全智能节电器

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一、所属技术领域

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器成本高、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L1上的无功电流为I1)，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：I1＝I2+I3，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：I2＝Us/Zb，I3＝Us/Za+Ua/Za，由电学理论可知，I2与I3相位相反，设Us/Za＝Ia，Ua/Za＝Ib，则有关系式：I3＝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I2＝-I3，根据I1＝I2+I3，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N1和N2之间的串联线路上，N1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1000元以下，家用类在100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、附图说明

图1为全智能节电器节电原理图；

图2为全智能节电器结构框图；

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Q1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，N1、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进一步说明。

(1)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(a1)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k1输入端相连，再由k1与CE组态放大电路k2(多级放大电路)和复合管OCL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。⑥消除电网浪涌电路部份：由电子开关器Q1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、⑤、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k1和k2的直流输入端相连，k6与⑤上k3的直流输入端相连，⑤串接于④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OCL放大电路k3、补偿电容Ca、补偿电感La、电容Cb和电子开关器Q1、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)＞20×R10和R9最小值＞5×R8；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。

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