КОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ
COMMUNICATION SYSTEM FOR ELECTRIC LOAD CONTROL

Изобретение относится к коммуникационной системе для управления электрическими нагрузками, в которой данные и энергия передаются по одной и той же нагрузочной линии, кратко выражаясь, к системе коммуникации по нагрузочным линиям. Такие системы находят применения, например, в монтажной технике для установки яркости или выбора цвета ламп или осветительных средств.
Обычные системы для управления яркостью ламп базируются, как правило, на начальном значении или временном интервале фазы питающего напряжения. В зависимости от типа выполнения управляющего устройства и подключенной нагрузки, в управляющем устройстве могут возникать электрические потери, обусловленные конструкцией, которые могут сопровождаться сильным выделением тепла. Поэтому чтобы тем не менее иметь возможность управления большими нагрузками, система в типовом случае дополняется одним или более модулями расширения нагрузки. Ток, предоставляемый прежде только посредством управляющего устройства, и тем самым соответствующая мощность потерь разделяется между управляющим устройством и по меньшей мере одним модулем расширения нагрузки.
В основе изобретения лежит задача создать пригодную также для больших нагрузок коммуникационную систему для управления электрическими нагрузками.
Эта задача в соответствии с изобретением решается коммуникационной системой для управления электрическими нагрузками или модулями нагрузки
- с управляющим устройством, которое, с одной стороны, подключено к фазному проводнику источника питающего напряжения и выход которого образует нагрузочную линию для подключения по меньшей мере одного модуля нагрузки, который, с другой стороны, соединен с нулевым проводником источника питающего напряжения,
- причем управляющее устройство только в течение периодически возникающих для питающего напряжения временных окон (интервалов) передачи энергии пропускает питающий ток от источника питающего напряжения на по меньшей мере один модуль нагрузки, а в течение временных окон коммуникации, не перекрывающихся с временными окнами передачи энергии, возникает двунаправленная коммуникация за счет регистрации и/или модуляции коммуникационного тока через нагрузочную линию между управляющим устройством и по меньшей мере одним модулем нагрузки,
- причем предусмотрен по меньшей мере один модуль расширения нагрузки, который, с одной стороны, соединен с фазным проводником, а с другой стороны - с нагрузочной линией,
- и причем по меньшей мере один модуль расширения нагрузки соединен через управляющую линию с управляющим устройством и управляется таким образом, что в течение временных окон передачи энергии - однако не в течение временных окон коммуникации - питающий ток пропускается от источника питающего напряжения на по меньшей мере один модуль нагрузки.
Преимущества, достижимые с помощью изобретения, состоят, в особенности, в том, что большие нагрузки эксплуатируются синхронизированным способом, причем передача данных и передача энергии отделены во времени одна от другой, и возможна двунаправленная коммуникация с передачей любой информации между управляющим устройством и несколькими модулями нагрузки по общей нагрузочной линии. Из экономических причин, например, расчет управляющего устройства может ограничиваться сравнительно низкими нагрузками, например 500 Вт, в то время как дополнительно требуемая мощность предоставляется посредством по меньшей мере одного модуля расширения нагрузки.
Целесообразные варианты выполнения изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение далее поясняется с помощью примеров выполнения, представленных на чертежах, где показано следующее:
фиг.1 - коммуникационная система, состоящая из управляющего устройства, нескольких модулей нагрузки и нескольких модулей расширения нагрузки для управления электрическими нагрузками,
фиг.2 - схематичная структура управляющего устройства,
фиг.3 - схематичная структура модуля нагрузки,
фиг.4 - схематичная структура модуля расширения нагрузки,
фиг.5 - пример выполнения временной характеристики питающего напряжения и нагрузочных токов при подобной форме выполнения управляющего устройства и модуля расширения нагрузки.
На фиг.1 показана коммуникационная система, состоящая из управляющего устройства, нескольких модулей нагрузки и нескольких модулей расширения нагрузки, для управления электрическими нагрузками. Коммуникационная система включает в себя управляющее устройство 1, которое включено последовательно с n параллельно друг другу включенными модулями 2.1, 2.2, …2.n нагрузки между фазным проводником L и нейтральным проводником (нулевым проводником) N источника 4 питающего напряжения. Соединительная линия между управляющим устройством 1 и модулями 2.1, 2.2,…2.n нагрузки представляет нагрузочную линию L'. Соответственно другие выводы модулей 2.1, 2.2,…2.n нагрузки приложены к нейтральному проводнику N. Дополнительно параллельно к управляющему устройству 1 включено несколько модулей 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки между фазным проводником L и нагрузочной линией L'. Эти модули 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки соединены с управляющим устройством 1 через управляющую линию S. Выполнение этой управляющей линией S может быть выбрано различным:
- она может быть многожильной,
- она может быть одно- и двунаправленной,
- она может быть выполнена как последовательная шина данных.
L
LS
LLE
Получаемый от источника 4 питающего напряжения нагрузочный ток I разделяется на частичный ток I через управляющее устройство 1 и частичный ток I через по меньшей мере один модуль 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки.
Как управляющее устройство 1, так и модули 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки предпочтительно выполнены таким образом, что они могут быть встроены в обычные коммерчески доступные приборные розетки скрытой проводки (диаметром 60 мм, глубиной 40 мм).
На фиг.2 показана схематичная структура управляющего устройства. Управляющее устройство 1 содержит микропроцессор 8, который соединен с токовым модемом 9, силовым выключателем 10 и блоком 11 питания. Токовый модем 9, силовой выключатель 10 и блок 11 питания включены параллельно друг другу между фазным проводником L сетевой линии и нагрузочной линией L'.
Блок 11 питания служит для того, чтобы из фазного проводника L при необходимости отбирать электрическую энергию, в том числе для функционирования микропроцессора 8, токового модема 9 и силового выключателя 10. Блок 11 питания управляется от микропроцессора 8, так что из фазного проводника L только тогда отбирается электрическая энергия, когда это задается микропроцессором 8, в ином случае блок 11 питания остается, по меньшей мере, во время коммуникации между управляющим устройством 1 и модулем 2.1, 2.2,…2.n нагрузки в состоянии высокого импеданса.
LS
Токовый модем 9 служит для контроля нагрузочного тока или частичного тока I в пути тока, а также для того, чтобы устанавливать желательный импеданс (управление и контроль уровня тока), так что обеспечивается возможность коммуникации по нагрузочной линии L'. Силовой выключатель 10 управляется микропроцессором 8 таким образом, что он в течение осуществляемой через нагрузочную линию L' коммуникации отпирается, а для передачи электрической энергии на модули 2.1, 2.2,…2.n нагрузки вне окна коммуникации, в течение окна EF передачи энергии запирается.
min
max
Посредством микропроцессора 8 для передачи информации биты данных за счет согласования импеданса токового модема 9 модулируются, причем нагрузочный ток в течение временного окна KF коммуникации изменяется между минимальным значением тока I и максимальным значением тока I посредством заданного способа модуляции за счет соответствующей смены сигнала тока. Кроме того, токовый модем 9 путем измерения нагрузочного тока в пути тока с помощью микропроцессора 8 может принимать данные или информацию. Важным является, кроме того, подключение управляющей линии S к микропроцессору 8.
На фиг.3 представлена схематичная структура модуля нагрузки. Модуль 2.1, 2.2,…2.n нагрузки включает в себя микропроцессор 12, токовый модем 13, блок 14 питания и нагрузку 15. Токовый модем 13 и блок 14 питания включены параллельно между нагрузочной линией L' и нулевым проводником N сетевой линии. Нагрузка 15 может, например, быть выполнена в форме лампы или иного потребителя.
Блок 14 питания служит для того, чтобы электрическую энергию отбирать из нагрузочной линии L', чтобы, с одной стороны, обеспечивать питание микропроцессора 12 и токового модема 13, а с другой стороны - управлять нагрузкой 15. Как описано выше для блока 11 питания, блок 14 питания отбирает электрическую энергию под управлением микропроцессора 12. В случае лампы в качестве нагрузки 15, может варьироваться яркость лампы при одноцветной лампе или яркость и цвет при цветных лампах и приниматься от лампы обратное сообщение о статусе лампы (например, информация о дефекте в лампе, ее потреблении мощности и т.п.).
На фиг.4 схематично показана структура модуля расширения нагрузки. Внутренняя структура модуля 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки подобна структуре управляющего устройства 1. Модуль 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки содержит силовой выключатель 5, блок 7 питания (от сети), а также микропроцессор 6, но не содержит модема. Силовой выключатель 5 и блок 7 питания соединены с фазным проводником L и нагрузочной линией L'. Микропроцессор 6 подключен к управляющей линии S и управляет силовым выключателем 5 и блоком 7 питания.
LLE
Силовой выключатель 5 в течение окна EF передачи энергии заперт. Тем самым в это время протекает нагрузочный ток I через по меньшей мере один модуль 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки. Силовой выключатель 5 в любое другое время отперт. Блок 7 питания служит для питания микропроцессора 6. Микропроцессор 6 оценивает управляющие сигналы управляющего устройства 1 таким образом, что по меньшей мере один модуль расширения нагрузки синхронизируется через одну или несколько выделенных управляющих линий S с управляющим устройством 1.
На фиг.5 показан пример выполнения временной характеристики питающего напряжения (сетевого напряжения) и нагрузочных токов или частичных токов при однотипной форме выполнения управляющего устройства и модуля расширения нагрузки. При рассматриваемой коммуникационной системе каждый период питающего напряжения U во времени разделен на
- временное окно KF коммуникации
- временное окно EF передачи энергии (фазу передачи энергии).
Кроме того, для каждой смены полярности питающего напряжения U предусмотрено временное окно SYN синхронизации.
max
min
max
min
В течение временного окна KF коммуникации данные от управляющего устройства 1 передаются на модуль нагрузки (одноадресная передача) или на несколько модулей 2.1, 2.2,…2.n нагрузки (многоадресная передача) или передаются от по меньшей мере одного модуля 2.1, 2.2,…2.n нагрузки на управляющее устройство 1, т.е. возможна двусторонняя коммуникация. В течение временного окна KF коммуникации биты данных представляются согласно заданному способу модуляции за счет соответствующего перехода сигнала тока между максимальным значением тока +I при положительной сетевой полуволне и минимальным значением тока +I при положительной сетевой полуволне, а также между максимальным значением тока -I при отрицательной сетевой полуволне и минимальным значением тока -I при отрицательной сетевой полуволне.
В течение временного окна EF передачи энергии модули 2.1, 2.2,…2.n нагрузки снабжаются электрической энергией, которая, как правило, сохраняется в накопителе энергии. Модули 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки, которые через управляющую линию S синхронизированы с управляющим устройством 1, являются активными в течение временного окна EF передачи энергии. В течение временного окна KF коммуникации они остаются высокоомными между фазой L и нагрузочной линией L'. Таким образом, они никоим образом не ухудшают коммуникацию между управляющим устройством 1 и модулями 2.1, 2.2,…2.n нагрузки.
L
LS
LLE
В течение временного окна EF передачи энергии нагрузочный ток I, то есть полный ток через все нагрузки, разделяется на частичный ток I через управляющее устройство 1 и на частичный ток I через по меньшей мере один модуль 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки. Распределение нагрузки между управляющим устройством и модулями 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки может осуществляться различными способами, из которых ниже поясняются следующие три типа:
L
А) Если все силовые выключатели 10, 5 как в управляющем устройстве 1, так и в модулях 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки выполнены идентичными, то нагрузочный ток I разделяется на равные части. Это, однако, в зависимости от формы выполнения, не всегда целесообразно.
L
LLE
LS
В) Неравное разделение нагрузочного тока I может быть реализовано посредством различных проходных сопротивлений в силовых выключателях. Если частичный ток I через модули 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки должен быть больше, чем частичный ток I через управляющее устройство 1, то для этого необходимо выбрать силовой выключатель 5 с проходным сопротивлением, которое меньше, чем проходное сопротивление силового выключателя 10 в управляющем устройстве 1.
L
L
L
LLE
LS
С) Вместо того, чтобы делить нагрузочный ток I между управляющим устройством 1 и модулями 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки, управляющее устройство 1 может и в течение временного окна EF передачи энергии оставаться высокоомным. В таком случае нагрузочный ток I разделялся бы исключительно на модули 3.1, 3.2,…3.m расширения нагрузки, то есть I=I, и справедливо I=0. Это может быть предпочтительным в зависимости от формы выполнения.
L
LS
LLE
LLE
LS
При показанной на фиг.5 характеристике нагрузочного тока I, разделенного на частичный ток I через управляющее устройство 1 и частичный ток I через включенный параллельно ему модуль 3.1 расширения нагрузки, предполагается случай А), при котором проходное сопротивление управляющего устройства 1 и модуля 3.1 расширения нагрузки равно и поэтому справедливо I = I.
Перечень ссылочных позиций
1 - управляющее устройство
2.1, 2.2, 2.n - первый модуль нагрузки, второй модуль нагрузки, n-й модуль нагрузки
3.1, 3.2, 3.n - первый модуль расширения нагрузки, второй модуль расширения нагрузки, n-й модуль расширения нагрузки
4 - источник питающего напряжения
5 - силовой выключатель
6 - микропроцессор
3 - блок питания сети
8 - микропроцессор
9 - токовый модем
10 - силовой выключатель
11 - блок питания
12 - микропроцессор
13 - токовый модем
14 - блок питания
15 - нагрузка
EF - временное окно передачи энергии
max
+I - максимальное значение тока при положительной сетевой полуволне
min
+I - минимальное значение тока при положительной сетевой полуволне
max
-I - максимальное значение тока при отрицательной сетевой полуволне
min
-I - минимальное значение тока при отрицательной сетевой полуволне
L
L- нагрузочный ток (полный ток)
LS
L - нагрузочный ток через управляющее устройство
LLE
L - нагрузочный ток через модуль(и) расширения нагрузки
KF - временное окно коммуникации
L - фазный проводник источника питающего напряжения
L' - нагрузочная линия
N - нейтральный проводник (нулевой проводник) сетевой линии
S - управляющая линия
SYN - временное окно синхронизации
U - питающее напряжение, сетевое напряжение.