DE69827968T2

DE69827968T2 - Energiesparende Beleuchtungssteuerung

Info

Publication number: DE69827968T2
Application number: DE69827968T
Authority: DE
Inventors: S. Mark JAMES
Original assignee: Us Energy Inc San Clemente; U S Energy Inc
Current assignee: Us Energy Inc San Clemente; U S Energy Inc
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1998-07-21
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2018-07-22
Also published as: DE69827968D1; HK1033735A1; WO1999017590A1; US6046549A; JP2001518690A; CA2303845A1; ATE284126T1; EP1025745B1; EP1025745A1; CN1279879A; EP1025745A4; CA2303845C; CN1162053C

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Beleuchtungssteuersysteme und insbesondere ein energiesparendes Steuersystem, das während eines normalen Betriebs einen reduzierten Energiepegel zu einer Last speist und umschaltet, um einen höheren Energiepegel zuzuführen, wenn ein höherer Energiebedarf durch die Last erfasst wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fluoreszenzlampen und Entladungslampen hoher Lichtstärke (HID-Lampen) sind beliebt und werden weit verbreitet in vielen Beleuchtungssystemen eingesetzt. Diese Lampen erzeugen Licht, wenn sie mit einer geeigneten Energiequelle erregt werden, wie z.B. infolge des bekannten Gasentladungsphänomens. Sie benötigen einen hohen Energiepegel, um den lichterzeugenden Gasentladungseffekt zu starten, arbeiten aber danach mit erheblich weniger Energie. Diese Charakteristik von Fluoreszenzlampen und HID-Lampen ermöglicht zahlreiche Designs von energiesparenden Beleuchtungssteuersystemen, die auf den Energiebedarf einer Last dieser Lampen reagieren können, indem sie vom Anlegen einer vollen Spannung auf Anlegen einer reduzierten Spannung oder umgekehrt umschalten.
So offenbart beispielsweise das US-Patent Nr. 4513224 von Thomas einen FLUORESCENT-LIGHTING-SYSTEM VOLTAGE CONTROLLER mit Drehstromtransformator mit drei Auto-Transformatorwicklungen, die jeweils zum Erzeugen von zwei reduzierten Spannungen verwendet werden. Drei Schütze koppeln selektiv die volle Spannung und reduzierte Spannungen mit den Beleuchtungssystemen. Die Schütze werden auf unterbrechungsfreie Weise geschaltet, um Leistungsunterbrechungen zu vermeiden. Ein zusätzlicher Schütz wird zum Öffnen der wicklungsneutralen Verbindungen während des Schaltbetriebs verwendet.
Das US-Patent Nr. 4766352 von Widmayer beschreibt METHOD AND APPARATUS FOR STARTING AND OPERATING FLUORESCENT LAMP AND AUXILIARY BALLAST SYSTEMS AT REDUCED POWER LEVELS, wobei ein Kondensator gewählt wird, um einen wirksamen Anlauf von Schnellstart, Vorheizung und Sofortstart-Fluoreszenzlampen zu erzielen. Ein standardmäßiger wechselstrombetätigter Vorschalttransformator wird mit reduzierten Leistungspegeln betrieben, um Energie zu sparen. Der Kondensator ist in Serie mit der Primärwicklung des Vorschaltgliedes geschaltet und wird so gewählt, dass er einen Wert hat, der eine Ferroresonanz in der Primärschaltung des Vorschalttransformators erzeugt.
Das US-Patent Nr. 4527099 von Capewell et al. offenbart eine CONTROL CIRCUIT FOR GAS DISCHARGE LAMPS, die antiparallelgeschaltete, gesteuerte Gleichrichter aufweist, die in Serie mit einer Wechselstromquelle und dem Vorschaltglied geschaltet sind. Ein Strombegrenzungs- und Energieumleitungskondensator ist in Serie mit den Gleichrichtern und parallel zum Vorschaltglied geschaltet. Die gesteuerten Gleichrichter der Serien- und Parallelschaltbaugruppen werden so gesteuert, dass in jeder gegebenen Halbwelle der zugehörige gesteuerte Gleichrichter des Parallelumschaltmittels einschaltet, um einen Kondensator in den normal leitenden gesteuerten Gleichrichter des Serienschaltmittels zu entladen, um eine Einkerbung in der auf das induktive Vorschaltglied angelegten Spannungswellenform zu erzeugen.
Das US-Patent Nr. 4464606 von Kane offenbart eine PULSE WIDTH MODULATED DIMMING ARRANGEMENT FOR FLUORESCENT LAMPS, die eine basisgetriebene, hochfrequente, transistorisierte Gegentaktinverterschaltung zum Erregen der Lampen aufweist. Der Inverter ist pulsbreitenmoduliert, um ein Abblenden zu bewirken. Eine transitorische Schaltung ist vorgesehen, um ein rasches Ein- und Ausschalten der Invertertransistoren zu erzielen. Ein lichtempfindlicher Sensor spricht auf Umgebungslicht und Beleuchtung von den Lampen an, um den Pulsbreitenmodulator entsprechend zu steuern.
Das US-Patent Nr. 4435670 von Evans et al. offenbart ein ENERGY CONSERVING INSTANT START SERIES SEQUENCE FLUORESCENT LAMP SYSTEM WITH OVERCURRENT PROTECTION mit einem energiereduzierenden Kondensator, der in Serie mit einer oder beiden der Lampen in einem Zweilampen-System geschaltet ist. Eine Schutzvorrichtung ist in der Schaltung der ersten Lampe so geschaltet, dass der hohe Stromfluss, der durch ein Nichtstarten der zweiten Lampe erzeugt wird, die Schutzvorrichtung aktiviert und verhindert, dass das System beschädigt wird.
Das US-Patent Nr. 4434388 von Carver et al. offenbart einen ELECTRICAL LIGHTING CONTROLLER, der zwischen einer Stromleitung und einer Gruppe von Lampen oder sonstigen stromverbrauchenden Geräten geschaltet ist. Der auf die Lampen applizierte Ausgangspegel wird von einem Regel-Autotransformator mit einem Antriebsmotor geregelt, der wiederum von einer Verstärkerkomparatorschaltung gesteuert wird.
Das US-Patent Nr. 4339690 von Regan et al. offenbart ein ENERGY SAVING FLUORESCENT LIGHTING SYSTEM, das einen reaktanzmodifizierenden Kondensator aufweist, der in Serie mit einer ersten und einer zweiten Fluoreszenzlampe geschaltet ist. Ein Fadenschalter hat die Aufgabe, einen Glühfadenerhitzungsstrom während des Startens der ersten Lampe zu leiten. Der Fadenschalter ist zwischen Fäden an gegenüberliegenden Enden der ersten Fluoreszenzlampe gekoppelt und triggert als Reaktion auf die Lampenanlaufspannung in einen niederimpedanten Zustand.
Das US-Patent Nr. 4256993 von Morton offenbart ein ENERGY SAVING DEVICE FOR RAPID-START FLUORESCENT LAMP SYSTEM, das in Serie mit einer Lampe eines Schnellstart-Fluoreszenzlichtsystems mit zwei Lampen geschaltet ist. Das Gerät beinhaltet ein Öffnungsrelais in der Elektrodenschaltung von einer der Lampen und einen stromreduzierenden Kondensator parallel zu einem der Kontakte des Relais. Nach dem Einschalten des Systems wird eine Festkörper-Zeitverzögerungs- und Relaisspulenerregungsschaltung betätigt, die die Relaiskontakte erst nach dem Starten der Lampen öffnet, so dass der Nebenschlusskondensator in Serie mit den arbeitenden Lampen gesetzt wird, um die Nennleistungsaufnahme zu reduzieren.
Das US-Patent Nr. 4135115 von Abernethy et al. offenbart ein WATTAGE REDUCING DEVICE FOR FLUORESCENT FIXTURES, umfassend die Kombination aus einem Aufspanntransformator, einem Widerstand und zwei Kondensatoren, die alle außerhalb des Vorschaltgliedes montiert sind. Das Gerät ist in Serie mit dem Vorschaltglied und einer der Lampen verdrahtet, damit normale Vorschaltgliedspannungen an die Lampenschaltung angelegt werden können.
Das US-Patent Nr. 4,859,914 von Summa offenbart ein HIGH FREQUENCY ENERGY SAVING BALLAST, das Erregungssignale erzeugt, die durch Frequenzen im Bereich von etwa 60 Hz bis 30 MHz gekennzeichnet sind. Ein Oszillator und ein Transformator erzeugen die Erregungssignale, die zu den Lampenschaltungen transformatorgekoppelt werden.
Das US-Patent Nr. 4870340 von Kral offenbart METHOD AND APPARATUS FOR REDUCING ENERGY CONSUMPTION, umfassend eine Umschaltvorrichtung zum Ausschalten der Lastspannung an willkürlichen Positionen in der Sinuswelle des zugeführten Wechselstroms, während gleichzeitig ein Kommutationsweg für einen eventuellen Induktionsstrom erzeugt wird.
Das US-Patent Nr. 4965492 von Boldwyn offenbart ein LIGHTING CONTROL SYSTEM AND MODULE, das eine Mikroprozessorsteuerung beinhaltet, die zum Betreiben des Beleuchtungssystems mit einem reduzierten Energiepegel unter gleichzeitiger Maximierung der Effizienz verwendet wird. Der Mikroprozessor und die Steuerschaltung überwachen kontinuierlich den zugeführten Strom und halten den gewünschten Leistungspegel aufrecht, um den vorbestimmten gewählten Lichtpegel zu halten.
Das US-Patent Nr. 3944909 offenbart einen Spannungs-, Strom- oder Leistungsregler, der ein induktives Element aufweist, das umgeschaltet werden kann, um das induktive Element von einer Serieninduktanz zwischen der Stromversorgung und der Last in einen Abspann-Autotransformator zwischen Stromversorgung und Last umzuwandeln, so dass die Spannung zur Last reduziert wird. Der Regler kann zum Regulieren aller Parameter in Verbindung mit dem Strom durch die Last, die Spannung über die Last oder die Leistung verwendet werden, die aufgrund der Last verloren geht, durch Steuern des Schalters. Es werden keine Mechanismen zum Steuern des Schalters offenbart.
Während die oben beschriebenen Systeme des Standes der Technik auf verschiedene Weisen eine Energieersparnis erzielten und in vielen Fällen auch die Beleuchtungscharakteristiken verbesserten, so waren sie doch häufig komplex und teuer zu installieren und zu warten.
Es besteht also in der Technik weiterhin Bedarf an noch weiter verbesserten und zuverlässigen Lichtsteuersystemen, die Energieeinsparungen für den Verbraucher erbringen.
In Anerkenntnis dieses Bedarfs hat die vorliegende Zessionarin eine verbesserte Beleuchtungssteuerung wie im US-Patent Nr. 5442261 offenbart entwickelt. Ein solches System hat sich zwar als allgemein wirksam erwiesen, aber es besteht der Bedarf, eine Leistungsunterbrechung zur Last und einen hohen transienten Strom zu vermeiden, der durch die Komponenten des Systems während des Umschalters von einem Spannungspegel auf den anderen umläuft, ohne auf kostspielige Komponenten zurückzugreifen. Eine Stromunterbrechung zur Last, wenn das System von voller Spannung auf reduzierte Spannung umschaltet, würde verursachen, dass das Plasma in den Fluoreszenz- oder HID-Lampen erlöschen und einen Startzyklus bei voller Spannung zur Wiedererhitzung erfordern würde.
Die vorliegende Erfindung geht das obige Problem an, indem sie ein System bereitstellt, das kostenarme Komponenten verwendet, um die Spannungsumschaltfunktion ohne Stromunterbrechung zur Last und ohne dass ein großer Strom während der Spannungsumschaltung durch die Komponenten fließt, zu erfüllen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart ein energiesparendes Steuersystem, das von einer Energiequelle eine aus einer Mehrzahl von verschiedenen Spannungen an eine Last von stromverbrauchenden Geräten anlegt, ohne während der Übergangszeit die Leistungszufuhr zur Last zu unterbrechen. Das System beinhaltet eine Energieumschal-Schaltung, eine Stromerfassungsschaltung und eine Steuerschaltung. Die Energieumschalt-Schaltung erzeugt an ihrem Ausgangsport eine der verschiedenen Spannungen als Reaktion auf den Erhalt eines Steuersignals von regulierter Größe. Die Stromerfassungsschaltung misst den Ausgangsstrom der Energieumschalt-Schaltung und erzeugt ein gemessenes Stromsignal. Die Steuerschaltung erfasst eine Zunahme des gemessenen Stromsignals, das eine Zunahme des Strombedarfs der Last anzeigt, und gibt ein Steuersignal von einer regulierten Größe an die Energieumschal-Schaltung aus, um die Spannungsumschaltung einzuleiten. Das Regulieren der Größe des Steuersignals bedeutet Ein- oder Ausschalten des Steuersignals oder Einstellen desselben auf einen Wert innerhalb eines Bereichs.
Die Energieumschal-Schaltung führt die Spannungsumschaltfunktion ohne Leistungsunterbrechung zur Last und ohne dass ein großer Strom während der Spannungsumschaltung durch die Komponenten fließt, unter Anwendung eines kleinen und kostenarmen Abspanntransformators aus, der lediglich zur Handhabung eines kleinen Bruchteils der vollen Spannung und Leistung der Energiequelle bemessen ist. Die Sekundärwicklung des Abspanntransformators ist in Serie mit dem positiven Anschluss der Energiequelle geschaltet, während die Primärwicklung über ein Relais mit der Energiequelle gekoppelt ist, so dass die Primär- und Sekundärwicklungen entgegengesetzte Polaritäten haben. Diese Konfiguration bewirkt, dass die über den Ausgangsanschluss der Sekundärwicklung und den negativen Anschluss der Energiequelle angelegte Spannung etwa gleich der Differenz zwischen der Spannung der Energiequelle und der Spannung über die Sekundärwicklung ist, wenn das Relais durch ein Steuersignal mit einer Größe von ungleich null von der Steuerschaltung aktiviert wird. Wenn das Relais durch die Abwesenheit des Steuersignals deaktiviert wird, dann trennt das Relais die Primärwicklung von der Energiequellenspannung ab und schließt dann die Primärwicklung kurz, so dass die Sekundärwicklung im Wesentlichen kurzgeschlossen wird und die über den Ausgangsanschluss der Sekundärwicklung und den negativen Anschluss der Energiequelle entwickelte Spannung etwa gleich der Energiequellenspannung wird. Da die Sekundärwicklung während des Umschaltens mit der Energiequelle verbunden bleibt, wird die Leistungszufuhr zur Last nicht unterbrochen.
Darüber hinaus beinhaltet das Umschalten, da der durch die Primärwicklung vor dem Umschalten fließende Strom nur gleich einem geringen Bruchteil des vollen Nennstroms ist, der durch die Sekundärwicklung fließt, nur eine Ableitung eines sehr geringen Stroms, der in der Primärwicklung fließt. Somit kann für diesen Zweck ein kleines und zuverlässiges Relais verwendet werden. Ebenso ist, da die volle Energiequellenspannung in Abwesenheit des Steuersignals an die Last angelegt wird, das System ausfallsicher, d.h. es ist selbst dann funktionsfähig, wenn die Steuerschaltung ausfällt.
Vorrichtungs- und Verfahrensaspekte der Erfindung gehen jeweils aus den beiliegenden Ansprüchen 1 und 14 hervor.
Diese sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung und den Zeichnungen besser hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm des energiesparenden Steuersystems der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematisches Diagramm der Energieumschalt-Schaltung und der Stromerfassungsschaltung.
3 ist ein Blockdiagramm der Steuerschaltung.
4 ist ein schematisches Diagramm der Differentialerfassungsschaltung, die ein Element der Steuerschaltung ist.
In der derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung legt das energiesparende Steuersystem von einer Energiequelle eine oder zwei verschiedene Spannungen an eine Last von stromverbrauchenden Geräten an. Die Fachperson wird erkennen, dass die Ausgestaltung auch leicht so modifiziert werden kann, dass sie eine von mehr als zwei verschiedenen Spannungen an die Last anlegt.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines energiesparenden Steuersystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Das energiesparende Steuersystem umfasst vornehmlich eine Energieumschalt-Schaltung 20 in elektrischer Verbindung mit der Energiequelle 100, eine Stromerfassungsschaltung 40, die mit dem positiven Anschluss 12 des Ausgangsports 10 der Energieumschalt-Schaltung 20 verbunden ist, und eine Steuerschaltung 60 in elektrischer Verbindung mit der Energieumschalt-Schaltung 20 und der Stromerfassungsschaltung 40.
Die Energieumschalt-Schaltung 20 erzeugt die kleinere der beiden verschiedenen Spannungen an ihrem Ausgangsport 10 nach dem Eingang eines Steuersignals von der Steuerschaltung 60 und die größere Spannung an ihrem Ausgangsport 10 in Abwesenheit des Steuersignals.
Die Stromerfassungsschaltung 40 misst den Strom am Anschluss 12 der Energieumschalt-Schaltung 20 und erzeugt ein gemessenes Stromsignal an ihrem Ausgang 14. Eine Zunahme des gemessenen Stromsignals bedeutet entweder eine Zunahme des Strombedarfs durch die Last 200 oder eine Zunahme der Spannung der Energiequelle 100 oder beides. Eine Zunahme des Strombedarfs der Last 200, Lastanstieg genannt, bedeutet, dass wenigstens ein zusätzliches Licht in der Last 200 eingeschaltet wurde.
Die Steuerschaltung 60 überwacht die Spannung der Energiequelle 100 und das gemessene Stromsignal. Wenn die Steuerschaltung 60 eine Erhöhung des gemessenen Stromsignals erfasst, die sich nicht auf eine Erhöhung der Spannung der Energiequelle 100 bezieht, dann bedeutet dies eine Zunahme des Strombedarfs der Last 200. Die Steuerschaltung 60 stoppt dann die Ausgabe eines Steuersignals zur Energieumschalt-Schaltung 20 als Reaktion auf diese erfasste Zunahme des gemessenen Stromsignals.
2 zeigt ein schematisches Diagramm der Energieumschalt-Schaltung 20 und der Stromerfassungsschaltung 40 in der derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
Nun mit Bezug auf 2, die Energieumschalt-Schaltung 20 umfasst ein Relais 22 und einen Abspanntransformator 24. Das Relais 22 ist mit der Steuerschaltung 60 an Relais-Anschlüsse 1 und 2 und mit der Energiequelle 100 an Relais-Anschlüsse 6 und 5 gekoppelt. Der Abspanntransformator 24 umfasst eine Primärwicklung 26 und eine Sekundärwicklung 30. Die Sekundärwicklung 30 ist in Serie zwischen dem positiven Anschluss 99 der Energiequelle 100 und dem positiven Anschluss 12 des Ausgangsports 10 geschaltet. Die Primärwicklung 26 ist so mit der Energiequelle 100 gekoppelt, dass die Primärwicklung 26 und die Sekundärwicklung 30 entgegengesetzte Polaritäten haben. Anschluss 27 der Primärwicklung 26 ist mit Anschluss 4 des Relais 22 verbunden. Anschluss 28 der Primärwicklung 26 ist mit Anschluss 5 des Relais 22 verbunden, der mit dem negativen Anschluss 98 der Energiequelle 100 verbunden ist. Wenn ein Steuersignal von der Steuerschaltung 60 an Anschluss 1 von Relais 22 angelegt wird, dann werden die Anschlüsse 4 und 6 des Relais 22 zusammengeschaltet, so dass die Primärwicklung 26 mit der Energiequelle 100 gekoppelt wird. Die über die Primärwicklung 26 entstehende Spannung ist etwa gleich der Spannung der Energiequelle 100. Dies bewirkt wiederum, dass eine geringere Spannung, deren Polarität der der Primärwicklung 26 entgegengesetzt ist, an der Sekundärwicklung 30 anliegt. Demzufolge ist die Spannung über den Ausgangsport 10 etwa gleich der Differenz zwischen der Spannung der Energiequelle 100 und der Spannung über die Sekundärwicklung 30. Wenn das Abspannverhältnis des Transformators 24 n : 1 ist, dann beträgt die Spannung der Sekundärwicklung 30 etwa ein n-tel der Spannung der Energiequelle 100. Wenn beispielsweise das Abspannverhältnis des Transformators 24 10 : 1 ist und die Spannung der Energiequelle 100 120 Volt AC beträgt, dann bewirkt das Anlegen von 120 Volt AC an die Primärwicklung 26, dass etwa 12 Volt AC an der Sekundärwicklung 30 anliegen und dass eine reduzierte Spannung von etwa 108 Volt AC am Ausgangsport 10 anliegt. Ein Vorteil dieser Konfiguration ist, dass, während die Primärwicklung 26 für die volle Spannung der Energiequelle 100 ausgelegt ist, die Sekundärwicklung 30 nur für einen geringen Bruchteil der vollen Spannung und der vollen Leistung ausgelegt zu werden braucht. Für das Abspannverhältnis von 10 : 1 ist die Sekundärwicklung 30 auf ein Zehntel der Vollspannung ausgelegt. Somit kann für diesen Zweck ein kleiner und kostenarmer Transformator eingesetzt werden.
Wenn die Steuerschaltung 60 ermittelt, dass eine Zunahme des Strombedarfs der Last 200 vorliegt, dann stoppt die Steuerschaltung 60 die Produktion des Steuersignals am Anschluss 66, der mit dem Anschluss 1 von Relais 22 verbunden ist. Durch diese Wegnahme des Steuersignals wird das Relais 22 deaktiviert, so dass bewirkt wird, dass sein Anschluss 4 von seinem Anschluss 6 abgetrennt und mit seinem Anschluss 5 verbunden wird. Durch das Abtrennen des Relaisanschlusses 4 vom Relaisanschluss 6 wird die Primärwicklung 26 von der Spannung der Energiequelle 100 abgetrennt. Durch das Verbinden von Relaisanschluss 4 mit Relaisanschluss 5 wird die Primärwicklung 26 kurzgeschlossen. Dieser Kurzschluss wird in der Sekundärwicklung 30 reflektiert, was bewirkt, dass die Sekundärwicklung 30 eine sehr niedrige Impedanz hat und etwa die volle Spannung der Energiequelle 100 zum Ausgangsport 10 leitet. Da die Sekundärwicklung 30 niemals vom Anschluss 99 der Energiequelle 100 abgetrennt wird, erfolgt der Übergang von der reduzierten Spannung zur vollen Spannung oder umgekehrt am Ausgangsport 10 ohne Leistungsunterbrechung zur Last 200.
Das Umschalten zwischen den beiden verschiedenen Spannungen ohne Stromunterbrechung zur Last ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung. Wenn die Last 200 Fluoreszenzlampen oder HID-Lampen umfasst, dann würde eine Stromunterbrechung zur Last 200 ein Erlöschen des Plasmas in den Lampen verursachen und würde einen Startzyklus bei voller Spannung zum Neuerhitzen des Plasmas erfordern.
Ein weiterer Vorteil der Konfiguration der Energieumschalt-Schaltung 20 ist, dass das Umschalten vom Vollspannungsmodus in den reduzierten Spannungsmodus lediglich das Umschalten des Stroms in der Primärwicklung 26 erfordert. Da dieser Strom nur ein geringer Bruchteil (im obigen Beispiel 10%) des vollen Nennstroms ist, kann ein kleines und somit zuverlässiges Relais zum Implementieren des Relais 22 verwendet werden. Ferner fließt während des Umschaltens kein großer Strom in dem System. Anstatt eines Relais kann auch ein Festkörperschalter als Relais 22 verwendet werden. Festkörperschalter sind jedoch bei Transienten auf der Energiequellenleitung schadensanfälliger als Relais.
Die Stromerfassungsschaltung 40 umfasst einen Stromtransformator 42, der eine Primärwicklung 44 und eine Sekundärwicklung 46 aufweist. Die Primärwicklung 44 ist mit dem positiven Anschluss 12 der Energieumschalt-Schaltung 20 verbunden. Die Sekundärwicklung 46 ist mit der Steuerschaltung 60 gekoppelt. Der durch die Sekundärwicklung 46 fließende Strom ist gleich einem Bruchteil des aus dem Anschluss 12 und durch die Primärwicklung 44 fließenden Stroms und dient als gemessenes Stromsignal zur Steuerschaltung 60.
Eine Zunahme des Messstromsignals bedeutet entweder eine Zunahme des Strombedarfs der Last 200 oder eine Erhöhung der Spannung in der Energiequelle 100 oder beides. Eine Zunahme des Strombedarfs durch die Last 200, Lastanstieg genannt, bedeutet, dass wenigstens eine zusätzliche Lampe in der Last 200 eingeschaltet wurde. Um eine Zunahme der Leistung aufgrund eines Lastanstiegs zu berechnen, der sich nicht auf einen Anstieg bezieht, der durch eine Erhöhung der Spannung der Energiequelle 100 bewirkt wird, wird die Steuerschaltung 60 mit der Energiequelle 100 an den Anschlüssen 62 und 64 gekoppelt, um die Spannung der Energiequelle 100 zu überwachen. Wenn die Steuerschaltung 60 ermittelt, dass die Stromzunahme auf einen Lastanstieg zurückzuführen ist, dann stoppt die Steuerschaltung 60 die Erzeugung eines Steuersignals am Anschluss 66, der mit dem Eingang 1 von Relais 22 verbunden ist. Durch diese Wegnahme des Steuersignals wird das Relais 22 deaktiviert, so dass sein Anschluss 4 von seinem Anschluss 6 abgetrennt und mit seinem Anschluss 5 verbunden wird. Dadurch wird bewirkt, dass die Energieumschalt-Schaltung 20 auf die Ausgabe der vollen Spannung an ihrem Ausgangsport 10 umgeschaltet wird, wie oben erörtert wurde.
Gemäß 3 umfasst die Steuerschaltung 60 eine Differentialerfassungsschaltung 80 und eine Verarbeitungsschaltung 90. 4 zeigt ein schematisches Diagramm der Differentialerfassungsschaltung 80, die eine Gleichrichterschaltung 62, eine erste Filterschaltung 70, eine zweite Filterschaltung 72 und einen Regel-Differentialverstärker 74 umfasst.
In 4 tritt das gemessene Stromsignal von der Stromerfassungsschaltung 40 in 1 in die Gleichrichterschaltung 62 am Anschluss 61 ein. Die Gleichrichterschaltung 62 verstärkt und richtet das gemessene Stromsignal und erzeugt dann das resultierende Signal an den beiden Ausgängen 63 und 65, die jeweils mit der ersten Filterschaltung 70 und der zweiten Filterschaltung 72 verbunden sind. Die beiden Filterschaltungen 70 und 72 sind einfache Widerstands-Kondensator-Filterschaltungen. Die erste Filterschaltung 70 hat eine kürzere Zeitkonstante als die zweite Filterschaltung 72. Die resultierenden gefilterten Signale von den beiden Filterschaltungen 70 und 72 treten dann jeweils an den Eingängen 71 und 73 in den Regel-Differentialverstärker 74 ein. Der Verstärker 74 vergleicht die beiden gefilterten Signale. Wenn das Signal mit der kürzeren Zeitkonstante am Eingang 71 wesentlich größer ist als das Signal mit der längeren Zeitkonstante am Eingang 73, dann bedeutet dies, dass eine Stromzunahme aufgetreten ist. In einem solchen Fall erzeugt der Regel-Differentialverstärker 74 ein Trigger-Signal an seinem Ausgang 89 zur Verarbeitungsschaltung 90. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 85 wird mit vier bidirektionalen Analogschaltern reguliert, die sich in der Komponente 81 befinden, in Verbindung mit den Widerständen 75, 76, 77, 78 und 79. In der derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Komponente 81 durch einen Quad-Analog-Schalter mit der Modellnummer 74HC4016 implementiert. Die Analogschalter der Komponente 81 werden von der Verarbeitungsschaltung 90 durch die Anschlüsse 91, 92, 93 und 94 ein oder aus gewählt. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 85 ist eng mit der Empfindlichkeit der Differentialerfassungsschaltung 80 verwandt.
In der derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Verarbeitungsschaltung 90 ein Mikroprozessor mit einem nichtflüchtigen Speicher zum Speichern der Einstellungen, die beim Regeln der Empfindlichkeit der Differentialerfassungsschaltung 80 und der Dauer des Steuersignals verwendet werden. Die Einstellungen können anwenderdefiniert sein oder von adaptiven Steueralgorithmen resultieren. Zum Erhalten von Einstellungen, die durch adaptive Steueralgorithmen bestimmt werden, überwacht die Verarbeitungsschaltung 90 die Spannung und den Strom zur Last 200 über eine bestimmte Zeitperiode. Die Verarbeitungsschaltung 90 ist mit einem Sichtanzeigegerät verbunden, das den Status des Systems anzeigt, sowie mit einer Computerschnittstelle, um Eingaben von einem Benutzer zu empfangen. Unter Verwendung der Computerschnittstelle, die eine Tastatur, eine Fronttafel und ein Sichtanzeigegerät beinhaltet, kann der Benutzer die Einstellungen für die Stromempfindlichkeit der Differentialerfassungsschaltung 80 und für die Zeitmenge eingeben, während der das System im Vollleistungsmodus arbeiten soll, d.h. die Dauer, während der das Steuersignal von der Steuerschaltung 60 ausgegeben wird. Diese Einstellungen können geändert werden, während das System läuft. Diese Einstellungen werden im nichtflüchtigen Speicher des Mikroprozessors 90 gespeichert, so dass sie nach dem Abschalten des Systems erhalten bleiben, sogar bis zu zehn Jahre lang, und automatisch neu geladen werden, wenn das System wieder eingeschaltet wird. Durch die Computerschnittstelle kann der Benutzer das System auch manuell steuern, das System im Vollleistungsmodus oder im reduzierten Leistungsmodus nach Bedarf fahren und die automatische Steuerung umgehen.
Der Mikroprozessor 90 überwacht die Spannung und den Strom zur Last 200 während der Vollspannungszyklen und der Zyklen mit reduzierter Spannung und errechnet die Menge an eingesparter Energie. Der Mikroprozessor 90 gibt Informationen über die Systemlast 200 und die Menge an eingesparter Energie an das Sichtanzeigegerät aus.
Der Mikroprozessor 90 kann drei Stromphasen gleichzeitig überwachen und jede Phase unabhängig steuern, damit die Lampen effizient arbeiten können. Somit kann eine dreiphasige Konfiguration der vorliegenden Erfindung mit drei Energieumschalt-Schaltungen, drei Stromerfassungsschaltungen, drei Differentialerfassungsschaltungen und einer Verarbeitungsschaltung implementiert werden.
Es ist zu verstehen, dass das hierin beschriebene und in den Zeichnungen dargestellte energiesparende Steuersystem lediglich eine derzeit bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung repräsentiert. In der Tat sind verschiedene Modifikationen und Hinzufügungen an einer solchen Ausgestaltung möglich, ohne von Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. So kann die Ausgestaltung beispielsweise so modifiziert werden, dass ein Umschalten zwischen mehr als zwei verschiedenen Spannungen möglich ist. Als weiteres Beispiel, die beiden Filterschaltungen und der Regel-Differentialverstärker der Differentialerfassungsschaltung brauchen nicht wie illustriert konfiguriert zu sein. Ebenso können die Funktionen der Differentialerfassungsschaltung durch ein im Mikroprozessor befindliches Softwareprogramm emuliert werden.

Claims

Energiesparendes Steuerungssystem, das von einer Energiequelle (100) mit einem positiven Anschluss (99) und einem negativen Anschluss (98) eine einer Vielzahl von unterschiedlichen Spannungen an einer Last (200) bereitstellt, die wenigstens eine elektrische energieverbrauchende Einrichtung einschließt, wobei das System umfasst: (a) eine Energieumschalt-Schaltung (20), die ein Relais (22) und einen Herunterstufungs-Transformator (24) umfasst, wobei der Transformator (24) eine Primärwicklung (26) und eine Sekundärwicklung (30) einschließt, wobei die Sekundärwicklung (30) zwischen dem positiven Anschluss (99) der Energiequelle (100) und einem positiven Anschluss (12) eines Ausgangsports (10) in Reihe geschaltet ist, wobei die Primärwicklung (26) mit der Energiequelle (100) über das Relais (22) derart gekoppelt ist, dass die Primärwicklung (20) und die Sekundärwicklung (30) entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, wodurch bewirkt wird, dass die Spannung über dem Ausgangsport (10) ungefähr gleich zu einer Differenz zwischen der Energiequelle und der Spannung über der Sekundärwicklung (30) ist, wobei die Energieumschalt-Schaltung (20) dadurch angeordnet ist, um eine der Vielzahl von unterschiedlichen Spannungen an dem Ausgangsport (10) im Ansprechen auf ein Steuersignal einer geregelten Größe zu erzeugen, wobei die Energieumschalt-Schaltung (20) konfiguriert ist, um eine Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Spannungen ohne eine Energieunterbrechung an der Last (200) zu bewirken; (b) eine Stromerfassungsschaltung (40) in elektrischer Kommunikation mit dem Ausgangsport (10) der Energieumschalt-Schaltung (20) zum Messen eines Stroms an dem Ausgangsport (10) und zum Erzeugen eines gemessenen Stromsignals; (c) eine Steuerschaltung (60) in einer elektrischen Kommunikation mit der Energiequelle (100), der Energieumschalt-Schaltung (20) und der Stromerfassungsschaltung (40), wobei die Steuerschaltung zum Erfassen und Kompensieren einer inkrementalen Erhöhung in dem gemessenen Stromsignal von der Energieumschalt-Schaltung (20) vorgesehen ist; dadurch gekennzeichnet, dass die inkrementale Erhöhung ohne Bezug zu irgendeiner Erhöhung in der Spannung der Energiequelle (100) ist; und wobei die Steuerschaltung ferner angeordnet ist, um: das Steuersignal an die Energieumschalt-Schaltung (20) auszugeben; die Größe des Steuersignals durch Aktivieren, Deaktivieren oder selektives Einstellen des Steuersignals zu regeln; die Energiequellenspannung zu überwachen, sodass die Steuersignalgröße ausschließlich im Ansprechen auf die erfasste inkrementale Erhöhung in dem gemessen Stromsignal und nicht auf eine Erhöhung der Spannung der Energiequelle geregelt wird; und eine Spannungsumschaltung zu initiieren.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei in der Energieumschalt-Schaltung: (a) das Relais (22) mit der Steuerschaltung (60) zum Empfangen des Steuersignals gekoppelt ist; und (b) auf einen Empfang des Steuersignals mit der geregelten Größe das Relais (22) angeordnet ist, um die Primärwicklung (26) von der Energiequellenspannung zu trennen, dann die Primärwicklung (26) kurzzuschließen, wodurch bewirkt wird, dass die Sekundärwicklung (30) im Wesentlichen kurzgeschlossen wird und die Spannung über dem Ausgangsport (10) ungefähr gleich zu der Energiequellenspannung ist.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Stromerfassungsschaltung einen Stromtransformator (42) umfasst.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung umfasst: (a) eine differenzielle Erfassungsschaltung (80) zum Erfassen einer Erhöhung in dem gemessenen Stromsignal und zum Erzeugen eines Triggersignals daraufhin; und (b) eine Verarbeitungsschaltung (90), die mit der differenziellen Erfassungsschaltung (80) gekoppelt ist, zum Erzeugen des Steuersignals, zum Regeln der Größe des Steuersignals im Ansprechen auf einen Empfang des Triggersignals, zum Steuern einer Dauer des Steuersignals, und zum Regeln einer Empfindlichkeit der differenziellen Erfassungsschaltung (80).
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 4, wobei die differenzielle Erfassungsschaltung umfasst: (a) eine Gleichrichterschaltung (62) zum Gleichrichten des gemessenen Stromsignals und zum Erzeugen eines gleichgerichteten Signals; (b) eine erste Filterschaltung (70) mit einer ersten Zeitkonstanten, die mit der Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, zum Filtern des gleichgerichteten Signals und Erzeugen eines ersten gefilterten Signals; (c) eine zweite Filterschaltung (72) mit einer zweiten Zeitkonstanten, die sich von der ersten Zeitkonstanten unterscheidet, gekoppelt mit der Gleichrichterschaltung, zum Filtern des gleichgerichteten Signals und zum Erzeugen eines zweiten gefilterten Signals; und (d) eine differenzielle Verstärkerschaltung (74) zum Erzeugen des Triggersignals, wobei die differenzielle Verstärkerschaltung angeordnet ist, um das erste gefilterte Signal an einem ersten Eingang (71) und das zweite gefilterte Signal an einem zweiten Eingang (73) zu empfangen, wobei das Triggersignal eine verstärkte Differenz der zwei gefilterten Signale ist.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 4, wobei die differenzielle Erfassungsschaltung umfasst: (a) eine Gleichrichterschaltung (62) zum Gleichrichten des gemessenen Stromsignals und zum Erzeugen eines gleichgerichteten Signals; (b) eine erste Filterschaltung (70) mit einer ersten Zeitkonstanten, gekoppelt mit der Gleichrichterschaltung (62), zum Filtern des gleichgerichteten Signals und Erzeugen eines ersten gefilterten Signals; (c) eine zweite Filterschaltung (72) mit einer zweiten Zeitkonstanten, die sich von der ersten Zeitkonstanten unterscheidet, gekoppelt mit der Gleichrichterschaltung (62), zum Filtern des gleichgerichteten Signals und Erzeugen eines zweiten gefilterten Signals; und (d) eine differenzielle Verstärkerschaltung (74) mit variabler Verstärkung zum Erzeugen des Triggersignals, wobei die differenzielle Verstärkerschaltung angeordnet ist, um das erste gefilterte Signal an einem ersten Eingang (71) und das zweite gefilterte Signal an einem zweiten Eingang (73) zu empfangen, wobei das Triggersignal eine verstärkte Differenz der zwei gefilterten Signale ist, wobei die Verstärkung der differenziellen Verstärkerschaltung durch die Verarbeitungsschaltung geregelt wird, wobei die Verstärkung einen engen Bezug auf die Empfindlichkeit der differenziellen Erfassungsschaltung hat.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 4, wobei die Verarbeitungsschaltung (90) einen nicht-flüchtigen Speicher zum Speichern von Einstellungen umfasst, die bei der Regelung der Dauer des Steuersignals und der Empfindlichkeit der differenziellen Erfassungsschaltung verwendet werden, wobei die Einstellungen aus der Gruppe von benutzerdefinierten Einstellungen und Einstellungen, die sich aus adaptiven Steueralgorithmen ergeben, gewählt werden.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 4, wobei die Verarbeitungsschaltung (90) einen Mikroprozessor umfasst.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: (a) eine visuelle Anzeige, in einer elektrischen Kommunikation mit der Steuerschaltung, zum Anzeigen eines Status des Systems; und (b) eine Computerschnittstelle, in einer elektrischen Kommunikation mit der Steuerschaltung, zum Empfangen von Eingaben von einem Benutzer.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 5, wobei die erste und zweite Filterschaltung (70, 72) Widerstands-Kondensator-Filterschaltungen umfassen.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 6, wobei die erste und zweite Filterschaltung (70, 72) Widerstands-Kondensator-Filterschaltungen umfassen.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 6, wobei die differenzielle Verstärkerschaltung (74) mit variabler Verstärkung eine Verstärkerschaltung, eine Vielzahl von Widerständen zum Bestimmen einer Verstärkung der Verstärkerschaltung und eine Vielzahl von analogen Schaltern zum Wählen wenigstens eines Widerstands aus der Vielzahl von Widerständen, um die Verstärkung der Verstärkerschaltung zu verändern, einschließt.
Energiesparendes Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (60) angeordnet ist, um die Größe des Steuersignals im Ansprechen auf die erfasste Erhöhung in dem gemessenen Stromsignal durch Verringern der Größe des Steuersignals auf ungefähr Null zu regeln, wodurch der Energieumschalt-Schaltung (20) erlaubt wird eine der unterschiedlichen Spannungen an dem Ausgangsport (10) bei Abwesenheit des Steuersignals zu erzeugen.
Verfahren zum Bereitstellen einer einer Vielzahl von unterschiedlichen Spannungen von einer Energiequelle an einer Last, die wenigstens eine elektrische energieverbrauchende Einrichtung einschließt, wobei eine Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Spannungen ohne eine Energieunterbrechung an der Last bewirkt wird, umfassend die folgenden Schritte: (a) Messen eines Stroms, der gerade von einem Ausgangsport (10) einer Energieumschalt-Schaltung (20) zugeführt wird, wobei die Schaltung ein Relais (22) und einen Herunterstufungs- Transformator (24) umfasst, wobei der Transformator (24) eine Primärwicklung (26) und eine Sekundärwicklung (30) einschließt, wobei die Sekundärwicklung (30) zwischen dem positiven Anschluss (99) der Energiequelle (100) und einem positiven Anschluss (12) des Ausgangsports (10) in Reihe geschaltet ist, wobei die Primärwicklung (26) mit der Energiequelle (100) über das Relais (22) derart gekoppelt ist, dass die Primärwicklung (20) und die Sekundärwicklung (30) entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, wodurch bewirkt wird, dass die Spannung über dem Ausgangsport (10) gleich zu einer Differenz zwischen der Energiequelle und der Spannung über der Sekundärwicklung (30) ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst: (b) Erzeugen eines gemessenen Stromsignals von der Energieumschalt-Schaltung (20) und ohne Bezug auf irgendeine Erhöhung in der Spannung der Energiequelle; (c) Anlegen des gemessenen Stromsignals an eine Steuerschaltung (60), um eine inkrementale Erhöhung des gemessenen Stromsignals zu erfassen um zu kompensieren; (d) Ausgeben eines Steuersignals für eine spezifizierte Dauer von der Steuerschaltung (60); (e) Regeln der Größe des Steuersignals durch Aktivieren, Deaktivieren oder selektives Einstellen des Steuersignals ausschließlich im Ansprechen auf die Erhöhung in dem gemessenen Stromsignal und nicht auf eine Erhöhung der Spannung der Energiequelle; (f) Überwachen der Energiequellenspannung, sodass die Steuersignalgröße geregelt wird; (g) Anlegen des Steuersignals mit der geregelten Größe an die Energieumschalt-Schaltung (20); (h) Initiieren einer Spannungsumschaltung; und (i) Erzeugen einer Spannung ungefähr gleich zu der Energiequellenspannung für die spezifizierte Dauer an dem Ausgangsport der Energieumschalt-Schaltung.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt zum Anlegen des gemessenen Stromsignals an eine Steuerschaltung, um eine Erhöhung in dem gemessenen Stromsignal zu erfassen, ferner die folgenden Schritte umfasst: (a) Gleichrichten des gemessenen Stromsignals; (b) Filtern des gleichgerichteten Signals durch zwei Filterschaltungen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten; (c) Erzeugen eines ersten gefilterten Signals und eines zweiten gefilterten Signals; (d) Subtrahieren des ersten gefilterten Signals von dem zweiten gefilterten Signal, um ein Differenzsignal zu erhalten; (e) Verstärken des Differenzsignals, um ein Triggersignal zu erzeugen; und (f) Anlegen des Triggersignals an eine Steuerschaltung.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt zum Anlegen des Steuersignals mit der geregelten Größe an die Energieumschalt-Schaltung ferner die folgenden Schritte umfasst: (a) Anlegen des Steuersignals mit der geregelten Amplitude an das Relais der Energieumschalt-Schaltung; (b) Trennen der Primärwicklung (26) von der Energiequellenspannung; und (c) Kurzschließen der Primärwicklung (26), wodurch die Sekundärwicklung (30) veranlasst wird im Wesentlichen kurzgeschlossen zu werden, und die Spannung über dem Ausgangsport (10) der Energieumschalt-Schaltung (20) veranlasst wird ungefähr gleich zu der Energiequellenspannung zu sein.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt zum Regeln der Größe des Steuersignals im Ansprechen auf die Erhöhung in dem gemessenen Stromsignal den Schritt zum Verringern der Größe des Steuersignals auf ungefähr Null umfasst.