TW202406264A - 電源控制裝置 - Google Patents

Abstract

一種用於電氣負載之電源控制裝置100。電源控制裝置100具有用於接收電能之輸入端120；用於從輸入端向電氣負載提供電能之輸出端140；以及用於控制從輸出端向電氣負載提供電能之控制模組160。控制模組160配置為在一個時間段內定義複數個離散的通電定時，在該時間段內從輸出端提供電能以向電氣負載供電。

Description

電源控制裝置

本發明係關於一種電源控制裝置，用於控制何時向電氣負載供電。

在包含複數個電氣裝置（例如電加熱器或其他對電能的響應相對較慢的電氣裝置）之傳統系統中，電氣負載會隨著諸如溫度變化或系統需求變化等各種因素而變化。該等變化會在配電網路的上游側產生較大的功率波動，從而造成電能供應及保護的困難。例如，快速變化之負載（可能在極短時間內從空載到滿載）會導致電纜、連接器、電氣諧波、保護裝置、測量裝置、訊號裝置等出現問題。

在擁有大量高功率裝置之傳統系統中，該等問題更加嚴重，因為裝置的瞬時需求會導致供電系統的不穩定。

本發明較佳實施方式之目的係解決上述缺點及/或至少為公眾提供有用的選擇。

本發明之一態樣提供一種用於電氣負載之電源控制裝置，該電源控制裝置包含：用於接收電能之輸入端；用於從輸入端向電氣負載提供電能之輸出端；及用於控制從輸出端向電氣負載提供電能之控制模組，該控制模組配置為在一個時間段內定義複數個離散的通電定時，在該時間段內從輸出端提供電能以向電氣負載供電。

由控制模組定義的複數個通電定時較佳為時間上隨機的。

在一替代性實施方式中，電源控制裝置可為系統之一部分，該系統包含複數個電氣負載，各電氣負載連接各自的電源控制裝置，且電源控制裝置的複數個通電定時可與系統中一或多個其他電源控制裝置之通電定時同步。在該替代性實施方式中，系統中的電源控制裝置可配置為在任何給定時間限制系統中電源控制裝置的通電定時總量。例如，在任何給定時間，系統中只有一個電氣負載可被供電。抑或，在任何給定時間，最多80%的複數個電氣負載、或最多70%的複數個電氣負載、或最多60%的複數個電氣負載、或最多50%的複數個電氣負載可被供電。

電源控制裝置的輸入端可接收交流（AC）電源的電能，抑或接收直流（DC）電源的電能。

較佳地，電源控制模組選擇性地可配置以定義包含複數個通電定時之一或多個定時的時間段。當電源控制裝置連接至AC電源時，控制模組可配置為在時間段內將輸入端接收的電能分割為離散數量之半AC或全AC週期，複數個通電定時之一或多個定時較佳地對應於離散數量的半AC或全AC週期的子集。

較佳地，控制模組配置為將時間段分割成複數段，複數個通電定時之一或多個定時對應於複數段的子集。例如，控制模組可將時間段分割為約128個離散段。各離散段可為約10ms。

時間段可選擇性地配置為小於1秒、1秒、小於5秒、5秒、小於10秒、10秒或大於10秒中之至少一種。較佳地，時間段最多約4秒、最多約3秒或最多約2秒。進一步較佳地，時間段為約1.5秒。

複數個通電定時可選擇性地相對於時間段調節。通電定時可選擇性地調節至時間段之最多100%。例如，複數個通電定時可選擇地為相對於時間段之10%、20%、30%、40%或50%中之任一者。

本發明之另一態樣提供一種包含根據前面所述態樣之電源控制裝置之電氣負載。

本發明之又一態樣提供一種電氣負載，其包含：由電能供電之電氣組件，該電氣組件用於提供輸出響應；及用於控制該電氣組件的控制模組，該控制模組配置為在一個時間段內定義複數個離散的通電定時，在該時間段內，該電氣組件被供電以提供輸出響應。

較佳地，由控制模組定義的複數個通電定時為時間上隨機的。

根據本發明此態樣之電氣負載之控制模組之特徵與上述態樣之電源控制裝置之控制模組之特徵類似。

電氣負載較佳為響應速度較慢的電氣負載。例如，電氣負載為電阻加熱器。

然而，本發明之又一態樣提供一種包含複數個電氣負載的系統，各電氣負載具有上述態樣的電源控制裝置或為上述任一態樣的電氣負載。

參照圖1，根據本發明一較佳實施方式之用於電氣負載之電源控制裝置100包含用於從電源接收電能之輸入端120；用於從輸入端向電氣負載提供電能之輸出端140；以及用於控制從輸出端向電氣負載提供電能之控制模組160。電源控制裝置進一步包含一輸入模組180，用於接收一或多個輸入以調整控制模組160之操作。該輸入包含定義對電氣負載供電之定時之輸入，可為該時間段的最多100%。

電源控制裝置100用於包含複數個電氣負載的系統中，各電氣負載皆連接根據本發明較佳實施方式之各自的電源控制裝置。電源控制裝置100適用於相對於電能控制頻率對所提供的電能響應較慢的電氣負載。例如，電氣負載為電阻加熱器。此類電氣負載需要一段時間方能達到所需的操作狀態。例如，在電加熱器的情況下，電加熱器需要一段時間方能加熱到所需的溫度水準。

輸入端120配置為接收來自電源之電能。例如，電源可為主電網或獨立電源。電源控制裝置之輸入端可接收來自交流（AC）電源之電能，或接收來自直流（DC）電源之電能。

輸出端140連接至要從輸入端120供電之電氣負載。例如，輸出端具有一電氣端口，電氣負載可連接至該端口。

控制模組160配置為於一時間段內定義複數個離散的通電定時，於此時間段內，電能從電源控制裝置100之輸出端140提供，以為電氣負載供電。於電能為AC電能之情況下，各離散的通電定時對應於輸入端140接收到的電訊號中之一個全AC或半AC週期。於一較佳實施方式中，時間段可由128個離散定時組成，各離散定時可配置為通電定時，且約為10 ms。只有在通電定時期間才會向電氣負載提供電能。例如，於電阻加熱器之情況下，向其提供電能將提高加熱元件之操作溫度，或在加熱元件已達所需操作溫度之情況下，保持加熱元件之操作溫度。於通電定時之外的時間，停止向電氣負載提供電能。由於電氣負載之響應速度較慢，在停止向電氣負載提供電能後的一段時間內，電氣負載將繼續提供一些輸出。

於電能為DC電能之情況下，控制模組配置為將時間段分割為複數段，複數個通電定時中之一或多個該定時對應於複數段的子集。例如，控制模組可將時間段分割為約128個離散段，各離散段約為10 ms。

電源控制裝置之控制模組160配置為隨時間隨機調整通電定時。於此方面，控制模組160具有隨機化模組162、用於接收來自隨機化模組162之訊號的控制電路164，並將該訊號轉換為用於驅動半導體裝置166的控制訊號，該半導體裝置166可配置為允許或停止從輸入端120向輸出端140供電。隨機化模組162於一時間段內生成半導體裝置164之通斷電定時。半導體裝置164由一或多個開關組成，其用於控制輸入模組120向輸出模組140的供電。例如，半導體裝置164可由三端雙向可控矽開關（triacs）、絕緣柵雙極電晶體（IGBT）、金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）、雙極性接面型電晶體（BJT）、矽控整流器（SCR）或任何其他開關組成。於此實施方式中，系統中電源控制裝置100之控制模組配置的通電定時獨立於系統中其他電源控制裝置之控制模組配置的通電定時。

根據參照圖1所述之實施方式，隨機化模組162包含於電源控制裝置中。於其他實例中，隨機化模組可位於電源控制裝置外部。在此等其他實例中，隨機化模組可藉由有線或無線連接與電源控制裝置之控制模組的控制電路相連。例如，電源控制裝置可具有一個通訊模組，用於促進與外部隨機化模組之通訊。外部隨機化模組可與一電源控制裝置通訊，或與系統中複數個電源控制裝置通訊。例如，外部隨機化模組可具有或實現複數個通道，各通道可分配給各自的電源控制裝置，隨機化模組配置為為各通道生成隨機化控制訊號。複數個通道上的隨機化控制訊號相互獨立。使用者可根據系統中要控制的電氣負載數量配置隨機化模組之通道數量。

輸入模組180向控制模組160提供輸入，以選擇性地配置電源控制模組160，從而定義一或多個通電定時發生的時間段及工作週期，工作週期為半導體在配置的時間段內導通的時間量。控制模組160進一步配置為於該時間段內將輸入端接收到的電能分割成離散數量的半AC或全AC週期，複數個通電定時中之一或多個定時對應於離散數量的之半週期或全週期的子集。例如，輸入模組180可配置為將時間段設置為約1.5秒。此等短時間週期為較佳的，因其提供響應性，同時提供足夠長的時間使得由控制模組160實現的概率方法是有用的。於其他實例中，輸入模組180可配置為將時間段設置為小於1秒、1秒、小於5秒、5秒、小於10秒、10秒或大於10秒。較佳地，時間段最多約4秒、最多約3秒或最多約2秒。

輸入模組180進一步向控制模組160提供輸入，以設置相對於時間段之通電定時比率或百分比。通電定時可以有選擇地調整到時間段之最多100%。例如，複數個通電定時可選擇為相對於時間段之10%、20%、30%、40%或50%中任一者。

由於系統中電源控制裝置之通電定時為相互獨立且隨機，因此全部電氣負載或大量電氣負載同時通電而導致上游電源供應不穩定之概率很低。當系統中有電源控制裝置之電氣負載數量增加時，發生上游電源供應不穩定之概率就會降低。通過隨機選擇裝置取電之時間段，可最大限度地減少多裝置系統中之大電流峰值，並在一定規模上提高電流消耗之有效穩定性。此為由於隨機雜訊能夠趨向於零/抵銷。

圖2A至2B顯示1、10及64個負載隨時間變化之負載響應，各負載均以50%之功率運行。此等圖中x軸之週期約為1秒，或50Hz低壓配電網路之100個半週期。

圖2A顯示具有一個電氣負載之傳統系統中之負載響應220a，以及根據本發明較佳實施方式之電源控制裝置100在具有一個電氣負載之系統中之負載響應220b，其中控制模組隨機化向電氣負載供電之通電定時。在此兩種情況下，電氣負載之供電時間均為50%。由於在220a及220b兩種情況下，在任何給定時間電源皆向一個電氣負載供電，因此上游電源供應之差別不大。

圖2B顯示具有10個電氣負載之傳統系統中之負載響應240a，以及具有10個電氣負載之系統中之負載響應240b，各電氣負載皆具有電源控制裝置100，其中控制模組提供隨機及獨立之通電定時，在此期間向各電氣負載供電。在此兩種情況下，電氣負載都有50%之時間處於通電狀態。根據傳統系統之響應240a，在前50個半週期內向全部10個電氣負載供電，接著在後50個半週期內停止供電。與此相反，根據具有根據本發明之電源控制裝置之系統之響應240a，在所示時間段內在不同時間隨機且獨立地向電氣負載供電。於此示例響應240b中，在任何給定時間內，最多有8台裝置在給定時間內通電-即80%之裝置通電。

圖2C顯示具有64個電氣負載之傳統系統中之負載響應260a，以及具有64個電氣負載之系統中之負載響應240b，各電氣負載皆具有電源控制裝置100，其中控制模組提供隨機及獨立之通電定時，於此期間向各電氣負載供電。於此兩種情況下，電氣負載都有50%之時間處於通電狀態。根據傳統系統之響應260a，於前50個半週期內向全部64個電氣負載供電，接著於後50個半週期內停止供電。於傳統系統中，前50個週期之高電源需求及接著後50個週期之無電源需求為一快速變化，會導致上游電源供應不穩定。與此相反，根據具有根據本發明之電源控制裝置之系統之響應260a，在所示時間段內在不同時間隨機且獨立地向電氣負載供電。於此示例響應240b中，在任何給定時間內，最多約有40台裝置於給定時間內通電-即62.5%之電氣裝置通電。

於另一實施方式中，電源控制模組之控制模組與系統中之其他電源控制裝置同步，使得於任何給定時間內，系統中被供電之電氣負載數量被限制於不會導致上游電源供應不穩定之數量內。例如，於任何給定時間內，系統中可只向一個電氣負載供電。抑或，於任何給定時間內，可為最多兩個、最多三個或最多五個電氣負載供電。又或者，於任何給定時間內，最多可為80%之複數個電氣負載供電，或最多可為70%之複數個電氣負載供電，或最多可為60%之複數個電氣負載供電，或最多可為50%之複數個電氣負載供電。

電源控制裝置100可拆卸地連接到電氣負載上。於替代性實施方式中，電源控制裝置之特徵是與電氣負載一體的。例如，電氣負載包含：由電能供電之電氣組件，該電氣組件用於提供輸出；以及用於控制電氣組件之控制模組，該控制模組配置為定義複數個通電定時，於此期間電氣組件通電。由控制模組定義之複數個通電定時較佳為時間上隨機的。抑或，電氣負載之控制模組可與系統中其他電氣負載之控制模組同步。

上述本發明之各種實施方式僅以示例方式呈現，而非限制。對於本發明所屬技術領域中具通常知識者而言，顯然可於不脫離本發明之精神及範圍之情況下對本發明之形式及細節進行各種改變。本發明不應受上述任何示例性實施方式之限制。

100:電源控制裝置 120:輸入端 140:輸出端 160:控制模組 162:隨機化模組 164:控制電路 166:半導體裝置 180:輸入模組 220a:響應 220b:響應 240a:響應 240b:響應 260a:響應 260b:響應

現在將以非限制性實施例之方式，參照圖式描述本發明之較佳實施方式： 〔圖1〕根據本發明一實施方式之電源控制裝置的系統圖；以及 ［圖2A］傳統系統之負載響應及根據本發明一實施方式之具有電源控制裝置之系統之負載響應，該系統包含1個電氣負載。 ［圖2B］傳統系統之負載響應及根據本發明一實施方式之具有電源控制裝置之系統之負載響應，該系統包含10個電氣負載。 ［圖2C］傳統系統之負載響應及根據本發明一實施方式之具有電源控制裝置之系統之負載響應，該系統包含64個電氣負載。

100:電源控制裝置

120:輸入端

140:輸出端

160:控制模組

162:隨機化模組

164:控制電路

166:半導體裝置

180:輸入模組

Claims (12)

1. 一種用於電氣負載之電源控制裝置，該電源控制裝置包含： 用於接收電能之輸入端； 用於從該輸入端向該電氣負載提供電能之輸出端；及 用於控制從該輸出端向該電氣負載提供該電能之控制模組，該控制模組配置為在一個時間段內定義複數個離散的通電定時，在該時間段內從該輸出端提供電能以向該電氣負載供電。
2. 如請求項1所述之電源控制裝置，其中複數個該通電定時為時間上隨機的。
3. 如請求項1或2所述之電源控制裝置，其中該電源控制模組選擇性地可配置以定義該時間段。
4. 如請求項3所述之電源控制裝置，其中該控制模組配置為在該時間段內將該輸入端接收之該電能分割為離散數量之半AC或全AC週期，複數個該通電定時中之一或多個該定時對應於該離散數量之半或全週期的子集。
5. 如請求項3所述之電源控制裝置，其中該控制模組配置為將該時間段分割成複數段，複數個該通電定時中之一或多個該定時對應於該複數段的子集。
6. 如請求項3所述之電源控制裝置，其中該時間段選擇性地配置為最多約4秒、最多約3秒、最多約2秒或約1.5秒。
7. 如請求項3所述之電源控制裝置，其中複數個該通電定時選擇性地相對於該時間段調節。
8. 如請求項7所述之電源控制裝置，其中複數個該通電定時選擇性地最多為該時間段之100%，例如相對於該時間段之10%、20%、30%、40%或50%中之任一者。
9. 一種包含如請求項1所述之電源控制裝置之電氣負載。
10. 一種電氣負載，其包含： 由電能供電之電氣組件，該電氣組件用於提供輸出響應；及 用於控制該電氣組件之控制模組，該控制模組配置為於一時間段內定義複數個離散的通電定時，在該時間段內，該電氣組件被供電以提供該輸出響應。
11. 如請求項10所述之電氣負載，其中複數個該通電定時為時間上隨機的。
12. 如請求項10或11所述之電氣負載，其中該電氣負載為電阻加熱器。