闸的负载上限小那么一点点就可以了。这样加热的时间就比二极管方案减少了。但是这种方案仍然有缺陷，那就是它也无法逃脱检测峰值电流的电表的监视。
为了防止违章使用热得快等电器，减小火灾隐患，但又不影响同学们使用电脑等用电器，部分公寓安装的电表经过升级，加装了智能负载识别器，可以根据电流和电压波形和相位差来判断是否有大功率纯电阻性热源负载的接入。所以就出现了宿舍可以带多台电脑同时工作但不能接入一个300W的电吹风的现象。对于这种智能电表，光靠串连一个二极管已经不行了，甚至是晶闸管调功装置也不行，因为不管你怎么改变导通的时间，由于负载类型没有变，所以导通时电流电压波形依然是相位差为0，还是会被这种电表识别出来。
同时开6台计算机却不跳闸，这说明，宿舍电表并不限制这类负载的使用。前面已经分析过，因为这类负载是属于非线性整流性负载，它的电流波形与纯电阻性负载是完全不同的。有的同学可能会问，为什么不同呢？不都是在用电么？理解这个问题需要电路的知识和电力电子的知识，这里就不详细解释了。一般来说，只要是输入端有整流桥+电容+高频逆变器（把直流电逆变为高频交流电）结构的用电器，都可以认为是非线性整流负载。像电脑、节能灯等都是属于这类负载。它们都可以不受电表的纯电阻负载上限功率的限制（当然功率不能太大了，一般电表还有个总功率限制）。
经过这样的分析，我们可以发现，这种智能电表也有缺陷，它虽然能区分出纯电阻性负载和非线性负载，但是它并不知道输给非线性负载的能量是用于电脑了还是用于加热了，所以它对下列两种情况是束手无策的：
1、改装后的热得快，把纯电阻性负载伪装为非线性负载，骗过电表的监视。
2、使用具有逆变装置的可调功率的加热产品，比如电磁炉（要能调节功率的），小型微波炉（小火～中火）。
电磁炉是一种新型安全的产品，无明火，使用高频电磁波使铁系物品产生涡流而发热，不会烫伤人体，功率可调，有温控电路，可防过热，省电安全。可以避免使用热得快所带来的安全隐患，我想学校应该不会限制这种电器的使用。
上面两种方法其实是异曲同工，需要注意的是，对于第一种方法，请由专业人士进行改，当然你如果是学电的，你也可以自己设计，自己分析，但是请注意安全，小心触电，元器件的选择请尽可能留有阈量，使用时也请小心。对于第二种方案，由于俺囊中羞涩，没有拿电磁炉或者微波炉做过试验，仅仅从原理上分析是可行的，在实际使用中还与具体功率值有关，请从最小功率开始调节。另外，请使用大厂名牌产品，请注意电磁炉和微波炉的使用手册，一般都要要求使用三孔插座，良好接地，否则可能产生瞬时打火，电流增大，造成危险。
第一种方案已经证实是可行的，但是元件参数的选择一定要合理，否则也会产生很大的电流。第二种方案好像有人说可以，不知道是不是在寝室使用的，如果有成功的，也请回复一下。
再一次声明：请不要在宿舍使用违章电器，请遵守宿舍管理规定，请对自己的安全、对公寓的安全负责。如果因为对本文中介绍的方法使用不当而导致电器被没收或者火灾和其他人身和财产损失的，本人不承担教唆、赔偿等任何责任。
可能大家都有过这种经历，宿舍里6台电脑同时工作一切ok，但是用一个小小的电吹风，电表就跳闸了。电脑的电源都是250W～400W的，6台电脑功率之和绝对在一个电吹风之上，但为什么可以带6台电脑同时工作但不能接入一个300W的电吹风呢？两者有什么不同呢？下面我们就来研究一下。
我们平时使用的最多的加热装置就是热得快、电吹风，它们的工作原理就是电流流过电阻丝，电阻丝发热来烧水。对于220V电网来说，这类负载相当于一个纯电阻接到电网里，学过电路的同学都知道，交流220V加到电阻上，其两端的电压波形和流过电阻的电流波形是同相的，也就是说，两者相位差是0。这类负载我们称之为纯电阻性负载。
计算机相当于什么负载呢？计算机的电源对于电网来说，就是电网的一个负载。计算机的电源是开关电源（注意，这可不是有开关的电源哦），属于非线性负载（也叫整流性负载）。开关电源的原理是先把220V/50hz交流电整流为高压直流，再把高压直流逆变为高压高频交流，再通过高频变压器降为低压高频交流，再转为低压直流输出，这种电源的效率要比传统稳压器高得多。把计算机的开关电源当做220V电网的一个负载，这种负载在220V市电输入端看来等效于一个容性负载，虽然它的电压波形还是正弦波，但是它的电流波形已经畸变了，不再是规则的正弦波，而是接近脉冲波的波形（其实这种非线性负载才是对电网有危害的恶性负载，会给电网带来高次谐波）。
那么电表如何识别这两种负载呢？方法有很多种，但都是通过单片机+AD转换器，对220V输出端的电压电流的波形实时采样，然后编制相应的程序，通过算法，判断这两种负载的功率各占多大的比例，仅仅限制纯电阻性负载的接入，或者是检测总电流，限制总功率。鉴于本文是发表在非专业论坛，就不详细描述判断过程了。
对于部分目前广泛使用的监视平均功率的电表，用一只整流二极管或快恢复二极管（反向耐压值450V以上，最大电流6A以上，为安全起见，留有一定裕度）串 联在热得快上，相当于半波整流，减少了一半的电压，那么根据P=(U^2)/R,(1000W的热得快电阻为50欧姆左右)。可以求得，平均功率已经减小 到了额定功率的1/4，也就是250W，但实际上瞬时功率与未改装之前相同，只是改装后只有改装前一半的导通时间，平均到整个周期上，平均功率才下降了。 这种办法只能骗过监视平均功率的电表，对于监视峰值电流的电表，还是逃不过它的眼睛。
采用二极管的方式比较简便，但是，由于功率只有原来的1/4，加热时间会变得很长。有没有可以手动调节功率的呢？答案是：有。不过这种方案比二极管方案要复杂，这种方案是利用了晶闸管（又名可控硅），通过调节触发脉冲，来改变晶闸管的导通角，从而控制一个周期内的热得快的导通时间。二极管的方案相当于是固定的把导通时间减小到1/2，晶闸管的方案就是可以理解为可以手动调节这个导通时间，从而调节热得快的平均功率。这样，就可以最大限度的利用电表所设置的负载上限，只要把功率调的比跳闸的负载上限小那么一点点就可以了。这样加热的时间就比二极管方案减少了。但是这种方案仍然有缺陷，那就是它也无法逃脱检测峰值电流的电表的监视。
为了防止违章使用热得快等电器，减小火灾隐患，但又不影响同学们使用电脑等用电器，部分公寓安装的电表经过升级，加装了智能负载识别器，可以根据电流和电压波形和相位差来判断是否有大功率纯电阻性热源负载的接入。所以就出现了宿舍可以带多台电脑同时工作但不能接入一个300W的电吹风的现象。对于这种智能电表，光靠串连一个二极管已经不行了，甚至是晶闸管调功装置也不行，因为不管你怎么改变导通的时间，由于负载类型没有变，所以导通时电流电压波形依然是相位差为0，还是会被这种电表识别出来。
同时开6台计算机却不跳闸，这说明，宿舍电表并不限制这类负载的使用。前面已经分析过，因为这类负载是属于非线性整流性负载，它的电流波形与纯电阻性负载是完全不同的。有的同学可能会问，为什么不同呢？不都是在用电么？理解这个问题需要电路的知识和电力电子的知识，这里就不详细解释了。一般来说，只要是输入端有整流桥+电容+高频逆变器（把直流电逆变为高频交流电）结构的用电器，都可以认为是非线性整流负载。像电脑、节能灯等都是属于这类负载。它们都可以不受电表的纯电阻负载上限功率的限制（当然功率不能太大了，一般电表还有个总功率限制）。
经过这样的分析，我们可以发现，这种智能电表也有缺陷，它虽然能区分出纯电阻性负载和非线性负载，但是它并不知道输给非线性负载的能量是用于电脑了还是用于加热了，所以它对下列两种情况是束手无策的：
1、改装后的热得快，把纯电阻性负载伪装为非线性负载，骗过电表的监视。
2、使用具有逆变装置的可调功率的加热产品，比如电磁炉（要能调节功率的），小型微波炉（小火～中火）。
电磁炉是一种新型安全的产品，无明火，使用高频电磁波使铁系物品产生涡流而发热，不会烫伤人体，功率可调，有温控电路，可防过热，省电安全。可以避免使用热得快所带来的安全隐患，我想学校应该不会限制这种电器的使用。
上面两种方法其实是异曲同工，需要注意的是，对于第一种方法，请由专业人士进行改，当然你如果是学电的，你也可以自己设计，自己分析，但是请注意安全，小心触电，元器件的选择请尽可能留有阈量，使用时也请小心。对于第二种方案，由于俺囊中羞涩，没有拿电磁炉或者微波炉做过试验，仅仅从原理上分析是可行的，在实际使用中还与具体功率值有关，请从最小功率开始调节。另外，请使用大厂名牌产品，请注意电磁炉和微波炉的使用手册，一般都要要求使用三孔插座，良好接地，否则可能产生瞬时打火，电流增大，造成危险。
第一种方案已经证实是可行的，但是元件参数的选择一定要合理，否则也会产生很大的电流。第二种方案好像有人说可以，不知道是不是在寝室使用的，如果有成功的，也请回复一下。
再一次声明：请不要在宿舍使用违章电器，请遵守宿舍管理规定，请对自己的安全、对公寓的安全负责。如果因为对本文中介绍的方法使用不当而导致电器被没收或者火灾和其他人身和财产损失的，本人不承担教唆、赔偿等任何责任。
