CN203502488U - 空调器的电能检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种空调器的电能检测装置,其包括:对输入交流电进行采样以获取电压瞬时值的电压采样模块;对输入交流电进行采样以获取电流瞬时值的电流采样模块,电流采样模块包括霍尔电流传感器,霍尔电流传感器串联在输入交流电的火线上;控制器模块,控制器模块与电压采样模块和电流采样模块相连,控制器模块根据电压瞬时值和电流瞬时值计算空调器在预设时间段内的电能信息;将输入交流电转换为预设电压值的输出直流电以为电压采样模块、霍尔电流传感器和控制器模块供电的电源模块。该电能检测装置通过增加电压采样模块和电流采样模块,就能实现空调器的电能检测,大大降低了成本,并且电流采样模块采用霍尔电流传感器,提高了检测精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及空调技术领域,特别涉及一种空调器的电能检测装置。
背景技术
随着能源价格的不断提高,空调的能耗越来越受到人们的关注,各空调厂家都在加强空调用电管理方面的研究。目前,市场上已有个别的空调产品带电能测量功能,主要是通过增加电表功能模块的方式来实现的。
现有技术中,有一种空调电能控制装置1000,如图1所示,其在空调上安装使用带表计量IC的模块即外置式电能模块,采样整机的电流、电压等信息,输出整机的实时功率等信息,并将信息发送给空调主控MCU,空调主控MCU通过接收、分析、响应这些信息,调整空调的运行参数,达到节能的目的。
但是,该技术存在以下缺点:
1、采用外置式电能模块需要专门的电表计量芯片和电源电路,成本较高;
2、外置式电能模块上一般有独立的RC阻容降压电源电路,该RC阻容降压电源电路的可靠性低;
3、外置式电能模块体积较大,设计时要保证足够的电气间隙,结构安装设计复杂,不利于装到空调器内,尤其是体积较小的分体机内;
4、如在目前空调室内主控MCU上增加直接采集计算交流电信息,由于空调室内主控MCU一般都是采用隔离的开关电源,难以采集整机的电压和电流信号,而且室内主控MCU采用8位MCU控制,芯片的运算能力不够,无法有效地检测整机电量信息。
此外,目前电流检测的方法是:在采样电路中采用电流互感器,电流互感器的作用把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流,二次电流接入电阻负载,把电流信号转换为电压信号。单片机AD采样引脚实时对该电压进行AD采样。由于电流互感器要承受空调最大运行时可达20A以上的电流,空调正常运行的电流也为A级。在通过一次电流较大的情况下,输出的二次电流电流较大,单片机AD采样引脚上的电压精度较高;但在通过一次电流较小的情况下(例如空调处于送风模式运行等),输出的二次电流较小,单片机AD采样引脚上的电压变化较小,如果单片机在空调小电流运行时,通过此方式采样电流进行电量运算,结果往往误差较大。并且,变频空调器运行频率往往不处于50Hz,对于在非50Hz下运行电流互感器工作区会发生变化,大大增加软件上的校正补偿等处理,处理的复杂度大大增加,还降低了精度。
实用新型内容
本实用新型的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
为此,本实用新型的一个目的在于提出一种空调器的电能检测装置,只需在原空调电路上增加电压采样模块和电流采样模块,就可以实现空调器的电能检测,大大降低了成本,并且电流采样模块采用霍尔电流传感器,提高了检测精度。
为达到上述目的,本实用新型提出的一种空调器的电能检测装置,包括:对空调器的输入交流电进行采样以获取所述输入交流电的电压瞬时值的电压采样模块;对所述空调器的输入交流电进行采样以获取所述输入交流电的电流瞬时值的电流采样模块,所述电流采样模块包括霍尔电流传感器,所述霍尔电流传感器串联在所述输入交流电的火线上;控制器模块,所述控制器模块与所述电压采样模块和电流采样模块相连,所述控制器模块根据所述输入交流电的电压瞬时值和所述输入交流电的电流瞬时值计算所述空调器在预设时间段内的电能信息;以及将所述输入交流电转换为预设电压值的输出直流电的电源模块,所述电源模块与所述电压采样模块、所述霍尔电流传感器和所述控制器模块相连,所述电源模块通过所述输出直流电为所述电压采样模块、所述霍尔电流传感器和所述控制器模块供电。
根据本实用新型提出的空调器的电能检测装置,只需在原有空调电路上增加电压采样模块和电流采样模块,不需要额外的电源和控制芯片,利用控制器模块较强的性能和硬件特性就可以实现对空调器的电能检测,通过检测的电能信息实现对空调器的节能控制,因此减小了电控板的面积,大大降低了系统的成本,并且还提高了系统的可靠性。尤其是电流采样模块采用了霍尔电流传感器,大大提高了电流检测的精度,进而提高了空调器电能的检测精度。
其中,所述电流采样模块还包括:第一电容,所述第一电容的一端与所述霍尔电流传感器的电源管脚和所述电源模块的直流电正极分别相连,所述第一电容的另一端接地;第二电容,所述第二电容的一端与所述霍尔电流传感器的过滤管脚相连,所述第二电容的另一端和所述霍尔电流传感器的地管脚共同接地;所述霍尔电流传感器的电流采样输入管脚与所述输入交流电的火线输入端相连,所述霍尔电流传感器的电流采样输出管脚与所述输入交流电的火线输出端相连,所述霍尔电流传感器的模拟输出管脚与控制器模块的电流检测端相连。
进一步地,所述电压采样模块包括:整流桥,所述整流桥的输入端与所述空调器的输入交流电相连;第一电阻,所述第一电阻的一端与所述整流桥的正输出端相连;第二电阻,所述第二电阻的一端与所述第一电阻的另一端相连,所述第二电阻的另一端与所述整流桥的负输出端和地分别相连;双向二极管,所述双向二极管的第一端和第二端相连后与所述第二电阻的另一端相连,所述双向二极管的第三端接地,所述双向二极管的第四端与所述电源模块的直流电正极相连;构成阻容滤波单元的第三电阻和第三电容,所述第三电阻的一端与所述第二电阻的另一端相连,所述第三电阻的另一端与所述第三电容的一端相连,所述第三电容的另一端接地,所述第三电阻和第三电容之间的节点与所述控制器模块的电压检测端相连。
优选地,所述电源模块为非隔离型开关电源。
优选地,所述电能信息包括电压有效值、电流有效值、有功功率、视在功率和功率因数。
其中,所述控制器模块根据以下公式计算所述预设时间段内的所述电压有效值:
其中,V为所述电压有效值,n为在所述预设时间段内采样的个数,n为大于等于1的整数,v(k)为所述电压瞬时值。
所述控制器模块根据以下公式计算所述预设时间段内的所述电流有效值:
其中,I为所述电流有效值,i(k)为所述电流瞬时值。
并且,所述控制器模块根据以下公式换算得到所述电流瞬时值:
i(k)=(Vout-0.5Vcc)/0.066
其中,Vout为所述霍尔电流传感器的输出电压,Vcc为所述预设电压值的输出直流电。
所述控制器模块根据以下公式计算所述预设时间段内的所述有功功率:
其中,Pj为所述有功功率。
本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为现有技术的一种空调电能控制装置的示意图;
图2为根据本实用新型实施例的空调器的电能检测装置的方框示意图;
图3A-图3D为根据本实用新型一个实施例的空调器的电能检测装置的分解电路示意图;
图4为霍尔电流传感器ACS71230A量程电流电压对应关系图;以及
图5和图6为两种电压采样的波形图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本实用新型,而不能解释为对本实用新型的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本实用新型。此外,本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外,本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子,但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外,以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例,也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例,这样第一和第二特征可能不是直接接触。
在本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参照下面的描述和附图,将清楚本实用新型的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中,具体公开了本实用新型的实施例中的一些特定实施方式,来表示实施本实用新型的实施例的原理的一些方式,但是应当理解,本实用新型的实施例的范围不受此限制。相反,本实用新型的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
下面参照附图来描述本实用新型实施例提出的空调器的电能检测装置以及空调器的电能检测方法。
图2为根据本实用新型实施例的空调器的电能检测装置的方框示意图。如图2所示,该空调器的电能检测装置2000包括电压采样模块10、电流采样模块20、控制器模块30和电源模块40。
其中,电压采样模块10用于对空调器的输入交流电(L、N)进行采样以获取输入交流电的电压瞬时值,电流采样模块20用于对空调器的输入交流电(L、N)进行采样以获取所述输入交流电的电流瞬时值,并且电流采样模块20包括霍尔电流传感器200,霍尔电流传感器200串联在输入交流电的火线L上。控制器模块30与电压采样模块10和电流采样模块20相连,控制器模块30根据所述输入交流电的电压瞬时值和所述输入交流电的电流瞬时值计算所述空调器在预设时间段内的电能信息。电源模块40与电压采样模块10、霍尔电流传感器200和控制器模块30相连,电源模块40用于将输入交流电(L、N)转换为预设电压值例如+5V/+3.3V的输出直流电,并通过该输出直流电为电压采样模块10、霍尔电流传感器200和控制器模块30供电。
此外,如图2所示,控制器模块30还与保护模块50、通信控制模块60、压缩机控制模块70、导风控制模块80、风机控制模块90和温度采样模块100分别相连。
在本实用新型的一个实施例中,如图2或图3A所示,电源模块40为非隔离型开关电源,非隔离型开关电源的具体电路如图3A所示。该非隔离型开关电源用于给控制器模块30即空调主控MCU提供非隔离的+5V/+3.3V工作电压。
其中,控制器模块30集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARMCortex-M3内核。与8/16位设备相比,ARM Cortex-M332位RISC处理器提供了更高的代码效率。控制器模块30的最高工作频率为72MHz,1.25DMIPS/MHz,具有单周期乘法和硬件除法的计算功能。并且控制器模块30拥有2个12位的us级的A/D转换器(16通道),其A/D测量范围为0-3.6V,具有双采样和保持能力。
因此,本实用新型实施例的控制器模块30具有较强的性能和硬件特性,尤其是具有高速的计算处理能力,其具体电路如图3B所示。
在本实用新型的一个实施例中,如图3C所示,电流采样模块20还包括第一电容C1和第二电容C2,第一电容C1的一端与霍尔电流传感器200的电源管脚VCC和电源模块40的直流电正极例如5V的电压分别相连,第一电容C1的另一端接地,第二电容C2的一端与霍尔电流传感器200的过滤管脚FILTER相连,第二电容C2的另一端和霍尔电流传感器200的地管脚GND共同接地,并且霍尔电流传感器200的电流采样输入管脚1和2(IP+)与输入交流电的火线输入端L-IN相连,霍尔电流传感器200的电流采样输出管脚3和4(IP-)与输入交流电的火线输出端L-OUT相连,霍尔电流传感器200的模拟输出管脚VIOUT与控制器模块30的电流检测端AC_Current相连。控制器模块30根据霍尔电流传感器200的模拟输出管脚VIOUT获取电流采样模块20采样的电流瞬时值,并根据电压采样模块10采样的电压瞬时值计算所述空调器在预设时间段内的电能信息。
在本实用新型的实施例中,如图3C所示,电流采样模块20通过霍尔电流传感器200采样电路采集输入交流电的电流数据。
其中,霍尔电流传感器200为具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路,且其铜制的电流路径靠近晶片的表面。通过该铜制电流路径施加的电流能够生成可被集成霍尔IC感应并转化为成比例电压的磁场。通过将磁性信号靠近霍尔传感器,实现器件精确度优化。精确的成比例电压由稳定斩波型低偏置BiCMOS霍尔IC提供,该IC预先进行精确度编程。
在实用新型的一个具体示例中,以Allegro Micro Systems,LLC产品ACS712为实例,该霍尔电流传感器的性能参数如下:
●低噪音模拟信号路径
●可通过新的滤波引脚设置器件带宽
●5μs输出上升时间,对应步进输入电流
●80千赫带宽
●总输出误差为1.5%(当TA=25°C时)
●小型低厚度SOIC8封装
●1.2mΩ内部传导电阻
●引脚1-4至5-8之间2.1VRMS最小绝缘电压
●5.0伏特,单电源操作
●66至185mV/A输出灵敏度
●输出电压与交流或直流电流成比例
●出厂时精确度校准
●极稳定的输出偏置电压
●近零的磁滞
●电源电压的成比例输出
该ACS712原理与简介为:该芯片基于霍尔感应的原理设计,由一个精确的低偏移线性霍尔传感器电路与位于接近IC表面的铜箔组成,电流流过铜箔时,产生一个磁场,霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号,经过内部的放大、滤波、斩波与修正电路,输出一个电压信号,该信号从芯片的第七脚即管脚VIOUT输出,直接反应出流经铜箔电流的大小。ACS712输入与输出在量程范围内为良好的线性关系,ACS712内部斩波电路,其输出将加载于0.5*Vcc上。
例如ACS71230A量程电流电压对应关系如图4所示,精确度为66mV/A即为图中斜线的斜率。取Vcc=5V,计算公式为:
Vout=2.5+0.066*Ip
其中,Vout为输出电压,Ip为被测量的电流。
如图3C所示,电流采样模块20包括霍尔电流传感器200,霍尔电流传感器200的输出端输出电流检测信号,输出到控制器模块30的电流检测端AC_Current(AD检测口)。
由于空调器运行的功率变化范围较大,传统电量模块采用常规的电阻分压或电流互感器采样电流信号的方法,对于小电流运行状态下,采样数据存在较大偏差,导致小电流运行状态下检测的电量数据不准确。因此本实用新型实施例的电流采样模块20通过霍尔电流传感器200电路实现,大大提高电流检测的准确度。
如图3D所示,电压采样模块10包括整流桥101、第一电阻R1、第二电阻R2、双向二极管D1、第三电阻R3和第三电容C3。其中,整流桥101的输入端(2、3)与空调器的输入交流电(L、N)相连,第一电阻R1的一端与整流桥101的正输出端1相连,第二电阻R2的一端与第一电阻R1的另一端相连,第二电阻R2的另一端与整流桥101的负输出端4和地分别相连。双向二极管D1的第一端和第二端相连后与第二电阻R2的另一端相连,双向二极管D1的第三端接地,双向二极管D1的第四端与电源模块的直流电正极例如预设电压值5V的输出直流电相连。
第三电阻R3和第三电容C3构成阻容滤波单元102,第三电阻R3的一端与第二电阻R2的另一端相连,第三电阻R3的另一端与第三电容C3的一端相连,第三电容C3的另一端接地,第三电阻R3和第三电容C3之间的节点与控制器模块30的电压检测端Udc_Input相连。
也就是说,电压采样模块10通过整流桥101把输入的交流电压整流后输出直流电压,整流后的直流电压的负极与控制器模块20的电源共地,通过电阻分压、阻容电路滤波后输出到控制器模块的电压检测端Udc_Input(AD检测口),用于给控制器模块30提供实时的电压信号。其中,整流桥101可以为半波整流电路或桥式整流电路。
在本实用新型的一些实施例中,电能信息可以包括电压有效值、电流有效值、有功功率、视在功率和功率因数。
控制器模块30采样时,为了得到高精度的电压、电流和功率信号,控制器模块30需要通过AD检测口高速采集电压和电流的瞬时值,采样频率一般要高于5K/秒。
在采样到电压瞬时值和电流瞬时值后,控制器模块30根据以下公式计算电压有效值:
其中,V为电压有效值,T为采样周期,v(t)为电压瞬时值。
在本实用新型的一个实施例中,电压采样的波形如图5或图6所示,通过离散采样,计算所述预设时间段内即采样周期信号内的电压有效值,公式为:
其中,V为所述电压有效值,n为在所述预设时间段内采样的个数,n为大于等于1的整数,v(k)为所述电压瞬时值。
在本实用新型的一个具体示例中,采样周期T=T2-T1,周期内采样点的个数n=100,则采样的数据如下表1所示。
表1
采样点 | 1 | 2 | …… | 100 |
电压瞬时值(V) | 330 | 325 | …… | 330 |
将采样数据代入公式(2)计算得到:
并且,控制器模块30根据以下公式计算电流有效值:
其中,I为电流有效值,T为采样周期,i(t)为电流瞬时值。
同样地,通过离散采样,计算所述预设时间段内即采样周期信号内的电流有效值,公式为:
其中,I为所述电流有效值,n为在所述预设时间段内采样的个数,n为大于等于1的整数,i(k)为所述电流瞬时值。
其中,控制器模块30根据以下公式换算得到所述电流瞬时值:
i(k)=(Vout-0.5Vcc)/0.066 (5)
其中,Vout为所述霍尔电流传感器的输出电压,Vcc为所述预设电压值的输出直流电例如5V。
在本实用新型的一个具体示例中,采样周期T=T2-T1,周期内采样点的个数n=100,则采样的数据如下表2所示。
表2
采样点 | 1 | 2 | …… | 100 |
电流瞬时值(A) | 5.5 | 5.4 | …… | 5.5 |
将采样数据代入公式(4)计算得到:
此外,控制器模块30还根据以下公式计算有功功率:
同样地,通过离散采样,计算所述预设时间段内即采样周期信号内的有功功率,公式为:
其中,Pj为所述有功功率。
将上述表格中的采样数据代入公式(6)计算得到:
P=(330*5.5+325*5.4……+330*5.5)/100=790W。
视在功率的计算公式为:
S=V*I (8)
功率因数的计算公式为:
那么,将上述计算得到的数据代入公式(8),可以计算得到:
因此,由上可知,控制器模块30可以计算得到电压有效值、电流有效值、有功功率、视在功率、功率因数等电能信息。
根据本实用新型实施例提出的空调器的电能检测装置,只需在原有空调电路上增加电压采样模块和电流采样模块,不需要额外的电源和控制芯片,利用控制器模块较强的性能和硬件特性就可以实现对空调器的电能检测,通过检测的电能信息实现对空调器的节能控制,因此减小了电控板的面积,大大降低了系统的成本,并且还提高了系统的可靠性。尤其是电流采样模块采用了霍尔电流传感器,大大提高了电流检测的精度,进而提高了空调器电能的检测精度。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (4)
1.一种空调器的电能检测装置,其特征在于,包括:
对空调器的输入交流电进行采样以获取所述输入交流电的电压瞬时值的电压采样模块;
对所述空调器的输入交流电进行采样以获取所述输入交流电的电流瞬时值的电流采样模块,所述电流采样模块包括霍尔电流传感器,所述霍尔电流传感器串联在所述输入交流电的火线上;
根据所述输入交流电的电压瞬时值和所述输入交流电的电流瞬时值计算所述空调器在预设时间段内的电能信息的控制器模块,所述控制器模块与所述电压采样模块和电流采样模块相连;以及
将所述输入交流电转换为预设电压值的输出直流电的电源模块,所述电源模块与所述电压采样模块、所述霍尔电流传感器和所述控制器模块相连,所述电源模块通过所述输出直流电为所述电压采样模块、所述霍尔电流传感器和所述控制器模块供电。
2.如权利要求1所述的空调器的电能检测装置,其特征在于,所述电流采样模块还包括:
第一电容,所述第一电容的一端与所述霍尔电流传感器的电源管脚和所述电源模块的直流电正极分别相连,所述第一电容的另一端接地;
第二电容,所述第二电容的一端与所述霍尔电流传感器的过滤管脚相连,所述第二电容的另一端和所述霍尔电流传感器的地管脚共同接地;
所述霍尔电流传感器的电流采样输入管脚与所述输入交流电的火线输入端相连,所述霍尔电流传感器的电流采样输出管脚与所述输入交流电的火线输出端相连,所述霍尔电流传感器的模拟输出管脚与控制器模块的电流检测端相连。
3.如权利要求1所述的空调器的电能检测装置,其特征在于,所述电 压采样模块包括:
整流桥,所述整流桥的输入端与所述空调器的输入交流电相连;
第一电阻,所述第一电阻的一端与所述整流桥的正输出端相连;
第二电阻,所述第二电阻的一端与所述第一电阻的另一端相连,所述第二电阻的另一端与所述整流桥的负输出端和地分别相连;
双向二极管,所述双向二极管的第一端和第二端相连后与所述第二电阻的另一端相连,所述双向二极管的第三端接地,所述双向二极管的第四端与所述电源模块的直流电正极相连;
构成阻容滤波单元的第三电阻和第三电容,所述第三电阻的一端与所述第二电阻的另一端相连,所述第三电阻的另一端与所述第三电容的一端相连,所述第三电容的另一端接地,所述第三电阻和第三电容之间的节点与所述控制器模块的电压检测端相连。
4.如权利要求1所述的空调器的电能检测装置,其特征在于,所述电源模块为非隔离型开关电源。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN105181018A (zh) * | 2015-09-11 | 2015-12-23 | 杭州良展建筑科技有限公司 | 一种分散式空调房间的建筑用能行为测量及记录装置 |
CN109451476A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-03-08 | 宁德师范学院 | 基于蓝牙4.0技术的数据采集系统 |
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- 2013-06-17 CN CN201320347836.XU patent/CN203502488U/zh not_active Expired - Lifetime
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
GR01 | Patent grant | ||
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CX01 | Expiry of patent term | ||
CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140326 |