NO336975B1 - Spenningsreguleringinnretning - Google Patents

Abstract

En spenningsreguleringsinnretning er tilpasset for å kobles til en varierende elektrisk forsyning og for å regulere spenningen levert til visse valgte kretser hvis laster har fordel av spenningsregulering. Innretningen innbefatter en PWM eller fasevinkelsvitsjet autotransformator som er tilstrekkelig kompakt og som har liten vekt slik at den kan bli innarbeidet i en standard elektrisk forbrukerenhet som har separate kretser, det vil si de hvis laster har fordel fra spenningsregulering og de hvis laster ikke har dette, slik at de førstnevnte kan bli kontrollert av innretningen for å opereres på en konstant og redusert spenning som dermed sikrer en reduksjon i energiforbruk og levetidsforbedring av apparatene koblet til innretningen. Den operative temperaturen til autotransformatoren er kontrollert av temporær økning av utgangsspenningen i autotransformatoren i tilfelle av overoppvarming.

Description

Foreliggende oppfinnelse er relatert til kontrollen av spenningen til den elektriske forsyningen til en eiendom med det formål å spare energi og for å forbedre ytelsen til, og å forlenge levetiden til elektriske apparater koblet til forsyningen og videre angår den en spenningsregulerende innretning for slike formål.

I mange deler av verden leverer elektriske distribusjonsselskaper strøm til sluttbrukere i den øvre enden av et tillatt spenningsområde. For eksempel kan en typisk gjennomsnittlig forsyningsspenning i Storbritannia og visse andre deler av verden, være rundt 240 volt hvor det tillatt regulerte europeiske spenningsområde er 216-252 volt. For å redusere forsyningsspenningen til, la oss si 230 volt, vil dette ha ingen negativ påvirkning på forbrukeren, og faktisk vil det være mange fordeler å vinne ved å beholde forsyningen på 230 volt. Slike fordeler inkluderer en reduksjon i kostnaden til energien som forbrukes, en økt forventet levetid til elektriske apparater, og en reduksjon i overskytende CO2utslipp som er et resultat av å levere elektrisitet på et unødvendig høyt spenningsnivå. Det har blitt vist at en 5% reduksjon i spenning vil gi en gjennomsnittlig 8% reduksjon i energiforbruk.

Nylig har fabrikkerte elektriske apparater for bruk i Europa blitt konstruert for å virke på en nominell spenning på 230 volt. Å kjøre disse apparatene på en høyere spenning vil redusere deres forventede operative levetid. Med spenningen typisk levert på et nivå på eller i overkant av 240 volt vil dette ikke bare være å kaste bort elektrisk effekt, men også i stor grad forkorte den forventede levetiden til for eksempel lyspærer og dyrt forbrukerutstyr, slik som televisjonsapparater.

Energisparing og reduksjon av karbonutslipp har høy prioritet for de fleste regjeringer. Økende behov for elektriske nettverk betyr at regjeringene ser etter nye kilder for kraftproduksjon, mens de må møte reduksjonen i CO2utslipp som er avtalt under Kyoto protokollen. Dermed vil utbredt tilpasning av en spenningsreguleringsinnretning i særlig grad, selv om ikke eksklusivt, vil resultere for hjemlige og kommersielle anlegg i et distribuert energi styresystem som vil redusere kraftetterspørselen på de elektriske nettverk og hjelpe til å redusere utslipp fra kraftstasjoner.

Det er derfor en hensikt med forliggende oppfinnelse å gi en

spenningsreguleringsinnretning som enkelt kan bli installert i en eiendom og som er tilstrekkelig kompakt og rimelig å fremstille for å oppmuntre forbrukere til å finne og bruke en slik innretning.

Spenningsreguleirngsinnretninger er kjent og består av en autotransformator koblet til den elektriske forsyningen og inkluderer en fasevinkel eller pulsbreddemodulasjon (PWM) svitsjeinnretning som kan bli brukt til å svitsje autotransformatoren inn og ut av kretsen som påkrevd for derved å bestemme og å kontrollere utgangsspenningen levert til apparatet. PWM kontrollen blir brukt til å variere lengden av tiden når autotransformatoren er svitsjet inn og ut av kretsen for derved å kontrollere dens utgangsspenning. Spenningsreguleringsinnretningen er brukt til svitsje induktive laster. Vanligvis må tapsdempende kretser bli brukt for å svitsje induktive laster, men en myk svitsj ingsfremgangsmåte kan bli brukt for å forbedre effektiviteten til spenningsreguleringsinnretningen. En slik innretning er beskrevet i artikkelen av Prasad N. Enj eti med tittelen "An approach to realize higher power PWM ac kontroller" publisert i IEEE konferanserapporten til APEC holdt i 1993, og i US patent 5747972. Disse publikasjonene beskriver bruken av en autotransformer i "bukke"-formasjon, koblet til en elektrisk forsyning og kontrollert av en PWM kontroller for å bestemme en satt spenning som for Europa kan være 230 volt. Autotransformatoren blir brukt til regulere husets spenning ved å redusere spenningen til et settpunkt dersom den er for høy eller ved å øke den til settpunktet dersom den er for lav. Innretningen beskrevet i US 5747972 er implementert ved å koble den til innkommende strømforsyning i en eiendom slik at innretningen regulerer hele strømforsyningen for denne eiendommen inkludert dominerende resistive laster slik som elektriske kokeapparater og elektriske dusjer så vel som svært induktive laster slik som kjeler, kjøleskap etc.

I EP 1294087 A2 beskrives en spenningsforsyning om er konstruert og arrangert slik at spenningsforsyningen lades under et intervall med stigende kant og under et intervall med fallende kant slik at ladekretsen ikke lader kondensatoren ved en topp i AC syklusen.

I en typisk bolig i Storbritannia er forbrukerenheten ofte beskyttet av en 100 ampere brytersvitsj og slik at enhver spenningsregulerende innretning som tilpasses for kobling til alle kretser må være klarert den maksimale strømmen på 100 ampere. Dette krever en autotransformator som har en klassifisering på noe som er 24 kVA som er fysisk svært stort, tungt og dyrt. Den kan for eksempel veie i overkant av 35 kilo og i mange tilfeller vil dens kostnader overgå dens verdi i kontroll av spenningsnivåer i beboelseshus. Derfor for at en spenningsregulator skal være effektiv og økonomisk sund, må dens størrelse, vekt og kostnad være signifikant redusert.

Testing har bekreftet at noen laster har stor fordel av spenningsregulering, for eksempel lyskretser, kjøleskap/frysebokser og apparater inneholdende motorer eller transformatorer, mens resistive varmende laster slik som elektriske dusjer, immersjonsvarmere og varmeplater ikke har noen fordel av spenningskontroll. Lastene som har fordel av spenningskontroll tenderer til å danne hoveddelen av baselasten til en eiendom og bidrar til hoveddelen av den elektriske energien som er forbrukt (kWh). Spenningskontroll av kretser inneholdende disse lastene vil gi de beste besparingene, mens størrelsen av autotransformatoren blir minimalisert. Laster som ikke har noen fordel av spenningskontroll, danner de fleste av dem som har kort varighet, som er laster som er et resultat av eiendommens forbindelse til nettverket som er klassifisert som mye høyere strøm enn det som ville være påkrevd i baselasten. Spesifikke kretser inneholdende laster slik som elektriske kokeapparater, elektrisk dusjer og immersjonsvarmere vil derfor ikke bli kontrollert.

Reduksjonen i størrelsen av autotransformatoren har blitt oppnådd i henhold til foreliggende oppfinnelse ved å gi en spenningsregulerende innretning innbefattende en autotransformator tilpasset for kobling til en elektrisk forsyning, syklisk svitsj einnretning koblet til autotransformatoren for å bestemme dens utgangsspenning og innretning som svarer på en variasjon i den operative temperaturen til autotransformatoren og som er koblet til den sykliske svitsjeinnretningen for å variere utgangsspenningen og dermed kontrollere den operative temperaturen.

Temperaturresponsinnretningen kan være en termistor tilpasset til kontinuerlig å måle temperaturen til autotransformatoren, eller en termisk modellberegning som estimerer autotransformatorens kjernetemperatur, og i tilfelle av en økning av temperaturen og forårsaker svitsj elogjkk til å øke utgangsspenningen til autotransformatoren.

Innretningen kan inkludere en forbikoblingssvitsj anvendelig for å forbikoble autotransformatoren dersom dens utgangsspenning er vesentlig lik den som er i den elektriske forsyningen.

Innretningen kan være inneholdende i en hjemlig elektrisk forbrukerenhet i et beboelseshus hvor i det minste to utgangsterminaler er anordnet der minst en av disse forsyner elektrisk kraft til en eller flere kretser som vil ha fordel av spenningsregulering, og i det minste en av de andre to forsyner elektrisk kraft til en eller flere kretser som ikke vil ha fordel av spenningsregulering, innretningen er koblet mellom den elektriske hovedforsyningen og/eller hver av kretsene som vil ha fordel av spenningsregulering.

Oppfinnelsen er angitt i det tilhørende selvstendige kravet 1 for spenningsreguleringsinnretning.

Fordelaktige utførelsesformer er angitt i de uavhengige kravene.

Et utførelse av foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet som bare et eksempel, med referanse til de vedlagte tegninger hvor: Figur 1 er en illustrasjon over hvordan spenningsreguleringsinnretningen i henhold til foreliggende oppfinnelse kan være innarbeidet i en forbrukerenhet i et beboelseshus, og Figur 2 er et blokkdiagram over spenningsreguleringsinnretningen innarbeidet i denne.

Med hensyn til denne beskrivelsen vil et være antatt at

spenningsreguleringsinnretningen er tilpasset for kobling til en varierende elektrisk forsyning som opererer innenfor et område av 230 volt pluss eller minus 10% som er den regulerte rekkevidden som er påkrevd under europeisk elektrisk kraftlovgivning, og vil videre være antall at en konstant utgangsspenning på 230 volt vil bli vedlikeholdt av innretningen.

Med referanse nå til figur 1 er en forbrukerenhet i et beboelseshus representert som 10 og er forsynt med elektrisitet fra et meter 11 som har aktiv utgang og nøytrale terminaler 12 og 13 respektivt. Innenfor forbrukerenheten 10 er den aktive forsyningen delt i to forsyningsutgangsterminaler 14 og 15 og en nøytral utgangsterminal 16. MCB'er eller andre sikkerhetsinnretninger 17 er inkludert i forsyningen til hver av terminalene 14 og 15. Terminalene 14 og 16 er koblet via en hovedisolerende svitsj 18 direkte til terminalene 12 og 13, via den assosierte MCB 17, i tilfellet av terminal 14.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er utgangsterminal en 15 koblet til den aktive terminalen 12 via en sikring 19 og, i denne utførelsen, en spenningskontrollinnretning 20 koblet til en spenningsmålerenhet 21 for å gi tilbakekobling for å kontrollere innretningen 20. Spenningsmålerenheten 21 kan også være koblet mellom sikringen 19 og spenningskontrollinnretningen 20, for å gi fremforsyningskontroll til innretningen 20.

Nå med referanse til figur 2 innbefatter spenningskontrollinnretningen 20 en svitsjet autotransformator 22, en mikrokontroller 23, en temperaturmåleinnretning 24, spenningsmålerinnretning 21 og en forbikoblingssvitsj 26.

Mikrokontrolleren 23 inkluderer svitsjelogjkk 25 og en pulsbreddemodulasjon (PWM)/fasevinkelkontrollenhet 27. Svitsj elogjkken er konstruert til å produsere et signal som representerer et spenningssettpunkt passende for anvendelsen av innretningen som er et signal matet til PWM enheten 27 for å kontrollere den sykliske svitsjingen av autotransformatoren 22.

Som det har blitt beskrevet er spenningsreguleringsinnretningen tilpasset til å forsyne en konstant forhåndsbestemt spenning (settpunkt) til kretsene som vil ha fordel av spenningsregulering koblet i en krets, til terminal 15 i forbrukerenheten. Kretser som ikke vil ha fordel av spenningsregulering er koblet direkte til forsyningen i terminal 14.

Strømmen som blir trukket av den regulerte kretsen vil typisk være i området av 3 ampere eller mindre, men vil variere i henhold til antallet av apparater som blir brukt på ethvert tidspunkt. Det er generelt akseptert at for tilnærmet 30% av enhver 24 timers periode, vil behovet typisk være så lavt som 0,5 ampere trukket av slike innretninger som televisjonsapparater og andre elektroniske komponenter som er i en "standby" modus. For de andre 65% av tiden vil lasten typisk være mellom 1 og 4 ampere, men for kortere perioder som en time eller så vil dette behovet kunne øke til noe i området av 20 ampere for eksempel når vaskemaskiner og tørketromler blir brukt. Det er også kjent at tilfeldige transientbehov plutselig kan være opp til 40 ampere som kan være der i svært korte perioder av for eksempel 15 minutter i en 24 timers periode.

Dermed kan autotransformatoren 22 være klassifisert for en basislast av for eksempel 20 ampere heller enn den fulle eller maksimale klassifisering av forsyningskretsen som kan være for eksempel 100 ampere, det vil si mindre enn en fjerdedel av den maksimale og kan være trukket fra en enkelt fase 500 VA isolerende transformator omkonfigurert til å produsere en 5KVA autotransformator som er i stand til å levere 20 ampere kontinuerlig. En slik innretning er kompakt og veier noe i området av 3,5 kilo og er dermed liten og lett nok til å bli pakket inn innenfor en standard forbrukerenhet. En slik liten transformator er også relativt rimelig å produsere.

Som uttalt ovenfor vil på tidspunkter være slik etterspørselen plassert på spenningsreguleringsinnretningen kan overskride 20 ampere og i slike tilfeller vil autotransformatoren starte og bli oppvarmet. På grunn av dette er det anordnet en temperaturfølerkomponent slik som en termistor som er koblet i en tilbakekoblingssløyfe med autotransformatoren via svitsj elogjkk 25 i mikrokontrolleren 23. Dermed vil den sykliske svitsjingen av autotransformatoren, når dens temperatur stiger, bli justert for å øke utgangsspenningen som dermed reduserer stresset på autotransformatoren og tillater at den kjøles ned. Spenningssettpunktet vil bli økt gradvis for å produsere en ikke-merkbar forandring i ytelsen av de elektriske apparatene som er på på tidspunktet når spenningen blir økt. Alternativt kan en termisk modell bli brukt for å estimere autotransformatorens kjernetemperatur. Den estimerte temperaturen kan bli brukt på samme måte som beskrevet tidligere for å justere den sykliske svitsjingen av autotransformatoren. Dette gir en mekanisme for å redusere stresset på autotransformatoren som tillater at den blir kjølt ned.

På tidspunkter med tung last vil temperaturen i autotransformatoren kunne øke til et slikt nivå at den spenningssettpunkt er økt av svitsj elogjkken til et nivå hvor den er vesentlig lik med inngangsspenningen. På dette tidspunktet vil svitsj elogikken automatisk operere forbikoblingssvitsjen 26 som dermed tar autotransformatoren ut av kretsenheten til den er kjølt ned tilstrekkelig som detektert av termistoren 24, eller den termiske modellen.

Det vil være å forstå at ved å lage de estimerte lastantagelsene, og ved å kontrollere autotransformatoren på denne måten, vil disse sjeldne tilfeller når en overskytende last er påtrykket, vil det være mulig å anordne en mye mindre og svært mye rimeligere transformator enn det som vil være påkrevd for å motstå slike høye laster uten temperaturkontroll. Dette muliggjør tilpasning av en kompakt, lettvekts og rimelig transformator som enkelt kan bli kapslet inn innenfor en standard forbrukerenhet av typen brukt i hjemlige omgivelser. Kontrollen over spenning som er levert av en slik forbrukerenhet til kretser som vil ha fordel av spenningsregulering resulterer i betraktelige kostnadsbesparinger i energiforbruk og overgår tilleggskostnaden for en forbrukerenhet utstyrt med en slik innretning. På sin side vil forbruket av kraft på en samlet redusert spenning tjene til å sikre et samlet redusert kraftbehov fra forsyningsnettverket og redusert CO2utslipp fra kraftstasjoner.

Det er ikke ment å begrense foreliggende oppfinnelse til detaljene som er beskrevet. For eksempel kan en kompakt spenningsreguleringsinnretning av typen som er beskrevet kan være plassert på utsiden av forbrukerenheten, men på siden av den for dermed kanskje å være tilgjengelig som en innretning som kan kobles til en eksisterende forbrukerenhet med små justeringer til kretsen for derved å dele forsyningskretsen i to deler, en for kretsene som ikke vil ha fordel av spenningsregulering, og de andre kretsene som vil ha fordel av spenningsregulering hvor en redusert og konstant spenning vil spare energi og forlenge levetiden til apparatene.

Det er også slik at innretningen kan være konstruert og operert på forskjellige spenningsnivåer slik som de som er vanlige i andre land.

Så vel som å gi effektsparing vil spenningskontrollinnretningen også gi et nivå på kraftfaktorkorreksjon for kretsene den regulerer. Flukstettheten i jernkretser er proporsjonal med spenningen, og jo høyere flukstetthet, jo høyere vil jerntapene være i kretsen. Derfor ved å redusere spenningen vil det være en reduksjon i flukstettheten og en tilsvarende reduksjon i jerntapene. Dette vil resultere i en forbedret kraftfaktor for kretsen. Denne forbedringen i kraftfaktor vil være fordelaktig for distribusjon, transmisjon og generatorselskaper.

Claims (18)

1. Spenningsreguleirngsinnretning, innbefattende en transformator tilpasset for kobling til en elektrisk forsyning, syklisk svitsjeinnretning koblet til transformatoren for å kontrollere dens utgangsspenning, og innretning som svarer på en økning i den operative temperaturen til transformatoren og som er koblet til den sykliske svitsj einnretningen og slik kontrollere nevnte operative temperatur,karakterisert vedat transformatoren er en autotransformator og ved at nevnte sykliske svitsj einnretning øker nevnte utgangsspenning til autotransformatoren som svar på en øking i nevnte operative temperatur og dermed kontrollere den operative temperaturen.

2. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til krav 1,karakterisert vedat den sykliske svitsj einnretningen opererer med pulsbreddemodulasjon eller fasevinkelkontroll.

3. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til krav 1 eller krav 2,karakterisert vedat autotransformatoren er klassifisert for en basislast til en krets som er forsynt heller enn kretsen maksimale strømklassifisering av kretsen som blir forsynt.

4. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til krav 3,karakterisert vedat autotransformatoren er klassifisert slik at basislasten ikke er større enn en fjerdedel av den maksimale strømklassifiseringen av kretsen som blir forsynt.

5. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til ett av de foregående krav,karakterisert vedat autotransformatoren er klassifisert til å forsyne en konstant strøm som ikke er større enn 50 ampere.

6. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til ett av de foregående krav,karakterisert vedat autotransformatoren er klassifisert til å forsyne en konstant strøm som ikke er større enn 20 ampere.

7. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til ett av de foregående krav hvor den sykliske svitsj einnretningen innbefatter en mikrokontroller som inkluderer en pulsbreddemodulasjon eller fasevinkelkontrollinnretning for svitsje elektriske laster uten behovet for dempekretser.

8. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til ett av de foregående krav,karakterisert vedat tjenestesyklusen til den sykliske svitsj einnretningen er justerbar for å bestemme et settpunkt for utgangsspenningen.

9. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til ett av de foregående krav,karakterisert vedat den temperatursvarende innretningen er en termistor, eller termisk modell, tilpasset til kontinuerlig å estimere eller å måle eller estimere arbeidstemperaturen til autotransformatoren og i tilfelle av en økning i temperaturen forårsaker dette svitsj elogikken til å øke settpunktet til autotransformatoren.

10. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til krav 8,karakterisert vedat den sykliske svitsj einnretningen er konfigurert til å øke settpunktet gradvis over en forhåndsbestemt periode for dermed skrittvis å øke utgangsspenningen.

11. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til ett av de foregående krav,karakterisert vedå inkludere en forbikoblingssvitsj opererbar automatisk til å forbikoble autotransformatoren dersom dens utgangsspenning er vesentlig lik med det som er i den elektriske forsyningen.

12. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til ett av de foregående krav,karakterisert vedat tjenestesyklusen til sykliske svitsj einnretningen blir modulert av en måling av utgangsspenningen til autotransformatoren.

13. Spenningsreguleirngsinnretning i henhold til ett av kravene 1 til 11,karakterisert vedat tjenestesyklusen til den sykliske svitsj einnretningen blir modulert av en måling av inngangsspenningen til transformatoren.

14. Forbrukerenhet, innbefattende en spenningsreguleirngsinnretning i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, hvori forbrukerenheten er tilpasset til å være koblet til en elektrisk hovedforsyning i en eiendom og hvor i det minste to sett med utgangsterminaler er anordnet,karakterisert vedat i det minste en av disse forsyner elektrisk kraft til en eller flere kretser hvis laster ikke vil ha fordel av spenningsregulering og i det minste en annen er koblet til kretser hvis last vil ha fordel av spenningsregulering der spenningsreguleirngsinnretningen er koblet mellom den elektriske hovedforsyningen og disse kretser hvis laster vil ha fordel av spenningsreguleringen.

15. Forbrukerenhet i henhold til krav 14,karakterisertv e d å være inneholdt i et enkelt hus i forbrukerenheten og inkluderer i denne i det minste en MCB for kretser som ikke er regulert av spenningsreguleirngsinnretningen og i det minste en MCB for kretser som er regulert av spenningsreguleringsinnretningen.

16. Forbrukerenhet i henhold til krav 14 eller 15,karakterisertv e d at spenningsreguleringsinnretningen er klassifisert for grunnlasten heller enn den maksimale strømklassifiseringen til eller hver krets hvis laster vil ha fordel av spenningsregulering.

17. Forbrukerenhet i henhold til ett av kravene 14 til 16,karakterisert vedat den elektriske hovedforsyningen er singelfase.

18. Forbrukerenhet i henhold til ett av kravene 14 til 16,karakterisert vedat den elektriske hovedforsyningen er trefase.