CN101344300A - 功率因数补偿型空调综合节能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率因数补偿型空调综合节能器，能对空调和其它感性负载进行功率因数补偿；此外，本发明还具有空载自动关机、空调低温限制以及无人活动或睡眠自动调高温度等功能，这其中的每一项功能对空调都具有节能效果。本发明对空调进行综合节能的节能效果十分显著。

Description

功率因数补偿型空调综合节能器

技术领域

本发明涉及一种节能设备，特别是涉及一种功率因数补偿型空调综合节能器。

背景技术

目前，在高速发展的中国，能源紧张已成为国家重点解决的问题。在夏季，空调的耗电量占整个城市用电量的三成；而家庭用电中，空调用电更是占了极大部分。空调是感性负载，其耗电主体是压缩机，其次是室内和室外两个电风扇，它们的功率因数都很低。为了有效利用能源，国际电工委员会(I.E.C)针对电器的电源供应制定了一系列的规范，IEC-1000就是对于电源供应中谐波电流所作的规范，而功率因数补偿法是目前运用的最有效的方法之一，电力用户常用的无功功率补偿设备是电容器。如果能采用设置电容器的方法提高功率因数，可以减少供电成本，节约能源，降低谐波电流的污染，但历来都没有空调厂家对空调进行功率因数补偿，绝大多数用户也无此观念。

此外，家用空调的待机能耗偏高，根据上海市能源利用监测中心提供的空调待机电耗测试报告，空调的待机电耗为5.9瓦至29瓦之多，而空调大部分时间都处于待机状态，特别是初夏及夏秋之交气温不太高时，空调使用的很少，绝大部分时间处于待机状态白白消耗了大量电能，而几乎所有的人都没有在不使用空调时拔掉其电源插头的习惯，全社会空调的待机能耗大的惊人。

国务院2007年7月3日公布《民用建筑节能条例(草案)》规定，国家对使用空调采暖、制冷的公共建筑实行室内温度控制制度。除特殊用途外，夏季室内空调温度设置不得低于26摄氏度。在夏季用电高峰来临之际，有关专家提出，空调节电应当引起人们的重视。在用电高峰，如果将空调的温度调高1℃至2℃，仅北京市即降低峰值电力负荷10％，节电2.5亿-3.2亿度。对于行政用电，国家发改委环境资源综合利用局也提出了节约措施，要求将夏季空调温度提高2℃，保持在27℃至28℃，至少不得低于26℃；同时，很多城市都发出了将空调温度调高1℃至2℃的倡议，以节约电能。有环保专家算了一笔账，每节约1度电就相当于节省了0.4千克的标准煤和4升净水，同时减少了碳粉尘、二氧化碳和二氧化硫的排放。可见，把空调温度调高一点不仅节能而且环保，可谓一举两得。但是，不少家庭和特别是很多单位空调温度都调得的偏低，不利于节能减排。

还有，在夏季当单位里无人活动或家庭人员睡觉时，如果能自动调整空调设置温度，一般在制冷的时候上调2度，可起到节电近20％的效果。单位里人员不活动时，过一段时间适当调高空调的温度，人体反而感到舒适；晚上家庭人员睡觉后，过一段时间空调若能自动升高两度，不但有利于节能，实际上人在睡觉的时候温度最好稍微高些，否则早上起来反而会出现一些头晕眼花和对自然环境温度不适应的问题，使用空调睡眠自动节电功能既能省电还对身体有好处，何乐而不为。

本发明涉及一种功率因数补偿型空调综合节能器，它综合解决了上述四个影响空调节能的问题，以响应国务院把节能减排作为当前加强宏观调控重点的号召，促进国民经济又好又快发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率因数补偿型空调综合节能器。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：功率因数补偿型空调综合节能器，它综合解决了四个影响空调节能的问题：1、功率因数补偿；2、空载自动关机；3、空调低温限制；4、无人活动或睡眠自动调高温度。

功率因数补偿型空调综合节能器由功率因数补偿、降压整流滤波稳压、单片机控制、继电器、遥控接收整形、温度检测、光线检测、自动关机检测、人员活动检测等部分组成，解决方案示意图见图1，电路原理图见图2。整个电路以功率因数补偿电路为基础，以单片机为核心，遥控接收整形、温度检测、光线检测、自动关机检测、人员活动检测为输入控制，继电器为输出控制，而形成功率因数补偿型空调综合节能器。

功率因数补偿型空调综合节能器由遥控器遥控开机，遥控器仍采用空调使用的红外线遥控器，遥控接收整形部分可以采用通用的红外接收模块，其电路模块原理图及外形图见图3；由于红外线遥控只遥控开机，遥控接收不必采用专门的编码解码，只要按下遥控器的任意键即可，遥控接收部分仅需根据所接收到的脉冲串的长度来进行解码和判断；遥控接收部分若和空调本身的遥控接收窗口离的较近，则按遥控器开机时，只要时间略长零点几秒，即能同时打开空调综合节能器和空调，使用很方便，在对空调进行任何遥控时都不会对空调综合节能器产生影响。当空调关闭后十五分钟，空调综合节能器将检测到空载并自动切断空调电源。

以下分别叙述四个影响空调节能的问题的解决方法：

1、功率因数补偿：

对空调进行功率因数补偿是本发明的最重要的功能，见图2电路原理图的左半部分：电容C1C2起功率因数补偿作用，其中C1起主要的功率因数补偿作用，C2协同C1对功率因数补偿和吸收电网的有害脉冲起到了辅助效果，C1C2同时对交流电压进行分压而起到了降低交流电压的作用；D1整流，C3C4滤波，Q1Q2及其外围元件构成的电路起稳压作用。C1C2并不消耗功率，本发明在电网中呈容性，起到了功率因数补偿的作用。

此电路同时是一个具有功率因数补偿的电容降压整流电源，其电压和电流的计算方法：交流市电ACin经C1C2分压，所得交流电压有效值为AC1＝[C1/(C1+C2)]×ACin(公式一)，其中AC in为交流输入电压有效值；AC1经D1整流，C3滤波，得到未经稳压且没和电网隔离的直流电压Vo，空载时Vo≈1.414AC1＝1.414[C1/(C1+C2)]×ACin(公式二)。Q1Q2及其外围元件构成的稳压器其静态电流很小，输入电压范围大，在工作时其功耗很小，Q1Q2的耐压需大于Vo。由C1所决定的最大短路电流Imax＝ACinωC1(公式三)，其中ω为交流输入电压角频率。有负载时，根据最大传输原理，当负载逐渐加大，其最大功率输出发生在1/2×Vo时，此时电流Io＝K×1/2×Imax(公式四)，可称Io为最大工作电流，K是当所选的Vo较高时使C1两端电压略有下降而产生的一个系数，K＝(1.414ACin-1/2×VCC)/1.414ACin(公式五)，K还和全波或半波整流有关，半波整流时的K值约为全波整流的一半，全波整流时K≈0.9-1.0，半波整流时K≈0.45-0.5。这样，当继电器不动作时，稳压器及芯片的电流很小可近似看为空载，电容降压整流输出电压为Vo；当继电器动作时，电容降压整流输出电压为1/2×Vo，或一般的取为略大于1/2×Vo，只要我们很据继电器所需要的工作电流和电压，依照上述公式即可计算出C1和C2的数值，以下将在具体实施方式中以实际应用电路举例说明计算方法。

本发明对空调进行功率因数补偿的效果是显著的，使用电度表即可直接测量出，这里给出一个大致估算法：小1匹空调的工作电流约4安培，是感性负载，若在本发明中，使用的C1为5微法，其功率因数补偿电流约为0.35安培，是容性的，相位几乎和感性负载完全相反，则大致耗电只有(4-0.35)/4≈91％，即节电约9％；同理，若使用的C1为10微法，节电约17.5％；所节电的数值可以通过电度表直接测量验证出。随着材料和工艺的进步，现在生产高电压大容量的电容已经很容易了，比如CBB电容和独石电容，价格并不高，无极性电解电容也容易得到。为了更好地进行功率因数补偿，C1的取值还可以再大一些，对节能有好处。本发明节能效果显著，对有效利用能源将起到很大的作用。

继电器直接使用电容降压整流的输出电压，不必稳压。我们注意到继电器不动作时电容降压整流输出电压为Vo，当继电器动作时，电压降为1/2×Vo或一般的取为略大于1/2×Vo，这样刚好满足了继电器的维持电流小于吸合电流的特点，使得继电器工作时的消耗功率很小，节约了能源。

具有功率因数补偿的电容降压整流稳压电源中的Q1Q2及其外围元件构成的稳压电路空载输入电压约12伏，输出电压为4伏。本功率因数补偿型空调综合节能器控制电路采用低功耗设计，继电器不动作时静态总耗电只有约2毫安，即静态功耗仅有约0.024瓦；因功耗很小，又为了方便检测空调工作电流时有一个参考地电位，本发明只采用D1半波整流。当电网中有电冰箱、日光灯、电风扇、节能灯等低功率因数的电器存在时，本功率因数补偿型空调综合节能器能起功率因数补偿作用，可以常年工作，因具有节能效果，所以其本身这么小的静态功耗是可以完全忽略的。

2、空载自动关机：普通空调的待机能耗偏高，使用本发明，当空调关闭后十五分钟，本发明将检测到空载并自动切断空调电源。本发明的静态功耗只有约0.024瓦，仅为普通空调待机电耗的几百分之一，相比之下可以忽略。为减少电压降，空调工作电流检测采用两个肖特基二极管反向并联如图2中的D3D4所示，肖特基二极管的电压降只有0.3伏，对于峰值电压约310伏的220伏交流电来说，所引起的电压损耗不到0.1％，比通常采用电流互感器检测电流的方案效率更高。整流二极管采用锗管，小电流时其正向电压降只有0.1伏，当空调开通时，可在C11上形成约0.2伏的电压，足以使自动关机检测运放IC1-1检测到空调是否在运行。当空调运行达到设定温度时，其压缩机间歇停止的时间只有几分钟，不会产生误动作，而只有当空调关闭运行十五分钟后，即本发明检测到空调空载十五分钟后将自动切断空调电源，节省了空调偏高的待机电耗。

3、空调低温限制：不少家庭和特别是很多单位空调温度都调得的偏低，不利于节能减排，本发明设有温度检测，当温度检测运放IC1-2和热敏传感器RT检测到室内温度低于26℃时，本发明自动取代空调内的温度控制，通过继电器切断空调电源使空调压缩机停止运行，当温度上升约1℃至2℃后恢复运行，其运行控制过程和原来空调的方法相同；当然，如果你不愿意让本空调综合节能器控制你的空调，把温度按规定调高就可以了。此项功能是响应国务院的节约措施，强制不让空调工作在太低的温度下，以节约电能。

4、无人活动或睡眠自动调高温度：当办公室无人活动十几分钟后，本发明通过人员活动检测，通过单片机以控制温度检测运放IC1-2的阈值，使温度检测阈值提高1℃或2℃，以节约电能，人员活动检测是一个通用的热释电红外探测器电路，能检测是否有人员在活动；当晚上家庭人员睡觉时，因家庭人员睡觉时不会开很亮的灯光，本发明通过以IC1-3和光敏传感器RL组成的光线检测电路，当检测到光线变暗约十几分钟或半小时后控制温度检测运放IC1-2的阈值，使温度检测阈值提高1℃或2℃，实现无人活动或睡眠自动调高温度，以节约电能。为简化或降低成本，本发明适用于办公室时，可以省去光线检测电路，适用于家庭时，可以省去人员活动检测。

此外，本发明还可以轻易地顺便实现停电后突然再来电空调自动延时几分钟开机的停电保护功能，以保护空调的压缩机。

本发明的有益效果是：提供了一种功率因数补偿型空调综合节能器，能对空调和其它感性负载进行功率因数补偿；此外，本发明还具有空载自动关机、空调低温限制以及无人活动或睡眠自动调高温度等功能，这其中的每一项对空调都具有节能效果。本发明对空调进行综合节能的节能效果十分显著。

以上仅以空调制冷为例描述本发明的节能方法，同样也适用于空调制热的节能控制。需要说明的是，在本发明功率因数补偿型空调综合节能器之基础上，增加或减少某些功能，所制造的产品仍应在本发明的保护范围之内。

下面结合附图和一个具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1本发明功率因数补偿型空调综合节能器的解决方案示意图；

图2本发明功率因数补偿型空调综合节能器的电路原理图；

图3本发明功率因数补偿型空调综合节能器的遥控接收整形之红外线遥控接收模块原理及外形图；

图4本发明功率因数补偿型空调综合节能器的人员活动检测之热释电红外线探测器原理图。

具体实施方式

1、见图1本发明功率因数补偿型空调综合节能器的解决方案示意图，整个电路以功率因数补偿电路为基础，以单片机为核心，遥控接收整形、温度检测、光线检测、自动关机检测、人员活动检测为输入控制，继电器为输出控制，而形成功率因数补偿型空调综合节能器。

2、见图2本发明功率因数补偿型空调综合节能器的电路原理图，以一个例子来说明功率因数补偿电路各个元件参数的计算方法：若交流电源电压ACin＝220V，交流电源频率50Hz，根据所选用的继电器为12伏100毫安，计算一个空载输出电压Vo＝12V，最大工作电流Io为100mA的直流电源，根据公式三和公式四，Imax＝0.2A，C1＝Imax/ACinω＝0.2/(220×6.28×50)≈2.9E-6(F)＝2.9UF，这是C1的最小值，C1的取值大一些，对功率因数补偿有好处，可采用5.0微法或5.1微法630伏的电容，此时可输出最大电流按5.0/2.9≈1.75的比值可达175mA；为了更好地进行功率因数补偿，C1的取值还可以再大一些，比如可取C1为10微法；定下C1后，根据公式二，可得C2＝(C1×ACin/0.707Vo)-C1＝(5.0×220/0.707×12)-5.0≈124UF，可采用100微法和22微法50伏的无极性电解电容并联使用；电解电容C3的选取方法和普通直流电源相同，可选用220微法50伏，稳压管DZ1是用来吸收电网中的脉冲电压或本电源电路在极端情况下如刚断电又立刻通电时所可能出现的瞬态电压，其取值可比Vo大25％-30％，即比交流电压输入最高时的Vo值略高，可选用15V/3W或瞬态电压抑制二极管P6KE15A(15V/5W、瞬态峰值功率600W/1ms)，DZ1在正常工作时并不耗电；此电路在空载时没有任何消耗功率的元件，只是一个由以C1为主由C1C2构成的功率因数补偿电路。此电路空载功耗为零，最大输出电压为12伏，当继电器吸合后，由于Vo有所下降，继电器的吸合电流也会随之下降，此时原为12伏100毫安的继电器所消耗的功率将会减少很多，刚好满足了继电器的维持电流小于吸合电流的特点，对减少功耗有利。

功率因数补偿电路后面接一个输出电压为4伏的稳压电源，可如图2所示采用分立元件搭成；也可直接采用HT7104或国产7104、7104-1、7104-1等微功耗低压差稳压IC，输出电压4V，最大输出电流30mA，静态电流为4-5微安。因整体电路采用微功耗设计，稳压电源所提供的电流为：IC1-LM324约1毫安，IC2-EM78P153S约小于0.1毫安，遥控接收整形之红外线遥控接收模块其电流约为0.5毫安，人员活动检测之热释电红外线探测器为采用SS0001的微功耗电路，其电流约为0.1毫安，整机总电流小于2毫安。

IC1-1为空调工作电流检测，采用两个肖特基二极管反向并联如图2中的D3D4所示，肖特基二极管的电压降只有0.3伏，对于峰值电压约310伏的220伏交流电来说，所引起的电压损耗不到0.1％，比通常采用电流互感器检测电流的方案效率更高。整流二极管采用锗管，小电流时其正向电压降只有0.1伏，当空调开通时，可在C11上形成约0.2伏的电压，足以使自动关机检测运放IC1检测到空调是否在运行，当检测到空调运行时IC1-1输出高电平，由P50口送入以供单片机判断电流的变化，当连续十五分钟没有电流时通过继电器自动关掉空调电源。IC1-2和热敏电阻RT组成温度检测，当检测到室内温度低于26℃时，IC1-2输出由低电平变为高电平，由于IC1-2接成斯密特触发器，在R19的作用下，当室内温度又高出约1℃至2℃时，IC1-2输出又从高电平变为低电平，由P52口送入以供单片机判断温度的变化，当检测到室内温度低于26℃时，空调综合节能器自动取代空调内的温度控制，通过程序控制切断空调电源使空调压缩机停止运行，当温度上升约1℃至2℃后又恢复运行，其控制过程和原来空调的方法相同。D7R17的作用是，当人员活动检测检测到无人员活动或光线检测检测到光线不足又经过适当的延时后，单片机P53口输出由高电平变为低电平，提高了IC1-2的温度检测阈值，使IC1-2的检测温度提高1℃或2℃，以实现无人活动或睡眠自动调高温度。IC1-3和光敏传感器RL组成的光线检测电路，当光线变暗时，IC1-3输出高电平，由P60口送入以供单片机判断光线的变化。遥控接收整形的输出信号由P62口、人员活动检测信号由P61口送入单片机，供单片机判断是否有遥控信号或是否有人员在活动，以控制空调开机和相应调整空调的温度设置。微动开关K可用于增加一些其它的控制功能，如短按一下可开机，长按一下可取消无人活动或睡眠自动调高温度功能，根据设计需要还可适当增加微动开关和LED指示灯。整个电路以单片机为核心，通过软件控制，实现本发明内容所述的2空载自动关机、3空调低温限制、4无人活动或睡眠自动调高温度以及停电后空调自动延时保护等功能。

3、遥控接收整形之红外线遥控接收模块采用空调常用的SFH红外遥控接收模块，其工作电流仅为0.5mA，内部组成原理和外形图见图3，由Uo1送出检测信号，从P62口送入单片机。

4、人员活动检测之热释电红外线探测器原理图见图4。此探测器采用热释电红外线传感器，控制集成块采用微功耗的SS0001，是一个通用的热释电红外线探测器电路，由SS0001的输出管脚2送出检测信号，从P61口送入单片机。

Claims (3)

1、功率因数补偿型空调综合节能器，能对空调进行功率因数补偿，还具有空载自动关机、空调低温限制以及无人活动或睡眠自动调高温度等节能功能。

2、根据权利要求1所述的功率因数补偿型空调综合节能器，其特征在于：整个电路以功率因数补偿电路为基础，以单片机为核心，遥控接收整形、温度检测、光线检测、自动关机检测、人员活动检测为输入控制，继电器为输出控制。

3、根据权利要求1所述的功率因数补偿型空调综合节能器，其特征在于：电流检测采用两个肖特基二极管反向并联取样，小电流整流二极管采用锗管。

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