EA201390451A1 20130930 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2013/PDF/201390451 Полный текст описания [**] EA201390451 20110418 Регистрационный номер и дата заявки USPCT/US2010/050714 20100929 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок US2011/032840 Номер международной заявки (PCT) WO2012/050635 20120419 Номер публикации международной заявки (PCT) EAA1 Код вида документа [pdf] eaa21309 Номер бюллетеня [**] СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОЩНОСТИ Название документа [8] H02J 13/00, [8] H02J 3/00 Индексы МПК [US] Ламзден Джон Л., [US] Сага Рафаэль Е. Сведения об авторах [US] ДЗЕ ПАУЭРВАЙЗ ГРУП, ИНК. Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea201390451a*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[**]

Предусмотрены система и способ для управления использованием электроэнергии. В течение предварительно определенного периода времени, такого как во время состояния отключения электроэнергии, цифровой сигнальный процессор (DSP) управляет устройством на основе IGBT/FET для подачи выделенного количества электроэнергии. Когда потребляемое количество мощности превышает выделенную величину, DSP отключает питание. В качестве альтернативы система передает сигнал для уменьшения потребляемой энергии. Если нагрузка не была уменьшена в достаточной степени через предварительно определенный период времени, питание отключают. Кроме того, в качестве альтернативы или в дополнение, DSP может отключать питание для предварительно определенных электрических выходных выводов, предоставляя питание на другие электрические выводы, для уменьшения использования электроэнергии до предварительно определенной величины. В течение других периодов времени DSP управляет устройством IGBT/FET для обеспечения предварительно определенного напряжения, которое ниже, чем напряжение входной линии переменного тока. Когда напряжение падает ниже предварительно определенного напряжения, например, в условиях понижения сетевого напряжения, микропроцессор управляет электронным переключателем на стороне первичных обмоток системы трансформатора для обеспечения повышенного выходного напряжения.


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

Предусмотрены система и способ для управления использованием электроэнергии. В течение предварительно определенного периода времени, такого как во время состояния отключения электроэнергии, цифровой сигнальный процессор (DSP) управляет устройством на основе IGBT/FET для подачи выделенного количества электроэнергии. Когда потребляемое количество мощности превышает выделенную величину, DSP отключает питание. В качестве альтернативы система передает сигнал для уменьшения потребляемой энергии. Если нагрузка не была уменьшена в достаточной степени через предварительно определенный период времени, питание отключают. Кроме того, в качестве альтернативы или в дополнение, DSP может отключать питание для предварительно определенных электрических выходных выводов, предоставляя питание на другие электрические выводы, для уменьшения использования электроэнергии до предварительно определенной величины. В течение других периодов времени DSP управляет устройством IGBT/FET для обеспечения предварительно определенного напряжения, которое ниже, чем напряжение входной линии переменного тока. Когда напряжение падает ниже предварительно определенного напряжения, например, в условиях понижения сетевого напряжения, микропроцессор управляет электронным переключателем на стороне первичных обмоток системы трансформатора для обеспечения повышенного выходного напряжения.


Евразийское pd 201390451 <13> Al
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. H02J13/00 (2006.01)
2013.09.30 H02J 3/00 (2006.01)
(54) СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОЩНОСТИ
(22) Дата подачи заявки 2011.04.18
PCT/US2010/050714; 12/893,539; 61/432,399; 13/026,931
2010.09.29; 2010.09.29; 2011.01.13; 2011.02.14
PCT/US2011/032840
WO 2012/050635 2012.04.19
Заявитель:
ДЗЕ ПАУЭРВАЙЗ ГРУП, ИНК. (US)
(72) Изобретатель:
Ламзден Джон Л., Сага Рафаэль Е.
(US)
(74) Представитель:
Медведев В.Н. (RU)
(57) Предусмотрены система и способ для управления использованием электроэнергии. В течение предварительно определенного периода времени, такого как во время состояния отключения электроэнергии, цифровой сигнальный процессор (DSP) управляет устройством на основе IGBT/ FET для подачи выделенного количества электроэнергии. Когда потребляемое количество мощности превышает выделенную величину, DSP отключает питание. В качестве альтернативы система передает сигнал для уменьшения потребляемой энергии. Если нагрузка не была уменьшена в достаточной степени через предварительно определенный период времени, питание отключают. Кроме того, в качестве альтернативы или в дополнение, DSP может отключать питание для предварительно определенных электрических выходных выводов, предоставляя питание на другие электрические выводы, для уменьшения использования электроэнергии до предварительно определенной величины. В течение других периодов времени DSP управляет устройством IGBT/FET для обеспечения предварительно определенного напряжения, которое ниже, чем напряжение входной линии переменного тока. Когда напряжение падает ниже предварительно определенного напряжения, например, в условиях понижения сетевого напряжения, микропроцессор управляет электронным переключателем на стороне первичных обмоток системы трансформатора для обеспечения повышенного выходного напряжения.
2420-194437ЕА/011 СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОЩНОСТИ Уровень техники
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к управлению
использованием электрической мощности.
2. Описание предшествующего уровня техники
После промышленной революции мировое потребление энергии растет все более быстрыми темпами. Большую часть генерируемой мощности и потребляемой энергии получают в результате сжигания ископаемого топлива, которое является невозобновляемым природным ресурсом, который быстро истощается. Поскольку истощение природных ресурсов Земли продолжается, генерирование мощности и энергосбережение стали все более и более важной проблемой для правительств в этой стране и за границей. Кроме того, деловые круги и потребители также озабочены, поскольку стоимость таких ресурсов быстро растет.
Мало того, во всем мире существует озабоченность не только в отношении генерирования энергии и энергосбережения, но также существует озабоченность в связи с распределением энергии, в частности, в развивающихся экономиках. Хотя генерирование энергии и энергосбережение представляют собой важную проблему проблема распределения энергии также вызывает значительную озабоченность и затрагивает существующую инфраструктуру, которая обычно не адекватна для соответствующего распределения энергии. Кроме того, она с трудом поддается улучшению.
Электричество для жилого и промышленного использования обычно генерируют на станции генерирования электрической мощности, и передают через линии электропередач в электрической сети в распределительную систему, которая доставляет электричество потребителю. Во многих частях мира подача электроэнергии не соответствует потребности, часто приводит к резким снижениям напряжения, и иногда отключению электричества. Снижение напряжения представляет собой падение напряжения в системе подачи электроэнергии, и часто приводит к снижению яркости освещения в случае спадов напряжения. Снижение
напряжения иногда бывает достаточно сильным, что приводит к остановке работы бытовых устройств или оборудования. В таких бытовых устройствах или оборудовании могут происходить невосстановимые повреждения в результате условий низкого напряжения.
В крайних случаях превышение потребности в подаче электрической мощности приводит к возникновению отключения электроэнергии. Отключение электроэнергии возникает, когда подача напряжения не может поддерживаться вообще, или снижается до опасно низкого уровня, в результате чего, электродвигатели останавливаются и перегреваются. Отключения энергии обычно известны электрической компании по историческим записям значительного спроса.
Снижение напряжения может быть вызвано (1) несоответствующим генерированием энергии, (2) недостаточной возможностью передачи энергии и/или (3) недостаточными возможностями при распределении энергии. Несоответствующее генерирование энергии и недостаточная передача энергии решаются более просто, чем недостаточные возможности при распределении энергии. Как потребность генерирования энергии, так и возможности передачи энергии могут быть рассчитаны и могут быть обеспечены сравнительно просто в пределах финансовых ресурсов.
Основной недостаток предоставления достаточной мощности потребителям представляет собой недостаточные возможности при распределении энергии. Потребность в возможностях распределения энергии не может быть легко запланирована или экономически воплощена. Кроме того, по мере роста мирового населения и увеличения доли промышленного участия в мировой экономике, инфраструктура распределения энергии все чаще напрягается, или происходит ее перегрузка в результате дополнительного подключения нагрузки. Проблемы распределения часто могут быть связаны с потерями в медных проводниках, происходящих в кабелях, которые формирует инфраструктуру распределения.
В настоящее время правительственные объекты и энергетические компании пытаются исключить проседание напряжения путем повышения напряжения переменного тока или
снижения дополнительной нагрузки в соответствующих местоположениях в сети распределения электроэнергии. Такой способ обычно приводит к широкому несоответствию напряжения, доступного потребителям в домах и/или на предприятиях. Повышение напряжения может находиться в диапазоне от десяти процентов до пятнадцати процентов (10%-15%) и, поскольку мощность рассчитывается по формуле напряжение2/нагрузка, результат "помощи" правительственных объектов и энергетических компаний может привести к повышению расходов потребителей вплоть до двадцати пяти процентов (25%). Таким образом, вместо сберегания энергии, правительственные объекты и энергетические компании напрасно расходуют энергию.
Кроме того, хотя большинство бытовых приборов и оборудования, используемого в бизнесе и в домах, выполнены с возможностью работы в точном соответствии со спецификацией, при номинальном напряжении минус десять процентов (10%), большинство устройств, экономящих энергию, не используют эту особенность. Таким образом, дополнительный потенциал экономии энергии часто игнорируется.
Трансформатор передает электроэнергию из одной цепи в другую, используя индуктивно связанные проводники. Переменный ток в первых или первичных обмотках создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора и, таким образом, переменное магнитное поле через вторичные обмотки. Если нагрузка соединена со вторичной обмоткой, электрический ток протекает через вторичную обмотку, и электроэнергия передается из первичной цепи через трансформатор на нагрузку. Коэффициент трансформатора представляет собой отношение количества витков во вторичных обмотках к количеству витков в первичных обмотках.
Часто используемое решение задачи при распределении энергии состоит в повышении входного напряжения так, чтобы обеспечить возможность продолжения работы для чувствительных устройств. В качестве одного решения было предложено использовать трансформатор типа Variac (регулируемый автотрансформатор), с приводом от двигателя, который постоянно регулирует напряжение до номинального напряжения. Однако такое
решение требует механического воплощения, которое склонно к неисправностям. Второе решение состоит в использовании электронных твердотельных усилителей, которые постоянно регулируют напряжение до номинального напряжения. Однако такое решение является дорогостоящим и неэффективным. Третье решение состоит в использования переключаемых с помощью реле трансформаторов. Проблема такого решения состоит в том, что механические контакты склонны к неисправности при переключении больших токов. В конечном итоге, была сделана попытка использовать переключаемые вручную трансформаторы. Это решение является нежелательным, поскольку оно требует присутствия человека, и трансформатор может быть непреднамеренно оставлен в положении усиления. Каждое из представленных выше решений предшествующего уровня техники имеет проблемы безопасности, эффективности, стоимости, сложности и/или надежности. В решениях предшествующего уровня техники используются трансформаторы, и переключение представляет собой переключение на стороне вторичных обмоток трансформатора, где протекают большие токи, что является недостатком. Также в таких решениях присутствует недостаток, связанный с тем, что происходит прерывание тока в течение периода времени переключения.
В публикации № US 2009/0051344 предложено устройство, система и способ экономии энергии на основе TRIAC/SCR, в которых экономят за счет снижения на предварительно определенную величину напряжения ниже номинального сетевого напряжения и/или ниже номинального напряжения бытового устройства. В публикации № US 2009/0200981 предложены система и способ предоставления постоянной нагрузки в бытовых устройствах переменного тока, в которых определяют, по меньшей мере, одну точку включения, по меньшей мере, одной половины периода модулирующей синусной волны, определяют, по меньшей мере, одну точку выключения, по меньшей мере, одной половины периода модулирующей синусной волны, и удаляют, по меньшей мере, один срез, расположенный, по меньшей мере, между одной точкой включения и, по меньшей мере, одной точкой выключения. В публикации № US 2010/0033155 предложен источник питания для
драйверов IGBT/FET, которые предоставляют отделенную, изолированную энергию для каждого драйвера IGBT/FET.
В патенте США № 6489742 предложен контроллер двигателя, который включает в себя передачу энергии в асинхронный двигатель с цифровым сигнальным процессором, который рассчитывает и оптимизирует подачу тока для существующей нагрузки двигателя от источника питания, и напряжения сети через элемент управления. В публикации № US 2010/0117588 предложен контроллер двигателя, обеспечивающий максимальную экономию энергии в асинхронном двигателе переменного тока для каждой нагрузки, причем двигатель калиброван в двух или больше точках нагрузки, для установления линии управления, которую затем программируют в энергонезависимом запоминающем устройстве контроллера двигателя. В публикации № US 2010/0320956 предложен контроллер двигателя с замкнутым контуром для уменьшения подаваемого напряжения для электродвигателя станка-качалки, когда двигатель может генерировать энергию в режиме разомкнутого контура.
Описанные выше патент США № 6489742 и публикации США 2009/0051344; 2009/0200981; 2010/0033155; 2010/0117588 и 2010/0320956 представлены здесь полностью по ссылке для всех назначений.
Существует потребность в системе и способе для управления использованием энергии, которые уменьшают снижение напряжения, отключении энергии и стоимость.
Краткое описание изобретения
В течение первого предварительно определенного периода времени, например, когда отключение энергии не ожидается, цифровой сигнальный процессор (DSP, ЦСП) управляет устройством на основе IGBT/FET, для подачи предварительно определенного напряжения, которое ниже, чем напряжение входной линии переменного тока или входное напряжение электросети. Соединения ввода фазы предусмотрены для ввода аналоговых сигналов в устройство и систему. Концентратор магнитного потока или трансформатор тока определяет входной аналоговый сигнал, и детектор точки пересечения ноль вольт определяет точку
пересечения ноль вольт сигнала. Положительный полупериод и отрицательный полупериод сигнала идентифицируют и направляют в DSP для обработки сигнала. Сигнал понижают, с помощью устройства управления драйвером, применяя широтно-импульсную модуляцию, и уменьшенное количество энергии выводят, получая, таким образом, экономию энергии для конечного пользователя.
Микропроцессор измеряет напряжение входной линии переменного тока, и сравнивает его с предварительно определенным напряжением. Когда напряжение входной линии переменного тока выше, чем предварительно определенное напряжение, микропроцессор управляет переключателем на стороне первичных обмоток трансформатора для короткого замыкания первичных обмоток. Когда измеренное напряжение ниже, чем предварительно определенное напряжение, и требуется повысить напряжение, например, в условиях пониженного напряжения, микропроцессор управляет переключателем, для соединения одного конца первичных обмоток с нейтралью, размыкая цепь короткого замыкания трансформатора, и обеспечивая возможность добавления вторичного напряжения к напряжению входной линии переменного тока, для получения повышенного выходного напряжения до уровня предварительно определенного напряжения, через выходную линию под напряжением на стороне вторичных обмоток трансформатора. При этом не выполняется переключение вторичных обмоток.
В течение второго предварительно определенного периода времени, например, когда ожидается состояние отключения электроэнергии, DSP управляет устройством на основе IGBT/FET для подачи выделяемой величины мощности. DSP и/или микропроцессор отслеживает потребление мощности, которое может отображаться. Когда потребление мощности превышает выделенную величину мощности, DSP может отключить питание.
В качестве альтернативы, когда потребляемая мощность превышает выделенную мощность, может быть передан сигнал, предупреждающий о необходимости снижения потребляемой мощности. Такой сигнал может быть звуковым, видимым или может быть подан с помощью другого средства. Потребитель мощности может уменьшить нагрузку для соответствия требованиям по выделенной
мощности. В одном варианте осуществления могут использоваться электрические розетки с беспроводным управлением для избирательного снижения нагрузки в соответствии с этим сигналом. Если нагрузка не была адекватно уменьшена через предварительно определенный период времени, DSP может отключить питание. Потребитель может затем уменьшить некоторую нагрузку, и инициировать команду на включение питания. Команда может быть инициирована путем изменения состояния переключателя, включая в себя переключение вручную и/или беспроводное переключение.
Если нагрузка все еще не была адекватно уменьшена после восстановления питания, тогда DSP может снова отключить питание. В качестве альтернативы, DSP может подавать другой сигнал, который снова может предупреждать о том, что нагрузка должна быть уменьшена. Если потребляемая мощность не будет достаточно уменьшена через предварительно определенный период времени, DSP может отключить питание на длительность второго предварительно определенного периода времени.
Далее, в качестве альтернативы, когда потребляемая мощность превышает выделенную мощность, DSP может отключить питание для предварительно определенных электрических розеток, подавая при этом питание в другие электрические розетки для снижения общей потребляемой мощности до выделенной величины мощности. При этом могут быть воплощены предварительно определенные предпочтения потребителя. Система может использовать электрические розетки с беспроводным управлением, которые могут автоматически отключаться для соответствия предварительно определенной величине мощности. Контроль, работа и регулирование системы может осуществляться беспроводно.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем подробном описании будет сделана ссылка на приложенные чертежи, на которых:
На фиг. 1 показана блок-схема устройства на основе IGBT/FET и системы для использования в трехфазной электрической системе.
На фиг. 2 показан общий вид средства считывания.
На фиг. 3 показана принципиальная схема средства
считывания.
На фиг. 4 показана принципиальная схема средства преобразования сигнала.
На фиг. 5 показана осциллограмма для средства определения точки пересечения ноль вольт.
На фиг. б показана принципиальная схема для средства определения точки пересечения ноль вольт.
На фиг. 7 показана принципиальная схема средства детектирования потерь и средства определения поворота фазы и вращения фазы.
На фиг. 8 показана принципиальная схема средства идентификации полупериода.
На фиг. 9 показана осциллограмма средства идентификации периода.
На фиг. 10 показана осциллограмма средства идентификации полупериода.
На фиг. НА показана принципиальная схема средства направления.
Фиг. 11В является продолжением принципиальной схемы на фиг. НА.
На фиг. НС показана принципиальная схема программатора портов по фиг. НА и 11В.
На фиг. 11D показана принципиальная схема держателя резистора по фиг. НА и 11В.
На фиг. НЕ показана принципиальная схема разъема по фиг. НА и 11В.
На фиг. 12А показана осциллограмма средства уменьшения напряжения.
На фиг. 12В показана осциллограмма средства уменьшения напряжения изобретения на основе IGBT.
На фиг. 12С показана принципиальная схема средства уменьшения напряжения на основе IGBT.
На фиг. 12D показана принципиальная схема электрической схемы привода для средства уменьшения напряжения на основе IGBT по фиг. 12С.
На фиг. 12Е показана осциллограмма средства уменьшения
напряжения изобретения на основе FET.
На фиг. 12F показана принципиальная схема средства уменьшения напряжения на основе FET.
На фиг. 12G показана принципиальная схема электрической схемы привода для средства уменьшения напряжения на основе FET по фиг. 12F.
На фиг. 13 показана принципиальная схема средства комбинированного сброса и средства индикатора.
На фиг. 14А показана принципиальная схема модуля источника питания средства питания.
Фиг. 14В является продолжением принципиальной схемы по фиг. 14А.
На фиг. 15А показана принципиальная схема средства передачи данных.
На фиг. 15В показана принципиальная схема интерфейса USB средства передачи данных по фиг. 15А.
На фиг. 15С показана принципиальная схема блока разъединителя средства передачи данных по фиг. 15А.
На фиг. 15D показана принципиальная схема первого разъема средства передачи данных по фиг. 15А в процессор цифровых сигналов.
На фиг. 15Е показана принципиальная схема второго разъема средства передачи данных по фиг. 15А.
На фиг. 16 показан снимок экрана оконного интерфейса.
На фиг. 17 показан снимок экрана оконного интерфейса.
На фиг. 18А показана часть принципиальной схемы первого
варианта осуществления вольтодобавочного устройства,
представляющего трансформатор и электронный переключатель с двумя твердотельными реле.
На фиг. 18В показана часть принципиальной схемы первого
варианта осуществления вольтодобавочного устройства,
представляющего источник питания постоянного напряжения.
На фиг. 18С показана часть принципиальной схемы первого
варианта осуществления вольтодобавочного устройства,
представляющая микропроцессор.
На фиг. 19 показана часть принципиальной схемы второго
варианта осуществления вольтодобавочного устройства,
представляющего компоновку проводов для примерного трансформатора на 12 0В.
На фиг. 19А показана часть принципиальной схемы второго
варианта осуществления вольтодобавочного устройства,
представляющего компоновку проводов для примерного трансформатора на 230В.
На фиг. 19В показана часть принципиальной схемы второго
варианта осуществления вольтодобавочного устройства,
представляющего источник питания постоянного напряжения и соответствующую электрическую схему.
На фиг. 19С показана часть принципиальной схемы второго
варианта осуществления вольтодобавочного устройства,
представляющая микропроцессор и две диодных мостовых схемы, каждая соединенная с устройством IGBT.
На фиг. 2 0 показана блок-схема сигнального модуля, соединенного с DSP, представленным на фиг. 1.
Подробное описание изобретения
Терминология, используемая при ссылке на пронумерованные компоненты на фиг. 1-17, представляет собой следующую:
1. Устройство и система экономии энергии на основе
IGBT/FET, в общем
2. соединение ввода фазы
3. концентратор магнитного потока
4. устройство преобразования аналогового сигнала
5. детектор точки пересечение ноль вольт
6. устройство детектирования потерянной фазы
7. устройство поворота фазы
8. идентификатор половины периода
9. логическое устройство
10. цифровой сигнальный процессор
11. A/D (аналого-цифровой) преобразователь
12. модуль подачи питания
13. переключатель сброса
14. светодиод
15. управление возбуждением IGBT/FET
10.
вычислительное устройство
соединение вывода фазы
нейтраль
входная энергия
аналоговый сигнал
точка пересечения ноль вольт
положительный полупериод
отрицательный полупериод
уменьшенная энергия
интерфейс передачи данных USB
печатная плата
корпус
проводник
верхняя половина корпуса нижняя половина корпуса шарнир
первый фильтр второй фильтр компаратор буфер Шмидта
сигнал пересечения абсолютного нуля микросхема концентратора магнитного потока отверстие
входная синусная волна оконный интерфейс основной экран контроля поле, в общем поле режима работы поле фазы поле запуска поле калибровки поле точек установки индикаторы
часы реального времени цифровой электрический счетчик
инвертирующий буфер на основе триггера Шмидта
52. устройство ограничения напряжения
53. диод
54. транзистор управления положительным полупериодом
55. FET
56. конденсатор
57. трансформатор
58. транзистор управления отрицательным полупериодом
59. первый транзистор управления шунтированием IGBT
60. второй транзистор управления шунтированием IGBT
61. устройство шунтирования
62. интегральная схема
63. резистор
64. генератор с разделенной шиной
65. оптический изолятор
66. драйвер с оптической связью
67. первый транзистор управления шунтированием FET
68. второй транзистор управления шунтированием FET
69. прямоугольное колебание
70. операционный усилитель
71. изолятор
72. выпрямитель
73. транзистор
74. порт USB
75. стабилитрон
76. первый разъем
77. второй разъем
7 8. индуктор
полупериодом, положительным
полупериодом, отрицательным
78. держатель резистора
79. разъем логического устройства
80. линейный регулятор напряжения
управления отрицательным транзистора управления
81. сигнал управления положительным применяемый для транзистора управления полупериодом
82. сигнал применяемый для полупериодом
52.
83. сигнал управления, прикладываемый к транзистору управления положительным полупериодом во время отрицательного полупериода
84. сигнал управления, прикладываемый к транзистору управления отрицательным полупериодом во время положительного полупериода
85. сигнал управления, прикладываемый к первому транзистору управления шунтированием IGBT, во время отрицательного полупериода
86. сигнал управления, прикладываемый ко второму транзистору управления шунтированием IGBT во время положительного полупериода
87. сигнал управления, прикладываемый к первому транзистору управления шунтированием FET во время отрицательного полупериода
88. сигнал управления, прикладываемый ко второму транзистору управления шунтированием FET во время положительного полупериода
90. регулятор переключения
Со ссылкой на фиг. 1, будет представлена блок-схема устройства и системы 1 экономии энергии для использования в трехфазной электрической системе. Устройство и система 1 экономии энергии включают в себя различные компоненты и средства для уменьшения количества подаваемой энергии, причем снижение энергии приводит к фактически несуществующему или минимальному влиянию на рабочие характеристики устройства с электронным управлением.
Предварительно определенное количество входной энергии 19, имеющей, по меньшей мере, один аналоговый сигнал 20, поступает в устройство и систему 1 через средство ввода, которое предпочтительно представляет собой, по меньшей мере, одно соединение 2 ввода фазы. Линия нейтрали 18 также предусмотрена в устройстве и системе 1. Как показано на фиг. 1, система и устройство 1 используются в трехфазной электрической системе, имеющей фазы ABC и нейтраль для использования в качестве опорной точки и в качестве отвода ограниченной противо-ЭДС,
образующейся во время прерывания тока в нагрузке с запаздывающим коэффициентом мощности. Однако, система 1 экономии энергии также может использоваться в однофазной системе и/или в двухфазной системе, в которой единственное различие в структуре представляет собой количество соединений 2 ввода фазы (например, в однофазной системе только одно соединение 2 ввода фазы используется в дополнение к нейтральному соединению (А), и в двухфазной системе, используют два соединения 2 ввода фазы (А и В) в дополнение к нейтральному соединению).
По меньшей мере, одно соединение 2 ввода фазы соединено, по меньшей мере, с одним средством считывания, которое представляет собой, по меньшей мере, один концентратор 3 магнитного потока, который определяет предварительно определенное количество входной энергии 19. Также предусматривается, что, по меньшей мере, один трансформатор тока может использоваться вместо, по меньшей мере, одного концентратора 3 магнитного потока во всех вариантах осуществления. Концентратор 3 магнитного потока гальванически изолирует ток входной энергии 19 и передает отчет о любых состояниях чрезмерного тока в средство направления, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, одно логическое устройство 9. Если существует состояние чрезмерного тока, тогда отчет об этих состояниях чрезмерного тока одновременно передают в логическое устройство 9 и в средство обработки, которое, предпочтительно, представляет собой цифровой сигнальный процессор 10, причем цифровой сигнальный процессор 10 немедленно отключает устройство и систему 1. Такое действие электронного прерывателя предназначено для защиты самих устройства и системы 1, а также применяется, как оконечное оборудование, используемое совместно с устройством и системой 1, в случае короткого замыкания или перегрузки. Таким образом, логическое устройство 9 обеспечивает общую защиту для устройств управления мощностью, в случае проблемы в программных средствах/программно-аппаратных средствах и/или в случае отказа в линии электропередачи или выброса напряжения в режиме
реального времени, поскольку время реакции логического устройства 9 и цифрового сигнального процессора 10 предпочтительно составляет 5 мкс. Логическое устройство 9 выступает, как определитель между сигналами управления, прикладываемым к транзисторам 54 и 58 IGBT/FET управления полупериодом, и сигналами, подаваемыми в транзисторы 59, 60, 67 и 68 IGBT/FET управления шунтированием. Поэтому, предотвращается одновременное управление транзисторами 54 и 58 IGBT/FET управления полупериодом и транзисторами 59, 60, 67 и 68 IGBT/FET управления шунтированием, с переводом их во включенное состояние, что могло бы привести к отказу элементов управления питанием и/или шунтирования. Цифровой сигнальный процессор 10, предпочтительно, включает в себя, по меньшей мере, один A/D преобразователь 11.
Перед передачей в виде отчета аналогового значения тока фазы от соединения 2 ввода фазы в цифровой сигнальный процессор 10, концентратор 3 магнитного потока или трансформатор тока вначале передает входящую энергию 19 через, по меньшей мере, одно средство преобразования сигнала, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, одно устройство 4 преобразования аналогового сигнала. После преобразования сигнала (сигналов) выполняется способ, который описан ниже, преобразованные сигналы затем передают в средство определения точки пересечения ноль вольт, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, один детектор 5 точки пересечения ноль вольт, предназначенный для определения точки, в которой напряжение переменного тока проходит через ноль вольт относительно нейтрали 18, которая обычно называется точкой пересечения нуля.
После того, как будет определена точка пересечения нуля и если используется трехфазная электрическая система, сигнал после преобразования затем поступает, по меньшей мере, в одно средство определения потерь, которое предпочтительно представляет собой, по меньшей мере, одно устройство б определения потери фазы и, по меньшей мере, одно средство определения поворота фазы и вращения фазы, которое,
предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, одно
устройство 7 поворота фазы, предназначенное для подготовки
сигнала для правильного ввода, по меньшей мере, в одно средство
идентификации полупериода, которое, предпочтительно,
представляет собой, по меньшей мере, один идентификатор 8 полупериода, и затем логическое устройство 9 и цифровой сигнальный процессор 10. Детали идентификатора 8 полупериода описаны ниже.
Управление мощностью выполняют через, по меньшей мере, одно средство уменьшения напряжения, которое, предпочтительно, включает в себя, по меньшей мере, одно устройство 15 управления возбуждением IGBT/FET, электрически соединенное с цифровым сигнальным процессором 10, для уменьшения энергии на предварительно определенную величину. Перед тем, как обработанные сигналы поступят в средство уменьшения, однако, сигналы снова могут быть подвергнуты преобразованию через, по меньшей мере, одно устройство 4 преобразования аналогового сигнала для очистки сигнала для удаления каких-либо ложных сигналов или переходных сигналов. Командные сигналы для выполнения управления с помощью устройства 15 управления возбуждением IGBT/FET средства уменьшения напряжения определяют с помощью цифрового сигнального процессора 10 и уменьшают с помощью логического устройства 9.
Уменьшенную энергию 2 4 затем вводят, по меньшей мере, в один концентратор 3 магнитного потока или трансформатор тока, и затем, по меньшей мере, в одно средство вывода, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, одно соединение 17 вывода фазы, и выводят в устройство, работающее от электричества, для потребления.
Система и устройство 1 получают питание через средство питания, которое, предпочтительно, представляет собой модуль 12 подачи питания, электрически соединенный с цифровым сигнальным процессором 10. Средство сброса, которое, предпочтительно, представляет собой переключатель 13 сброса, предпочтительно, предусмотрено для обеспечения для пользователя возможности выполнять сброс устройства и системы 1, в соответствии с
необходимостью. Кроме того, средство индикатора, такое как светодиод 14, может быть электрически соединено с переключателем 13 сброса для предупреждения пользователя о том, что для устройства и системы 1 требуется выполнить сброс.
Устройство и система 1, в случае необходимости, могут включать в себя, по меньшей мере, один цифровой электрический счетчик 50 и, по меньшей мере, одно средство передачи данных, такое как интерфейс 2 5 передачи данных USB, выполненный с возможностью соединения, по меньшей мере, с одним вычислительным устройством 16, имеющим, по меньшей мере, один порт 7 4 USB и, по меньшей мере, один оконный интерфейс 40, через проводную или беспроводную передачу данных. Интерфейс 2 5 передачи данных USB позволяет пользователю контролировать, отображать и/или конфигурировать устройство и систему 1 через свое вычислительное устройство 16. Однако, включение интерфейса 2 5 передачи данных USB не является необходимым в варианте реализации устройства и системы 1. Кроме того, часы 49 реального времени, в случае необходимости, могут быть встроены в цифровой сигнальный процессор 10 или по-другому соединены с устройством и системой 1 экономии энергии.
Пользователь может определять тип операции, в соответствии с которым требуется использовать устройство и систему 1 экономии энергии, например, пользователь может выбирать, как он или она хотел бы экономить энергию, либо путем ввода требуемого среднеквадратичного значения, ввода требуемого процента напряжения или путем ввода требуемого процента уменьшения экономии в вычислительное устройство 16. Например, если пользователь выбирает уменьшение входного напряжения на фиксированный процент, устройство и система 1 экономии энергии позволяют выполнить такое процентное уменьшение напряжения и автоматически снижает напряжение, так, чтобы оно соответствовало максимально допустимому содержанию гармоник, путем установления более низкого порогового значения напряжения. Более низкое пороговое значение напряжения обеспечивает, что в условиях пониженного напряжения, система и устройство 1 не будут продолжать пытаться уменьшить доступное
напряжение на указанную процентную величину снижения напряжения.
На фиг. 2 показан общий вид средства считывания. Средство считывания, которое представляет собой, по меньшей мере, один концентратор 3 магнитного потока или, по меньшей мере, один трансформатор тока, гальванически измеряет переменный ток, будучи подключенным к активной цепи устройства и системы 1, в соответствии с настоящим изобретением. Корпус 27, который, предпочтительно изготовлен из пластика, включает в себя верхнюю половину 2 9 корпуса и нижнюю половину 3 0 корпуса, и шарнир 31, соединяющий две половины 2 9 и 30, содержит печатную плату 2 6, имеющую микросхему 37 концентратора магнитного потока, установленную на нижней стороне верхней половины 2 9 корпуса. Каждая половина 29 и 30 включает в себя, по меньшей мере, один участок выреза, в котором, когда половины 29 и 30 соединяют вместе, формируется, по меньшей мере, одно отверстие 38, которое обеспечивает возможность пропуска проводника 2 8 через него. При использовании упомянутого корпуса 27 точно определяется расстояние между микросхемой 37 концентратора магнитного потока и центром сердечника проводника 28. Детектор окна, ассоциированный с микросхемой 37 концентратора магнитного потока, точно определяет, когда ток, в пределах отрицательного или положительного полупериодов, находится за пределами нормальных диапазонов. Кроме того, в концентраторе 3 магнитного потока используется буфер Шмидта с открытым коллектором, который обеспечивает возможность соединения множества концентраторов 3, как с устройством 4 преобразования аналогового сигнала, так и с логическим устройством 9.
Корпус 27 защелкивается и устанавливается на проводник 28, который, предпочтительно, представляет собой кабель, для обеспечения прочного удержания проводника 2 8 относительно корпуса 27. Верхняя половина 2 9 корпуса может быть сформирована с различными размерами так, чтобы на ней могли быть размещены провода с разным калибром. Множество отверстий 38 с разными размерами может быть сформировано, когда половины 2 9 и 3 0 защелкивают вместе, для размещения проводников 2 8 различного
диаметра. Концентратор 3 магнитного потока обеспечивает гальваническую развязку входной энергии 19, выполняет точное измерение тока и выполнен с возможностью адаптации к любому диапазону токов через множество проходов для кабелей, расположенных в пределах корпуса 27, обеспечивает высоковольтную гальваническую развязку, имеет нулевые гармонические искажения и исключительную линейность. Кроме того, так как диапазон измерения тока определяют с помощью механического средства, не требуются какие-либо изменения в печатной плате 26. С помощью следующего уравнения определяют приблизительную чувствительность: Vout=0,06*1/(D+0,3 мм),
где 1=ток в проводнике 2 8 и Б=расстояние в мм от верхней поверхности микросхемы 37 концентратора магнитного потока до центра проводника 28.
Поскольку отсутствует электрическое соединение с целью измерения, достигается полная гальваническая развязка. Кроме того, возникают нулевые вносимые потери и, поэтому, не происходит рассеяние тепла, и не происходит потеря энергии, поскольку отсутствует электрическое соединение или и не используется ни шунт, ни трансформатор.
На фиг. 3 показана принципиальная схема средства считывания. Концентратор 3 магнитного потока измеряет магнитный поток, генерируемый, когда переменный электрический ток протекает внутри проводника 28. Избыточный ток определяется компараторами 34, которые формируют двухпороговый компаратор. Когда пороговые значения, установленные резисторами 63, превышают на выходе концентратора 3 магнитного потока, который может вырабатывать сигнал "Current_Hi", выходы с открытым коллектором компараторов 34 переходят в низкое состояние и передают в логическое устройство 9 и в микропроцессор немаскируемый входной сигнал для отключения работы устройства и системы 1. Для исключения проблем с замыканием через цепь заземления, концентратор 3 магнитного потока предпочтительно включает в себя интегральную схему 62, которая регулирует рабочее напряжение концентратора 3 магнитного потока до 5 В
постоянного напряжения.
На фиг. 4 показана принципиальная схема средства преобразования сигнала. Средство преобразования сигнала, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, одно устройство 4 преобразования аналогового сигнала, очищает или выполняет преобразование аналогового сигнала синусоидальной волны 50/60 Гц, таким образом, что удаляет какие-либо ложные сигналы или переходные сигналы перед их передачей в идентификатор 8 полупериода. Если синусная волна имеет какие-либо шумы или искажения достаточной амплитуды, это может, в определенных обстоятельствах, привести к росту ложных определений пересечения нуля. Таким образом, включение такого устройства 4 преобразования аналогового сигнала является в ажным.
Для правильного преобразования синусоидального сигнала используются операционные усилители 70. Операционный усилитель 7 0 выполнен, как активный низкочастотный фильтр второго порядка для удаления или уменьшения гармоник и любых переходных или представляющих взаимные помехи сигналов, которые могут присутствовать. При использовании такого фильтра, однако, возникает групповая задержка, и эта групповая задержка приводит к смещению по времени, пересечению нуля фильтрованного сигнала от фактической точки пересечения нуля входной синусоидальной волны переменного тока. Для компенсации этой задержки, в операционных усилителях 7 0 обеспечивается возможность необходимого изменения фазы для точной коррекции точки пересечения нуля по времени, в соответствии с необходимостью. Выход операционных усилителей 7 0 представляет собой полностью преобразованный сигнал синусоидальной волны 50/60 Гц, который подают в A/D преобразователь 11 цифрового сигнального процессора 10 (см. фиг. 1) для измерения среднеквадратичного значения (RMS). Этот сигнал представляет собой точно половину шины питания, и необходим для обеспечения возможности измерений, как положительного, так и отрицательного полупериодов. A/D преобразователь 11 выполняет хорошо известную математику дополнения до 2, для обеспечения этого, и требует,
чтобы была выполнена девиация сигнала переменного тока, как в положительную, так и отрицательную сторону относительно центра или напряжения разделенной шины. Сигнал также поступает в идентификатор 8 полупериода.
На фиг. 5 и б показана осциллограмма и схема, соответственно, для средства определения точки пересечения ноль вольт. Средство определения точки пересечения ноль вольт, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, один детектор 5 точки пересечения ноль вольт, в котором точно определяется точка 21 пересечения нуля. Операционный усилитель 7 0 выполнен, как компаратор 34 с его опорным напряжением, составляющим точно половину подаваемого напряжения, используя половину шины питания. Компаратор 34 работает с очень большим коэффициентом усиления и, в результате, переключается в пределах нескольких милливольт напряжения разделенной шины.
Дополнительное преобразование сигнала пересечения нуля дополнительно выполняется с помощью буфера 35 Шмидта. После дополнительной обработки сигналов формируется очень точное прямоугольное колебание 69 с точностью до нескольких милливольт от фактической точки 21 пересечения ноль вольт синусоидальной волной.
На фиг. 7 представлена принципиальная схема средства определения потерь и определения поворота фазы и вращения фазы. Средство определения потерь, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, одно устройство б определения потерянной фазы, и средство определения поворота фазы и вращения фазы, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, одно устройство 7 поворота фазы, работают вместе для правильной подготовки сигнала для передачи в логическое устройство 9 и в цифровой сигнальный процессор 10 при использовании трехфазной электрической системы. Схема устройства б определения потерянной фазы включает в себя операционные усилители 70, выполненные, как компараторы 34, где каждый из них использует высокое значение последовательно включенных резисторов, содержащих два резистора по 0,5 МОм, включенных последовательно, которые необходимы для достижения
требуемого рабочего напряжения резисторов 63, и два диода 53, соединенных встречно-параллельно. Характеристики диодов 53 установлены по центру вокруг точки 21 пересечения ноль вольт входной синусоидальной волны 3 9 на уровне приблизительно прямого падения напряжении диодов 53, которое, в свою очередь, подают в компаратор 34, который выполняет дальнейшее преобразование сигнала, с тем, чтобы сделать его пригодным для подачи в логическое устройство 9 и цифровой сигнальный процессор 10, в результате чего, система отключается в отсутствие любого из сигналов.
В трехфазной электрической системе может выполняться вращение фазы либо А-В-С, или А-С-В. Для обеспечения правильного функционирования цифрового сигнального процессора 10, вначале требуется установить поворот фазы. Компараторы 34 используются для определения точки (точек) 21 пересечения ноль вольт и передают, как отчет, точку (точки) 21 в цифровой сигнальный процессор 10. Цифровой сигнальный процессор 10, в свою очередь, определяет моменты времени поворота, используя логику определения времени. Каждый из операционных усилителей 7 0 действует, как простой компаратор 34, со входным сигналом, в каждом случае, предоставляемым встречно-параллельно включенными парами диодов 53, совместно с последовательно включенными резисторами 63.
На фиг. 8, 9 и 10 показана принципиальная схема и
осциллограммы, соответственно, средства идентификации
полупериода. Средство идентификации полупериода, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, один идентификатор 8 полупериода, подает дополнительные данные в логическое устройство 9 и цифровой сигнальный процессор 10, путем идентификации, является ли полупериод аналогового сигнала положительным или отрицательным. Это очень важно для исключения ситуации, в которой, если бы транзисторы 54 и 58 управления полупериодом IGBT/FET и транзисторы 59, 60, 67 и 68 управления шунтированием IGBT/FET были бы одновременно включены, возникла бы цепь короткого замыкания для входной мощности.
Операционные усилители 70, которые выполнены, как
двухпороговые компараторы 34, имеют разные пороговые значения переключения, определяемые, по меньшей мере, одним резистором 63. Как показано на фиг. 9, имеется три сигнала, сигнал 36 пересечения абсолютного нуля и два одновременных сигнала, в котором один одновременный сигнал имеет положительный полупериод 22, и другой одновременный сигнал имеет отрицательный полупериод 2 3 входной синусоидальной волны 39. Конструкция обеспечивает возможность регулировки окна для обеспечения, если требуется, "мертвой зоны".
На фиг. НА, 11В, НС, 11D и НЕ показаны принципиальные схемы средства направления. Средство направления, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, одно логическое устройство 9, работает в режиме реального времени, за пределами цифрового сигнального процессора 10, для определения момента времени включения транзисторов 54 и 58 управления полупериодом IGBT/FET и транзисторов 59, 60, 67 и 68 управления шунтированием IGBT/FET.
Логическое устройство 9 выполняет функцию направления для обеспечения того, что все сигналы будут соответствовать мгновенным требованиям и полярности входной синусоидальной волны 39, и выполняет функцию широтно-импульсной модуляции для обеспечения безопасной работы устройства и системы 1 экономии энергии, независимо от состояния цифрового сигнального процессора 10, присутствия шумов, взаимных помех или переходных процессов. Схема изолятора 71, как показано на фиг. НС, обеспечивает возможность программирования логического устройства 9. Схема держателя 7 9 резистора логического устройства 9, как показано на фиг. 11D, необходима для обеспечения работы логического устройства 9. Как показано на фиг. НЕ, схема разъема 80 логического устройства обеспечивает активацию и деактивацию определенных аспектов логического устройства 9.
Работа с резистивной нагрузкой выполняется гораздо проще, чем работа с реактивной нагрузкой, в частности, индуктивно-реактивной нагрузкой. В настоящее время широтно-импульсная модуляция (РИМ, ШИМ) определена, как модуляция импульсной
несущей, в которой значение каждой мгновенной выборки волны модуляции формирует импульс пропорциональной длительности в результате изменения переднего, заднего или обоих фронтов импульса, что также известно, как модуляция длительности импульса. Однако, для назначений настоящего изобретения и заявки, PWM определена, как модуляция импульсной несущей, в которой, по меньшей мере, один срез удаляют из области под кривой волны модуляции. Когда PWM применяют непосредственно ко входной мощности, индуктивная составляющая противодействует этому, когда питание удаляют, и пытается поддержать протекание тока, и это приводит к самостоятельному генерированию им напряжения, до тех пор, пока ток не найдет путь разряда. Такое обстоятельство, без схемы шунтирования могло бы разрушить транзисторы управления полупериодом.
Поэтому, логическое устройство 9 представляет собой "контролер", который предпринимает соответствующие действия в случае, когда цифровой сигнальный процессор 10 "разъединяется", если присутствует состояние избыточного тока или если происходит потеря фазы. В любой из этих ситуаций логическое устройство 9 немедленно реагирует, в режиме реального времени, для защиты транзисторов управления полупериодом и устройств шунтирования, и оборудования, подключенного к нему.
Кроме того, логическое устройство 9 снижает сложные требования управления к транзисторам 54 и 58 управления полупериодом IGBT/FET и транзисторов 59, 60, 67 и 68 управления шунтированием IGBT/FET в той степени, что оно разгружает цифровой сигнальный процессор 10, снимая с него эту задачу. Поскольку логическое устройство 9 управляет этой функцией, она может быть выполнена в режиме реального времени и, поэтому, управление временными характеристиками требований возбуждения может поддерживаться в намного более строгих пределах, чем можно было бы достичь с помощью цифрового сигнального процессора 10. Возможность реагировать в режиме реального времени является важной для безопасной, надежной операции устройства и системы 1 экономии энергии, в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 12А, 12В, 12С, 12D, 12Е, 12F и 12G показаны осциллограммы и схемы цепей средства уменьшения напряжения. Средство уменьшения напряжения, которое предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, одно устройство 15 управления возбуждением IGBT/FET, уменьшает аналоговые сигналы входной синусоидальной волны 39, которая представляет собой величину энергии, вводимой в устройство и систему 1 экономии энергии, с помощью широтно-импульсной модуляции, причем, по меньшей мере, один срез удаляют из области под кривой синусоидальной волны 3 9 модуляции, снижая, таким образом, энергию, и без сопутствующих гармоник, ранее ассоциированных с таким устройством управления напряжением. Такая технология, как показано на фиг. 12 А, работает совместно с неотъемлемыми характеристиками устройств IGBT/FET, что позволяет обеспечить управление точкой переключения состояния включено и выключено. Вся потенциальная энергия содержится в каждом полупериоде и, в случае полного полупериода, имеет наибольшую площадь под кривой. Если каждый полупериод будет модулирован с соотношением пространства маркирования 90%, площадь под кривой уменьшается на 10%, и, в результате, энергия уменьшается пропорционально, как можно видеть на фиг. 12А.
Исходная форма входной синусоидальной волны поддерживается и, поскольку модуляция может быть выполнена на высокой частоте, возможно, на 10-ки кГц, фильтрация выхода возможна из-за меньших размеров компонентов обмотки, что становится практическим предложением. Общий эффект реализуется, когда правильно измеряют среднеквадратичное значение (RMS), которое представляет собой квадратный корень среднего по времени квадрата количества или, для периодического количества, среднее значение, взятое по всему полному периоду, и которое также называется эффективным значением, и выходное напряжение уменьшают на процент, аналогичный используемому отношению пространства маркирования. Уменьшенное напряжение приводит к снижению тока, в результате чего, получают уменьшенную мощность, потребляемую конечным пользователем.
Поскольку устройства IGBT и FET являются однополярными по
своей сути, в случае управления переменным током, необходимо обеспечить, по меньшей мере, одно устройство 15 управления возбуждением IGBT/FET для управления каждым полупериодом. Кроме того, для исключения обратного смещения, используют управляющие диоды для направления каждого полупериода в соответствующее устройство. Кроме того, множество устройств IGBT и FET имеют паразитный диод, который шунтирует основной элемент, в котором встречно-параллельное соединение двух устройств IGBT или FET могло бы привести к получению двух паразитных диодов, включенных встречно-параллельно, что привело бы к неработоспособности компоновки в качестве элемента управления.
Диоды 53 соединены через транзистор 54 положительного полупериода и транзистор 58 управления отрицательным полупериодом, и работают идеально для чисто резистивной нагрузки или для реактивной нагрузки с опережением тока. Однако, когда выполняется питание нагрузки с коэффициентом мощности, при котором происходит задержка тока, когда ток в индуктивном реактивном компоненте внезапно будет прерван, как, например в случае, когда возникает модуляция, сокращающееся магнитное поле пытается поддерживать протекание тока, аналогично электронному маховику, и формирует ЭДС, напряжение которой растет, до тех пор, пока не будет найден путь разряда, который сможет обеспечить выход энергии. При такой компоновке такая "обратная ЭДС" могла бы привести к выходу из строя активных компонентов элемента управления полупериодом. Для предотвращения такого явления дополнительные транзисторы 59, 60, 67 и 68 управления шунтированием IGBT/FET включены в конфигурации шунтирования.
Во время положительного полупериода транзистор 54 управления положительным полупериодом модулирует, и диод 53 является активным во время полного положительного полупериода. Второй транзистор 60 управления шунтированием IGBT переключается в полностью включенное состояние, и диод 53 является активным. Поэтому, любые напряжения противоположной полярности, возникающие в результате обратной ЭДС в нагрузке, будут автоматически ограничены.
Во время отрицательного полупериода другие устройства, составляющие последовательную сеть и сеть шунтирования, активируют аналогичным образом.
Во время переходов при переключении может присутствовать выброс, который может длиться в течение очень короткого периода времени. Этот выброс ограничивается устройствами 52 ограничения напряжения, которые позволяют поглощать большие количества энергии в течение очень короткого периода времени, и обеспечивают короткое время отклика. Устройства 52 ограничения напряжения также ограничивают любые быстро растущие переходные сигналы в электросети, возникающие из-за ударов молнии или из других источников, которые в противном случае могли бы повредить активные компоненты транзисторов полупериода или шунтирующих транзисторов. Кроме того, в то время как каждый транзистор полупериода выполняет широтно-импульсную модуляцию, другой транзистор полупериода полностью включают точно на время длительности полупериода. Обязанности этих транзисторов полупериода меняются на противоположные во время следующего полупериода. Такой процесс обеспечивает полную защиту от сигналов обратной ЭДС, описанных выше. Такая компоновка необходима, в частности, рядом со временем пересечения нуля, когда в обоих шунтирующих элементах выполняется переход.
Каждый из транзисторов 54 и 58 управления полупериодом IGBT/FET и транзисторов 59, 60, 67 и 68 управления шунтом IGBT/FET имеет характеристики изолированного затвора, что требует подачи добавочного напряжения на эти устройства для обеспечения возможности их включения. Такое добавочное напряжение составляет предпочтительно 12 вольт по магнитуде, и его предпочтительно подают с использованием "плавающего" источника напряжения, предпочтительно по одному для каждой пары. Это возможно только, когда устройства IGBT/FET работают в режиме общего эмиттера, в случае IGBT, и в режиме с общим истоком, в случае FET; в противном случае, потребовалось бы четыре изолированных источника питания для каждой фазы. Каждая из пар требует отдельного сигнала управления, который поступает от изолированных драйверов 6 6 с оптической связью. В таких
драйверах 66 используются изолированные источники, и они применяются для очень быстрого включения и выключения каждого устройства питания. Такие драйверы бб являются активными в обоих направлениях, что является необходимым, поскольку входная емкость устройств питания является высокой и должна быть активно быстро разряжена в точке отключения и быстро заряжена в точке включения.
Проблема с прямой широтно-импульсной модуляцией возникает, когда обеспечивают питание индуктивно-реактивных нагрузок, при этом в момент, когда IGBT модулирует выключение, возникает обратная ЭДС, которая должна быть ограничена. На фиг. 12В показана входная синусоидальная волна 39, которую подают в транзистор 54 управления положительным полупериодом, и в транзистор 58 управления отрицательным полупериодом. Обычно эти транзисторы 54 и 58 управления полупериодами находятся в состоянии "выключено", и их требуется переключить в состояние "включено". Во время положительного полупериода транзистор 54 управления положительным полупериодом модулируют и он работает совместно с диодом 53 для передачи модулированного положительного полупериода в выходную клемму линии. Второй транзистор 60 управления шунтированием IGBT включен в течение длительности полупериода и работает совместно с диодом 53 для фиксации обратной ЭДС и отвода ее на землю. Во время положительного полупериода транзистор 58 управления отрицательным полупериодом полностью включен, и его "включенное" состояние поддерживается диодом 53. Эти диоды 53 выполняют соответствующее управление сигналами.
В результате модуляции положительного полупериода, возникает сигнал обратной ЭДС. Поскольку транзистор 58 управления отрицательным полупериодом включен в течение этого времени, отрицательная обратная ЭДС протекает через диод 53, для ограничения при одновременном напряжении положительного полупериода переменного тока.
Хотя к первому транзистору 59 управления шунтированием IGBT и ко второму транзистору 60 управления шунтированием IGBT не прикладывают модуляцию, эти транзисторы 59 и 60 работают
совместно с диодами 53, аналогично тому, как описано выше.
Как показано на фиг. 12В, которая представляет осциллограмму средства уменьшения напряжения устройства на основе IGBT, во время положительного полупериода 22 сигнал управления подают в транзистор 8 5 управления отрицательным полупериодом, и сигнал управления подают во второй транзистор 87 управления шунтированием IGBT. Во время отрицательного полупериода 23, сигнал управления подают в транзистор 8 4 управления положительным полупериодом, и сигнал управления подают в первый транзистор 8 6 управления шунтированием IGBT. Также показаны сигнал 82 управления положительным полупериодом, который подают к транзистору 54 управления положительным полупериодом, и сигнал 8 3 управления отрицательного полупериода, который подают в транзистор 58 управления отрицательным полупериодом.
Аналогично, как показано на фиг. 12Е, на которой представлена осциллограмма средства уменьшения напряжения устройства на основе FET, во время положительного полупериода 22, сигнал управления подают в транзистор 85 управления отрицательным полупериодом, и сигнал управления подают во второй транзистор 8 9 управления шунтированием FET. Во время отрицательного полупериода 2 3 сигнал управления подают в транзистор 8 4 управления положительным полупериодом, и сигнал управления подают к первому транзистору 8 8 управления шунтированием FET. Также показаны сигнал 82 управления положительным полупериодом, который прикладывают к транзистору 54 управления положительным полупериодом, и сигнал 8 3 управления отрицательным полупериодом, который прикладывают к транзистору 58 управления отрицательным полупериодом.
В целом здесь используются два общих решения при ограничении, первое для положительного полупериода и второе для отрицательного полупериода. Во время положительного полупериода, когда модулируют транзистор 54 управления положительным полупериодом, транзистор 58 управления отрицательным полупериодом и второй транзистор 60 управления шунтированием включены. Во время отрицательного полупериода,
когда модулируют транзистор 58 управления отрицательным полупериодом, транзистор 54 управления положительным полупериодом и первый транзистор 59 управления шунтированием IGBT включены.
Аппаратные средства, используемые в устройстве и способе 1 экономии энергии на основе IGBT и на основе FET, в соответствии с настоящим изобретением, идентичны и единственное отличие состоит в транзисторах 54 и 58 управления полупериодом IGBT/FET и транзисторах 59, 60, 67 и 68 управления шунтированием IGBT/FET. Схемы цепей на основе IGBT, показанные на фиг. 12С, и драйвер на основе IGBT на фиг. 12D, и схемы цепей на основе FET, показанные на фиг. 12Е, и драйвер на основе FET на фиг. 12F представлены с целью сравнения.
На фиг. 13 показана принципиальная схема комбинированного средства сброса и средства индикатора. Средство сброса, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, один переключатель 13 сброса, и средство индикатора, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, один светодиод 14, работают вместе так, что они обозначают, когда устройство и система 1 экономии энергии на основе IGBT/FET работают неправильно, с тем, чтобы позволить пользователю выполнить сброс устройства и системы 1, в соответствии с необходимостью. Предпочтительно, светодиод 14 обозначает, что устройство и система 1 работают правильно, вспышками включения/выключения. Когда возникает состояние неисправности, светодиод 14, предпочтительно, меняет режим работы на неоднородную структуру, которая немедленно становится очевидной и распознаваемой, как состояние неисправности.
На фиг. 14А и 14В показана принципиальная схема модуля 12 источника питания средства питания. Средство питания, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, один модуль 12 источника питания, принимает различные входные сигналы, включая в себя, но без ограничений, для одной фазы от 80 Brms до 265 Brms, для двух фаз от 80 Brms до 600 Brms, для трех фаз от 80 Brms до 600 Brms и выполнено с возможностью работы от 4 8 Гц до 62 Гц.
Модуль 12 источника питания имеет полностью изолированную конструкцию с двойным регулированием. На входе включен выпрямитель 72, состоящий из диодов 53, на который подают однофазную, двухфазную и трехфазную энергию. Эту энергию подают на переключающий регулятор 90 и интегральную схему 62 через трансформатор 57. С учетом больших напряжений, возникающих на клеммах постоянного тока, переключающий регулятор 90 и интегральная микросхема 62 дополняются транзистором 73 FET, который используется в конфигурации StackFET для повышения его рабочего напряжения. Вторичная обмотка трансформатора 57 имеет диод 53 и накопительный конденсатор 56. Напряжение постоянного тока на конденсаторе 56 пропускают через сетевые резисторы 63 и стабилитрон 75 на оптический изолятор 65 и, в конечном итоге, на клеммы обратной связи. Использование оптического изолятора 65 гарантирует гальваническую развязку между входом и выходом источника питания (6,4 В постоянного напряжения). В конечном итоге, выход линейных регуляторов 81 напряжения (3,3 ВА постоянного напряжения) передают в операционный усилитель 70, который выполнен, как буфер с единичным усилением, с двумя резисторами 63, которые устанавливают напряжение разделенной шины. Основный нейтральный провод, соединен с этой точкой разделения шины, а также резистор с нулевым сопротивлением. Индукционная катушка 7 8 изолирует цифровой сигнал в шине питания (+3,3 В) от аналогового (3,3 ВА), и снижает шумы.
Затем на фиг. 15А, 15В, 15С, 15D и 15Е показана схема средства передачи данных. Средство передачи данных, которое, предпочтительно, представляет собой, по меньшей мере, один интерфейс 25 передачи данных USB, позволяет пользователю контролировать и устанавливать параметры устройства и системы 1 экономии энергии, в соответствии с настоящим изобретением, в соответствии с необходимостью.
Схема интерфейса 2 5 передачи данных USB показана на фиг. 15В, и блок 71 изолятора, используемый при изоляции интерфейса 25 передачи данных USB из цифрового сигнального процессора 10, показан на фиг. 15С, и первый, и второй разъемы 7 6 и 77, предназначенные для соединения средства передачи данных с
цифровым сигнальным процессором 10, показаны на фиг. 15D и 15Е.
Поскольку основная печатная плата не изолирована от
нейтрали, необходимо гальванически изолировать интерфейс 25
передачи данных USB. При этом используют встроенную особенность
последовательной передачи данных цифрового сигнального
процессора 10 для последовательного обмена данными со средством
4 6 передачи данных. Сигналы на стороне пользователя
относительно изоляционного барьера подают в интегральную схему
62, которая представляет собой устройство, которое принимает
последовательные данные и преобразует их в данные USB для
непосредственного соединения с вычислительным устройством 16
через порт 74 хост-USB. Питание хост-USB 5В используется для
питания средства 4 6 передачи данных и исключения необходимости
предоставления изолированного питания из модуля.
Предпочтительно, имеются два светодиода 14, обозначающих активность, которые обозначают активность каналов ТХ (передачи) и RX (приема). Передача данных предпочтительно выполняется со скоростью 9600 бод, что является адекватным с учетом малого количества передаваемых данных.
Хотя включение в состав средства передачи данных не является необходимым для обеспечения рабочих характеристик устройства и системы 1 экономии энергии, это свойство позволяет проще использовать устройство и систему 1.
И, наконец, на фиг. 16 и 17 можно видеть фотографии оконного интерфейса 40, в соответствии настоящим изобретением. Оконный интерфейс 4 0 отображается в вычислительном устройстве 16 и позволяет пользователю контролировать и конфигурировать устройство и систему 1 экономии энергии, в соответствии с необходимостью. Предусмотрен основной экран 41 контроля, имеющий множество полей 42, в которых конечный пользователь может регулировать устройство и систему 1 экономии энергии. Например, поля 42 могут включать в себя поле 4 3 режима работы, поле 44 фазы, поле 45 запуска, поле 4 6 калибровки и поле 47 установочных точек.
В поле 43 режима работы пользователь может выбрать подход, в соответствии с которым он/она желает сохранить энергию.
Подход включает в себя определенный процент снижения напряжения, в соответствии с котором регулируют выходные вольты, снижая их на фиксированный процент для экономии, при этом выходное напряжение регулируют с целью достижения определенного процента экономии и регулируют напряжение, при котором среднеквадратичное значение выходного напряжения представляет собой заранее установленное значение.
Поле 44 фазы позволяет пользователю выбрать тип фазы, используемой при соединении с устройством и системой 1 экономии энергии, то есть, однофазная, двухфазная или трехфазная.
Поле 45 запуска позволяет пользователю конфигурировать систему и устройство 1, для случайного запуска и/или запуска с задержкой, или "программного запуска", при котором пользователь вводит время задержки в секундах, через которые система и устройство должны быть запущены.
Поле 4 6 калибровки позволяет пользователю вводить точные значения требуемой калибровки и/или поворота фаз.
Поле 47 точек установки отображает установки, выбранные пользователем, и представляет величину энергии, которая будет сэкономлена при использовании устройства и системы 1 экономии энергии, путем регулировки напряжения, установки процента снижения напряжения или процента экономии энергии, благодаря снижению. Что касается процента снижения напряжения, нижний предел RMS установлен ниже пропускаемого входного напряжения, для обеспечения возможности пропуска входного напряжения, когда оно меньше чем или равно нижнему предельному напряжению. Что касается процента экономии напряжения, из-за снижения, нижний предел RMS установлен ниже входного пропущенного напряжения.
Индикаторы 4 8 предусмотрены в оконном интерфейсе 40, которые отображают рабочие токи, рабочее напряжение, частоту в линии, расчетную экономию энергии и поворот фазы.
Часы 4 9 реального времени могут быть встроены в оконный интерфейс 40, что позволяет программировать дополнительное снижение напряжения для предварительно определенного времени и предварительно определенного времени работы, например, по сезонам, дням неделям, часам суток для предварительно
определенного времени работы. Кроме того, пользователь может программировать устройство и систему 1 экономии энергии для работы в разное время суток. Часы 4 9 реального времени устанавливают через порт передачи данных или фиксируют для обеспечения возможности выбора определенных дат в году и определенного времени, когда из опыта известно наступление перегрузки сети электропитания. В это время система позволяет дополнительно уменьшить регулируемое напряжение переменного тока, снижая, таким образом, нагрузку в сети. Может быть определено множество значений времени и для каждого такого значения дополнительный процент уменьшения или падения напряжения.
Цифровой электрический счетчик 50 представляет собой средство регистрации статистических данных об использовании мощности, коэффициенте мощности и выбросах. Цифровой электрический счетчик 50 также обеспечивает возможность включать конденсаторы для коррекции коэффициента мощности, при этом он работает с одно-, двух- и трехфазной системами и работает со всеми напряжениями в мире. Его можно использовать дистанционно или локально для отключения или обеспечения возможности подачи энергии пользователю по желанию поставщика. Кроме того, цифровой электрический счетчик 50 может определять установку перемычки в устройстве и системе 1 экономии энергии конечным пользователем при попытке избежать оплаты за потребляемую энергию, и в этом случае поставщик получает предупреждение о таком злоупотреблении. В конечном итоге, использование часов 49 реального времени позволяет пользователю и/или поставщику уменьшить потребление мощности в выбранное время суток или в выбранный период времени, в результате чего, смягчается и/или устраняются состояния падения напряжения в сети.
На фиг. 18А-18С совместно представлены первый вариант осуществления вольтодобавочного устройства 30', выполненного для среднеквадратичного значения 220/230 вольт (Brms) . Вольтодобавочное устройство 30' может также быть выполнено для работы при 120/127 Brms. На фиг. 18А показан трансформатор 41' и
переключатель 16'. Переключитесь 16' содержит первое реле 20' и второе реле 22'. На фиг. 18В показан источник 24' питания. На фиг. 18С показан микропроцессор 26'. Возвращаясь к фиг. 18А, вторичные обмотки 2А и 2В трансформатора 41' включены последовательно между клеммой б' под напряжением входной линии и клеммой 8' под напряжением выходной линии. Входная линия 34' под напряжением до выходной линии 36' под напряжением всегда проходит через вторичные обмотки 2А и 2В трансформатора, и не переключается. Для получения 12 0/12 7 Brms, вторичные обмотки 2А и 2В можно включить параллельно. В качестве альтернативы, трансформатор может представлять собой трансформатор с одним типом напряжения, в частности, рассчитанным на 230 В, 120 В или для любого другого диапазона напряжений.
Первый конец для первой линии 12' первичных обмоток 10А и 10В трансформатора соединен со входной клеммой б' под напряжением, и второй конец или вторая линия 14' соединена через разъем F2 с электронным переключателем 16'. Переключатель 16' позволяет соединять вторую линию 14' трансформатора либо (1) с первой линией 12' первичных обмоток 10А, 10В трансформатора, закорачивая, таким образом, трансформатор 41', или (2) на нейтральную линию 18'. Разъемы (Fl, F2, F3) представляют собой разъемы типа Faston. Разъемы (Fl, F2, F3) позволяют подключать с возможностью отключения трансформаторы, рассчитанные на разные номинальные токи, обеспечивая возможность подключения больших или меньших нагрузок. Другие типы разъемов также могут быть предусмотрены.
Когда вторую линию 14' первичных обмоток трансформатора переключают на нейтраль, вторичное напряжение добавляется ко входному напряжению электросети, обеспечивая, таким образом, повышенное или увеличенное выходное напряжение на выходной клемме 8' под напряжением. Электрическая нагрузка может быть подключена к выходной клемме 8' под напряжением, такая как бытовая нагрузка, коммерческая нагрузка или нагрузка промышленных предприятий. Напряжение обмотки установлено по фазе так, чтобы оно добавлялось к напряжению входной линии переменного тока, обеспечивая, таким образом, добавочное
напряжение, когда оно необходимо. Когда микропроцессор 26' переключается для повышения или добавления напряжения, добавочное напряжение может поддерживаться на входном уровне Brms/ умноженном на процентное соотношение, представляющее коэффициент передачи, определяемый витками трансформатора.
Когда переключатель 16' переключают в другое состояние или положение, устраняя соединение второй линии 14' с нейтралью и соединяя ее с первой линией 12', первичные обмотки 10А и 10В трансформатора становятся короткозамкнутыми. В результате формирования цепи короткого замыкания в состоянии или положении без добавки напряжения трансформатор 41' отключается и не потребляет какую-либо энергию. Кроме того, поскольку первичные обмотки 10А и 10В закорочены, и вторичные обмотки 2А и 2В постоянно соединены между входной клеммой б' и выходной клеммой 8' , практически отсутствует реактивная составляющая тока на вторичной стороне, и, поэтому, практически не возникают индуктивно реактивные потери во время работы без добавки напряжения. Единственное препятствие для прохода энергии переменного тока от входа б' под напряжением на выход 8' под напряжением составляет очень малое омическое сопротивление медных или других проводов вторичных обмоток 2А и 2В.
Переключение, предпочтительно, выполняют на первичной стороне (ЮА, 10В) трансформатора. В то время, как может происходить переключение, на вторичной стороне (2А, 2В) трансформатора 41', могут протекать большие токи, что является недостатком. Поскольку трансформатор 41' может иметь коэффициент передачи от десяти (10) до одного (1), только одну десятую часть тока может потребоваться переключать на первичной стороне (ЮА, 10В) трансформатора 41'. Другие коэффициенты передачи трансформатора также могут быть предусмотрены. Коэффициент передачи трансформатора представляет собой отношение количества витков вторичной обмотки (2А, 2В) к количеству витков в первичной обмотке (ЮА, 10В) . Во всех вариантах осуществления такая технология переключения на первичной стороне позволяет использовать более надежные переключатели меньших размеров для меньшего тока, такие как
устройства 20' и 22' реле, по сравнению с намного более дорогими устройствами, которые потребовалось бы применять, если бы переключение происходило на вторичной стороне (2А, 2В) трансформатора 41'. Кроме того, переключение на первичной стороне предпочтительно выполняется без прерывания подачи энергии во время периода переключения. Хотя здесь показаны два устройства 20' и 22' реле, также предусматривается возможность использования более чем двух устройств (20', 22') .
Источник 24' питания (фиг. 18В) может предоставлять энергию в сеть 16' переключения и микропроцессор 26'. Малые недорогостоящие источники питания на постоянное напряжение пять (5) вольт могут использоваться для питания переключателя 16' и/или микропроцессора 26', хотя другие источники питания и напряжения также могут быть предусмотрены, включая в себя источники переменного тока. Каждое из устройств 20' и 22' (фиг. 18А) может состоять из драйвера с оптической связью, которое сообщается с малым TRIAC, формируя, таким образом, два твердотельных реле переменного тока. Здесь предусмотрены драйверы TRIAC с оптоэлектронной (опто) изоляцией, с использованием оптоизолированных TRIAC (ОТ1, ОТ2). Другие типы реле также могут быть предусмотрены. Также предусматривается возможность управления напряжением путем использования других устройств управления мощностью, включая в себя TRIAC, SCR, IGBT и/или MOSFET.
Микропроцессор 26' (фиг. 18С) измеряет напряжение входной линии переменного тока, такое, как в линиях 34' или 28', и определяет уровень напряжения, при котором следует использовать повышенное напряжение. Другие типы процессоров также могут быть предусмотрены. Три малых блока перемычек или цоколь 32' 3x2 могут обеспечить возможность выбора шести (6) напряжений, как представлено ниже в Таблице 1 и на фиг. 19С:
Предусматриваются также установки других предварительно определенных напряжений. Другое количество блоков перемычек или цоколей 32' также может быть предусмотрено. Микропроцессор 26' работает и управляет устройствами 20' и 22' реле в соответствии с выбранным напряжением.
Микропроцессор 26' (фиг. 18С) измеряет напряжение входной линии переменного тока. Микропроцессор 26' использует определение точки пересечения нулевого напряжения входного сетевого переменного напряжения. Такое определение пересечения нуля используется для обеспечения правильного момента времени переключения твердотельных реле 20' и 22'. Моменты пересечения нуля устраняют возможность включенного состояния обоих реле 20' и 22' одновременно. На фиг. 5 и б представлена осциллограмма и схема, соответственно, средства определения точки пересечения ноль вольт, которая рассматривается. Другие типы средства определения точки пересечения ноль вольт также могут быть предусмотрены. Может использоваться гистерезис для устранения неустойчивого переключения вокруг пороговой точки, установленной перемычками 32'.
На фиг. 18А-18С компоненты R1-R23 представляют собой резисторы, компоненты С1-С8 представляют собой конденсаторы, компоненты D1-D3 представляют собой диоды, компонент D4 представляет собой стабилитрон, компоненты D5 и D10
представляют собой светодиоды, компонент Т1 представляет собой трансформатор, компоненты Т2 и ТЗ представляет собой устройства ограничения напряжения, компонент Q1 представляет собой транзистор N-P-N, компонент U1 представляет собой регулятор переключения, компоненты TR1 и TR2 представляют собой TRIAC, компоненты 0Т1 и 0Т2 представляют собой оптоизолированные TRIAC, и компонент Л представляет собой блок перемычек или цоколь 1x5.
На фиг. 19-19С вместе представлен второй вариант осуществления вольтдобавочного устройства 54'. На фиг. 19 показан пример трансформатора б б' на 120 В. На фиг. 2А показан пример трансформатора 68' на 230 В. Разводка проводов отличается от фиг. 19 и 19А. Обмотки для трансформатора б б' на 12 0 В (фиг. 19) включены параллельно, и обмотки для трансформатора 68' на 230 В (фиг. 19А) включены последовательно. Может использоваться один и тот же трансформатор бб', 68', как на 120 В, так и на 230 В путем изменения конфигурации разводки проводов, как показано: параллельной для 120 В и последовательной для 230 В. Однако, могут также использоваться разные трансформаторы бб', 68'. Трансформатор может представлять собой трансформатор одиночного напряжения, в частности на 230 В, 120 В или на любой другой диапазон напряжения. Другие трансформаторы с другими номинальными токами также могут быть предусмотрены. Только один такой трансформатор бб', 68' может быть подключен к системе одновременно. На фиг. 19В показаны два изолированных источника (50', 52') питания постоянного тока, источник 63' питания и схема 64' регулирования источника питания. На фиг. 19С показан микропроцессор 56' и устройство 58' переключения IGBT. Переключитесь 58' содержит схему U7 первого диодного моста, схему 60' первого IGBT, схему U8 второго диодного моста и схему 62' второго IGBT.
Возвращаясь к фиг. 19, вторичные обмотки 72А и 72В трансформатора бб' на 12 0 В включены параллельно между клеммой 78' под напряжением входной линии и клеммой 80' под напряжением
выходной линии. Входная линия 74' под напряжением до выходной линии 76' под напряжением постоянно проходит через вторичные обмотки 72А и 72В трансформатора, и не переключается. Первый конец или первая линия 82' первичных обмоток 70А и 70В трансформатора бб' соединена со входной клеммой 78' под напряжением через разъем F5, и второй конец или вторая линия 84' соединена через разъем F14 с электронным переключателем 58'. Переключатель 58' позволяет соединять вторую линию 84' трансформатора бб' либо (1) с первой линией 82' первичных обмоток 70А, 70В трансформатора бб', замыкая, таким образом, накоротко трансформатор бб', или (2) с нейтральной линией 90'. Разъемы F4-F17 представляют собой разъемы типа Faston. Разъемы (F1-F17) позволяют подключать с возможностью отключения или соединять трансформаторы (бб', 68') с разным номиналом, такие как 12 0В и 2 3 0В. Другие типы разъемов также могут быть предусмотрены.
На фиг. 19А, трансформатор 68' 230В, так же, как и трансформатор бб' 12 0В, может быть подключен с возможностью отсоединения или может быть отключен, используя те же самые разъемы (F1-F17). Однако, разводка проводов для трансформатора 68' будет другой. Другие компоновки разводки проводов и соединений также предусматриваются. Вторичные обмотки 92А и 92В трансформатора 68' включены последовательно между клеммой 78' под напряжением входной линии и клеммой 80' под напряжением выходной линии. Входная линия 85' под напряжением проходит через разъем F8 до клеммы 78'. Выходная линия 87' под напряжением проходит через разъем F11 до клеммы 80'. Входная линия 85' под напряжением до выходной линии 87' под напряжением постоянно проходит через вторичные обмотки 92А и 92В трансформатора, и не переключается. Первый конец или первая линия 96' первичных обмоток 94А и 94В трансформатора 68' соединена с входной клеммой 78' под напряжением через разъем F5, и второй конец или вторая линия 98' соединена через разъем F14 с электронным переключателем 58'. Переключатель 58' позволяет соединять вторую линию 98' трансформатора 68' либо (1) с первой линией 96' первичных обмоток 94А, 94В
трансформатора 68', замыкая, таким образом, накоротко трансформатор 68', или (2) с нейтральной линией 90'.
Как можно теперь видеть, один и тот же трансформатор может использоваться для 120 В и 230 В, и соединения, показанные на фиг. 19-19А, конфигурируют трансформатор для 12 0 В (фиг. 19) или 230 В (фиг. 19А) , в соответствии с требованиями. Когда вторая линия 84', 98' первичных обмоток трансформатора переключена на нейтраль, вторичное напряжение добавляется ко входному сетевому напряжению, обеспечивая, таким образом, повышенное выходное напряжение на выходной клемме 80' под напряжением. Электрическая нагрузка может быть соединена с выходной клеммой 80'. Фаза напряжения обмотки установлена так, чтобы оно суммировалось со входным сетевым напряжением переменного тока, обеспечивая, таким образом, повышенное напряжение, когда это требуется.
Когда переключатель 58' переключен в другое состояние или положение, при отсоединении соединения второй линии 84', 98' первичных обмоток от нейтрали и соединении ее с соответствующей первой линией 82', 96', первичные обмотки (70А, 70В) или (94А, 94В) трансформатора замыкаются накоротко. В результате формирования цепи короткого замыкания в положении без усиления напряжения трансформатор отключается и не потребляет какую-либо мощность. Кроме того, поскольку первичная обмотка закорочена, и вторичная обмотка постоянно соединена между входной клеммой 78' под напряжением и выходной клеммой 80' под напряжением, по существу, отсутствует какой-либо реактивная составляющая тока на стороне вторичных обмоток и, поэтому, по существу, не происходят индуктивно реактивные потери во время работы без добавки. Единственное препятствие для пропускания энергии переменного тока со входа 78' на выход 80' представляет собой очень малое омическое сопротивление медных или других проводов вторичных обмоток. Как и в первом варианте осуществления, переключение предпочтительно выполняют на первичной стороне трансформатора, что позволяет выполнять переключение с меньшим током. Кроме того, по существу, не происходит прерывание подачи энергии во время периода переключения.
Возвращаясь к фиг. 19В, три независимых источника (50',
52', 63') питания могут обеспечивать питание для сети 58'
переключения и/или микропроцессора 56'. Первый источник 50'
питания обеспечивает питание для первой схемы 60' IGBT, и
второй источник 52' питания обеспечивает питание для второй
схемы 62' IGBT. Предусматривается возможность обратной
компоновки. Третий источник 63' питания может предоставлять
питание для микропроцессора 56', светодиодов и оптоэлектронных
устройств. Также предусматриваются другие компоновки. Первый и
второй источники (50', 52') питания, каждый может предоставлять
питание двенадцать (12) В постоянного тока, и третий источник
63' питания может предоставлять питание пять (5) В постоянного
тока, хотя также рассматривается возможность использования
других источников питания и других напряжений, включая
переменное напряжение. Предусматривается возможность
использования только одного источника питания, или более чем трех источников питания.
На фиг. 19С, схема U7 первого диодного моста составлена с первой схемой 60' IGBT, содержащей первое устройство IGBT IG1 и первый оптически изолированный драйвер U9 IGBT/MOSFET. Схема U8 второго диодного моста выполнена со второй схемой 62' IGBT, содержащей второе устройство IG2 IGBT и второй, оптически изолированный драйвер U10 IGBT/MOSFET. Схемы U7, U8 диодных мостов используются для управления положительными и отрицательными полупериодами тока для получения состояния, известного, как однонаправленные полупериоды. Это позволяет использовать одно устройство IG1 и IG2 IGBT, поскольку IGBT представляет собой однонаправленное устройство. Также предусматривается возможность использования устройств MOSFET.
Переключатель 58' функционирует, как однополюсный на два направления (SPDT) переключатель, иногда называемый "переключателем полюсов". Когда соответствующее устройство IG1 или IG2 IGBT находится в состоянии или в положении "выключено", тогда переменный ток не протекает через соответствующий диодный мост U7, U8. Когда соответствующее устройство IG1 или IG2 IGBT находится в состоянии или в положении "включено", тогда
переменный ток протекает через соответствующий диодный мост U7, U8. Микропроцессор 56' измеряет входное сетевое напряжение переменного тока, такое, как в линии 100', и определяет уровень напряжения, при котором следует использовать повышенное напряжение. Три малых блока перемычек или цоколь 102' 3x2 могут обеспечить возможность выбора шести (б) значений напряжения, как показано в Таблице 1, представленной выше и на фиг. 19С. Другие предварительно определенные установки напряжения также предусмотрены. Другие количества блоков перемычек или цоколей 102' также рассматриваются. Микропроцессор 56' работает и управляет устройством 58' переключения IGBT для поддержания выбранного напряжения.
Микропроцессор 56' может использовать определение точки пересечения нулевого напряжения входного сетевого напряжения переменного тока. Такое определение пересечения нуля используется для обеспечения правильных моментов времени переключения устройств IG1 и IG2 IGBT. Момент времени пересечения нуля устраняет возможность одновременного включенного состояния обоих устройств IG1 и IG2. На фиг. 5 и б представлена осциллограмма, и схема, соответственно, средства определения точки пересечения ноль вольт, которая рассматривается. Другие типы средств определения точки пересечения ноль вольт также могут быть предусмотрены. Может использоваться гистерезис для устранения беспорядочного переключения вокруг точки порогового значения, установленной перемычками 102'.
На фиг. 19-19С компоненты R30-R47 представляют собой резисторы, компоненты С2 0 к С2 9 представляют собой конденсаторы, компоненты D10 и D11 представляют собой диоды, компонент Z1 представляет собой ограничитель напряжения, компоненты Z2-Z4 могут представлять собой диоды (типа диодов Шоттки), компонент Z5 представляет собой стабилитрон, компоненты IG1 и IG2 представляют собой транзисторы IGBT, компонент TRA1 представляет собой трансформатор, компонент U2 представляет собой регулятор переключения, компонент U3 представляет собой оптоэлектронный изолятор, компоненты U4-U6
представляют собой линейные регуляторы, компоненты U7 и U8 представляют собой схемы диодных мостов или мостовых выпрямителей, компоненты U9 и U10 представляют собой оптически изолированные драйверы IGBT/MOSFET, и компонент J2 представляет собой цоколь 1x5.
Как можно видеть, все переключение может быть выполнено при существенно малом токе на первичной стороне, такой, как первичная сторона (ЮА, 10В) трансформатора 41', а не на вторичной стороне, такой как вторичная сторона (2А, 2В) трансформатора 41'. Поскольку вторичные обмотки постоянно соединены, и переключение для повышения напряжения выполняют на первичной стороне, по существу, не происходит прерывание подачи электричества во время периода переключения.
Это не может быть достигнуто при выполнении переключения на вторичной стороне. Разные варианты осуществления электронных переключателей (16', 58') используются для короткого замыкания первичной обмотки трансформатора, когда он не используется, устраняя, таким образом, реактивную составляющую тока со стороны вторичной обмотки. Трансформатор является активным только в течение периода повышения напряжения. Величина вольт-добавки или повышения напряжения может быть выбрана по коэффициенту преобразования трансформатора. Трансформаторы с разными коэффициентами преобразования и/или номинальными токами могут быть включены с возможностью их съема в систему. Устройство может использоваться для универсальной работы с переменными напряжением от 120 В до 250 В. Размер устройства может быть относительно малым. Может происходить очень малое тепловое рассеяние. Устройство может быть эффективным по затратам и надежным. Устройство может использоваться для подачи повышенного напряжения в электрическую нагрузку, включая бытовые домашние устройства, промышленные или коммерческие устройства.
Хотя два варианта осуществления схемы переключения показаны на фиг. 18А-19С, могут быть предусмотрены другие варианты осуществления, включая в себя, но без ограничений,
переключение, выполняемое с помощью (1) диодного моста совместно с IGBT, (2) диодного моста совместно с силовым MOSFET, (3) диодного моста совместно с механическим переключателем, реле, контактором или любым другим типом механического переключателя, (4) диодного моста совместно с SCR/тиристором или TRIAC, (5) TRIAC, (б) устройствами SCR/тиристора, включенными встречно-параллельно, или (7) механического переключателя, реле, контактора или любого другого типа механического переключателя. Переключатели могут использоваться для обеспечения первого состояния или положения, короткого замыкания первичной обмотки и второго состояния или положения для добавления вторичного напряжения трансформатора к входному напряжению электросети. Во всех вариантах осуществления другие выводы первичных обмоток трансформатора могут быть предусмотрены для обеспечения разных уровней вольт-добавки при разных пороговых напряжениях. Выводы могут обеспечить возможность выбора определенного количества витков первичной обмотки трансформатора, в результате чего, получают трансформатор с переменным отношением витков. Во всех вариантах осуществления может использоваться множество выводов первичной обмотки, выбираемых микропроцессором, для обеспечения различных уровней вольт-добавки при разных уровнях входного напряжения. Управление использованием электрической мощности Устройство 1 на основе IGBT/FET, показанное на фиг. 1-17, и система 30' вольт-добавки, показанная на фиг. 18А-19С, могут работать вместе для управления использованием электрической мощности. Во время первого предварительно определенного периода времени, например, как тогда, когда отключение не ожидается, DSP 10 управляет устройством 1 на основе IGBT/FET, показанным на фиг. 1, для подачи предварительно определенного напряжения, которое меньше, чем напряжение входной линии переменного тока. Соединения 2 ввода фазы предусмотрены для ввода аналоговых сигналов в устройство 1. Концентратор 3 магнитного потока (или трансформатор тока) определяет входной аналоговый сигнал, и детектор 5 точки пересечения ноль вольт определяет точку пересечения ноль вольт сигнала. Положительный полупериод и
отрицательный полупериод сигнала идентифицируют и направляют в цифровой сигнальный процессор 10 для обработки сигнала. Сигнал уменьшают с помощью устройства 15 управления драйвера, используя широтно-импульсную модуляцию, и выводят уменьшенное количество энергии, обеспечивая, таким образом, экономию энергии для конечного пользователя. Как показано на фиг. 1, модуль 4 9 часов реального времени соединен с DSP 10. Модуль 4 9 часов реального времени может использоваться для установки предварительно определенных периодов времени.
Микропроцессор 26', показанный на фиг. 18С, может измерять напряжение входной линии переменного тока, и сравнивать его с предварительно определенным напряжением. Когда напряжение входной линии переменного тока выше, чем предварительно определенное напряжение, микропроцессор управляет схемой 16' переключения, показанной на фиг. 18А на стороне первичных обмоток трансформатора для короткого замыкания первичных обмоток. Когда измеряемое напряжение меньше, чем предварительно определенное напряжение, и требуется повысить напряжение, например, в условиях снижения напряжения в сети, микропроцессор 26' управляет схемой 16' переключения для соединения одного конца первичных обмоток с нейтралью, разъединения цепи короткого замыкания трансформатора и обеспечения возможности добавления вторичного напряжения ко входному сетевому напряжению для получения повышенного выходного напряжения в выходной линии под напряжением на стороне вторичных обмоток трансформатора. Напряжение может быть увеличено до предварительно определенного напряжения. Вторичные обмотки не переключают.
Во время второго предварительно определенного периода времени, например, когда ожидается состояние отключения подачи энергии, DSP 10 управляет устройством 1 на основе IGBT/FET, показанным на фиг. 1, для подачи выделенной величины мощности, которая может быть заранее определена. DSP 10 и/или микропроцессор 26' контролирует потребление мощности, которое может отображаться. Когда потребление мощностипревышает выделенную величину, DSP 10 может отключить питание.
В качестве альтернативы, когда потребляемая мощность превышает выделенную мощность, может быть подан сигнал, предупреждающий о необходимости снизить потребление мощности. На фиг. 2 0 сигнальный модуль 100 соединен с DSP 10 и может предоставлять сигнал. Сигнал может быть звуковым, видимым или может быть подан с помощью другого средства. Сигнальный модуль может представлять собой модуль зуммера, хотя предусматривается возможность использовать также другие модули. Электрические выводы с беспроводным управлением, могут использоваться для избирательного уменьшения нагрузки в ответ на сигнал. Если нагрузка не будет адекватно уменьшена через предварительно определенный период времени, DSP 10 может отключить питание. Потребитель может затем уменьшить некоторую нагрузку, и инициировать команду на включение питания. Эта команда может быть инициирована путем изменения состояния переключателя, включая в себя переключение вручную и/или беспроводным образом. Если нагрузка все еще не была адекватно уменьшена после восстановления подачи питания, тогда DSP может снова отключить питание. В качестве альтернативы, DSP может подавать другой сигнал, который может снова предупредить о том, что нагрузка должна быть уменьшена. Если потребляемая мощность не будет уменьшена в достаточной степени через предварительно определенный период времени, тогда DSP может отключить питание в выходной линии под напряжением на длительность второго предварительно определенного периода времени.
Также, в качестве альтернативы, когда потребляемая мощность превышает выделенную мощность, DSP может отключать питание на предварительно определенных электрических выводах, предоставляя энергию на другие электрические выводы, для уменьшения общего использования мощности до выделенной величины мощности. Система может использовать управляемые беспроводные электрические выводы, которые могут автоматически отключаться для соответствия предварительно определенной величине мощности. Система и способ могут использовать заранее установленные предпочтения потребителя для уменьшения потребляемой мощности. Систему можно контролировать, она может работать, и ее можно
корректировать по беспроводным образом.
Выделение энергии, такое, как описано выше, позволяет потребителям с пользой использовать электрическую мощность для ключевых устройств, вместо отсутствия мощности вообще. Много раз возникает ситуация, когда такое действие необходимо, когда недостаточно электрической мощности для всех потребителей. В таких условиях, электрическая компания может желать обеспечить уменьшенное или выделенное обслуживание для всех потребителей, вместо предоставления обслуживания некоторым потребителям и без предоставления обслуживания для всех других. Потребитель может стать частью решения, а не частью задачи.
Используя беспроводную передачу данных возможно выполнять обмен данными между контроллерами, адаптерами и устройствами ввода. Устройство отображения может использовать обычный имеющийся в наличии компьютер, iPad, смартфон или другое устройство ввода, используя клавиатуру, сенсорный экран или их комбинацию. Также предусмотрена возможность использования других устройств. iPad доступен от компании Apple Inc., Купертино, Калифорния. В то время как устройство ввода может использоваться для беспроводного контроля, регулирования настроек или коррекции параметров управления, система может полностью функционировать самостоятельно, независимо от устройства ввода. Кроме того, основной модуль может иметь полный беспроводный канал передачи данных для обеспечения дистанционного управления упомянутыми выше силовыми выводами и адаптерами. Система может обеспечивать полное управление освещением и окружающей средой. Система может обеспечить профиль использования мощности потребителя, который вводят и который воплощают для выделения мощности и избирательного снижения мощности. Система и способ могут обеспечить динамическое выделение мощности.
Как можно понимать, система и способ представляют собой систему управления экономией энергии, которая установлена в точке потребления. Воплощение не требует какого-либо мгновенного повышения генерирования мощности, и не требует мгновенного улучшения электрораспределительной сети. В решении
используется система управления энергией, которая экономит энергию, уменьшает степень снижения напряжения и вероятность отключения, и управляет ее использованием для уменьшения стоимости для потребителя и компании генерирования и распределения электроэнергии. Система управления позволяет уменьшить потери в медных проводах, высвобождая, таким образом, энергию, которая ранее терялась, как тепло, и снижая финансовые потери для электрической компании. Сэкономленная энергия может быть подана другим потребителям, обеспечивая, таким образом, дополнительную прибыль для электрического объекта, без каких-либо дополнительных затрат.
Система и способ имеют, по меньшей мере, восемь основных признаков: (1) экономия энергии и экономия затрат пользователя, (2) стабилизация напряжения, (3) однородная стоимость электричества для потребителей, (4) снижение потерь в медных проводниках, (5) уменьшение эмиссии углеводородов, (б) уменьшение степени понижения напряжения, (7) уменьшение вероятности отключения электроэнергии и (8) выделение энергии.
Система и способ обеспечивают сохранение энергии и экономию средств пользователя. Электрическую энергию обычно подают потребителю с номинальным напряжением 120/127/230 Brms. Это представляет собой целевое напряжение, которое электрическая компания стремится подать. К сожалению, могут происходить колебания такого напряжения в диапазоне плюс или минус 10% или больше по спецификации энергетической компании, но часто в намного больших пределах. Изготовители бытовых устройств, хорошо знающие о недостатках потребляемой электроэнергии, конструируют свои бытовые устройства для низкого конца (минус 10%) подаваемого напряжения и проектируют устройства так, чтобы они выдерживали высокий конец (плюс 10 %) подаваемого напряжения. На низком уровне бытовое устройство выполнит свою задачу так, как указано в спецификации. Однако, при любом напряжении выше низкого напряжения, бытовое устройство получит чрезмерное напряжение, и будут происходить бесполезные затраты электроэнергии за счет потребителя. Система и способ сводят к минимуму эту ситуацию. Изобретение регулирует
напряжение переменного тока до выбранного низкого напряжения, экономя, таким образом, энергию.
Система и способ обеспечивают стабилизацию напряжения. В экстремальных случаях, когда подаваемое напряжение падает ниже низкого напряжения, система и способ решают эту проблему путем вольт-добавки входного напряжения, например, чтобы обеспечить возможность регулирования напряжения. В отличие от вольтодобавочных устройств, которые доступны для отдельных бытовых устройств, участок вольт-добавки в системе поддерживает напряжение на низком конце для всего дома или предприятия. Это не только повышает качество обслуживания для потребителя, но также позволяет удалить неприглядные вольт-добавочные устройства, используемые в некоторых странах, которые должны быть установлены в непосредственной близости к конкретным бытовым устройствам, оборудованным таким образом.
Система и способ обеспечивают однородную стоимость электричества для потребителей. В типичном населенном пункте потребители получают начисления, которые не соответствуют одинаковым количествам требуемой электрической мощности, что происходит из-за несоответствия напряжений, подаваемых в этом населенном пункте. Такие потери происходят из-за потерь в медных проводах. Электрические проводники представляют сопротивление для протекания электрического тока. Такой недостаток всех проводников может быть запланирован, и могут использоваться более крупные медные провода. Увеличение размера проводника приводит к снижению потерь в медных проводниках. К сожалению, существующие распределительные сети электроэнергии не были разработаны для удовлетворения потребностей энергии развивающихся экономик, где достаток сопровождается желанием среди части потребителей иметь бытовые устройства и системы для развлечения, которые дополняли бы улучшенный стиль жизни. Результат этого состоит в том, что для населенного пункта, энергия, поставляемая потребителю ближе к основному электрическому трансформатору имеет намного более высокое напряжение, чем энергия, поставляемая потребителям, удаленным дальше всего от трансформатора. Эта несправедливая ситуация
приводит к тому, что потребитель, находящийся ближе всего к трансформатору, платит больше за энергию, чем потребитель на другом конце, даже если оба потребителя имеют идентичные бытовые устройства и аналогичный образ жизни. Произведение электрического напряжения и тока составляет ватты, и чем выше напряжение, тем больше потребляемая мощность. Потребитель оплачивает мощность за час. Такая несправедливая ситуация с потреблением мощности может быть решена с помощью системы и способа.
Система и способ обеспечивают снижение потерь в медных проводниках. Потери в медных проводниках представляют собой накапливаемые потери мощности, возникающие во всех сетях распределения мощности. В большинстве развивающихся экономик сеть распределения мощности не имеет возможности поддерживать нагрузку, прикладываемую, когда жители населенного пункта пытаются потребить количество мощности, на которое не была рассчитана сеть. Эта ситуация обычно происходит в результате повышения достатка, который, в общем, сопровождается тем, что потребители покупают предметы, такие, как кондиционеры воздуха, центральное отопление, телевизоры, посудомоечные машины, аудиосистемы и улучшенное освещение. Когда линия подачи, по которой поступает энергия в дома в таком населенном пункте, превышает чрезмерную нагрузку, электрическое сопротивление, присутствующее во всех проводниках, становится существенным, и часть подаваемого напряжения теряется из-за сопротивления проводника. Произведение такого напряжения на ток от многих потребителей приводит к возникновению потери мощности (в Вт) внутри проводника, которая рассеивается, как тепло. Это представляет основную потерю дохода электрической компании. В системе и способе, установленных и воплощенных в домах, в соответствии с данным участком сети, мощность, которая, в противном случае, была бы потеряна, может затем быть предоставлена другим потребителям, и это может привести к улучшению потока дохода электрической компании.
Система и способ обеспечивают снижение эмиссии углеводородов. Эмиссия углеводородов существуют, когда
ископаемое топливо (нефть, газ или уголь) используется для генерирования электрической мощности. Система и способ управляют потребляемой мощностью со значительной экономией в точке потребления. При этом достигается двойной эффект: во-первых, уменьшение электроэнергии приводит к уменьшению потребления ископаемого топлива с сопутствующим снижением эмиссии углерода; и во-вторых, это позволяет сдерживать немедленную потребность в дополнительной возможности генерирования. Так или иначе, достигаются преимущества, и они прямо влияют на ситуацию с соединениями углерода положительным образом.
Система и способ обеспечивают уменьшение величины снижения напряжения. Система и способ, только благодаря их воплощению, уменьшают эту проблему. Однако, будучи взаимосвязанной с системой и способом будущего, где в известные моменты времени, в которые вероятно возникновение снижения напряжения, устройство может быть запрограммировано для автоматического приложения дополнительного процента уменьшения напряжения. В таких обстоятельствах нагрузка на сеть дополнительно уменьшается и приводит к дополнительному снижению потерь в медных проводниках.
Система и способ обеспечивают снижение вероятности отключения энергии. Моменты времени отключения обычно хорошо известны электрической компании. Система и способ, в известные моменты времени, в которые высока вероятность отключения, автоматически контролируют потребление мощности, предупреждая потребителя, и выделяют мощность таким образом, что каждый потребитель получает свое дозированное количество.
В одном варианте осуществления, когда наступает установленное время, и происходит превышение выделенной мощности, устройство звукового предупреждения предупреждает потребителя о необходимости уменьшения нагрузки. Иногда, впоследствии, если была сброшена недостаточная нагрузка, система может автоматически отключиться. В этот момент времени потребитель может отключить некоторую нагрузку и затем изменить состояние переключателя для подключения системы снова к линии.
Если была сброшена недостаточная нагрузка, устройство звукового предупреждения снова предупреждает потребителя о необходимости сбросить дополнительную нагрузку. Если потребитель не отвечает, система может быть установлена с возможностью отключения питания на остающийся период времени. Предусматриваются другие варианты осуществления. Различные сценарии могут быть разработаны в соответствии с локальной ситуацией, желаниями и потребностями электрической компании, по ее собственному усмотрению. Кроме того, управляемые беспроводным образом электрические выводы могут использоваться так, что соответствующие устройства могут автоматически отключаться для удовлетворения необходимых требований по снижению нагрузки в соответствии с выделенной мощностью.
Система и способ обеспечивают выделение энергии. Выделение энергии, описанное выше, позволяет потребителям использовать электрическую мощность для основных бытовых устройств, вместо отсутствия питания для всех устройств. Много раз возникают ситуации, когда такое действие является необходимым в случае недостаточной подачи электрической мощности для подключения всех устройств. Согласно такому сценарию, справедливо предоставить уменьшенное обслуживание для каждого, в соответствии с выделенной величиной, вместо предоставления обслуживания для некоторых, и не предоставления обслуживания для всех других. Каждый потребитель представляет собой часть решения, а не часть задачи.
Следует понимать, что хотя выше были описаны варианты осуществления, они не должны быть ограничены конкретной формой или компоновкой частей, описанных и представленных здесь. Для специалиста в данной области техники будет понятно, что различные изменения могут быть выполнены без выхода за пределы объема изобретения, и изобретение не следует рассматривать, как ограниченное тем, что представлено и описано в описании и на чертежах.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ управления использованием электрической мощности, содержащий следующие этапы, на которых:
предоставляют выделенную величину мощности в течение первого предварительно определенного периода времени через выходную линию под напряжением устройства на основе IGBT/FET, имеющего цифровой сигнальный процессор; и
контролируют мощность, потребляемую через упомянутую выходную линию под напряжением во время упомянутого первого предварительно определенного периода времени с помощью упомянутого цифрового сигнального процессора;
причем упомянутое устройство на основе IGBT/FET содержит:
по меньшей мере, одно соединение ввода фазы, выполненное с возможностью ввода предварительно определенной величины входной энергии, имеющей, по меньшей мере, один аналоговый сигнал в упомянутое устройство на основе IGBT/FET;
по меньшей мере, один концентратор магнитного потока, соединенный с упомянутым, по меньшей мере, одним соединением ввода фазы и выполненный с возможностью определения упомянутого предварительно определенного количества входной энергии в упомянутое устройство на основе IGBT/FET;
по меньшей мере, детектор точки пересечения ноль вольт, электрически соединенный с упомянутым, по меньшей мере, одним соединением ввода фазы и выполненный с возможностью определения, по меньшей мере, одной точки пересечения ноль вольт упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала;
по меньшей мере, один идентификатор полупериода, электрически соединенный с упомянутым, по меньшей мере, одним соединением ввода фазы и выполненный с возможностью идентификации, по меньшей мере, одного положительного полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала и, по меньшей мере, одного отрицательного полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала;
по меньшей мере, одно логическое устройство, электрически соединенное с упомянутым, по меньшей мере, одним детектором точки пересечения ноль вольт и упомянутым, по меньшей мере,
одним идентификатором полупериода, и выполненное с возможностью направления упомянутого, по меньшей мере, одного положительного полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала и упомянутого, по меньшей мере, одного отрицательного полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала в упомянутый цифровой сигнальный процессор;
упомянутый цифровой сигнальный процессор, электрически соединенный с упомянутым, по меньшей мере, одним логическим устройством и выполненный с возможностью обработки упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала;
по меньшей мере, одно средство понижения напряжения, имеющее, по меньшей мере, одно устройство управления возбуждением, причем упомянутое, по меньшей мере, одно средство понижения напряжения электрически соединено с упомянутым, по меньшей мере, одним цифровым сигнальным процессором и выполнено с возможностью уменьшения упомянутой предварительно определенной величины входной энергии, путем обеспечения широтно-импульсной модуляции, по меньшей мере, для одного аналогового сигнала, для получения уменьшенного количества энергии; и
по меньшей мере, одно соединение вывода фазы, электрически соединенное с упомянутым, по меньшей мере, одним средством уменьшения напряжения и выполненное с возможностью вывода упомянутого уменьшенного количества энергии из упомянутого устройства на основе IGBT/FET.
2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором:
отключают питание упомянутой выходной линии под напряжением, когда контролируемая мощность превышает упомянутую выделенную величину мощности во время упомянутого первого предварительно определенного периода времени.
3. Способ по п. 2, в котором упомянутый первый предварительно определенный период времени находится в течение ожидаемого состояния отключения электроэнергии.
4. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором:
3.
передают первый сигнал в упомянутый цифровой сигнальный процессор, когда контролируемая мощность превышает упомянутую выделенную величину мощности в течение упомянутого первого предварительно определенного периода времени.
5. Способ по п. 4, в котором упомянутый первый сигнал представляет собой звук.
6. Способ по п. 4, дополнительно содержащий этап, на котором:
отключают питание в упомянутой выходной линии под напряжением в предварительно определенный момент времени после упомянутого первого сигнала, если контролируемая мощность превышает упомянутую выделенную величину мощности в упомянутое предварительно определенное время после упомянутого первого сигнала.
7. Способ по п. 6, в котором этап отключения происходит во время этапа контроля.
8. Способ по п. 6, дополнительно содержащий этап, на котором:
включают упомянутую выделенную величину мощности в упомянутой выходной линии под напряжением после этапа отключения.
9. Способ по п. 8, в котором этап включения происходит в ответ на команду.
10. Способ по п. 9, в котором упомянутая команда представляет собой изменение состояния переключателя команды.
11. Способ по п. 2, дополнительно содержащий этапы, на которых:
принимают напряжение входной линии переменного тока упомянутым устройством на основе IGBT/FET в течение второго предварительно определенного периода времени;
подают предварительно определенное напряжение в упомянутую выходную линию под напряжением из упомянутого устройства на основе IGBT/FET, которое меньше, чем упомянутое напряжение входной линии переменного тока, во время упомянутого второго предварительно определенного периода времени; и
измеряют упомянутое напряжение входной линии переменного
тока во время упомянутого второго предварительно определенного периода времени.
12. Способ по п. 11, дополнительно содержащий этапы, на которых:
предоставляют трансформатор с вторичными обмотками трансформатора между входной линией под напряжением и выходной линией под напряжением, а первичные обмотки трансформатора электрически соединены первым концом с упомянутой входной линией под напряжением и вторым концом с электронным переключателем;
принимают упомянутое напряжение входной линии переменного тока по упомянутой входной линии под напряжением;
управляют упомянутым электронным переключателем с помощью микропроцессора с переводом его в первое состояние электрического соединения упомянутого второго конца первичных обмоток с упомянутой входной линией под напряжением, когда упомянутое напряжение входной линии переменного тока больше, чем упомянутое предварительно определенное напряжение во время упомянутого второго предварительно определенного периода времени.
13. Способ по п. 12, дополнительно содержащий этап, на котором:
устраняют реактивную составляющую тока в упомянутых вторых обмотках, путем короткого замыкания упомянутых первичных обмоток трансформатора, когда упомянутый электронный переключатель находится в упомянутом первом положении.
14. Способ по п. 12, дополнительно содержащий этапы, на которых:
управляют упомянутым электронным переключателем с помощью упомянутого микропроцессора с переводом его во второе состояние электрического соединения упомянутого второго конца с нейтралью, когда упомянутое напряжение входной линии переменного тока ниже, чем упомянутое предварительно определенное напряжение во время упомянутого второго предварительно определенного периода времени; и
повышают напряжение в выходной линии под напряжением
упомянутого трансформатора с помощью упомянутого трансформатора до упомянутого предварительно определенного напряжения, используя упомянутый электронный переключатель во время упомянутого второго предварительно определенного периода времени, путем добавления вторичного напряжения трансформатора к упомянутому напряжению входной линии переменного тока.
15. Способ по п. 14, в котором не происходит прерывание напряжения в выходной линии под напряжением упомянутого трансформатора, во время управления упомянутым переключателем между упомянутым первым состоянием и упомянутым вторым состоянием.
16. Способ по п. 14, в котором упомянутый переключатель содержит схему диодного моста, электрически соединенную с устройством IGBT.
17. Система для управления использованием электрической мощности, содержащая:
электрораспределительную сеть; трансформатор; микропроцессор; источник питания; электронный переключатель; и устройство на основе IGBT/FET;
причем упомянутая электрораспределительная сеть находится в электрическом соединении со входной линией под напряжением упомянутого трансформатора;
причем упомянутый трансформатор имеет вторичные обмотки, включенные между упомянутой входной линией под напряжением и выходной линией под напряжением;
причем упомянутый трансформатор имеет первичные обмотки, электрически соединенные первым концом с упомянутой входной линией под напряжением и вторым концом с упомянутым электронным переключателем;
причем упомянутый электронный переключатель имеет первое состояние короткого замыкания упомянутых первичных обмоток, и второе состояние добавления вторичного напряжения ко входному напряжению электрической сети;
причем упомянутый микропроцессор находится в электрическом соединении с упомянутой входной линией под напряжением и упомянутым электронным переключателем;
причем упомянутый источник питания находится в электрическом соединении с упомянутым электронным переключателем и выполнен с возможностью предоставления питания для упомянутого электронного переключателя; и
причем упомянутое устройство на основе IGBT/FET содержит:
по меньшей мере, один модуль источника питания, электрически соединенный с упомянутым устройством на основе IGBT/FET и выполненный с возможностью подачи питания в упомянутое устройство на основе IGBT/FET;
по меньшей мере, одно соединение ввода фазы, выполненное с возможностью ввода предварительно определенной величины входной энергии, имеющей, по меньшей мере, один аналоговый сигнал из упомянутой электрораспределительной сети в упомянутое устройство на основе IGBT/FET;
по меньшей мере, один трансформатор тока, соединенный с упомянутым, по меньшей мере, одним соединением ввода фазы и выполненный с возможностью определения упомянутой предварительно определенной величины входной энергии в упомянутое устройство на основе IGBT/FET;
по меньшей мере, одно устройство преобразования аналогового сигнала, выполненное с возможностью преобразования упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала упомянутой энергии, выходящего из упомянутого, по меньшей мере, одного трансформатор тока;
по меньшей мере, один детектор точки пересечения ноль вольт, электрически соединенный с упомянутым, по меньшей мере, одним соединением ввода фазы и выполненный с возможностью определения, по меньшей мере, одной точки пересечения ноль вольт упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала;
по меньшей мере, один идентификатор полупериода в электрическом соединении с упомянутым, по меньшей мере, одним соединением ввода фазы и выполненный с возможностью идентификации, по меньшей мере, одного положительного
полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала и, по меньшей мере, одного отрицательного полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала;
по меньшей мере, одно логическое устройство, электрически соединенное с упомянутым, по меньшей мере, одним детектором точки пересечения ноль вольт, и упомянутым, по меньшей мере, одним идентификатором полупериода, и выполненное с возможностью направления упомянутого, по меньшей мере, одного положительного полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала и упомянутого, по меньшей мере, одного отрицательного полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала, по меньшей мере, в один цифровой сигнальный процессор, который выполнен с возможностью обработки упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала;
упомянутый, по меньшей мере, один цифровой сигнальный процессор, электрически соединенный с упомянутым, по меньшей мере, одним логическим устройством и выполненный с возможностью обработки упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала;
по меньшей мере, одно средство уменьшения напряжения, имеющее, по меньшей мере, одно устройство управления возбуждением, в котором упомянутое, по меньшей мере, одно средство уменьшения напряжения находится в электрическом соединении с упомянутым, по меньшей мере, одним цифровым сигнальным процессором и выполнено с возможностью уменьшения упомянутой предварительно определенной величины входной энергии для получения уменьшенного количества энергии путем обеспечения широтно импульсной модуляции для, по меньшей мере, одного аналогового сигнала;
по меньшей мере, одно соединение вывода фазы в электрическом соединении с упомянутым, по меньшей мере, одним средством уменьшения напряжения и выполненное с возможностью вывода упомянутого уменьшенного количества энергии из упомянутого устройства на основе IGBT/FET; и
сигнальный модуль, электрически соединенный с упомянутым цифровым сигнальным процессором и выполненный с возможностью
предоставления сигнала.
18. Способ управления использованием электрической мощности, содержащий этапы, на которых:
принимают напряжение входной линии переменного тока с помощью устройства на основе IGBT/FET в течение первого предварительно определенного периода времени;
подают предварительно определенное напряжение в выходную линию под напряжением от упомянутого устройства на основе IGBT/FET, которое меньше, чем упомянутое напряжение входной линии переменного тока, в течение упомянутого первого предварительно определенного периода времени;
измеряют упомянутое напряжение входной линии переменного тока в течение упомянутого первого предварительно определенного периода времени;
управляют переключателем на стороне первичных обмоток трансформатора с помощью микропроцессора для перевода его в первое состояние, когда упомянутое напряжение входной линии переменного тока выше, чем упомянутое предварительно определенное напряжение в течение упомянутого первого предварительно определенного периода времени;
устраняют реактивную составляющую тока во вторичных обмотках упомянутого трансформатора, путем короткого замыкания упомянутых первичных обмоток, когда упомянутый переключатель находится в упомянутом первом состоянии;
управляют упомянутым переключателем с помощью упомянутого микропроцессора, с переводом его во второе состояние, когда упомянутое напряжение входной линии переменного тока ниже, чем упомянутое предварительно определенное напряжение в течение упомянутого первого предварительно определенного периода времени; и
повышают выходное напряжение на стороне вторичных обмоток упомянутого трансформатора до упомянутого предварительно определенного напряжения с помощью упомянутого переключателя в упомянутом втором состоянии в течение упомянутого первого предварительно определенного периода времени;
причем упомянутое устройство на основе IGBT/FET содержит:
средство для ввода предварительно определенной величины входной энергии в упомянутое устройство на основе IGBT/FET;
средство для определения упомянутой предварительно определенной величины входной энергии в упомянутое устройство на основе IGBT/FET;
средство для преобразования, по меньшей мере, одного аналогового сигнала упомянутой энергии;
средство для определения, по меньшей мере, одной точки пересечения ноль вольт упомянутого, по меньшей мере, одного преобразованного аналогового сигнала;
средство для идентификации, по меньшей мере, одного положительного полупериода и, по меньшей мере, одного отрицательного полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного преобразованного аналогового сигнала;
средство для направления упомянутого, по меньшей мере, одного положительного полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала и упомянутого, по меньшей мере, одного отрицательного полупериода упомянутого, по меньшей мере, одного аналогового сигнала, по меньшей мере, в один цифровой сигнальный процессор;
средство для обработки упомянутого, по меньшей мере, одного преобразованного аналогового сигнала;
средство для уменьшения упомянутого, по меньшей мере, одного преобразованного аналогового сигнала на упомянутую предварительно определенную величину энергии, для получения уменьшенной величины энергии; и
средство для вывода упомянутой уменьшенной энергии из упомянутого устройства на основе IGBT/FET.
19. Способ по п. 18, дополнительно содержащий этапы, на которых:
предоставляют выделенную величину мощности во время второго предварительно определенного периода времени через выходную линию под напряжением упомянутого устройства на основе IGBT/FET;
контролируют мощность, потребляемую через упомянутую выходную линию под напряжением в течение упомянутого второго
предварительно определенного периода времени; и
отключают питание в упомянутой выходной линии под напряжением, когда контролируемая мощность превышает упомянутую выделенную величину мощности в течение упомянутого второго предварительно определенного периода времени.
20. Способ по п. 19, в котором упомянутый второй предварительно определенный период времени находится в течение ожидаемого состояния отключения электроэнергии, и в котором второе состояние упомянутого переключателя сконфигурировано для состояния пониженного напряжения в сети.
По доверенности
54 58 59 60
59 60
65 66 67 68
54 58
Л-4
DDDQ
54 58
V-V
65 66 67 68
59 60 4-A
? naa 15
65 66 67 68
24'
CD CO
vcc
GND
-"Curr,ent_HI -"CurrenLLO
CurrenLLO "-
63-
Current_HI "-
IN-
Vcc
GND
IN+
OUT
63 56
IN- Vcc GND
IN+ OUT
VCC
GND
Vcc
GND
CurrenLHI " VCC
-"Over_Xurrent
¦4? GND GND
GND
GND
" "-
63 63
GND
+3.3V
ФИГ. 4
63 63
35-
Vcc
GND
-^M <
GND
ФИГ. 6
1 T
GND ФИГ. 11A
+3.3V
, Mill Г
1 2 3 4
7 8 9 10
GND
ФИГ. 11C
-л/ <л1
ФИГ. 11D
GND
GNO
ФИГ. 11E
+5V
Vcc
NC A
GND
Vcc
GND
Vcc
NC A
GND
CD CO
+5V
Vcc
NC A
GND
Vcc
NC A
GND
Vcc
GND
GND
GND
Vcc
NC A
GND
GND
GND
ФИГ. 12G
r6.5V гЗ.ЗУ
63^
" \)w
1( •
14 ^бЗ
GND
56 "л1 "_
GND
1^56
" "
ФИГ. 15D
GND
ФИГ. 15E
П Установки
- Режим работы
О Регулирование напряжения (RMS)
(r) Уменьшение напряжения (%) О Уменьшение экономии (%)
Режим работы - Обеспечить случайный запуск Время "программного" запуска (секунды)
^-Калибровка
РН-1 Ph-2 Ph-3
107.0
установки (RMS)
Уменьшение напряжения
107.0
Уменьшение напряжения (%)
Нижний предел (RMS)
Уменьшение экономии
107.0
Уменьшение экономии (%)
Нижний предел (RMS)
J Отмена j
I I Передняя панель PowerWise
Файл Инструменты Помощь
о I -?ф
Фаза 3
Напряжение (RMS)
Напряжение
RMS)
48-
Фаза 1 ru_+-п-фаза 2 гх__4_п--t-г, Ток (RMS)
Фаза 3
,о ю 10 '" ^ .
ft I <Ч>
Ток (RMS)
•48
ГО 00
48-
Частота (Гц)
Экономия(%) I
Влево
g ztz^tВправо
¦48
Completed j
TRIAC DRV 2
,Д1
/?2 -VWv~
¦с*
/?7 WW
НАПРЯЖЕНИЕ В ЛИНИИ
С 2
-КЬ
; R/,
НЕЙТРАЛЬ
ГОК
ВКЛЮЧЕНИЕ
ход
ГОК
^ ^ ^
о о о о
1 1 1
ИС"
1 1 1
о о о о s s s S
АЛЛА
оо го
18'
НЕЙТРАЛЬ
НЕЙТРАЛЬ
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ФИГ. 18В
RC0/AN/./C21N + RC1/AN5/C2IN-RC2/AN6 RC3/AN7
RA 0/AN0/C1IN + ICS PDA T RA1/ANVC1IN-VREF/ICSPCLK RA 2/A N2/ TO CKI/IN T/CIOU T RA3/MCLR/VPP
RA L/AN3/T/G/0SC2/CLCOUT RCUC20UT/TX/CK
RA 5/ T1CKI/OSC1/CLKIN RC5/RX/ Di
ФИГ. 18С
VDD
RL7
БЛОК
МИКРОПРОЦЕССОРА
ФИГ. 19А
F77-4 t~
ОТ ФИГ. 19 ИЛИ 19А
ЮР R30 D10
ФИГ. 19В
\\L1
R31 54'
ЭКРАН
ПЕРВИЧНАЯ ОБМОТКА
СМЕЩЕНИЕ
С22
R33
~+ +51/
¦С 23
5вК
НЕЙТРАЛЬ
С29
62'
го со
го со
100
СИГНАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ
ФИГ. 20
2/23
ФИГ. 7
ФИГ. 1
2/23
ФИГ. 7
ФИГ. 1
2/23
ФИГ. 7
ФИГ. 3
2/23
ФИГ. 7
ФИГ. 3
+3.3V
+3.3V
+3.3V
+3.3V
+3.3V
+3.3V
+3.3V
+3.3V
5/23
+3.3V
5/23
+3.3V
ФИГ. 10
ФИГ. 10
6/23
+3.3V
6/23
+3.3V
ФИГ. 11B
ФИГ. 11B
+3.3V
7/23
+3.3V
7/23
ФИГ. 12A
ФИГ. 12A
+3.3V
7/23
+3.3V
7/23
ФИГ. 12A
ФИГ. 12A
+3.3V
7/23
+3.3V
7/23
ФИГ. 12A
ФИГ. 12A
+3.3V
7/23
+3.3V
7/23
ФИГ. 12A
ФИГ. 12A
+3.3V
7/23
+3.3V
7/23
ФИГ. 12A
ФИГ. 12A
+3.3V
7/23
+3.3V
7/23
ФИГ. 12A
ФИГ. 12A
+3.3V
7/23
+3.3V
7/23
ФИГ. 12A
ФИГ. 12A
+3.3V
7/23
+3.3V
7/23
ФИГ. 12A
ФИГ. 12A
8/23
8/23
ФИГ. 12С
ФИГ. 12С
ФИГ. 12D
ФИГ. 12D
10/23
10/23
ФИГ. 12F
ФИГ. 12F
ФИГ. 13
ФИГ. 13
13/23
13/23
ФИГ. 15С
ФИГ. 15С
13/23
13/23
ФИГ. 15С
ФИГ. 15С
13/23
13/23
ФИГ. 15С
ФИГ. 15С
13/23
13/23
ФИГ. 15С
ФИГ. 15С
14/23
14/23
14/23
14/23
14/23
14/23
14/23
14/23
ФИГ. 17
ФИГ. 17
ФИГ. 17
ФИГ. 17
ФИГ. 17
ФИГ. 17
ФИГ. 17
ФИГ. 17
ФИГ. 17
ФИГ. 17
ФИГ. 18А
ФИГ. 18А
702'
ФИГ. 19С
702'
ФИГ. 19С
702'
ФИГ. 19С
702'
ФИГ. 19С