专利名称：大功率电器较佳开关时机自动选择装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电器开关时机自动选择装置。
众所周知，公用电力供应系统的线电压由于终端用户不定时使用电器(广义的电器包括由马达驱动的电动机械、加热器、电磁器械、大功率电子组件…等)及各电器在其自动控制下何时开关、加减速、增减用电量等的不可测性，导致其供电电压经常呈现高高低低的变化，不论发电机控制电源电压稳定的能力有多高，此种因瞬间地区性的用电变化而引起各地瞬间不同的线电压变化，绝对无法防止，供电品质差也为各用户所指责，而为电力供应单位所难以解决的问题。
因为线电压的不稳定，使得许多需要高稳定电压的电器(如电脑等)的使用者，不得不自行解决，即采用稳压器或不断电电源供应器(UPS)，这种解决方法不但费钱，而且只能用于电量不是变化很大的场合，例如马达的启动电流往往在几秒钟内就高于常用电流4倍以上，遇此情形，此种稳压器或不断电系统并不能保证一定可以供应稳定的电压。而且由于它们的使用，对其所取用的供电线路上的电压仍然产生不稳定的坏影响，对供电品质也无改善。
由于线电压高高低低的随机变化，当低电压(瞬间值较平均值为低)时，如有电器突然通电或增加用电量，则不但该电器(例如马达)可能耗用较标准电压时的额定电流为大的电流，且会使电源线上的电压更形降低，这样一来，全部电器的总耗电流量很容易超过该用户(例如某一房屋、某一生产线或共用保护开关电器群)的总装设允许耗电流量，引起保险丝烧断或保护开关(Breaker)跳脱而停电。
同样地，当线电压处于高电压(瞬间值较平均值为高)时，如有电器突然关掉不用电，则会使得电压因用电突然减少而突升，电压更形增高的结果使电器用电产生不稳现象，如电灯变亮、马达转速变快等，不幸的话，将影响个别电器的寿命，再则也会回授(Feedback)影响电源发电机的控制(因有干扰出现，发电系统必有控制上的反应)，结果将会影响整个或局部供电系统。所以理想上各种电器不应不顾电源(供电线路上)的电压高低要开(ON)就开，要关(OFF)就关，因这是一种损人而不利己的行为。
一般建筑物或生产线上的供电系统、保护开关(保险丝)、电线等，在原设计安装时就已经完成供电安全检查，事后再追加其用电上限，不是难就是麻烦！可是随着生活水平的提高或生产力提高的需求，住户或工厂管理者不断的增加电器，故用电量很容易达到建筑物或生产线上原设计装设的容许用电量，此时电器的开或关时机选择不当，非常容易超过其临界值，尤其不幸的是，现代化的电器大多数都具备自动控制设备(定时开关、节目开关、顺序开关、状态开关或回授控制等)，可是却没有电源电压状况感测及相应控制设备，所以，任意开关电器，完全无视电源的供电电压状况，此种情况当遇到多数电器在低电压时同时开或关高电压时同时开或关时，非常容易引发供电品质不良而停电的恶果。如果电器上未装自动控制装置，而由人开关，上述的不良状况还是一样，因人也一样不知何时开关电器是恰当的。又，因供电网路互有关联性，任何一处的突然大量用电或停用电多少会影响其他用户，对所有电器及其他用户都没有任何好处而只有坏处。
本发明就是为了克服上述电器使用中的问题，为了保护电器，保护供电系统的保护开关，使供电系统的电压稳定，供电品质好，而构思设计了一种大功率电器较佳开关时机自动选择装置。
本发明的作用原理为以测量随时间变化的某一段时间(例如3分钟，此为可调整)的线(供电)电压的平均值或较长时间(例如一小时)中线电压的变动域，以与欲开关电器瞬间的电压值比较，如瞬间电压值较平均电压值为高或位于电压值域之较高部分的一界限电压，则允许电器启动或加速，即透过继电器或固态开关(SCR、TRIAC等)接通电器与电源，当然，此时控制器早已发出ON或增功率(以下用ON表示)命令;如果此时控制器发出的是OFF或减功率(以下用OFF表示)命令，则本装置会暂时延迟电器断电，直到电源瞬间电压低于该平均电压或一界限电压为止。相反的，如所量得的瞬间电压低于平均电压或一位于电压值域的较低部分的一界限电压，则只允许电器OFF，当然，此时电器的控制器已发出或正预备发出OFF命令，且将暂时延迟ON的信号，直到电源瞬间电压高于该平均电压或一界限电压为止。
本发明可用于各种电器上大至各工厂、船只，小至如家庭、汽车等小型用电系统上的所有交流或直流、高电压或低电压的较大功率(耗电较大)的电器，尤其是电感式电器(如马达)。
结合附图详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一实施例是具有与线电源AC接线的两变压器1及2，此二者的输出电压可依后端电阻及电位降的需要设计成不同或完全相同。变压器1、2的输出端接线至桥式整流器4及5，其中从整流器4输出直流电压经由可变电阻6及可变电容7所组成的RC电路予以滤波及阻尼后，以平稳的长时间平均电压Va输入运算放大器8中，为使此一平均电压能代表任意长时间的线电压变动平均值，可变电阻6及可变电容7所组成的RC值或其积分时间常数是设计为在相当大的范围内可以变动。另外，从整流器5输出的电压虽已为直流，但仍有连波存在，须用较小的RC值线路予以整平，即由较小的固定电阻9及固定电容10组成的滤波线路，由此输出的电压Vb也输入运算放大器8中，此运算放大器为一种电压比较器，由它输出的电压Vc为不等周期的方波，如图2中Vc所示。
图2表明，在时间轴T上、电源的平均电压Va、瞬间电压Vb与经比较Va与Vb后的输出电压Vc的变化情形。比较器的输出电压Vc为一种不等周期的方波，它决定何时为高准位H以允许电器启动;以延迟OFF的时间1k-1Σ0k-1bk]]>或上次延迟OFF的时间bk-1算出，在下次要OFF时，提早此一段时间，以获得较精确的控制精度△X。
如果电器不使用微电脑控制器而是使用一般硬件自动控制器，例如恒温器、变频器、脉冲调制器、恒湿器或其他具备各种控制行为(比例、积分、ON-OFF…等)的控制器，则在其自动控制器的输出信号端串接本发明的装置，如图5所示的PB处，当PB处有来自自动控制器的ON命令(也可为加速、加大电流等多耗电功率的命令，如前所述)时，电器并不会立即无条件启动或加速等，而是要检查电源电压是否处于适宜ON的状态，也就是Vc是否处于高准位。如确定电源电压宜于ON的状态，则输出开启(SET)信号给具有自持(Self-Hold)能力的继电器20，用以接通电器21所需的电力;一旦接通(ON)，则必须等到控制命令PB发出OFF信号时才可以再OFF(也就是要看电源电压是否适宜OFF)。亦即，当Vc在高准位时让电器ON后，如果Vc又变回低准位，而控制命令仍处于ON状态，则不管Vc如何，暂时仍保持电器ON，如图6所示。相反的，当PB发出OFF信号时，如果Vc在高准位，则暂时不准电器OFF，一直等到Vc变为低准位时才输出关闭(RESET)信号命令电器OFF，其暂时保持原状的电路为一般熟知的自持电路。
上述的控制信号由PB处进入方式也可用于手动开关电器的情形，即PB为手动按钮开关，其作用方式如上所述。
图7显示本发明的另一实施例，是具有与线电源AC接线的整流器15，由此输出的信号Vb为对应于线电源电压变化的瞬间电压信号，将Vb输入类比-数字信号转换器16(A/DConverter)且连接微处理器(CPB)17，一计时器18(Tinmer)提供时间资料以便与对及何时为低准位L，不许电器启动。换句话说，原未通电的电器只允许在高准位H时ON，原已通电的电器只准在低准位L时OFF。
图3显示本发明应用于具有微电脑11自动控制启闭(ON/OFF)的电器21的例子，决定线电源电压是否适于电器21开或关的前述电压Vc接入微电脑11中央处理器(CPU)的中断接脚INT，微电脑11依据该电器21是否应ON或应OFF的需求(此ON或OFF的研判为感测值与设定值比较的结果或为定时或状态或顺序已到需要ON或OFF，为一般自动控制技术，在此不赘述)，再综合上述的电源是否处于可ON或可OFF的电压Vc状态后，发出控制命令给电气开关如继电器12等。也就是说，电器21已到达应ON或应OFF时，微电脑11会同时考虑电源是否处于可ON或可OFF的状态，以便做最恰当时机的ON或OFF，如此便可确保众电器在高电压时多用电、低电压时少用电，使其具有电源稳压效果并使电器ON或OFF的过程中不会有过电流或过电压等现象发生。
当电器由微电脑控制开关时，微电脑可以自传感器传来的控制变数的单一实际值(例如受控制的室温)或经由多次的实际值变化计算求得因为等待电源的适宜开关时刻(因时间延迟)而引起的增大的开关误差△X1+△X2，如图4所示，即在正常无延迟开关下(控制命令一到，不论电源是否合适立即ON或OFF)所引起的控制变数的控制误差为△X-(△X1+△X2)，(其中△X1+△X2为因本装置而引起的开关误差)，在需考虑电源是否合宜下而开关的情况时会增大到△X。微电脑控制器可以利用传感器将控制变数的实际变化状况及因考虑电源是否合宜而引起的平均延迟ON的时间1k-1Σ0k-1ak]]>或上次延迟ON的时间ak-1算出，在下次要ON时，提早此一段时间，即可获得较精确的控制精度△X。同理要OFF时也可以计算平均应的瞬间数字电压信号一并记存于存储器19中，微处理器17依据电器21需ON/OFF的需求以及使用者设定允许OFF的最高电压Vh及允许ON的最低电压V1，适时输出信号控制继电器12，以便在维持线路负载安全的需求下适当加大电器可ON-OFF的时间段，如图8所示。
图8显示，在时间轴T上，电源瞬间电压Vb与设定的允许OFF的最高电压Vh及允许ON的最低电压V1比较(其中Vh及Vl可藉由某段时间范围中最高瞬间电压Vu及最低瞬间电压Vd分别依一比率设定例如Vh＝75%×｜Vu-Vd｜Vl＝25%×｜Vu-Vd｜其中75%、25%为使用者设定的值;此值亦可由微处理器17自动学习设定，即微处理器17由存储器中读取每个时间段内最高瞬间电压Vu及最低瞬间电压Vd值以及电器21在ON及OFF时电压信号Vb的变化情形，自动调整修正。)可得允许电器ON的不等周期方波VON及允许电器OFF的不等周期方波VOFF的变化情形，VON的高准位H及VOFF的低准位L在时间轴T上有重复时段，即在维持使用者线路负载安全的基本条件下，使电器可ON-OFF的时间段范围增大。当然，必要时也可反向设定此二值，使电器可ON-OFF的时间段范围缩小。又，此二值亦可为同值。
本发明所能控制的电器为马达、电磁器、微波发生器、磁控管、电热器…等电感式或电阻式耗电装置。当电源非为交流而为直流电时，仅需以电位计取代上述的变压器及整流器，即可应用于直流电源的场合。
本发明可以使电器在高电压时ON，在低电压时不ON，因而启动电流较低，使电器在启动时比较不会发热，可避免因过负荷而导致线路保护装置动作引起断电。当高电压时才启动，可以具有抑制线电源电压的效果;当低电压时才切断(关)电源，会使线电源电压提高，也会有稳定线电源电压的效果，而使得供电品质良好，对所有同一供电线路上的电器均具有好处。由于不会有太高电压通过电器，以及不会有太高的切断电流，故电器不会烧坏，寿命较长。且因供电品质较佳，电路上的电器不会发生电源不稳的不良现象，例如电灯亮度变化、闪烁及马达开关噪音大等的缺陷。
实际使用上，由于本发明的设置而可能引起数秒钟之ON/OFF延迟，其导致电器输出结果(例如温度、湿度控制…)的变化十分有限，对人体的敏感度(Sensitiveness)可略而不计;对于需即时ON/OFF的场合，也可藉旁路(By-Pass)设计而即时控制其所需电力。
对于两点式开关控制的电器，本装置提供必要的开关保护外，因其开关电流小，可以使用较小额定电流的开关，因而较省费用。
又由于可以利用自动设定的方式来调整开关的设定点，故本装置加入后不但不会增大控制误差，甚至可以减小开关误差，提高控制精度。而由于开关寿命已增长，故因开关频率提高所带来的同一寿命时间内的开关次数提高，不会有缩短电器寿命的后果，故本装置可以在无害于电器系统(含控制开关及电器本身)下，达到提高精度的效果。
图1为本发明的一实施例的电压检测电路的构成图。
1-变压器7-可变电容2-变压器8-运算放大器4-整流器9-固定电阻5-整流器10-固定电容6-可变电阻图2为图1中平均电压、瞬间电压与比较器的输出电压示意图。
图3为本发明应用于(微)电脑控制的电器的系统组成图。
11-微电脑12-电器开关(如，继电器)
21-电器图4为本发明于微电脑控制自动系统作开关延迟误差统计修正的示意图。
图5为本发明应用于手动开关电器上的组成图。
20-继电器图6为图5中开关逻辑电路上电压准位与开关信号图。
图7为本发明的另一实施例图。
15-整流器16-A/D转换器17-微机处理器18-记时器图8为图7中微处理器作电压比较控制的示意图。
权利要求
1.一种串接或并联于耗用较大功率的电器，如电动机、电热器、电磁器、微波炉…等的供电控制设备上，用以决定电力开或关、可多取用或宜少取用的适当时机自动选择装置，其特征在于含有一电压值域测量装置、一瞬间电压测量装置，以及一比较及控制器组成，依据不断地测量电源压的值域与瞬间值，加以比较其关系，当电压瞬间值大于一第一界限值时，即接通(ON)电源，使该受控电器获得供电，或准许原已通电的该电器耗用更大功率，但暂时不准原已ON的电器关掉(OFF)或减少用电量；而当电源电压的瞬间值小于一第二界限值时，准许原已ON的该电器OFF，或减少耗功率；但不许原已OFF或在OFF状态的电器ON，以减小该电器在进行开关(ON-OFF)或增减消耗电力时，因通过太大电流造成电路上的保护开关跳脱、供电中断，并可提高供电品质。
2.如权利要求1项所述的装置，其特征在于该第一及第二界限值均为电路电压的平均值，该电压值域测量装置为一电压平均值测量装置含有由电阻及电容组成的较大时间常数的RC电路;该瞬间电压测量装置，含有由电阻及电容组成的较小时间常数的RC电路;该比较及控制器含有运算放大器、电磁器、固体开关元件、继电器或逻辑电路。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于该比较器的输出信号经适当的电压位准调整后输入该电器的一微电脑控制器，供与该电器的其他控制状态作综合判断，以输出最恰当的开关或增减电功率耗用者。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于该比较器的输出信号与该电器的一控制器的输出信号组成串接的逻辑电路以判断最恰当的开关时刻，并以自持电磁开关或固体开关予以执行者。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于该微电脑具有能依实际控制操作结果(受控变数)与设定值及控制精度的要求等作计算、比较及研判，并据以自动调整应ON或应OFF的受控变数值，使提前作开始ON或OFF的操作准备，以使控制精度仍能维持不变或更为提高。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于该电器的控制器为手控开关。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于该第一及第二界限值是预先设定的电压临界值，此二界限值也可为同值。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于该电压值域测量装置包含一微处理器，用以记录电源电压的最高及最低值以及该电器ON/OFF时电源电压的变化情况，以自动设定及修正该第一及第二界限值。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于该电源包括交流及直流的任一选择。
全文摘要
一种串或并联在电器控制线路上的装置，由电源电压某时段内的平均值或界限域测量组件、电源电压瞬时值测量组件及瞬时电压与平均或界限电压比较器等组成，用在电器控制线路对电器发出开关、启动、停止、或加减速等增加耗电或减少耗电的操作时，先行检查电源电压是否适于在该时增加或减少用电量，并自动选择合适的时刻增减用电，以保护电器不会有过大的启动电流，也保护供电系统的保护开关不会跳闸，使供电系统的电压稳定，供电品质好。
文档编号H02H11/00GK1089404SQ9211183
公开日1994年7月13日 申请日期1992年12月30日 优先权日1992年12月30日
发明者徐佳铭, 吴晋枞 申请人:新典自动化股份有限公司