专利名称：电力负荷最优化运行装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种负荷控制和管理装置，用于控制电能消耗设备的负荷需求量和运行。更具体地说，本发明涉及一种用于电力供电网络的控制和管理装置，使得能对网络上的电能消耗设备的各个电力负荷进行单个控制。本发明的独特的装置能够使单个的设备的性能实现最优化，同时能精确地启动、控制和使它的单个负荷的工作与提供到其上的能量相同步，从而延长了设备的寿命和提高了设备的效率，同时控制了总负荷的需求量。
当该装置在具有正常储备容量的设备，例如空调机、制冷装置和热泵上使用时，已经证明能明显节约总的消耗能量。这些能量的节约在并未牺牲设备的可靠性、使用寿命或性能标准的情况下就可实现。举例来说，当利用本发明的独特装置时，利用相同的空调机以较少的能量消耗就能使相同的房间相对室外温度保持非常凉爽。
此外，这里公开的改进装置能够由电力公司在其自己的线路范围内进行同步控制，无需采用附加的或空间传送的射频信号。因此，电力公司以以前决不可能的方式不受用户的消极因素(whim)的影响，同时，不受联邦通信委员会关于射频噪声规定的限制。
由于本发明的优点很可能获益的领域是作为基础工业的发电产业以及所有的各种不同的利用电力设备的领域。在各种领域的用户中间主要的受益者将是制冷、加热和空调产业以及这种设备的所有用户。当然，由于降低了当地的空气和水污染，一个区域所需的总的电力的减少往往会有利于该地区的生态。
因此，可以看出，由本发明受益的可能的领域是无数的，这里所介绍的各优选实施例决不意味着将本发明的应用局限于特定的领域，这些实施例是用于解释本发明的细节的。
对本发明可适用的所有可能的领域的全面列举受想像力的限制，因此这里没有全面提供。这里提到了某些显而易见的应用是为了对这一先前未公知的通用产品的制造的独特特性提供全面完整的公开。根据最初所述的应理解，本发明的范围不局限于这些领域或下文提出的可能的应用的具体实例。
公用电力系统公司向很多的单个用户供电。各个用户需求的总和是在公用系统的发电厂所计量的总和需求。在每日某些时间范围和季节时间里，用户需求比其它“非峰”期间更高。公用系统的基本问题是，在“峰荷”期间公司必须具有足够的容量以满足用户的最大需求或负荷要求。这种最大容量远远超过正常非峰期间的需要。因此电力公司需建立一些发电厂并维持其运行，在不是要满足峰值需求的期间内未充分起作用。据估计，建立每千瓦的生产能力所需的新的发电设备的费用为6000到10000美元，而利用本发明人的需求量控制装置节省这些同样千瓦的费用是每千瓦容量200美元量级，这些容量是根据需求方管理部门提供的。
电力公司通常利用一种按需求量收费方式以及关于电能使用变化速率的规则调度表，这种按需求量收费方式一般根据在某些更长的时间阶段内例如说一个月内一预定时间间隔期间例如10-15或30分发生的最高平均千瓦需求值确定。因此，很显然，在一很小的时间间隔例如一个月中的15分钟内由于高的平均千瓦需求使按需求量收费方式增加的用户，会明显希望控制它的功率需求，将其限制到一实际可能的最低值。简而言之，假如用户按照最快的速率使用电能，它就要为电能更多地支付费用。在一记帐周期内读出的所使用总的千瓦小时和最高的需求值决定了用户需支付的总的费用。令人惊奇的是，关于公用电力系统的帐单的按需求量收费标准有时会是两种费用中较高的。更让人惊奇的事实是，很多用户甚至不了解它们的用电帐单是以这种方式计算的。通过制定按需求量收费标准，公用系统的公司已经试图通过对在短的峰荷期间耗电严重的用户施以财政罚款，来削平电能负荷需求循环周期中的峰荷。因此会鼓励大的用户削平它们的电能消耗，以便在所有的时间内是恒定的。这种方案有点脱离实际，因为各个用户的峰荷周期并不总是与在中心电站由电力公司所计量的峰荷相一致。应指出，如果所有的大的用户将它们的峰荷需求移到一天中的不同时间，则一天中的该时间会自动地变为在中心发电站所计量的峰荷需求时间。这种按需求量收费方式对于防止这种事情的发生不起作用。这种方案的主要问题在于当人们需用电时，他们就要用电，以及实际上他们在不合适的时间才可较便宜地用电。甚至可以说，这种方案的主要问题是完全不起作用。无论如何，从财务上鼓励的方法作为一种降低峰荷电能需求的方法还没有完全成功。
已经试图降低在“峰荷”期间由公用系统的公司所计量的电能消耗设备的需求量。这些现有的方法通常包含可编程的定时器和微处理器，它们在每个计量周期中的部分时间内停掉一些设备，使得需求量降低，在这些时间内公用系统计量表读出较少的需求量。换句话说，如果计量需求的时间间隔是15分钟的一段时间，以及如果在各连续的15分钟的时间间隔的期间内，机器被停掉持续每一时间间隔中的某一部分，公用系统计量表的读数将在每个时间间隔期间反映一较低的需求量，该按需求量收费会较低。
在某些时间中用于降低电力需求量的装置是早就有的，在本技术领域中是公知的。很多(如果不是全部)的这类系统利用强制控制技术，利用某种按时间启动的开关对单台的耗能设备简单地切断供电电源。已经发现，强制性地周期中断供电会缩短很多类型的贵重的用电机械设备的寿命。主要的例子是在制冷装置中的主压缩机装置。这种压缩机必须按照预定的重要的停机(抽气降压)和启动周期运行以防止严重损坏。简单切断电源的装置无论如何也要使这些设备按照所需的这些停机和启动周期工作。
近来，对于在公用系统电力网络中对需求量的不同于财务罚款的某种方式的控制需求变得更迫切了。因此，已经研究开发大量的电源切断或周期循环系统，用以安装在各个用户场所。这些系统通常以原始方式由安装在被控制设备之前的主要供电线路中的开关装置控制。这些原始的供电电源切除装置具有与在被控制设备上拔出插头相同的作用，并且在本讨论论述的其余部分被称为“插头拔出器”。例如，可以将一定时开关装在电热水加热器上，在一日期间当人们可能不需要热水时断开加热元件的电源。这些开关的控制是利用在最原始的这些装置中的简单的按日计时器来实现的，并且可以利用更完善的装置利用来自公用系统的射频信号来实现。通常控制各现行的开关，简单地在晚上的一些小时切除设备的电源，或者它们可以启动脉冲式的动作，在受控的时间阶段内周期性地供电和停电，而在其他时间内正常工作。后来的公开的先有技术一直针对对电力设备进行这种原始的断电控制。正如将会看到的，本发明的完善、简单和有效是先有技术不能匹敌的。
在1979年2月27日授予Briscoe等人的4141407号美国专利提出一种电力需求量限制电路，用于一经过需求量计与城市电源相连的空气温度控制装置。对一定时器编程，以便在由公用系统瓦特计确定作为需求量周期的任一周期期间，使定时器开关循环至少断开一次。定时器开关配置在到所有负荷的供电电源输入端，因此，是一如上所述的强制的“插头拔出器”。定时器开关不可能进行任何形式的外部控制，不能缺少手动操作一使整个装置中止的超越控制开关。Briscoe等人公开了一种电力需求量限制电路，其利用一结合选择开关的可编程定时器，该选择开关在计量的需求量时间间隔中的某些部分期间以手动方式选择空调或加热。定时器到电源的持续连接形成其固有的附加寄生的耗电。
与之对比，本发明的控制装置整体安装在每一单个负荷的温度调节器的控制信号线路中，因此不是强制的“插头拔出器”。最显著的区别是单独的需求量控制处理装置的连接全部都在每个负荷控制点处的控制电源线路中；而Briscoe明确提出需求量控制处理装置在电源供电线路中。应当强调指出，在该设备内部或直接靠近设备的温度调节器控制线路的开关转换并不等同于供电电源线路的断开。本发明的控制开关利用数字式脉冲记数器而不是原始的“定时器”来进行周期循环控制，因此得到的负荷启动和同步的益处是利用Briscoe等人提出的原始的计量器所不可能得到的。
通过进一步对比，本发明能够通过环境状态传感装置或者通过各种利用能由公用系统电力公司操纵的内部的频率变化传感装置进行外部控制。这种外部控制决不是由Briscoe等人的装置所提出来的。此外，本发明没有产生如Briscoe等人的定时器所形成的连续的寄生的电能损失。
1977年5月31日授予Browder等人的4027171号美国专利提出一种电力需求量限制系统，其利用对空间温度响应的开关转换装置限制与电力公用系统电源连接的空间空调负荷的峰值电力需求量。该系统包括定时器装置，用于对空间温度响应的开关转换装置以周期循环方式将空间空调负荷与电力公用系统的电源连接和断开；以及定时器控制装置，用于选择性地向定时器装置供电和断电。Browder等人介绍，该循环控制开关可以按原始方式由电力公用系统控制(仅起停)。Browder等人的方案的循环周期不能通过手动、遥控或利用其它方式进行控制。
与之比较，本发明的装置没有采用用于循环操作开关的定时器，而是利用数字循环计数器，其能使在整个网络上可能有的很多的单个负荷精确地协调地启动。此外，与Browder等人的方案对比，本发明能够对周期动作的开关的循环周期进行外部控制。本发明的循环周期可以利用本地的环境状态传感器或利用可由公用系统公司控制的线路频率变化传感装置来进行调节。此外，Browder等人虽然预见通过遥控由电力公用系统简单地启动定时器开关，但决没有提出本发明的对电源线路频率变化响应的控制方案。本发明的主要区别是总是以最佳运行方式在线循环控制负荷，以及能与电力公用系统相互作用以改变最佳运行周期的时间长度。
作为历史上的相关文件，1924年7月29日授予Moore的1503130号美国专利提出一种用于自动控制峰荷需求量的电气装置。相关之处在于，即使在这种早期阶段，电力公司也遇到了与使它们的发电设备过载的峰荷需求周期相关的问题。Moore的装置通过利用电极电动机收回电极来调节电极电炉所吸收的负荷。调节器的零点是变化的，以便在例如所使用电力在15分钟的时间阶段内超过限定的量值时通过收回电极来减少负荷。设计该系统用于具有可细调负荷耗电特性的设备，例如可浸没电极金属熔化炉。正因如此，该调节装置并不适合于本发明的目的。该专利没有暗示或公开用于周期通断负荷的装置，更不必说由外部控制改变这些循环周期。
与之对比，本发明的装置没有为了循环控制开关而采用定时器，而是利用在负荷的控制信号线路中的数字循环计数器，使得在整个网络上可能有的很多单个的负荷能精确协调地启动。此外，与Moore的方案对比，本发明能够从外部控制循环开关的循环周期。可以利用本地环境状态传感器或利用可由公用系统公司控制的线路频率传感装置来调节本发明方案中的循环周期。此外，Moore决没有提出本发明的由公用系统进行的响应于电源线路频率变化的控制方案。此外，定时器持续连接到电源上形成其固有的附加的寄生耗电。
1932年8月23日授予Wood的1873238号美国专利提出一种消除峰值功率和计量系统和装置。该获得专利的装置在每日的预定的峰荷周期时间将水加热器电力负荷从电源断开。正因如此，它是另一种如前所述的“插头拔出器”。该专利在每日的非峰时间内放慢了功率计量装置，以便在这些时间里使用户以相同的费用使用更多的电力。Wood没有提到或预料降低按需求量收费。该专利没有暗示或公开用于在峰荷或非峰周期期间短时循环通断负荷的装置，更不必说从外部控制这些循环周期的变化。
与之对比，本发明的装置没有为了循环控制任一种开关而采用定时器，而是采用数字循环计数器，使得在整个网络上可能有的很多单个的负荷能精确地协调启动。此外，与Wood方案直接对比，本发明能从外部控制循环开关的循环周期。本发明方案中的循环周期或者用本地环境状态传感器或者利用可由公用系统公司控制的线路频率传感装置可以进行调节。此外，Wood决没有提出本发明的由公用系统进行的响应线路频率的控制方式。此外，定时器对电源的持续连接形成其固有的附加的寄生耗电。与Wood的最后一点区别是，本发明决不会改变功率计量表的功率测量特性，而是放慢负荷平均利用的功率。现今的各项规定禁止改变功率表。
1967年1月3日授予Williams的3296452号美国专利提出一种负荷调节装置，用于将电力负荷维持在确立需求量变化速率的限值之内。该专利提出一种声音报警，当过程中消耗的电能接近在指定的需求量时间间隔例如15分钟的时间内所允许的最大值时发出报警。设备的操作者在听到报警时将切断该设备的供电，切断状态持续计量周期时间内的其余部分。Williams建议可以代替报警而自动停止该设备，但并未公开实现这种功能的装置。该方案使得在需求量时间间隔开始时可以较高的速率消耗能量，而使停止报警对在接近需求量时间间隔中止处的直线状的需求量曲线变得更敏感。Williams的系统虽然相对完善，但最终可简化为如上讨论的“插头拔出器”。主要相关的是Williams采用的数字脉冲计数器相似于由本发明所采用的脉冲计数器。然而，Williams以完全不同的方式采用数字脉冲计数器，并且用于与本发明不同的目的，他的脉冲计数器不响应自动作用的外部变化。
与之对比，本发明的控制开关与温度调节器或其它对环境敏感的传感器的控制信号线路串联安装，因此不是强制“插头拔出器”。应当强调，在设备内部或直接邻近的温度调节器控制线的开关转换不等同于电源供电线路的断开。此外与Williams的方案相对比，本发明能够外部控制循环开关的循环周期。本发明方案中的循环周期或者利用就地的状态传感器或者利用可由公用系统公司控制的线路频率传感装置可以进行调节。此外，Williams决没有提出由公用系统进行的本发明的响应线路频率的控制方式。
1970年2月17日授予Voglesonger的3496337号美国专利提出了一种用于耗电装置的顺控电路。该专利提出一系列的利用单个温度调节器控制的加热元件。利用一置入有高低限位开关的电流表监测输入到该组合件中的总电流。只要总电流低于预设的最大值，机械式定时器顺序地进一步将加热元件接入到线路上。如果最大值电流被超过，就禁止进一步接入加热元件。这种控制装置是另一种如上这的“插头拔出器”。没有将开关转换引入该温度调节器控制线路，更不必说由本发明所公开的对这些线路的外部控制、同步、改变周期和循环动作。
1972年7月18授予Weatherston的3677335号美国专利提出了一种分级加热和冷却系统。该专利提出一种用于加热和冷却系统的控制系统，其中利用来自可逆电子计数器的信号按照以时间增量形成的各级控制加热量和致冷量，该计数器的运行在于根据电子时钟按计时的间隔开始下一级。该获得专利的方案主要在顺序接通更多的单个的加热或空气调节装置，例如按2分钟的时间间隔，直到已经达到房间的预期温度值。该装置在功能上或结构上与本发明并不相似。它主要公开了一种特制的单一温度调节器，插入或断开一组相关的设备。相关之处，仅在于它提出的二进制可逆脉冲计数器是本发明的在加热和空调领域中的公知技术。
1980年6月17日授予Sullivan的4208593号美国专利提出一种将负荷由电源上断开的方法和系统。该发明的主要改进之处是提供一种冗余需求量控制装置，它的作用是当该基本需求量控制器本身没有电流时断开各单个负荷并报警。该专利提出在一特定的计量位置对单个设备按优先顺序排队，并且在需求量超出时由较低优先权的设备部分开始断开电源。与之对比，本发明顺序控制运行负荷的启动。Sullivan没有提出单个设备的循环控制，例如温度调节器信号，更不必说形成外部可控制的可变的循环周期。
1981年1月13日授予Hedges的4245319号美国专利提出一种电能管理方法和装置，利用与施加电压的零点同步的工作循环的减小方案。Hedges提出另一种“插头拔出器”式的装置，仅当接近检测的需求量限值时才起作用。该装置卸掉某些被检测的负荷以保持需求量刚好低于该需求量限值。Hedges没有提出单个设备的循环控制，例如温度调节器信号，更不必说从外部控制的可变的循环周期。
然而这些公知的方法和系统不能防止由于连续地随机通断操作(似插头拔出器)对设备及其零件的损害，从而缩短了设备的寿命并增加了维护和修理的费用。没有一个先有系统或装置考虑了在一单台的设备内部的各个部件的各种的电负荷的需求。没有一种公知的方法以与提供电能普遍同步的方式控制和启动设备。在所计量的时间间隔内的变化(例如在断电之后)会使这些方法的计量与所计量的需求量时间间隔失去同步。先前的方法和系统必须利用附加的装置例Briscoe等人的延时继电器来预防在断电之后由于同时通电使设备形成需求量浪涌或过负荷。没有一种在先方法和系统精确地控制设备的运行，使得它在为了使特定设备能够保证最有效的性能参数时的最佳时限(Window)起作用。没有一种在先的方法，系统或装置在所有的工作循环的主要部分期间不借助利用能量来促使需求量降低。它们总是必须要通电以便起作用，因此，它们自身形成连续的负荷需求。
因此，可以看出，用于降低负荷需求量的先有的系统、方法和装置都是存在不足的，最多是简化为机器的“拔出插头”，以此降低它的负荷需求量。这可能实现或不可能实现降低需求量。因此，没有一种在先的方法和系统控制和管理负荷需求量，不能控制和管理设备或作为一复杂单台的设备中的各个子系统的运行。
上述发明和专利或其组合均没有给出如权利要求所述的本发明。
简单说，本发明包含一在电力设备中的各个装置中的控制信号线路中的专用控制开关。控制信号线路的一个实例是在常规的空调装置中的温度调节器控制线路。在某些时间间隔内该专用开关断开，以便有效地向该设备发信号，表明提供控制信号的传感器已经达到要求。当利用设备控制装置(温度调节器)沿信号线路输送AC控制信号时，数字计数器被启动保持专用开关断开，直到出现预定数目的AC脉冲。然后，专用开关闭合，直到第二预定数目的AC脉冲出现，然后重复开闭循环或再循环。用于控制这种类型的循环转换的计数器的类型在本技术领域是已知的，如数字循环计数器。数字循环计数器本身是一种常规的、可市售的产品。本发明的主题不是循环计数器本身，而是这种循环计数器与电力负荷中的常规控制线路的结合。只要控制信号出现在信号线路上(例如只要温度调节器正要求制冷)，专用开关由开到闭和再次返回的这种循环就持续。当在信号线路上没有控制信号时(例如温度控制器开关断开，未要求制冷)，数字计数器停止，它的作用只当信号再次出现时重新开始。
如果设备的电控制信号线路未被起用，不消耗能量。每次控制信号线路被起用，计数器首先使断开循环周期 维持一定的计数值，然后接通循环周期，维持一定的计数值。只要控制信号线路被起用，断开循环周期和接通循环周期就重复进行。如果控制信号线路未被起用(当由温度调节器开关断开时)，所有的计数中止，当信号线路再次被起用时，再次开始断-通循环周期。
利用数字计数器进行总和的实际计数值是由在AC信号线中的电压峰值产生的。通过设定在具有一定体形的计数器装置的外表面上的DIP开关，在指定应用的场合，每个断开和接通循环周期中的计数值可以手动地单独调节。另外，一响应于手持数字式光发射器的数字光学系统可以用于设定和改变循环周期的脉冲计数值。
在指定设施上安装设备时通过手动设定DIP开关或由手持发射器发出光形式的数字代码，设定断开计数值和接通计数，以便在正常的运行状态下使设备效率达到最佳值。此外，数字计数器根据外部信号源的信号能够对每个循环周期改变脉冲计数值。这种在每个循环周期中的正常脉冲计数值的改变通常只有在极端或异常的情况下才进行的。例如，当外部温度计表明外侧很热或很冷时，计数器可以增加在“接通”循环周期中的计数值，以便分别提供更多的总制冷或加热能力。按照另一个实例，当电网需求量很大时，对于公用系统可以增加在“断开”循环周期中的计数值。利用装入或在数字计数器外的线路频率传感器，由公用系统进行改变脉冲计数循环周期。由于沿供电线路供电线路频率处于公用系统公司的精确控制之下，已提供一种装置，用于对峰值负荷同步减载，而不中断送到用户的电力。
在控制信号线路为来自空调系统中的温度调节器的线路的实例中，在这一线路中没有控制信号电压通常表明对设备来说，空气温度足够冷，主冷冻压缩机可停机。当在温度检测器线路中再次出现控制信号电压时，空调设备开始正常启动程序。当专用开关断开时，设备的反应正像温度调节器已经达到要求，启动正常的冷冻停止程序。本发明的专用开关在尽可能接近设备负荷的一点处，与温度调节器开关一起串联安装在温度调节器线路中。可考虑将本发明的专用开关实际上装入原有的空调装置中。本发明的小尺寸特点使得它同样对改装原有装置有吸引力。
因此，本发明的首要目的是提供一种新型的改进的电力负荷最优化运行装置，其能以简单有效的方式克服先有技术的缺点。
本发明的主要目的是提供一种用于控制单个负荷需求量和耗能设备运行的优异的装置，通过以与提供到设备上的电能全面同步的方式使该设备精确地实现最佳运行。
本发明的再一目的是提供一种制造简单和费用低廉的装置，用于使单个设备启动、同步和最优化运行。
本发明的再一目的是提供一种安装简单和费用低廉的装置，用于使单个设备启动、同步和最优化运行。
本发明的再一目的是提供一种正常完全自动化的因而无需用户介入的装置，用于使单个设备启动，同步和最优化运行。
本发明的再一目的是提供一种无需改变已有设备或该设备的部件的装置，用于使该设备启动、同步和最优化运行。
本发明的再一目的是提供一种除实际控制负荷时以外不消耗电能的装置，用于使单个设备启动、同步和最优化运行。
本发明的再一目的是提供一种用于在相同的总体位置处的成组设备以可控方式管理总体运行的装置，通过在一组中的各单个设备负荷保持同步的最佳运行有效地降低需求量。
本发明的再一目的是提供一种用于对在相同的总体位置处的成组设备以可控方式管理总体电能需求的装置，降低向设备提供电能的公共系统公司按需求量的收费。
本发明的再一个目的是提供一种管理电力设备的总体电能需求的装置，该装置是可根据利用交互状态传感装置检测的环境状态进行调节的。
本发明的再一目的是提供一种用于管理在各种不同位置处的电力设备的网络上的总的电能需求的装置，该装置是可根据由公用系统公司引起的供电线路频率信号的变化进行调节的。
本发明的再一目的是提供一种用于在各种位置处在电力设备网络中普遍断电的过程中以同步分级方式启动网络上的各单个负荷的装置。
本发明的再一目的是对耗能设备上的负荷需求量和运行施加控制，使得所有设备中的组成部分单独地起作用，但是在运行的最佳周期期间是协调一致的，不会产生持续过负荷或永久性地断开，因此，延长了设备寿命并提高功能效率。
最后，本发明的总的目的是提供一些改进的元部件及其在装置中的配置，用于实现所述各种目的，在实现预期目的时，价廉、可靠和充分有效。
通过进一步阅读如下的说明书和附图，可以使本发明的这些和其它目的变得更明了。
本发明满足了或超过了所有上述目的和目标。通过进一步研究说明书和附属的权利要求，对于本技术领域的熟练人员来说，本发明的另外的目的和优点将变得更加明显。
当结合附图分析时，对于本领域技术人员来说，本发明的其它各种目的、特征和附带的优点将会得到最全面的认识，其中附图是为了实些本发明的各个目的装置的总体结构和连接关系的示意图。
本发明的负荷需求量控制装置总的包含在附图中标以需求量控制装置(DEMAND CONTROL APPARATUS)的虚线椭圆99内包围的各种装置。参阅附图，电源线10通过在设备22所在地的建筑物处的公用系统计量表12。计量表12测量在该位置处使用和需求的电能。可控制的供电电源线10通常是未调节的，并向设备22提供可控制的电力。线10还向调节装置14，例如变压器、温度调节器、压力限位开关等供电，该装置再向控制信号线16提供电流或输送控制信号。在一般的情况下，当例如空调装置要求温度调节器控制制冷时，控制信号线16输送24伏的AC电压。控制信号一般作用于在供电电源线10上的开关18使之动作。其它的内部设备控制装置(未表示)也可以影响其它开关例如开关18的动作，需求量控制装置还可以介入这些线路。例如，可以有用于控制空调装置中的通风扇的单独的控制信号线。然而，为了简化，在如下的说明书中将详细介绍在单件设备的单一控制信号线中的单一需求量控制装置。
本发明的需求量控制装置接入控制线16。重要的是应注意，本发明的整个需求量控制装置仅通过接入一般的控制信号(例如温度调节器)线路连接到已有设备中。再无其它连接。在无需求量控制装置的情况下，控制电源线16开闭开关18，从而开闭控制电源线10，控制流向在设备22内部的负荷20的功率流。再者应注意，设备22可以包含几个单个的负荷20，例如压缩机装置、控制用螺线管线圈、若干风扇等。为了简化在设备22中仅表示一个负荷22，不过本发明也可结合具有各种各样的多个负荷的复杂设备加以应用。通常所用的电气接地装置在示意图上未表示，因为它不是与本发明相关的主题。
本发明包括在标以DEMAND CONTROL APPARATUS(需求量控制装置)的虚线椭圆99中所示的数字循环计数器24和开关26；以及外部调节装置36。应当指出，外部调节装置36如果需要可以像数字循环计数器24一样加入到同一装置中。外部调节装置仅用于接收利用各种外部传感器可能产生的各种形式的外部信号，以及将这些外部信号变换为可由数字循环计数器24接收的形式。装置24被称为数字循环计数器是因为(1)以数字方式对正弦交流输入电压的振荡次数进行计数；(2)使开关26断开持续预定数目的计数值，然后闭合持续预定数目的计数值；以及(3)只要存在输入信号，无限重复或“循环”所述开闭方式。当没有由调节装置14(温度调节器14)向线路16输送输入信号时，所有的计数操作中止，计数器是“静止”待用的，不消耗能量。当在线路16中出现输入控制信号时(在这种静止待用的周期之后)，重新开始计数和需求量控制开关26的开闭循环。为了简化，在随后的介绍中“数字循环计数器”在一些地方缩称为“计数器”。应当理解，这里所称的“计数器”是指特定的迄今所述的数字循环计数器，并且在其余的介绍中进一步引伸。计数器24能够以特定的方式对其它的外部信号起反应，例如通过改变预定的计数值，下面将更完整地介绍。
需求量控制装置接入控制信号线16，而不是直接连接到可控制电源线10和负荷20上。重要的是应指出，本发明的需求量控制装置全部在负荷的控制点处的控制信号线(路)内部。计数器24的输入线路28是在设备控制信号调节装置14和设备负荷控制开关18之间的某一点处的控制信号线16中分接的。最好，尽可能在接近负荷控制开关处进行这种连接。通常可在设备本身限定的范围内进行这种连接。在本文介绍的特定实例中，可以在包含住宅用空调装置中的压缩机装置的壳体内部进行这种连接。
重要的是应强调，本发明的需求量控制装置整体连接在该设备中的各单个子负荷的控制线路中。换句话说，所述的空调器对于压缩机装置和通风扇装置的各种子负荷可以有单独的控制线(路)。一单独的需求量控制装置可用于控制这些子负荷中的一个或两个。对于空调装置的所有子负荷的总电源线通常是决不会由本发明的需求量控制装置改变的。在一般的装置中，压缩机装置可以经过预定的停用周期进行循环操作，而让通风扇电动机在温度调节器要求制冷的全部时间内连续地运行。应当谨记，图中的负荷20可以代表由单件设备例如热水电加热器消耗的可控制的总功率，但是，更一般地代表一大型的复杂的单件设备例如空调机、热泵或制冷系统中的一单个的子负荷。
在运行中，计数器24开始接收来自控制信号线16的沿输入线路28输送的电流。计数器24立即开始对AC输入信号中的峰点的数目进行计数，并沿线路30输送一输出信号，以打开常闭开关26。对于熟练人员来说很明显，可以根据AC输入信号的峰点或过零点进行计数，因为两者利用常规的电路都易于实现。在任何一种情况下，计数器24对该数目计数求和。在这第一循环(周期)中，开关26保持断开，对设备控制开关18来说，这种状况与在控制信号线路16上没有控制信号的状态相同，这种状态对应于调节装置达到要求，例如温度调节器14达到要求，无需制冷的状态。为了简化介绍，这一循环周期在下文称为需求量控制装置的“断开”循环周期。
为了完整介绍，参照水电加热器对需求量控制器的第一或“断开”循环周期将为了比较进行介绍。典型的过程顺序如下(1)水温下降低于在设备中的水温度调节器(调节装置14)所要求的温度，(2)水温度调节器(调节装置14)沿控制信号线路16输送控制信号，通常闭合设备开关18并使电流由供电电源线10流向设备的加热用线圈(负荷20)。
(3)利用该需求量控制装置中断控制信号，该控制装置在通过输入线路28检测沿控制信号线路16的控制信号后，立即指令计数器24断开开关26并开始在“断开”循环周期内对振荡次数计数。
如前在空气调节器实例一样，设备开关18的状态严格地维持，好像在控制信号线16中无控制信号，这对应于调节装置达到要求的状态，例如温度调节器14达到要求并不要求加热。
在上述制冷和加热两个实例中，应注意，迄今所介绍的需求量控制装置的作用仅不过是延迟开关的作用。当要求制冷时，由于需求量控制装置使制冷的开始被延迟；当要求加热时，由于需求量控制装置加热的开始被延迟。然而，需求量控制装置所做的远多于一个简单的延迟开关的作用，由这一问题的讨论的其余部分将会明显看出。
在达到在“断开”循环周期中的特定的预设计数值时，计数器24沿它的输出线路30输送信号以闭合开关26，因此接通了控制电源线16的正常回路。在实际的实施中，沿输出线路30的“信号”实际上是没有使开关26返回到它的常闭位置的信号。按照在数字控制技术中所采用的常用的术语，在线路上无电压或电流通常，正像这里一样被称为信号。在这种状态下，称为“接通”状态，需求量控制装置实际上脱开该通路并使调节装置14能控制该负荷，好像一般通过设备开关18进行的一样。
该“接通”状态启动对在AC输入线28中的峰点的单独的计数和求和。需求量控制装置的“接通”循环周期维持到总计数值达到第二预设值。在该接通循环周期期间的计数可以两种方式之中的一种中止。第一种方式是计数值达到在设备的“接通”期间使用的第二预设值。在这种情况下，计数器转换到“断开”循环周期，断开开关26，并开始作用于“断开”循环周期的新的一轮计数。第二种方式是在“接通”循环周期中的某一时间调节装置或温度调节器14变得达到要求。在这种情况下，来自温度调节器的“达到要求”的信号使需求量控制装置中止计数并将全部总和值复位到零。在这种状态下，开关26返回到它的常闭位置。在实际实施时，来自温度调节器的正常的“达到要求”的信号对应于在控制信号线路16上无任何信号。由于当温度调节器达到要求时，通常在控制信号线路上无电，在这段时间内，未向需求量控制装置供电或其耗电。当该设备调节装置未输出信号时，在该期间需求量控制装置不耗电，这一事实满足了本发明的一个重要目的，即在控制用电的过程中不消耗不必要的电。
设计数字循环计数器以便当被中断的供电再次出现在控制信号线16到28上时，即当温度调节器再次要求制冷或加热时，重新开始新的一轮“断开”周期的计数循环周期。还要强调指出，由于温度调节控制装置14处的正常转换或由于在该设备所在的设施全面断电，控制信号线路16可能无电。通过按照预定的“断开”周期本身重新启动，本发明的需求量控制装置还可用作一种与网络同步的重要的启动装置，有助于在紧急断电之后公用系统在线得到恢复。如果利用本发明的需求量控制装置控制网上的大量的耗电装置，很明显，网络恢复供电时，将不会出现例如几千台电动机负荷形成的特殊启动浪涌波动。众所周知的事实是启动和加速一台电动机要比使电动机维持在恒定速度下旋转要占用更多的电力。如果按照所设想的，利用本发明的需求量控制装置来控制每一单独的电动机负荷，当向线路返回供电时，它们全都立即脱开线路。此外，它们将全都按照对于它们各自的“断开”循环周期已预设的单独的计数值重新启动。这些预设的“断开”计数值对于在所有设备上的所有电动机不是相同的。例如，一台电动机可以在例如3600的计数值之后启动，而另一台电动机可以在例如5400的计数值之后接入线路。因此，因第二台电动机的启动引起的瞬态过程在整个电网中形成之前，由第一台电动机的启动引起的瞬态过程已消失了很长时间。再过将在网络上的大的耗能装置的“断开”周期适当错开，可以保证公用系统在断电之后对由启动引起的瞬态过程是可承受的。同样，例如在同一地理位置具有很多装置的大型冷冻站中可以防止各个用户由于多个装置同时启动引起的瞬态过程。
利用本发明的装置，在设备的控制信号线路中，当在正常的设备控制(例如温度控制器)要求该设备运行时，单由计数器24确定的“断开”和“接通”循环周期作用于该设备。在某种意义上，需求量控制装置对设备的控制优于一般的温度调节。然而，一般的温度调节控制器必须运行，以便启动需求量控制装置。
例如，一空间制冷装置可能处于一温度调节器的总体控制之下。当温度调节器首先要求制冷时，需求量控制装置在通常大约为3分钟的“断开”周期内防止制冷装置运行。然后，如果温度调节器仍然要求制冷时，则允许制冷装置运行一“接通”循环周期，该“接通”周期可稍长、或约4分钟。如果在制冷装置在4分钟的“接通”运行之后，温度调节器仍要求制冷，该需求量控制器则将另一3分钟的“断开”周期作用于制冷装置。由于在第一个4分钟的“接通”周期内温度调节器没有达到要求，在3分钟的“断开”周期作用之后可能仍未达到要求。由需求量控制器能作用另一个4分钟“接通”周期。对于这一实例我们假定，温度调节器最终在中途即进入第二“接通”周期约2分钟达到要求。这时，在温度调节器第一次要求制冷之后大约12分钟(3分钟断开加4分钟接通加3分断开加2分钟接通)，温度调节器已达到要求，且内部空间被适当冷却。在这12分钟期间，制冷装置实际上仅运行6分钟，即头4分钟(接着静置3分钟)和最终的2分钟。已经发现，通过使空调装置按照上述的脉冲方式持续6分钟运行实现的制冷，可以接近通过使同一装置连续运行6分钟实现的制冷，正如仅在没有需求量控制装置的情况下利用该设备所试图达到的。
实际上，可以看出，无论在理论上或根据测试数据，本实例中的制装置在6分钟的运行时间内不能达到温度调节的要求。在一般的实际情况下，对同一空间来说，用大约10分钟时间使制冷装置连续运行与利用需求量控制器以强制的循环方式运行6分钟达到的温度相同。因此，装备本发明装置的冷冻和空调设备通常可提高效率。提高效率的一个理由是当过程刚开始时，冷冻压缩机向蒸发器盘管(其形成制冷)输送更多的液态氟利昂，这是因为在蒸发器中没有背压，以及因为蒸发器在“断开”周期后处于较高的温度下。提高效率的另一个原因是降低了在蒸发器盘管处的消耗制冷能力的冰的形成，这是因为由“断开”周期所形成的升温周期所致。冰的形成对性能是特别有害的，因为它不仅消耗循环空气的制冷容量，而且还使气流阻塞，妨碍空气压在蒸发器盘管范围内的循环。
要强调指出，本发明的装置仅通过已有的设备的负荷控制装置对负荷进行控制。因此，设备的任何特定运行参数例如在压缩机停机之前的氟利昂的降压并不会由于附加这一负荷控制器而受到干扰。每个计数器对各种特定的要求、功能、环境以及对于设备中的每个负荷要求的最短的有效的运行最佳时限可“定制”。根据在实际的安装场所的测量和观测结果，可以为负荷确定一个完整断/通循环周期的“最佳运行”方式。利用在计数器24面板上的DIP开关32通过调节设定“断开”和“接通”循环周期，对相应的运行循环周期进行预置计数器。
另外，可以利用与电视机用的红外遥控器相似的光调节器装置8来向数字循环计数器24发送信号。
如前所述，负荷在对第一预置数目的脉冲的过程中总是被断开的，第二预置数目的脉冲的和决定了负荷根据其自身的控制参数运行的接通时间。
对于另一个实例，在冷冻设备的正常运行过程中，处于其自身的温度调节器控制之下的压缩机可以连续工作一长的时间以便试图达到设备温度调节的要求。因此，在致冷的盘管上可能结霜，明显地降低它们的致冷能力。如前所述，通过使空气直接在很冷的金属表面上方通过比使空气在这些金属表面上的冰上方或霜层上方通过制冷效果要好得多。在去霜期间经常采用电阻加热，如果在去霜期间，被致冷的空气的温度上升到重新设置或中止(cutout)的温度调节设定值，去霜周期过早被缩短，压缩机启动。压缩机一旦重新连续地运行持续延长的时间，以使设备达到温度调节控制的要求，因此结冰，这样就需要更长的去霜周期。这时，延长的去霜周期使空气温度快速上升超过该重新设置或中止温度调节器设定值，使得去霜周期再次被缩短，压缩机过长运行太多。这种循环周期持续形成和恶化。这种看起来是低效运行的极端的例子实际上是十分普遍的。电能的相对低廉的成本使许多用户能容忍这种浪费。按照这种方式运行的冷冻设备是低效的，且浪费能量和磨损迅速。
在本发明的需求量控制装置的控制之下，压缩机实现最佳运行或对其按“接通”时间方式运行。这一“接通”时间是在安装设备时确定的，取决于当地的条件。例如，假如小的居住场所装有特别大型的制冷装置，可能希望相对短的“接通”时间。另一方面，如特定的一个制冷装置具有较小的容量，则可能需要较长的“接通”时间。然而，几乎在所有的情况下，所选择的“接通”时间应为一小于在连续运行时达到温度调节器要求所需的时间。由于防止连续运行，效率提高并防止结霜。
最佳运行循环周期中的强制“断开”时间使得来自冷凝器的热的液体氟利昂将热量通过传导和对流传给在蒸发器盘管入口处的最冷点，进一步抑制结霜。压缩机然后再次循环运转，通过无霜的盘管提供更强致冷作用，因此按照最佳运行循环周期逐渐达到温度调节器要求。这种强制控制进一步降低所需的去霜周期，因为一开始就已防止结霜。需求量控制装置预防冷冻设备中压缩机的过长运行，还能满足设备控制装置的要求，因此，设备的效率明显提高。冷冻设备可以在非峰的以小时计的时间内例如在深夜和清晨，按照更长的接通周期循环操作而建立一定储备，以便在峰值期间可以利用，因此使计数器能在峰值期间按更短的“接通”时间间隔作用于负荷，进一步提高效率和控制需求量。这种装置在控制和限制各种不同的单个负荷的需求量方面得到不同的效果，这是由于在通常不由需求量控制装置控制的整个时间段内，该负荷不需电能。此外，需求量控制装置的强制控制延长了元部件的寿命，降低了所需的维护量和修理工作量。
数字循环计数器24应用DIP开关32，用于一旦负荷的最佳运行循环断/通周期确定，调节各种预置的脉冲计数参数。开关32可以是用于完成这种任务的任何适当结构的开关，例如双列封装(DIP)的开关。使用两组开关32，一组用于设定“断开”计数值，另一组用于设定“接通”计数值。为了便于安装工，开关32可以具有可按实时时间近似的指示标记，不过这不是确定必要的。该指示标记也可以代表总的脉冲数。另外，可以采用光学装置从远方执行调节功能。
在确定最佳运行循环周期断/通时间间隔的开始和中止时，计数器未用任何实时装置或定时装置。相反，其对按在控制信号线16中的信号频率的脉冲数进行计数，使得供电线路上的脉冲在频率是常数条件下仅与时间相关。与通常的看法相反，一般供电线路上的频率并不是恒定的60Hz，因此，60计数并不一定对应于1秒的严格时间周期。实际上，当控制信号由设备控制器14通过控制信号线16输送以便启动已有的负荷的继电器开关18时，仅时间计数器24起作用。换句话说，如果没有设备控制信号输送到控制信号线路16上以便启动开关18和向负荷20供电，计数器24是静止待用的，不消耗电能。该静止待用的计数器不进行计数，在这些时间内，不继续进行“计时”，并不消耗能量。因此，计数器24不仅控制负荷需求量和运行，而且还通过不要求连续供电来符合所述目标。
仅根据脉冲的总和数，计数器24由最佳运行循环周期的预置参数确定何时启动开关26。开关26断开或闭合，相应地接通或断开控制信号线16到开关18的线路。如果开关26闭合(通常它是闭合的，直到由计数器24启动)，该线路是连通的，控制电源线16根据设备本身的正常需要启动开关18。如果开关26断开，控制信号线16的线路断开，设备继电器开关18不能闭合，控制电源不能经过控制电源线10提供到负荷上。因此看出，计数器24对负荷20强制实现精确控制的最佳运行。
由于公用系统计量表22和计数器24两者都与AC线路同步，由计数器24的进行的强制控制使设备的断/通最佳运行循环周期与计量表保持同步。如果发生断电，例如故障，则计数器24和计量表12自然失去电源。如果电源恢复，在计数器24中预置的以脉冲总和代表的时间间隔就不能恢复，它们已经中断，而是开始新的用于可控负荷的断/通最佳运行循环周期。虽然计量表12可以开始新的需求量计量时间间隔，这不是计数器24必须要考虑的，而对于很多其他方法和系统则是需要的。在一部分的计量时间间隔内负荷被循环断开(正常应当是接通的)，这一重要的事实是降低需求量，因此降低由一公用系统公司收取的按需求量收费费用。由于负荷在最大有效运行最佳时限内运行，由计数器24控制负荷，使循环周期的“接通”时间远小于在其自身的设备控制器控制下运行时的“接通”时间。因此明显地限制了需求量。此外，由于负荷在其运行时是受控的这一事实，可考虑将附加负荷增加到一设想最大的负荷容量上，不会使该设备不正常工作和不会过负荷。
此外，在断电或故障后恢复电源时，由于受计数器24的控制，负荷20将不会立即供电，计数器开始新的断/通最佳运行循环周期，第一时间间隔是“断开”时间间隔。不需要有时间延迟，不需要调节负荷的控制装置，不需要手动断开设备。还能保证，在电源恢复时，没有同时产生的瞬态高启动电流形成在指定位置处连接各个负荷的线路上。应注意，如果各种不同方式控制的设备的“断开”计数值设置得稍有不同，当各负荷恢复接到线路上时，它们将自动错开。从发电设施看来，在整个电网上不同位置处的设备可进行类似的错开，以在断电之后无故障启动。不会形成负荷需求量浪涌波动，因为在电源恢复的瞬间没有受控的负荷被供电，在各自的计数器的第一个“断开”时间间隔中止之后，没有任何两个负荷同时被供电。每个负荷利用其自身的操作装置单独地被控制，该装置对于它的相应的负荷的单个的“断开”计数值和单个的“接通”计数值是定制的，这样不同的负荷将按不同的计数值自动地供电。
对于在指定的位置不同的设备或对于在一个网络上的各组用户选择实际的“断开”计数是研究和开发的主题，必须与各个公用系统公司配合才能做到。根据这些研究开发的实际方案可变为未来专利的主题。这里指出，本发明的最优化运行装置提供为了实施这些方案的原理结构。
特别重要的事实是，在故障断电之后，如果开关32已经对于负荷20的第一个总和的脉冲“断开”时间间隔调节(例如)为“1分钟”(等于3600个脉冲)的读数示值，而在电源恢复以后的实时第一分钟内公用系统(公司)可能仅产生58Hz的频率或3480个脉冲，计数器24直到实时时间的一分钟通过120计数值或接近62.07秒之前对于负荷20不会在第一个总和的脉冲“接通”时间间隔内产生循环，由于它实际上没有根据在开关32旁边标记的时间增量运行。计数器仅识别在控制信号线16中的振荡中的一精确点(例如正峰值，负峰值或过零点)，并对各脉冲中的这些精确点的足够数求和，以与预置间隔匹配，即使实时时间超过或不足指示的时间间隔。
作为另一个实例，对于负荷的“断开”时间的第一个时间间隔可以按照在计数器的表面上接近DIP开关的标记指示为2分钟。实际上该设定值不是2分钟，而是总和为7200的振荡计数值。如果公用系统公司在2分钟之内超过或不足7200个振荡计数值，在DIP开关32上设定的按“2分钟”指示时间并不对应实时时间的2分钟，计数器将不会在实时时间的精确的两分钟内操作改变循环。如果在实时时间的头2分钟内仅产生6600次振荡(55Hz)，计数器24将在操作控制信号线路开关26之前再计数600脉冲。如果在仅在实时时间的1 3/4分钟内产生7200次振荡，DIP开关32可以按照“2分钟”的指示设置，但是计数器24根据总和的脉冲仅在1 3/4分钟的实时时间之后作用于控制信号线。该总和的振荡计数值是使计数器24启动开关26的唯一标准。
因此，负荷20总是与提供到其上的电源同步，并且通过硬性强制负荷按最佳运行循环周期运行精确控制对负荷强制执行的负荷需求量。
计数器24还根据紧急情况准备对“更迭的”断/通最佳运行循环周期进行调节，根据外部信息进行这种调节。在
图1中利用外部状态检测装置36示意表示对于外部状态检测的总的输入位置。应当理解，该外部状态检测装置可以置入计数器24中。通常，各外部传感器向装置36输送信息，以及由装置36对外部信息进行处理，以便令信号计数器24在一定时间转换到另一运行循环周期。
“更迭的”运行循环周期由附加的预置“断开”或“接通”的时间间隔组成，这些时间间隔在出现例外的情况时能延长运行循环周期。这些附加的“断开”周期和“接通”周期完全独立于直到现在之前上面讨论的各周期，它们用于细调各周期，以实现更迭的最佳运行循环周期，以便进一步提高负荷效率。实际上，该更迭的运行周期不过是附加到“接通”循环周期的通常计数上的附加计数和/或附加到“断开”循环周期的通常计数上的附加计数。用于这些附加“断开”和“接通”周期的计数分别被预置并且利用在32上的计数器上的独立的一组DIP开关控制，并且在下文被称为“延长”周期。另外可利用光学装置完成相同的功能。
如果受控设备是热泵和电阻加热器，每个设备都应有其自身的设定到最佳运行循环周期的计数器，其还应当实行其它操作，当电阻加热器断开时热泵应当运行，反之亦然。
在电阻加热的情况下，各计数接收器由位于容纳该设备的结构件外侧的外部传感器例如温度传感器来的输入信号。当外部温度超过外部调节装置36中的预置限值时，应当发信号通知计数器，以便使电阻加热器循环到处于“断开”，持续正常的断开时间间隔加上预置的“断开延长”时间间隔。换句话说，如果正释放热量，且外部变暧，释放热量减少。
另外在电阻加热的情况下，如果外部传感器指示温度低于一在装置36中的预设的临界值，将对计数器发出信号，通过将“接通延长”时间间隔附加到正常的“接通”时间间隔，增加总的电阻加热的“接通”时间间隔。换句话说，如果正在输送热量，外部变得十分冷时将有更多的热量被输送。
在利用热泵致冷的情况下，计数器会同样由外部传感器接收输入，例如由位于在容纳设备的结构件外侧的温度传感器接收信号。当外侧温度上升超过一不同的临界预设值(在外部调节装置36中设定)时，会发信号到计数器，使得热泵致冷压缩机将循环到“接通”周期，持续时间为正常接通时间间隔加上预设的“接通延长”的时间间隔。换句话说，如果正在输送冷量，外部变暖，将会输送更多的冷量。
另外，在热泵致冷的情况下，如果外部传感器指示温度低于在装置36中的预设的临界限值，将发信号到计数器，通过将“断开延长”时间间隔附加到正常的“断开”时间间隔来延长热泵压缩机的“断开”周期，降低总的制冷作用。换句话说，假如正在输送冷量，外侧变冷，输送的冷量将减少。
因此，由上部传感器在计数器上施加的“更迭的”最佳运行循环周期作用，会使温度调节设备例如热泵和电阻加热器更有效地运行。
已知的方法，系统或装置可对负荷施加精确和有效的负荷需求量和运行循环控制，使得控制易于在设备的运行参数范围内进行。
由于计数器利用反映电源频率的脉冲的计数值总和进行控制，装置的工作与提供到其上的电源精确地同步。由于对负荷加以精确的控制，在任一需求量计量时间间隔内，限制负荷按最佳运行断/通循环周期运行，设备中一个或一些负荷的需求量大为降低。更为重要的是，所有这样控制的设备都与提供的电源精确地同步，使得在任何指定的时间对发电设备的总电力需量降低。如果公用系统公司由于一特定电厂出现问题并必须断开线路，在转换过程中在供电线路上因振荡而中断，在发生中断的各个供电线路中各受控的负荷将自动断开。实际上，通过瞬时断开提供功率流的线路以重新开始预设的“断开”时间间隔以及自动地断开沿指定线路或在整个用电区域范围内的各个受控的负荷，公用系统公司本身可以简单地控制负荷需求量。
然而要认识到，断开对用户的整个电网供电，即使是瞬间地，也可能导致很多想像不到的负面效应。例如，对计算机的供电在运行过程中必须经常保证。对计算机供电的瞬时中断可能引起随机存取存储器数据的丧失，接着丧失控制和有价值的数据。作为另一个实例，对大量的数字时钟瞬时失去电源将需要手动使它们复原。因此，不可避免的要使断电降低到最小程度，并认识到上述瞬时使计数器复原的机构的设想是不实际的。
本说明书的其余部分将介绍本发明的需求量控制装置的一个方面，其对于在需求量减载中以及在电流技术范围内的应用确实是非常实际的。至今介绍的本发明在本说明书的第一部分中所涉及的本发明人的早期申请中已经主要地做了介绍。先前的介绍延续这些早期申请的专利，为了清晰作了某些小的扩展和变化。另一方面下面的介绍提出以前不知道的新的概念。
应注意，图1中所示的外部装置36具有来自控制信号线16的输入分支。怎样可以使该控制信号线成为外部输入信号源？答案是，线路电流按照由外部电源可控制频率的交流电流振荡。众所周知，在美国电力线路的标准频率是60Hz(每秒周期)。在很多欧洲国家标准频率是50Hz。在早期阶段，电的频率仅取决于用于发电的电磁式发电机的转速。假如发电机减慢，电源频率则降低，如果升速则频率变高。现在这不再是准确的了。现代发电厂具有能精确控制所产生并沿线路提供的电功率的频率的能力。实际上，线路频率可以易于控制到0.01Hz或每秒百分之一周期的精度。这种精确的频率控制事实上是公用系统现今为了各种目的但是不是为了这里预期的目的而采用的。例如，公知的是，某些公用系统白天频率为59.99Hz，晚上为60.01Hz，以弥补用户的电时钟错移时间。这里所述目的完全不是介绍公用系统怎样和为什么要控制线路频率，而仅仅是指出这种线路频率控制是常规技术，在目前按选定程序就可实现。
为了本发明的目的，外部装置36可以装有线路频率传感电路，通过检测在控制信号线路中的预定频率，向计数器发送信号，以转换到上述“延长”模式。这种线路的细节是常规技术，这里不再进一步介绍。这种线路频率传感计数装置可由S.S.A.C，Baldwinsville，New York购得，型号为FDD24A-3324。
为了简化，这里仅以频率传感数字循环计数器的其中最简单的一种应用举例说明它的工作原理。假设天气非常热，对于指定区域空调需求量非常高，发电厂接近它的容量极限。
对于公用系统现代的选择余地是十分有限的。电压可能降低10％进入所谓的“降低电压”阶段。可以由邻近的公用系统(公司)输送功率，但它们也可能没有可供利用的余量。作为最后一种手段，可以中断向某些不重要的用户的供电。最后，在所有别的措施失效之后，所包含的各个公用系统被迫进入大规模的“轮翻中断”，国家的很大区域在非常需要电力时完全停电。经济和社会后果可能是很严重的，甚至是灾难性的。这种轮盘的中断已经沿美国东海岸发生过。
假设各种空调和冷冻负荷安装本发明装备，我们解释相同的危机情况。在最优化装置的计数器中的频率传感装置的预置的临界线路频率假设已设定为59.9Hz。当线路频率下降到59.9Hz时，频率传感器将向所有受控装置中的计数器输出一“延长”信号，以便通过附加前述预置“断开延长”循环周期来增加“断开”循环周期。通过每一个空调装置施加附加断开周期，公用系统承受的总负荷将明显降低，较少的用户遭到降低电压或断电的危险。此外，在各个位置轻微降低制冷能力将对某些用户轻微不便，大多数用户可能都不曾注意到。
因此，当公用系统公司陷于需求量的麻烦时，所需做的一切就是仅将线路频率降低0.1Hz。由公用系统的观点看来，这在需求量控制中是很重要的。由于线路频率控制器是已经在位的，不需再投资。从用户的观点看来，该装置在这一设备上的安装是相对低费用的，而且通过节能省去的费用在一般情况下不到一年即可弥补优化装置的费用。
预期可以开发更为先进的线路频率信号输送方案，向接收设备发送各种通信信号。例如可以采用各种不同的临界线路频率值，以便根据不同级别的负荷进行减载。对于工业用户的负荷可以例如按在59.9Hz中止，而对居民用户的负荷可以在59.8Hz中止。按照另一个实例，在某一时间段发送一个频率的信号，接着在另一时间段发送另一频率信号，可以向某些设备发送信号，以便增加它们的“断开”循环周期，而另一些设备则降低它们的“接通”循环周期。这两种类型的循环周期变化将减少对公用系统的总需求量。通过控制电源线路频率可能实现的各种通信方式是无止境的。该各种各样的可能方案是将来专利申请的主题。本申请是目前可能的最纯理论上的需求量控制和管理。
本发明远优于任何已知的其它方法或系统。该装置还十分低廉且易于安装。无需改变已有设备或它的运转部分。它并不妨碍装置本身的控制，而是完善了它们，在设备的运行参数范围内按最佳方式有效运行，满足设备的控制要求。不需要其它元件来控制和管理以年为周期的需求量以及负荷的运行，而且在未根据设备控制装置起用控制信号线路时，不消耗能量。
因此，本申请中所介绍的实施例不是作为限定的公开内容，可在本发明思想的基础上作出各种各样的变形。
权利要求
1.一种用于自动控制和管理耗能设备的负荷需求量和运行的装置，该设备利用公用系统公司的供电电源线路上的交流电流供电，该设备具有各个负荷，向每个负荷供电由控制信号线路上的振荡控制信号控制，其中振荡控制信号由该交流电流产生并与之同步，控制信号线路是与供电电源线分开的，该装置包含需求量控制装置，接入该设备中的各个负荷的控制信号线路中，每个所述需求量控制装置包含与控制信号线路串联的开关装置，用以断开和接通控制信号线路；数字循环计数器装置，仅连接到控制信号线路和所述开关装置上，仅当该设备在控制信号线路上提供振荡控制信号时，通过以周期方式断开和闭合所述开关装置，控制断开和接通控制信号线路，其中该设备消耗的能量被降低，该设备的效率提高。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述的数字循环计数器装置包含计数装置，用于产生在控制信号线路中的振荡控制信号的振荡次数的计数值，设定装置，用于对“断开”循环周期手动预设所需数目的计数值和对“接通”循环周期手动预设所需数目的计数值，一装置，用于当所述振荡次数的计数值等于对于“断开”循环周期的所述所需数目的计数值时，闭合所述开关装置和重新启动所述计数装置，一装置，用于当所述振荡次数的计数值等于对于“接通”循环周期的所述所需数目的计数值时，断开所述开关装置和重新启动所述计数装置，以及一装置，用于只要振荡控制信号出现在控制信号线路上就在所述“断开”循环周期和所述“接通”循环周期之间连续变化；以及一装置，用于在控制信号线路上中止振荡控制信号时，闭合所述开关装置和停止计数装置，以及一装置，用于在控制信号线路中恢复控制信号时，立即打开所述开关装置并由在所述“断开”循环周期内的零计数值重新启动所述计数装置；从而，当控制信号出现时，施加利用所述设定装置设定的所述“断开”循环周期，接着施加利用所述设定装置所设定的所述“接通”循环周期，控制信号延迟启动至少所述的“断开”循环周期。
3.如权利要求2所述的装置，其中对用于手动预置所需数目的计数值的所述设定装置进行调节，以使它对应的设备具有最佳效率；以及由于使该设备中的各个负荷所需电能降低，因此在公用系统的各供电电源线上的总需求量降低，导致降低公用系统供电费用，提供高设备效率以及延长设备寿命。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述的用于手动预置所需数目的计数值的所述设定装置是各组DIP开关。
5.如权利要求2所述的装置，其中所述的用于手动预置所需数目的计数值的所述设定装置是光学调节器装置，包括一手持发射器和一在所述数字循环计数器装置中的接收器。
6.如权利要求1所述的装置，其中的控制信号线路是在冷冻装置中的温度调节器线路。
7.如权利要求1所述的装置，其中的控制信号线路是在电阻加热装置中的温度调节器线路。
8.一种用于自动控制和管理耗能设备的负荷需求量和运行的装置，该设备由公用系统的公司的供电电源线上的交流电流供电，该设备上具有各个负荷，每个负荷的供电受控制信号线路上的振荡控制信号控制，其中该振荡控制信号由该交流电流产生并与之同步，以及控制信号线路与供电电源线是分开的，该装置包含需求量控制装置，整体接入设备中的各个负荷的控制信号线路内，每个所述需求量控制装置包含开关装置，与控制信号线路串联，以便断开和接通控制信号线路；数字循环计数器装置，仅当设备在控制信号线路上提供振荡控制信号时，通过对所述开关装置提供按计数值的循环断开和闭合的信号，可操作断开和接通该控制信号线路；外部调节装置，响应于外部信号，用于响应于外部信号通过改变加到所述开关装置上的所述按计数值的循环断开和接通的信号的计数值，调节所述数字循环计数器；其中设备消耗的能量被降低，设备的运行效率按照所述外部信号实现最优化。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述的数字循环计数器包含计数装置，用于产生在控制信号线路上的振荡控制信号的振荡次数的计数值，设定装置，用于手动预置对于正常“断开”循环周期的计数值，对于正常“接通”循环周期的计数值，对于“断开延长”循环周期的计数值和对于“接通延长”循环周期的计数值；延长装置，响应于所述外部调节装置，所述延长装置可进行如下操作当所述外部调节装置表示外部状态正常时，将在“断开”循环周期中的所需计数值设定等于在所述正常“断开”循环周期中的所述计数值，当所述外部调节装置表示外部状态不正常时，将在“断开”循环周期中的所需计数值设定等于在所述正常“断开”循环周期中的所述计数值加上在所述“断开延长”循环周期中的所述计数值，当所述外部调节装置表示外部状态正常时，将在“接通”循环周期中的所需计数值设定等于在所述正常“接通”循环周期中的所述计数值，以及当所述外部调节装置表示外部状态不正常时，将在“接通”循环周期中的所需计数值设定等于在所述正常“接通”循环周期中的所述计数值加上在所述“接通延长”循环周期中的所述计数值；一装置，用于当所述振荡次数计数值等于对于“断开”循环周期的所述所需计数值时，闭合所述开关装置和重新启动所述计数装置，一装置，用于当所述振荡次数的计数值等于对于“接通”循环周期的所述所需计数时，断开所述开关装置和重新启动所述计数装置，一装置，用于当只要振荡控制信号出现在控制信号线路上时，使在所述“断开”循环周期和所述“接通”循环周期之间连续地改变，一装置，用于当振荡控制信号在控制信号线路中中断时，闭合所述开关装置和中止计数装置，以及一装置，用于当控制信号在控制信号线路中恢复时，立即断开所述开关装置并从在所述“断开”循环周期中的零计数值重新启动所述计数装置；因此当控制信号出现时，施加利用所述延长装置设定的所述“断开”循环周期，接着施加利用所述延长装置设定的所述“接通”循环周期，控制信号延迟启动至少所述的“断开”循环周期。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述的外部信号是由邻近该设备的外侧温度传感器产生的，以及所述外部调节装置仅当检测的外侧温度异常热或异常冷时才指示异常状态。
11.如权利要求8所述的装置，其中所述的外部信号是由公用系统可控制的供电电源线路频率信号产生的，所述外部状态传感器仅当所述供电线路频率与标准的运行频率相差预定的量值时才指示异常状态。
12.如权利要求9所述的装置，其中所述的用于手动预置所需数目的计数值的设定装置是各组DIP开关。
13.如权利要求9所述的装置，其中所述的用于手动预置所需数目计数值的设定装置是光学调节装置，包括手持发射器和在所述数字循环计数器装置中的接收器。
全文摘要
一种需求量控制装置,包括在单件用电设备中的控制信号线路(16)中的开关(26)。利用数字循环计数器(24)控制开关(26),以便当设备产生的控制信号出现在控制信号线路(16)上时,周期性地循环断开和接通。控制信号线路(16)可以是在一般的空调装置上的温度调节器控制线路,该设备产生的控制信号正常对应于温度调节器制冷要求。当开关(26)断开时,设备负荷(20)的反应好像温度调节器已达到要求,当设备产生的AC控制信号在控制信号线路(16)上被检测时,数字计数器(24)起动,可保持开关(26)在断开状态,直到预置数目的AC脉冲已经发生。然开关(26)闭合,直到第二预置数目的AC脉冲已经产生,只要设备控制信号存在,开闭循环操作重复。循环周期可以根据外部状态例如环境温度或线路频率进行调节。在多负荷的应用场合,负荷分散性可改进,在断电之后的总计需求量被降低。保证分散的多个负荷顺序启动。
文档编号H02J3/14GK1185212SQ96193874
公开日1998年6月17日 申请日期1996年5月7日 优先权日1995年5月12日
发明者思坦雷·M·布德内 申请人:迪吉斯坦公司