УПРАВЛЕНИЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
HEATING ELEMENTS CONTROL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к коммутации электрических нагрузок большой мощности и, в частности, к управляемой коммутации коммутируемых электрических нагрузок большой мощности с целью уменьшения колебаний напряжения/тока в соответствующей сети электропитания, которые могут вызвать видимое/различимое мерцание ламп.
Изобретение разработано главным образом для использования в качестве устройства и способа управления по меньшей мере одним нагревательным элементом кухонного оборудования и описано ниже со ссылкой на это применение. Однако понятно, что изобретение не ограничивается этой конкретной областью применения.
Предшествующий уровень техники
Любое упоминание предшествующего уровня техники по всему описанию никоим образом не должно рассматриваться как признание того, что такой уровень техники широко известен или является частью общих знаний в данной области.
Для работы печи (такой как малогабаритная печь) с различными профилями мощности для достижения заданной температуры можно использовать схему регулирования нагрева для управления нагревательными элементами печи с целью достижения требуемой температуры. Такой тип регулирования нагрева требует использования фильтра обеспечения электромагнитной совместимости, чтобы схема регулирования нагрева не создавала электромагнитных помех, влияющих на сеть электропитания и оборудование, подключенное к этой электрической сети. Требуемый тип решений по обеспечению электромагнитной совместимости может оказаться дорогостоящим.
Другим способом обеспечения различных профилей мощности является включение и выключение нагревательных элементов в различные моменты времени. Замечено, что кухонные приборы, которые переключают нагревательные элементы для управления мощностью или температурой, вызывают различимое "мерцание" ламп, расположенных внутри устройства или подключенных к той же сети электропитания.
Понятно, что мерцание ламп возникает из-за флуктуации напряжения вследствие коммутации в линии электропитания, что вызывает изменение интенсивности свечения лампы с заметной для глаза частотой.
Задача изобретения
Задачей настоящего изобретения является преодоление или улучшение ситуации с по меньшей мере одним из недостатков предшествующего уровня техники или предоставление полезной альтернативы.
В данном документе описан способ и устройство для коммутации электрических нагрузок большой мощности в форме, которая уменьшает флуктуацию напряжения/тока в соответствующей сети электропитания, приводящую к видимому/различимому мерцанию лампы.
Краткое изложение сущности изобретения
В одном из аспектов технологии предлагается устройство, включающее в себя:
одну или более чем одну коммутируемых нагрузок большой мощности (или нагревательных элементов), причем каждая нагрузка большой мощности питается от общего источника питания переменного тока, и каждая нагрузка коммутируется независимо, используя сигнал коммутации, обеспечивающий коммутацию при переходе через нуль, так чтобы получить желаемую среднюю выходную мощность;
сигнал коммутации генерирован из повторяющейся последовательности коммутации (или содержит повторяющуюся последовательность коммутации);
последовательность коммутации задает активацию (подключение или отключение) каждой соответствующей нагрузки большой мощности от источника питания на последовательности полупериодов или полных периодов; при этом объединенная последовательность коммутации для каждой соответствующей нагрузки большой мощности содержит частотные составляющие не ниже 24 Гц.
В альтернативном варианте частотные составляющие могут лежать ниже 24 Гц, но при этом больше энергии сосредоточено в частотных составляющих выше 24 Гц, чем в любых частотных составляющих, лежащих ниже 24 Гц.
В одном из вариантов, при использовании сетевого электропитания частотой 60 Гц, суммарная последовательность, сформированная путем добавления каждого активного сигнала коммутации, используемого для управления активацией, повторяется через пять или менее полупериодов сетевого электропитания (или три полных периода).
В одном из вариантов, при использовании сетевого электропитания частотой 50 Гц, суммарная последовательность, сформированная путем добавления каждого активного сигнала коммутации, используемого для управления активацией, повторяется через четырех или менее полупериода сетевого электропитания (или два полных периода).
В одном из вариантов последовательность коммутации может быть взята из справочной таблицы.
В одном из вариантов сигнал коммутации может обеспечивать разные уровни мощности для каждой нагрузки. Для каждой соответствующей нагрузки большой мощности предусмотрена различная активация (доля подключенного и отключенного состояний) от сетевого электропитания.
В одном из вариантов модуль регулирования температуры может использовать управление коммутацией или регулирование уровня мощности (например, пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование (ПИД-регулирование)). При регулировании уровня мощности для достижения отличающегося уровня мощности с целью регулирования температуры может использоваться отличающаяся последовательность коммутации.
В одном из аспектов технологии предлагается процессорное устройство, выполненное с возможностью генерировать один или более сигналов управления работой соответствующей одной или более коммутируемых нагрузок большой мощности (или нагревательных элементов), причем каждая нагрузка большой мощности питается от общей сети электропитания переменного тока и коммутируется независимо с использованием сигнала коммутации, обеспечивающего коммутацию при переходе через нуль, для достижения желаемой средней выходной мощности; при этом последовательность коммутации задает активацию (подключение или отключение) для каждой соответствующей нагрузки большой мощности от источника электропитания в на последовательности полупериодов или полных периодов; и объединенная последовательность коммутации для каждой соответствующей нагрузки большой мощности содержит частотные составляющие, лежащие не ниже 24 Гц.
В одном из аспектов изобретения предлагается способ генерации одного или более сигналов коммутации, которые управляют работой соответствующей одной или более коммутируемых нагрузок большой мощности (или нагревательных элементов) в процессорной (или компьютерной) системе, причем упомянутый способ включает в себя описываемые в данном документе этапы; при этом каждая нагрузка независимо коммутируется с использованием сигнала коммутации, обеспечивающего коммутацию при переходе через нуль, с целью достижения желаемой средней выходной мощности; последовательность коммутации задает активацию (подключение или отключение) каждой соответствующей нагрузки большой мощности от сети электропитания на последовательности полупериодов или полных периодов; и объединенная последовательность коммутации для каждой соответствующей нагрузки большой мощности содержит составляющие частотой не менее 24 Гц.
Краткое описание чертежей
Ниже исключительно в качестве примера описан предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - вариант выполнения устройства регулирования подводимой к нагрузке мощности в соответствии с настоящей технологией;
на фиг. 2 - вид типичных сигналов управления коммутацией для показанного на фиг. 1 устройства;
на фиг. 3 - вариант выполнения устройства для регулирования мощности, подводимой к двум нагрузкам, в соответствии с настоящей технологией;
на фиг. 4 - вид типичных сигналов управления коммутацией для показанного на фиг. 3 устройства;
на фиг. 5А - вариант выполнения устройства для регулирования мощности, подводимой к двум нагрузкам, в соответствии с настоящей технологией, с интегрированной обратной связью по температуре;
на фиг. 5В - вариант выполнения устройства для регулирования мощности, подводимой к двум нагрузкам, в соответствии с настоящей технологией, с интегрированной обратной связью по температуре;
на фиг. 6 - вариант выполнения устройства для управления мощностью, подводимой к двум нагрузкам, в соответствии с настоящей технологией, с интегрированной обратной связью по температуре;
на фиг. 7А-7С - таблица с типичными сигналами управления коммутацией для управления двумя нагрузками, согласно одному из аспектов технологии;
на фиг. 8 - таблица с типичными сигналами управления коммутацией для управления двумя нагрузками, согласно одному из аспектов технологии; и
на фиг. 9 - таблица с типичными сигналами управления коммутацией для управления двумя нагрузками, согласно одному из аспектов технологии.
Подробное описание изобретения
Понятно, что настольные кухонные бытовые электроприборы (например, тостеры) могут работать от электрических сетей, используемых другими бытовыми электроприборами и лампами. Бытовой электроприбор может иметь одну или несколько нагрузок большой мощности (например, нагревательных элементов) и может вырабатывать соответствующий сигнал коммутации для регулирования мощности, подаваемой на каждую нагрузку.
Факторы, идентифицированные как влияющие на мерцание ламп, различимое (или видимое) для глаза человека, включают следующее:
(a) сумма всех помех, вызываемых каждой из активно коммутируемых нагрузок, создает объединенные помехи, которые вносятся (или присутствуют) в сетевом источнике или схеме электропитания; и
(б) помехи, вносимые (или присутствующие) в сетевом источнике или схеме электропитания, могут приводить к изменению интенсивности света, которая происходит с частотой, различимой для глаза человека; и
(в) человек обычно не может воспринимать визуальные события, происходящие с частотой выше 24 Гц.
Путем управления коммутацией, при переходе сигнала через нуль, нагрузок большой мощности таким образом, что результирующие частотные составляющие сигнала оказываются выше 24 Гц, может быть устранено или уменьшено видимое мерцание лампы, подключенной к тому же источнику или сети электропитания. Путем управления коммутацией, при переходе сигнала через нуль, множества нагрузок большой мощности таким образом, чтобы частотные компоненты объединенного коммутирующего сигнала лежали выше 24 Гц, создается больше вариантов коммутации (значения средней мощности) для каждой нагрузки, при этом также устраняется или уменьшается видимое мерцание лампы, подключенной к тому же источнику или сети электропитания.
Исключение частотных составляющих ниже 24 Гц уменьшает или устраняет помехи, вносимые в (или накладываемые на) источник или сеть электропитания, имеющие частотную составляющую менее 24 Гц, в результате чего человек не будет наблюдать мерцание ламп, подключенных (внутри или снаружи) к соответствующей сети электропитания.
Полученные сигналы коммутации могут содержать повторяющуюся последовательность или сегмент коммутации. Последовательность или сегмент переключения может быть рассчитана или сгенерирована. Последовательность или сегмент коммутации может быть взята из справочной таблицы. Сигналы коммутации выполняют коммутацию при переходе через нуль (или сигналы коммутации ассоциируются с коммутацией при переходе через нуль) в течение любого периода нагревания. Использование коммутации при переходе сигнала через нуль (в отличие, например, от обычных способов управления) уменьшает гармонические составляющие высокой частоты, для которых потребовались бы дорогостоящие фильтры электромагнитной совместимости.
Понятно, что объединенная последовательность или сегмент коммутации, которые повторяются через пять или менее полупериодов для источника электропитания переменного тока частотой 60 Гц (четыре или менее полупериодов для источника электропитания переменного тока частотой 50 Гц), сохраняет все частотные составляющие на частоте 24 Гц или выше.
Следует понимать, что также можно модулировать сигнал коммутации таким образом, чтобы нагрузка включалась или выключалась на полные периоды, а не на полупериоды. Однако управление полупериодами характеризуется более высоким разрешением и большей гибкостью комбинаций коммутации.
На фиг. 1 показана система 100 управления нагрузкой, которая использует модуль управления 110, управляющий ключом 112 или схемой коммутации при переходе через нуль, которая селективно коммутирует каждый полупериод сигнала источника 114 электропитания переменного тока, для обеспечения управляемого сигнала 116 электропитания для нагрузки 118.
Следует понимать, что ключ или схема коммутации при переходе через нуль представляет собой электрическую схему, которая работает с источником электропитания переменного тока при фазах, близких к нулю или 180 градусам, в результате чего обеспечивается такой режим, что каждый полупериод сигнала переменного тока избирательно пропускается в нагрузку или изолируется от нагрузки.
Ключ или схема коммутации при переходе через нуль обычно использует твердотельное реле, такое как триод переменного тока (TRIAC) и/или управляемые кремниевые выпрямители (SCR). Назначением этой схемы является обеспечение начала проводимости, когда напряжение проходит через нулевые значения, так что выходное напряжение представляет собой полные полупериоды синусоидальной волны. Коммутация при переходе через нуль уменьшает гармонические составляющие высокой частоты в выходном сигнале.
Настоящее изобретение может работать с любым ключом или схемой коммутации при переходе сигнала через нуль. Из уровня техники известны многие схемы коммутации при переходе сигнала через нуль.
Замечено, что лампа (например, лампа 120), подсоединенная к источнику или сети 114 электропитания, может мерцать или иным образом реагировать на флуктуации тока или напряжения в сети электропитания, вызванные селективной или повторяющейся коммутацией нагрузки большой мощности, подсоединенной к этой же сети электропитания.
Одним из аспектов настоящей технологии является устранение или уменьшение помех сигналам, которые могут приводить к тому, что источник света, подключенный к входной сети электропитания, будет заметно мерцать.
На фиг. 2 показан вид типичных сигналов, используемых при управлении мощностью, подводимой к нагрузке.
В этом примере входной сигнал 210 является типичным сигналом переменного тока. Местное энергообеспечение во многих странах осуществляется напряжением либо 110 В, либо 240 В на частоте 50 Гц или 60 Гц. Путем управления мощностью, подводимой, например, к нагревательным элементам малогабаритной печи, можно осуществлять управление прибором, например, с целью обеспечения различных тепловых профилей.
В коммутируемом сигнале 220 переменного тока исключительно в качестве примера показаны выборочно удаленные полупериоды (221 и 222) синусоидальной волны. Сигнал коммутации для управления выбором полупериодов синусоиды может быть представлен в виде последовательности 230.
Каждый сигнал управления коммутацией в коммутационной последовательности 230 соответствует полупериоду синусоидального сигнала сети электропитания. Например, если частота сигнала переменного тока равна 60 Гц, период в коммутационной последовательности составляет 8,33 мс. Для сигнала переменного тока частотой 50 Гц сигнал полупериодной коммутации имел бы период коммутации 10 мс.
Для коммутационной последовательности, связанной с сигналом переменного тока частотой 50 Гц, последовательность коммутации, которая повторяется каждые четыре полупериода, повторялась бы с частотой 25 Гц.
Для последовательности коммутации, связанной с сигналом переменного тока частотой 60 Гц, последовательность коммутации, которая повторяется каждые пять полупериодов, повторялась бы с частотой 24 Гц.
Кроме того, известно, что человек обычно не может различать визуальные события, происходящие с частотой выше 24 Гц. Во временной области это означает, что любые коммутации (или любые изменения на линии электропередачи, которые могут вызвать изменение яркости ламп, подключенных к линии электропередачи), которые происходят быстрее, чем приблизительно через 41 мс, вряд ли будут различимы для человеческого глаза. Для линии электропередачи с частотой 50 Гц это означает, что изменения (например, включение или выключение) с интервалами больше четырех полупериодов происходят медленнее, чем через каждые 41 мс, т.е. на частоте ниже 25 Гц, и поэтому могут различаться человеческим глазом. В случае ламп это может приводить к мерцанию, которое может быть очень раздражающим.
На фиг. 3 показана система 300 управления нагрузкой, которая использует модуль 310 управления, управляющий схемой коммутации при переходе сигнала через нуль или ключом 312, который избирательно переключает каждую полуволну входного сигнала 114 источника электропитания переменного тока для формирования управляемых сигналов 316, 317 электропитания для соответствующих нагрузок 118, 119.
Понятно, что на каждую из коммутируемых нагрузок подается общий сигнал 114 источника переменного тока, и его полупериоды выборочно и раздельно переключаются для каждой из нагрузок.
Как рассматривалось со ссылкой на фиг. 4, модуль 310 управления обеспечивает отдельные коммутационные сигналы для каждой из отдельных нагрузок. Эта система может быть масштабирована, чтобы обеспечивать управление множеством нагрузок.
На фиг. 4 показаны типичные сигналы, используемые при раздельном управлении мощностью, подводимой к двум нагрузкам.
В данном случае входной сигнал 410 является типичным сигналом переменного тока и выборочно переключается для каждой из отдельных нагрузок, например, как это показано под ссылочной позицией 420 (для нагрузки 118) и под ссылочной позицией 425 (для нагрузки 119). В сигнале 420 для первой нагрузки 118 выборочно удалены полупериоды 421 и 422. В сигнале 425 для второй нагрузки 119 выборочно удалены полупериоды 426, 427 и 428.
Понятно, что эффективная нагрузка на источник или сеть электропитания вследствие одновременного приложения комбинации модулированных сигналов управления к двум нагрузкам может быть представлена или обозначена последовательностью 430. Этот сигнал показывает количество нагрузок, подключенных в каждом полупериоде, при этом это будут либо две нагрузки, либо одна нагрузка, либо ни одной нагрузки. Независимые коммутационные последовательности для каждой из отдельных нагрузок представлены под ссылочными позициями 424 и 429. Было доказано, что любые изменения нагрузки (например, от 0 до 1, от 1 до 2, от 0 до 2 или наоборот) вызывают мерцание лампы(ламп) 120, подключенной к тому же источнику электропитания. Если эти изменения происходят с частотой выше 24 или 25 Гц (другими словами, изменение потребляемой мощности происходит быстрее, чем через 41 мс), то возникающее мерцание глазом не воспринимается.
Понятно, что относительная мощность, потребляемая нагрузкой (или, что эквивалентно, излучаемая нагревательным элементом), пропорциональна количеству полупериодов сигнала электропитания, подводимых к нагрузке, если предположить, что одинаковая мощность потребляется каждой нагрузкой в активном режиме. Имея последовательность управления коммутацией, повторяющуюся через 10 полупериодов, можно обеспечить изменение мощности от нуля до 100 процентов с шагом в 10 процентов. Если повторять цикл управления каждые 8 полупериодов, можно обеспечить изменение мощности от нуля до 100% с шагом порядка 12,5%.
Настоящая технология относится к тому, как необходимо модулировать сигналы управления, чтобы обеспечить возможность управления относительной мощностью, подводимой к каждой нагрузке, при этом сохраняя большую часть мощности в частотных составляющих выше 24 Гц. Альтернативно, отдельные коммутационные последовательности конфигурируют таким образом, что все частотные составляющие результирующего объединенного сигнала, лежащие ниже 24 Гц, имеют низкую мощность, что позволяет исключать или уменьшать различимые визуальные явления, возникающие в результате мерцания лампы, подключенной к этой же сети электропитания.
Настоящая технология, в частности, имеет отношение к коммутации нагрузок большой мощности, таких как мощные резистивные нагревательные элементы, поскольку нагрузки большой мощности приводят к изменениям тока и/или напряжения в сети электропередачи. В таких вариантах осуществления изобретения обычно также необходимо регулировать температуру, обеспечиваемую нагревательными элементами. Понятно, что регулирование температуры с помощью обратной связи может быть реализовано с использованием любых обычных или известных способов обратной связи, включая, но не ограничиваясь, управление по типу включено-выключено, пропорциональное регулирование, пропорционально-дифференциальное регулирование, пропорционально-интегральное регулирование, ПИД-регулирование и системы регулирования третьего порядка.
Понятно, что в ряде альтернативных вариантов осуществления изобретения может быть дополнительно предусмотрено регулирование температуры. Исключительно в качестве примера, на фиг. 5А, фиг. 5B и фиг. 6 показаны варианты осуществления, предусматривающие регулирование температуры.
На фиг. 5А показан вариант 500, который включает в себя обычный контроллер, работающий по типу включено-выключено, с обратной связью по температуре, в котором электропитание выборочно подается на нагрузку, исходя из измеренного сигнала температуры.
Вариант 500 осуществления изобретения включает в себя модуль 510 управления коммутацией, который управляет схемой коммутации при переходе сигнала через нуль или ключом 512, выборочно переключающим каждую полуволну входного сигнала 514 источника переменного тока для получения управляемых сигналов 516, 517 электропитания соответствующих нагрузок 518, 519.
Понятно, что ключ или схема коммутации при переходе сигнала через нуль представляет собой электрическую цепь, которая работает с источником электропитания переменного тока при фазах сигнала, близких к нулю или 180 градусам, и позволяет каждому полупериоду сигнала переменного тока отдельно выборочно проходить или не проходить к соответствующим нагрузкам. Модуль 510 управления коммутацией обеспечивает генерацию отдельных коммутационных сигналов для каждой из отдельных нагрузок. Такая система может быть масштабирована для обеспечения управления множеством нагрузок.
Регулирование температуры может быть добавлено посредством включения в состав системы модуля 520 контроллера, работающего по типу включено-выключено, который сконфигурирован для пропускания или не пропускания к нагрузкам соответствующих управляемых сигналов 516, 517 электропитания, полученных путем коммутации при переходе сигнала через нуль. В данном примере электропитание обычно подается на нагрузку, когда датчик 522 температуры выдает сигнал, свидетельствующий о том, что текущая температура ниже заданного значения 524. Контроллер 520 выборочно пропускает управляемые сигналы 516, 517 в виде регулируемых на основе обратной связи по температуре управляемых сигналов 526, 527.
Понятно, что, хотя контроллер, работающий по типу включено-выключено, выборочно обеспечивает электропитание нагрузок, подводимая мощность определяется ключом коммутации при переходе сигнала через нуль и контроллером коммутации, как это описано в настоящем описании. Соответственно, когда контроллер, работающий по типу включено-выключено, обеспечивает питание, управляемый сигнал электропитания определяется схемой управления мощностью, которая может выдавать на каждую из нагрузок относительную мощность посредством избирательного удаления полупериодов.
Понятно, что управление по типу включено-выключено может дополнительно предусматривать гистерезис для исключения быстрой активации или дезактивации управления по типу включено-выключено.
На фиг. 5В показан еще один вариант 530 осуществления изобретения, в котором коммутационный контроллер 532 дополнительно принимает сигнал температуры от датчика 522 температуры и заданное значение 524 температуры и управляет ключом коммутации при переходе сигнала через нуль, чтобы либо выдавать последовательность сигналов, обеспечивающую подвод заданной мощности к соответствующим нагрузкам, либо отключать электропитание каждой из нагрузок, используя управление по типу включено-выключено на основе сигнала контроллера обратной связи по температуре.
Понятно, что управление по типу включено-выключено может дополнительно предусматривать гистерезис, чтобы исключать быструю активацию или дезактивацию управления по типу включено-выключено.
На фиг. 6 показан альтернативный вариант 600 осуществления изобретения, в котором модуль управления обеспечивает более сложную обратную связь по температуре путем выбора сигналов коммутации для обеспечения одного из множества уровней мощности по отдельным нагрузкам с использованием отдельного коммутационного сигнала для каждой нагрузки.
В этом примере регулирование температуры может осуществляться с использованием управления с более сложной обратной связью, при котором сигнал обратной связи по температуре, обеспечиваемый датчиком 622 температуры, сравнивается с заданным значением температуры для изменения выбранной мощности для каждой из нагрузок. Понятно, что каждая нагрузка может управляться отдельно.
Мощность на нагрузках регулируется с помощью коммутационного сигнала, который используется ключом 612 коммутации при переходе сигнала через нуль для выборочной подачи полупериодов сигнала 614 источника электропитания. Понятно, что, чем больше полупериодов подводится к нагрузке, тем больше мощность, подводимая к нагрузке (или нагревателю) и/или количество тепла, излучаемого нагрузкой; в то же время, уменьшая количество полупериодов, подводимых к нагрузке (или нагревателю), уменьшают мощность, подводимую к нагрузке и/или количество тепла, излучаемого нагрузкой.
Обычные или известные способы обратной связи, подходящие для использования с устройством 600, включают в себя, но не ограничиваются: пропорциональное регулирование, пропорционально-дифференциальное регулирование, пропорционально-интегральное регулирование, ПИД-регулирование и системы регулирования третьего порядка.
На фиг. 7A-7C раскрыто множество коммутационных последовательностей 700 для пары нагревательных модулей или элементов, которые позволяют изменять мощность, подводимую к нагрузке. Такие последовательности адаптированы для использования с устройством 600.
В этом типичном варианте 700 осуществления изобретения нагревательные модули или элементы описаны как верхний нагреватель и нижний нагреватель, и общая мощность, подводимая к каждому нагревателю при каждом значении мощности, одинаковая.
Таблица определяет двадцать один отдельный уровень мощности от нулевой мощности до полной мощности, подаваемый на каждый нагревательный элемент. Для каждого уровня мощности также представлена объединенная последовательность коммутации.
В каждом из этих вариантов осуществления последовательность коммутации определена для источника электропитания переменного тока частотой 60 Гц, и каждый период коммутации соответствует полупериоду сигнала источника переменного тока.
Каждое из двадцати одного типичного значения уровня мощности, показанного на фиг. 7A-7C, выбрано таким образом, что при повторении для обеспечения непрерывной коммутации нагревательных модулей или элементов любая из этих комбинаций приводит частотным составляющим как минимум 24 Гц. Поскольку каждый из нагревательных модулей или элементов подключен к одной и той же сети электропитания, общая нагрузка на эту сеть электропитания представлена общей коммутационной последовательностью, и любые помехи, воздействующие на лампу, подсоединенную к этой сети электропитания, вызываются изменениями в полной нагрузке, подключаемой к этой сети.
При уровне мощности 1 (ссылочная позиция 710), сигналы коммутации обеспечивают нулевую мощность, подаваемую на нагревательные элементы, при которой оба нагревательных элемента постоянно отключены.
При уровне мощности 2 (ссылочная позиция 720), сигналы коммутации обеспечивают выборочное включение каждого из нагревательных модулей или элементов на один из десяти полупериодов сигнала сети электропитания (т.е. обеспечивают 10% мощности). По отдельности сигнал коммутации нагревательного модуля или элемента (ссылочные позиции 721, 722) содержит частотную составляющую 12 Гц (т.е. повторяется через десять полупериодов сигнала источника электропитания). При расположении коммутационных последовательностей отдельных нагревательных элементов или модулей в шахматном порядке относительно друг друга может быть сконфигурирована такая общая последовательность коммутации (ссылочная позиция 723), что при ее повторении сигнал содержит частотные составляющие 24 Гц или выше (т.е. общий сигнал коммутации повторяется через каждые пять полупериодов сигнала источника электропитания). В данном примере повторение общего сигнала коммутации представлено последовательностью "0, 0, 1, 0, 0", обозначенной ссылочной позицией 723.
При уровне мощности 3 (ссылочная позиция 730) сигналы коммутации обеспечивают выборочное включение каждого из нагревательных модулей или элементов на один из восьми полупериодов сигнала сети электропитания (т.е. обеспечивают 12,5% мощности). По отдельности сигнал коммутации нагревательного модуля или элемента (ссылочные позиции 731, 732) содержит частотную составляющую 15 Гц (т.е. повторяется через восемь полупериодов сигнала источника электропитания). При расположении полупериодов включения/выключения последовательностей переключения отдельных нагревательных элементов или модулей в шахматном порядке относительно друг друга может быть сконфигурирована такая общая последовательность коммутации (ссылочная позиция 733), что при ее повторении сигнал содержит частотные составляющие 30 Гц (т.е. общий сигнал коммутации повторяется каждые четыре полупериода сигнала источника электропитания). В данном примере повторение общего сигнала коммутации представлено последовательностью "0, 0, 1, 0, 0", обозначенной ссылочной позицией 723.
При уровне мощности 10 (ссылочная позиция 750) сигналы коммутации обеспечивают выборочное включение каждого из нагревательных модулей или элементов на два из пяти полупериодов сигнала сети электропитания (т.е. обеспечивают 40% мощности). По отдельности сигнал коммутации нагревательного модуля или элемента (ссылочные позиция 751, 752) содержит частотную составляющую 24 Гц (т.е. повторяется через пять полупериодов сигнала источника электропитания). В данном примере последовательности коммутации отдельных нагревательных элементов или модулей могут объединяться таким образом, что общая последовательность переключения (ссылочная позиция 753) при ее повторении также содержит частотные составляющие 24 Гц (т.е. общий сигнал коммутации повторяется каждые пять полупериодов сигнала источника электропитания). В данном примере повторение общего сигнала коммутации представлено последовательностью "1, 0, 2, 0, 1", обозначенной ссылочной позицией 753.
Понятно, что при уровне мощности 10 (ссылочная позиция 750) общая последовательность коммутации каждого нагревательного элемента или модуля повторяется каждые пять полупериодов сигнала источника электропитания, что приводит к появлению частотных составляющих 24 Гц. Соответственно, объединенная последовательность коммутации также определяется последовательностью из пяти последовательных полупериодов сигнала источника электропитания, тем самым (при повторении) приводя к появлению частотных составляющих 24 Гц.
Понятно, что для сигнала источника электропитания переменного тока частотой 60 Гц, выборочно располагая последовательности коммутации двух или более нагревательных модулей или элементов (например, через десять полупериодов) в шахматном порядке друг относительно друга, так что общая последовательность (или сигнал) коммутации повторяется с периодом не более пяти полупериодов, можно обеспечить режим, при котором результирующие частотные составляющие лежат выше 24 Гц, или частотные составляющие ниже 24 Гц могут быть уменьшены/сведены к минимуму.
Аналогичным образом, следует также понимать, что для сигнала источника электропитания переменного тока частотой 50 Гц путем выборочного расположения последовательности коммутации двух или более нагревательных модулей таким образом, так что общая последовательность (или сигнал) коммутации повторяется с интервалом не более четырех полупериодов, можно обеспечить режим, при котором результирующие частотные составляющие лежат выше 25 Гц.
Также понятно, что индивидуальные последовательности коммутации (для каждой из нагрузок) могут быть длиннее, чем те, что показаны на фиг. 7A-7С, и содержать частотные составляющие ниже, чем желаемые 24 Гц, при условии, что общая последовательность коммутации при повторении имеет такой период повторения, что частотные составляющие объединенного сигнала коммутации оказываются выше 24 Гц. При поддержании частотных составляющих коммутации, связанных с общей нагрузкой, выше 24 МГц, помехи, вносимые в сеть электропитания, таковы, что любое различимое воздействие на лампу, подключенную к этой сети, устраняется или уменьшается. Примеры этого можно видеть при уровне 2 и уровне 20, где каждая индивидуальная нагрузка включается или выключается один раз за каждые 10 полупериодов (т.е. с частотой 12 Гц, приводя к различимым изменениям), но при объединении и расположении в шахматном порядке, общая нагрузка на сеть электропитания переключается с частотой 24 Гц (или, другими словами, изменения нагрузки происходят не реже, чем через каждые 41 мс).
В каждом из примеров, описанных со ссылкой на фиг. 7A-7C, к каждому нагревательному модулю или элементу подается равная средняя мощность. Понятно, что индивидуальные последовательности коммутации для отдельных нагревательных модулей или элементов могут варьироваться для обеспечения асимметричной мощности для каждого из нагревательных модулей или элементов, в то же время поддерживая период повторения общей последовательности коммутации, приводящий к частотным составляющим выше 24 Гц.
Диапазон уровней мощности, представленных на фиг. 7A-7C, может также использоваться в способе управления с обратной связью для поддержания заданной температуры. Контроллер выбирает подходящую мощность или изменяет мощность, подводимую к нагрузке, для поддержания заданного значения температуры. Хотя общая концепция управления температурой посредством обратной связи известна из уровня техники, в данном примере контроллер использует конкретные последовательности переключения для обеспечения регулируемого подвода мощности к отдельным нагрузкам (как это лучше всего описано со ссылкой на фиг. 6).
Понятно, что также могут быть получены, или рассчитаны, или определены заданные последовательности коммутации для обеспечения асимметричной мощности для отдельных нагрузок, при этом все еще обеспечивая диапазон уровней мощности, подходящих для использования в контуре управления с обратной связью.
В качестве примера, можно, соответственно, иметь верхний нагревательный элемент, работающий при более низком значении мощности, чем нижний нагревательный элемент, например, как это требуется при приготовлении пиццы. Соотношение мощностей между верхним нагревательным модулем или элементом и нижним нагревательным модулем или элементом может поддерживаться на нескольких уровнях мощности при использовании контроллера изменяемой мощности с обратной связью по температуре.
Альтернативно, последовательность коммутации для поддержания относительных мощностей между отдельными нагревательными/нагрузочными модулями или элементами может быть определена и затем контролироваться с помощью обычного управления по типу включено-выключено с использованием обратной связи (как правило, с некоторым гистерезисом, как это в качестве примера показано со ссылкой на фиг. 5A и фиг. 5B).
На фиг. 8 показаны два типичных режима работы нескольких нагрузочных (или нагревательных) модулей (или элементов), в которых средняя мощность, подводимая к отдельным модулям, различна.
Для соответствующего отношения уровней мощности определяется простая последовательность, эта последовательность может использоваться при обычном управлении по типу включено-выключено с обратной связью.
Чтобы уменьшить мерцание ламп в этой линии электропередачи, желательно, чтобы частотные составляющие, возникающие в результате переключения этих нагрузок, лежали выше 24 Гц, или чтобы любая частотная составляющая меньше 24 Гц была минимизирована.
На фиг. 8 показаны типичные последовательности коммутации (ссылочные позиции 815, 825), в которых отдельные нагревательные/нагрузочные модули или элементы работают на разных уровнях мощности. В этих типичных вариантах осуществления используется источник электропитания переменного тока частотой 60 Гц.
В первом примере (ссылочная позиция 810) устройство (например, тостер или печь) имеет два нагревательных модуля или элемента, которые управляются отдельно для обеспечения примерно 78% и 89% мощности соответственно. При использовании обычной последовательности коммутации (ссылочная позиция 811), при которой первый нагрузочный модуль снабжается электроэнергией в течение первых семи из девяти полупериодов сигнала переменного тока (затем все повторяется), а второй нагрузочный модуль снабжается электроэнергией в течение первых восьми из девяти полупериодов (затем все повторяется), результирующие частотные составляющие для каждого сигнала составляют приблизительно 13,3 Гц. Понятно, что объединенная последовательность коммутации (ссылочная позиция 814) также имеет результирующую частотную составляющую около 13,3 Гц (что соответствует периоду повторения в девять полупериодов сигнала источника переменного тока). С помощью реконфигурирования (ссылочная позиция 815) последовательности коммутации отдельных нагрузок (ссылочные позиции 816, 817) с целью распределения полупериодов, в течение которые к соответствующим модулям электроэнергия не подводится, можно создать объединенную последовательность коммутации (ссылочная позиция 818) в девять полупериодов, которая повторяет три полупериода. Понятно, что когда последовательность коммутации (ссылочная позиция 818) повторяется, происходит повторение каждых трех полупериодов (ссылочная позиция 819), что приводит к появлению частотной составляющей 40 Гц.
Под ссылочной позицией 820 показан второй режим работы устройства, имеющего два нагрузочных модуля. В этом примере первый нагревательный нагрузочный модуль работает в течение шести из девяти полупериодов (мощность 66%), а второй нагрузочный модуль отключен. Понятно, что последовательность коммутации (ссылочная позиция 822), которая предусматривает работу нагрузочного модуля в течение шести последовательных полупериодов, а затем деактивацию нагрузочного модуля на три последующих полупериода, имеет период повторения в девять полупериодов, и, вследствие этого, частотную составляющую 13,3 Гц. Поскольку общая последовательность коммутации (ссылочная позиция 824) соответствует последовательности коммутации первого нагревательного/нагрузочного модуля или элемента, она также имеет частотную составляющую 13,3 Гц. Путем реконфигурирования последовательностей коммутации (ссылочная позиция 825), к нагрузочному модулю может подводиться та же средняя мощность с использованием последовательности коммутации (ссылочная позиция 826), имеющей период повторения из трех полупериодов. Соответственно, общая последовательность коммутации (ссылочная позиция 828), при ее повторении, имеет период повторения из трех полупериодов и результирующую частотную составляющую 40 Гц. Общая последовательность коммутации снова такая же, что и у первого нагрузочного модуля, и имеет частотную составляющую 40 Гц.
Расчеты, выполненные в отношении фиг. 8, основаны на сигнале источника переменного тока частотой 60 Гц. Понятно, что в каждом примере, показанном на фиг. 8, при использовании сигнала источника электропитания переменного тока частотой 50 Гц, период повторения из трех полупериодов приведет к частотной составляющей около 33,3 Гц.
На фиг. 9 показаны два типичных режима работы нескольких нагрузочных (или нагревательных) модулей (или элементов), в которых средняя мощность, подводимая к отдельным модулям, отличается.
Для соответствующего отношения уровней мощности определена простая последовательность, и эта последовательность может использоваться с обычной схемой управления по типу включено-выключено с обратной связью по температуре.
Как и прежде, желательно, чтобы любые возникающие при переключении этих нагрузок частотные составляющие ниже 24 Гц были сведены к минимуму.
На фиг. 9 показаны типичные последовательности коммутации (ссылочные позиции 915, 925), при которых отдельные нагревательные/нагрузочные модули или элементы работают на разных уровнях мощности. Эти типичные варианты осуществления работают с сигналом источника переменного тока частотой 60 Гц.
Понятно, что в этих примерах коммутируемый сигнал содержит частотные составляющие ниже 24 Гц. Однако путем различной модуляции последовательностей коммутации эта низкочастотная составляющая ниже 24 Гц может быть уменьшена или устранена.
В обычном режиме (ссылочная позиция 911) работы устройства желательно, чтобы первый нагрузочный модуль работал при мощности приблизительно 78% (ссылочная позиция 912), а второй нагрузочный модуль был отключен (ссылочная позиция 913). Имея последовательность коммутации (ссылочная позиция 912), в которой нагрузочный модуль включен в течение первых семи полупериодов и выключен в течение последующих двух полупериодов, последовательность коммутации (при ее повторении) имеет период повторения в девять полупериодов, что приводит к появлению частотной составляющей около 13,3 Гц. Путем перераспределения (ссылочная позиция 915) полупериодов включения/выключения в последовательности коммутации (916), можно получить сигнал с частотными составляющими выше 24 Гц.
Обращаясь к дополнительному режиму работы нескольких нагрузочных модулей (ссылочная позиция 920), первый нагрузочный модуль работает с мощностью 70%, тогда как второй нагрузочный модуль работает со 100%-ной мощностью. В обычной последовательности коммутации (ссылочная позиция 921) первый нагрузочный модуль может оставаться включенным в течение семи последовательных полупериодов и затем выключенным в течение трех последующих полупериодов (ссылочная позиция 922). В данном примере последовательность коммутации второго нагрузочного модуля обеспечивает его включенное состояние на протяжении всех полупериодов (ссылочная позиция 923). Соответственно, частотные составляющие последовательности коммутации верхнего нагревательного элемента и общей последовательности коммутации (ссылочная позиция 924) непосредственно связаны между собой. В этом обычном примере последовательность коммутации верхнего нагрузочного модуля (и, следовательно, общая последовательность коммутации) при ее повторении имеет период повторения в десять полупериодов и содержит частотную составляющую 12 Гц. Путем перераспределения (ссылочная позиция 925) полупериодов включения/выключения в последовательности коммутации (ссылочная позиция 926) можно обеспечить сигнал с частотными составляющими строго выше 24 Гц. Хотя общий сигнал коммутации (ссылочная позиция 928) при его повторении имеет период повторения в десять полупериодов, частотная составляющая 12 Гц может быть уменьшена или устранена по сравнению с предыдущим примером (ссылочная позиция 924).
Благодаря уменьшению мощности частотных составляющих, лежащих ниже 24 Гц, помехи в сети электропитания (возникающие в результате колебаний потребляемой мощности при включении/выключении большой нагрузки) уменьшаются, что также приводит к заметному уменьшению или устранению мерцания лампы, подключенной к этой сети.
В примере, показанном под ссылочной позицией 928, циклы включения/выключения не происходят регулярно с одинаковым интервалом. Вместо этого последовательность имеет вид "2, 2, 1, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 1", так что коммутация происходит через три полупериода, затем через три полупериода, а затем через четыре полупериода. Затем этот набор из трех групп коммутации повторяется. Следовательно, для каждой группы коммутации период коммутации составляет (для частоты сети 60 Гц) каждые 25 мс для группы из трех полупериодов и каждые 33 мс для группы из четырех полупериодов. Вследствие этого при изменениях подводимой к нагрузкам мощности, происходящим чаще, чем приблизительно через 41 мс (что является порогом, при котором изменения и мерцание становятся различимыми для человеческого глаза), все частотные составляющие лежат выше 24 Гц (и могут включать в себя, например, частотные составляющие 30 и 40 Гц).
Толкование описания изобретения
Понятно, что некоторые из вариантов осуществления изобретения описаны здесь как способ или комбинация элементов способа, который может быть реализован процессором компьютерной системы или другим средством, осуществления функции. Таким образом, процессор с необходимыми командами для осуществления такого способа или элемента способа формирует средство выполнения способа или элемента способа. Кроме того, описанный в данном документе элемент аппаратного варианта осуществления устройства, является примером средства для выполнения функции, выполняемой элементом с целью осуществления изобретения.
В альтернативных вариантах осуществления изобретения один или несколько процессоров работают как автономное устройство или могут быть связаны, например, объединены сетью с другим процессором (рами) при сетевом развертывании, при этом упомянутые один или несколько процессоров могут работать в качестве сервера или клиентской машины в сетевой среде сервер-клиент или в качестве одноранговой машины в одноранговой или распределенной сетевой среде.
Таким образом, один из вариантов осуществления каждого из описанных здесь способов имеет форму машиночитаемого носителя данных, содержащего набор команд, например, компьютерную программу, предназначенную для выполнения одним или несколькими процессорами.
Если конкретно не указано иное, как видно из последующего рассмотрения, следует иметь в виду, что использование по всем описании таких терминов, как "обработка", "расчет", "вычисление", "определение" или т.п., могут обозначать действия и/или процессы компьютера или вычислительной системы или аналогичного электронного вычислительного устройства, которые манипулируют и/или трансформируют данные, представленные в виде физических величин, таких как электронные данные, количества, в другие данные, аналогично представленные в виде физических величин.
Аналогичным образом термин "процессор" может относиться к устройству или части устройства, которое обрабатывает электронные данные, например, из регистров и/или из запоминающего устройства с целью преобразования этих электронных данных в другие электронные данные, которые, например, могут храниться в регистрах и/или в запоминающих устройствах. "Компьютер" или "вычислительная машина" или "вычислительная платформа" может включать в себя один или несколько процессоров.
Описанные в данном документе методики в одном из вариантов осуществления изобретения могут выполняться одним или несколькими процессорами, которые воспринимают машиночитаемый (также называемый пригодным для ввода в компьютер) код, содержащий набор команд, которые при их выполнении одним или несколькими процессорами осуществляют по меньшей мере один из описанных в данном документе способов. Имеется в виду любой процессор, способный выполнять набор команд (последовательных или иных), которые указывают на действия, которые необходимо предпринять.
Если исходя из контекста явно не следует иное, в описании и в формуле изобретения слова "содержит", "содержащий" и т.п. должны толковаться в инклюзивном смысле, а не в исключающем или исчерпывающем смысле; то есть в смысле "включая, но не ограничиваясь".
Так же следует отметить, что термин "связанный ", когда он используется в формуле изобретения, не должен интерпретироваться как ограничивающийся только непосредственной связью. Могут использоваться термины "связанный" и "соединенный" наряду с их производными. Следует понимать, что эти термины не предназначены для использования в качестве синонимов друг друга. Таким образом, рамки объема выражения "устройство A, связанное с устройством B" не должны ограничиваться устройствами или системами, в которых выход устройства A напрямую подключен к входу устройства B. Это означает, что существует путь между выходом устройства A и входом устройства B, который может включать в себя другие устройства или средства. "Связанный" может означать, что два или более элемента либо находятся в непосредственном физическом или электрическом контакте друг с другом, либо не находятся в непосредственном контакте друг с другом, но тем не менее работают вместе или взаимодействуют друг с другом.
В контексте данного документа, если не указано иное, использование порядковых числительных "первый", "второй", "третий" и т.д. для описания общего объекта лишь указывает, что упоминаются различные экземпляры подобных объектов, и не должно подразумевать, что описанные объекты должны быть в заданной последовательности, будь то последовательность временная, пространственная, по рангу или по любому другому признаку.
Ссылка по всему описанию на "один из вариантов осуществления" или "вариант осуществления" означает, что конкретный отличительный признак, структура или характеристика, описанная в связи с данным вариантом осуществления изобретения, входит в состав по меньшей мере одного варианта. Таким образом, появление фраз "в одном из вариантов осуществления" или "в варианте осуществления" в разных местах данного описания необязательно относится к одному и тому же варианту осуществления изобретения, но может относиться к одному и тому же варианту осуществления. Кроме того, конкретные отличительные признаки, структуры или характеристики могут объединяться в данном изобретении в одном или нескольких вариантах осуществления любым подходящим образом, как это очевидно специалисту в данной области техники.
Аналогичным образом следует понимать, что в приведенном выше описании примерных вариантов осуществления изобретения различные отличительные признаки изобретения иногда группируются вместе в одном варианте осуществления, чертеже или его описании с целью упрощения описания и содействия пониманию одного или нескольких различных аспектов изобретения. Такой способ описания, однако, не должен интерпретироваться как свидетельство того, что заявленное изобретение требует больше отличительных признаков, чем явно указано в каждом пункте формулы изобретения. Скорее наоборот, как видно из нижеприведенной формулы изобретения изобретательские аспекты лежат в менее чем во всех отличительных признаках одного вышеописанного варианта осуществления. Таким образом, формула изобретения, приведенная вслед за подробным описанием изобретения, настоящим явно включена в данное подробное описание изобретения, при этом каждый пункт формулы изобретения сам по себе представляет собой отдельный вариант осуществления изобретения.
Кроме того, хотя описанные здесь некоторые варианты осуществления включают в себя некоторые, но не все отличительные признаки, включенные в другие варианты осуществления, предполагается, что сочетания отличительных признаков различных вариантов осуществления находятся в рамках объема изобретения и образуют различные варианты его осуществления, как это понятно специалистам в данной области техники. Например, в нижеследующей формуле изобретения любой из заявленных вариантов осуществления может использоваться в комбинации с другими вариантами осуществления.
В представленном здесь описании изложены многочисленные конкретные детали. Однако понятно, что варианты осуществления изобретения могут быть осуществлены на практике без таких конкретных деталей. В других случаях хорошо известные способы, структуры и технологии не раскрыты подробно, чтобы не затруднять понимание данного описания. Хотя изобретение описано со ссылкой на конкретные примеры, специалистам в данной области техники понятно, что изобретение может быть воплощено во многих других формах.
Понятно, что вариант осуществления изобретения может состоять по существу из отличительных признаков, раскрытых в данном документе. Альтернативно, вариант осуществления изобретения может состоять из раскрытых в данном документе отличительных признаков. Изобретение, иллюстративно описанное в данном документе, соответственно может быть осуществлено на практике в отсутствие любого элемента, который здесь конкретно не раскрыт.