CN101238423A - 电压调节设备 - Google Patents

Abstract

一种电压调节设备，适合于连接至变化的电源，并调节供应给其负载受益于电压调节的特定选择电路的电压。该装置包括PWM或相角切换的自耦变压器，该自耦变压器足够紧凑且重量轻以结合到标准电子消费类单元中，该标准电子消费类单元具有分离的电路，即，负载受益于电压调节的电路和负载不收益于电压调节的电路，以便前者可通过该装置控制以在恒定的和减小的电压下工作，由此确保能量消耗减少和连接至该装置的电子设备的寿命增加。如果过热则通过临时增加自耦变压器的输出电压来控制该自耦变压器的工作温度。

Description

电压调节设备

本发明涉及出于节能目的对物体的电源电压的控制和提高连接至电源的电气设备的性能和延长其寿命，并且进一步涉及一种用于这种目的的电压调节设备。

在世界的许多地区，配电公司在容许的电压范围的上端将能量提供给最终用户。例如，在UK和世界某些其它地区中典型的平均电源电压可以是240伏左右，在此容许的法定欧洲电压范围是216-252V。为了降低提供的电压至，例如，230V，将不会对消费者有不利影响，并且事实上通过使电源保持在230V获得了许多优点。这些优点包括能量耗费成本的降低、电子设备的预期寿命的增加、以及由在不适当的高压电平提供的电能产生的过多的CO₂排放的降低。已示出，电压降低5％会产生平均8％的能量耗费的降低。

大多数目前制造的用于欧洲的电子设备被设计在230V的标称电压下工作。在更高的电压下运行这些电子设备会降低它们预期的工作寿命。利用一般提供在240V的电平或超过240V的电压，这不仅会浪费电能而且会严重缩短例如电灯泡和一些昂贵的消费类产品例如电视机的预期寿命。

节省能量和降低碳排放对于大多数政府是高优先级的。对电气网络增加的要求意味着政府在寻求电能产生的新能源，同时必须满足在京都(Kyoto)协议下达成的CO₂排放的降低。由此，电压调节设备的广泛采用，尤其是(尽管不是排除性)对于家用和商用情形，将会导致分布的能量管理系统，其会减小对电气网络的功率需求，并有助于减少由电站引起的排放。

因此，本发明的目的在于提供一种电压调节设备，其能容易地安装在物体中且其足够紧凑且制造廉价，以鼓励消费者获得和使用这种设备。电压调节设备是已知的，并且由连接至电源且包括相角或脉宽调制(PWM)切换装置的自耦变压器(autotransformer)构成，该切换装置可以用于根据需要将自耦变压器切入和切出电路，以确定和控制提供给电子设备的输出电压。使用PWM控制来改变自耦变压器被切入和切出电路时的时间长度，以由此控制其输出电压。使用电压调节设备来切换电感负载。通常必须使用有损缓冲器(snubber)电路来切换电感负载，但可以使用软切换方式来提高电压调节设备的效能。在1993年召开的APEC的IEEE会议记录中公开的Prasad N.Enjeti的标题为“An approach to realize higher power PWM ac controller”的论文和US专利5747972中描述了这种装置。这些公布描述了使用连接至电源并由PWM控制器控制的“buck”形式的自耦变压器以确定设定电压，该电压对于欧洲来说可以是230V。使用自耦变压器，如果太高则通过使电压减低至设定点，或如果其太低则通过使它增加至该设定点，来调节室内电压。在US574792中描述的装置通过将其连接至引至一物体的入向电源来实施，以使得该装置调节至该物体的整个电源，所述物体主要包括电阻负载例如电炉和电淋浴以及高电感性负载例如锅炉(boiler)、电冰箱等。

在一般的UK住所中，消费单元(consumer unit)通常由100安培的断路器开关保护，且因此适合于到所有电路的连接的电压调节设备必须设定用于100安培的最大电流。这需要具有像24kVA标定的自耦变压器，其物理上很大、很重且昂贵。其例如可以重量超过35kg，且在许多情况下在家用情形中其成本超过它在控制电压电平方面的价值。因此，为了使电压调节器有效且经济，必须显著减小它的尺寸、重量和成本。

测试证明某些负载大大受益于电压调节，例如照明电路、冰箱/冷冻机和包含电机或变压器的装置，而电阻性加热负载例如电淋浴器、浸没式加热器和炊具不受益于电压控制。受益于电压控制的负载倾向于组成物体的基本负荷的主要部分，且对消耗的大部分电能(kWh)起贡献。包含这些负载的电路的电压控制将获得最大的节约同时使自耦变压器的尺寸减到最小。不受益于电压控制的负载组成短持续时间、尖峰负荷的大部分，其导致至网络的物体连接被设定在比基本负荷所需要的电流高得多的电流。因此将不控制包含例如电炉、电淋浴器和浸没式加热器这样的负载的特定电路。

根据本发明，通过提供电压调节设备来实现自耦变压器的尺寸的减小，该电压调节设备包括：适合于连接至电源的自耦变压器，连接至自耦变压器以确定其输出电压的循环开关装置，和响应于自耦变压器的工作温度变化且连接至循环开关装置以改变所述的输出电压并由此控制所述工作温度的装置。

该温度响应装置可以是适合于连续测量自耦变压器的温度的热敏电阻，或用于估算自耦变压器核心温度的热模型计算，且在所述温度增加的情况下，使开关逻辑增加自耦变压器的输出电压。

该设备可包括旁路开关，如果其输出电压基本等于电源的电压该旁路开关可自动操作来旁路自耦变压器。

该设备可包含在家用电气消费单元内，其中提供至少两个输出端子，其至少一个是将电能提供给将受益于电压调节的一个或多个电路，且至少另一个是将电能提供给将不受益于电压调节的一个或多个电路，该装置连接在主电源和将受益于电压调节的电路或每一个电路之间。

现在，将仅借助实例，参考附图，描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的电压调节设备如何结合到家用消费单元中的图示；和

图2是结合在其中的电压调节设备的电路结构图。

出于本说明书的目的，将假设电压调节设备适合于连接至在230V加减10％的范围内工作的变化电源，其是在欧洲电力立法下要求的法定范围，且将进一步假设将由该装置保持230V的恒定输出电压。

现在参考图1，家用消费单元以10表示且被从电表11提供电能，电表11分别具有输出带电(live)和中性端子12和13。在消费单元10内，带电电源被分开以供应两个带电输出端子14和15和中性输出端子16。在对端子14和15中的每一个的这些电源中包括MCB或其它安全装置17。端子14和16通过主隔离开关18直接连接至端子12和13，在端子14的情况下，经由相关的MCB 17连接。

根据本发明，输出端子15经由熔丝19连接至带电端子12，且在该实施例中，电压控制设备20连接至电压测量单元21以提供反馈来控制该设备20。电压测量单元21还能连接在熔丝19和电压控制设备20之间，以提供设备20的前馈控制。

现在参考图2，电压控制设备20包括切换的自耦变压器22、微控制器23、温度测量设备24、电压测量设备21和旁路开关26。

微控制器23包括开关逻辑25和脉宽调制(PWM)/相角控制单元27。设计该开关逻辑以产生表示适合于应用于该设备的应用的电压设定点的信号，其将信号馈到PWM单元27来控制自耦变压器22的循环开关。

如所描述的，电压调节设备适合于将恒定的预定电压(设定点)提供给电路连接的将受益于电压调节的电路，提供给消费单元的端子15。没有受益于电压调节的电路在端子14处直接连接至电源。

由调节电路拉出的电流一般在3安培或以下的范围中，但将根据在任一时间使用的电器的数量而改变。对于任意二十四小时周期的近似30％，要求一般低至通过例如处于“待机”模式的电视机和其它电子部件的这种设备拉出的0.5安培，通常这是可接受的。对于其它65％的时间，负荷一般在1和4安培之间，但对于一小时左右的短周期，例如，当洗衣机和转筒式干燥机在使用时，该要求会增加至20安培的范围内。还知道，对于在任意二十四小时周期中可能十五分钟的非常短的周期，临时瞬时要求可能高至40安培。

由此，自耦变压器22可对于20安培的基本负荷，而不是其可能是例如100安培的电源电路的全部或最大定额，即，小于最大值的四分之一，进行设定，且可以由被重新配置来产生能够连续提供20安培的5KVA自耦变压器的单相500VA隔离变压器得到。这种设备紧凑且重量在3.5kg的范围内，由此小而轻，足以封装在标准消费单元内。这种小变压器在制造上相对也不昂贵。

如上所述，有时对电压调节设备的要求会超过20安培，且在这些情形下自耦变压器会开始变热。为此提供了温度检测部件，例如热敏电阻，其经由微控制器23的开关逻辑25与自耦变压器以反馈环连接。由此，当其温度升高时，将调节自耦变压器的循环开关来增加输出电压，由此减少了对自耦变压器的压力且允许使它冷却下来。将逐渐增加电压设定点以便在电压增加时的操作中电子设备的性能上不产生明显变化。替换地，可以使用热模型以估算自耦变压器的核心温度。可以用与如前所述相同的方式使用估算的温度，来调节自耦变压器的循环开关。这提供了减少对自耦变压器的压力并且使其冷却下来的机制。

在重负荷时，自耦变压器的温度可增加至这样的程度，即，其电压设定点通过开关逻辑增加至基本等于输入电压的程度。在这一点，开关逻辑将自动操作旁路开关26以由此将自耦变压器从电路断开，直至在由热敏电阻24或热模型检测时已经充分地冷却下来。

将意识到，通过考虑估算的负荷，以及通过在施加了过度负荷的情况下以该方式控制自耦变压器，相比在没有温度控制下耐受这种高负荷所需的能够提供小得多且不昂贵的自耦变压器。这能够使得采用紧凑、重量轻且廉价的自耦变压器，其能容易地容纳在家用情况中使用的那类标准消费单元内。对由这种消费单元提供给受益于电压调节的电路的电压的控制，导致在能量损耗上显著的成本节省，且其价值远超出装配有这种设备的消费单元的额外成本。反之，在总体降低的电压下的功率损耗作用来确保对电源网络的总体减小的功率要求和来自电站减少的CO₂排放。

并不意图将本发明限制于所描述的细节。例如，所描述的类型的紧凑电压调节设备可位于消费单元外，但在它旁边，由此可能可用作连接至现有消费单元的设备，而对其中的线路较少调节，由此将电源电路分成两部分，一部分用于将不受益于电压调节的电路，另一部分用于将受益于电压调节的电路，其中减小的和恒定的电压将节省能量并延长电子设备的寿命。

而且，可构造该设备并且在不同的电压电平工作，例如其它国家中的惯例电平。

除提供了功率节省之外，电压控制设备还提供了对它所调节的电路的功率因数校正的等级。铁磁路(iron circuit)中的通量密度与电压成比例，并且通量密度越高，电路中的铁损(iron losses)就越高。因此，通过降低电压，将减小通量密度，并且会相应地减小铁损。这会使得提高电路的功率因数。功率因数的提高将有利于配电、传输和发电企业。

Claims (18)

1.一种电压调节设备，包括：

适合于连接至电源的自耦变压器，

连接至自耦变压器以确定其输出电压的循环开关装置，和

响应于自耦变压器的工作温度的变化并连接至循环开关装置以改变所述输出电压并由此控制所述工作温度的装置。

2.根据权利要求1的电压调节设备，其中该循环开关装置通过脉宽调制或相角控制操作。

3.根据权利要求1或2的电压调节设备，其中对于被供应的电路的基本负荷，而不是被供应的电路的电路最大电流定额，对该自耦变压器进行设定。

4.根据权利要求3的电压调节设备，其中设定该自耦变压器以使得基本负荷不大于被供应的电路的最大电流定额的四分之一。

5.根据任一在前权利要求的电压调节设备，其中设定该自耦变压器以提供不大于50安培的恒定电流。

6.根据任一在前权利要求的电压调节设备，其中设定该自耦变压器以提供不大于20安培的恒定电流。

7.根据任一在前权利要求的电压调节设备，其中该循环开关装置包括微控制器，该微控制器包括脉宽调制或相角控制设备，用于切换电气负载，而不需缓冲器电路。

8.根据任一在前权利要求的电压调节设备，其中该循环开关装置的占空因数可调节来确定用于所述输出电压的设定点。

9.根据任一在前权利要求的电压调节设备，其中该温度响应装置是热敏电阻或热模型，适合于连续估算或测量或评估自耦变压器的工作温度，且适合于在所述温度增加的情况下使开关逻辑增加自耦变压器的设定点。

10.根据权利要求8的电压调节设备，其中配置该循环开关装置以在预定周期上逐渐增加设定点，由此使输出电压倾斜上升。

11.根据任一在前权利要求的电压调节设备，包括旁路开关，如果其输出电压基本等于电源的输出电压，则可自动操作来旁通自耦变压器。

12.根据任一在前权利要求的电压调节设备，其中通过测量自耦变压器的输出电压来调节该循环开关装置的占空因数。

13.根据权利要求1至11中任一项的电压调节设备，其中通过测量自耦变压器的输入电压来调节该循环开关装置的占空因数。

14.一种与消费单元组合的电压调节设备，适合于连接至用于物体的主电源，且其中提供至少两组输出端子，其中的至少一个用于将电能供给负载将不受益于电压调节的一个或多个电路和负载将受益于电压调节的至少另一个电路，该电压调节设备连接在主电源和负载将受益于所述电压调节的那些电路之间。

15.根据权利要求14的组合，其被包含在消费单元的单个外壳内，且其中包括用于不由电压调节设备调节的电路的至少一个MCB和用于由电压调节设备调节的电路的至少一个MCB。

16.根据权利要求14或权利要求15的组合，其中对于基本负荷，而不是负载将受益于电压调节的电路或每个电路的最大电流定额，对该电压调节设备进行设定。

17.根据权利要求14至16中任一项的组合，其中该主电源是单相的。

18.根据权利要求14至16中任一项的组合，其中该主电源是三相的。

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