【技术分享】居家能源管理系统

日期:2019-04-29 作者:润欣科技创研社 返回列表

导语:居家能源管理是一门新型态的应用概念,居家能源管理系统是透过环境感测,将其数据分析归纳,进而决定设备之能源需求与否,并依据环境实际条件自动调整家电设备之运转模式,以降低设备之能源需求,提高用电效率和降低家庭电费支出。


居家能源管理监控系统,始于智能电表经由空气开关再至各个用电节点(智能插座、智能开关),连接至家电设备如冷气、冰箱、电视、马达、照明设备等,能源感测装置变成不可或缺的一环,扮演着最基础的地位,透过网关/网络相互链接,搜集家电设备之电力使用信息,利用移动装置(手机、平板)或具有能源管理系統(HEMS)主机,优先实现电力信息可视化之功能,进而达到用电安全管理与情境控制,纪录各种情境的用电情况,还可将电力信息经由数据分析,可做日后电力控管优化之参考基准。


润欣科技合作商针对设备端电力监控的应用提供了全方位电力方案,具有基本电力感测功能外,并将信息有效运用达到实时用电安全监控(过电流/过功率、过/欠压、漏电等功能)。除此之外,智能居家最为广泛应用之远程透传经由继电器启用或关闭家电/灯等功能,此方案已针对继电器在交流电使用情况下进行零点开关控制,大幅提高产品可靠度与寿命。


目前,此方案对应的72系列和74系列已广泛应用于智能插座/插排、灯控开关、交流电调灯器等领域的终端产品上,此外也应用于漏电保护装置(GFCI)相关产品里。


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72系列 基本方块图


应用实例一: 继电器零点开关保护之功能


继电器在交流电的应用中,若继电器接点的闭合或断开处于非零交越点时便会产生很大的冲击电流,这将导致接点出现电弧和熔蚀现象,继电器使用寿命会因接点碳化、高阻抗、高温等问题而缩短,甚至因其故障而导致连接设备损坏,进而产生出昂贵的维修损失。


继电器闭合或断开最好能在交流电的零交越点。从继电器动作原理,得知其线圈导通/断电与簧片机械动作都需要一段时间才能完成闭合或断开动作。方案芯片利用其电压与电流之侦测基础取得零交越点及功率因子相关信息,再加上继电器动作延迟时间,故能针对继电器进行预测过零点之时序控制, 达到继电器闭合在电压零点以及断开在电流零点位置。


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数字架构示意图                                模拟架构示意图


由继电器开关引起的打火和无打火现象,继电器若能有效控制在交流电零点进行闭合与断开,无疑是大幅提升产品的使用寿命与系统可靠度。


润欣科技合作商提供零点开关方案之亮点为继电器于电压零点闭合,于电流零点断开, 以下量测波形为使用润欣科技合作商提供之零点开关方案在不同型态负载下继电器开关结果。


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 继电器零点闭合波形

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阻性负载(PF=1) 断开


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感性负载(PF=0.5L) 断开


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容性负载(PF=0.5C) 断开


应用实例二: 交流电调灯控制开关带计量功能


随着物联网兴起与语音助理(智能音箱或是智能手机据语音助理功能)的流行,传统照明正逐渐迈入智能照明/智能控制化。藉由环境感知器应用于智慧化侦测,实现照明结合情境控制;随着全球白炽灯泡停产禁令,取而代之LED灯泡提供更省电、更经济的照明设备来改善人们的居住质量。


LED灯泡追求高发光效能时代已过去,目前市场普遍都已存在LED直流调灯灯泡相关,其优点是可以直接进行全彩或色温调控,容易营造情境气氛,但对于照明所需之交流调灯终端产品相对较少,如今部分品牌商开始针对照明需求,陆续推出智能照明开关与可控硅调光控制器,传统上很多欧美家庭普遍都在使用可控硅调光器对白炽灯进行调光,消费者希望用可调LED灯直接替代白炽灯泡,且不需要对现有基础设施进行变更,更不需要进行任何装修布线工程。


鉴于智能照明应用需求,润欣科技合作商提供高度集成系统芯片72xx可直接进行可控硅或MOSFET管控制并加入电力量测之方案,即可实现交流电调灯控制器方案。终端产品更可利用其电力量测之信息上传云端或APP进行过电流或过功率之保护,进而提升产品可靠度与用电可视化之功能。


对容性负载之LED灯泡而言,可控硅调光技术并非是唯一选择之调光技术,因此MOSFET管架构调光控制器之需求日以俱增,可控硅与MOSFET管进行调光之优缺点比较如下。


可控硅调光器优缺点


(1)价格低廉,输出功率较高。

(2)破坏功率因数,因其采用截波方式进行调光,深度调光时功率因数会变得很差。

(3)产生EMI干扰,当容性负载时,导通之时输出电流会有强烈突变。

(4)调光器与LED照明灯具不匹配时,容易造成光源频闪问题。

(5)因可控硅保持电流限制,调光深度不佳,且只能进行前沿关断。


MOSFET管调光器优/缺点:


(1)可前后沿关断,后沿关断好处在于导通过程中并不会出现强烈突变电流。

(2)无保持电流限制,调光深度极佳。

(3)成本高,输出功率较低。因其控制原理会使用MOSFET管内部body diode (受Vf影响) 。


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可控圭控制架构                             MOSFET管控制架构


传统居家照明开关电工布线都依据电工法规进行(如图八),为使其具备联网功能与开关控制或调灯控制芯片72XX能够实现一个双控开关加调灯控制方案(如图九),芯片72XX具有电压电流侦测能力,无须额外辅助电路就能同时能处理交流电零点,直接对可控硅或MOSFET管进行PWM控制,对交流电输出进行截波而达到照明亮度之调整,亦可同时对继电器进行开关控制来决定灯泡开启或关闭,最后加上一个带通讯功能模块(如WiFi/BLE/ZigBee etc),此控制器能同时实现灯控开关与照明亮度调控之功能,此方案最大优点能大幅简化设计与缩小PCB版尺寸。


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传统双控开关布线图


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带通讯功能智能开关或调灯器方块图

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