УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМАМИ НАГРУЗОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА ОСНОВАНИИ УРОВНЕЙ СИГНАЛОВ Российский патент 2018 года по МПК H05B37/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области аппаратов и способов управления нагрузками, подсоединенными к электрической сети. Конкретнее, изобретение относится к управлению включением/выключением и регулированием яркости осветительных приборов осветительной системы сети постоянного тока (DC).

Характеристика известного уровня техники

Обычные электроэнергетические системы были разработаны для переноса мощности переменного тока (AC) центральной станции по высоковольтным линиям электропередачи и низковольтным распределительным линиям к жилым домам и промышленным предприятиям, которые использовали эту мощность в лампах накаливания, электродвигателях переменного тока и другом оборудовании переменного тока. Современным электронным устройствам (таким, как компьютеры, флуоресцентные лампы, приводы с регулируемой скоростью и многие другие бытовые и промышленные электроприборы и оборудование) нужен ввод постоянного тока (DC). Однако всем эти устройствам постоянного тока требуется преобразование мощности переменного тока, подводимой в здание, в мощность постоянного тока для использования, а это преобразование, как правило, предусматривает использование неэффективных выпрямителей. Кроме того, мощность постоянного тока, генерируемая распределенными возобновляемыми источниками энергии (такими, как солнечный коллектор, устанавливаемый на крыше), должна быть преобразована в мощность переменного тока, чтобы попасть в электрическую систему здания, а потом должна быть повторно преобразована в мощность постоянного тока для многих конечных потребителей. Эти преобразования из переменного тока в постоянный (AC-DC) (или из постоянного тока в переменный и снова в постоянный (AC-DС-AC) в случае солнечного коллектора, устанавливаемого на крыше) приводят к существенным потерям энергии.

Одним возможным решением является микросеть постоянного тока, которая представляет собой сеть постоянного тока в пределах здания (или обслуживающую несколько зданий) и которая минимизирует или полностью исключает эти потери из-за преобразования.

В системе микросети постоянного тока мощность переменного тока преобразуется в мощность постоянного тока, когда попадает в сеть постоянного тока, с помощью высокоэффективного выпрямителя, который затем распределяет мощность непосредственно на оборудование постоянного тока, обслуживаемое сетью постоянного тока. В среднем, такие системы снижают потери из-за преобразования переменного тока в постоянный со средних потерь примерно 10% до 5%. Кроме того, монтируемые на крыше фотоэлектрические (ФЭ) установки и другие распределенные средства генерирования постоянного тока могут подавать питание непосредственно на оборудование постоянного тока через микросеть постоянного тока без двойных потерь из-за преобразования (постоянного тока в переменный и обратно в постоянный), которые потребовались бы, если бы питание с выхода средств генерирования постоянного тока подавалось бы непосредственно в систему переменного тока.

Основные преимущества сетей постоянного тока заключаются в том, что эффективность можно повысить путем централизации части цепи электропривода. Для сетей постоянного тока можно предусмотреть выпрямление мощности переменного тока и коррекцию коэффициента мощности в одном устройстве большой мощности. Дополнительное преимущество заключается в том, что за счет непосредственного подвода мощности постоянного тока из фотоэлектрических установок можно обойтись без необязательного двойного преобразования в переменный ток и из него. Это повышает эффективность фотоэлектрических установок в значительной мере. Еще одним преимуществом является пониженное механическое напряжение кабелей электропитания, индуцируемое током, поскольку напряжение постоянного тока можно выбрать превышающим среднеквадратическое (СК) значение для сети синусоидального переменного тока. Напряжение постоянного тока в типичном случае является пиковым напряжением максимального напряжения сети переменного тока. Также отсутствуют потери в меди, связанные с реактивной мощностью в сети постоянного тока, поскольку теперь реактивная мощность отсутствует. И, наконец, разделение мощности таким образом обуславливает большое снижение объема и стоимости аппаратных средств.

Наличие одного крупногабаритного выпрямителя и контроллера сети и очень простого драйвера нагрузки (например, драйвера светоизлучающих диодов (LED)) гораздо эффективнее, чем наличие большого количества полнофункциональных драйверов сети переменного тока, каждому из которых нужны сетевые фильтры, выпрямитель и вольтодобавочный модуль PFC.

Еще одним следствием архитектуры сети постоянного тока является то, что можно обеспечить многоуровневое управление напряжением сети. Оно в корне отличается от происходящего в сети переменного тока, где синусоидальное напряжение сети имеет изменяющуюся амплитуду и происходят возмущения гармоник тока сети, зависящие от условий нагрузки.

Обычные подходы к управлению нагрузкой (такие, как «Цифровой адресный интерфейс освещения» (DALI) для диапазона 0-10 В, «Цифровой мультиплекс» (DMX), KNX, и т.д.) основаны на отдельном кабеле управления и тоже могут быть использованы с осветительными средствами постоянного тока. Можно использовать также технологию связи по линиям электропередачи, описанную в спецификации 1901 Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) под названием «Стандарт IEEE для широкополосной связи через сети линий электропередачи» (“IEEE Standard for Broadband over Power line Networks”). Однако такие управленческие решения обычно оказываются довольно сложными и требуют дополнительного монтажа аппаратных средств.

Краткое изложение существа изобретения

Задача данного изобретении состоит в том, чтобы разработать усовершенствованную систему преобразования мощности, выполненную с возможностью питания электрической нагрузки управляемым напряжением постоянного тока, как из локального источника постоянного тока, так и из сети переменного тока, с максимально эффективностью преобразования мощности.

Эта задача решается с помощью аппарата, заявляемого в п. 1 формулы изобретения (сторона контроллера), с помощью аппарата, заявляемого в п. 2 формулы изобретения (сторона нагрузки), с помощью способа, заявляемого в п. 9 формулы изобретения (сторона контроллера), с помощью способа, заявляемого в п. 10 формулы изобретения (сторона нагрузки), и с помощью компьютерного программного продукта, заявляемого в п. 11 формулы изобретения. Таким образом, заявляемое решение подразделяется на взаимосвязанные аспекты стороны контроллера и стороны нагрузки.

Соответственно, электропитанием по меньшей мере одного нагрузочного устройства через систему электрической сети управляют путем измерения уровня сигнала электропитания на выходе контроллера сети и изменения уровня сигнала в пределах первого заранее определенного диапазона между минимальным допустимым уровнем сигнала и максимальным допустимым уровнем сигнала системы электрической сети за счет влияния на контур управления с целью управления уровнем сигнала в контроллере сети на основании принимаемой команды управления, чтобы сигнализировать об этой команде управления упомянутому по меньшей мере одному нагрузочному устройству. На стороне нагрузки измеряют уровень сигнала электропитания на входе нагрузочного устройства, трансформируют измеренный уровень сигнала в команду управления, если уровень сигнала принадлежит первому заранее определенному диапазону, и управляют выходным сигналом (например, излучаемой мощностью) нагрузочного устройства в соответствии с упомянутой командой управления.

Таким образом, имеющийся кабель электропитания можно использовать в целях управления без увеличения сложности аппаратных средств и затрат на них. Вследствие этого, управление нагрузкой можно встроить в электрические сети (сети переменного тока или постоянного тока) на уровне контроллера сети. Дополнительные линии связи не нужны, и дополнительные аппаратные средства в контроллере сети или нагрузке сети (например, в осветительных приборах) не требуются. Механизм связи основан на считываниях уровня аналогового напряжения и может быть усовершенствован для поддержки (автоматической) калибровки для сглаживания эффектов падения напряжения в больших кабельных сетях.

Помимо этого можно запускать режим калибровки путем изменения уровня сигнала до значения во втором заранее определенном диапазоне, находящемся выше и ниже упомянутого первого заранее определенного диапазона. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что изменения уровня принимаемого сигнала в нагрузочных устройствах, происходящие из-за падения напряжения на соединительном кабеле электрической сети, можно компенсировать, переводя нагрузочное устройство в режим калибровки, чтобы откалибровать его опорные значения. В соответствии с конкретным примером, устройство контроллера сети может генерировать заранее определенную последовательность разных уровней сигналов в пределах первого заранее определенного диапазона в заранее определенном порядке во время режима калибровки. Эту заранее определенную последовательность можно затем измерять в нагрузочном устройстве во время режима калибровки, а измеренные значения можно сохранять и использовать в качестве опорных значений для преобразования уровня принимаемого сигнала в команды управления по окончании режима калибровки.

В соответствии с первым аспектом, команда управления может быть командой включения или выключения выходного сигнала (выхода) нагрузочного устройства или управления этим сигналом (например, регулирования яркости). Таким образом, управление включением/выключением и изменение выходной мощности нагрузочных устройств, подсоединенных к электрической сети, могут быть достигнуты путем простого изменения уровня сигнала (например, уровня напряжения или тока) электропитания до заранее выбранных значений.

В соответствии со вторым аспектом, который можно объединять с вышеописанным первым аспектом, аппарат контроллера сети можно выполнить с возможностью приема команды управления из пользовательского интерфейса или датчика. Вследствие этого, нагрузочными устройствами, подсоединенными к электрической сети, можно управлять действием пользователя (переключающим действием, поворачивающим действием, и т.д.) или на основании выходного сигнала датчика (например, датчика света, датчика движения, датчика касания, датчика переключения, и т.д.).

В соответствии с третьим аспектом, который можно объединять, по меньшей мере, с одним из вышеописанных первого и второго аспектов, уровень сигнала электропитания можно изменять на основании команды управления в связи с желаемым уровнем выходного сигнала по меньшей мере одного нагрузочного устройства в соответствии с командой управления. Таким образом, уровень сигнала в электрической сети непосредственно отражает желаемое изменение уровня выходного сигнала в подсоединенном нагрузочном устройстве. Если уровень сигнала в электрической сети увеличивается в пределах первого заранее определенного диапазона (который не оказывает влияние на обычные нагрузочные устройства, не поддерживающие предлагаемые функциональные возможности управления), нагрузочное устройство «может заключить», что уровень его выходного сигнала должен быть увеличен, и наоборот. Помимо этого для сигнализации о состояниях включения/выключения нагрузочного устройства можно использовать конкретные уровни сигналов.

В дополнительном аспекте данного изобретения предложена компьютерная программа для управления преобразованием мощности, причем эта компьютерная программа содержит кодовые средства, чтобы заставить аппарат контроллера сети или нагрузочное устройство осуществлять этапы вышеописанных способов, когда компьютерная программа запущена на соответствующем компьютере или вычислительном устройстве, управляющем контроллером сети или нагрузочным устройством.

Вышеупомянутые устройство и систему управления можно воплотить как аппаратную схему, одиночную микросхему или набор микросхем, которые можно устанавливать на схемной плате. Микросхема или набор микросхем может содержать процессор, которым управляет программа или стандартная подпрограмма системы программного обеспечения.

Следует понять, что сущностные решения, характеризующие прибор по п. 1 или 2 формулы изобретения, способ по п. 9 или 10 формулы изобретения и компьютерную программу по п. 11 формулы изобретения, имеют сходные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, охарактеризованные, в частности, в зависимых пунктах формулы изобретения.

Следует понять, что предпочтительный вариант осуществления изобретения также может представлять собой любую комбинацию зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.

Эти и другие аспекты изобретения станут ясными и понятными при обращении к вариантам его осуществления, описываемым ниже.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

на фиг. 1 показана условная блок-схема системы управления в соответствии с различными вариантами осуществления;

на фиг. 2 показана диаграмма, иллюстрирующая рабочие состояния для различных напряжений сети постоянного тока в соответствии с первым вариантом осуществления;

на фиг. 3 показана диаграмма, иллюстрирующая рабочие состояния для различных напряжений сети постоянного тока в соответствии со вторым вариантом осуществления;

на фиг. 4 показана диаграмма, иллюстрирующая рабочие состояния для различных напряжений сети постоянного тока, включая состояние калибровки, в соответствии с третьим вариантом осуществления;

на фиг. 5 показана блок-схема последовательности операций процедуры калибровки в соответствии с третьим вариантом осуществления; и

на фиг. 6 показана диаграмма с обзором процедуры калибровки в соответствии с третьим вариантом осуществления.

Подробное описание вариантов осуществления

Нижеследующие варианты осуществления относятся к усовершенствованной системе управления для осветительной системы сети постоянного тока на основе микросети постоянного тока, где кабель электропитания используется в целях передачи сигналов управления без дополнительных существенных аппаратных средств и затрат на них. Использование этого механизма позволяет регулировать яркость, включать и выключать или иным образом управлять всеми осветительными приборами или другими нагрузочными устройствами как группой. Следовательно, это высокоэффективное и сверхдешевое решение для управления на основе группы.

Предлагаемое решение в соответствии с нижеследующими вариантами осуществления также не будет создавать никаких сложных проблем, связанных с регулированием яркости в сети (например, управлением фазовой отсечкой, управлением углом фазы и т.п.). Оно полностью совместимо с обычными нагрузочными устройствами, способными работать на постоянном токе, которые не предусматривают использование предлагаемой функции управления.

На фиг. 1 показана условная блок-схема системы управления в соответствии с различными вариантами осуществления, при этом показаны контроллер 30 сети постоянного тока и осветительный прибор 40 сети постоянного тока в качестве нагрузочного устройства. Контроллер 30 сети может получать мощность от любого количества источников энергии, таких как сеть 10 переменного тока, аккумуляторная батарея и/или одна или несколько фотоэлектрических панелей или модулей 20, либо других возобновляемых источников, маховиков или аналогичных средств. Управляемую микросеть постоянного тока согласно фиг. 1 можно использовать в приложении, связанном с освещением офисного здания, где управляемые нагрузки (например, осветительный прибор 40 сети постоянного тока) могут содержать светильники, адаптированные к сети постоянного тока.

Таким образом, управление мощностью постоянного тока осуществляется централизовано посредством контроллера 30 сети постоянного тока, который содержит выпрямитель сети переменного тока большой мощности и блок 32 коррекции или компенсации коэффициента мощности (PFC), который тоже может получать мощность из других источников, таких как фотоэлектрические модули 20. Контроллер 30 сети может попытаться достичь оптимального использования фотоэлектрических модулей 20 посредством блока 34 слежения за точкой максимальной мощности (MPPT) и пополняет сеть постоянного тока мощностью сети переменного тока, когда фотоэлектрическая установка не в состоянии удовлетворить потребность в электроэнергии.

Помимо этого контроллер 30 сети содержит локальный микроконтроллер 39, который осуществляет управление с целью изменения или замены выходного напряжения постоянного тока в качестве уровня сигнала электропитания. Этого можно достичь посредством манипуляций контуром управления блока 32 выпрямления/PFC. Есть много практических путей осуществления этого. В качестве примера можно привести использование цифро-аналогового преобразователя (DAC) 38 и суммирующих резисторов (не показаны) для усилителя ошибки (не показан) в выходном регуляторе 36 постоянного тока. Управление выходным регулятором 36 постоянного тока (а не блоком 32 выпрямления/PFC) обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что выходной регулятор 36 постоянного тока всегда в рабочем состоянии, тогда как в некоторых условиях регулятор блока 32 выпрямления/PFC отключается, а регулирование напряжения, по возможности, осуществляется фотоэлектрическим модулем 34.

В соответствии с различными вариантами осуществления, сигнализация об уровне регулирования яркости (например, от уровня отключения до уровня полной мощности) осуществляется с помощью только соединений цепи электропитания сети постоянного тока с осветительным прибором (осветительными приборами) 40. Чтобы достичь этого, микроконтроллер 39 контроллера 30 сети может принимать и акцептовать команды управления либо от пользователя, либо от (удаленного) датчика, который может быть связан с пользовательским интерфейсом (например, переключателя света, органа управления или аналогичного средства). Тогда микроконтроллер 39 выполнен с возможностью воздействию на контур управления контроллера 30 сети, например, вышеописанным образом с целью изменения выходного напряжения постоянного тока на основании принимаемых команд пользователя.

Контроллер 30 сети может быть «главным» контроллером сети, преобразующим переменный ток в постоянный, либо меньшей секцией контроллера сети постоянного тока или устанавливаемым на нижнем уровне контроллером сети постоянного тока в более крупных установках. Контроллер 30 сети можно адаптировать к изменению выходного напряжение выходного регулятора 36 постоянного тока в первом заранее определенном диапазоне (например, полном диапазоне между уровнем минимального напряжения (например, 360 В) и уровнем максимального напряжения (например, 400 В), допустимыми для сетей постоянного тока), причем выходное напряжение измеряют локально на выходных клеммах контроллера 30 сети и пересылают на вход микроконтроллера 39 через схему делителя напряжения, изображенную на фиг. 1, в виде последовательного соединения двух резисторов.

Как показано на фиг. 1, осветительный прибор 40 постоянного тока также может включать в себя микроконтроллер 42, который управляет источником 44 тока таким образом, что оказывает воздействие на величину тока, протекающего через светоизлучающие элементы этого источника, например LED, и таким образом - на его выходную мощность (т.е., излучаемую мощность), на основании преобразования уровня измеренного напряжения на входе электропитания в команды управления, сигналы которых идут от контроллера 30 сети. В качестве альтернативы, достичь тех же самых функциональных возможностей управления выходным сигналом можно также аналоговым способом. Такое аналоговое управление может быть достигнуто посредством регулирования яркости с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM) или посредством управления по постоянному току. В обоих случаях, осветительный прибор 40 постоянного тока должен быть способен воспринимать или измерять локальное напряжение сети постоянного тока на своих входных клеммах электропитания через делитель напряжения, аналогичный имеющемуся у контроллера 30 сети.

Предлагаемый механизм управления регулированием яркости и управления включением/выключением осветительного прибора 40 постоянного тока может быть полностью совместимым с устройствами, которые не предусматривают использование признака предлагаемого управления. В таких обычных устройствах или нагрузках будут наблюдаться лишь малые вариации напряжения шины постоянного тока в рамках заданных пределов эксплуатации.

При наличии предлагаемой системы управления в соответствии с вариантами осуществления, управление включением/выключением, управление регулированием яркости и/или управление другими нагрузками теперь возможно за счет изменения напряжения шины постоянного тока в пределах заранее определенного диапазона. Возможны многие алгоритмы, так что в нижеследующем описании вариантов осуществления приведены лишь некоторые примеры.

На фиг. 2 показана диаграмма, иллюстрирующая рабочие состояния для различных напряжений сети постоянного тока, V_сети, в соответствии с первым вариантом осуществления. В этом примере предполагается номинальное напряжение шины, составляющее, например, 380 В постоянного тока. Номинальное напряжение сети можно использовать в вариантах осуществления как указывающее на то, что относительный уровень выходной мощности, P%, составляет 100%, и поэтому можно использовать как опорное напряжение (V_вкл), которое ниже максимального допустимого напряжения (V_выс), которое может быть задано равным 386 В постоянного тока в данном примере, а минимальное допустимое напряжение шины может быть задано равным 360 В постоянного тока. Тогда уровень напряжения, составляющий 365В постоянного тока, можно использовать как указывающий на то, что мощность составляет 0% или что имеет место уровень выключения (V_низ). Тогда все значения между уровнем 100% и уровнем 0% могут линейно соответствовать значению, требуемому для регулирования яркости (например, значение 372,5 В постоянного тока соответствует значению 50%, требуемому для регулирования яркости (т.е., V_средн). Конечно, возможны также другие линейные зависимости, если они желательны.

Контроллер 30 сети постоянного тока теперь может осуществлять управление включением/выключением и регулирование яркости для всей группы подсоединенных осветительных приборов 40 постоянного тока либо других нагрузок или устройств за счет надлежащего изменения напряжения шины постоянного тока в пределах вышеупомянутого первого заранее определенного диапазона. На устройства, которые не адаптированы к интерпретации или не переключаются на интерпретацию или использование этого признака управления, влияние оказано не будет. При меньших напряжениях в пределах первого заранее определенного диапазона, они будут потреблять несколько больший ток, если они являются устройствами «с постоянной мощностью», подобными драйверам LED.

Будучи способным изменять напряжение сети, контроллер 30 сети теперь может сигнализировать по меньшей мере о следующих командах управления посредством уровня напряжения для инициирования соответствующих действий управления:

- команда выключения: чтобы выключить осветительный прибор (осветительные приборы) 40 постоянного тока (режим ВЫКЛ на фиг. 2), напряжение уменьшают до значения, которое ниже напряжения V_низ, это просигнализирует микроконтроллеру (микроконтроллерам) 42 в осветительном приборе (осветительных приборах) 40 постоянного тока о том, что их надо выключить;

- команда регулирования яркости: чтобы отрегулировать яркость, напряжение должно составлять V_низ < V_сети < V_вкл (режим РЕГ_Я на фиг. 2), а относительная входная мощность осветительного прибора (осветительных приборов) 40 постоянного тока составит:

(1)

- команда включения: чтобы включить осветительные приборы на полную выходную мощность (режим ВКЛ на фиг. 2), напряжение сети должно быть больше V_вкл, но не больше V_выс.

Что касается осветительного прибора 40 постоянного тока, то ему нужно лишь измерить входное напряжение, преобразовать измеренное значение в соответствующие команды управления, например, на основании сравнения с запомненными опорными значениями, и - в зависимости от полученной команды управления, осуществлять надлежащие регулировки света, например, регулировать выходной ток посредством источника 44 тока или изменять рабочий цикл PWM. В первом варианте осуществления, уровень напряжения для сигнализации об осуществляемом по выбору режиме калибровки (КАЛИБР) выбирают из второго заранее определенного диапазона выше порога V_вкл напряжения включения. Таким образом, любой уровень напряжения выше порога V_выс напряжения включения (т.е., максимального допустимого напряжения шины) будет переводить осветительный прибор 40 постоянного тока в режим калибровки (КАЛИБР). Описание осуществляемого по выбору режима калибровки (КАЛИБР) будет приведено ниже в связи с третьим вариантом осуществления.

На фиг. 3 показана диаграмма, иллюстрирующая рабочие состояния для различных напряжений сети постоянного тока в соответствии со вторым вариантом осуществления, где уровень напряжения для сигнализации об осуществляемом по выбору режиме калибровки (КАЛИБР) задан ниже порога напряжения выключения (т.е., минимального допустимого напряжения шины), а не выше порога включения (т.е., минимального допустимого напряжения шины). Таким образом, второй заранее определенный диапазон находится ниже минимального допустимого напряжения шины, и любой уровень напряжения ниже этого порога напряжения выключения будет переводить осветительный прибор 40 постоянного тока в режим калибровки (КАЛИБР).

Механизмы управления в соответствии с вышеупомянутыми первым и вторым вариантами осуществления, как уже описано, не учитывают влияние падения напряжения на кабелях сети постоянного тока. Диапазон управления уровнем регулирования яркости от 0 до 100% устанавливается на основании малого уровня вариаций напряжения (например, от 365 до 380 В), который является критичным в сетях с длинными кабелями или кабелями большого сечения. Отсутствие коррекции падения напряжения приводило бы к неодинаковым уровням регулирования яркости или даже к выключению осветительных приборов, когда они должны работать на низких уровнях регулирования яркости. Причина этого заключается в том, что из-за ненулевого активного сопротивления кабеля напряжение постепенно становится ниже по мере потребления тока, который генерирует повышенные падения напряжения вдоль кабеля. Таким образом, длина кабеля и местонахождение потребителей мощности также оказывают существенное влияние на результирующее падение напряжения.

Это вредное влияние в таком контексте еще больше осложняет ситуацию, поскольку оно имеет нелинейный характер. Как уже упоминалось выше, драйвер LED ведет себя главным образом как «сток постоянной мощности». Независимо от входного напряжения, он попытается потреблять мощность одной и той же величины. Таким образом, пониженное входное напряжение вызывает увеличение тока, которое, в свою очередь, вызывает потери в кабеле и меньшее входное напряжение до тех пор, пока не устанавливается равновесие. В системе с многочисленными потребителями (например, нагрузками, осветительными приборами или другими устройствами сети постоянного тока, потребляющими мощность) трудно либо невозможно точно определить (без проведения измерения), что входное напряжение для некоторого заданного устройства будет достигаться при определенных условиях нагрузки. Предлагаемый механизм калибровки в соответствии с нижеследующим третьим вариантом осуществления может преодолеть эту проблему.

На фиг. 4 показана диаграмма, иллюстрирующая рабочие состояния для различных напряжений сети постоянного тока, включая состояние калибровки, в соответствии с третьим вариантом осуществления;

На фиг. 4 показаны и кривая ошибок, и состояние калибровки (поясняемое ниже). Сплошная линия иллюстрирует поведение при учете падения напряжения, а пунктирная линия иллюстрирует желательное идеальное поведение. При определенных условиях нагрузки, вычисление ожидаемого входного напряжения без затруднений невозможно. По этой причине, управляющую функцию можно воплотить на основании локальных измерений. Из-за того, что система может не иметь цифровой двусторонней связи, функциональные возможности калибровки могут быть основаны на строго заданном методе осуществления калибровки, предусматривающем использование напряжения постоянного тока шины для маркировки событий. Таким образом, калибровку можно воплотить (например, в соответствующих микропроцессорах 39 и 42) как чисто программную реализацию на основании некоторого алгоритма.

Предлагаемая процедура калибровки служит для нивелирования эффектов падения напряжения посредством односторонней связи от контроллера 30 сети к подсоединенным нагрузочным устройствам (например, осветительному прибору (осветительным приборам) 40), осуществляемой за счет изменения напряжения сети. Конкретнее, процедуру калибровки инициируют сначала переключением подсоединенных нагрузочных устройств в режим калибровки (КАЛИБР). За этим следует ряд заранее определенных этапов, которые позволяют построить индивидуальную коррекцию наблюдаемого падения напряжения для подсоединенных устройств.

На фиг. 5 показана блок-схема последовательности операций процедуры калибровки в соответствии с третьим вариантом осуществления. В первом и третьем вариантах осуществления согласно фиг. 2 и 4, контроллер 30 сети адаптируется к запуску режима калибровки путем увеличения напряжения сети во втором заранее определенном диапазоне с превышением максимального допустимого напряжение V_выс шины. Это делают на этапе S501. Однако напряжение никогда не должно превышать заранее определенное максимальное безопасное напряжение сети как верхний предел второго заранее определенного диапазона. Использование высокого напряжения для запуска состояния калибровки обладает преимуществом, заключающимся в том, что лавинный эффект достигается даже при большой нагрузке. Нагрузочные устройства, ближайшие к контроллеру 30 сети могут первыми «наблюдать» или обнаруживать это напряжение и выключаться. Это может приводить к понижению нагрузки на кабеле или линии и переключению дополнительных нагрузочных устройств в режим их калибровки, заставляя их тоже выключаться. Затем, по-прежнему на этапе S501, контроллер 30 сети адаптируется к гарантированию существования устойчивого состояния. Это означает, что условия нагрузки теперь должны быть постоянными (т.е., никакие нагрузочные устройства больше не выключаются). Сразу же после определения такого состояния и начнется собственно процедура калибровки.

На этапе S502 уменьшают напряжение сети до напряжения V_вкл уровня включения в пределах первого заранее определенного диапазона. Это служит отметкой начала своевременной процедуры калибровки, как в контроллере 30 сети, так и в нагрузочных устройствах (например, в осветительном приборе (осветительных приборах) 40 постоянного тока). Все нагрузочные устройства, подсоединенные к сети постоянного тока, «заметят» это уменьшение напряжения сети и перейдут на 100%-ную мощность. Как только устойчивое состояние будет достигнуто, подсоединенные нагрузочные устройства запишут занесут в память значение своего входного напряжения, которое они замерили. Потом, на этапе S503, контроллер 30 сети адаптируется к ступенчатому изменению напряжений регулирования яркости в пределах первого заранее определенного диапазона и в заранее определенном порядке заранее определенных шагов (например, 100%, 80%, 60%, 40%, 20%). И опять, подсоединенные нагрузочные устройства каждый раз могут измерять входное напряжение и запоминать результат измерения в своей памяти. Очевидно, что каждое нагрузочное устройство «заметит» отличающееся входное напряжение, обуславливаемое конкретным условием нагрузки в этой ситуации.

На этапе S504, контроллер 30 сети понижает напряжение сети до напряжения V_низ уровня выключения, позволяя нагрузочным устройствам определить свою точку выключения.

Очевидно, что контроллер 30 сети может использовать значения, которые несколько больше напряжения V_вкл уровня включения, и несколько меньшие значения для значения V_выкл уровня выключения, чтобы задать некоторый допустимый предел ошибки относительно калибровки в условиях нормальной эксплуатации.

В нижеследующей таблице показана последовательность действий в обоих оконечных точках передачи сигналов во время вышеупомянутой процедуры калибровки в соответствии с третьим вариантом осуществления применительно к калибровке осветительного прибора 40 постоянного тока.

Таблица 1 Контроллер сети Осветительный прибор V_сети, увеличенное до
значения выше V_выс Ток LED падает до нуля, «вход в
режим калибровки» V_сети = V_вкл Ток LED увеличивается до 100%
Ожидание установившегося состояния
Запоминание измеренного напряжения V'_вкл V_сети = 80% × (V_вкл - V_низ) + V_низ Ток LED увеличивается до 80%
Ожидание установившегося состояния
Запоминание измеренного напряжения V'_80% Повторить для 60%,
40%, 20% Повторить для 60%, 40%, 20% <V_сети = V_низ Ток LED падает до 0%
Ожидание установившегося состояния
Запоминание измеренного напряжения V'_вкл

Все переходы процедуры калибровки могут иметь строго заданный временной интервал, чтобы обеспечить синхронизацию между контроллером 30 сети и осветительным прибором (осветительными приборам) 40 постоянного тока.

После завершения процедуры калибровки подсоединенные нагрузочные устройства (например, осветительный прибор (осветительные приборы) 40 постоянного тока) могут корректировать свои преобразования измеренных значений и совершенные на их основе управленческие действия, чтобы компенсировать эффекты падения напряжения вдоль кабеля или линии сети постоянного тока. Этап калибровки можно повторять каждый раз, когда происходит изменение в сети (например, добавление, перемещение или исключение устройства). Контроллер 30 сети может делать это автоматически без какого-либо ручного вмешательства.

Контроллер 30 сети также может автоматически обнаруживать изменения в сети постоянного тока (например, изменение уровня мощности) и осуществлять процедуру калибровки перед выдачей новых команд.

Синхронизация событий может происходить, в частности, посредством превышения определенных уровней напряжения (например, посредством изменения, вносимого в режим калибровки), и за счет общего знания продолжительности определенных фаз в сочетании с изменениями уровней напряжения (например, калибровки фазы регулирования яркости).

На фиг. 6 показана диаграмма с обзором процедуры калибровки в соответствии с третьим вариантом осуществления, где уровни напряжения и привязки во времени отображены подробнее. На первом графике на верхней временной диаграмме, где горизонтальная ось является осью времени, а по вертикальной оси указано измененное значение напряжения, показаны два напряжения (V_сети и V_лампы) и их изменение во время процедуры калибровки в соответствии с третьим вариантом осуществления. На нижней временной диаграмме показан второй график - светоотдачи (т.е., уровень регулирования яркости (DL)) в каждой части процесса калибровки. Площадь между графиками двух напряжений (V_сети и V_лампы) на верхней временной диаграмме указывает (в преднамеренно увеличенном масштабе) падение напряжение и обуславливаемые им эффекты. В примере согласно фиг. 6, потери в кабеле между выходным сигналом (V_сети) контроллера сети и наблюдаемым входным сигналом (V_лампы) осветительного прибора при полной нагрузке приводит к падению напряжения, составляющему 10 В.

Начальные условия: напряжение 380 В на выходе контроллера 30 сети и измеренное напряжение 370 В на входе осветительного прибора 40 (из-за падения напряжения, составляющего 10 В, вдоль соединительного кабеля сети постоянного тока). Поскольку он не откалиброван, осветительный прибор 40 неправильно интерпретирует эти условия как уровень V'_40% регулирования яркости, составляющий 40%, так что в уровне регулирования яркости в некалиброванном состоянии (НЕКАЛИБР) наблюдается ошибка 60%. Теперь начинается калибровка путем наращивания напряжения (КАЛИБР_НАР) до напряжения V_калибр запуска калибровки, и во время этого наращивания все осветительные приборы выключены, после чего следует период поддержания калибровки (КАЛИБР_ПОД). Затем контроллер 30 сети проводит все этапы калибровки регулирования яркости - от КАЛИБР₁₀₀ до КАЛИБР_ВЫКЛ. Осветительный прибор 40 адаптируется к согласованию светоотдачи с каждым этапом на основании измеренного входного напряжения. Заключительным действием является возврат к нормальному режиму путем перехода к относительной мощности 100%.

Таким образом, в соответствии с третьим вариантом осуществления, вводится (автоматическая) процедура калибровки для компенсации падений напряжения в больших кабельных сетях.

Предложенная система управления в соответствии с вариантами осуществления с первого по третий совместима с устройствами, в которых яркость не регулируется, и не ограничивается возможной системой, рассчитанной на 380 В постоянного тока. Ее также можно применять в системах с питанием по сети Ethernet (PoE), соответствующих стандарту IEEE802.3, обеспечивая осветительные приборы без опции связи, соответствующей PoE, для того, чтобы иметь функциональные возможности регулирования яркости. Источник света или осветительный прибор может быть газоразрядной лампой высокой интенсивности (HID), ртутной газоразрядной лампой низкого давления, светодиодной лампой, либо матрицей LED и/или HID. Помимо этого ГРВИ может быть ртутной лампой, металлогалогенной (MH) лампой, керамической MH лампой, натриевой лампой, ксеноновой лампой с короткой дугой или лампой другого типа.

В более общем смысле, предлагаемое управление и включением/выключением, и регулированием яркости, и калибровку можно использовать в различных приложениях сетей постоянного тока (и даже переменного тока), где возможно многоуровневое управление напряжением сети. Оно уместно для приложения любого типа, где желательно поведение осветительных приборов, предусматривающее регулирование яркости. Таким образом, данное изобретение не ограничивается приложениями, связанными с освещением, согласно вариантам осуществления. Скорее, управляемое нагрузочное устройство может представлять собой и любую другую электрическую нагрузку, подобную вентилятору, датчику, электродвигателю, приводу с регулируемой скоростью, и т.д. Кроме того, данное изобретение не ограничивается управлением нагрузкой посредством уровня напряжения сети. Сигнализировать о командах управления также можно посредством тока сети, подаваемого контроллером 30 сети в сеть постоянного тока или переменного тока.

Помимо этого контроллер 30 сети согласно вариантам осуществления с первого по третий может содержать пользовательский интерфейс, позволяющий пользователю управлять подсоединенными нагрузочными устройства путем изменения напряжения сети постоянного тока. Пользовательский интерфейс можно воплотить как электрический блок задания входных сигналов, который соединен с контроллером 30 сети посредством проводного или беспроводного информационного соединения, позволяющего пользователю выдавать команды управления посредством выходного напряжения контроллера 30 сети. Электрический блок задания входных сигналов может быть внешним блоком, который находится на некотором расстоянии от здания, или может быть внутренним блоком, который находится внутри здания, охваченного сетью постоянного тока. В качестве другого варианта, электрический блок задания входных сигналов может быть соединен с контроллером 30 сети через Internet, так что подсоединенными нагрузочными устройствами можно управлять через Internet.

Изучив чертежи, описание и формулу изобретения, специалисты в области практической реализации заявляемого изобретения смогут понять и внести другие изменения в предложенные варианты осуществления. В частности по меньшей мере две из вышеописанных процедур управления и калибровки согласно вариантам осуществления с первого по третий можно объединить в один вариант осуществления.

Резюмируя вышеизложенное, отмечаем, что данное изобретение относится к системе управления нагрузками, в которой кабель электропитания сети постоянного тока или переменного тока используется для управления включением/выключением и регулирования яркости подсоединенных нагрузочных устройств без введения значительной структуры аппаратных средств. Управление достигается посредством изменения напряжения шины постоянного тока или переменного тока. Контроллер сети может осуществлять управление включением/выключением и регулирование яркости для всей группы подсоединенных нагрузочных устройств путем изменения этого напряжения шины. Подсоединенные нагрузочные устройства, которые «не понимают» эту особенность или «не хотят» ее использовать, не подвергнутся ее влиянию. Чтобы нивелировать эффекты падения напряжения, предложена процедура калибровки. Процедура калибровки сначала переводит подсоединенные нагрузочные устройства в режим калибровки, а потом инициирует некоторое количество заранее определенных команд уровня выходных сигналов, которые позволяют нагрузочным устройствам «построить» индивидуальную коррекцию нежелательного падения напряжения.

В формуле изобретения, слово «содержащий(-ая, -ее, -ие)» не исключает другие элементы или этапы, а признак единственного числа не исключает множество.

Одиночный блок или одиночное устройство может выполнять функции нескольких средств, указанных в формуле изобретения. Сам факт, что определенные меры приводятся во взаимно различных пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что нельзя с выгодой использовать совокупность этих мер.

Вышеупомянутые этапы обработки и/или управления для контроллера 30 сети и осветительного прибора 40 той архитектуры, которая показана на фиг. 1, можно воплотить как программные кодовые средства компьютерной программы и/или специализированные аппаратные средства. Соответствующую компьютерную программу можно хранить и/или распространять на подходящем носителе, таком как оптический носитель информации или твердотельный носитель, поставляемом вместе с другими аппаратными средствами или как их часть, но можно распространять и в других формах, например, через Internet или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.

Любые позиционные обозначения чертежей, приводимые в формуле изобретения, не следует считать ограничивающими объем притязаний.

Изобретение относится к управлению освещением. Техническим результатом является обеспечение системы управления нагрузками, в которой кабель электропитания постоянного тока или переменного тока используется для управления включением/выключением и регулирования яркости подсоединенных нагрузочных устройств без введения существенной структуры аппаратных средств. Результат достигается тем, что контроллер сети может осуществлять управление включением/выключением и регулирование яркости для всей группы подсоединенных нагрузочных устройств путем изменения напряжения шины. Подсоединенные нагрузочные устройства, которые «понимают» эту особенность или «хотят» ее использовать, не подвергнутся ее влиянию. Чтобы нивелировать эффекты падения напряжения, предложена процедура калибровки. Процедура калибровки сначала запускает подсоединенные нагрузочные устройства в режим калибровки, а потом инициирует некоторое количество заранее определенных команд уровня выходных сигналов, которые позволяют нагрузочным устройствам «построить» индивидуальную коррекцию нежелательного падения напряжения. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Аппарат для управления подачей питания через систему электрической сети по меньшей мере на одно нагрузочное устройство, причем упомянутый аппарат выполнен с возможностью измерения уровня сигнала подачи упомянутого питания на выходе контроллера сети и изменения упомянутого уровня сигнала в пределах первого заранее определенного диапазона между минимальным допустимым уровнем сигнала и максимальным допустимым уровнем сигнала упомянутой системы электрической сети за счет влияния на контур управления для управления упомянутым уровнем сигнала на основании принимаемой команды управления, чтобы сигнализировать об упомянутой команде управления упомянутому по меньшей мере одному нагрузочному устройству, при этом упомянутый аппарат выполнен с возможностью запуска режима калибровки путем изменения упомянутого уровня сигнала до значения во втором заранее определенном диапазоне, находящемся выше или ниже упомянутого первого заранее определенного диапазона.

2. Аппарат для управления выходом нагрузочного устройства, подсоединенного к системе электрической сети, причем упомянутый аппарат выполнен с возможностью измерения уровня сигнала подачи упомянутого питания на входе упомянутого нагрузочного устройства, преобразования упомянутого уровня сигнала в команду управления, если упомянутый уровень сигнала принадлежит первому заранее определенному диапазону между минимальным допустимым уровнем сигнала и максимальным допустимым уровнем сигнала упомянутой системы электрической сети, и изменения упомянутого выхода в соответствии с упомянутой командой управления, при этом упомянутый аппарат выполнен с возможностью установки упомянутого нагрузочного устройства в режим калибровки в ответ на уровень измеренного сигнала во втором заранее определенном диапазоне, находящемся выше или ниже упомянутого первого заранее определенного диапазона.

3. Аппарат по п.1, в котором упомянутая система электрической сети является системой электрической сети постоянного тока, DC, и в котором упомянутый уровень сигнала является уровнем напряжения.

4. Аппарат по п.1, в котором упомянутая команда управления является командой включения или выключения или управления выходом упомянутого нагрузочного устройства.

5. Аппарат по п.1, причем упомянутый аппарат выполнен с возможностью приема упомянутой команды управления из пользовательского интерфейса или датчика.

6. Аппарат по п.1, причем упомянутый аппарат выполнен с возможностью изменения упомянутого уровня сигнала так, чтобы быть ассоциированным с желаемым уровнем выхода упомянутого по меньшей мере одного нагрузочного устройства в соответствии с упомянутой командой управления.

7. Аппарат по п.1, причем упомянутый аппарат выполнен с возможностью генерирования заранее определенной последовательности разных уровней сигналов в пределах упомянутого первого заранее определенного диапазона в заранее определенном порядке во время упомянутого режима калибровки.

8. Аппарат по п.2, причем упомянутый аппарат выполнен с возможностью измерения заранее определенной последовательности разных уровней сигналов в пределах упомянутого первого заранее определенного диапазона во время упомянутого режима калибровки, сохранения упомянутых измеренных значений и использования упомянутых сохраненных значений для преобразования упомянутого уровня принимаемого сигнала в упомянутую команду управления после упомянутого режима калибровки.

9. Способ управления подачей питания через систему электрической сети по меньшей мере на одно нагрузочное устройство, причем способ содержит этапы, на которых измеряют уровень сигнала упомянутого питания на выходе устройства контроллера сети и изменяют упомянутый уровень сигнала в пределах первого заранее определенного диапазона между минимальным допустимым уровнем сигнала и максимальным допустимым уровнем сигнала упомянутой системы электрической сети за счет влияния на контур управления для управления упомянутым уровнем сигнала на основании принимаемой команды управления, чтобы сигнализировать об упомянутой команде управления упомянутому по меньшей мере одному нагрузочному устройству, причем упомянутый способ дополнительно содержит запуск режима калибровки путем изменения упомянутого уровня сигнала до значения во втором заранее определенном диапазоне, находящемся выше или ниже упомянутого первого заранее определенного диапазона, и генерирование заранее определенной последовательности разных уровней сигналов в пределах упомянутого первого заранее определенного диапазона в заранее определенном порядке во время упомянутого режима калибровки.

10. Компьютерно-читаемый носитель, содержащий кодовые средства для выполнения этапов способа по п.9 при запуске на вычислительном устройстве.