專利名稱：大功率電器較佳開關(guān)時機自動選擇裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電器開關(guān)時機自動選擇裝置。
眾所周知，公用電力供應(yīng)系統(tǒng)的線電壓由于終端用戶不定時使用電器(廣義的電器包括由馬達驅(qū)動的電動機械、加熱器、電磁器械、大功率電子組件…等)及各電器在其自動控制下何時開關(guān)、加減速、增減用電量等的不可測性，導(dǎo)致其供電電壓經(jīng)常呈現(xiàn)高高低低的變化，不論發(fā)電機控制電源電壓穩(wěn)定的能力有多高，此種因瞬間地區(qū)性的用電變化而引起各地瞬間不同的線電壓變化，絕對無法防止，供電品質(zhì)差也為各用戶所指責(zé)，而為電力供應(yīng)單位所難以解決的問題。
因為線電壓的不穩(wěn)定，使得許多需要高穩(wěn)定電壓的電器(如電腦等)的使用者，不得不自行解決，即采用穩(wěn)壓器或不斷電電源供應(yīng)器(UPS)，這種解決方法不但費錢，而且只能用于電量不是變化很大的場合，例如馬達的啟動電流往往在幾秒鐘內(nèi)就高于常用電流4倍以上，遇此情形，此種穩(wěn)壓器或不斷電系統(tǒng)并不能保證一定可以供應(yīng)穩(wěn)定的電壓。而且由于它們的使用，對其所取用的供電線路上的電壓仍然產(chǎn)生不穩(wěn)定的壞影響，對供電品質(zhì)也無改善。
由于線電壓高高低低的隨機變化，當(dāng)?shù)碗妷?瞬間值較平均值為低)時，如有電器突然通電或增加用電量，則不但該電器(例如馬達)可能耗用較標準電壓時的額定電流為大的電流，且會使電源線上的電壓更形降低，這樣一來，全部電器的總耗電流量很容易超過該用戶(例如某一房屋、某一生產(chǎn)線或共用保護開關(guān)電器群)的總裝設(shè)允許耗電流量，引起保險絲燒斷或保護開關(guān)(Breaker)跳脫而停電。
同樣地，當(dāng)線電壓處于高電壓(瞬間值較平均值為高)時，如有電器突然關(guān)掉不用電，則會使得電壓因用電突然減少而突升，電壓更形增高的結(jié)果使電器用電產(chǎn)生不穩(wěn)現(xiàn)象，如電燈變亮、馬達轉(zhuǎn)速變快等，不幸的話，將影響個別電器的壽命，再則也會回授(Feedback)影響電源發(fā)電機的控制(因有干擾出現(xiàn)，發(fā)電系統(tǒng)必有控制上的反應(yīng))，結(jié)果將會影響整個或局部供電系統(tǒng)。所以理想上各種電器不應(yīng)不顧電源(供電線路上)的電壓高低要開(ON)就開，要關(guān)(OFF)就關(guān)，因這是一種損人而不利己的行為。
一般建筑物或生產(chǎn)線上的供電系統(tǒng)、保護開關(guān)(保險絲)、電線等，在原設(shè)計安裝時就已經(jīng)完成供電安全檢查，事后再追加其用電上限，不是難就是麻煩！可是隨著生活水平的提高或生產(chǎn)力提高的需求，住戶或工廠管理者不斷的增加電器，故用電量很容易達到建筑物或生產(chǎn)線上原設(shè)計裝設(shè)的容許用電量，此時電器的開或關(guān)時機選擇不當(dāng)，非常容易超過其臨界值，尤其不幸的是，現(xiàn)代化的電器大多數(shù)都具備自動控制設(shè)備(定時開關(guān)、節(jié)目開關(guān)、順序開關(guān)、狀態(tài)開關(guān)或回授控制等)，可是卻沒有電源電壓狀況感測及相應(yīng)控制設(shè)備，所以，任意開關(guān)電器，完全無視電源的供電電壓狀況，此種情況當(dāng)遇到多數(shù)電器在低電壓時同時開或關(guān)高電壓時同時開或關(guān)時，非常容易引發(fā)供電品質(zhì)不良而停電的惡果。如果電器上未裝自動控制裝置，而由人開關(guān)，上述的不良狀況還是一樣，因人也一樣不知何時開關(guān)電器是恰當(dāng)?shù)?。又，因供電網(wǎng)路互有關(guān)聯(lián)性，任何一處的突然大量用電或停用電多少會影響其他用戶，對所有電器及其他用戶都沒有任何好處而只有壞處。
本發(fā)明就是為了克服上述電器使用中的問題，為了保護電器，保護供電系統(tǒng)的保護開關(guān)，使供電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，供電品質(zhì)好，而構(gòu)思設(shè)計了一種大功率電器較佳開關(guān)時機自動選擇裝置。
本發(fā)明的作用原理為以測量隨時間變化的某一段時間(例如3分鐘，此為可調(diào)整)的線(供電)電壓的平均值或較長時間(例如一小時)中線電壓的變動域，以與欲開關(guān)電器瞬間的電壓值比較，如瞬間電壓值較平均電壓值為高或位于電壓值域之較高部分的一界限電壓，則允許電器啟動或加速，即透過繼電器或固態(tài)開關(guān)(SCR、TRIAC等)接通電器與電源，當(dāng)然，此時控制器早已發(fā)出ON或增功率(以下用ON表示)命令;如果此時控制器發(fā)出的是OFF或減功率(以下用OFF表示)命令，則本裝置會暫時延遲電器斷電，直到電源瞬間電壓低于該平均電壓或一界限電壓為止。相反的，如所量得的瞬間電壓低于平均電壓或一位于電壓值域的較低部分的一界限電壓，則只允許電器OFF，當(dāng)然，此時電器的控制器已發(fā)出或正預(yù)備發(fā)出OFF命令，且將暫時延遲ON的信號，直到電源瞬間電壓高于該平均電壓或一界限電壓為止。
本發(fā)明可用于各種電器上大至各工廠、船只，小至如家庭、汽車等小型用電系統(tǒng)上的所有交流或直流、高電壓或低電壓的較大功率(耗電較大)的電器，尤其是電感式電器(如馬達)。
結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明的一實施例是具有與線電源AC接線的兩變壓器1及2，此二者的輸出電壓可依后端電阻及電位降的需要設(shè)計成不同或完全相同。變壓器1、2的輸出端接線至橋式整流器4及5，其中從整流器4輸出直流電壓經(jīng)由可變電阻6及可變電容7所組成的RC電路予以濾波及阻尼后，以平穩(wěn)的長時間平均電壓Va輸入運算放大器8中，為使此一平均電壓能代表任意長時間的線電壓變動平均值，可變電阻6及可變電容7所組成的RC值或其積分時間常數(shù)是設(shè)計為在相當(dāng)大的范圍內(nèi)可以變動。另外，從整流器5輸出的電壓雖已為直流，但仍有連波存在，須用較小的RC值線路予以整平，即由較小的固定電阻9及固定電容10組成的濾波線路，由此輸出的電壓Vb也輸入運算放大器8中，此運算放大器為一種電壓比較器，由它輸出的電壓Vc為不等周期的方波，如圖2中Vc所示。
圖2表明，在時間軸T上、電源的平均電壓Va、瞬間電壓Vb與經(jīng)比較Va與Vb后的輸出電壓Vc的變化情形。比較器的輸出電壓Vc為一種不等周期的方波，它決定何時為高準位H以允許電器啟動;以延遲OFF的時間1k-1Σ0k-1bk]]>或上次延遲OFF的時間bk-1算出，在下次要OFF時，提早此一段時間，以獲得較精確的控制精度△X。
如果電器不使用微電腦控制器而是使用一般硬件自動控制器，例如恒溫器、變頻器、脈沖調(diào)制器、恒濕器或其他具備各種控制行為(比例、積分、ON-OFF…等)的控制器，則在其自動控制器的輸出信號端串接本發(fā)明的裝置，如圖5所示的PB處，當(dāng)PB處有來自自動控制器的ON命令(也可為加速、加大電流等多耗電功率的命令，如前所述)時，電器并不會立即無條件啟動或加速等，而是要檢查電源電壓是否處于適宜ON的狀態(tài)，也就是Vc是否處于高準位。如確定電源電壓宜于ON的狀態(tài)，則輸出開啟(SET)信號給具有自持(Self-Hold)能力的繼電器20，用以接通電器21所需的電力;一旦接通(ON)，則必須等到控制命令PB發(fā)出OFF信號時才可以再OFF(也就是要看電源電壓是否適宜OFF)。亦即，當(dāng)Vc在高準位時讓電器ON后，如果Vc又變回低準位，而控制命令仍處于ON狀態(tài)，則不管Vc如何，暫時仍保持電器ON，如圖6所示。相反的，當(dāng)PB發(fā)出OFF信號時，如果Vc在高準位，則暫時不準電器OFF，一直等到Vc變?yōu)榈蜏饰粫r才輸出關(guān)閉(RESET)信號命令電器OFF，其暫時保持原狀的電路為一般熟知的自持電路。
上述的控制信號由PB處進入方式也可用于手動開關(guān)電器的情形，即PB為手動按鈕開關(guān)，其作用方式如上所述。
圖7顯示本發(fā)明的另一實施例，是具有與線電源AC接線的整流器15，由此輸出的信號Vb為對應(yīng)于線電源電壓變化的瞬間電壓信號，將Vb輸入類比-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器16(A/DConverter)且連接微處理器(CPB)17，一計時器18(Tinmer)提供時間資料以便與對及何時為低準位L，不許電器啟動。換句話說，原未通電的電器只允許在高準位H時ON，原已通電的電器只準在低準位L時OFF。
圖3顯示本發(fā)明應(yīng)用于具有微電腦11自動控制啟閉(ON/OFF)的電器21的例子，決定線電源電壓是否適于電器21開或關(guān)的前述電壓Vc接入微電腦11中央處理器(CPU)的中斷接腳INT，微電腦11依據(jù)該電器21是否應(yīng)ON或應(yīng)OFF的需求(此ON或OFF的研判為感測值與設(shè)定值比較的結(jié)果或為定時或狀態(tài)或順序已到需要ON或OFF，為一般自動控制技術(shù)，在此不贅述)，再綜合上述的電源是否處于可ON或可OFF的電壓Vc狀態(tài)后，發(fā)出控制命令給電氣開關(guān)如繼電器12等。也就是說，電器21已到達應(yīng)ON或應(yīng)OFF時，微電腦11會同時考慮電源是否處于可ON或可OFF的狀態(tài)，以便做最恰當(dāng)時機的ON或OFF，如此便可確保眾電器在高電壓時多用電、低電壓時少用電，使其具有電源穩(wěn)壓效果并使電器ON或OFF的過程中不會有過電流或過電壓等現(xiàn)象發(fā)生。
當(dāng)電器由微電腦控制開關(guān)時，微電腦可以自傳感器傳來的控制變數(shù)的單一實際值(例如受控制的室溫)或經(jīng)由多次的實際值變化計算求得因為等待電源的適宜開關(guān)時刻(因時間延遲)而引起的增大的開關(guān)誤差△X1+△X2，如圖4所示，即在正常無延遲開關(guān)下(控制命令一到，不論電源是否合適立即ON或OFF)所引起的控制變數(shù)的控制誤差為△X-(△X1+△X2)，(其中△X1+△X2為因本裝置而引起的開關(guān)誤差)，在需考慮電源是否合宜下而開關(guān)的情況時會增大到△X。微電腦控制器可以利用傳感器將控制變數(shù)的實際變化狀況及因考慮電源是否合宜而引起的平均延遲ON的時間1k-1Σ0k-1ak]]>或上次延遲ON的時間ak-1算出，在下次要ON時，提早此一段時間，即可獲得較精確的控制精度△X。同理要OFF時也可以計算平均應(yīng)的瞬間數(shù)字電壓信號一并記存于存儲器19中，微處理器17依據(jù)電器21需ON/OFF的需求以及使用者設(shè)定允許OFF的最高電壓Vh及允許ON的最低電壓V1，適時輸出信號控制繼電器12，以便在維持線路負載安全的需求下適當(dāng)加大電器可ON-OFF的時間段，如圖8所示。
圖8顯示，在時間軸T上，電源瞬間電壓Vb與設(shè)定的允許OFF的最高電壓Vh及允許ON的最低電壓V1比較(其中Vh及Vl可藉由某段時間范圍中最高瞬間電壓Vu及最低瞬間電壓Vd分別依一比率設(shè)定例如Vh＝75%×｜Vu-Vd｜Vl＝25%×｜Vu-Vd｜其中75%、25%為使用者設(shè)定的值;此值亦可由微處理器17自動學(xué)習(xí)設(shè)定，即微處理器17由存儲器中讀取每個時間段內(nèi)最高瞬間電壓Vu及最低瞬間電壓Vd值以及電器21在ON及OFF時電壓信號Vb的變化情形，自動調(diào)整修正。)可得允許電器ON的不等周期方波VON及允許電器OFF的不等周期方波VOFF的變化情形，VON的高準位H及VOFF的低準位L在時間軸T上有重復(fù)時段，即在維持使用者線路負載安全的基本條件下，使電器可ON-OFF的時間段范圍增大。當(dāng)然，必要時也可反向設(shè)定此二值，使電器可ON-OFF的時間段范圍縮小。又，此二值亦可為同值。
本發(fā)明所能控制的電器為馬達、電磁器、微波發(fā)生器、磁控管、電熱器…等電感式或電阻式耗電裝置。當(dāng)電源非為交流而為直流電時，僅需以電位計取代上述的變壓器及整流器，即可應(yīng)用于直流電源的場合。
本發(fā)明可以使電器在高電壓時ON，在低電壓時不ON，因而啟動電流較低，使電器在啟動時比較不會發(fā)熱，可避免因過負荷而導(dǎo)致線路保護裝置動作引起斷電。當(dāng)高電壓時才啟動，可以具有抑制線電源電壓的效果;當(dāng)?shù)碗妷簳r才切斷(關(guān))電源，會使線電源電壓提高，也會有穩(wěn)定線電源電壓的效果，而使得供電品質(zhì)良好，對所有同一供電線路上的電器均具有好處。由于不會有太高電壓通過電器，以及不會有太高的切斷電流，故電器不會燒壞，壽命較長。且因供電品質(zhì)較佳，電路上的電器不會發(fā)生電源不穩(wěn)的不良現(xiàn)象，例如電燈亮度變化、閃爍及馬達開關(guān)噪音大等的缺陷。
實際使用上，由于本發(fā)明的設(shè)置而可能引起數(shù)秒鐘之ON/OFF延遲，其導(dǎo)致電器輸出結(jié)果(例如溫度、濕度控制…)的變化十分有限，對人體的敏感度(Sensitiveness)可略而不計;對于需即時ON/OFF的場合，也可藉旁路(By-Pass)設(shè)計而即時控制其所需電力。
對于兩點式開關(guān)控制的電器，本裝置提供必要的開關(guān)保護外，因其開關(guān)電流小，可以使用較小額定電流的開關(guān)，因而較省費用。
又由于可以利用自動設(shè)定的方式來調(diào)整開關(guān)的設(shè)定點，故本裝置加入后不但不會增大控制誤差，甚至可以減小開關(guān)誤差，提高控制精度。而由于開關(guān)壽命已增長，故因開關(guān)頻率提高所帶來的同一壽命時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)提高，不會有縮短電器壽命的后果，故本裝置可以在無害于電器系統(tǒng)(含控制開關(guān)及電器本身)下，達到提高精度的效果。


圖1為本發(fā)明的一實施例的電壓檢測電路的構(gòu)成圖。
1-變壓器7-可變電容2-變壓器8-運算放大器4-整流器9-固定電阻5-整流器10-固定電容6-可變電阻圖2為圖1中平均電壓、瞬間電壓與比較器的輸出電壓示意圖。
圖3為本發(fā)明應(yīng)用于(微)電腦控制的電器的系統(tǒng)組成圖。
11-微電腦12-電器開關(guān)(如，繼電器)
21-電器圖4為本發(fā)明于微電腦控制自動系統(tǒng)作開關(guān)延遲誤差統(tǒng)計修正的示意圖。
圖5為本發(fā)明應(yīng)用于手動開關(guān)電器上的組成圖。
20-繼電器圖6為圖5中開關(guān)邏輯電路上電壓準位與開關(guān)信號圖。
圖7為本發(fā)明的另一實施例圖。
15-整流器16-A/D轉(zhuǎn)換器17-微機處理器18-記時器圖8為圖7中微處理器作電壓比較控制的示意圖。
權(quán)利要求
1.一種串接或并聯(lián)于耗用較大功率的電器，如電動機、電熱器、電磁器、微波爐…等的供電控制設(shè)備上，用以決定電力開或關(guān)、可多取用或宜少取用的適當(dāng)時機自動選擇裝置，其特征在于含有一電壓值域測量裝置、一瞬間電壓測量裝置，以及一比較及控制器組成，依據(jù)不斷地測量電源壓的值域與瞬間值，加以比較其關(guān)系，當(dāng)電壓瞬間值大于一第一界限值時，即接通(ON)電源，使該受控電器獲得供電，或準許原已通電的該電器耗用更大功率，但暫時不準原已ON的電器關(guān)掉(OFF)或減少用電量；而當(dāng)電源電壓的瞬間值小于一第二界限值時，準許原已ON的該電器OFF，或減少耗功率；但不許原已OFF或在OFF狀態(tài)的電器ON，以減小該電器在進行開關(guān)(ON-OFF)或增減消耗電力時，因通過太大電流造成電路上的保護開關(guān)跳脫、供電中斷，并可提高供電品質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1項所述的裝置，其特征在于該第一及第二界限值均為電路電壓的平均值，該電壓值域測量裝置為一電壓平均值測量裝置含有由電阻及電容組成的較大時間常數(shù)的RC電路;該瞬間電壓測量裝置，含有由電阻及電容組成的較小時間常數(shù)的RC電路;該比較及控制器含有運算放大器、電磁器、固體開關(guān)元件、繼電器或邏輯電路。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該比較器的輸出信號經(jīng)適當(dāng)?shù)碾妷何粶收{(diào)整后輸入該電器的一微電腦控制器，供與該電器的其他控制狀態(tài)作綜合判斷，以輸出最恰當(dāng)?shù)拈_關(guān)或增減電功率耗用者。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該比較器的輸出信號與該電器的一控制器的輸出信號組成串接的邏輯電路以判斷最恰當(dāng)?shù)拈_關(guān)時刻，并以自持電磁開關(guān)或固體開關(guān)予以執(zhí)行者。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于該微電腦具有能依實際控制操作結(jié)果(受控變數(shù))與設(shè)定值及控制精度的要求等作計算、比較及研判，并據(jù)以自動調(diào)整應(yīng)ON或應(yīng)OFF的受控變數(shù)值，使提前作開始ON或OFF的操作準備，以使控制精度仍能維持不變或更為提高。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于該電器的控制器為手控開關(guān)。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該第一及第二界限值是預(yù)先設(shè)定的電壓臨界值，此二界限值也可為同值。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該電壓值域測量裝置包含一微處理器，用以記錄電源電壓的最高及最低值以及該電器ON/OFF時電源電壓的變化情況，以自動設(shè)定及修正該第一及第二界限值。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該電源包括交流及直流的任一選擇。
全文摘要
一種串或并聯(lián)在電器控制線路上的裝置，由電源電壓某時段內(nèi)的平均值或界限域測量組件、電源電壓瞬時值測量組件及瞬時電壓與平均或界限電壓比較器等組成，用在電器控制線路對電器發(fā)出開關(guān)、啟動、停止、或加減速等增加耗電或減少耗電的操作時，先行檢查電源電壓是否適于在該時增加或減少用電量，并自動選擇合適的時刻增減用電，以保護電器不會有過大的啟動電流，也保護供電系統(tǒng)的保護開關(guān)不會跳閘，使供電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，供電品質(zhì)好。
文檔編號H02H11/00GK1089404SQ9211183
公開日1994年7月13日 申請日期1992年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月30日
發(fā)明者徐佳銘, 吳晉樅 申請人:新典自動化股份有限公司