(57)【要約】【解決手段】  電力使用を管理するために提供させるシステムと方法である。所定の期間中、例えば、停電状態の間などにおいて、デジタル信号プロセッサ(ＤＳＰ)は、ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置を制御して、割り当てられた量の電力を提供する。消費された量の電力が割り当てられた量を超える場合、ＤＳＰは電力をオフにする。或いは、システムは、消費される電力を減少するために信号を提供する。所定の期間の後で、十分な負荷が減少されない場合、電力はオフにされる。更に代替的又は追加的に、ＤＳＰは、所定の電気アウトプットへの電力をオフにする一方で、他の電力アウトプットへ電力を提供して、所定量に電力使用を減少してよい。他の時間の間、ＤＳＰは、ＡＣ入力線電圧よりも小さい所定電圧を提供するように、ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置を制御する。電圧が所定電圧以下に落ちる場合、例えば、低電圧状態などにおいて、マイクロプロセッサは、トランスシステムの一次巻線側の電気スイッチを制御して、ブースト出力電圧を提供する。【選択図】図１９Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力使用を管理する方法であって、
第１の所定期間中、デジタル信号プロセッサを有するＩＧＢＴ/ＦＥＴベースの装置のホット出力ライン介して、割当てた電力の量を提供する工程と、
前記第１所定期間中、前記デジタル信号プロセッサを用いて、前記ホット出力ラインを介して消費された電力を監視する工程と、
を含んでおり、
前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置は、
少なくとも１つのアナログ信号を有する所定量の入力エネルギーを前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置に入力するように構成された少なくとも１つの相入力接続部と、
前記少なくとも１つの位相入力接続部に接続されており、前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置内の前記所定量の入力エネルギーを検出するように構成された少なくとも１つの磁束コンセントレータと、
前記少なくとも１つの相入力接続部に電気的に接続されており、前記少なくとも１つのアナログ信号の少なくとも１つのゼロボルトクロスポイントを検出するように構成された少なくとも１つの電圧ゼロクロスポイント検出器と、
前記少なくとも１つの相入力接続部に電気的に接続されており、前記少なくとも１つのアナログ信号の少なくとも１つの正の半サイクルと前記少なくとも１つのアナログ信号の少なくとも１つの負の半サイクルとを特定するために構成された少なくとも１つの半サイクル特定器と、
前記少なくとも１つの電圧ゼロクロスポイント検出器と、前記少なくとも１つの半サイクル特定器とに電気的に接続されており、前記少なくとも１つのアナログ信号の前記少なくとも１つの正の半サイクルと、前記少なくとも１つのアナログ信号の前記少なくとも１つの負の半サイクルとを前記デジタル信号プロセッサにルーティングするように構成された少なくとも１つの論理デバイスと、
前記少なくとも１つの論理デバイスに電気的に接続されており、前記少なくとも１つのアナログ信号を処理するように構成された前記デジタル信号プロセッサと、
少なくとも１つのドライブコントローラを有しており、前記少なくとも１つのデジタル信号プロセッサに電気的に接続されており、前記少なくとも１つのアナログデジタル信号にパルス幅変調をして、量が減少したエネルギーを生じることによって、前記所定量の入力電力を減少するように構成された電圧減少手段と、
前記少なくとも１つの電圧減少手段と電気的に接続されており、前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置の外へ前記減少したエネルギー量を出力するように構成された少なくとも１つの相出力接続部と、
を備える方法。
【請求項２】
前記第１の所定期間中、監視された電力が前記割当てられた量の電力を超える場合、前記ホット出力ラインの電力をオフに切り換える工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の所定期間は、予期された停電状態である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の所定期間中、前記監視された電力が前記割当てられた量の電力を超える場合、前記デジタル信号プロセッサに第１信号を送る工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１信号は、可聴な音声である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１信号の後に、前記監視された電力が、所定の時間にて前記割当てられた量の電力を超える場合、前記第１信号の後、前記所定の時間にて、前記ホット出力ラインにおける電力をオフに切り替える工程、を更に含む請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記スイッチをオフに切り替える工程は、前記監視する工程の間に生じる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記スイッチをオフに切り替える工程の後、前記ホット出力ラインにて前記割当てられた量の電力をオンに切り替える、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記オンに切り替える工程は、コマンドに応答して起こる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記コマンドは、コマンドスイッチの状態で変化する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
第２所定期間中、前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置がＡＣ入力線電圧を受け取る工程と、
前記第２所定期間中、前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置から、前記ＡＣ入力線電圧よりも小さいホット出力線の所定電圧を提供する工程と、
前記第２所定期間中、前記ＡＣ入力線電圧を測定する工程と、
を更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
ホット入力線とホット出力線の間の二次巻線と、第１端で前記ホット入力線と、第２端で電気スイッチとに電気的に接続する一次巻線とを備えたトランスを提供する工程と、
前記ホット入力線の前記ＡＣ入力線電圧を受け取る工程と、
前記第２所定期間中、前記ＡＣ入力線電圧が前記所定電圧よりも大きい場合、前記一次巻線の第２端を前記ホット入力線に電気的に接続する第１状態になるように、マイクロプロセッサを用いて、前記電気スイッチを制御する工程と、
を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記電気スイッチが前記第１状態の場合、前記トランスの一次巻線を短絡して、前記二次巻線の電流の無効成分を除去する工程を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２所定期間中、前記ＡＣ入力線電圧が前記所定電圧よりも小さい場合、前記第２端をニュートラルに電気接続する第２状態に、前記マイクロプロセッサを備えた前記電気スイッチを制御する工程と、
前記トランスの二次電圧を前記ＡＣ入力線電圧に加えることによって、前記第２所定期間中、前記電気スイッチを用いて、前記トランスを介して前記トランスのホット出力ラインの電圧を前記所定電圧に増加する工程と、
を更に備える請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１状態と前記第２状態の間の切替えの制御中、前記トランスのホット出力ラインの電圧の中断はない、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記スイッチは、ＩＧＢＴデバイスと電気的に接続するダイオードブリッジ回路を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
電力使用の管理のシステムであって、
送電線網と、
トランスと、
マイクロプロセッサと、
電源と、
電気スイッチと、
ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置と、
を備えており、
前記送電線網は、前記トランスのホット入力線と電気的に接続し、
前記トランスは、前記ホット入力線とホット出力線の間に二次巻線を有し、
前記トランスは、第１端で前記ホット入力線と、第２端で前記電気スイッチとに電気的に接続する一次巻線を有し、
前記電気スイッチは、前記一次巻線を短絡する第１状態と、一次入力電圧にトランス第２電圧を加える第２状態を有し、
前記マイクロプロセッサは、前記ホット入力線と前記電気スイッチとに電気的に接続されており、
前記電源は、前記電気スイッチと電気的に接続されており、前記電気スイッチに電力を提供するように構成されており、
前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置は、
前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置に電気的に接続されており、前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置に電力供給するための少なくとも１つの電力供給部と、
前記送電網から前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置に、少なくとも１つのアナログ信号を有する所定量の入力エネルギーを入力するように構成された少なくとも１つの相入力接続部と、
前記少なくとも１つの相入力接続部に接続され、前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置に入る前記所定量の入力電力を検出するように構成された少なくとも１つの電流トランスと、
前記少なくとも１つの電流トランスに存在する前記エネルギーの前記少なくとも１つのアナログ信号を調節するように構成された少なくとも１つのアナログ信号調節装置と、
前記少なくとも１つの相入力接続部と電気的に接続されており、前記少なくとも１つのアナログ信号の前記少なくとも１つのゼロボルトクロスポイントを決定するように構成された少なくとも１つの電圧ゼロクロスポイント検出器と、
前記少なくとも１つの相入力接続部と電気的に接続されており、前記少なくとも１つのアナログ信号の少なくとも１つの正の半サイクルと、前記少なくとも１つのアナログ信号の少なくとも１つの負の半サイクルとを特定するように構成された少なくとも１つの半サイクル特定器と、
前記少なくとも１つの電圧ゼロクロスポイント検出器と前記少なくとも１つの半サイクル特定器とに電気的に接続されており、前記少なくとも１つのアナログ信号の前記少なくとも１つの正の半サイクルと、前記少なくとも１つのアナログ信号の前記少なくとも１つの負の半サイクルとを、前記少なくとも１つのアナログ信号を処理するように構成された前記少なくとも１つのデジタル信号プロセッサにルーティングするように構成された少なくとも１つの論理デバイスと、
前記少なくとも１つの論理デバイスと電気的に接続されており、前記少なくとも１つのアナログ信号を処理するように構成された少なくとも１つのデジタル信号プロセッサと、
少なくとも１つの駆動制御を有する少なくとも１つの電圧減少手段であって、前記少なくとも１つのデジタル信号プロセッサと電気的に接続されており、前記少なくとも１つのアナログ信号にパルス幅調整をすることによって、前記所定量の入力エネルギーを減少して、量が減少した電力を生成するように構成された電圧減少手段と、
前記少なくとも１つの電圧減少手段と電気的に接続されており、前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置の外に、前記減少した量の電力を出力するように構成されている少なくとも１つの相出力接続部と、
前記電気信号プロセッサと電気的に接続されており、信号を提供するように構成された信号モジュールと、
を備えるシステム。
【請求項１８】
電力使用を管理する方法であって、
第１所定期間中、ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置でＡＣ入力線電圧を受け取る工程と、
前記第１所定期間中、前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置から、前記ＡＣ入力線電圧よりも小さいホット出力線の所定の電圧を提供する工程と、
前記第１所定期間中、前記ＡＣ入力線電圧を測定する工程と、
前記第１所定期間中、前記ＡＣ入力線電圧が前記所定電圧よりも大きい場合、トランスの一次巻線側のスイッチを、マイクロプロセッサで第１状態に制御する工程と、
前記スイッチが、前記第１状態にある場合、前記一次巻線側を短絡することによって、前記トランスの二次巻線の電流の無効成分を取り除く工程と、
前記第１所定期間中、前記ＡＣ入力線電圧が前記所定の電圧よりも小さい場合、前記マイクロプロセッサを用いて、前記スイッチを第２状態に制御する工程と、
前記第１所定期間中、前記第２状態の前記スイッチを用いて、前記トランスの二次巻線側からの電圧出力を、前記所定電圧に増加する工程と、
を含んでおり、
前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置は、
前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置に所定量の入力電力を入力するための手段と、
前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置の前記所定量の入力電力を検出する手段と、
前記エネルギーの少なくとも１つのアナログ信号を設定する手段と、
前記少なくとも１つの設定されたアナログ信号の少なくとも１つのゼロボルトクロスポイントを決定する手段と、
前記少なくとも１つの設定されたアナログ信号の少なくとも１つの正の半サイクルと少なくとも１つの負の半サイクルとを特定する手段と、
前記少なくとも１つのアナログ信号の前記少なくとも１つの正の半サイクルと、前記少なくとも１つのアナログ信号の前記少なくとも１つの負の半サイクルとを、前記少なくとも１つのデジタル信号プロセッサにルーティングする手段と、
前記少なくとも１つの設定されたアナログ信号を処理する手段と、
前記所定量のエネルギーの前記少なくとも１つの設定されたアナログ信号を減少して、減少した量のエネルギーを生じさせる手段と、
前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置の外に、前記減少したエネルギーを出力する手段と、
を含む方法。
【請求項１９】
前記ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置のホット出力線を介して、第２所定期間中、割当てられた量の電力を提供する工程と、
前記第２所定期間中、前記ホット出力線を介して消費された電力を監視する工程と、
前記第２所定期間中、前記監視された電力が、前記割当てられた量の電力を超える場合、前記ホット出力線への電力をオフに切り替える工程と、
を更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２所定期間は、予期された停電状態の期間であり、前記スイッチの第２状態は、電圧低下状態のために構成されている、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１．技術分野
【０００２】
本発明は、電力使用の管理に関する。
【０００３】
２．関連技術の記述
【０００４】
産業革命以来、世界のエネルギーの消費量は、一定の割合で増加している。生産される電力及び消費される電力の大部分は、化石燃料の燃焼によるものであり、それは急速に減少している再生不可能な天然資源である。地球の天然資源の減少が続くにつれて、発電とエネルギーの節約は、内外国政府にとってますます重要な問題となっている。加えて、産業界や消費者もまたそのような資源の急速なコスト高に関心を示している。
【０００５】
発電とエネルギー節約について世界的に関心が示されているだけではなく、特に新興経済国において、配電への関心がある。発電及びエネルギー節約は非常に重要であるが、既存のインフラは、適切な電力の分配には一般的に不十分であることから、配電の問題についても非常に関心が高い。さらに、それは、容易に改善される状況ではない。
【０００６】
住居や産業的用途に用いる電気は、通常、発電所で生成されており、電力系統内の送電線を介して配電系統に送られて、消費者へ届けられる。世界の大部分において、電力供給は、需要に追いついておらず、しばしば電圧低下(brownouts)をもたらしており、時には停電を引き起こすことがある。電圧低下は、電力供給における電圧低下であり、電圧が下がると、しばしば、照明がうす暗くなる。低下電圧は、機器又は装置の動作を止めるのに十分な状態まで下がることがある。これらの機器又は装置は、低電圧状態の結果として、持続的なダメージを受けることがある。
【０００７】
供給量を超える極度の電力需要が発生すると、停電が起こり得る。供給電圧が全く持続できないか又は危険なほど低いレベルに減少すると、停電が生じる。そして、それは、電動機を機能停止にして、オーバーヒートさせる。大量需要の履歴から、停電の時間は概ね、電気会社には知られている。
【０００８】
電圧低下は、(１）不十分な発電(２）不十分な送電容量、及び／又は(３）不十分な配電容量によって生じ得る。不十分な発電及び不十分な送電は、不十分な配電容量よりも改善が容易である。発電の需要及び送電容量の何れも、計算が可能であり、財政予算内で比較的容易に果たし得る。
【０００９】
消費者に十分な電力を供給することに対する主な障害は、配電容量が不十分なことである。配電容量のニーズは、容易に計画を立てられないか、又は経済的に実現できない。さらに、世界の人口が増加して、世界経済における産業的な参加が増加するにつれて、配電のインフラは、それにかかる更なる負荷によって、ますます酷使されるか、又は過負荷を負わされる。配電の問題は、しばしば、配電のインフラを形成するケーブル内の銅損(copper  loss)に原因がある。
【００１０】
現在、政府機関及び電力会社は、送電網上の適切な場所で、ＡＣ電圧を上昇させるか、又は電制を加えることで、電圧低下の発生を改善することを試みている。この方法では、通常、家庭及び／又はビジネスでの消費者が使用可能な電圧に広範囲の格差が生じることになる。電圧増加は、１０から１５パーセント(１０％〜１５％)までの範囲となることがあり、電力は、電圧の２乗／負荷により計算されるので、政府機関と電力会社の「改善」の結果によって、消費者へ最高２５％の負担増をもたらす。つまり、政府機関と電力会社は、エネルギーを節約するというよりはむしろ、エネルギーを消費しているのである。
【００１１】
さらに、ビジネス及び家庭において使用される多くの機器および装置は、より正確には、通常の電圧のマイナス１０パーセント(１０％)で作動可能ではあるが、大部分のエネルギー節約装置はこの様な特性を利用していない。このように、エネルギー節約のための更なる可能性は、ほとんど無視されている。
【００１２】
トランス(transformer)は、誘導結合された導体を介して、１つの回路から他の回路へ電気エネルギーを送る。一次又は一次巻線(winding)の可変電流は、トランスのコアに可変磁束を生じ、二次巻線を介して可変磁場を生じる。負荷が、二次巻線に接続している場合、電流は、二次巻線内を流れ、電気エネルギーは、トランスを介して、主回路から負荷へと伝わる。トランスの比は、一次巻線の巻数に対する二次巻線の巻数である。
【００１３】
配電の問題に対して、しばしば用いられる解決策は、高感度機器を作動し続けることができるように、入力電圧をブースト(boost)することである。１つの解決策として、電圧を公称電圧に連続的に調節するモータ駆動バリアック(Variac)タイプトランスが用いられてきた。しかしながら、この解決策は、障害を生じる傾向がある機械的な実施を必要としている。第２の解決策は、電圧を公称電圧に連続的に合わせる固体電子素子ブースタを使用することであった。しかしながら、この解決策は、高価であり、非効率的である。第３の解決策は、リレースイッチトランス(relay  switched  transformers)を使用することである。この解決策に関する問題は，機械的な接点が高電流で切り替えられるために、障害を起こす傾向がある。最後に、手動でトランスを切り替えることが試みられている。この解決策は好ましいものではない。というのも、人が存在する必要があり、トランスが、不注意に、ブーストポジションのままにされることがある。これまでの上記の各解決策には、安全性、効率、費用、複雑さ及び／又は信頼性の問題が存在していた。トランス及び切替えを用いた過去の解決策は、トランスの二次巻線側の切替えを実施していたが、この場合、不都合な高電流が存在する。これらのような従来の解決策においては、切替期間に、不都合な電流の遮断も存在している。
【００１４】
米国特許公開第２００９／００５１３４４号は、ＴＲＩＡＣ／ＳＣＲベースのエネルギー節約装置、システム及び方法を提案しており、公称線電圧及び／又は公称機器電圧以下の予め定められた量の電圧が節約される。米国特許公開第２００９／０２００９８１号は、ＡＣ電力用途において一定の負荷を提供するシステムと方法を提案しており、変調正弦波の少なくとも一つの半サイクルの少なくとも一つのターンオン位置が決定され、変調正弦波の少なくとも一つの半サイクルの少なくとも一つのターンオフ位置が決定され、少なくとも一つのターンオン位置と少なくとも一つのターンオフ位置との間に位置する少なくとも１つのスライス(slice)が取り除かれる。米国特許公開第２０１０／００３３１５５号は、分離され、絶縁した電力を、各ＩＧＢＴ／ＦＥＴドライバに供給するＩＧＢＴ／ＦＥＴドライバ用電源を提案している。
【００１５】
米国特許番号第６，４８９，７４２号は、デジタル信号プロセッサを用いた誘導モータへの電力伝搬を含むモータコントローラを提案しており、デジタル信号プロセッサは、制御要素を介して、電源と一次電圧から、既存のモータ負荷への電流の供給の計算と最適化を行う。米国特許公開第２０１０／０１１７５８８号は、負荷毎に、ＡＣ誘導モータのエネルギーをできるだけ節約するモータコントローラを提案しており、モータは、２又はそれを超える負荷ポイントで計算されて、制御ラインが確立される。制御ラインは、次にモータコントローラの不揮発性メモリ内にプログラムされる。米国特許公開第２０１０／０３２０９５６は、開ループモードにおいて、モータがエネルギーを発生するときに、くみ揚げポンプ(pump  jack)用電気モータへの供給電圧を減少する閉ループモータコントローラを提案している。
【００１６】
上記した米国特許第６，４８９，７４２号、米国特許公開第２００９／００５１３４４号、２００９／０２００９８１号、２０１０/００３３１５５号、２０１０／０１１７５８８号、及び２０１０／０３２０９５６号は、引用を以って、それらの全てが本願明細書に組み込まれる。
【００１７】
電圧低下、停電及び費用を削減するエネルギー使用管理システム及び方法に対するニーズが存在する。
【発明の概要】
【００１８】
第１の所定期間中、例えば、停電が予想されない場合、デジタル信号プロセッサ(ＤＳＰ)は、ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置を制御して、ＡＣ入力線電圧又は一次入力電圧よりも少ない予め定められた電圧を供給する。相入力接続部は、装置及びシステムに、アナログ信号を入力するために設けられる。磁束コンセントレータ又は電流トランスは、入力アナログ信号を検出し、ボルトゼロクロスポイント検出器は、信号のゼロボルトクロスポイントを決定する。信号の正の半サイクル及び負の半サイクルが特定されて、信号を処理するためにＤＳＰに送られる。パルス幅変調を用いたドライバ制御で信号が減少され、そして減少したエネルギー量が出力され、それによって、エンドユーザ用のエネルギー節約がなされる。
【００１９】
マイクロプロセッサは、ＡＣ入力線電圧を測定して、それを予め定められた電圧と比較する。ＡＣ入力線電圧が予め定められた電圧より高い場合、マイクロプロセッサは、トランス一次巻線側のスイッチを制御して、一次巻線を短絡する。測定された電圧が予め定められた電圧よりも小さくて、電圧増加が必要な場合、例えば、電圧低下状態の場合には、マイクロプロセッサはスイッチを制御して、一次巻線の一端をニュートラルに接続して、トランスから短絡回路を除いて、第２電圧をＡＣ入力線電圧に加えることを可能にし、トランスの二次巻線のホット出力線を介して、ブースト出力電圧を所定の電圧に提供する。二次巻線は、切替えられない。
【００２０】
第２の所定期間において、例えば、停電状態が予想される場合、ＤＳＰは、ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置を制御して、割り当てられた量の電力を供給する。ＤＳＰ及び／又はマイクロプロセッサは、電力消費を監視する。電力消費は、表示されてよい。電力消費が、割り当てられた電力量を超えるときに、ＤＳＰは、電源をオフにしてよい。
【００２１】
或いは、消費された電力が割り当てられた電力を上回る場合、信号が送られて、電力の使用を減少する必要性を警告してよい。信号は、可聴な、可視な、又は他の手段でもよい。電力消費者は、負荷を減らして、割当て電力要求を満たしてよい。実施例において、ワイヤレスで制御された電気アウトレットは、信号に応答して、負荷を選択的に減らすために用いられてよい。所定の時間後に、負荷が十分に減らされなかった場合、ＤＳＰは、電力をオフにしてよい。消費者は、次に幾らかの負荷を減らして、コマンドを開始して、電力をオンにできる。コマンドは、スイッチの状態を切り替えることにより開始され、切替えは、手動及び／又はワイヤレスを含む。電力が回復したあとで、負荷がまだ十分に減らされなかった場合、ＤＳＰは、再び電力をオフにしてよい。或いは、ＤＳＰは、別の信号を提供して、負荷が減らされなければならないという警報を再び出してもよい。所定の期間後に、消費される電力が十分に減らされない場合、ＤＳＰは、第２の所定期間中、電力をオフにしてもよい。
【００２２】
また或いは、消費される電力が割当電力を上回る場合、ＤＳＰは予め定められた電気アウトレットへの電力をオフする一方で、電力を他の電気アウトレットに提供して、全体の電力使用を割当て電力量に引き下げてよい。予め定められた消費者の選択が行われてよい。システムは、自動的に終了するワイヤレスに制御された電気アウトレットを使用して、所定の電力量を満たしてよい。システムは、ワイヤレスに監視され、作動され、調整されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
以下の詳細な説明においては、添付の図面を参照されたい。
【００２４】
【図１】図１は、三相電気システムで用いられる、ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置及びシステムのブロック図である。
【００２５】
【図２】図２は、検出手段の斜視図である
【００２６】
【図３】図３は、検出手段の回路図である。
【００２７】
【図４】図４は、信号調節手段の回路図である。
【００２８】
【図５】図５は、電圧ゼロクロスポイント決定手段のオシログラムである。
【００２９】
【図６】図６は、電圧ゼロクロスポイント決定手段の回路図である。
【００３０】
【図７】図７は、損失検出手段と、相回転決定・回転手段の回路図である。
【００３１】
【図８】図８は、半サイクル識別手段の回路図である。
【００３２】
【図９】図９は、半サイクル識別手段のオシログラムである。
【００３３】
【図１０】図１０は、半サイクル識別手段のオシログラムである。
【００３４】
【図１１Ａ】図１１Ａは、ルーティング手段の回路図である。
【００３５】
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａの回路図の続きである。
【００３６】
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ａ及び１１Ｂのポートプログラマの回路図である。
【００３７】
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、図１１Ａ及び１１Ｂのレジスタサポートの回路図である。
【００３８】
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、図１１Ａ及び１１Ｂのコネクタの回路図である。
【００３９】
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の電圧低減手段のオシログラムである。
【００４０】
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、ＩＧＢＴベースの電圧低減手段のオシログラムである。
【００４１】
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、ＩＧＢＴベースの電圧低減手段の回路図である。
【００４２】
【図１２Ｄ】図１２Ｄは、図１２ＣのＩＧＢＴベースの電圧低減手段の駆動回路の回路図である。
【００４３】
【図１２Ｅ】図１２Ｅは、ＦＥＴベースの電圧低減手段のオシログラムである。
【００４４】
【図１２Ｆ】図１２Ｆは、ＦＥＴベースの電圧低減手段の回路図である。
【００４５】
【図１２Ｇ】図１２Ｇは、図１２ＦのＦＥＴベースの電圧低減手段の駆動回路の回路図である。
【００４６】
【図１３】図１３は、リセット手段及びインジケータ手段を組み合わせた回路図である。
【００４７】
【図１４】図１４Ａは、電力手段の電力供給ユニットの回路図である。
【００４８】
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４Ａの回路図の続きである。
【００４９】
【図１５Ａ】図１５Ａは、通信手段の回路図である
【００５０】
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、図１５Ａの通信手段のＵＳＢインターフェイスの回路図である。
【００５１】
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、図１５Ａの通信手段のアイソレータブロックの回路図である。
【００５２】
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、デジタル信号プロセッサへ接続する図１５Ａの通信手段の第１コネクタの回路図である。
【００５３】
【図１５Ｅ】図１５Ｅは、図１５Ａの通信手段の第２コネクタの回路図である。
【００５４】
【図１６】図１６は、ウィンドウインターフェイスのスクリーンショットである。
【００５５】
【図１７】図１７は、ウィンドウインターフェイスのスクリーンショットである。
【００５６】
【図１８Ａ】図１８Ａは、トランスと２つのソリッド状態の中継器を備えた電子スイッチとを示している電圧ブースタ装置の第１実施例の部分回路図である。
【００５７】
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、ＤＣ電源を示している電圧ブースタ装置の第１実施例の部分回路図である。
【００５８】
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、マイクロプロセッサを示している電圧ブースタ装置の第１実施例の部分回路図である。
【００５９】
【図１９】図１９は、電圧ブースタ装置の第２実施例の部分回路図であって、例示の１２０Ｖトランス用の巻線配置を示している。
【００６０】
【図１９Ａ】図１９Ａは、電圧ブースタ装置の第２実施例の部分回路図であって、例示の２３０Ｖトランス用の巻線配置を示している。
【００６１】
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、ＤＣ電源および関連回路を示している電圧ブースタ装置の第２実施例の部分回路図である。
【００６２】
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、電圧ブースタ装置の第２実施例の部分回路図であって、マイクロプロセッサと、夫々がＩＧＢＴ装置に接続されている２つのダイオードブリッジ回路を示している。
【００６３】
【図２０】図２０は、図１に示されるＤＳＰに接続されたシグナルモジュールのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
図１を参照すると、三相電気システムに使用されるエネルギー節約装置及びシステム(1)のブロック図が示されている。エネルギー節約装置及びシステム(1)は、入力されたエネルギー量を低減するための種々の部品及び手段を含んでおり、低減されたエネルギーが電気で駆動される装置の性能に及ぼす影響は、実質的にゼロ又は最小限である。
【００６５】
所定値の入力エネルギー(19)は、少なくとも１つのアナログ信号(20)を含んでおり、望ましくは少なくとも１つの相入力接続部(2)である入力手段を介して、装置及びシステム(1)に入力される。ニュートラル(18)ラインも装置及びシステム(1)に配備されている。図１に示すように、システム及び装置(1)は、Ａ−Ｂ−Ｃ相とニュートラルとを有する三相電子システムに利用され、ニュートラルは、基準点として、及び、遅れ力率負荷で電流が遮断されたときに生成される、クランプされた逆ＥＭＦ(clamped  back-EMF)のシンクとして用いられる。しかしながら、エネルギー節約システム(1)は、単相及び／又は二相にも同様に用いることができ、構造上の違いは、相入力接続部(2)の量だけである(例えば、単相システムでは、１つの相入力接続部(2)のみをニュートラル接続部に加えて利用し(Ａ)、二相システムでは、２つの相入力接続部(2)をニュートラル接続部に加えて利用すればよい(Ａ及びＢ))。
【００６６】
少なくとも１つの相入力接続部(2)は、少なくとも１つの検出手段に接続されており、検出手段は、望ましくは、所定量の入力エネルギー(19)を検出する少なくとも１つの磁束コンセントレータ(concentrator)(3)である。全ての実施例について、少なくとも１つの電流トランスが、少なくとも１つの磁束コンセントレータ(3)の代わりに用いられることも考えられる。磁束コンセントレータ(3)は、入力エネルギー(19)の電流とガルバニック絶縁されており、望ましくは少なくとも１つの論理デバイス(9)であるルーティング手段へ、あらゆる過電流状態を知らせる。過電流状態があれば、過電流状態は、論理デバイス(9)と、望ましくはデジタル信号プロセッサ(10)であるプロセッシング手段とに、同時に知らされて、デジタル信号プロセッサ(10)は、装置及びシステム(1)を直ちにシャットダウンする。この電気ブレーカ動作は、装置及びシステム(1)自体だけでなく、短絡や過負荷が生じた場合に、装置及びシステム(1)と共に用いられる端末設備を保護するためのものである。故に、論理デバイス(9)とデジタル信号プロセッサ(10)の反応時間が望ましくは５μ秒であるので、ソフトウェア／ファームウェアの欠陥、及び／又は、電力ラインの欠陥或いはサージ(surge)が発生した場合、論理デバイス(9)は、電力制御デバイスをリアルタイムで保護できる。論理デバイス(9)は、ＩＧＢＴ／ＦＥＴ半サイクル制御トランジスタ(54)(58)に印加される駆動信号と、ＩＧＢＴ／ＦＥＴシャント制御トランジスタ(59)(60)(67)(68)に印加される信号とを調停する(arbitrate)。このため、ＩＧＢＴ/ＦＥＴ半サイクル制御トランジスタ(54)(58)と、ＩＧＢＴ/ＦＥＴシャント制御トランジスタ(59)(60)(67)(68)が、オン状態で同時に駆動されて、電力制御及び／又はシャント要素の故障を招くことが防止される。デジタル信号プロセッサ(10)は、望ましくは、少なくとも１つのＡ／Ｄ変換器(11)を含む。
【００６７】
相入力接続部(2)からデジタル信号プロセッサ(10)に相電流のアナログ値を知らせる前に、磁束コンセントレータ(3)又は電流トランスは、まず、入力エネルギー(19)を、少なくとも１つの信号調節手段を通して送信する。信号調節手段は、望ましくは少なくとも１つのアナログ信号調節デバイス(4)である。信号が調節された後、下記の方法により、調節された信号は、望ましくは少なくとも１つの電圧ゼロクロスポイント検出器(5)である電圧ゼロクロスポイント決定手段に送られる。電圧ゼロクロスポイント決定手段は、一般的にゼロクロスポイントと称される、ニュートラル(18)に対してＡＣ電圧がゼロボルトを通るポイントを検出する。
【００６８】
ゼロクロスポイントが検出された後、三相電気システムが用いられる場合、調節された信号は、望ましくは少なくとも１つの損失フェーズで検出デバイス(6)である少なくとも１つの損失検出手段と、望ましくは少なくとも１つの相回転デバイス(7)である少なくとも１つの相回転決定・回転手段とに入力されて、好ましくは少なくとも１つの半サイクル識別部(8)である少なくとも１つの半サイクル識別手段に、そして、論理デバイス(9)及びデジタル信号プロセッサ(10)に入力するのに適した信号が準備される。半サイクル識別部(8)の詳細については後述する。
【００６９】
電力制御は、所定量のエネルギーを低減するためにデジタル信号プロセッサ(10)と電気的に接続された少なくとも１つの電圧低減手段を介して実行される。電圧低減手段は、望ましくは少なくとも１つのＩＢＧＴ／ＦＥＴ駆動制御部(15)を含む。なお、処理された信号が電圧低減手段へ入力される前に、その信号が、少なくとも１つのアナログ信号調節デバイス(4)を通して再調節されて、スプリアス信号や過渡信号を取り除いて信号をクリーンにしてもよい。電圧低減手段のＩＧＢＴ/ＦＥＴ駆動制御部(15)の制御を行うコマンド信号は、デジタル信号プロセッサ(10)により決定されて、論理デバイス(9)によって緩和(mitigated)される。
【００７０】
低減されたエネルギー(24)は、次に、少なくとも１つの磁束コンセントレータ(3)へ入力されて、望ましくは少なくとも１つの相出力制御部(17)である少なくとも１つの出力手段へ入力されて、電気的に動作する装置で消費されるのに出力される。
【００７１】
システム及び装置(1)は、望ましくはデジタル信号プロセッサ(10)に電気的に接続される電力供給ユニット(12)である電力手段を介して給電される。リセット手段は、望ましくはリセットスイッチ(13)であって、望む場合に、ユーザが装置及びシステム(1)をリセットするために配備することが望ましい。さらに、発光ダイオード(14)のような表示手段をリセットスイッチ(13)と電気的に接続して、装置及びシステム(1)をリセットする必要がある場合に、ユーザに警報してもよい。
【００７２】
装置及びシステム(1)は、さらに、少なくとも１つのデジタル電力量計(50)と、ＵＳＢ通信インターフェイス(25)のような通信手段とを随意選択的に含んでよく、有線又は無線送信により、少なくとも１つのＵＳＢポート及び少なくとも１つのウィンドウインターフェイス(40)を有する演算デバイス(16)とインターフェイスできる。ＵＳＢ通信インターフェイス(25)により、ユーザは、自身の演算デバイス(16)を介して、装置及びシステム(1)を監視、表示及び／又は設定できる。しかしながら、ＵＳＢ通信インターフェイス(25)を含めることは、装置及びシステム(1)を実施するために必須ではない。さらに、リアルタイムクロック(49)をエネルギー節約装置及びシステム(1)に接続されるデジタル信号プロセッサ(10)又はその他の装置に組み入れてもよい。
【００７３】
ユーザは、エネルギー節約装置及びシステム(1)を使用する動作方法を決定でき、例えば、ユーザは、自身が、演算デバイス(16)に所望のＲＭＳ値を入力する、所望の電圧割合を入力する、又は、所望の節約低減率を入力することによって、どのようにエネルギーを節約するかを選択できる。例えば、ユーザが、入力電圧を一定割合で低減することを選んだ場合、エネルギー節約装置及びシステム(1)は、その電圧割合を許容して、自動的に電圧を低くして、最大限許容される低電圧閾値を確立することで、最大限認められる高調波成分と一致させる。低電圧閾値によって、より低い、即ち電圧低下状態では、システム及び装置(1)が、利用できる電圧を特定された低減率で低減しようとする試みを続けない。
【００７４】
図２は、検出手段を示す斜視図である。検出手段は、少なくとも１つの磁束コンセントレータ(3)か又は少なくとも１つの電流トランスであって、本発明の装置及びシステム(1)のアクティブな回路へ接続されると、ＡＣ電流をガルバニックに測定する。ハウジング(27)は、望ましくはプラスチック製であり、ハウジング上半体(29)と、ハウジング下半体(30)と、２つの半体(29)(30)を接続するヒンジ(30)とを含んでおり、ハウジング上半体(29)の底面に装着された磁束コンセントレータチップ(37)を有する回路基板(26)を搭載している。各半体(29)(30)は少なくとも１つの切欠き部を有しており、半体(29)(30)を一体にしたときに、少なくとも１つの開口(38)が形成されて、導体(28)が延出できるようになっている。ハウジング(27)を利用することで、磁束コンセントレータチップ(37)と導体(28)のコア中心の距離が正確に規定される。磁束コンセントレータチップ(37)のウィンドウ検出器は、負又は正の半サイクルで、電流が正常範囲外となるときを正確に検出する。さらに、磁束コンセントレータ(3)は、オープンコレクタシュミットバッファを用いて、複数のコンセントレータ(3)が、アナログ信号調節デバイス(4)と論理デバイス(9)の両方に接続されることを許容する。
【００７５】
ハウジング(27)は、望ましくはケーブルである導体(28)を留め押さえて、導体(28)をハウジング(27)にしっかりと保持する。ハウジング上半体(29)は、様々な線番に応じて、様々なサイズに形成されてよい。種々のサイズの開口(38)を複数形成して、種々の幅の導体(28)に応じて半体(29)(30)を留めることもできる。磁束コンセントレータ(3)は、入力エネルギー(19)をガルバニック絶縁し、正確な電流測定を行い、ハウジング(27)に位置する複数のケーブル通路を通る電流の如何なる範囲にも適応し、高電圧のガルバニック絶縁をもたらし、高調波歪みがゼロであって、優れた線形性を有する。さらに、電流測定範囲は、機械的な手段で決定されるので、プリント回路基板(26)には、変更の必要がない。次の等式により、おおよその感度が決定できる。
ＶＯＵＴ＝０.０６*Ｉ／(Ｄ＋０.３ｍｍ)
【００７６】
ここで、Ｉは、導体(28)の電流であり、Ｄは、磁束コンセントレータチップ(37)の上面から導体(28)の中心までの距離(ｍｍ)である。
【００７７】
測定対象に電気的な接続がないため、完全なガルバニック絶縁が達成される。さらに、電気的接続がなく、シャントやトランスを用いないため、挿入損失がゼロであり、熱の放散がなく、エネルギー損失もない。
【００７８】
図３は、検出手段の回路図である。磁束コンセントレータ(3)は、交流電流が導体(28)を流れるときに生じる磁束を測定する。Ｏｖｅｒ＿Ｃｕｒｒｅｎｔは、ウィンドウコンパレータを構成するコンパレータ(34)により達成される。抵抗器(63)によってセットされた閾値が、磁束コンセントレータ(3)の出力を越えると、「Ｃｕｒｒｅｎｔ＿Ｈi」信号が生じてよく、コンパレータ(34)のオープンコレクタ出力はローになって、論理デバイス(9)に向かい、マイクロプロセッサのノンマスカブル入力が装置及びシステム(1)をシャットダウンさせる。接地ループの問題を避けるために、磁束コンセントレータ(3)は、磁束コンセントレータ(3)の作動電圧を３〜５ＶＤＣに調節する集積回路(62)を含むことが望ましい。
【００７９】
図４は、信号調節手段の回路図を示している。信号調節手段は、望ましくは、少なくとも１つのアナログ信号調節デバイス(4)であり、５０／６０Ｈｚのサイン波アナログ信号をきれいにし又は調節し、半サイクル識別手段(8)に送信される前に、すべてのスプリアス信号や過渡信号を除去する。サイン波にノイズ又は十分な振幅の歪みがあれば、このことにより、ある状況下で、正しくないゼロクロス検出が生じる。従って、このようなアナログ信号調節デバイス(4)を含めることは重要である。
【００８０】
サイン波信号を適切に調節するために、オペアンプ(70)が用いられる。オペアンプ(70)は、アクティブで二次のローパスフィルタとして構成されて、存在し得る高調波、過渡信号や妨害信号を除去又は低減する。しかしながら、そのようなフィルタを用いると群遅延が生じる。群遅延は、そのうちに、入力ＡＣサイン波の実際のゼロクロスポイントから、フィルタされた信号のゼロクロスをオフセットする。遅延を解消するために、オペアンプ(70)が設けられて、必要とされるようにゼロクロスポイントを正確に間に合うように補正するために必要な位相変化を可能とする。オペアンプ(70)の出力は、十分に調節された５０／６０Ｈｚのサイン波信号であり、二乗平均平方根(ＲＭＳ)値測定のためのデジタル信号プロセッサ(10)のＡ／Ｄコンバータ(11)(図１参照)に接続される。この信号は、正及び負の半サイクルの両方を測定するために必要な電源レール(supply  rail)の丁度半分である。Ａ／Ｄコンバータ(11)は、前記測定を行えるように公知の２の補数計算を行い、中心又は分割のレール電圧に関して正負の両方で外れるようにＡＣ信号に要求する。信号はまた、半サイクル識別手段(8)に入力される。
【００８１】
図５及び図６は、電圧ゼロクロスポイント決定手段のオシログラム及び回路図を夫々示している。電圧ゼロクロスポイント決定手段は、望ましくは少なくとも１つの電圧ゼロクロスポイント検出器(5)であり、ゼロクロスポイント(21)を正確に決定する。オペアンプ(70)は、電源レールの半分を用いて正確に半分にされた電源電圧で参照するコンパレータ(34)として構成される。コンパレータ(34)は、非常に高いゲインで動作し、結果として、分割レール電圧の数ミリボルト内でスイッチングする。
【００８２】
ゼロクロス信号の追加調節は、さらに、シュミットバッファ(35)により行える。更なる信号処理の後、サイン波の実際の電圧ゼロクロスポイント(21)の数ミリボルト以内で非常に正確な矩形波(69)が生成される。
【００８３】
図７は、損失検出手段と相回転決定及び回転手段の回路図である。損失検出手段は、望ましくは少なくとも１つの損失フェーズ検出デバイス(6)であり、相回転決定及び回転手段は、望ましくは少なくとも１つの相回転デバイス(7)であり、これらは協動し、三相電気システムを利用する場合、論理デバイス(9)とデジタル信号プロセッサ(10)へ送信される信号を適切に生じる。損失フェーズ検出デバイス(6)回路は、コンパレータ(34)として構成されるオペアンプ(70)を含んでおり、夫々、レジスタ(63)に必要な作動電圧を達成するために必須の直列の２つの０.５メガオームの抵抗器のような値の高い直列抵抗と、逆並列接続された２つのダイオード(53)とを利用している。ダイオード(53)は、ダイオード(53)のほぼ順電圧降下にて、入力サイン波(39)の電圧ゼロクロスポイント(21)のほぼ中心にあり、それは、コンパレータ(34)へ印加されて、論理デバイス(9)及びデジタル信号プロセッサ(10)へ送信する適切な信号へと調節されることで、システムは、如何なる信号もない状態でシャットダウンされる。
【００８４】
三相電気システムでは、相回転は、Ａ−Ｂ−Ｃ又はＡ−Ｃ−Ｂの何れかである。デジタル信号プロセッサ(10)が適切に機能できるために、相回転がまず確認される必要がある。コンパレータ(34)は、電圧ゼロクロスポイント(21)を検出するために用いられ、デジタル信号プロセッサ(10)へそのポイント(21)を知らせる。デジタル信号プロセッサ(10)はその後、タイミングロジックを通じて回転のタイミングを作る。オペアンプ(70)は夫々、何れの場合にも直列抵抗(63)と接続された逆並列のダイオード(53)の対によりもたらされる入力信号により、単純なコンパレータ(34)として作動する。
【００８５】
図８と、図９及び図１０とは、半サイクル識別手段の回路図と、オシログラムとを夫々示している。半サイクル識別手段は、望ましくは、少なくとも１つの半サイクル識別部(8)であり、半サイクルのアナログ信号の正負を識別することで、論理デバイス(9)及びデジタル信号プロセッサ(10)へ追加データを提供する。これは、ＩＧＢＴ／ＦＥＴ半サイクル制御トランジスタ(54)(58)とＩＧＢＴ／ＦＥＴシャント制御トランジスタ(59)(60)(67)(68)が同時にオンとなって、入力電力に渡って短絡回路が発生するような状況を避けるために非常に重要である。
【００８６】
オペアンプ(70)は、ウィンドウコンパレータ(34)として構成されており、少なくとも１つの抵抗器(63)により決定された別々のスイッチング閾値を有している。図９に示すように、３つの信号、即ち、絶対ゼロクロス信号(36)と、２つの一致する(co-incident)信号があり、一致する信号の一方は、正の半サイクル(22)を有し、一致する信号の他方は、１の入力サイン波(39)の負の半サイクルを有する。設計に際し、ウィンドウは、必要に応じて、「デッドバンド(dead  band)」を具えるように調整することも許容される。
【００８７】
図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、図１１Ｄ及び図１１Ｅは、ルーティング手段の回路図を示している。ルーティング手段は、望ましくは、少なくとも１つの論理デバイス(9)であり、デジタル信号プロセッサ(10)の外部でリアルタイムに作動して、ＩＧＢＴ／ＦＥＴ半サイクル制御トランジスタ(54)(58)とＩＧＢＴ／ＦＥＴシャント制御トランジスタ(59)(60)(67)(68)のオンタイムを調整する。
【００８８】
論理デバイス(9)は、ルーティング機能を行って、全ての信号が入力サイン波(39)の同時(instantaneous)要求及び極性に適合していることを保証し、デジタル信号プロセッサ(10)の状態、ノイズ、干渉やトランジェントの存在に拘わらず、パルス幅変調機能を行なって、エネルギー節約装置及びシステム(1)の安全作動を保証する。図１１Ｃに示すアイソレータ回路(71)は、論理デバイス(9)のプログラミングを可能とする。図１１Ｄに示す論理デバイス(9)の抵抗器サポート(79)の回路は、論理デバイス(9)の作動に必要である。図１１Ｅに示すように、論理デバイスコネクタ(80)の回路は、論理デバイス(9)の状態をアクティブ又は非アクティブとすることができる。
【００８９】
抵抗負荷を処理することは、特に、誘導無効負荷のような無効負荷を処理するよりも要求がはるかに少ない。現在、パルス幅変調(ＰＷＭ)は、パルス搬送波の変調として定義されており、変調波の瞬間サンプル値は、パルスのリーディング、トレイリング又は両エッジを変化させることで、パルス間隔変調として知られる比例間隔の幅のパルスを作る。しかしながら、本発明及び出願の目的としては、ＰＷＭをパルス搬送の変調として定義し、少なくとも１つのスライスが変調波曲線下の領域から除去される。ＰＷＭを入力電力に直接適用する場合、電力が除去されると、誘導成分が応答して、電流を維持しようとし、電流が放電経路を見出すまで自己生成電圧を上昇させる。この状況は、シャント回路がなければ、半サイクル制御トランジスタを破壊することとなる。
【００９０】
それ故、論理デバイス(9)は、「スーパーバイザ」であり、過電流状態やフェーズ損失がある場合に、デジタル信号プロセッサ(10)が「ハングアップ」するような適切なアクションを取る。これらの如何なる状況でも、論理デバイス(9)は、直ちに応答し、リアルタイムで、接続された半サイクル制御トランジスタ、シャントデバイス及び機器をセーフガードする。
【００９１】
さらに、論理デバイス(9)は、ＩＧＢＴ／ＦＥＴ半サイクル制御トランジスタ(54)(58)及びＩＧＢＴ／ＦＥＴシャント制御トランジスタ(59)(60)(67)(68)の複雑な駆動要求をある程度緩和して、このタスクに対するデジタル信号プロセッサ(10)をアンロードする。論理デバイス(9)は、この機能を制御するので、リアルタイムで実行でき、このため、駆動要求のタイミング制御は、デジタル信号プロセッサ(10)により行われるよりも、はるかに厳しい制限によることができる。リアルタイムで応答する能力は、本発明のエネルギー節約装置及びシステム(1)の安全で信頼性の高い作動に重要である。
【００９２】
図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄ、図１２Ｅ、図１２Ｆ及び図１２Ｇは、電圧低減手段のオシログラム及び回路図を示している。電圧低減手段は、望ましくは少なくとも１つのＩＧＢＴ／ＦＥＴ駆動制御部(15)であり、エネルギー節約装置及びシステム(1)に入力されたエネルギー量である入力サイン波(39)のアナログ信号を、エネルギーを低減し、少なくとも１つのスライスを、電圧制御に関連する先の付随高調波なしで変調サイン波(39)の曲線下の領域から除去するパルス幅変調によって、低減する。この技術は、図１２Ａに示すように、ＩＧＢＴ／ＦＥＴデバイスの固有特性と協動作用し、トリガポイントのオン及びオフを制御可能とする。ポテンシャルエネルギーは全て、各半サイクルに、又は、完全半サイクルの場合に含まれており、曲線下で最も大きな領域を有している。各半サイクルが、マークスペース比９０％で変調されると、曲線下の領域は１０％低減され、結果として、エネルギーは、図１２Ａに見られるように、比例して低減される。
【００９３】
入力サイン波の原形が維持されて、高い、例えば、１０ＫＨｚ台で変調が行われれば、巻回部品(wound  components)の大きさを小さくすることで、出力のフィルタリングを実用的なものとして提案できる。二乗平均平方根の値(ＲＭＳ)は、ある量又はある同期量の二乗の時間平均の平方根であり、平均が完全な１サイクルを越えて取得され、有効値として参照されて、ＲＭＳが正確に測定されると、全体的な効果が実現され、出力電圧が、用いられるマークススペース比と同じような割合で低減していることがわかる。低減電圧は、低減電流をもたらし、エンドユーザの消費する電力を低減することとなる。
【００９４】
ＩＧＢＴ及びＦＥＴデバイスは、本来ユニポーラ(unipolar)なので、ＡＣ制御の場合、各半サイクルを制御するために、少なくとも１つのＩＧＢＴ／ＦＥＴ駆動制御部(15)を具備する必要がある。さらに、逆バイアスを回避するために、ステアリングダイオードが、各半サイクルをルーティングするために適当なデバイスに用いられる。加えて、多くのＩＧＢＴ及びＦＥＴデバイスは、主要な素子をシャントするパラシティックダイオードを有しており、２つのＩＧＢＴ又はＦＥＴデバイスを逆並列接続すると、逆並列接続された２つのパラシティックダイオードを有することとなり、制御素子として作動しない配列となる。
【００９５】
ダイオード(53)は、正の半サイクルトランジスタ(54)と負の半サイクル制御トランジスタ(58)に渡って接続され、順抵抗負荷又は電流リーディング応答負荷に対し、理想的に作動する。しかしながら、変調が起こった場合のように、誘導応答素子の電流が突然除去されて、電流遅れ力率で負荷を駆動する場合、崩壊磁場が、電子フライホイールと同様に、電流の流れを維持するよう試みて、ＥＭＦを生じ、エネルギーを解放できる放電経路が見つかるまで、電圧を上昇させる。この配置では、この「逆ＥＭＦ」は、半サイクル制御素子のアクティブな素子を機能しなくするであろう。このようなことが起こらないように、追加のＩＧＢＴ／ＦＥＴシャント制御トランジスタ(59)(60)(67)(68)が、シャント構成に配置される。
【００９６】
正の半サイクルの間、正の半サイクル制御トランジスタ(54)は変調し、ダイオード(53)は、完全な正の半サイクルの間、アクティブである。ＩＧＢＴ第２シャント制御トランジスタ(60)は、完全にオンとなり、ダイオード(53)はアクティブとなる。それ故、負荷の逆ＥＭＦに起因する如何なる逆極性電圧も、自動的にクランプされる(clamped)。
【００９７】
負の半サイクルの間、直列に含まれる他のデバイス及びシャントネットワークは、同様の方法でアクティブにされる。
【００９８】
スイッチング過渡の間、非常に短時間続くスパイクが存在することがある。スパイクは非常に短時間で大量のエネルギーを吸収可能であり、非常に速い応答時間を可能とするトランソーブデバイス(52)によって、クランプされる。トランソーブデバイス(52)はまた、半サイクルトランジスタ又はシャントトランジスタのアクティブな素子がダメージを受けるような落雷又は他の原因による如何なる電源線伝導(mains  bourn)過渡信号をもクランプする。さらに各半サイクルトランジスタが、パルス幅変調をしている間、他方の半サイクルトランジスタは、半サイクルの正確な間隔で完全にオンとなる。これらの半サイクルトランジスタのデューティは、次の半サイクルの間、逆になる。このプロセスは、上述した逆ＥＭＦ信号に対して完全な保護をもたらす。この配置は、特に、シャントエレメントが過渡にあるときに、ゼロクロス時間の近傍で必須である。
【００９９】
各ＩＧＢＴ／ＦＥＴ半サイクル制御トランジスタ(54)(58)及びＩＧＢＴ／ＦＥＴシャント制御トランジスタ(59)(60)(67)(68)は、絶縁ゲート特性を有しており、この特性はデバイスを増強して、デバイスをオンにできるために必要である。この増強電圧は、望ましくは大きさが１２ボルトであり、望ましくは各対に１つの非接地電源により供給されるのが好ましい。これは、ＩＧＢＴの場合の共通エミッタモードと、ＦＥＴの場合の共通ソースモードとでＩＧＢＴ／ＦＥＴデバイスが作動することでのみ可能である。さもなくば、４つの独立した電源が各相に対して必要となる。各対は、独立した光結合ドライバ(66)によってもたらされる別々のドライブ信号を必要とする。これらドライバ(66)は、独立した電源を使用し、各電力デバイスを素早くオン、オフ切替えするのに役立つ。これらドライバ(66)は、両方向でアクティブであって、電力デバイスの入力容量が高くオフポイントで急速にアクティブに放電し、オンポイントで急速に充電しなければならないので必要とされる。
【０１００】
ダイレクトパルス幅変調の問題は、ＩＧＢＴの変調がオフの場合のように誘導応答負荷を駆動する場合に、逆ＥＭＦはクランプされる必要があることである。図１２Ｂは、正の半サイクル制御トランジスタ(54)と負の半サイクル制御トランジスタ(58)に印加される入力サイン波(39)を示している。通常、これら半サイクル制御トランジスタ(54)(58)は、「オフ」の状態にあり、オンにして駆動する必要がある。正の半サイクルの間、正の半サイクル制御トランジスタ(54)は変調され、ダイオード(53)と協動して、ライン出力端子へ変調された正の半サイクルを通す。ＩＧＢＴ第２シャント制御トランジスタ(60)は、半サイクルの間はオンであり、ダイオード(53)と共に作動して、逆ＥＭＦをグランドにクランプする。正の半サイクルの間、負の半サイクル制御トランジスタ(58)は、完全にオンであり、ダイオード(53)により、そのオン状態がサポートされる。これらダイオード(53)は、信号の適切なステアリング(steering)を行なう。
【０１０１】
正の半サイクルの変調により、逆ＥＭＦ信号が生ずる。負の半サイクル制御トランジスタ(58)は、この時間中オンであり、負の逆ＥＭＦは、ダイオード(53)を通過して、同時のＡＣの正の半サイクル電圧でクランプされる。
【０１０２】
ＩＧＢＴ第１シャント制御トランジスタ(59)とＩＧＢＴ第２シャント制御トランジスタ(60)は変調されないが、これらトランジスタ(59)(60)は、上述と同様の方法でダイオードと協動する。
【０１０３】
図１２Ｂは、ＩＧＢＴベースの電圧低減手段のオシログラムを示しており、正の半サイクル(22)の間、駆動信号は、負の半サイクル制御トランジスタ(85)に印加され、駆動信号は、ＩＧＢＴ第２シャント制御トランジスタ(87)へ印加される。負の半サイクル(23)の間、駆動信号が、正の半サイクル制御トランジスタ(84)に印加されて、駆動信号が、ＩＧＢＴ第１シャント制御トランジスタ(86)へ印加される。正の半サイクル制御トランジスタ(54)に印加された正の半サイクル駆動信号(82)と、負の半サイクル制御トランジスタ(58)  に印加された負の半サイクル駆動信号(83)についても図示されている。
【０１０４】
同様に、図１２Ｅは、ＦＥＴベースの電圧低減手段のオシログラムを示しており、正の半サイクル(22)の間、駆動信号は、負の半サイクル制御トランジスタ(85)に印加され、駆動信号は、ＦＥＴ第２シャント制御トランジスタ(89)へ印加される。負の半サイクル(23)の間、駆動信号は、正の半サイクル制御トランジスタ(84)に印加され、駆動信号は、ＦＥＴ第１シャント制御トランジスタ(88)へ印加される。正の半サイクル制御トランジスタ(54)へ印加された正の半サイクル駆動信号(82)と、負の半サイクル制御トランジスタ(58)へ印加される負の半サイクル駆動信号(83)についても図示されている。
【０１０５】
要約すると、２つのクランプ戦略が用いられており、１つ目は正の半サイクルに、２つ目は負の半サイクルについてのものである。正の半サイクルの間、正の半サイクル制御トランジスタ(54)が変調されていると、負の半サイクル制御トランジスタ(58)及び第２シャント制御トランジスタ(60)はオンである。負の半サイクルの間、負の半サイクル制御トランジスタ(58)が変調されていると、正の半サイクル制御トランジスタ(54)及びＩＧＢＴ第１シャント制御トランジスタ(59)はオンである。
【０１０６】
ＩＧＢＴとＦＥＴベースの本発明のエネルギー節約装置及び方法(1)に用いられるハードウェアは、ＩＧＢＴ／ＦＥＴ半サイクル制御トランジスタ(54)(58)と、ＩＧＢＴ／ＦＥＴシャント制御トランジスタ(59)(60)(67)(68)とが異なるだけで同じである。ＩＧＢＴベースの回路の回路図を図１２Ｃ、ＩＧＢＴベースのドライバの回路図を図１２Ｄ、ＦＥＴベースの回路の回路図を図１２Ｅ、ＦＥＴベースのドライバの回路図を図１２Ｆに、夫々比較の目的で示している。
【０１０７】
図１３は、本発明のリセット手段とインジケータ手段を組み合わせた回路図を示している。リセット手段は、望ましくは少なくとも１つのリセットスイッチ(13)であり、インジケータ手段は、望ましくは少なくとも１つの発光ダイオード(14)であって、これらは、ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースのエネルギー節約及びシステム(1)が適切に作動しないときに表示を行うために協動し、必要に応じて、ユーザが装置及びシステム(1)をリセットできるようにしている。発光ダイオード(14)は、オン／オフの点滅により、装置及びシステム(1)が適切に作動していることを表示することが望ましい。故障状態では、発光ダイオード(14)は、不均一なパターンに変わり、故障状態が直ちに明らかに認識できるようにすることが望ましい。
【０１０８】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、電源手段の電力供給ユニット(12)の回路図である。電源手段は、望ましくは少なくとも１つの電力供給ユニット(12)であり、入力として、単相８０Ｖｒｍｓ〜２６５Ｖｒｍｓ、二相８０Ｖｒｍｓ〜６００Ｖｒｍｓ、三相８０Ｖｒｍｓ〜６００Ｖｒｍｓ、及び４８Ｈｚ〜６２Ｈｚの動作が含まれるが、これらに限定されることのない種々の入力を許容する。
【０１０９】
電力供給ユニット(12)は、設計上、完全に絶縁され、二重に安定化されている。入力時、ダイオード(53)からなる整流器(72)は、単相、二相及び三相の電力を許容する。電力は、スイッチングレギュレータ(90)及び集積回路(62)へトランス(57)を介して印加される。ＤＣ端子間に存在する大電圧を考慮して、スイッチングレギュレータ(90)及び集積回路(62)は、作動電圧を高めるために、スタックＦＥＴ構造に用いられるＦＥＴトランジスタ(73)により補完される。第２のトランス(57)は、ダイオード(53)と貯蔵コンデンサ(56)を有する。コンデンサ(56)に渡るＤＣ電圧は、ネットワーク抵抗器(63)とツェナーダイオード(75)を介して、光アイソレータ(65)へ送られ、最終的に、フィードバック端子へ送られる。光アイソレータ(65)を用いることで、入力と供給出力(６.４Ｖ  ＤＣ)との間のガルバニック絶縁が保証される。最終的に、リニア電圧レギュレータ(81)の出力(３.３ＶＡ  ＤＣ)は、分割レール電圧をセットする２つの抵抗器(63)と共にユニティゲインバッファとして構成されるオペアンプ(70)へ送られる。主ニュートラルは、この分割レールポイント及びゼロオーム抵抗器へ接続される。インダクタ(78)は、電源レールデジタル(＋３.３Ｖ)をアナログ(３.３ＶＡ)から絶縁し、ノイズを低減する。
【０１１０】
次に、図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｄ及び図１５Ｅは、本発明の通信手段の回路を示している。通信手段は、望ましくは少なくとも１つのＵＳＢ通信インターフェイス(25)であり、ユーザが所望に応じて、本発明のエネルギー節約装置及びシステム(1)のパラメータを監視し、設定できる。
【０１１１】
ＵＳＢ通信インターフェイス(25)の回路を図１５Ｂに示しており、デジタル信号プロセッサ(10)からＵＳＢ通信インターフェイス(25)を絶縁するために用いられるアイソレータブロック(71)を、図１５Ｃに示している。通信手段をデジタル信号プロセッサ(10)へ接続する第１及び第２コネクタ(76)(77)を、図１５Ｄ及び図１５Ｅに示している。
【０１１２】
メインプリント回路基板は、ニュートラルから絶縁されていないので、ＵＳＢ通信インターフェイス(25)をガルバニック絶縁する必要がある。通信手段(46)とシリアル通信するために、デジタル信号プロセッサ(10)に通信シリアル通信機能が組み込まれる。絶縁バリアのユーザ側では、信号は集積回路(62)へ印加される。集積回路(62)は、シリアルデータを取得してＵＳＢデータへトランスレートするデバイスであり、ホストＵＳＢポート(74)を介して、演算デバイス(16)へ直接接続するためのものである。ホストＵＳＢ５Ｖ電力は、通信手段(46)へ電力を供給するために用いられ、別の電力をユニットから供給する必要がないようにしている。２つのアクティブな発光ダイオード(14)を有し、ＴＸ(送信)チャンネル及びＲＸ(受信)チャンネルで動作状態を示すことが望ましい。通信は、９６００Ｂａｕｄで動作すればよく、送信されるデータが少量であるため十分である。
【０１１３】
通信手段は、エネルギー節約装置及びシステム(1)を実施する際に含める必要はないがこの特徴により、装置及びシステム(1)を容易に使用できる。
【０１１４】
最後に、図１６及び図１７は、本発明のウィンドウインターフェイス(40)のスクリーンショットを示している。ウィンドウインターフェイス(40)は、演算デバイス(16)に表示され、ユーザは、所望によりエネルギー節約装置及びシステム(1)を監視し、設定できる。メインモニタスクリーン(41)は、複数のフィールド(42)を有しており、エンドユーザが、エネルギー節約装置及びシステム(1)を調整できるように配備されている。例えば、フィールド(42)は、動作モードフィールド(43)、フェーズフィールド(44)、スタートアップフィールド(45)、キャリブレーションフィールド(46)及びセットポイントフィールド(47)を含むことができる。
【０１１５】
動作フィールド(43)により、ユーザは、節約しようと考える方法を選択できる。その方法には、出力電圧を固定割合に調整する電圧低減割合、出力電圧が節約割合を達成する目的である節約低減割合、及び、電圧出力の二乗平均平方根が予め設定された値である電圧調節がある。
【０１１６】
フェーズフィールド(44)により、ユーザは、エネルギー節約装置及びシステム(1)を接続して用いるフェーズタイプ、即ち、単相、二相又は三相を選択できる。
【０１１７】
スタートアップフィールド(45)は、ユーザが、システム及び装置(1)をランダムにスタートをすること、及び／又は、遅延した、つまり「ソフトスタート」をすることができるようにするものであり、ユーザが遅延時間を秒単位で入力すると、システム及び装置がその時間でスタートすることとなる。
【０１１８】
キャリブレーションフィールド(46)により、ユーザは、所望する正確なキャリブレーションを入力でき、及び／又は、相を回転できる。
【０１１９】
セットポイントフィールド(47)は、ユーザにより選択された設定を表示し、エネルギー節約装置及びシステム(1)を用いることで節約されたエネルギー量を、電圧調節、電圧低減割合、又は、電力節約低減割合として示すものである。電圧低減割合については、下限ＲＭＳは、通過する入力電圧よりも低く設定され、入力電圧は、下限電圧よりも低いか同じ場合に通過できる。節約低減割合については、低減ＲＭＳは、通過する入力電圧よりも低く設定される。
【０１２０】
インジケータ(48)は、ウィンドウインターフェイス(40)に配備され、作動電流、作動電圧、ライン周波数、計算された電力節約及び相回転を表示する。
【０１２１】
リアルタイムクロック(49)が、ウィンドウインターフェイス(40)に組み込まれて、追加の電圧低減のプログラミングを、例えば、季節、曜日、時間のような所定時間と所定動作時間とでできるようにしてよい。加えて、ユーザは、エネルギー節約装置及びシステム(1)をプログラムして、１日の様々な時間に作動させてもよい。リアルタイムクロック(49)は、通信ポートを通じて設定されて、経験上、電力グリッドの過負荷が現れる所定の季節日付や時間を選択できる。これらの時間、システムは、調節されたＡＣ電圧をさらに低減するようにでき、グリッド上の負荷を低減できる。独自に追加の低減割合や電圧降下を用いて、夫々複数の時間を規定することもできる。
【０１２２】
デジタル電力量計(50)は、電力使用、電力率及びサージの統計データを記録する手段である。デジタル電力量計(50)はまた、電力率補正にキャパシタを含める能力を有しており、単相二相及び三相のシステムで作動し、世界中のすべての電圧で作動する。それは、遠隔又は近くでプロバイダによって、自在にユーザの電力供給を無効にしたり、可能にするために用いることができる。さらに、デジタル電力量計(50)は、プロバイダが警告したにも拘わらずユーザが、エネルギー節約装置及びシステム(1)をブリッジして、エネルギー消費の支払いを避けようとすることを検出できる。最後に、リアルタイムクロック(49)を用いることで、ユーザ及び／又はプロバイダは、時間、選択された期間で電力の消費を低減することができ、電顕低圧状態を軽減及び／又は解消できる。
【０１２３】
図１８Ａ乃至図１８Ｃは共に、２２０／２３０ボルト実効値(Voltage  root  mean  square)(Ｖｒｍｓ)用に構成された電圧ブースタ装置(30')の第１実施例を示す。電圧ブースタ装置(30')は、１２０／１２７Ｖｒｍｓ用に構成されることもできる。図１８Ａは、トランス(41')及びスイッチ(16')を示す。スイッチ(16')は、第１中継器(20')及び第２中継器(22')を含む。図１８Ｂは、電力供給装置(24')を示す。図１８Ｃは、マイクロプロセッサ(26')を示す。図１８Ａに戻ると、トランス(41')の二次巻線(2A)及び二次巻線(2B)は、入力線ホット端子(input  line  hot  terminal)(6')と出力線ホット端子(output  line  hot  terminal)(8')の間で直列に配置されている。ホット出力線(36')からホット入力線(34')は、常にトランス二次巻線(2A)(2B)を通過しており、切替えられない。１２０／１２７Ｖｒｍｓ用に構成するためには、二次巻線(2A)及び二次巻線(2B)は、並列にされるであろう。或いは、トランスは、具体的には２３０Ｖ、１２０Ｖ、又は他の電圧の範囲のシングル電圧タイプであってもよい。
【０１２４】
トランス一次巻線(10A)及びトランス一次巻線(10B)は、ホット入力端子(6')に接続される第１端、即ち第１ライン(12')と、コネクタＦ２を介して、電気スイッチ(16')に接続される第２端、即ち第２ライン(14')とを有する。スイッチ(16')は、トランス第２ライン(14')が、トランス一次巻線(10A)(10B)の第１ライン(12)に接続して、トランス(41')を短絡させるか、又はニュートラルライン(18')に接続することの何れかを可能とする。コネクタＦ１,Ｆ２及びＦ３は、ファストンタイプコネクタ(Faston  type  connectors)である。コネクタＦ１,Ｆ２及びＦ３は、負荷を増大又は減少させるために、定格電流が異なるトランスに着脱自在にプラグインすることを可能とする。他のタイプのコネクタも考えられる。
【０１２５】
トランス一次巻線の第２ライン(14')がニュートラルに切り替えられると、二次電圧が、主入力電圧に加わって、それにより、ホット出力端子(8')にて、ブースト又は増加出力電圧がもたらされる。住居の、商業的、又は産業的な負荷等の電気的な負荷が、ホット出力端子(8')に接続されてよい。巻線電圧が、位相調整されて(phased)、入力ＡＣ線間電圧に加えられて、それによって、必要なときにブースト電圧を提供する。マイクロプロセッサ(26')が増加電圧又はブースト電圧に切り替える場合、ブースト電圧は、入力電圧実行値(Ｖｒｍｓ)にトランスの巻線比の割合比を乗じた値に維持されてよい。
【０１２６】
スイッチ(16')が他方の設定、状態、又は位置に切り替えられて、ニュートラルから第２ライン(14')の接続を取り除いて、それを第１ライン(12')に接続すると、トランス一次巻線(10A)(10B)が短絡される。非ブースト状態又は段階において短絡を発生することによって、トランス(41')は、切断されて、如何なる電力も消費しない。また、一次巻線(10A)(10B)が短絡するので、二次巻線(2A)(2B)が、入力端子(6')と出力端子(8')の間に恒常的に接続されているので、二次側の電流の無効分は実質的に存在せず、それによって、誘導無効損失は、非ブースト動作の間にほとんど生じない。ホット入力(6')からホット出力(8')へのＡＣ電流の通過にとっての唯一の障害は、銅又はその他の巻線である二次巻線(2A)(2B)の非常に小さなオーム抵抗であろう。
【０１２７】
切替えは、トランスの一次側(10A,10B)上で、有利に実行される。トランス(41')の二次側(2A,2B)に切替えが起こる一方で、不利な高電流が存在するであろう。トランス(41')が１０対１の比を有していると、わずか１／１０の電流が、トランス(41')の一次側(10A,10B)において切替えられる必要があるだろう。他のトランスの比も考えられる。トランスの比は、二次巻線(2A,2B)の巻数対一次巻線(10A,10B)の巻数である。全ての実施例において、一次側で切り替えるこの技術は、トランス(41')の二次側(2A,2B)で切替えが行われる高価な装置と比較して、中継器(20')(22')のような、低電流用の小さくて信頼できるスイッチを用いることを可能にする。また、一次側の切替えは、切替期間に電力の中断がないことを有利にもたらす。２つの中継器(20')及び中継器(22')が示されているが、２以上の装置(20',  22')を備えることも考えられる。
【０１２８】
電力供給装置(24')(図１８Ｂ)は、切替えネットワーク(16')とマイクロプロセッサ(26')に電力を提供する。小さく廉価な５ボルトＤＣ電源が用いられて、スイッチ(16')及び／又はマイクロプロセッサ(26')に電力を供給してよいが、その他の電源や電圧も、交流を含めて考えられ得る。デバイス(20')(22')(図１８Ａ)は夫々、小さなＴＲＩＡＣデバイスと接続する光結合ドライバからなってよく、それによって、２つの半導体ＡＣ中継器を形成する。光電子工学的(opto)に絶縁されたＴｒｉａｃドライバを用いた、光電子工学的に絶縁されたＴｒｉａｃＯＴ１及びＯＴ２が考えられ得る。他のタイプの中継器も考えられる。ＴＲＩＡＣ、ＳＣＲ、ＩＧＢＴ及び／又はＭＯＳＦＥＴを含む他の電源制御装置を使用することで、電圧が制御されることも考えられる。
【０１２９】
マイクロプロセッサ(26')(図１８Ｃ)は、ライン(34')又はライン(28')のようなＡＣ入力線電圧を測定して、採用されるべき増加電圧における電圧レベルを決定する。他のタイプのプロセッサもまた考えられ得る。３つの小さなジャンパブロック、又は３×２のヘッダ(32')は、以下の表１と図１９Ｃに示された６つの電圧の選択を可能とする。
【表１】
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その他の予め定められた電圧設定も、考えられ得る。ジャンパブロック又はヘッダ(32')の他の数も考えられ得る。マイクロプロセッサ(26')は、選択された電圧に基づいて、中継器(20')(22')を作動して、制御する。
【０１３０】
マイクロプロセッサ(26')(図１８Ｃ)は、ＡＣ入力線電圧を測定する。マイクロプロセッサ(26')は、入力ＡＣ一次電圧のゼロボルトクロスポイントの検出を利用する。このゼロクロス検出は、半導体中継器(20')(22')の正しい切替えのタイミングを確保するために用いられる。ゼロクロスタイミングは、中継器(20')(22')の両方が同時に作動する可能性を排除する。図５及び図６は、夫々、考えられる電圧ゼロクロスポイント決定手段のオシログラム及び回路図を提案している。他のタイプの電圧ゼロクロスポイント決定手段のオシログラムも考えられ得る。ヒステリシス(hysteresis)が用いられて、ジャンパー(32')によって設定された閾値ポイント付近のあらゆる不規則な切替えが排除されてよい。
【０１３１】
図１８Ａ〜１８Ｃにおいては、構成要素Ｒ１〜Ｒ２３は抵抗器であり、構成要素Ｃ１〜Ｃ８はキャパシタであり、構成要素Ｄ１〜Ｄ３はダイオードであり、構成要素Ｄ４はツェナーダイオードであり、Ｄ５及びＤ１０は発光ダイオードであり、構成要素Ｔ１はトランスであり、構成要素Ｔ２及びＴ３は、トランソーブデバイスであり、構成要素Ｑ１は、ＮＰＮ型トランジスタであり、構成要素Ｕ１は、スイッチングレギュレータであり、構成要素ＴＲ１及びＴＲ２はＴＲＩＡＣであり、構成要素ＯＴ１及びＯＴ２は、光学絶縁ＴＲＩＡＣＳであり、構成要素Ｊ１は、ジャンパブロック、即ち１×５ヘッダである。
【０１３２】
図１９〜図１９Ｃは、共に、電圧ブースタ装置(54')の第２の実施形態を示している。図１９は、例示の１２０ボルトのトランス(66')を示す。図１９Ａは、例示の２３０ボルトのトランス(68')を示す。巻線配置は、図１９と図１９Ａにおいて異なる。１２０ボルトのトランス(66')(図１９)用巻線は並列であり、２３０ボルトのトランス(68')(図１９Ａ)用巻線は直列である。１２０ボルトが並列で２３０ボルトが直列として図示したように巻線配置を構成することで、同一のトランス(66')(68')が、１２０ボルトと２３０ボルト用に用いられてよい。しかしながら、異なるトランス(66')(68')が同様に用いられてもよい。トランスは、特に、２３０Ｖ、１２０Ｖ、又は他の任意の電圧範囲で用いられるシングル電圧型でもよい。異なる定格電流を有する他のトランスも考えられ得る。そのようなトランス(66')(68')の１つだけが、システムに同時に結合されるであろう。図１９Ｂは、２つの絶縁直流電源(50',52')と、電源(63)と、電源規制回路(64')とを示す。図１９Ｃは、マイクロプロセッサ(56')とＩＧＢＴスイッチングデバイス(58')を示す。スイッチ(58')は、第１ダイオードブリッジ回路(U7)、第１ＩＧＢＴ回路(60')、第２ダイオードブリッジ回路(U8)、及び第２ＩＧＢＴ回路(62')を含んでいる。
【０１３３】
図１９に戻って、１２０ボルトのトランス(66)の二次巻線(72A)(72B)は、入力線ホット端子(78')と出力線ホット端子(80')との間で並列に配置されている。ホット入力線(74')からホット出力線(76')は、常時、トランス二次巻線(72A)(72B)を通過しており、切替えられない。トランス(66')の一次巻線(70A)(70B)は、コネクタＦ５を介して、ホット入力端子(78')に接続する第１端、即ち第１ライン(82')と、コネクタＦ１４を介して、電気スイッチ(58')と接続する第２端、即ち第２ライン(84')とを有している。スイッチ(58')は、トランス(66')の第２ライン(84')が、（１）トランス(66')の一次巻線(70A,70B)の第１ライン(82')と接続して、それにより、トランス(66')を短絡させるか、又は、（２）ニュートラルライン(90')と接続することの何れかを可能とする。コネクタＦ４乃至Ｆ１７は、ファストンタイプコネクタである。コネクタＦ１〜Ｆ１７は、例えば、１２０Ｖ及び２３０Ｖ等の、定格が異なるトランス(66',68')に、脱着自在にプラグイン、又は接続可能にする。他のタイプのコネクタも考えられ得る。
【０１３４】
図１９Ａにおいて、１２０Ｖトランス(66')と同様に、２３０Ｖトランス(68')は、同じコネクタＦ１〜Ｆ１７に、着脱自在にプラグ挿入されるか、又はプラグが引き抜かれてよい。しかしながら、トランス(68')の巻線配置は異なっている。その他の配置の巻線及び接続も考えられ得る。トランス(68')の二次巻線(92A)(92B)は、入力線ホット端子(78')と出力線ホット端子(80')の間に直列に配置されている。ホット入力線(85')は、コネクタＦ８を通って端子(78')に至る。ホット出力線(87')は、コネクタＦ１１を通って端子(80')に至る。ホット入力線(85')からホット出力線(87')は、常に、トランス二次巻線(92A)(92B)を通過して、切替えられない。トランス(68')の一次巻線(94A)(94B)は、コネクタＦ５を介してホット入力端子(78')に接続された第１端、即ち第１ライン(96')と、コネクタＦ１４を介して、電気スイッチ(58')と接続された第２端、即ち第２ライン(98')とを有する。スイッチ(58')は、トランス(68')の第２ライン(98')が、（１）トランス(68')の巻線(94A,94B)の第１ライン(96')と接続して、それによりトランス(68')を短絡するか、又は、ニュートラルライン(90')に接続するかのいずれかを可能とする。
【０１３５】
理解できるように、１２０Ｖ(図１９)又は２３０Ｖ(図１９Ａ)用のトランスを構成するように図１９乃至図１９Ａに示したように接続されて、同一のトランスが、１２０Ｖ及び２３０Ｖ用に用いられてもよい。トランスの一次巻線の第２ライン(84')(98')がニュートラルに切り替えられると、二次電圧が一次入力電圧に加わって、それによって、ホット出力端子(80')において、ブースト出力電圧がもたらされる。電気負荷は、出力端子(80')と接続される。巻線電圧は、位相調整されて、入力ＡＣ線間電圧に加えられ、それによって、必要なときにブースト電圧が提供される。
【０１３６】
スイッチ(58')が他方の状態又は設定に切り換えられると、一次巻線の第２ライン(84')(98')の接続をニュートラルから取り除き、それを第１ライン(82')(96')の夫々に接続して、トランス一次巻線(70A,  70B)又は(94A,  94B)が短絡される。非ブースト位置で短絡を生じることによって、トランスは切断されて、如何なる電力も消費しない。また、一次巻線が短絡するので、二次巻線は、ホット入力端子(78')とホット出力端子(80')の間で恒常的に接続されて、二次側の電流の無効分は実質的に存在せず、それによって、実誘導無効損失が、非ブースト動作の間にほとんど生じない。入力(78')から出力(80')へのＡＣ電流の通過にとっての唯一の障害は、銅又は他の巻線である二次巻線(2A)(2B)の非常に小さなオーム抵抗である。第１実施例と同様に、切替えは、トランス一次側で有利に実施され、少ない電流で切り替えることを可能にする。また、切替期間に、電力の中断はほとんどない。
【０１３７】
図１９Ｂに戻って、３つの独立した電源(50',  52',  63')は、切替えネットワーク(58')及び/又はマイクロプロセッサ(56')に電力を提供する。第１電源(50')は、第１ＩＧＢＴ回路(60')に電力を提供し、第２電源(52')は、第２ＩＧＢＴ回路(62')に電力を提供する。配置が逆にされることが考えられ得る。第３電源(63')は、電力をマイクロプロセッサ(56')、ＬＥＤ、及びＯｐｔに提供できる。他の配置も考えられ得る。第１及び第２電源(50',  52')の各々は、１２ボルトＤＣ電力を提供し、第３電源(63')は、５ボルトＤＣ電力を提供してもよい。他の電源や電圧も、交流電流を含めて考えられ得る。１つの電源だけか、又は３つ以上の電源があってよいと考えられる。
【０１３８】
図１９Ｃにおいて、第１ダイオードブリッジ回路Ｕ７は、第１ＩＧＢＴデバイスＩＧ１及び第１光学絶縁ＩＧＢＴ／ＭＯＳＦＥＴドライバＵ９を備える第１ＩＧＢＴ回路(60')を伴っている。第２ダイオードブリッジ回路Ｕ８は、第２ＩＧＢＴデバイスＩＧ２及び第２光学絶縁ＩＧＢＴ／ＭＯＳＦＥＴドライバＵ１０を備える第２ＩＧＢＴ回路(62')を伴っている。ダイオードブリッジ回路Ｕ７及びＵ８は、電流の正及び負の半サイクルを処理して、一方向性の半サイクルとして知られている状態にする。これは、ＩＧＢＴが一方向性デバイスなので、単一のＩＧＢＴデバイスＩＧ１及びＩＧ２を用いることを可能とする。ＭＯＳＦＥＴデバイスも考えられ得る。
【０１３９】
単極双投(ＳＰＤＴ)スイッチのようなスイッチ(58')機能は、「切換スイッチ(changeover  switch)」と呼ばれることがある。ＩＧＢＴデバイスＩＧ１又はＩＧ２がＯＦＦ設定、状態又は位置にある場合、ＡＣ電流は、各ダイオードブリッジＵ７及びＵ８を流れない。ＩＧＢＴデバイスＩＧ１又はＩＧ２がＯＮ設定、状態又は位置にある場合、ＡＣ電流は、各ダイオードブリッジＵ７及びＵ８を流れる。マイクロプロセッサ(56')は、ライン(100')等のＡＣ入力線電圧を測定して、使用されるべき増加電圧における電圧レベルを決定する。３つの小さなジャンパブロック、即ち３×２ヘッダ(102')は、上記の表１と図１９Ｃで示されている６つの電圧選択を可能にする。他の所定の電圧設定も考えられ得る。ジャンパブロック、即ちヘッダ(102')の他の数も考えられ得る。マイクロプロセッサ(56')は、ＩＧＢＴスイッチデバイス(58')を作動及び制御して、選択された電圧を維持する。
【０１４０】
マイクロプロセッサ(56')は、入力ＡＣ一次電圧のゼロボルトクロスポイント検出を利用してよい。このゼロクロス検出は、ＩＧＢＴデバイスＩＧ１及びＩＧ２の切替えの正しいタイミングを確保するために用いられる。ゼロクロスタイミングは、デバイスＩＧ１及びＩＧ２の両方が同時にオンになる可能性を排除する。図５及び図６は、夫々、考えられる電圧ゼロクロスポイント決定手段のオシログラム及び回路図を示している。電圧ゼロクロスポイント決定手段の他のタイプも考えられる。ヒステリシスが用いられて、ジャンパー(102')によって、セットされた閾値位置付近のいかなる不規則な切替えも排除される。
【０１４１】
図１９〜図１９Ｃにおいて、構成要素Ｒ３０〜Ｒ４７は、抵抗器であり、構成要素Ｃ２０〜Ｃ２９は、キャパシタであり、構成要素Ｄ１０及びＤ１１は、ダイオードであり、構成要素Ｚｌはトランソーブであり、構成要素Ｚ２〜Ｚ４は、(ショットキー型)ダイオードでもよく、構成要素Ｚ５は、ツェナーダイオードであり、構成要素ＩＧ１及びＩＧ２は、ＩＧＢＴトランジスタであり、構成要素ＴＲＡ１は、トランスであり、構成要素Ｕ２は、スイッチングレギュレータであり、構成要素Ｕ３は、光学式アイソレータであり、構成要素Ｕ４〜Ｕ６は、リニアーレギュレータであり、構成要素Ｕ７及びＵ８は、ダイオードブリッジ回路又はブリッジ整流器であり、構成要素Ｕ９及びＵ１０は、光学絶縁ＩＧＢＴ／ＭＯＳＦＥＴドライバであり、構成要素Ｊ２は、１×５ヘッダである。
【０１４２】
理解できるように、全ての切替えは、トランス(41')の二次側(2A,  2B)のような二次側よりもかなり低電流である、トランス(41')の一次側(10A,  10B)のような一次側で実施されてよい。二次巻線が恒常的に接続されており、ブースト切替えが一次側で実施されているので、切替期間に、電気の中断がほとんど存在しない。切替えが、二次側で実施される場合には、これは達成できない。電気スイッチ(16',  58')の異なる実施例が用いられて、それが使用中でない場合にはトランス主要部を短絡させて、それによって、電流の無効分を二次巻線側から取り除く。トランスは、電圧ブースト期間だけアクティブである。ブースト又は増加の量は、トランス比により選択されてよい。異なる比及び／又は定格電流を有するトランスが、システムに着脱自在に接続されてもよい。装置は、ＡＣ１２０ボルトから２５０ボルトでの一般的な動作に用いられてよい。装置のサイズは、比較的小さくされてよい。非常に小さな熱消散が生じることがあろう。装置は、費用対効果がよく、信頼性が高いであろう。装置は、住居、産業、又は商業的なものを含む電気負荷に対して、増加電圧を供給するために用いることができる。
【０１４３】
２つの切替えネットワークの実施形態が、図１８Ａ〜図１９Ｃにおいて示されているが、他の実施形態も考えられ、これらに限定されるものではないが、切替えは、(１)ＩＧＢＴと接続するダイオードブリッジ、(２)パワーＭＯＳＦＥＴと接続するダイオードブリッジ、(３)機械的スイッチ、リレー、コネクタ、又は他のあらゆるタイプの機械的スイッチと接続するダイオードブリッジ、(４)ＳＣＲ／サイリスタ又はＴＲＩＡＣと接続するダイオードブリッジ、(５)ＴＲＩＡＣ、(６)逆並列に配置されたＳＣＲ／サイリスタデバイス、(７)機械的スイッチ、リレー、コネクタ又は他のタイプのあらゆる機械的スイッチを用いて実施されてよい。スイッチは、一次巻線を短絡する第１状態、設定又は配置と、トランス第２電圧を一次電圧に加えるための第２状態、設定、又は位置とを提供するために用いられる。全ての実施例において、他のトランス一次巻線タップが、様々な閾値電圧で、異なるブーストレベルを提供することが考えられ得る。タップは、トランス一次巻線の特定の巻数を選択することを可能にして、様々な巻線比をトランスにもたらす。全ての実施形態に対して、異なる入力電圧レベルにおいて、異なるブーストレベルを提供するためにマイクロプロセッサによって、選択される一次巻線に複数のタップがあってもよい。
【０１４４】
＜電力使用の管理＞
【０１４５】
図１〜図１７に示されるＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置(1)と、図１８Ａ〜図１９Ｃに示される電圧ブースタシステム(30')とは協働して、電力使用を管理する。第１の所定の期間において、例えば、停電が予想されない場合、デジタル信号プロセッサ(ＤＳＰ)は、図１に示されるＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置(1)を制御して、ＡＣ入力線電圧よりも少ない所定の電圧を提供する。相入力接続部(2)は、装置(1)にアナログ信号を入力するために設けられている。磁束コンセントレータ(3)(又は電流トランス)は、入力アナログ信号を検出し、電圧ゼロクロスポイント検出器は、信号のゼロボルトクロスポイントを決定する。信号の正の半サイクル及び負の半サイクルが特定され、信号を処理するためのデジタル信号プロセッサに送られる。信号は、パルス幅変調を用いて、ドライバコントロール(15)によって減らされて、減少されたエネルギーの量が出力され、それによって、エンドユーザのためのエネルギー節約が生じる。図１に示すように、リアルタイムクロックモジュール(49)は、ＤＳＰ(10)に接続される。リアルタイムクロックモジュール(49)は、所定の期間をセットするために用いることができる。
【０１４６】
図１８Ｃに示されるマイクロプロセッサ(26')は、ＡＣ入力線電圧を測定して、それを予め定められた電圧と比較してよい。ＡＣ入力線電圧が予め定められた電圧より高い場合、マイクロプロセッサは、トランスの一次巻線側の図１８Ａに示されたスイッチ(16')を制御して、一次巻線を短絡する。測定された電圧が予め定められた電圧よりも小さく、電圧低下状態などの電圧の増加が必要な場合、マイクロプロセッサ(26')は、スイッチネットワーク(16')を制御して、一次巻線の一端をニュートラルに接続して、トランスから短絡回路を取り除いて、二次電圧を一次入力電圧に加えて、トランスの二次巻線のホット出力線を介して、ブースト出力電圧に二次電圧を提供する。電圧は、予め定められた電圧に増加される。二次巻線は、切替えられない。
【０１４７】
第２の所定の期間において、例えば、停電状態が予想される場合、ＤＳＰ(10)は、図１に示されるＩＧＢＴ／ＦＥＴベースの装置(1)を制御して、予め定められた割当量の電力を供給する。ＤＳＰ(10)及び／又はマイクロプロセッサ(26')は、電力消費を監視して、それを表示してよい。電力消費が、電力割当量を超える場合、ＤＳＰ(10)は電力をオフにしてよい。
【０１４８】
また、消費電力が、割当電力を上回る場合、信号が送られて、需要に対して警告を発して、電力使用を減少させる。図２０において、シグナルモジュール(100)は、ＤＳＰ(10)と接続されて、信号を提供してよい。その信号は、可聴であり、可視であり、又は他の手段であってもよい。シグナルモジュールは、ブザーモジュールでもよいが、他のモジュールも考えられる。ワイヤレスで制御された電気アウトレットが用いられて、信号に応答して、選択的に負荷を減らしてよい。所定の時間後に、負荷が適切に減らされなかった場合、ＤＳＰ(10)は、電源をオフにしてよい。消費者は、次に、幾らかの負荷を減らして、コマンドを開始して、電源をオンに戻してよい。コマンドは、スイッチの設定を切り替えることにより開始され、切替えは、手動及び/又はワイヤレスを含む。電力が回復したあとで、負荷がまだ十分に減らされなかった場合、ＤＳＰは、再び電力をオフにできる。また、ＤＳＰは、別の信号を提供して、負荷が減らされなければならないという警報を再び出してよい。消費される電力が、所定の時間経過後に十分に減らない場合、ＤＳＰは、第２の所定の持続期間に、ホット出力線を介して電源をオフにしてよい。
【０１４９】
あるいはまた、消費電力が割当電力を上回る場合、ＤＳＰは予め定められた電気アウトレットへの電力をオフし、その一方で、電力を他の電気アウトレットに提供して、全体の電力使用を割当電力量に引き下げてよい。システムは、所定の電力量を満たすために自動的に終了するワイヤレス制御された電気アウトレットを用いてよい。システム及び方法は、プリセット消費者選択を用いて、電力消費を減少してよい。システムは、ワイヤレスに、モニタされ、作動され、調整されてもよい。
【０１５０】
既に説明したように、エネルギー割当は、消費者が全く電力を有さないのではなく、消費者が主要な電気機器のための電力を享受することを可能にする。全ての消費者について電力が不十分な場合、このアクションが必要となるときが頻繁にある。そのような条件において、電力会社は、一部の消費者にサービスを提供して、他の消費者に全くサービスを提供しないのではなく、全ての消費者に対して減少した又は配分されたサービスを提供することが望ましい。消費者は、問題の一部ではなく、解決策の一部となる。
【０１５１】
無線通信を介して、コントローラやアダプタと入力装置の間を通信する能力がある。ディスプレイ装置は、既製品のコンピュータ、ｉＰａｄ、スマートフォン、又はキーボード、タッチスクリーン又はそれらの組み合わせを使用している他の入力装置を利用できる。他のデバイスも考えられる。ｉＰａｄは、カリフォルニア州、クパチーノのアップル株式会社から入手可能である。入力装置が、ワイヤレスモニタ、設定調整、又は制御パラメータを調整するために用いてもよいが、システムは、完全に単独で機能して、入力装置から独立していてもよい。さらにまた、メインユニットは、完全な無線通信を有し、上述した電気アウトレット及びアダプタの遠隔操作を可能にする。システムは、完全な照明及び環境制御を提供できる。システムは、消費者の電力使用プロフィールが、電力配分及び選択的な電力低減のために、入力されて、実施されることを可能にする。システムと方法は、ダイナミックな電力配分を提供できる。
【０１５２】
理解できるように、システム及び方法は、消費の際にインストールされた保護電力管理システムである。実行には、発電において、いかなる急速な増加を必要とせず、送電網のいかなる急速な強化も必要としない。この解決策は、エネルギーを節減し、電圧低下や停電を減少して、消費者と電力発生及び配電会社のコストを減少する。管理システムは結果として銅損の減少になる。それによって、以前熱として浪費された、電気会社にとっての財政的損失で無駄になるエネルギーを軽減する。節約されたエネルギーは、付加的な消費者へ供給されることができ、それによって、追加の費用なしで、電気事業に付加的な収入を提供する。
【０１５３】
本システム及び方法は、少なくとも８つの主要な特徴がある。(１)エネルギー保存と利用者のコスト節減、(２)電圧安定化、(３)消費者に対する電気費用の均一化、(４)銅損失低減、(５)炭化水素放出の軽減、(６)電圧低下の軽減、(７)停電軽減、(８)エネルギー割当。
【０１５４】
本システム及び方法は、エネルギー保存と利用者のコストの節減を提供する。電力は、通常、１２０／１２７／２３０Ｖｒｍｓの公称電圧で、消費者に分配される。これは、電気会社が供給することを意図するターゲット電圧である。この電圧は、発電会社の仕様の範囲内で、プラスマイナス１０％又はより大きい値で、しばしばより大きなマージンで不利に変動し得る。電力欠点を良く知っている機器メーカーは、供給電圧の下限(マイナス１０％)用に、それらの仕様を設計して、供給電圧の上限(プラス１０％)に耐える装置を設計する。下限では、機器は、指定されたようにタスクを遂行する。しかしながら、下限より上の如何なる電圧でも、機器には、供給過剰であり、消費者に対して費用の点で電気エネルギーを浪費するであろう。システム及び方法は、この状況を最小限にする。本発明は、選択された低電圧において、ＡＣ電圧を制御して、それによってエネルギーを節減する。
【０１５５】
本システム及び方法は、電圧の安定化を提供する。配布された電圧が低電圧以下に落ちるような極端な場合において、システム及び方法は、例えば電圧規制を起こすことを可能とするように、入力電圧をブーストすることによって、この問題を解決する。単一の機器で利用できる電圧ブースタとは異なり、システムのブーストセクションは、家庭又はビジネス全体に対して電圧を下限で維持する。これは、消費者に対するサービスの質を改良するだけでなく、設置された特定の機器の周辺から、幾つかの国で用いられている目障りなブースタを取り除くことも可能にする。
【０１５６】
本システム及び方法は、消費者への均一な電気のコストを提供する。典型的な共同体において、消費者は、必要とされる同じ量の電力に対して一貫性無く課金され、それは共同体に不均一な電圧の提供という結果となる。これらの損失は、銅損から生じる。電気伝導体は、電流の流れを妨げる。全ての導体のこの欠点については、計画立てでき、より大きな銅導体を使用してよい。導体のサイズの増加は、銅損を減らすことになる。残念なことに、既存の電力配電回路網は、消費者側において、改良された生活様式を補完する機器及び娯楽システムを有するという欲求により、豊かさが達成されるという新興経済の電力のニーズを満たすようには設計されていなかった。その結果、共同体については、主電気トランスに最も近い消費者に配布される電力は、トランスから最も離れた消費者へ運ばれるよりも、より高い電圧を有している。両方の消費者が同一の機器と同様の生活様式を有する場合であっても、この不当な状態は、トランスに近い消費者は、他端の消費者より多くのエネルギーについてお金を支払う結果となる。電圧及び電流の生産物はワットであり、より高い電圧は、より高いワット数という結果となる。毎時のワット数に対して、消費者が代金を支払うこととなる。この不公平な電力状況が、このシステムと方法により解決される。
【０１５７】
本システム及び方法は、銅損失の低減を提供する。銅損は、全ての電力配電網で受ける累積的な電力配電損失である。大部分の新興経済群において、共同体が、ネットワークが設定しなかった多量の電力を消費する場合、電力配分ネットワークは、課される負荷を維持できない。この状況は、通常、一般的にエアコン、セントラルヒーティング、テレビジョン、洗濯機、オーディオ、及び改良された照明などの消費者アイテムの所有を伴う豊かさの増加から生じるものである。この種の共同体の家屋に対して電力を供給するフィーダが、過剰の負荷を受ける場合、全ての導体にある電気抵抗が、顕著になり、供給電圧の一部が、導体の抵抗に渡って現れる。多くの消費者の電流を伴うこの電圧の結果は、導体で電力損失(ワット)を引き起こし、熱として消失される。これは、電力会社への大きな収入の損失を意味する。このシステムと方法がネットワークのこのセクションに関係する家屋に取り付けられ実施された状態で、消耗される以外の電力は、次に、他の消費者に利用可能であり、電力会社の収入の流れの改善という結果になる。
【０１５８】
本システム及び方法は、炭化水素の排出軽減を提供する。炭化水素の放出は、化石燃料(オイル、ガス、石炭)が使用されて、電力を生成するときに存在する。本システム及び方法は、消費地において、考えられる節約状態で消費される電力を管理する。この効果は２つの側面を有する。１つは、電気エネルギーの減少が、炭素放出の節減と共に化石燃料の消費の低減につながる。第２に、これは更なる発電容量に対する急速なニーズを据え置くことができる。どちらの利点も生じて、炭素結合(carbon  bond)状況に、直接的に前向きに影響する。
【０１５９】
本システム及び方法は、電圧低下を軽減する。本システム及び方法が、それらの実施によって、この問題を緩和する。しかしながら、本システム及び方法について、電圧低下に影響を受けやすい既知の時間において、装置は、自動的に電圧低下の追加割合を適用するようにプログラムされることができる。このような状況下では、ネットワーク上の負荷は、更に減少されて、更に銅損失低減という結果となる。
【０１６０】
本システム及び方法は、停電の軽減をもたらす。停電の時間は、通常、電気会社にとって周知である。システム及び方法は、停電に影響されやすい周知の時間に、自動的に電力使用を監視して、消費者に警告して、どの消費者も供給される量を得ることができるように、電力を割り当てる。
【０１６１】
ある実施例において、設定した時間がアクティブにされて、割当られたワット数を越える場合、音響警告装置は、消費者に警告して、負荷を減らす。しばらくして、負荷が十分に減らされない場合、システムは自動的にシャットダウンできる。この点で、消費者は、幾らかの負荷を減らすことができ、次に、スイッチの設定を変えて、システムをオンラインに戻す。負荷の削除が十分ではない場合、音響警告装置は、消費者に再び警告して、より多くの負荷を削除するようにする。消費者が応答しない場合、システムは残りの期間、電力のシャットダウンを設定してよい。他の実施形態も考えられる。局所的な状況、要望、及び電気会社のニーズに従って、それらの裁量で様々なシナリオが実施されてよい。さらにまた、適当なデバイスが、割当電力に対して、必要な負荷の減少要件を満たすために、自動的にシャットダウンできるように、ワイヤレスで制御された電気アウトレットを利用してよい。
【０１６２】
本システム及び方法は、エネルギー割当を提供する。既に説明したように、エネルギー割当は、消費者が全く電力を有さないよりも、主要な電気機器のために電力を享受することを可能にする。多くの時間、不十分な電力をあらゆる人に行き渡せるために、このアクションが必要である。この種のシナリオにおいて、幾人かにサービスを提供して、他の幾人かには全くサービスを提供しないよりもむしろ、全ての人に割当量の減少したサービスを提供することが公平である。各消費者は、問題の一部というよりもむしろ解決策の一部となる。
【０１６３】
実施例が例示されているが、それらは、本願明細書において説明され、示されている特定の形態又は配置に限定されないことが理解されるであろう。この技術の当業者であれば、発明の範囲から外れることなく、さまざまな変更がなされてよく、本発明が、明細書及び図面において示されて説明されたものに限定されないことは、明らかである。
【符号の説明】
【０１６４】
図１〜図１７内で番号が付された構成要素に関して、用いられる技術用語を以下に記載する。
【０１６５】
(1)  ＩＧＢＴ／ＦＥＴベースのエネルギー節約装置及びシステム
(2)  相入力接続部
(3)  磁束コンセントレータ
(4)  アナログ信号調節デバイス
(5)  電圧ゼロクロスポイント検出器
(6)  損失相検出デバイス
(7)  相回転デバイス
(8)  半サイクル識別部
(9)  論理デバイス
(10)  デジタル信号プロセッサ
(11)  Ａ／Ｄコンバータ
(12)  電力供給ユニット
(13)  リセットスイッチ
(14)  発光ダイオード
(15)  ＩＧＢＴ／ＦＥＴ駆動制御部
(16)  演算デバイス
(17)  相出力接続部
(18)  ニュートラル
(19)  入力エネルギー
(20)  アナログ信号
(21)  電圧ゼロクロスポイント
(22)  正の半サイクル
(23)  負の半サイクル
(24)  低減されたエネルギー
(25)  ＵＳＢ通信インターフェイス
(26)  回路基板
(27)  ハウジング
(28)  導体
(29)  ハウジングの上半体
(30)  ハウジングの下半体
(31)  ヒンジ
(32)  第１フィルタ
(33)  第２フィルタ
(34)  コンパレータ
(35)  シュミットバッファ
(36)  絶対ゼロクロス信号
(37)  磁束コンセントレータチップ
(38)  開口
(39)  入力サイン波
(40)  ウィンドウインターフェイス
(41)  メインモニタリングスクリーン
(42)  フィールド(総称)
(43)  動作モードフィールド
(44)  フェーズフィールド
(45)  スタートアップフィールド
(46)  キャリブレーションフィールド
(47)  セットポイントフィールド
(48)  インジケータ
(49)  リアルタイムクロック
(50)  デジタル電力量計
(51)  シュミットトリガ反転バッファ
(52)  トランソーブデバイス
(53)  ダイオード
(54)  正の半サイクル制御トランジスタ
(55)  ＦＥＴ
(56)  キャパシタ
(57)  トランス
(58)  負の半サイクル操作トランジスタ
(59)  ＩＧＢＴ第一シャント制御トランジスタ
(60)  ＩＧＢＴ第二シャント制御トランジスタ
(61)  シャントデバイス
(62)  集積回路
(63)  抵抗器
(64)  スプリットレールジェネレータ
(65)  光アイソレータ
(66)  光学結合ドライバ
(67)  ＦＥＴ第１シャント制御トランジスタ
(68)  ＦＥＴ第２シャント制御トランジスタ
(69)  矩形波
(70)  オペアンプ
(71)  アイソレータ
(72)  整流器
(73)  トランジスタ
(74)  ＵＳＢポート
(75)  ツェナーダイオード
(76)  第１コネクタ
(77)  第２コネクタ
(78)  インダクタ
(79)  抵抗器サポート
(80)  論理デバイスコネクタ
(81)  リニア電圧レギュレータ
(82)  正の半サイクル制御抵抗器に印加される正の半サイクルドライブ信号
(83)  負の半サイクル制御抵抗器に印加される負の半サイクルドライブ信号
(84)  負の半サイクル間で正の半サイクル制御トランジスタに印加されるドライブ信号
(85)  正の半サイクル間で負の半サイクル制御トランジスタに印加されるドライブ信号
(86)  負の半サイクル間でＩＧＢＴ第１シャント制御トランジスタに印加されるドライブ信号
(87)  正の半サイクル間でＩＧＢＴ第２シャント制御トランジスタに印加されるドライブ信号
(88)  負の半サイクル間でＦＥＴ第１シャント制御トランジスタに印加されるドライブ信号
(89)  正の半サイクル間でＦＥＴ第２シャント制御トランジスタに印加されるドライブ信号
(90)  スイッチングレギュレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１２Ｇ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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2013539347.tif 000045