专利名称：全智能节电器的制作方法
技术领域：
本发明是用于工业和家用电器设备的无功功率补偿以及 消除电网浪涌和高次谐波干扰，从而实现用户的高效率节电。
二背景技术：
目前，市场上工业用无功功率补偿设备普遍价格较高， 一套补偿设备少则上万，多则上百万，只有少数大型企业能够 购置，并且还存在设备体积大、维护难度大等问题，使得节电
的主要方法"无功功率补偿"技术难以普遍推广；另一方面在 家用节电器市场上，该类产品多是些消除电网浪涌和高次谐波 干扰的初级产品，节电效果也不是很理想，也成为家用节电器 难以广泛应用的主要原因；而节电又是企业、家庭和社会的迫 切需求，尤其是在当前能源紧张和能源价格高涨的情况下，他 们急切需要一种成本低、节电效率更高的节电器。
三
发明内容
1、所要解决的技术问题
为了解决目前市场上节电，成本高、体积大的难题，本 发明运用内置受控源的复合控制技术，不仅大幅度降低了产品 成本、体积更小，而且节电率大为提高，可将功率因数提高到
0.95以上，并实现了智能化控制。
2、技术方案
本发明的技术原理是运用电学理论的克希荷夫电流定 律，流进任一个节点的电流之和等于流出该节点的电流之和，
设用户所有电器进线端支路为L1 (设Ll上的无功电流为Il)， 从进线端分出两条支路，即一条为负载支路L2 (设L2上的无功 电流为I2)， 一条为补偿支路L3 (设L3上的无功电流为I3)，对 所有无功电流，有关系式11 = 12 + 13，此发明就是运用此关 系式，将负载支路(假定为一感性负载)与节电器补偿支路(假 定为一电容)并联，再在补偿支路上串入一可控电压源(设电 压为Ua)。其节电原理是设补偿支路补偿电容电抗为Za，负 载(感性负载)电抗为Zb，用户电源电压为Us，则可得12 = Us/Zb ， 13二Us/Za+Ua/Za，由电学理论可知，12与I3相位相 反，设Us/Za二Ia， Ua/Za二Ib，则有关系式:13二Ia+Ib，其中 Ia为固定值，而Ib是变量，跟随Ua变化，适当调节Ua，便可实 现12=-13，根据11 = 12 + 13，可得I1几乎为零，从而消除了 进线端支路L1上的无功电流，以达到负载上的无功电流全部由 电容补偿，从而实现节电。
本发明包括电子线路及其相应的外壳，它们构成一个整 体。电子线路包括两个信号采集器、中心控制电路、补偿电路 支路L3、消除电网浪涌电路支路L4、内需电压源，其中，两个 信号采集器是N1和N2， N1串接于进线端支路L1上，N2串接于负
载端支路L2上，L1与L2串联，L3与L2并联，L3与L4相互并联于 Nl和N2之间的串联线路上，Nl和N2向中心控制电路提供节电器 工作状态信号，中心控制电路向L3和L4输出控制信号，补偿 电路支路L3由补偿器件与可控电压源Ua串联组成，内需电压源 向中心控制电路、L3和所有晶体管静态工作点偏置提供直流电 压。本节电器的初始状态是补偿电路支路L3与用电网络断开， 中心控制电路利用在L1和L2上采集到的信号，对L3上的可控电 压源Ua输出控制信号，从而对负载进行无功补偿，其具体工作 过程是
(1) 首先中心控制电路从L2上采集信号，当采集到无电流 (或极小电流)通过的信号，即用户所有电器都不工作时，中
心控制电路利用该信号输出控制信号，使L3与用电网络断开 (即可控电压源Ua不工作)，从而消除无功功率倒送，并将节 电器内耗降到最低。
(2) 当中心控制电路从L2上采集到有电流通过并在10秒内 不变化的信号，即用户有电器工作时，中心控制电路输出控制 信号将L3与用电网络接通(即可控电压源Ua进入工作状态)， 并从L1上时刻不停地采集信号传送给中心控制电路，中心控制 电路根据采集到的信号，对L3上的补偿器件输出控制信号，同 时对L3上的可控电压源Ua进行电压调节，最终达到进线端上的 电流值最小。
(3) 当中心控制电路从L2上采集到有电流通过并在10秒内有变化的信号时，中心控制电路输出控制信号将L3与用电网络 接通，并按一定的时间间隔不停地从L1上采集信号传送给中心 控制电路，中心控制电路根据采集到的信号，对L3上的补偿器 件输出控制信号，同时对L3上的可控电压源Ua进行电压调节，， 最终达到进线端上的电流值最小。
(4) 中心控制电路时刻不停地采集L2和L3上的信号，若任 一信号有变化，就按上述情况进行调节。
(5) 消除电网浪涌电路支路L4的工作流程是①当用户所 有电器都不工作时，L4与用电网络断开；②当负载是容性负载 时，L4与用电网络断开；③当负载是感性负载，并在接入用电 网络后，不使进线端支路L1电流增大时，则L4与用电网络接通， 除消除电网浪涌外，还能消除高次谐波干扰和起到一定的无功 补偿作用。
3、有益效果
此发明的突出优势是产品成本大为降低，智能化控制，节 电率更高，结构更为简洁、实用，工业类节电器成本在IOOO 元以下，家用类在ioo元以下，此发明为节电器在普通家庭和
企业、机关等广泛应用提供了不可多得的先决条件，此发明的 推广和运用必将带来节电技术划时代的变革，将为国家和社会 节省大量宝贵的能源，对缓解电荒、减少环境污染等也将做出 积极的贡献。 四
图l为全智能节电器节电原理图2为全智能节电器结构框图3为全智能节电器电路图。
图4为全智能节电器软件工作流程图。
在图1中，补偿器件与可控电压源Ua串联而组成补偿电路 支路L3，补偿电路支路L3与负载端支路L2并联，进线端支路L1 与负载端支路L2串联。
在图2中，信号采集器N1串接于进线端支路L1上，信号采 集器N2串接于负载端支路L2上，L1与L2串联，补偿器件与可控 电压源Ua串联而组成补偿电路支路L3， L3与L2并联，电子开关 器Ql与电容Cb串联而组成消除电网浪涌电路支路L4， L4与L2 并联，L3与L4相互并联于N1和N2之间的串联线路上，Nl、 N2 分别与中心控制电路相连，中心控制电路分别与补偿器件、可 控电压源Ua、电子开关器Q1相连，内需电压源向中心控制电路 和可控电压源Ua提供直流电压，本节电器的外壳采用全注塑件 封装。
图3将在具体实施方式
中详述。
在图4中，节电器的软件工作流程由初始工作状态和稳定 工作状态两大程序块组成，两大程序块各自按一定的软件流程 运行，最终达到节电器进线端上的电流值最小。两大程序块之 间又相互联系，互相循环。 五具体实施例方式
下面以低压全智能节电器(500V以下)为例，结合附图3 和附图4对本节电器的构成和实施方式做迸一步说明。
(l)电路结构为使节电器更为简洁、实用，成本更低， 它的信号采集器采用发光二极管和光敏电阻为主要部件组成， 另一方面低压节电器内需电压源所需输出的电流不是很大，因 此内需电压源不需设置变压器变压环节。本节电器由以下部份 组成①信号采集部份进线端支路L1上串入发光二极管D1， D1作用于光敏电阻R1上，由光敏电阻R1、电阻R2和单片机控制 信号H1组成的电路对进线端电流进行取样，给单片机提供进线 端信号N1;负载端支路L2上串入发光二极管D2， D2作用于光敏 电阻R4上，由光敏电阻R4、电阻R3和单片机控制信号H2组成的 电路对负载端电流进行取样，给单片机提供负载端信号N2。② 中心控制电路部份由单片机IC1与多通道ADC/DAC转换电路F1 通过数据线连接构成，对整个节电器的工作进行全程控制。③ 节电器内需电压源由电阻R5至R9组成的电阻分压电路分压端 (al)向用户电源Us获取低压电源，再由桥式整流电路k4和集 成稳压器k5滤波、稳压后给节电器提供直流低压电源，k4的接 地端与R10相连后再接地。④补偿电路部份由电子开关器Q2、 Q3分别与补偿电容Ca、补偿电感La相连而组成补偿电容支路和 补偿电感支路，再由两条补偿支路并联后与复合管OCL放大电 路k3输出端(即可控电压源Ua输出端)相连而组成，单片机控 制信号H4与Q2相连(H4控制Q2的通断)，单片机控制信号H5与
Q3相连(H5控制Q3的通断)。⑤可控电压源Ua部份由电阻R5 至R9组成的电阻分压电路分压端(a2)向用户电源Us获取小信 号，R9为光敏电阻，并且是可控电压源Ua的输入端，发光二极 管D3作用于R9上，由单片机控制信号H3、发光二极管D3和电阻 R11组成的电路对R9的电阻值进行控制，电阻分压电路分压端 (a2)与CC组态放大电路kl输入端相连，再由kl与CE组态放大 电路k2 (多级放大电路)和复合管0CL放大电路k3顺序相连对 R9上的小信号进行放大而组成可控电压源Ua，单片机控制信号 H8与k2相连，对Ua输出的正、反相电压进行调节。 消除电网 浪涌电路部份由电子开关器Ql与电容Cb串连，再由单片机控 制信号H6与Q1相连构成，H6控制Q1的通断。各电路组成部份的 连接关系是①串接于进线端支路L1和负载端支路L2上，①向 ②提供电路工作状态信号，②向④、 、⑥输出控制信号，③ 与②相连，③与电子开关器Q4相连，单片机控制信号H7与Q4 相连(H7控制Q4的通断)，Q4的输出端分别与集成运放放大电 路k6、⑤上kl和k2的直流输入端相连，k6与⑤上k3的直流输入 端相连， 串接于@上，④与L2并联，⑥与L2并联。
(2) 节电器软件工作流程(详见附图4)(节电器的初始状 态是补偿电路支路L3与用电网络断开)。
(3) 控制软件本节电器控制软件内置于单片机IC1中， 其控制程序主要由参数比较模块、输入参数检测模块、输出控 制信号模块、消除电网浪涌程序控制模块和参数库模块组成，
用汇编语言编写，依据图4的软件工作流程图进行编程，其中
参数比较模块的中心程序采用参数比较逐次逼近最佳值型。
(4)元器件选择①发光二极管D1、 D3和光敏电阻R1、 R9必须选用高灵敏度电子元件，它直接关系到节电器的控制精 度和节电效果；②复合管0CL放大电路k3、补偿电容Ca、补偿 电感La、电容Cb和电子开关器Ql、 Q2、 Q3必须选用耐高压电子 元件，电容Cb的取值不能太大；③电阻R5至R10的电阻取值应 满足(R8+R9最小值)〉20XR10和R9最小值〉5XR8;④所有
放大电路都要根据晶体管放大电路的低频特性合理选择元器 件；⑤其它元器件根据工作参数要求适当选定即可。
(5) 性能提升为提高节电器控制精度和避免可控电压源 Ua输出过高的电压，电容补偿支路可由两组并联组成， 一组采 用大容量电容，用于补偿感性负载大的场合，另一组采用中等 容量的电容，用于补偿感性负载小的场合，并在单片机中加入 相应的控制程序，考虑到大多数负载为感性，电感补偿支路设 置一组就行了。
(6) 高压全智能节电器(500V以上)的电路组成必须在 节电器内加入高压保护电路，并适当进行电磁隔离；内需电压 源可由变压器加上滤波稳压电路构成；元器件选择可参考[五 —(4)]的要求进行选定；信号采集器和可控电压源Ua输入端 可采用先进的电磁感应器件等；
(7)本节电器电路部份无须调试，即可正常工作。
权利要求
1.一种全智能节电器，具有电子线路及其相应的外壳，电子线路包括两个信号采集器、中心控制电路、补偿电路、消除电网浪涌电路、内需电压源，内需电压源向中心控制电路和所有晶体管静态工作点偏置提供直流电压，中心控制电路分别向补偿电路、消除电网浪涌电路输出控制信号，两个信号采集器分别向中心控制电路输入电路工作状态信号，补偿电路与消除电网浪涌电路相互并联于两个信号采集器之间的串联线路上；其特征在于补偿电路包括补偿器件和可控电压源，补偿器件与可控电压源串联。
2、 根据权利要求书l所述的全智能节电器，其特征在于 可控电压源包括单片机控制信号(H3、 H7、 H8)、发光二极管、电阻、光敏电阻、电阻分压电路、CE组态放大电路(多级 放大电路)、CC组态放大电路、复合管OCL放大电路、电子开关 器、集成运放放大电路，单片机控制信号(H3)与发光二极管 相连，发光二极管与电阻相连，光敏电阻串接于电阻分压电路 末端(a2处)，发光二极管与光敏电阻光藕合连接，电阻分压电 路分压端(a2)与CC组态放大电路输入端相连，CC组态放大电 路输出端与CE组态放大电路输入端相连，CE组态放大电路输出 端与复合管0CL放大电路输入端相连，单片机控制信号(H8) 与CE组态放大电路相连，单片机控制信号(H7)与电子开关器 的一端相连，电子开关器的另一端分别与CE组态放大电路直流 输入端、CC组态放大电路直流输入端、集成运放放大电路相连，集成运放放大电路与复合管OCL放大电路直流输入端相连。
3、 根据权利要求书l所述的全智能节电器，其特征在于 补偿器件包括电容补偿电路、电感补偿电路，电容补偿电路与电感补偿电路并联。
4、 根据权利要求书l所述的全智能节电器，其特征在于 软件控制程序内置于中心控制电路的单片机内，全智能节电器的具体工作过程按如下方式进行(节电器的初始状态是补偿电路与用电网络断开)(1) 首先中心控制电路采集信号采集器上的信号，当采集到负载端支路上无电流(或极小电流)通过的信号，中心控制 电路利用该信号输出控制信号，使补偿电路与用电网络断开， 并将节电器内耗降到最低；(2) 当中心控制电路从信号采集器上采集到负载端支路上 有电流通过并在10秒内不变化的信号，中心控制电路输出控制信号将补偿电路与用电网络接通，并从信号采集器上时刻不停 地采集进线端支路上的信号传送给中心控制电路，中心控制电 路根据采集到的信号，对补偿电路上的补偿器件输出控制信号， 同时对补偿电路上的可控电压源进行电压调节，最终达到进线端上的电流值最小；(3 )当中心控制电路从信号采集器上采集到负载端支路上 有电流通过并在10秒内有变化的信号时，中心控制电路输出控 制信号将补偿电路与用电网络接通，并按一定的时间间隔不停 地采集进线端支路上的信号传送给中心控制电路，中心控制电 路根据釆集到的信号，对补偿电路上的补偿器件输出控制信号， 同时对补偿电路上的可控电压源进行电压调节，最终达到进线 端上的电流值最小；(4) 中心控制电路时刻不停地采集信号采集器上的信号，若有变化就按上述情况进行调节；(5) 消除电网浪涌电路的工作流程是当用户所有电器都 不工作时，该电路支路与用电网络断开，当负载是容性负载时， 该电路支路与用电网络断开，当负载是感性负载，并在接入用 电网络后，不使进线端上的电流增大时，则该电路支路与用电 网络接通。
5、 根据权利要求书3所述的全智能节电器，其特征在于 电容补偿电路包括电子开关器、补偿电容、单片机控制信号(H4)，电子开关器与补偿电容串联，单片机控制信号(H4) 与电子开关器相连。
6、 根据权利要求书3所述的全智能节电器，其特征在于 电感补偿电路包括电子开关器、补偿电感、单片机控制信号(H5)，电子开关器和补偿电感串联，单片机控制信号(H5) 与电子开关器相连。
7、 根据权利要求书4所述的全智能节电器，其特征在于 中心控制电路对可控电压源的电压调节采用"参数比较逐次逼近最佳值"的方式进行，其相应的软件程序为逐次比较逼 近最佳值型。
8、 根据权利要求书5所述的全智能节电器，其特征在于 电子开关器和补偿电容串联成两组，此两组串联再并联在一起，两组串联中的补偿电容一个是大容量电容，另一个是中 禁窓量由忽
全文摘要
一种补偿电器无功功率的全智能节电器，由信号采集器、中心控制电路、补偿电路、消除电网浪涌电路、内需电压源组成，它是在补偿电路的补偿元器件旁串入受控源，运用中心控制电路对受控源的复合控制技术，最终使得负载的无功功率全部由补偿电路提供。此技术一举解决了目前市场上节电器体积大、成本高的难题，结构更为简洁、实用，并且节电效率更高，可将功率因数提高到0.95以上，同时实现了智能化控制。
文档编号H02H9/00GK101106276SQ20061017131
公开日2008年1月16日 申请日期2006年12月13日 优先权日2005年12月16日
发明者邓一刚 申请人:邓一刚