CN115427657A - 用于借助太阳能电源驱动建筑物中的关闭或遮挡部件的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于借助太阳能电源(1)驱动建筑物中的关闭构件(9)的设备，它包括机械地联接到所述关闭构件的至少一个低压AC电机(3)、DC电能储能器元件(2)以及输送DC电压的太阳能电源。该电能储能器元件具有低于所述有效电压且大于由太阳能电源输送的DC电压的额定电压。DC‑DC充电器(4)将来自太阳能电源的输出电能转换成具有电能储能器元件的充电电压的电能。DC‑AC转换器(5)将具有电能存储元件的DC输出电压的电能转换成具有能为所述电机供电的AC电压的电能。

Description

用于借助太阳能电源驱动建筑物中的关闭或遮挡部件的设备

技术领域

本发明涉及建筑物中的机动化关闭或遮挡部件的领域。

背景技术

建筑物中的机动化关闭或遮挡部件可以是例如用于门或窗的卷帘、百叶窗、车库门。操纵关闭或遮挡部件所需的驱动扭矩取决于要移动的质量。

如果需要移动小的质量，例如，对于窗或门的卷帘，或者对于小的百叶窗，所需的驱动扭矩相对较低，小于10Nm。在这种情况下，可以容易地使用太阳能电源，例如输送直流电压的太阳能电池板，其直接为直流电压电能储能器元件供电，该电能储能器元件能够直接为具有12V量级的额定电压的直流电机供电，并且其机械地耦合到关闭或遮挡部件。然后，该系统可以完全自主地操作，不需要安装或移除电缆，并且不需要提供连接到公共配电网络的电源。

例如，文献WO 2018/216023A1描述了一种用于通过太阳能电源驱动建筑物中的关闭部件的设备，该太阳能电源由本身形成遮挡部件的光伏板构成。光伏板将直流电压输送到蓄电池。控制电路控制用于驱动关闭部件的电机的操作。该文献没有描述交流电机的使用。该设备还包括DC-AC转换器，其将具有电能储能器元件的直流输出电压的电能转换成具有在输出端子上可用的交流电压的电能，用于为各种传统的交流装置供电。该文献没有描述使用DC-AC转换器为电机供电。该设备可以适用于驱动低质量的遮挡部件。

然而，如果需要移动较大的质量，例如对于大的百叶窗或车库门，则所需的驱动扭矩可能大得多，通常大于10Nm。然后使用交流电机，其在230V的标准电源电压下操作，该电压由公共电力分配网络供应。然后，系统不能完全自主地操作，并且它需要安装电力电缆。

发明内容

本发明提出的问题涉及设计一种用于由太阳能电源驱动建筑物中的关闭或遮挡部件的改进设备，该设备一方面能借助于具有足够强度的驱动扭矩机械地驱动所有类型的关闭或遮挡部件，另一方面能由于单独使用太阳能而完全自主地操作。

为此，本发明的目的是使用具有230V额定电压的交流电机作为驱动装置，以便受益于覆盖整个市场的更宽范围的控制协议，受益于相对于等功率直流电机的更低成本，以及受益于由于缺少内部摩擦部件而带来的更好可靠性。于是，问题涉及从输送低压直流电的太阳能电源为这种230V交流电机供电，其中电源组件必须足够小以容纳在用于遮挡或关闭部件的电机外壳中。

为实现这些和其它目的，本发明提出一种用于驱动建筑物中的关闭或遮挡部件的设备，该设备包括：

-至少一个电机，该电机机械地联接到所述关闭或遮挡部件；

-直流电能储能器元件；

-输送直流电压的太阳能电源；

-DC-AC转换器，其将具有所述电能储能器元件的直流输出电压的电能转换成具有交流输出电压的电能；

其中：

-所述电机是具有在50V至1,000V之间的范围内的有效电压的低压交流电机；

-所述太阳能电源输送低于所述电机的有效电压的直流电压；

-所述电能储能器元件具有低于所述有效电压并且大于由所述太阳能电能源输送的直流电压的额定电压；

-DC-DC充电器，其将所述太阳能电源的输出电能转换成具有所述直流电能储能器元件的再充电电压的电能；

-所述DC-AC转换器为所述交流电机供电。

有利地，电机的有效电压约为230V。这样，可以以较低的成本使用在大型遮挡或关闭部件领域中最常见和大量生产的电机。

根据另一方面，本发明的目的是使设备的效率最大化，以便在由设备的可允许空间限制的体积中提供足够的能量自主性，从而即使在低太阳辐射和/或形成太阳电能源的小太阳能电池板的情况下也能驱动关闭部件。

为实现这些和其它目的，可以有利地设想，电能储能器元件的额定电压在大约24V至30V的范围内，从而提供了一种良好的折衷方案，该折衷方案优化了电子电路的效率，该电子电路一方面将太阳能电源的直流电能转换成被输送到电能储能器元件中的直流电能，并且另一方面将电能储能器元件的直流电能转换成被输送到交流电机的交流电能。

此外，为了优化能量效率，可以有利地设想，DC-DC充电器由控制电路控制，该控制电路调节从太阳能电源提取的电压和电流，以便保持尽可能接近太阳能电源的最大功率点。

此外，为了优化能量效率，而且也为了减小设备的尺寸以允许将其引入到常用的电机外壳中，可以有利地将DC-AC转换器设置为具有两个连续(相继)级的转换器，包括升压DC-DC转换器形式的第一级，其将电能储能器元件的直流电压转换为至少等于为电机供电的最终电压的波的峰值电压的直流输出电压，并且还包括第二级，其将第一级的直流输出电压转换为具有适当形状和幅度的正弦交流电压，以便为电机供电，使得第二级为电机供电。

第一级可以包括电子开关的H桥，其输入点在电能储能器元件的端子处，并且其接合点为升压变压器的初级线圈供电，该升压变压器的次级线圈为提供所述直流输出电压的整流器元件供电。升压变压器可以是能在高频下工作的平面变压器，从而其体积被减小并且其是高效的。为了使变压器和电子开关中的损耗最小化，在50kHz下运行可能是有利的。

第二级可以包括电子开关的H桥，其输入点在整流器元件的端子处，其接合点通过低通滤波器向电机供电，电子开关由微控制器控制，该微控制器被编程为执行双极脉宽调制，以产生具有可变占空比时隙(variable duty cycle slots)的输出电压，该输出电压在由低通滤波器滤波之后以基本上正弦的单相电压为电机供电。

根据另一方面，本发明提出了一种建筑物中的关闭或遮挡部件，其设置有如上所限定的驱动设备。

附图说明

本发明的其他目的、特征和优点将从以下参照附图提供的具体实施例的描述中变得明显，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的设备的功能框图，其示出了设备的主要组件；

图2是根据本发明的一个实施例的DC-DC充电器的电气图，该DC-DC充电器用于从太阳能电源向直流电能储能器元件供电；

图3是根据本发明的一个实施例的升压DC-DC转换器的电气图，其完成了DC-AC转换器的第一级；

图4是根据本发明的一个实施例的DC-AC转换器的第二级的电气图；

图5是示出了向交流电机供电的DC-AC转换器的输出电压的双极脉宽调制波形的时间图；以及

图6示出了根据本发明的太阳能电源和所有电子电路在电机外壳中的定位，所述电子电路用于向用于驱动关闭或遮挡部件的电机供电。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的设备总体上包括太阳能电源1、电能储能器元件2和交流电机3。

太阳能电源1是直接以电的形式传递能量的光伏太阳能电池板的形式。该太阳能电源1的输出电压在约12至18V的范围内，即光伏太阳能电池板的输出电压的通常范围。光伏板的输出功率必须相对于分配给其的低表面积尽可能高。具有约5或6W的峰值的典型功率可以是合适的。因此，用于光伏板的技术必须是相当有效的，例如单晶或多晶类型的。

交流电机3是能够由单相电压供电的类型，该单相电压在50和1,000伏之间的范围内是有效的，有利地约为230V，并且能够输送10Nm到80Nm的额定转矩，例如约50Nm的额定转矩。

电能储能器元件2的额定电压在约24至30V的范围内，从而形成由太阳能电源1输送的额定电压与电机3的额定电源电压之间的中间电压，允许更容易地实现操作电机3所需的电压。在实践中，该电能储能器元件2是串联连接的电池组。每个储能器都是具有3.6V的额定电压和至少2,600毫安时的单位容量的锂离子电池。因此，该电能储能器元件2可以例如通过串联放置8×3.6V电池来制成。

为了允许电能储能器元件2被从具有大约12到18V的较低额定电压的太阳能电源1以范围在约24和30伏之间的额定电压再充电，DC-DC充电器4插入在太阳能电源1和电能储能器元件2之间，该DC-DC充电器将太阳能电源1的低输出电压电能转换成用于对电能储能器元件2再充电的电压的电能。

为了使电机3能够被具有约24至30V的直流额定电压的电能储能器元件2以大约230V的单相交流电压供电，具有两个级5a和5b的DC-AC转换器5插入在电能储能器元件2和电机3之间，该DC-AC转换器将电能储能器元件2的直流输出电压电能转换成具有能够为交流电机3供电的交流输出电压的电能。

DC-AC转换器5的输入端子50和51连接到电能储能器元件2的端子42和43，而输出端子52和53连接到交流电机3。

无线电接收器6接收由远程发射器8发射的无线电控制信号7，以便控制电机3的启动。无线电控制信号7是几十毫秒的帧的形式，包含旋转方向信息。在接收到该无线电控制信号7时，无线电接收器6向DC-AC转换器5发送相应的命令60，以便向电机3供电，该电机以适当的方向致动关闭或遮挡部件9。

现在将参照图2，其示出了本发明的一个实施例，用于从太阳能电源1向直流电能储能器元件2供电所用的DC-DC充电器4。

在该实施例中，DC-DC充电器4是并联斩波器型的升压转换器，其输入端子40和41连接到太阳能电源1，其输出端子42和43连接到电能储能器元件2。DC-DC充电器4包括MOSFET型(绝缘栅场效应晶体管)的电子开关44，其由包括微控制器47b和整形电路47a的控制电路控制。电子开关44的源极-漏极电路与电感器45串联连接到输入端子40和41，并且其栅极46通过整形电路47a接收由微控制器47b生成的脉冲控制信号。电容器48连接到输出端子42和43，肖特基二极管49连接在电子开关44和电容器48之间。

微控制器47b包括记录的程序，通过该程序，微控制器47b扫描输入端子40和41处的电压信息，扫描由太阳能电源1传送的电流信息，并控制电子开关44的切换，以便保持尽可能接近太阳能电源1的最大功率点，该最大功率点接近由太阳能电源1传送的最大电压的80％。该程序可以是通常称为MPPT(最大功率点跟踪)的类型，这是本领域技术人员在使用太阳能电池板时公知的。

微控制器47b也被编程，以便在每个时刻将电池的再充电电压保持在良好的电平，同时如果必要的话限制电流，特别是当再充电超过形成电能储能器元件2的电池的满电荷的80％时。

微控制器47b也可以被编程，以通过控制与电阻器相关联的晶体管来平衡串联在电能储能器元件2中的电池的电荷，所述电阻器在必要时从电池释放过剩能量。

现在将参考图3和4，其示出了用于从由电能储能器元件2输送的直流电压电能向交流电机3供电的DC-AC转换器5的发明实施例。

图3示出了DC-AC转换器5的第一级5a，其实现了升压DC-DC转换器功能，用于将电能储能器元件2的相对低的直流电压转换成具有足够高的值的直流电压，至少等于预期用于为交流电机3供电的最终交流电压波的峰值电压。

在所示的实施例中—为了效率起见可以选择该实施例，第一级5a基本上包括四个电子开关52a、52b、52c和52d的H桥，每个电子开关有利地是MOSFET类型(绝缘栅场效应晶体管)。电子开关52a和52b都串联连接在输入端子50和51之间，并且它们的连接点55a连接到升压变压器54的初级线圈的第一端子，类似地，电子开关52c和52d都串联连接在输入端子50和51之间，并且它们的连接点55b连接到升压变压器54的初级线圈的第二端子。

电子开关52a、52b、52c和52d的栅极通过整形电路56和57接收由微控制器58在其输出58a和58b上产生的脉冲控制信号。微控制器58被编程为相继地通过其输出58a控制电子开关对52a和52d的导通，然后通过其输出58b控制电子开关对52b和52c的导通，从而在变压器54的初级侧产生具有1/1占空比的方波电源。

升压变压器54的次级线圈连接到整流器元件59的输入，在所示实施例中，该整流器元件是由四个二极管59a、59b、59c和59d构成的整流器桥，并且与一个或多个滤波电容器59e相关联，以便在输出端子59f和59g上产生整流和滤波的电压。

升压变压器54是高频变压器，它有利地是平面型，能在高频下工作，例如在大约50kHz的频率下工作。这允许利用小体积且紧凑的变压器进行足够的功率传输。在这种平面变压器中，初级绕组和次级绕组各自可以由扁平初级线圈的堆叠构成，每个扁平初级线圈包括彼此电隔离的一个或多个铜层，所述铜层的端部彼此电连接，而磁路由组装的铁氧体磁芯构成。例如，在文献EP 3300090A1或US 7,663,460B2中描述了这种平面变压器的示例。作为示例，通过使用由中国公司陕西金石电子公司生产和销售的TP32D2402基准平面变压器，可以获得良好的结果。

电子开关52a、52b、52c和52d在相对低的电压下工作，峰值电压等于电能储能器元件2的直流电压，即大约24V到30V。为了产生为电机3供电所需的功率，所传送的电流必须相当高，这需要使用具有非常好的导通状态特征的场效应晶体管。此外，这些电子开关必须具有小于或等于开关期间电流的自然下降的开关速度，以避免在开关期间不必要地耗散太多能量。

现在参考图4，其示出了DC-AC转换器5的第二级5b。该第二级将第一级5a的直流输出电压转换为能够为电机3供电的正弦交流电压。在所示实施例中，该第二级5b是由四个电子开关15a、15b、15c和15d构成的H桥的形式，每个电子开关有利地是MOSFET类型(绝缘栅场效应晶体管)。电子开关15a和15b都串联连接在输入端子59f和59g之间，并且它们的连接点15e通过低通滤波器15连接到第一输出端子52。类似地，电子开关15c和15d都串联连接在输入端子59f和59g之间，并且它们的连接点15f通过相同的低通滤波器15连接到第二输出端子53。

电子开关15a、15b、15c和15d的栅极接收由微控制器15g在其相应的输出上产生的脉冲控制信号。微控制器15g被编程为相继地控制电子开关对15a和15d的导通以便产生正脉冲11a作为输出，然后电子开关对15b和15c的导通以便产生负脉冲11b作为输出，以此类推，其中双极脉宽调制在连接点15e和15f处产生具有可变占空比时隙的输出电压11，如图5所示。

低通滤波器15可以包括例如串联在连接点15e和输出端子52之间的第一电感器15h、串联在连接点15f和输出端子53之间的第二电感器15i、以及在输出端子52和53之间的电容器15j。在滤波器15的输出端，施加到电机3的电压接近于正弦曲线，如图5中的曲线12所示。

图6示出了用于遮挡或关闭部件的电机壳70、太阳能电源1在电机壳70的表面上的位置、以及由电能储能器元件和上述各种电子电路构成的电子组件71的位置，其允许交流电机被以230V的额定电压供电和控制，以驱动遮挡或关闭部件。

由于上述技术选择，电子组件71特别紧凑，占据基本上为平行六面体的体积，其长度L小于或等于350mm，高度H约为70mm，深度P约为20mm。

这允许电子组件71被容纳在电机壳70内并且处在与太阳能电源1相邻的位置，该太阳能电源本身位于电机壳70的表面上。

本发明不限于已经明确描述的实施例，而是包括包含在所附权利要求的范围内的各种替代实施例和概括。

Claims (11)

1.一种用于建筑物中的关闭或遮挡部件(9)的驱动设备(1-8)，包括：

-至少一个电机(3)，其机械地联接到所述关闭或遮挡部件(9)；

-直流电能储能器元件(2)；

-输送直流电压的太阳能电源(1)；

-DC-AC转换器(5)，其将具有所述电能储能器元件(2)的直流输出电压的电能转换成具有交流输出电压的电能；

其特征在于：

-所述电机(3)是具有在50V至1,000V之间的范围内的有效电压的低压交流电机；

-所述太阳能电源(1)输送低于所述电机(3)的有效电压的直流电压；

-所述电能储能器元件(2)具有低于所述有效电压并且大于由所述太阳能电源(1)输送的直流电压的额定电压；

-DC-DC充电器(4)，其将所述太阳能电源(1)的输出电能转换成具有所述直流电能储能器元件(2)的再充电电压的电能；

-所述DC-AC转换器(5)向所述交流电机(3)供电。

2.根据权利要求1所述的驱动设备，其特征在于，所述电机(3)的有效电压为大约230V。

3.根据权利要求1或2所述的驱动设备，其特征在于，所述太阳能电源(1)的输出电压在约12V至18V的范围内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的驱动设备，其特征在于，所述电能储能器元件(2)的额定电压在约24V至30V的范围内。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动设备，其特征在于，所述DC-DC充电器(4)由控制电路(47a，47b)控制，所述控制电路调节从所述太阳能电源(1)提取的电压和电流，以便保持尽可能接近所述太阳能电源(1)的最大功率点。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的驱动设备，其特征在于，所述DC-AC转换器(5)是具有两个连续级的转换器，包括升压DC-DC转换器形式的第一级(5a)，该第一级将所述电能储能器元件(2)的直流电压转换成至少等于用于为所述电机(3)供电的最终电压的波的峰值电压的直流输出电压，并且包括第二级(5b)，该第二级将所述第一级(5a)的直流输出电压转换成能够为所述电机(3)供电的正弦交流电压。

7.根据权利要求6所述的驱动设备，其特征在于，第一DC-DC级(5a)包括电子开关(52a，52b，52c，52d)的H桥，其输入点(50，51)在电能储能器元件(2)的端子处，并且其接合点(55a，55b)向升压变压器(54)的初级侧供电，该升压变压器的次级侧向提供所述直流输出电压的整流器元件(59)供电。

8.根据权利要求7所述的驱动设备，其特征在于，所述升压变压器(54)是能以高频率运行的平面变压器。

9.根据权利要求8所述的驱动设备，其特征在于，所述第一DC-DC级(5a)的H桥以约50kHz的频率工作。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的驱动设备，其特征在于，第二级(5b)包括电子开关(15a，15b，15c，15d)的H桥，其输入点(59f，59g)在整流器元件(59)的端子处，其接合点(15e，15f)通过低通滤波器(15)向电机(3)供电，所述电子开关(15a，15b，15c，15d)由微控制器(15g)控制，该微控制器被编程为执行双极脉宽调制，以便在接合点15e和接合点15f处产生具有可变占空比时隙的输出电压(11)，该输出电压在被低通滤波器(15)滤波之后以基本上正弦的单相电压(12)向电机(3)供电。

11.一种建筑物中的关闭或遮挡部件，其设置有根据权利要求1至10中任一项所述的驱动设备。

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