CN111656663B - 低频电力载波控制信号的产生方法 - Google Patents

低频电力载波控制信号的产生方法 Download PDF

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Abstract

一种低频电力载波控制信号的产生方法，是令目标控制设备的交流供电电压/电流在n个T周期内产生指定的小幅跳变，每周期内的跳变状态各以一位二进制代码指代，n个T周期内跳变状态的不同组合暨所形成的n位二进制代码的不同组合，在系统中预设对应不同的控制指令。目标控制设备监测到所述电压/电流跳变后，根据预设的n位二进制代码暨跳变状态代码与控制指令的对应规则，即可按相应控制指令实现控制。利用目标控制设备的供电电源线产生及传输控制指令，建设及运营成本低、工作可靠、便于实现多设备的群控制及多档、多功能、精细控制，因而适宜在众多控制领域推广使用。

Description

低频电力载波控制信号的产生方法
技术领域
本发明涉及电气控制领域，更具体地说是涉及一种低频电力载波控制信号的产生方法。
背景技术
随着计算机、电力电子技术和自动控制技术的发展，电气控制技术逐步向着智能化、网络化方向发展，同时，安全性能、工作可靠性、性价比和抗干扰性能仍一直是该领域技术开发人员重点关注的内容。
技术问题
本发明的目的即在于提供一种便于实现智能化网络控制，工作可靠性、性价比和抗干扰性能俱佳的低频电力载波控制信号的产生方法。
问题的解决方案
技术解决方案
本发明低频电力载波控制信号的产生方法具体包括如下内容：令目标控制设备的交流供电电压/电流在n个T周期内产生指定的小幅跳变，每周期内的跳变状态各以一位二进制代码指代(例如：正跳变代码为“1”，负跳变代码为“0”；或者，相反。)；在一个周期T内无跳变时，其代码同上一周期；其中n为2～5000的自然数；两次跳变间的时间间隔≥T；所述电压/电流在n个T周期内跳变状态的不同组合暨所形成的n位二进制跳变状态代码的不同组合，在系统中预设对应不同的控制指令。
本发明低频电力载波控制信号的产生方法是利用目标控制设备的供电电源线产生及传输控制指令；使用前，只需预先在控制端及设备侧分别设置好n个T周期内的不同跳变状态暨不同的n位二进制跳变状态代码与同一/不同设备的同一/不同控制指令的对应关系；使用时，控制端根据指令内容在n个T周期内控制产生相应的交流供电电压/电流小幅跳变，而目标控制设备监测到所述电压/电流跳变后，即可根据预设的n位二进制跳变状态代码与控制指令的对应关系识别出控制指令进而实现相应控制。
本发明方法中，所述控制交流供电电压/电流产生小幅跳变的具体方案可由所属领域技术人员根据使用现场实际结合技术常识自行选用；跳变幅值亦可视不同用电环境及不同应用要求而定，并以不影响用电设备的正常工作及寿命为宜，通常可选用为电压上升/下降0.5～30V(当然，如果设备性能及使用环境允许，该电压跳变可以设计成更大范围)；而从便于检测的角度考虑，跳变幅度常设定为≥电压/电流额定值×0.5％。各次电压跳变，根据所属领域技术人员常识，可以是电压正跳变，也可以是电压负跳变；各次电流跳变，可以是电流正跳变，也可以是电流负跳变。
由于现有技术中对电压/电流跳变的监控精确度已能达到毫秒级，因此所述T可根据不同应用场合优选设为5ms～20s。假设取T＝20ms、n＝7，则在n×T共140ms的时长内可形成多达27即128种的7位跳变状态代码组合，并可对应为同类型或不同类型的128种不同的控制指令；该方案如应用于调速控制，即表明可在短短140ms内发送超过一百档的调速指令，这显然意味着此方案相当于可对设备某一功能实现连续的、无级调档控制；该方案也可应用于对不同用电负载的不同功能进行控制，例如对某一场景中的空调(含开/关、制冷、制热、除湿、风向、风速等功能)、灯光、音响、电视、换气、监控等多个设备的不同功能进行集群控制。
作为对以上技术方案的进一步优化，为增加控制抗干扰性、扩大适用范围、提高控制效率，还可在系统中预设所述n位二进制跳变状态代码中的其中一位或若干位作为控制信号正式发送的判据；和/或，预设所述n位二进制跳变状态代码中的其中若干位的不同组合，在系统内设置为对应不同用电负载类型，和/或，不同用电设备，和/或，指代不同控制功能。本方案中，作为控制信号正式发送的判据及与不同用电负载类型、不同用电设备、不同控制功能相对应的所述若干位二进制跳变状态代码，在所述n位二进制跳变状态代码中的位置可以是相连的，也可以是不相连的。
本发明方法中的所述控制交流供电电压/电流产生小幅跳变，可采用手动或由其它辅助电路或设备在目标控制设备本地或在供电线路远端产生。以下是优选采用的几种电路及控制规则：
1、方案一
电路部分：包括在目标控制设备的交流供电主回路上串联第一变压器的次级绕组；主要由所述第一变压器的初级绕组与电器元件M、或及第一开关相串联形成的I号支路并联接到目标控制设备的交流供电电源的两极；第二开关并联到所述第一变压器初级绕组或所述电器元件M的两端而形成II号环路；所述电器元件M，可采用工频电抗器或变压器(以下定义为“第二变压器”)或电阻；当所述电器元件M为第二变压器时，所述第一变压器的初级绕组与第二变压器的初级绕组相串联，而第二变压器的次级绕组保持开路或连接轻载荷；当第二开关并联到所述第二变压器的两端时，指的是并联到第二变压器初级绕组的两端；
控制规则包括如下内容：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关保持断开/闭合；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关或及第一开关进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变。
其中，当采用第二开关并联接到所述第一变压器初级绕组两端，同时第一开关串联于I号支路中的方案时，在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时所述第二开关闭合；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，先闭合所述第一开关，然后再按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变；控制信号发送完毕，断开所述第一开关。
本方案中的各所述开关，可采用机电开关，或固态继电器，或双向可控硅，或者两个反向并联的单向可控硅，或者两个反向并联的单向功率电子开关等电器元件。而所述第一变压器和所述工频电抗器/第二变压器/电阻的参数选择，可由所属领域技术人员根据上述技术方案的内容要求并结合具体应用实际确定，显然应使得随着所述第二开关、或及所述第一开关的通/断，在目标控制设备的交流供电主回路上产生便于检测识别、却又不致影响供电主回路上设备的正常工作及寿命的小幅电压/电流跳变为宜。
2、方案二
电路部分：包括在目标控制设备的交流供电主回路上串联第一变压器的次级绕组；主要由所述第一变压器的初级绕组与第一开关相串联形成的I号支路并联接到目标控制设备的交流供电电源的两极；第二开关并联到所述第一变压器初级绕组的两端而形成II号环路；所述第一开关与第二开关电气互锁；
控制规则包括如下内容：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关保持断开/闭合；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变。
3、方案三
电路部分：包括在目标控制设备的交流供电主回路上串联第二开关，该第二开关与目标控制设备的电源输入端连接于点A；自耦变压器的两端抽头分别连接到目标控制设备的交流供电电源的两极；自耦变压器的中部抽头经第一开关连接到所述点A；所述第一开关与第二开关电气互锁；
控制规则包括如下内容：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关保持断开/闭合；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变。
发明的有益效果
有益效果
本发明低频电力载波控制信号的产生方法的优点：
1、通过低频电力线路对目标控制设备产生及发送控制指令，建设及运营管理成本极低，极易实现远程控制；
2、易于在较短时间内轻松实现对不同设备的集群化及多档、多功能、精细化智能网络控制，而且，安全性、工作可靠性、性价比好，具有极佳的抗干扰性能，因而适宜在众多控制领域推广使用。
对附图的简要说明
附图说明
图1是本发明低频电力载波控制信号产生方法一个实施例的控制信号波形图例。
图2是本发明低频电力载波控制信号产生方法另一个实施例的控制信号波形图例。
图3-10是本发明方法及其应用的多个低频电力载波控制信号产生实施例的电路原理示意图。
实施该发明的最佳实施例
本发明的最佳实施方式
本发明低频电力载波控制信号的产生方法实施例6：
本发明方法中的所述控制交流供电电压/电流产生小幅跳变，还可采用如下电路及控制规则产生：
硬件部分：参见图9中的虚框内所示，是在目标控制设备的交流供电主回路上串联第一变压器B1的次级绕组；主要由所述第一变压器B1的初级绕组与第一开关K1相串联形成的I号支路并联接到目标控制设备的交流供电电源的两极；第二开关K2并联到所述第一变压器B1初级绕组的两端而形成II号环路；所述第一开关K1与第二开关K2电气互锁(即第一开关与第二开关不能同时闭合或同时断开)。
控制规则包括如下内容：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关K2保持闭合(当然，也可以保持断开)；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关K2进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变。本发明低频电力载波控制信号的产生方法实施例6：
本发明方法中的所述控制交流供电电压/电流产生小幅跳变，还可采用如下电路及控制规则产生：
硬件部分：参见图9中的虚框内所示，是在目标控制设备的交流供电主回路上串联第一变压器B1的次级绕组；主要由所述第一变压器B1的初级绕组与第一开关K1相串联形成的I号支路并联接到目标控制设备的交流供电电源的两极；第二开关K2并联到所述第一变压器B1初级绕组的两端而形成II号环路；所述第一开关K1与第二开关K2电气互锁(即第一开关与第二开关不能同时闭合或同时断开)。
控制规则包括如下内容：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关K2保持闭合(当然，也可以保持断开)；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关K2进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变。
发明实施例
本发明的实施方式
以下结合附图及实施例对本发明低频电力载波控制信号的产生方法作进一步地说明。
一、本发明低频电力载波控制信号的产生方法实施例1：
令目标控制设备的交流供电电压在4个周期T(T＝2s)内产生一次或多次幅值为0.5V的正跳变，相邻两次跳变间的时间间隔≥2s；4个T周期内跳变状态的不同组合在系统中预设对应不同的控制指令。每周期内的跳变状态各以一位二进制代码指代：正跳变代码为“1”，负跳变代码为“0”，在一个周期T内无跳变时其代码同上一周期，则8s内的跳变状态组合有16种。
应用示例：用于电机调速并将4个周期T(T＝2s)内的16种跳变状态组合对应设置成16档调速指令；以二进制跳变状态代码“0100”对应电机调速至4档的指令，“1001”对应调速至9档的指令，相应的电压跳变波形图如图1所示。
二、本发明低频电力载波控制信号的产生方法实施例2：
令目标控制设备的交流供电电压在6个周期T(T＝20ms)内产生一次或多次幅值为5V的负跳变，相邻两次跳变间的时间间隔≥20ms；6个T周期内跳变状态的不同组合在系统中预设对应不同的控制指令。每周期内的跳变状态各以一位二进制代码指代：正跳变代码为“1”，负跳变代码为“0”，在一个周期T内无跳变时其代码同上一周期，则120ms内的跳变状态组合有64种。
应用：例如可用于空调的不同控制功能如温度、风速、风向等的多档调整，如预设6位二进制跳变状态代码中的前两位的不同组合对应不同控制功能(00为降温，01为升温，10为风速，11为风向)，中间三位的不同组合对应不同控制档位(共8档)，最后一位(预设以0表示信号无误)作为控制信号正式发送的判据。图2中所示的电压跳变波形图的二进制代码为001010，可表示降温5度。
当然，也可以设定首末两位的不同组合对应不同控制功能，中间四位的不同组合对应不同控制档位(共16档)。
三、本发明低频电力载波控制信号的产生方法实施例3：
令目标控制设备的交流供电电压在32个周期T(T＝10ms)内产生一次或多次幅值为2V的负跳变，相邻两次跳变间的时间间隔≥10ms；32个T周期内跳变状态的不同组合在系统中预设对应不同的控制指令。每周期内的跳变状态各以一位二进制代码指代：正跳变代码为“1”，负跳变代码为“0”，在一个周期T内无跳变时其代码同上一周期。将这32位二进制跳变状态代码分作4字节，每字节8位，其中各字节在系统内分别设置为对应不同用电负载类型、不同用电设备、指代不同控制功能及作为信号发送的校验码，从而每字节的8位在8个T周期内的跳变状态最多可有256种不同的组合，并在系统中预设与256种不同的控制指令存在对应关系。
此方案显然可以极方便地根据使用现场实际自主设置并对多个不同用电负载及其电气功能实现智能化的多档、多功能、精细化网络控制，而且工作可靠性、性价比和抗干扰性能俱佳。
四、本发明低频电力载波控制信号的产生方法实施例4：
本发明方法中的所述控制交流供电电压/电流产生小幅跳变，可采用如下电路及控制规则产生：
硬件部分：参见图3-8中的虚框内所示，是在目标控制设备的交流供电主回路上串联第一变压器B1的次级绕组；主要由所述第一变压器B1的初级绕组与电器元件M、或及第一开关K1相串联形成的I号支路并联接到目标控制设备的交流供电电源的两极；第二开关K2并联到所述第一变压器B1初级绕组的两端(如图3、5、6)或并联到所述电器元件M的两端(如图4)而形成II号环路。所述电器元件M，可如图5、7所示采用工频电抗器L，或如图6、8所示采用变压器B2(以下定义为“第二变压器”)，还可以采用电阻替代；当所述电器元件M如图6、8所示采用第二变压器B2时，将所述第一变压器B1的初级绕组与第二变压器B2的初级绕组相串联，而第二变压器B2的次级绕组保持开路或连接轻载荷(例如连接指示灯或电阻等)；当第二开关K2并联到所述第二变压器B2的两端时，指的是并联到第二变压器B2初级绕组的两端，如图8所示。各所述开关，可采用机电开关，或固态继电器，或双向可控硅，或者两个反向并联的单向可控硅，或者两个反向并联的单向功率电子开关等开关器件。
此时，优选配合采用如下例举的控制规则：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关K2保持闭合；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关K2或及第一开关进行通/断操作即可产生所需的电压/电流跳变。
以上介绍的优选控制信号产生规则要求在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时第二开关K2保持闭合，根据所属领域技术人员的常识，只要第一变压器B1次级绕组两端电压Δ的大小设计在目标控制设备可接受的范围内，在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时第二开关K2采用保持断开的方案也是可行的。
图5、6为本发明低频电力载波控制信号产生方法的两个应用示例图：本发明可应用于常规的目标控制设备并为其增加在线、远程及集群控制功能，只需为其配置相应的信号处理单元(主要含电压/电流检测、信号处理和驱动电路)，并设置好电压/电流跳变状态与控制指令的对应关系即可。使用时，目标控制设备通过电压/电流检测电路监控到电压/电流跳变后，信号处理电路根据预设的对应关系识别出具体控制指令，即可通过驱动电路驱动目标控制设备相应的控制端而实现相应控制。
五、本发明低频电力载波控制信号的产生方法实施例5：
本实施例适用于上一实施例中采用将第二开关K2并联到所述第一变压器B1初级绕组的两端，同时I号支路中串联有第一开关K1的方案(可参见图5)；本实施例可采用如下例举的具体控制信号产生规则：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，第二开关K2保持闭合使所述第一变压器的初级绕组的两端形成短接；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，先将第一开关K1闭合，然后再按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变；控制信号发送完毕，断开第一开关K1。
六、本发明低频电力载波控制信号的产生方法实施例6：
本发明方法中的所述控制交流供电电压/电流产生小幅跳变，还可采用如下电路及控制规则产生：
硬件部分：参见图9中的虚框内所示，是在目标控制设备的交流供电主回路上串联第一变压器B1的次级绕组；主要由所述第一变压器B1的初级绕组与第一开关K1相串联形成的I号支路并联接到目标控制设备的交流供电电源的两极；第二开关K2并联到所述第一变压器B1初级绕组的两端而形成II号环路；所述第一开关K1与第二开关K2电气互锁(即第一开关与第二开关不能同时闭合或同时断开)。
控制规则包括如下内容：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关K2保持闭合(当然，也可以保持断开)；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关K2进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变。
七、本发明低频电力载波控制信号的产生方法实施例7：
本发明方法中的所述控制交流供电电压/电流产生小幅跳变，还可采用如下电路及控制规则产生：
电路部分：参见图10中的虚框内所示，是在目标控制设备的交流供电主回路上串联第二开关K2，该第二开关K2与目标控制设备的电源输入端连接于点A；自耦变压器B3的两端抽头分别连接到目标控制设备的交流供电电源的两极；自耦变压器B3的中部抽头E经第一开关K1连接到所述点A；所述第一开关K1与第二开关K2电气互锁；
控制规则包括如下内容：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关K2保持闭合(也可以选择保持断开)；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关K2进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变。
以上内容仅为例举的本发明的一些较佳实施方式，不能视为用于限定本发明的实施形式。凡所属领域技术人员能依本发明技术方案作出的等同变化与改进，均应属于本发明技术方案的涵盖范围之内。
工业实用性
所属领域技术人员根据上文的记载容易得知，本发明技术方案适合在工业中制造并在生产、生活中使用，因此本发明具备工业实用性。

Claims (8)

1.低频电力载波控制信号的产生方法，其特征在于包括采用了如下内容：
令目标控制设备的交流供电电压/电流在n个T周期内产生指定的小幅跳变，每周期内的跳变状态各以一位二进制代码指代；在一个周期T内无跳变时其代码同上一周期；其中n为2~5000的自然数；两次跳变间的时间间隔≥T；
所述电压/电流在n个T周期内跳变状态的不同组合暨所形成的n位二进制跳变状态代码的不同组合，在系统中预设对应不同的控制指令；
同时，还包括采用了如下电路及控制规则：
电路部分：包括在目标控制设备的交流供电主回路上串联第一变压器的次级绕组；主要由所述第一变压器的初级绕组与电器元件M、或及第一开关相串联形成的I号支路并联接到目标控制设备的交流供电电源的两极；第二开关并联到所述第一变压器初级绕组或所述电器元件M的两端而形成II号环路；所述电器元件M，为工频电抗器或第二变压器或电阻；当所述电器元件M为第二变压器时，所述第一变压器的初级绕组与第二变压器的初级绕组相串联，而第二变压器的次级绕组保持开路或连接轻载荷；当第二开关并联到所述第二变压器的两端时，指的是并联到第二变压器初级绕组的两端；
控制规则包括如下内容：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关保持断开/闭合；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关或及第一开关进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变。
2.根据权利要求1所述的低频电力载波控制信号的产生方法，其特征在于：在系统中预设所述n位二进制跳变状态代码中的其中一位或若干位作为控制信号正式发送的判据；和/或，
预设所述n位二进制跳变状态代码中的其中若干位的不同组合，在系统内设置为对应不同用电负载类型，和/或，不同用电设备，和/或，指代不同控制功能。
3.根据权利要求2所述的低频电力载波控制信号的产生方法，其特征在于：作为控制信号正式发送的判据及与不同用电负载类型、不同用电设备、不同控制功能相对应的所述若干位二进制跳变状态代码，在所述n位二进制跳变状态代码中的位置相连或不相连。
4.根据权利要求1所述的低频电力载波控制信号的产生方法，其特征在于：所述T为5ms~20s。
5.根据权利要求1所述的低频电力载波控制信号的产生方法，其特征在于：各次电压跳变，为电压正跳变或电压负跳变；各次电流跳变，为电流正跳变或电流负跳变。
6.根据权利要求1至5之一所述的低频电力载波控制信号的产生方法，其特征在于当采用第二开关并联接到所述第一变压器初级绕组两端，同时第一开关串联于I号支路中的方案时，在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时所述第二开关闭合；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，先闭合所述第一开关，然后再按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变；
控制信号发送完毕，断开所述第一开关。
7.根据权利要求1至5之一所述的低频电力载波控制信号的产生方法，其特征在于还可以采用如下电路及控制规则：
电路部分：包括在目标控制设备的交流供电主回路上串联第一变压器的次级绕组；主要由所述第一变压器的初级绕组与第一开关相串联形成的I号支路并联接到目标控制设备的交流供电电源的两极；第二开关并联到所述第一变压器初级绕组的两端而形成II号环路；所述第一开关与第二开关电气互锁；
控制规则包括如下内容：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关保持断开/闭合；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变。
8.根据权利要求1至5之一所述的低频电力载波控制信号的产生方法，其特征在于还可以采用如下电路及控制规则：
电路部分：包括在目标控制设备的交流供电主回路上串联第二开关，该第二开关与目标控制设备的电源输入端连接于点A；自耦变压器的两端抽头分别连接到目标控制设备的交流供电电源的两极；自耦变压器的中部抽头经第一开关连接到所述点A；所述第一开关与第二开关电气互锁；
控制规则包括如下内容：在系统上电初始状态及目标控制设备工作于稳态时，所述第二开关保持断开/闭合；而在需要对目标控制设备发送控制信号时，按预设的控制指令与n位二进制跳变状态代码的对应规则，对所述第二开关进行通/断操作以产生相应的电压/电流跳变。
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