居家能源管理系統(tǒng)

上海潤(rùn)欣科技股份有限公司

導(dǎo)語(yǔ)：居家能源管理是一門(mén)新型態(tài)的應(yīng)用概念，居家能源管理系統(tǒng)是透過(guò)環(huán)境感測(cè)，將其數(shù)據(jù)分析歸納，進(jìn)而決定設(shè)備之能源需求與否，并依據(jù)環(huán)境實(shí)際條件自動(dòng)調(diào)整家電設(shè)備之運(yùn)轉(zhuǎn)模式，以降低設(shè)備之能源需求，提高用電效率和降低家庭電費(fèi)支出。

居家能源管理監(jiān)控系統(tǒng)，始于智能電表經(jīng)由空氣開(kāi)關(guān)再至各個(gè)用電節(jié)點(diǎn)(智能插座、智能開(kāi)關(guān))，連接至家電設(shè)備如冷氣、冰箱、電視、馬達(dá)、照明設(shè)備等，能源感測(cè)裝置變成不可或缺的一環(huán)，扮演著最基礎(chǔ)的地位，透過(guò)網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)絡(luò)相互鏈接，搜集家電設(shè)備之電力使用信息，利用移動(dòng)裝置(手機(jī)、平板)或具有能源管理系統(tǒng)(HEMS)主機(jī)，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)電力信息可視化之功能，進(jìn)而達(dá)到用電安全管理與情境控制，紀(jì)錄各種情境的用電情況，還可將電力信息經(jīng)由數(shù)據(jù)分析，可做日后電力控管優(yōu)化之參考基準(zhǔn)。

潤(rùn)欣科技合作商針對(duì)設(shè)備端電力監(jiān)控的應(yīng)用提供了全方位電力方案，具有基本電力感測(cè)功能外，并將信息有效運(yùn)用達(dá)到實(shí)時(shí)用電安全監(jiān)控(過(guò)電流/過(guò)功率、過(guò)/欠壓、漏電等功能)。除此之外，智能居家最為廣泛應(yīng)用之遠(yuǎn)程透?jìng)鹘?jīng)由繼電器啟用或關(guān)閉家電/燈等功能，此方案已針對(duì)繼電器在交流電使用情況下進(jìn)行零點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制，大幅提高產(chǎn)品可靠度與壽命。

目前，此方案對(duì)應(yīng)的72系列和74系列已廣泛應(yīng)用于智能插座/插排、燈控開(kāi)關(guān)、交流電調(diào)燈器等領(lǐng)域的終端產(chǎn)品上，此外也應(yīng)用于漏電保護(hù)裝置(GFCI)相關(guān)產(chǎn)品里。

72系列 基本方塊圖

應(yīng)用實(shí)例一: 繼電器零點(diǎn)開(kāi)關(guān)保護(hù)之功能

繼電器在交流電的應(yīng)用中，若繼電器接點(diǎn)的閉合或斷開(kāi)處于非零交越點(diǎn)時(shí)便會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這將導(dǎo)致接點(diǎn)出現(xiàn)電弧和熔蝕現(xiàn)象，繼電器使用壽命會(huì)因接點(diǎn)碳化、高阻抗、高溫等問(wèn)題而縮短，甚至因其故障而導(dǎo)致連接設(shè)備損壞，進(jìn)而產(chǎn)生出昂貴的維修損失。

繼電器閉合或斷開(kāi)最好能在交流電的零交越點(diǎn)。從繼電器動(dòng)作原理，得知其線圈導(dǎo)通/斷電與簧片機(jī)械動(dòng)作都需要一段時(shí)間才能完成閉合或斷開(kāi)動(dòng)作。方案芯片利用其電壓與電流之偵測(cè)基礎(chǔ)取得零交越點(diǎn)及功率因子相關(guān)信息，再加上繼電器動(dòng)作延遲時(shí)間，故能針對(duì)繼電器進(jìn)行預(yù)測(cè)過(guò)零點(diǎn)之時(shí)序控制, 達(dá)到繼電器閉合在電壓零點(diǎn)以及斷開(kāi)在電流零點(diǎn)位置。

數(shù)字架構(gòu)示意圖 模擬架構(gòu)示意圖

由繼電器開(kāi)關(guān)引起的打火和無(wú)打火現(xiàn)象,繼電器若能有效控制在交流電零點(diǎn)進(jìn)行閉合與斷開(kāi),無(wú)疑是大幅提升產(chǎn)品的使用壽命與系統(tǒng)可靠度。

潤(rùn)欣科技合作商提供零點(diǎn)開(kāi)關(guān)方案之亮點(diǎn)為繼電器于電壓零點(diǎn)閉合,于電流零點(diǎn)斷開(kāi), 以下量測(cè)波形為使用潤(rùn)欣科技合作商提供之零點(diǎn)開(kāi)關(guān)方案在不同型態(tài)負(fù)載下繼電器開(kāi)關(guān)結(jié)果。

繼電器零點(diǎn)閉合波形

阻性負(fù)載(PF=1) 斷開(kāi)

感性負(fù)載(PF=0.5L) 斷開(kāi)

容性負(fù)載(PF=0.5C) 斷開(kāi)

應(yīng)用實(shí)例二: 交流電調(diào)燈控制開(kāi)關(guān)帶計(jì)量功能

隨著物聯(lián)網(wǎng)興起與語(yǔ)音助理(智能音箱或是智能手機(jī)據(jù)語(yǔ)音助理功能)的流行，傳統(tǒng)照明正逐漸邁入智能照明/智能控制化。藉由環(huán)境感知器應(yīng)用于智慧化偵測(cè)，實(shí)現(xiàn)照明結(jié)合情境控制；隨著全球白熾燈泡停產(chǎn)禁令，取而代之LED燈泡提供更省電、更經(jīng)濟(jì)的照明設(shè)備來(lái)改善人們的居住質(zhì)量。

LED燈泡追求高發(fā)光效能時(shí)代已過(guò)去，目前市場(chǎng)普遍都已存在LED直流調(diào)燈燈泡相關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)是可以直接進(jìn)行全彩或色溫調(diào)控，容易營(yíng)造情境氣氛，但對(duì)于照明所需之交流調(diào)燈終端產(chǎn)品相對(duì)較少，如今部分品牌商開(kāi)始針對(duì)照明需求，陸續(xù)推出智能照明開(kāi)關(guān)與可控硅調(diào)光控制器，傳統(tǒng)上很多歐美家庭普遍都在使用可控硅調(diào)光器對(duì)白熾燈進(jìn)行調(diào)光，消費(fèi)者希望用可調(diào)LED燈直接替代白熾燈泡，且不需要對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行變更，更不需要進(jìn)行任何裝修布線工程。

鑒于智能照明應(yīng)用需求，潤(rùn)欣科技合作商提供高度集成系統(tǒng)芯片72xx可直接進(jìn)行可控硅或MOSFET管控制并加入電力量測(cè)之方案，即可實(shí)現(xiàn)交流電調(diào)燈控制器方案。終端產(chǎn)品更可利用其電力量測(cè)之信息上傳云端或APP進(jìn)行過(guò)電流或過(guò)功率之保護(hù)，進(jìn)而提升產(chǎn)品可靠度與用電可視化之功能。

對(duì)容性負(fù)載之LED燈泡而言，可控硅調(diào)光技術(shù)并非是唯一選擇之調(diào)光技術(shù)，因此MOSFET管架構(gòu)調(diào)光控制器之需求日以俱增，可控硅與MOSFET管進(jìn)行調(diào)光之優(yōu)缺點(diǎn)比較如下。

可控硅調(diào)光器優(yōu)缺點(diǎn)

(1)價(jià)格低廉，輸出功率較高。

(2)破壞功率因數(shù)，因其采用截波方式進(jìn)行調(diào)光，深度調(diào)光時(shí)功率因數(shù)會(huì)變得很差。

(3)產(chǎn)生EMI干擾，當(dāng)容性負(fù)載時(shí)，導(dǎo)通之時(shí)輸出電流會(huì)有強(qiáng)烈突變。

(4)調(diào)光器與LED照明燈具不匹配時(shí)，容易造成光源頻閃問(wèn)題。

(5)因可控硅保持電流限制，調(diào)光深度不佳，且只能進(jìn)行前沿關(guān)斷。

MOSFET管調(diào)光器優(yōu)/缺點(diǎn)：

(1)可前后沿關(guān)斷，后沿關(guān)斷好處在于導(dǎo)通過(guò)程中并不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈突變電流。

(2)無(wú)保持電流限制，調(diào)光深度極佳。

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

可控圭控制架構(gòu) MOSFET管控制架構(gòu)

傳統(tǒng)居家照明開(kāi)關(guān)電工布線都依據(jù)電工法規(guī)進(jìn)行(如圖八)，為使其具備聯(lián)網(wǎng)功能與開(kāi)關(guān)控制或調(diào)燈控制芯片72XX能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)雙控開(kāi)關(guān)加調(diào)燈控制方案(如圖九)，芯片72XX具有電壓電流偵測(cè)能力，無(wú)須額外輔助電路就能同時(shí)能處理交流電零點(diǎn)，直接對(duì)可控硅或MOSFET管進(jìn)行PWM控制，對(duì)交流電輸出進(jìn)行截波而達(dá)到照明亮度之調(diào)整，亦可同時(shí)對(duì)繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制來(lái)決定燈泡開(kāi)啟或關(guān)閉，最后加上一個(gè)帶通訊功能模塊(如WiFi/BLE/ZigBee etc），此控制器能同時(shí)實(shí)現(xiàn)燈控開(kāi)關(guān)與照明亮度調(diào)控之功能，此方案最大優(yōu)點(diǎn)能大幅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與縮小PCB版尺寸。

傳統(tǒng)雙控開(kāi)關(guān)布線圖

帶通訊功能智能開(kāi)關(guān)或調(diào)燈器方塊圖