BRPI0916755B1

BRPI0916755B1 - atuador e método para usar o mesmo

Info

Publication number: BRPI0916755B1
Application number: BRPI0916755A
Authority: BR
Inventors: V Kalore Pankaj
Original assignee: Siemens Industry Inc
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2019-10-22
Also published as: US20100140365A1; KR101613329B1; US8356761B2; MX365119B; WO2010014908A1; CN102112820A; EP2321584B1; EP2321584A1; MX2011001003A; BRPI0916755A2; CN102112820B; KR20110046455A; CA2732435C; US20130113404A1; CA2732435A1

Abstract

atuador e método para usar o mesmo a presente invenção refere-se a um atuador que inclui pelo menos uma disposição de acionamento (26) configurada para gerar energia mecânica de saída da energia elétrica de entrada. o atuador também inclui uma porta de entrada de linha de comunicação (22) e uma unidade de controle (24). a porta de entrada de linha de comunicação (22) é configurada para se conectar a uma linha de comunicação, e é configurada para obter energia elétrica da linha de comunicação. a unidade de controle (24) é configurada para obter a primeira informação da linha de comunicação através da porta de entrada de linha de comunicação (22), e é adicionalmente configurada para ajustar a operação de pelo menos uma disposição de acionamento (26) com base na primeira informação e com base na informação que identifica a energia elétrica disponível para o uso como energia elétrica de entrada.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ATUADOR E MÉTODO PARA USAR O MESMO.

[001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório N^o de Série U.S. 61/137.484, depositado em 31 de julho de 2008, o qual é incorporado ao presente por meio de referência.

CAMPO DA INVENÇÃO [002] A presente invenção refere-se a atuadores, e mais especificamente, a atuadores para uso em sistemas de controle de edifício. ANTECEDENTE DA INVENÇÃO [003] Os atuadores são dispositivos integrais em sistemas de automação de edifício, que incluem sistemas de aquecimento, ventilação e condicionamento de ar (HVAC). Os atuadores podem ser usados para girar a água resfriada ou válvulas de vapor, e para abrir e fechar os registros de ventilação. Os registros podem ser usados para o controle do conforto geral, assim como para a ventilação da segurança do laboratório.

[004] Em particular, com relação aos registros, os registros de ventilação dos sistemas HVAC controlam o fluxo de ar em uma sala, espaço, unidade de tratamento de ar ou duto ou eixo de ventilação. Os registros podem ser completamente abertos, fechados, ou em graus variantes de parcialmente abertos. A abertura adicional de um registro possui o efeito de aumentar o fluxo de ar através do registro, enquanto fechar adicionalmente um registro possui o efeito de diminuir o fluxo de ar através do registro. Quando o fluxo de ar consiste em ar resfriado, ou ar aquecido, então a abertura e fechamento dos registros podem ser usados para regular a temperatura em um espaço.

[005] Alguns registros de ventilação são manualmente acionados.

No entanto, os sistemas de automação de edifício tipicamente incluem registros de ventilação automaticamente operados, e tipicamente grandes quantidades de tais registros. A posição do registro (isto é,

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2/25 seu grau de abertura) em tal sistema está normalmente sob o controle de um controlador automatizado. O controlador ajusta a posição do registro com base em se se deseja mais ou menos fluxo de ar para a sala.

[006] Um atuador de registro é o dispositivo eletromecânico (ou outro) que converte os sinais de controle do controlador para a força motora que fisicamente ajusta a posição do registro. O atuador pode incluir um conjunto de motor e engrenagem. Em alguns casos, um atuador está na forma de um solenoide, ou motor em combinação com uma mola de propensão mecânica. Várias formas de atuadores estão disponíveis e são adequados para uso.

[007] Em adição aos registros de ventilação, os atuadores também são usados para controlar as operações de válvulas em sistemas HVAC. Um atuador de válvula é similar a um atuador de registro no que ele converte os sinais de controle em uma força motora que ajusta fisicamente a posição da válvula, dessa forma admitindo um fluxo controlado de água resfriada, vapor ou outro líquido através de um orifício. [008] Uma questão que surge do uso de registros e válvulas é o custo e tempo exigidos para a instalação. Devido ao fato de os registros e válvulas estarem tipicamente fora de um espaço ocupado, tal como no plenum (isto é, acima do teto) de salas e corredores, a instalação é, na melhor das hipóteses, inconveniente. Além do mais, devido ao fato de os atuadores terem que ser capazes de receber sinais de controle e empregar energia elétrica, cada atuador exige cabear e se acoplar a circuitos de energia e/ou comunicação novos ou existentes.

[009] Há uma necessidade de reduzir custos associados com a instalação de atuadores em um sistema HVAC.

SUMÁRIO [0010] Pelo menos algumas modalidades da presente invenção direcionam as questões descritas acima ao fornecer um atuador acioPetição 870190072593, de 29/07/2019, pág. 5/35

3/25 nado de linha de comunicação. Em particular, a energia elétrica para operar o atuador é fornecida à montagem do atuador através de linhas de comunicação. A energia pode, em alguns casos, ser armazenadas em um ou mais dispositivos de armazenamento de energia e usados quando o movimento do atuador é necessário. Alternativamente, o atuador pode ser designado para acomodar os níveis de energia disponíveis fornecidos através de linhas de comunicação.

[0011] Uma primeira modalidade da invenção é um atuador que inclui pelo menos uma disposição de acionamento configurada para gerar energia mecânica de saída a partir da energia elétrica de entrada. O atuador também inclui uma porta de entrada de linha de comunicação e uma unidade de controle. A porta de entrada de linha de comunicação é configurada para se conectar a uma linha de comunicação, e é configurada para obter energia elétrica a partir da linha de comunicação.

[0012] A unidade de controle é configurada para obter a primeira informação da linha de comunicação através da porta de entrada de linha de comunicação, e é adicionalmente configurada para ajustar a operação de pelo menos uma disposição de acionamento com base na primeira informação e com base na informação que identifica a energia elétrica disponível para o uso como energia elétrica de entrada.

[0013] Outras modalidades envolvem comunicações para permitir que os múltiplos dispositivos conectados à mesma fonte de energia de comunicação compartilhem a energia disponível.

[0014] Estas modalidades permitem a fiação conveniente de atuadores de uma maneira que não exija um cabo de energia separado.

[0015] As características e vantagens descritas acima, assim como outras, estarão mais facilmente aparentes àqueles de habilidade comum na técnica por meio de referência à descrição detalhada e aos

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4/25 desenhos em anexo a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0016] A figura 1 mostra uma montagem de registro exemplificativa de acordo com uma modalidade da invenção;

[0017] a figura 2 mostra um diagrama esquemático do atuador de registro da figura 1;

[0018] a figura 3 mostra em mais detalhes em um diagrama esquemático um atuador exemplificativo de acordo com pelo menos algumas modalidades da invenção;

[0019] a figura 4 mostra um diagrama em bloco esquemático de uma disposição para comunicação e para fornecer energia para uma pluralidade de atuadores de acordo com uma modalidade da invenção; e [0020] a figura 5 mostra um diagrama de fluxo de um conjunto de operações que pode ser desempenhado por um circuito de processamento em um atuador da figura 4.

DESCRIÇÃO DETALHADA [0021] As figuras 1 e 2 mostram uma modalidade exemplificativa da presente invenção implementada em um registro de ventilação. A figura 1 mostra uma disposição de registro de ventilação 10 que inclui um alojamento ou armação 12, uma pluralidade de registros móveis 14, ligação 16, e um módulo do atuador 18. Estes elementos podem tomar qualquer configuração adequada, exceto que o módulo do atuador 18 inclui uma disposição configurada para obter energia elétrica a partir de uma linha de comunicação 20 para acionar o atuador.

[0022] A figura 2 mostra uma modalidade exemplificativa do módulo do atuador 18. Será observado que os elementos do módulo do atuador 18, conforme descritos no presente, não precisam, necessariamente, ser uma parte de um módulo físico, mas podem ser componentes alojados de maneira separada que são montados na armação

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5/25 (direta ou indiretamente) da disposição do registro 10.

[0023] O módulo do atuador 18 inclui um circuito de comunicação

22, um processador 24, um atuador 26, e uma unidade de gerenciamento de energia 28. O circuito de comunicação 22 pode ser qualquer circuito adequado que pode receber sinais de comando a partir de um dispositivo controlador localizado de maneira separada através da linha de comunicação 20. Na modalidade descrita no presente, o circuito de comunicação 22 recebe sinais digitais através da linha de comunicação 20. O circuito de comunicação 22 obtém os sinais digitais e fornece um sinal digital ao circuito de processamento 24 representante de um comando relacionado à mudança de posição (graus de abertura) dos registros 14 da disposição de registro de ventilação 10.

[0024] O circuito de processamento 24 é um dispositivo que recebe comandos digitais do circuito de comunicação 22, e gera sinais do atuador a partir dele. Os sinais do atuador são empregados pelo atuador 26 para mover, de maneira controlável, a ligação 16 em uma direção ou na outra. Vários atuadores adequados, assim como circuitos de comunicação e de processamento correspondentes, são bem conhecidos na técnica.

[0025] A linha de comunicação 20 pode, de maneira adequada, ser qualquer uma de IP/Ethernet/RS-485/RS- 222/RS-232/Optic Fiber/Power Line. De acordo com a presente invenção, o atuador 26 recebe energia operante da unidade de gerenciamento de energia 28. Para este fim, a unidade de gerenciamento de energia 28 preferivelmente inclui um ou mais dispositivos de armazenamento de energia tais como baterias, grandes capacitores, e/ou componentes similares, e preferivelmente também inclui um conversor de energia ou fornecedor de energia. A unidade de gerenciamento de energia 28 é adicionalmente acoplada à linha de comunicação 20 para obter energia a partir dela.

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6/25 [0026] A unidade de gerenciamento de energia 28 armazena energia obtida a partir da linha de comunicação 20 no(s) dispositivo(s) de armazenamento de energia. Nota-se que, em alguns casos a energia instantânea recebida da linha de comunicação 20 pode ser tipicamente insuficiente para acionar o atuador 26. No entanto, devido ao fato de o atuador 26 ser movido apenas periodicamente (isto é, de maneira não contínua), a unidade de gerenciamento de energia 28 pode acumular energia a partir da linha de comunicação 20 nos dispositivos de armazenamento de energia. Os dispositivos de armazenamento de energia podem então, em uma base periódica, fornecer energia para o atuador 26 em excesso do que está disponível a partir da linha de comunicação 20. Será observado, no entanto, que pelo menos alguma da energia fornecida ao atuador pode ser derivada da linha de comunicação 20.

[0027] Em uma alternativa, o circuito do processador 24 é configurado para alterar a operação do atuador com base na energia disponível na linha de comunicação 20. Em particular, devido à carga de outros dispositivos conectados à linha de comunicação 20, não mostrada na figura 1, a energia disponível fornecida através da comunicação pode variar. Em algumas modalidades, o processador 24 é configurado para ajustar a velocidade do atuador, ou alguma outra operação, tal que as exigências da energia do atuador 26 podem estar de acordo com a energia disponível na linha de comunicação 20.

[0028] A figura 3 mostra em mais detalhes uma disposição do atuador 300 de acordo com uma modalidade da invenção. A disposição do atuador 300 inclui um alojamento 302 no qual estão dispostos um separador 304, um circuito fornecedor de energia 306, um circuito de gerenciamento de energia 308, um circuito de comunicação 310, um circuito de processamento 312, um armazenamento de energia 314, um motor 316, um trem de engrenagem 318, uma saída mecânica 320

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7/25 e um circuito de condicionamento de sinal 322.

[0029] O alojamento 302 nesta modalidade inclui uma porta/tomada da Ethernet 8 324, às vezes referida como conector 8P8C ou RJ45. Conforme será discutido abaixo, algumas configurações podem empregar uma segunda porta de projeto idêntico conectada à porta 324, para permitir a conexão paralela de um outro dispositivo na maneira ilustrada na figura 4.

[0030] A tomada ou porta 324 é configurada para se conectar a uma linha de comunicação 326. A linha de comunicação 326 pode ser, de maneira adequada, um cabo Ethernet que suporta a funcionalidade Energia sobre Ethernet (PoE). Uma configuração de cabo de Ethernet comum inclui oito condutores. Em uma configuração, quatro dos condutores são usados para sinais de comunicação, e quatro dos condutores são usados para conduzir energia. Uma quantidade de energia fornecida nas linhas de comunicação 326 pode estar na faixa de 13W, ou mesmo tão alta quanto 52W, dependendo da fonte de energia conectada às linhas de comunicação.

[0031] Por meio de exemplo, o padrão IEEE 802.3af define o nível de energia PoE em 13 W, enquanto o padrão IEEE 802.3at limita o nível de energia PoE em 30 W. A linha de comunicação 326 pode ser, adequadamente, conectada a uma fonte de tal energia. Em adição, um dispositivo modelo de meia amplitude POE60U-56OG 60 W pode liberar 52 W de energia de baixa voltagem, e está disponível a partir de Phihong USA, de Fremont Califórnia. A linha de comunicação 326 pode ser conectada a tal dispositivo. Mais detalhes relacionados à conexão de atuadores a uma linha de comunicação capaz de acionar a PoE são estabelecidos abaixo em conexão com a figura 4.

[0032] Referindo-se novamente, em geral, ao atuador 300, o alojamento 302 é qualquer invólucro adequado ou invólucro parcial que suporta os elementos listados acima. O separador 304 é operacionalPetição 870190072593, de 29/07/2019, pág. 10/35

8/25 mente conectado à tomada 324 e é configurado para separar os sinais de comunicação dos sinais de energia elétrica recebidos pela linha de comunicação 326. O separador 304 possui uma primeira saída 304a conectada de maneira operável para fornecer o sinal de energia ao fornecedor de energia 306, e uma segunda saída 304b conectada de maneira operável para fornecer o sinal de comunicação ao circuito de comunicação 312. Neste caso, o separador 304 se conecta meramente de maneira física aos pinos de dados e energia correspondentes da tomada/porta 324 para a saída apropriada 304a, 304b.

[0033] O circuito fornecedor de energia 306 é um ou mais grupos de elementos de circuito que são configurados para converter sinal de energia recebido a partir da linha de comunicação 326 através da tomada 324 e do separador 304, e converte o sinal de energia para uma ou mais saídas de voltagem de polarização. Em muitas modalidades, o circuito fornecedor de energia 306 gera uma saída de voltagem de polarização separada para o conjunto de circuitos digital e/ou eletrônico (por exemplo, circuito de processamento 312, bloco de comunicação 310), e uma saída de voltagem de polarização separada para o armazenamento de energia 314, o qual aciona o motor 316. Em alguns casos, um outro conjunto de circuitos analógico (ou digital), tal como o circuito de condicionamento de sinal 322 ou circuito de gerenciamento de energia 308, pode exigir ainda um outro nível de voltagem de polarização separada. Em geral, no entanto, será observado que o volume da energia de saída gerada pelo circuito fornecedor de energia 306 é usado para acionar o motor 316 através do armazenamento de energia 314.

[0034] Para fornecer múltiplas voltagens de saída, o circuito fornecedor de energia 306 pode ser, de maneira adequada, um fornecedor de energia de modo comutado dotado de um transformador com múltiplas bobinas secundárias, ou pelo menos uma bobina secundária com

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9/25 múltiplas derivações. Alternativamente, o circuito fornecedor de energia 306 pode incluir, de maneira adequada, um ou mais fornecedores de energia lineares, ou uma combinação de um ou mais fornecedores de energia lineares e um ou mais fornecedores de energia de modo comutado.

[0035] O circuito de gerenciamento de energia 308 é um circuito que inclui pelo menos um primeiro capacitor 328 configurado para armazenar energia recebida a partir do fornecedor de energia 306. Em particular, se o motor 316 não estiver operando, então o fornecedor de energia 306 provavelmente será capaz de gerar mais energia de saída (a partir da energia recebida na linha de comunicação 326) do que é usada pelo conjunto de circuitos do atuador 300. Em tal caso, o circuito de gerenciamento de energia 308 é configurado para armazenar a energia em excesso no capacitor 328.

[0036] Pelo menos em algumas modalidades, o circuito de gerenciamento de energia 308 é adicionalmente configurado para liberar energia ao armazenamento de energia 314 ou outros circuitos 310, 312, 322 do atuador 300 no caso de as necessidades de energia elétrica do atuador 300 excederem a energia que pode ser gerada com base apenas na energia recebida através da linha de comunicação 326, pelo menos em uma base temporária. Por exemplo, se a energia recebida através da linha de comunicação 326 for treze watts, e o motor 316 exigir vinte watts de energia para operar, então o circuito fornecedor de energia 306 sozinho não pode fornecer energia suficiente para operar o motor 316. Em tal situação, o circuito de gerenciamento de energia 308 é configurado para fornecer as exigências de energia adicionais a partir do capacitor 328.

[0037] Ainda em uma outra modalidade, o circuito de gerenciamento de energia 308 é capaz de fornecer a energia armazenada do capacitor 328 de volta para a linha de comunicação 326 através do

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10/25 separador 304 e da porta 324. Desta maneira, múltiplos atuadores acoplados à mesma fonte de energia PoE podem compartilhar a energia armazenada. Tal operação é descrita em mais detalhes abaixo em conexão com a figura 4.

[0038] O circuito de comunicação 310 é um circuito configurado para comunicar dados pela linha de comunicação 326. Nesta modalidade, o circuito de comunicação 310 é configurado para se comunicar através de uma rede Ethernet que inclui a linha de comunicação 326. O circuito de comunicação 310 é adicionalmente capaz de se comunicar internamente com o circuito de processamento 312. Em particular, o circuito de comunicação 310 é configurado para receber dados a partir do circuito de processamento 312, fornecer qualquer formatação, processamento, filtragem, amplificação e/ou modulação adicional que seja exigido para transmissão, transmitir sinais de comunicação que incluem os dados recebidos pela linha de comunicação 326 anexada através do separador 304 e da porta 324. De modo contrário, o circuito de comunicação 310 também é configurado para receber, externamente, sinais gerados a partir do separador 304, processar os sinais para extrair dados deles, e fornecer os dados para o circuito de processamento 312.

[0039] O circuito de processamento 312 é um circuito que é capaz de desempenhar as funções de controle do atuador 300. Tais funções de controle incluem, em um nível fundamental, fornecer sinais adequados para mover a saída do atuador 320 de uma maneira controlada. Para este fim, o circuito de processamento 312 pode fornecer sinais de controle ao armazenamento de energia 314, o qual aciona o motor 316, em resposta a um valor de posição desejada (ou ponto de regulação). O circuito de processamento 312 pode obter, de maneira adequada, o valor ou ponto de regulação de posição desejada a partir de um sinal externo recebido através do circuito de comunicação 310.

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Em alguns casos, o sinal recebido não contém realmente um ponto de regulação de posição. Em tais casos, o circuito de processamento 312 pode derivar um valor de posição desejada com base na informação recebida do sinal externo.

[0040] O circuito de processamento 312 também controla, preferivelmente, a operação do armazenamento de energia 314/motor 316 com base nos sinais de resposta originados no motor 316, trem de engrenagem 318, saída 320 e/ou armazenamento de energia 314. Os sinais de resposta podem indicar a posição, velocidade, tensão ou outra informação usada pelo circuito de processamento 312 para modificar a operação.

[0041] Para este fim, o circuito do processador 312 pode incluir, de maneira adequada, um microprocessador, microcontrolador ou outro. O encargo de computação no circuito de processamento 312 é relativamente limitado, e irá tipicamente ser significativamente menor do que de um computador para fins gerais. Dado o encargo computacional limitado, e dada a energia elétrica disponível limitada, pode ser vantajoso selecionar um processador para o circuito de processamento 312 que sacrifique alguma velocidade computacional para reduzir o uso da energia elétrica. Os processadores especializados adequados seriam bem conhecidos pelosversados na técnica.

[0042] Detalhes adicionais relacionados à operação do circuito de processamento 312 são fornecidos mais abaixo. Em geral, muitas das operações do circuito de processamento 312 descrito no presente podem ser realizadas por meio de programação adequada de firmware ou de software.

[0043] Conforme discutido acima, o circuito de processamento 312 é configurado para fornecer sinais de controle ao armazenamento de energia 314. Para este fim, o circuito de processamento 312 inclui uma saída que está operavelmente conectada a uma saída de controle do

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12/25 armazenamento de energia 314. O armazenamento de energia 314 é um circuito de energia que é configurado para fornecer energia operacional ao motor 314 responsivo aos sinais de controle recebidos do circuito de processamento 312. Em uma primeira modalidade, o armazenamento de energia 314 meramente liga ou desliga o motor com base no sinal de controle recebido. Em uma outra modalidade, o armazenamento de energia 314 controla adicionalmente um nível de voltagem, de corrente ou de frequência para ajustar a velocidade do motor 316. Este tipo de controle é conhecido como controle de modulação contínua. Em geral, o armazenamento de energia 314 é selecionado para se equiparar ao tipo do motor 316, assim como ao tipo de controle que é esperado do atuador 300. Os armazenamentos de energia 314 adequados seriam conhecidos pelosversados na técnica. O armazenamento de energia 314 é acoplado de maneira operável para obter energia para liberação para o motor a partir do circuito fornecedor de energia 306.

[0044] O motor 316 é um dispositivo eletromotivo que gira uma saída 316a responsiva ao sinal de energia recebido do armazenamento de energia 314. O motor 316 pode, de maneira adequada, ser um motor de CC com escova ou sem escova, um motor escalonador, um motor de indução, um motor de síncrono ou um motor de relutância. Em algumas modalidades, conforme descrito acima, o motor 316 é selecionado (junto com o armazenamento de energia 314) para permitir o controle de velocidade.

[0045] O trem de engrenagem 318 é preferivelmente um conjunto de engrenagens de redução que traduz ou transforma a saída rotacional do motor 316 para uma velocidade mais lenta com torque aumentado para acionar a saída mecânica 320. Como resultado, um motor 316 dotado de um torque limitado, a saída de alta velocidade pode ser usada para acionar ou mover a saída mecânica 320 que é conectada a

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13/25 um registro de ventilação relativamente pesado. Por exemplo, um motor 316 que possui 300 rpm pode ser reduzido por 1/300 para mover um registro com 90 graus em quinze segundos. Tal tradução pode permitir que um motor tenha uma saída de torque que é aproximadamente 1/300-ésimo daquele exigido para mover o registro 320. Os emparelhamentos adequados de motor e trem de engrenagem são conhecidos na técnica para o uso para atuadores, registros, válvulas e outros de HVAC.

[0046] O circuito condicionador de sinal 322 é um circuito que é configurado para receber sinais de resposta de um ou mais dentre o armazenamento de energia 314, o motor 316, o trem de engrenagem 318 ou a saída mecânica 320. O condicionador de sinal 322 pode incluir, adequadamente, filtros, conversores A/D ou outros dispositivos que geram, a partir do sinal de resposta, um sinal de resposta digital que é utilizável pelo circuito de processamento 312.

[0047] Os sinais de resposta podem ser gerados por sensores, não mostrados, mas seriam conhecidos por versados na técnica. Por exemplo, o armazenamento de energia 314 pode incluir sensores que geram sinais de resposta de voltagem e/ou de corrente representantes da tensão no motor 316. O motor 316 pode ter sensores para sinais de resposta de velocidade rotacional. O trem de engrenagem 318 e a saída 320 também podem incluir sensores que fornecem resposta para a velocidade de rotação e/ou posição. Vários métodos para controlar o movimento de um atuador com base em um ou mais dos sinais de resposta anteriores são conhecidos na técnica.

[0048] Na operação geral, o atuador 300 é conectado de maneira operável à linha de comunicação 326 na porta 324. A linha de comunicação 326 inclui sinais de energia elétrica que irão variar de menos do que 1 watt para até 50 watts ou o quanto mais possível, dependendo da fonte PoE conectada à linha de comunicação 326, de quantos ouPetição 870190072593, de 29/07/2019, pág. 16/35

14/25 tros dispositivos são conectados à mesma linha de comunicação 326, e se outros dispositivos conectados à linha de comunicação 326 têm a habilidade de fornecer potência de impulso temporária.

[0049] O atuador 300 recebe o sinal de energia (junto com os sinais de comunicação, se houver), a partir da porta e os separa no separador 304. O separador 304 fornece o sinal de energia para a saída 304a. O sinal de energia na saída 304a propaga para o circuito fornecedor de energia 306. O circuito fornecedor de energia 306 converte a energia de entrada em níveis de voltagem apropriados para fornecer voltagens de polarização ao circuito de comunicação 310, ao circuito de processamento 312, ao condicionador de sinal 322, e ao armazenamento de energia 314. Quando o motor é acionado, o armazenamento de energia 314 tipicamente é o maior consumidor de energia do circuito fornecedor de energia 306.

[0050] O atuador 300 também recebe sinais de comunicação de tempo em tempo, por exemplo, fornecendo um comando para alterar a posição rotacional da saída mecânica (posição de saída). Por exemplo, tal comando pode se relacionar a fechar um registro de ventilação, ou abrir uma válvula de água resfriada. Outros comandos podem se relacionar a alterar uma velocidade do ventilador. Os comandos que receberam sinais de comunicação podem, de fato, conter um ponto de regulação para a posição de saída (ou velocidade). Em outros casos, o comando inclui informação da qual o circuito de processamento 312 pode derivar o ponto de regulação.

[0051] O separador 304 recebe os sinais de comunicação e fornece os sinais de comunicação à saída 304b. Os sinais de comunicação se propagam da saída 304b para o circuito de comunicação 310. O circuito de comunicação 310 extrai dados digitais representantes do comando transmitido (ou outra comunicação) e os fornece ao circuito de processamento 312. Será observado que qualquer quantidade de

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15/25 funções do separador 304, do circuito de comunicação 310 e do circuito de processamento 312 pode ser desempenhada por componentes compartilhados, e/ou circuitos diferentes na mesma placa ou módulo. A distinção funcional mostrada na figura 3 é fornecida apenas por clareza de exposição.

[0052] O circuito de processamento 312 então desempenha o processamento de dados para determinar se os dados recebidos indicam que uma alteração no estado na saída mecânica é exigida. Se for, o circuito de processamento 312 fornece um sinal de controle ao armazenamento de energia 314 que faz com que o armazenamento de energia 314 acione o motor 316 de uma maneira controlada. O motor 316 então gira, girando o trem de engrenagem 318, o qual sucessivamente gira a saída mecânica 320. O circuito de processamento 312 adicionalmente recebe a informação de resposta de um ou mais dentre o armazenamento de energia 314, o motor 316, o trem de engrenagem 318 e/ou a saída mecânica 320, que a usa para garantir que a saída mecânica 320 tenha sido manipulada para alcançar a saída desejada conforme indicado pelo sinal de dados recebidos.

[0053] Por meio de exemplo, se o circuito de processamento 312 receber um comando para abrir um registro de ventilação conectado à saída mecânica 320 (correspondente a uma posição de saída de 90°), e a posição de saída atual for 45°, então o circuito de processamento 312 pode fornecer um sinal de controle ao armazenamento de energia 314 para girar o motor 320 tal que a posição de saída aumenta de 45° para 90°. Em adição, o condicionador de sinal 322 recebe a informação de resposta de posição da saída mecânica 320. O condicionador de sinal 322 fornece a resposta de posição ao circuito de processamento 312, o qual usa a informação para determinar quando fornecer um sinal de controle ao armazenamento de energia 314 para parar o motor 316 de continuar girando.

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16/25 [0054] O circuito de processamento 312 em outras modalidades do atuador 300 age de uma maneira análoga. O controle da operação de um atuador para alterar a posição de saída do atuador é conhecido. Em algumas modalidades, o circuito de processamento 312 em vez disso, ou em adição, controla a velocidade de rotação da saída 320. Por exemplo, o atuador 300 pode ser um controle de ventilador, em que o armazenamento de energia 314 é usado para controlar a velocidade do ventilador. Tal modalidade pode, até mesmo, não ter um trem de engrenagem 318 em alguns casos.

[0055] Conforme discutido acima, o atuador 300 é configurado para operar primária ou somente a partir da energia liberada pela linha de comunicação 326. Muito embora os sistemas de 13 watts e 30 watts terem sido definidos por padrão, pelo menos uma solução conhecida de 56 watts foi desenvolvida.

[0056] Uma vantagem da modalidade descrita acima é que a fiação de energia separada não é necessária para acionar o atuador 300. A energia é liberada para o atuador usando-se o mesmo cabo que já exigido para as comunicações. A redução no custo de instalação que usa este método pode ser significativa. Uma característica de pelo menos algumas modalidades da presente invenção refere-se a gerenciar o uso de energia de modo que os atuadores possam operar com a energia limitada disponível nas linhas de comunicação. São descritos abaixo os métodos de gerenciar energia que podem ser empregados para possibilitar o uso amplo do atuador de energia de linha de comunicação 300 para aplicações HVAC.

Configuração De Sistema Para atuador Acionado De Linha De Comunicação Básica [0057] Em uma primeira implementação, um único atuador 300 pode ser designado a trabalhar especificamente usando energia disponível na estrutura de PoE. Em geral, tal solução envolve garantir

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17/25 que a energia usada pelo atuador 300 não exceda a energia disponível na linha de energia. Para este fim, pode-se determinar que a quantidade de força que é necessária para operar a saída mecânica com uma carga (por exemplo, um registro) presa a ela. Por exemplo, a medição de energia de girar a saída mecânica 320 é dada pela equação: ρ = τθ_δ [0058] em que é a energia mecânica, ^τ é o torque, e θ< é a velocidade angular.

[0059] Neste caso, a energia mecânica é limitada a abaixo da energia elétrica disponível. Assim, se 13 watts estiver disponível, então a energia mecânica é limitada à energia definida por 13 watts, menos as perdas da conversão e exigências de energia do outro conjunto de circuitos. Assim, a energia mecânica do atuador 300 tipicamente precisa ser menor do que aproximadamente 60% a 80% da energia disponível na linha de comunicação 326.

[0060] Na maioria dos casos, o componente de torque ^τ é definido pelo registro ao qual o atuador é conectado, e, portanto não pode ser ajustado para acomodar a energia disponível limitada. Dessa forma, a configuração do atuador 300 pode envolver ajustar a velocidade de rotação, ou ao alterar as razoes de engrenagem, ou ao operar o motor de maneira diferente, tal que a velocidade angular θ< é suficientemente abaixa para permitir que a energia mecânica ρ esteja dentro dos limites definidos pela energia elétrica disponível a partir da linha de comunicação 326, das exigências de outros circuitos no atuador 300, e das perdas de conversão.

[0061] Devido ao fato de esta implementação em particular ser projetada para trabalhar dentro dos limites da energia instantânea disponível através das linhas de comunicação, este projeto é bem adePetição 870190072593, de 29/07/2019, pág. 20/35

18/25 quado para atuadores conectados a registros e válvulas que estão frequentes à manipulação frequente. Isso pode incluir registros e válvulas que controlam a taxa de fluxo de ar, assim como a temperatura, ao ponto de uso, tal como salas ou espaços dentro do edifício ocupado por pessoas.

Energia De Linha De Comunicação Com Assistência De Armazenamento [0062] Em muitos casos, no entanto, não se espera, tipicamente, que um atuador 300 opere em uma base constante, mas sim periodicamente. Por exemplo, um registro usado em uma unidade de tratamento de ar de um sistema HVAC, em alguns exemplos, pode-se esperar que ele opere duas vezes a cada vinte e quatro horas. Para tais implementações, é possível operar um atuador com exigências de energia que excedam, significativamente, a energia instantânea disponível na linha de comunicação.

[0063] Para este fim, em casos de operação periódica conhecida, o atuador 300 pode empregar o armazenamento de energia para fornecer uma ruptura de energia para a operação do atuador 300. Em particular, em vezes quando o atuador 300 não está em uso, a energia recebida da linha de comunicação 326 pode ser usada para alterar o capacitor 328. Quando o atuador 300 opera, a energia pode ser derivada do capacitor 328.

[0064] Para realizar tal operação, o circuito fornecedor de energia

306 armazena a energia recebida em excesso no capacitor 328 do circuito de gerenciamento de energia 308 quando quer que a energia em excesso esteja disponível a partir da linha de comunicação 326. Por exemplo, se o consumo de energia dos elementos do atuador 300 não exceder a energia que está disponível (ou alocado) para o atuador 300, então a energia em excesso é armazenada no capacitor 328. Quando o atuador 300 deve operar, o circuito de gerenciamento de

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19/25 energia 308 garante que o capacitor 328 possa descarregar para a entrada de energia do armazenamento de energia 314. No exemplo mostrado na figura 3, o capacitor 328 fornece energia através do circuito fornecedor de energia 306 para o armazenamento de energia 314. Em outras modalidades, o capacitor 328 é conectado ao armazenamento de energia 314 diretamente, ou pelo menos sem passar através do circuito fornecedor de energia 306.

[0065] Vários métodos de armazenar energia em um capacitor por períodos de tempo, e então disponibilizar a energia para o uso com ruptura, são bem conhecidos.

[0066] Com esta modalidade, a velocidade do atuador 300 não precisa, necessariamente, ser manipulada para possibilitar o uso de energia a partir da linha de comunicação 326. Em vez de contar com a energia instantânea disponível, o atuador 300 é projetado tal que o capacitor 328 armazena a energia suficiente para o máximo movimento periódico esperado do atuador. Por exemplo, suponhe-se que um atuador 300 seja esperado para se mover duas vezes ao dia, com períodos de não menos do que 10 horas entre o movimento, e com não mais do que 90 graus de movimento. Neste caso, o atuador 300 é projetado tal que o capacitor 328 pode armazenar a maioria, se não toda, da energia exigida para desempenhar o máximo movimento possível duas vezes por dia.

[0067] Para este fim, será observado que a energia mecânica máxima exigida pode ser medida como torque multiplicado pelo máximo deslocamento angular ou

Em - T ¢, [0068] em que EM é a exigência máxima de energia, T\ é o torque associado com o giro do registro ou válvula presa à saída 320, e é o deslocamento máximo possível em graus, por exemplo, 90 gruas. A

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20/25 exigência de armazenamento de energia do capacitor 328 é tipicamente escolhida para igualar ou exceder levemente o valor EM-.

[0069] Também é necessário garantir que tempo suficiente esteja disponível para o capacitor 328 recarregar entre as operações do atuador 328. Por exemplo, se a energia total exigida para mover um grande registro conectado a um atuador 300, noventa graus é equivalente a aproximadamente 50 watts-hora, e a energia disponível na linha de comunicação é 13 watts, então não se espera que o atuador 300 opere mais frequentemente do que uma vez a cada quatro horas, no pior caso. De modo contrário, a energia alternativa de reserva deve ser disponibilizada.

[0070] Se o atuador 300 for movido relativamente com frequência, mais ainda periodicamente o suficiente para justificar o uso de energia armazenada, então o atuador 300 emprega tanto energia armazenada do capacitor 328 quanto energia da linha de comunicação 326. Em tal caso, a energia disponível para o movimento do atuador 300 é igual à energia armazenada no capacitor assim como (aproximadamente) a energia de linha de comunicação disponível multiplicada pelo tempo de percurso do atuador 300 durante o movimento. Os métodos adequados para se obter energia do capacitor 328 e da linha de comunicação 326 seriam conhecidos por versados na técnica.

[0071] Será observado que, muito embora um único capacitor 328 seja mostrado na figura 3, a modalidade descrita acima pode, alternativamente, empregar múltiplos capacitores, e/ou outros dispositivos de armazenamento de energia.

COMPARTILHAMENTO DE ENERGIA DE LINHA DE COMUNICAÇÃO [0072] Em uma outra modalidade, múltiplos atuadores 402, 404 e

406 podem ser conectados à mesma fonte de energia 408. Por exemplo, a figura 4 mostra um diagrama em bloco dos primeiro, segundo e

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21/25 terceiro atuadores 402, 404, e 406 conectados a uma única fonte de energia de linha de comunicação 408 através de cabos de padrão Ethernet 410. Tal configuração 400 pode ser típica, porque as saídas da rede principal Ethernet (comutador/roteador) tipicamente se conectam a uma pluralidade de dispositivos.

[0073] Na modalidade da figura 4, a fonte de energia 408 é um dispositivo de comunicação que inclui uma porta ou tomada de cabo 409 através da qual os dados de rede podem ser comunicados, e através da qual a energia elétrica pode ser liberada. Por exemplo, a fonte de energia 408 ser, adequadamente, saídas acionadas com PoE miwith ou roteador ou comutador de Ethernet, no presente ilustrada como uma única tomada ou porta de saída exemplificativa 409. A porta de cabo 409 pode ter uma saída de pino 8 padrão, e fornecer comunicações e energia na maneira descrita pelo padrão IEEE 802.3af ou IEEE 802.3at, por exemplo. A fonte de energia 408 também inclui outras portas 411 conforme conhecidas na técnica para facilitar a comunicação com outros dispositivos, não mostrados.

[0074] Nesta modalidade, os cabos 410 são oito cabos condutores, e são conectados encadeados em série de um atuador para o próximo. Para este fim, cada atuador 402, 404 (e 406) pode ter um projeto do atuador 300 da figura 3, modificado para incluir uma porta adicional diretamente conectada à porta 324. A finalidade da conexão do estilo encadeada em série é fornecer conectores físicos convenientes para a interconexão a cabo. Este projeto do atuador 324 permite a interconexão de qualquer quantidade de atuadores através de comprimentos separados de cabos compatíveis de Ethernet padrões.

[0075] Em geral, um projeto conservativo do sistema 400 é para garantir que as exigências de energia de todos os três atuadores 402,

404 e 406 durante o uso não excedam a energia instantânea disponível da fonte de energia 408. Esta abordagem é similar à da primeira

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22/25 implementação, discutida mais acima, mas aplicada aos três atuadores em vez de um. Por exemplo, se a energia disponível da fonte 408 for 30 watts, então as exigências de energia combinadas dos três atuadores não deveriam exceder 30 watts.

[0076] De fato, uma configuração do projeto deveria conectar uma quantidade máxima de atuadores à saída 409 da fonte 408, em que as exigências de energia cumulativa aditiva não excedem a energia disponível da fonte 408 através dos cabos de Ethernet 410.

[0077] No entanto, também é possível usar o controle interno dos atuadores 402, 404 e 406 e/ou comunicação dentre os atuadores 402, 404 e 406 para efetivamente alocar a energia dentre aqueles dispositivos. Por exemplo, se não for necessário operar todos os atuadores 402, 404, e 406 ao mesmo tempo, então tal alocação permite que as exigências de energia total dos atuadores 402, 404 e 406 excedam a energia disponível total da fonte de energia 408. Em alguns casos, a operação de um atuador em particular pode ser atrasada, ou mesmo realizada em uma velocidade mais lenta, se a energia suficiente estiver momentaneamente indisponível. Para este fim, nota-se que as estratégias de controle nem sempre exigem atuação instantânea. Além do mais, é possível que múltiplos atuadores 402, 404 e 406 possam ter diferentes propriedades, tal que se um atuador com alta prioridade exigir a energia que está presentemente indisponível, um atuador com menor prioridade pode ser interrompido ou desacelerado para disponibilizar a energia. Ainda em uma outra configuração, um ou mais atuadores 402, 404 e 406 incluem um dispositivo de armazenamento de energia, tal como o capacitor 328, e é configurado para liberar a energia em excesso de volta para os cabos 410 através da porta 324 no caso de tal energia ser necessária.

[0078] Tal coordenação de operação dentre os atuadores 402, 404 e 406 pode ser facilmente realizada através de comunicações pelos

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23/25 cabos 410.

[0079] A figura 5 mostra um diagrama de fluxo exemplificativo de operações que podem ser realizadas pelo circuito do processador de cada um dos atuadores 402, 404, 406 da figura 4 para coordenar o uso de energia, tal que as exigências máximas combinadas dos atuadores 402, 404 e 406 (que se movem em velocidade nominal) podem exceder a energia disponível da fonte de energia 408. As operações da figura 5 referem-se, especificamente, a uma situação na qual o atuador 402 deve ser operado. Pode-se assumir que o atuador 402 possui a configuração geral do atuador 300 da figura 3. Dessa forma, os números de referência da figura 3 serão usados para descrever componentes iguais do atuador 402 abaixo, no presente.

[0080] Na etapa 505, o circuito de processamento 312 (do atuador

402) recebe uma mensagem de comunicação (através do circuito de comunicação 310) que indica que a posição de saída do atuador 402 deve ser alterada, desse modo exigindo que a energia seja liberada ao motor 316 do atuador 402.

[0081] Na etapa 510, o circuito de processamento 312 obtém informação relacionada à energia disponível na linha de comunicação 326/410. Para este fim, o circuito de processamento 312 gera uma mensagem de comunicação que é transmitida pelo circuito de comunicação 310, através do separador 304 e porta 324, para o circuito de processamentos de outros atuadores 404, 406. A mensagem de comunicação exige uma resposta que identifica a quantidade de energia que está atualmente sendo usada pelos atuadores 404, 406. A mensagem também pode solicitar se os atuadores 404, 406 reservaram energia disponível dos capacitores de armazenamento. Os atuadores 404, 406 subsequentemente fornecem sua resposta, a qual é então recebida pelo circuito de processamento 312 (do atuador 402) através de seu circuito de comunicação 310. Desta maneira, o circuito de proPetição 870190072593, de 29/07/2019, pág. 26/35

24/25 cessamento 312 determina a quantidade de energia que está atualmente em uso pelos outros atuadores 404, 406, e podem, portanto, determinar a quantidade de energia restante disponível na linha de comunicação 326/410.

[0082] Será observado que em vez de transmitir uma questão específica para cada atuador 404, 406, os atuadores 402, 404 e 406 podem regularmente difundir seu consumo de energia atual para outros dispositivos conectados à saída 409. Em tal caso, o circuito de processamento 312 determinaria a energia elétrica disponível a partir das ultimas atualizações de cada dispositivo na disposição 400.

[0083] Em cada ocasião, na conclusão da etapa 510, o circuito de processamento 312 determina a quantidade de energia elétrica que está disponível na linha de comunicação 410.

[0084] Na etapa 515, o circuito de processamento 312 determina se a energia suficiente está disponível para desempenhar a operação solicitada na mensagem recebida na etapa 505. A Etapa 515, portanto, envolve determinar se a energia exigida para executar a operação no atuador 402 excede a energia disponível calculada. Em alguns casos, o cálculo também pode levar em consideração qualquer energia disponível a partir do capacitor 328 do atuador 402.

[0085] Se o circuito de processamento 312 determinar que a energia suficiente está disponível para desempenhar a operação solicitada, então o circuito de processamento 312 prossegue para a etapa 520 para fornecer os sinais de controle apropriados para o armazenamento de energia 314 para efetuar a operação.

[0086] Em um caso em que a velocidade do motor 316 é ajustável, o circuito de processamento 312 fornece os sinais de controle que fazem com que o motor 316 opere em uma de uma pluralidade de velocidades, a velocidade selecionada em parte com base na energia disponível determinada na etapa 510. Por exemplo, se nenhum outro

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25/25 atuador 404, 406 estiver atualmente usando energia, então o circuito de processamento 312 pode ocasionar a saída mecânica 320 (através da velocidade do motor) em um de seus níveis de velocidade mais altos. Ao contrário, se os outros atuadores 404, 406 estiverem ambos usando energia significativa, e apenas um pouco estiver disponível, então o circuito de processamento 312 pode fazer com que a saída mecânica 320 opere em uma velocidade mais lenta, exigindo menos energia. Isso pode permitir que o motor 316 funcione em uma velocidade mais lenta quando não há energia suficiente para funcionar em uma velocidade normal ou nominal.

[0087] Referindo-se novamente à etapa 515, se for determinado que a energia insuficiente está disponível para efetuar a alteração de estado da saída mecânica 320, então o circuito de processamento 312 adia a operação de alteração de estado na etapa 525, e faz com que a energia não seja liberada para o motor 316. Após um curto atraso na etapa 525, o circuito de processamento 312 retorna para a etapa 510 para obter uma atualização na energia disponível e prossegue dessa forma.

[0088] Estes vários métodos possibilitam ao atuador acionado de linha de comunicações uma quantidade de aplicações em um sistema HVAC.

[0089] Será observado que as modalidades descritas acima são meramente ilustrativas, e que versados na técnica podem facilmente projetar suas próprias implementações e modificações que incorporam os princípios da presente invenção e caem dentro do espírito e escopo da mesma.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Atuador compreendendo:

a) pelo menos uma disposição de acionamento (26) configurada para gerar energia mecânica de saída a partir de energia elétrica de entrada;

b) uma porta de entrada de linha de comunicação (22) configurada para se conectar a uma linha de comunicação (20), caracterizado pelo fato de que o atuador compreende ainda:

c) uma unidade de controle (24) configurada para obter primeira informação a partir da linha de comunicação (20) através da porta de entrada de linha de comunicação (22), a unidade de controle (24) adicionalmente configurada para ajustar com base na primeira informação e com base na informação que identifica energia elétrica disponível para uso como energia elétrica de entrada, a velocidade de rotação da pelo menos uma disposição de acionamento (26) dentro de limites definidos pela energia elétrica disponível, e sendo que a porta de entrada de linha de comunicação (22) é configurada para obter energia elétrica a partir da linha de comunicação (20).
2. Atuador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle (24) é configurada para ajustar a operação da pelo menos uma disposição de acionamento (26) ao inibir temporariamente a operação da disposição de acionamento (26) se for determinado que energia elétrica insuficiente está disponível para uso como energia elétrica de entrada.
3. Atuador, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle (24) é configurada para obter a informação que identifica a energia elétrica disponível para uso como energia elétrica de entrada pelo menos em parte a partir de uma men-

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2/3 sagem de dados recebida através da porta de entrada de linha de comunicação (22).
4. Atuador, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle (24) é configurada para obter uma mensagem de dados subsequente, e para ocasionar a operação da pelo menos uma disposição de acionamento (26) com base na primeira informação e na mensagem de dados subsequente.
5. Atuador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle (24) é configurada para obter a informação que identifica a energia elétrica disponível para uso como energia elétrica de entrada pelo menos em parte a partir de uma mensagem de dados recebida através da porta de entrada de linha de comunicação (22).
6. Atuador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira informação inclui informação indicativa de um ponto de regulação de posição de saída do atuador.
7. Atuador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma disposição de acionamento (26) inclui um motor (316) e uma ou mais engrenagens (318).
8. Atuador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um dispositivo de armazenamento (328) de energia configurado para fornecer potência de impulso à pelo menos uma disposição de acionamento (26).
9. Atuador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a porta de entrada de linha de comunicação (22) compreende uma tomada de cabo de Ethernet.
10. Método para usar o atuador, como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, compreendendo:

a) conectar uma porta de entrada de linha de comunicação (22) de um atuador para uma linha de comunicação (20), o atuador

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3/3 inclui adicionalmente pelo menos uma disposição de acionamento (26) configurada para gerar energia mecânica de saída a partir da energia elétrica de entrada, e uma unidade de controle (24) configurada para obter primeira informação da linha de comunicação através da porta de entrada de linha de comunicação (22), caracterizado pelo fato de que o método compreende ainda:

b) obter energia elétrica da porta de entrada de linha de comunicação (22) e gerar a energia elétrica de entrada a partir da energia elétrica obtida, e

c) ajustar, pela unidade de controle (24), com base na primeira informação e com base em informação que identifica energia elétrica disponível para uso como energia elétrica de entrada, a velocidade de rotação da pelo menos uma disposição de acionamento (26) dentro de limites definidos pela energia elétrica disponível.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compree ainda:

armazenar pelo menos uma parte da energia elétrica obtida em um dispositivo de armazenamento (328) de energia; e usar a energia armazenada para gerar a energia elétrica de entrada, sendo que a energia elétrica de entrada excede a energia elétrica obtida.