CN101800425A - 环境调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境调节系统。一种用于环境调节系统的控制设备，包括：在AC电源和负载之间串联地布置的继电器和第一半导体开关；以及，控制装置，其包括控制电子部件。所述控制装置包括多个彼此并联地布置的电解电容器，所述电容器被布置来当向控制装置供应电网电力时存储能量，并且被布置来当向负载供应电源电力时向控制电子部件供应所述能量。所述控制电子部件可以例如被布置来检测一个或多个电容器的短路，并且可以包括继电器控件，所述继电器控件被布置来在如果检测到一个或多个电容器的短路的情况下，操作继电器以关断向负载的电力。

Description

环境调节系统

技术领域

本发明涉及环境调节系统、即在建筑物中被提供来调节建筑物的内部环境的系统的领域；这样的系统可以包括例如灯、风扇、加湿器(除湿器)和其他空调设备。具体上，本发明涉及用于控制环境调节系统的设备。具体上，但是不唯一地，本发明涉及用于控制在双线AC供电设施中安装的环境调节系统的设备。

背景技术

双线AC电源设施是没有中线连接的电网供电的(mains-powered)电子设施。通常，仅仅通过在AC电网(mains)的一个端子和所述设备之间串联电连接的开关来实现在双线系统中安装的环境调节系统的控制。

但是，当期望更复杂的控制时出现问题。例如，期望对环境控制设施的遥控，但是遥控接收站需要电力来工作。在三线系统中，可以从设施的三线来获得用于控制的电力，但是如果从在双线系统中的线获得电力，则所述电力被丢失到环境调节负载。一种可能性是向控制系统安装专用的附加电源线，但是不期望如此，因为在建筑物的新线的安装是破坏性的。另一种可能性是从电池供应所需要的电力，但是这是较为昂贵的方案，并且频繁地更换电池会对于用户不方便。

获得用于在双线系统中控制设备的电力的一种已知手段被称为“窃电”。在这种布置中，使用开关来迅速地切换通过能量存储装置的负载电流，所述电流至少部分地被从负载分流(divert)到控制设备。在示例现有技术系统中，使用半导体开关(例如场效应晶体管(FET)、金属氧化物FET(MOSFET)或者三端双向可控硅开关元件(triac))来在AC电源的每个周期至少一次(即对于50Hz电源每20毫秒至少一次)地将电流从负载切换到控制电路。对于与电网周期(mains cycle)的持续时间相比较短的持续时间，以那种方式分流电流对于负载的性能产生或多或少的难以识别的影响，但是可以用于提供用于控制电子部件的足够的电力。可以例如通过使用分流的负载电流向电容器供电来实现这一点，然后在将电网电源(mains supply)切换回调节负载后，使用从所述电容器的放电来向控制电子部件供电。

可以在WO2008/103491中找到现有技术的“窃电”布置的示例，WO2008/103491描述了负载控制装置，所述负载控制装置被适配来与AC电压源和电子负载串联，并且可用于向负载提供由AC电压源提供的基本所有的电压。负载控制装置包括可控的导电装置、控制器、过零检测器和用于产生用于向控制器供电的基本上为DC电压的电源。所述电源可用于每半个周期将能量存储装置(在一个描述的示例中为680微法的电容器)充电到预定量的能量。所述控制器可用于确定在每半个周期电源何时停止从过零检测器充电，并且立即使可控导电装置成为导电的以导通全负载电流。在可控导电装置在每半个周期开始导通时，仅仅最小的电压被认为发展通过电源以允许能量存储装置充电。

需要大值的电容器来向在环境调节设施中的控制电子部件供电。但是，电解电容器——如果在设施开关电路中使用——必须根据预定的安全标准被分级。例如，BS EN 60669-2-1：2004，Clause 102.2：Capacitors表明将引起通过电容器的端子的0.5A或者更大的电流的电容器的短路必须符合IEC 60384-14，并且符合表格107，所述表格107继而表明，如果电容器连接在带电线(live)和中线(neutral)之间或者带电线和切换的带电线之间，并且如果电容器不与阻抗串联，则电容器必须是X分级。在IEC 60384-14中定义了电容器的X安全分级：X分级的电容器是特殊制造的电容器，它们被测试高压分级，保证了在线路上的极其瞬态的条件下的高度可靠性。

因此，EN60669要求在下述情况下的X安全分级：如果电容器被布置跨接在线路输入和线路输出上，并且所需要的电容是大约几百微法。但是，以微法分级的X分级的电容器体积很大，使得其不适合于许多环境调节应用(其中，经常期望控制单元尽可能小)。而且，在半导体开关未能断开的情况下，负载电流可以流过电容器，在几毫秒中将电容器两端的电压提高到危险的高电平。

本发明寻求减轻上述问题。

发明内容

本发明提供了用于环境调节系统的控制设备，包括：第一端子，用于连接到AC电网电源；第二端子，用于连接到环境调节负载；继电器，被布置在所述第一端子和所述第二端子之间；第一半导体开关，被布置在所述第一端子和所述第二端子之间；以及，控制电子部件；

其中，所述控制设备还包括多个电解电容器，所述多个电解电容器彼此并联地布置；并且

其中，所述继电器用于接通和切断从所述AC电网电源到所述负载的电流，并且，当所述继电器被设置来向所述负载供应电流时，所述第一半导体开关用于分流至少一部分电流通过所述多个电容器；并且

其中，所述电容器被布置来当分流所述电流时存储来自所述电网电源的能量，并且当未分流所述电流时向所述控制电子部件供应所存储的能量，

所述电容器也被布置使得即使在所述电容器的至少一个故障的情况下，所述电容器的至少另一个继续向所述控制电子部件提供所存储的能量。

因此，多个电容器的提供意味着，在所述多个电容器的至少一个故障的情况下，所述控制电子部件仍然被(剩余电容器的至少一个)供电；优选的是，所述控制电子部件仍然能够关断向所述负载的供电，因此，防止所述设备的灾难性故障。所述控制电子部件可以例如被布置来检测所述电容器的一个或多个的短路，并且可以包括继电器控件，所述继电器控件被布置来操作所述继电器以在如果检测到所述电容器的一个或多个的短路的情况下关断到所述负载的电流。

所述电容器可以被布置为电子或布置，以便即使在所述电容器的至少一个故障的情况下所述电容器的至少另一个继续向所述控制电子部件供应所存储的能量。

可以是下述情况，所述第一半导体开关可用于分流部分或者全部电流通过所述多个电容器。可以是下述情况，一旦所述电容器被充电或者充分地充电，则从所述负载不分流或者基本上不分流电流。

所述第一半导体开关可以例如是FET(例如MOSFET)或者三端双向可控硅开关元件。

所述第一半导体开关可以被布置为与所述继电器串联。所述第一半导体开关和所述继电器连接在带电线入(live in)和带电线出(live out)之间。

电流传感器可以是硬件装置或者电路，或者其可以是在微控制器中实现的算法。

所述控制电子部件可以还包括：电压传感器，所述电压传感器被布置来感测所述电容器两端的电压；以及，第二半导体开关，其被布置来在如果所述电容器两端的电压超过预定旁路阈值的情况下短路所述第一半导体开关(优选地和电容器)。所述第二半导体开关可以例如是FET(例如MOSFET)或者三端双向可控硅开关元件。所述控制装置可以还包括微处理器、微控制器或者其他适当的硬件，其被布置来接收指示所感测的电压的数据，并且在如果所述电容器两端的电压超过所述预定旁路阈值的情况下，产生用于操作所述第二半导体开关以短路所述第一半导体开关的信号。所述控制电子部件可以被布置来当所述电容器两端的电压超过预定阈值时关断所述继电器。

所述环境调节负载可以包括发光负载。所述环境调节负载可以包括加热负载。所述环境调节负载可以包括空调负载。

所述电解电容器可以每个具有超过100微法的电容。所述电解电容器可以每个具有超过200微法的电容。所述电解电容器可以具有小于600微法的电容，优选的是小于500微法，更优选的是小于400微法。

所述多个电容器可以由2个电容器构成，所述多个电容器可以由超过2个电容器构成。当然在所述控制装置中可以有其他的电容器，但是，相关的电容器是被布置来存储电网能量并且随后向所述控制电子部件供应所存储的能量的那些电容器，如上所述。

所述控制电子部件可以被布置来感测到所述负载的电流，并且可以包括继电器控件，所述继电器控件被布置来在如果到所述负载的电流超过预定切断阈值的情况下，操作所述继电器以关断到所述负载的电流。所述控制装置可以包括微控制器或微处理器或其他适当的硬件，其被布置来接收指示到负载的电流的数据，并且在如果所述电流超过所述预定切断阈值的情况下，产生用于操作所述继电器以关断到所述负载的电力的信号。

本发明的另一个方面的示例实施例提供了一种用于环境调节系统的控制设备，其包括：第一端子，用于连接到AC电网电源；第二端子，用于连接到环境调节负载；继电器，其被布置在所述第一端子和所述第二端子之间；第一半导体开关，其被布置在所述第一端子和所述第二端子之间；以及，控制装置，其包括控制电子部件，其中，所述继电器可用于接通和切断向所述负载和向所述第一半导体开关的电力，并且，当所述继电器被设置来向所述第一半导体开关供电时，所述第一半导体开关可用于将来自所述AC电网电源的电力从所述负载切换开，并且切换到所述控制装置。所述控制装置包括多个彼此并联地布置的电解电容器，所述电容器被布置来当向控制装置供应电网电力时存储能量，并且被布置来当向负载供应电网电力时向控制电子部件供应所述能量。优选的是，所述控制装置还包括：电流传感器，其被布置来感测向电容器供应的电流；以及，继电器控件，其被布置来在如果由电流传感器感测的电流超过预定切断阈值的情况下，操作继电器以关断向负载和向第一半导体开关的电力。优选的是，所述控制装置还包括：电压传感器，其被布置来感测电容器两端的电压；以及，第二半导体开关，其被布置来在如果电容器两端的电压超过预定旁路阈值的情况下，短路所述第一半导体开关和所述电容器。

当然，可以理解，结合本发明的一个方面所述的特征可以被并入本发明的其他方面中。

附图说明

现在参照附图仅仅通过示例来描述本发明的实施例，其中：

图1是包括用于窃电的MOSFET开关的环境调节设施的示意电路图，其示出了(a)当MOSFET截止时的电流路径，以及(b)当MOSFET导通时的电流路径；

图2是图解来自图1的设施的过零同步的窃电装置的示意图；

图3是示出在图2的示例实施例中使用的MOSFET漏极电流感测电路的图；

图4是示出了在图2的示例实施例中使用的继电器线圈驱动器的图；

图5是示出了在图2的示例实施例中使用的三端双向可控硅开关元件和驱动器的图；

图6是示出了在图2的示例实施例中使用的电容器布置的图；

图7是示出了在图2的示例实施例中使用的电容器短路检测电路的图。

具体实施方式

在根据本发明的示例实施例的发光系统中，通过继电器开关来控制发光负载。当继电器开关断开时，由基于LNK302的电源单元(PSU)来向控制电子部件供电。但是，一旦继电器闭合，则基于LNK302的PSU不能工作，因为其输入电压不再是可用的。为了维持所述电子部件的操作，从在电容器中存储的电荷获得能量。通过“窃电”从AC负载电流来充电所述电容器。

在图1(a)和(b)中示意地图解了所述思想。使用负载电流来充电电容器C1，并且，所存储的能量用于运行控制电子部件(DC负载)。当使用电荷时，在需要时重新充电电容器。MOSFET Q1被用作开关，强制负载电流来充电电容器C1，然后在已经存储了足够的电荷后将电容器旁路。图1(a)和图1(b)分别示出了当MOSFET Q1截止和导通时的电流路径。(在这个示例中，地参考是C1的阴极，并且其是带电的)。

AC负载可以例如是白炽灯泡、电容性、电感性或者开关负载；但是，在这个示例实施例中，所述继电器开关仅仅对于电阻性负载在双线模式(没有中线)中操作；在这个示例实施例中，对于其他负载类型，中线是可用的，并且在那些情况下，基于LNK302的电源连续地向电子部件供电，消除了窃电的必要。

图2更详细地示出了用于控制环境调节负载的控制设备。所示出的示例用于双联(two-gang)设施(installation)，其具有两个负载(负载1和负载2)。

当继电器1或者继电器2(或者两者)断开时，由链路电源(经由21V电力轨(power rail))来提供用于控制电子部件的电力。但是，当继电器1和继电器2闭合时，将链路电源旁路，并且链路电源不再工作。电容器C1然后通过窃电再一次经由21V电力轨向电子部件供电，如上所述：通过MOSFET Q1的开关行为来交替地向电容器C1和AC负载(负载1和负载2)供电。

MOSFET Q1被MOSFET驱动器控制，MOSFET驱动器本身被比较器控制，所述比较器具有在22V设置的下触发点(LTP)和在24V设置的上触发点(UTP)。通过21V电力轨来向所述驱动器和比较器供电。

因此，由比较器来控制MOSFET Q1的开关(所述比较器继而通断MOSFET栅极(gate)驱动器)。所述比较器被布置来保证通过电容器C1提供了大约23V的平均电压((24V+22V)/2)。

但是，对于MOSFET Q1的异步开关将产生可能的问题，包括如果MOSFET Q1的漏极源极二极管在负半周期期间导通时的热问题，并且不同的充电电流依赖于在周期中MOSFET Q1何时导通。在AC电网峰值开关也导致较大的传导发射。为了最小化所述发射，为了最小化通过电容器的RMS电流，并且保证在电容器中的足够电荷，在AC电网的每个周期中执行窃电，并且其与AC电网的电压过零同步。

在同步的窃电期间，微控制器(MCU)刚好在AC周期的过零之前复位比较器(截止MOSFET Q1)；因为MOSFET截止，因此将在随后的正周期中充电电容器C1。电容器电压一达到比较器的UTP，MOSFET导通。MCU计算在MOSFET漏极电压走高的两个连续事件之间的时间，并且使用所计算的时段来刚好在下一个过零之前复位比较器。每当MOSFET PSU在运行中时，重复计算-复位-重新计算周期。从MOSFET漏极电压得出向MCU的输入。每当MCU检测到下降沿何时，其在下一个预期的过零时间之前800微秒触发200微秒宽度的脉冲。所述脉冲下拉比较器，并且使得电容器充电达随后的正周期。

过零同步窃电的优点包括：减少体二极管导通周期，继而减少体二极管损耗；减少传导发射；并且减少由于MOSFET的定期开关导致的白炽灯泡的闪烁(特别是低瓦数灯泡)。

现在转而关注保护机制，所述保护机制一起使得能够将电解电容器用作用于控制电路的窃电电源。

首先，所述开关包括过载电流保护。硬件必须承受15A的最大电流一个小时(用于10A型C MCB的最大跳闸(trip)时间)，并且当漏极电流比15A更大时，采取保护性行为。对于高于15A的任何电流(由于在负载侧的短路或者过载)，继电器断开。MCU使用在图3中所示的电路元件连续地监控漏极电流；当那个电流太高时，继电器被触发得断开。CR24保证25V的漏极电压(当MOSFET截止)被阻止达到MCU，并且仅仅当MOSFET Q1导通时感测漏极电压。R62和R34被选择使得感测的电压保持在1.1V(ADC参考电压)内。

在这个示例中，使用来开关负载电流的继电器是锁存类型的。锁存类型的继电器的使用消除了对于连续线圈功率的需要。双线圈类型的使用简化了所需要的线圈驱动器。继电器触点被分级为10AX，其表示它们可以承受高的浪涌电流(其通常见于荧光灯负载)。(在其他一些实施例中，使用非锁存继电器：非锁存继电器的使用具有下述优点：如果电容器未能短路，则继电器将自动地断开，因为缺少轨电压(railvoltage)。但是，如果MOSFET未能断开，则即使非锁存继电器也不能保护电容器)。

由NPN晶体管(图4)驱动线圈，所述NPN晶体管具有集成的基极和发射极电阻器。如上所述，使用锁存型继电器，使用独立的线圈来断开和闭合触点；因此，大约30-40毫秒的脉冲足以激励相应的线圈。继电器驱动器是基于NPN晶体管逆变器。实际测试显示，即使将线圈激励大约20毫秒并且线圈电压大于12V，线圈将成功地锁存或者不锁存。

其次，如果MOSFET本身未能断开(或者诸如比较器、电压电平位移器或者驱动器的任何电路故障)，则对于电容器电压没有限制。线路电流将保持将电容器充电接近AC电网电压；但是，电容器被分级为仅仅35V。这是灾难性故障，一种机制被提供来限制电容器电压。三端双向可控硅开关元件Q18和相关联的电路就是如此做的(图5)。如果电容器电压超过27.6V(由27V齐纳CR36外加CR37的正向电压降来确定)，则将触发三端双向可控硅开关元件，由此将负载电流从电容器旁路。监控电容器电压的MCU将感测异常高压，并且继电器将被关断。所述三端双向可控硅开关元件将仅仅在AC电网周期的一半处理负载电流，并且仅仅直到继电器被关断才接通。这表示可以将三端双向可控硅开关元件分级为刚好足够地处理最大额定负载电流10A达到大约50毫秒(MCU推论电容器电压异常并且继电器的触点应当被触发得断开所需要的时间)。提供了CR37，因为三端双向可控硅开关元件在AC电网的负周期期间不必导通——因为电容器本身不能在负周期期间被充电。R98限制了三端双向可控硅开关元件的栅极电流，而R92和C24可以被调整来避免三端双向可控硅开关元件的误触发。

另外，如果所述(一个或多个)继电器被闭合并且AC电流恢复，则MOSFET将截止(因为C17和C18没有电荷)，并且浪涌电流将试图充电C17和C18。这对于电路将是危险的，因为电容器将被浪涌电流充电，所述浪涌电流在幅度上可以是几百安培。如果电容器被充电到大于27.6V，则三端双向可控硅开关元件将旁路电流，保护电路。至此，电源将加电和运行，并且MOSFET将接通。实际测试显示，考虑到在MOSFET的控制路径中涉及的所有延迟，MOSFET在2毫秒中可控地从21V网电压(21V net)达到最小7.5V。

第三，EN60669-2-1的部件选择规则要求：如果电解电容器被短路，则不超过500毫安应当能够流过所述短路部分。但是，如果MOSFET两端的电容器(C17和C18)被短路，则满载电流将流过所述短路部分，破坏了标准。因此，电容器不直接地并联；而是它们通过二极管被电子或。CR14、CR17是通过MOSFET PSU的充电路径，CR19、CR22是通过链路PSU的充电路径，CR20和CR21是通过机载电子部件(21V轨)的放电路径。因为二极管是等同的，因此两个电容器两端的电压紧密得跟踪彼此。当任何一个电容器被短路时，下面的事件链将发生(图6和7)：Q15将被正向偏置；这将继而通过R95触发两个继电器的关断线圈，由此使得继电器象保险器那样，断开负载。如果开关以双线模式配置，则链路PSU将试图开始；但是，因为短路的输出，LNK302将进入过流关断模式。接着，MCU(AVR MCU通过MCU异常指示信号被中断)同时通过R91和R96被通知灾难。

那三个电容器保护特征的组合使得能够使用电解电容器，所述电解电容器足够小来被包含在建筑物的紧凑的开关设施中。

虽然已经相对于特定实施例描述和图解了本发明，但是本领域内的技术人员可以明白，本发明其本身可进行在此未具体说明的许多不同的改变。仅仅举例而言，现在说明特定的可能改变。

在上述的说明中提及了具有已知的、显然的或者可预见的等同物的整体或者元素的情况下，则这样的等同物被并入在此，就好像独立地给出那样。应当参见权利要求来确定本发明的真实范围，其应当被解释为涵盖任何这样的等同物。读者也可以明白，被描述为优选的、有益的或者方便的等的本发明的整体或者特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。而且，应当明白，这样的可选整体或者特征虽然在本发明的一些实施例中有可能的益处，但是可能是不期望的，因此可以在其他实施例中不存在。

Claims (9)

1.用于环境调节系统的控制设备，包括：第一端子，用于连接到AC电网电源；第二端子，用于连接到环境调节负载；继电器，被布置在所述第一端子和所述第二端子之间；第一半导体开关，被布置在所述第一端子和所述第二端子之间；以及，控制电子部件；

其中，所述控制设备还包括多个电解电容器，所述多个电解电容器彼此并联地布置；并且

其中，所述继电器用于接通和切断从所述AC电网电源到所述负载的电流，并且，当所述继电器被设置来向所述负载供应电流时，所述第一半导体开关用于分流至少一部分电流通过所述多个电容器；并且

其中，所述电容器被布置来当分流所述电流时存储来自所述电网电源的能量，并且当未分流所述电流时向所述控制电子部件供应所存储的能量，

所述电容器也被布置使得即使在所述电容器的至少一个故障的情况下，所述电容器的至少另一个继续向所述控制电子部件供应所存储的能量。

2.根据权利要求1的设备，其中，所述控制电子部件被布置来检测所述电容器的一个或多个的短路，并且包括继电器控件，所述继电器控件被布置来操作所述继电器以在如果检测到所述电容器的一个或多个的短路的情况下关断到所述负载的电流。

3.根据权利要求1或者权利要求2的设备，其中，所述电容器被布置为电子或布置。

4.根据前述权利要求任一项的设备，其中，所述控制电子部件还包括：电压传感器，所述电压传感器被布置来感测所述电容器两端的电压；以及，第二半导体开关，所述第二半导体开关被布置来在如果所述电容器两端的电压超过预定旁路阈值的情况下短路所述第一半导体开关。

5.根据前述权利要求任一项的设备，其中，所述环境调节负载包括选自下列的至少一个负载：发光负载、加热负载和空调负载。

6.根据前述权利要求任一项的设备，其中，所述多个电容器由2个或者更多的电容器构成。

7.根据前述权利要求任一项的设备，其中，所述控制电子部件被布置来感测到所述负载的电流，并且包括继电器控件，所述继电器控件被布置来在如果到所述负载的电流超过预定切断阈值的情况下，操作所述继电器以关断到所述负载的电流。

8.一种保护基本上参照附图在此描述的用于环境调节系统的控制设备中的电解电容器的方法。

9.一种基本上参照附图在此描述的用于环境调节系统的控制设备。

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