【技術分享】居家能源管理系統

日期:2019-04-29 作者:潤欣科技創研社 返回列表

導語:居家能源管理是一門新型態的應用概念,居家能源管理系統是透過環境感測,將其數據分析歸納,進而決定設備之能源需求與否,并依據環境實際條件自動調整家電設備之運轉模式,以降低設備之能源需求,提高用電效率和降低家庭電費支出。


居家能源管理監控系統,始于智能電表經由空氣開關再至各個用電節點(智能插座、智能開關),連接至家電設備如冷氣、冰箱、電視、馬達、照明設備等,能源感測裝置變成不可或缺的一環,扮演著最基礎的地位,透過網關/網絡相互鏈接,搜集家電設備之電力使用信息,利用移動裝置(手機、平板)或具有能源管理系統(HEMS)主機,優先實現電力信息可視化之功能,進而達到用電安全管理與情境控制,紀錄各種情境的用電情況,還可將電力信息經由數據分析,可做日后電力控管優化之參考基準。


潤欣科技合作商針對設備端電力監控的應用提供了全方位電力方案,具有基本電力感測功能外,并將信息有效運用達到實時用電安全監控(過電流/過功率、過/欠壓、漏電等功能)。除此之外,智能居家最為廣泛應用之遠程透傳經由繼電器啟用或關閉家電/燈等功能,此方案已針對繼電器在交流電使用情況下進行零點開關控制,大幅提高產品可靠度與壽命。


目前,此方案對應的72系列和74系列已廣泛應用于智能插座/插排、燈控開關、交流電調燈器等領域的終端產品上,此外也應用于漏電?;ぷ爸?GFCI)相關產品里。


1.png

72系列 基本方塊圖


應用實例一: 繼電器零點開關?;ぶδ?/strong>


繼電器在交流電的應用中,若繼電器接點的閉合或斷開處于非零交越點時便會產生很大的沖擊電流,這將導致接點出現電弧和熔蝕現象,繼電器使用壽命會因接點碳化、高阻抗、高溫等問題而縮短,甚至因其故障而導致連接設備損壞,進而產生出昂貴的維修損失。


繼電器閉合或斷開最好能在交流電的零交越點。從繼電器動作原理,得知其線圈導通/斷電與簧片機械動作都需要一段時間才能完成閉合或斷開動作。方案芯片利用其電壓與電流之偵測基礎取得零交越點及功率因子相關信息,再加上繼電器動作延遲時間,故能針對繼電器進行預測過零點之時序控制, 達到繼電器閉合在電壓零點以及斷開在電流零點位置。


2.png

數字架構示意圖                                模擬架構示意圖


由繼電器開關引起的打火和無打火現象,繼電器若能有效控制在交流電零點進行閉合與斷開,無疑是大幅提升產品的使用壽命與系統可靠度。


潤欣科技合作商提供零點開關方案之亮點為繼電器于電壓零點閉合,于電流零點斷開, 以下量測波形為使用潤欣科技合作商提供之零點開關方案在不同型態負載下繼電器開關結果。


1556500489170826.png

 繼電器零點閉合波形

 1556500522309063.png

阻性負載(PF=1) 斷開


1556500552325032.png

感性負載(PF=0.5L) 斷開


1556500569528811.png

容性負載(PF=0.5C) 斷開


應用實例二: 交流電調燈控制開關帶計量功能


隨著物聯網興起與語音助理(智能音箱或是智能手機據語音助理功能)的流行,傳統照明正逐漸邁入智能照明/智能控制化。藉由環境感知器應用于智慧化偵測,實現照明結合情境控制;隨著全球白熾燈泡停產禁令,取而代之LED燈泡提供更省電、更經濟的照明設備來改善人們的居住質量。


LED燈泡追求高發光效能時代已過去,目前市場普遍都已存在LED直流調燈燈泡相關,其優點是可以直接進行全彩或色溫調控,容易營造情境氣氛,但對于照明所需之交流調燈終端產品相對較少,如今部分品牌商開始針對照明需求,陸續推出智能照明開關與可控硅調光控制器,傳統上很多歐美家庭普遍都在使用可控硅調光器對白熾燈進行調光,消費者希望用可調LED燈直接替代白熾燈泡,且不需要對現有基礎設施進行變更,更不需要進行任何裝修布線工程。


鑒于智能照明應用需求,潤欣科技合作商提供高度集成系統芯片72xx可直接進行可控硅或MOSFET管控制并加入電力量測之方案,即可實現交流電調燈控制器方案。終端產品更可利用其電力量測之信息上傳云端或APP進行過電流或過功率之?;?,進而提升產品可靠度與用電可視化之功能。


對容性負載之LED燈泡而言,可控硅調光技術并非是唯一選擇之調光技術,因此MOSFET管架構調光控制器之需求日以俱增,可控硅與MOSFET管進行調光之優缺點比較如下。


可控硅調光器優缺點


(1)價格低廉,輸出功率較高。

(2)破壞功率因數,因其采用截波方式進行調光,深度調光時功率因數會變得很差。

(3)產生EMI干擾,當容性負載時,導通之時輸出電流會有強烈突變。

(4)調光器與LED照明燈具不匹配時,容易造成光源頻閃問題。

(5)因可控硅保持電流限制,調光深度不佳,且只能進行前沿關斷。


MOSFET管調光器優/缺點:


(1)可前后沿關斷,后沿關斷好處在于導通過程中并不會出現強烈突變電流。

(2)無保持電流限制,調光深度極佳。

(3)成本高,輸出功率較低。因其控制原理會使用MOSFET管內部body diode (受Vf影響) 。


1556500621733459.png

可控圭控制架構                             MOSFET管控制架構


傳統居家照明開關電工布線都依據電工法規進行(如圖八),為使其具備聯網功能與開關控制或調燈控制芯片72XX能夠實現一個雙控開關加調燈控制方案(如圖九),芯片72XX具有電壓電流偵測能力,無須額外輔助電路就能同時能處理交流電零點,直接對可控硅或MOSFET管進行PWM控制,對交流電輸出進行截波而達到照明亮度之調整,亦可同時對繼電器進行開關控制來決定燈泡開啟或關閉,最后加上一個帶通訊功能???如WiFi/BLE/ZigBee etc),此控制器能同時實現燈控開關與照明亮度調控之功能,此方案最大優點能大幅簡化設計與縮小PCB版尺寸。


8.png

傳統雙控開關布線圖


9.png

帶通訊功能智能開關或調燈器方塊圖

返回列表