一种阻抗自调节的智能节电装置及其使用方法
阅读说明：本技术 一种阻抗自调节的智能节电装置及其使用方法 (Intelligent power saving device with self-adjusting impedance and use method thereof ) 是由 徐磊 刘杨 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种阻抗自调节的智能节电装置及其使用方法,根据电磁平衡原理,采用增加负载起动瞬间时等值阻抗的方式,抑制起动电流,包括供电系统、智能节电装置和负载,三者之间采用串联形式,其阻抗依次为Z-(S)、Z-(I)和Z-(L),其中的智能节电装置包括大限流电阻和自恢复保险丝,二者采用并联形式,其正常工作时电阻分别为R-(1)和R-(2)。本发明可以实现自动控制抑制负载的起动电流的目的,达到智能节电的效果,还可以提高设备使用寿命,减小对电网冲击。(The invention provides an impedance self-adjusting intelligent power saving device and a using method thereof, which adopt a mode of increasing equivalent impedance at the moment of starting a load to inhibit starting current according to an electromagnetic balance principle, and comprise a power supply system, the intelligent power saving device and the load, wherein the power supply system, the intelligent power saving device and the load are connected in series, and the impedance of the power supply system, the intelligent power saving device and the load is Z in turn S 、Z I And Z L The intelligent power-saving device comprises a large current-limiting resistor and a self-recovery fuse, which are connected in parallel, and the resistors are R respectively during normal operation 1 And R 2 . The invention can realize the purpose of automatically controlling and restraining the starting current of the load, achieve the effect of intelligent power saving, improve the service life of the equipment and reduce the impact on the power grid.)
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别是一种阻抗自调节的智能节电装置及其使用方法。
背景技术
随着节能减排观念的深入人心和能源资源日趋重要，各种智能节电技术得到了蓬勃发展。在实际应用中，大量电气设备比如各种电机等都具备较高的起动瞬时电流，其起动电流值可以达到负载额定电流的几倍到几十倍，这样高的起动电流造成了极大的电力资源浪费，而且因为负载开启时间不可控制，很多设备又需要频繁开关，会对电网造成各种大大小小的随机浪涌冲击和高频污染，还会对设备寿命造成很大影响，严重时甚至造成安全事故。因此如何抑制起动电流一直是智能节电技术的一个重要课题。
本发明针对上述起动电流抑制问题，根据电磁平衡原理，采用增加负载起动瞬间时等值阻抗的方式，减小起动电流，达到节电目的，还可以提高设备使用寿命，减小对电网冲击。
本发明中用到的自恢复保险丝具有PTC(Positive Temperature Coefficient)效应,即正温度系数效应，指此材料的电阻会随温度的升高而增加。通常自恢复保险丝具备非线性PTC效应，即经过相变的材料会呈现出电阻沿狭窄温度范围内急剧增加几个至十几个数量级的现象。相当多种类型的导电聚合体会呈现出这种效应，如高分子PTC热敏电阻。这些导电聚合体对于制造过电流保护装置来说非常有用。常见的自恢复保险丝，是由经过特殊处理的聚合树脂及分布在里面的导电粒子(通常为碳黑)组成。在正常操作下，聚合树脂紧密地将导电粒子，束缚在结晶状的结构外，构成链状导电电通路，此时的自恢复保险丝为低阻状态，线路上流经自恢复保险丝的电流所产生的热能小，不会改变晶体结构。当大电流流经自恢复保险丝时，产生的热量使聚合树脂融化，体积迅速增长，形成高阻状态，同时工作电流迅速减小直至断路。当电流变小后，自恢复保险丝重新冷却结晶，体积收缩，导电粒子重新形成导电通路，自恢复保险丝恢复为低阻状态，从而完成对电路的保护，无须更换保险丝。
自恢复保险丝已经被广泛使用在电路中对短路进行保护，但是目前的主要使用方法仅仅是把它作为一种无须人工更换的保险丝使用，而且它在大电流下形成断路状态，不能用于负载起动电流抑制。
当前对负载起动电流抑制的一种常见方法是使用较大的限流电阻，与负载串联达到抑制电路中最大电流的作用，但是其选值小则起不到抑制电流的效果，选值大则正常工作时功耗过大，一般难以两全。在电机等设备起动时一个常见的折中办法是选用较大的限流电阻与电机串联进行负载起动，待起动完成后，再人为将该限流电阻短路以避免大的功耗，但是该方法费时费力，也不能形成自动化操作，短路连接时有打火等风险。
发明内容
本发明针对上述起动电流抑制问题，根据电磁平衡原理，采用增加负载起动瞬间时等值阻抗的方式，减小起动电流，达到节电目的，还可以提高设备使用寿命，减小对电网冲击。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于阻抗自动调节的智能节电装置和系统使用方法，包括供电系统、智能节电装置和负载，三者之间采用串联形式，其阻抗依次为ZS、ZI和ZL，其中的智能节电装置2包括大限流电阻和自恢复保险丝，二者采用并联形式，其正常工作时电阻分别为R1和R2。
优选地，适当选择自恢复保险丝的参数，使得其电阻远小于大限流电阻，以保证正常工作时所耗费的功耗小。
优选地，适当选择自恢复保险丝的参数，使得负载正常工作时通过自恢复保险丝的电流不大于其保持电流。
优选地，适当选择自恢复保险丝的参数，使得负载起动时通过自恢复保险丝的电流大于其动作电流，但不超过其最大承受电流。
优选地，适当选择大限流电阻的参数，使得其电阻足够大，在负载起动时自恢复保险丝动作的情况下可以对起动电流提供足够大的抑制。
优选地，如果所需要起动的负载功率较大，正常工作时的电流超过了单个自恢复保险丝的保持电流，可以通过并联自恢复保险丝来加大保持电流阈值从而提高对应的负载功率，但是需要保证所使用的自恢复保险丝的一致性较好，并在设计中预留较大的余量。
一种阻抗自调节的智能节电装置的使用方法，选取较大的R1和较小的R2值，从而达到如下效果：在负载正常工作时，自恢复保险丝和大限流电阻都正常工作且并联，所以智能节电装置的阻值较小，为R1//R2，从而达到消耗功率小的效果；在负载起动时电流较大，超出自恢复保险丝的动作电流，自恢复保险丝动作形成该支路断路，电流仅从大限流电阻支路通过，从而智能节电装置的阻值较大，为R1，从而达到限制起动电流值的效果。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)可以同时提供更小的正常工作功耗和更好的瞬间大电流抑制效果；(2)完全自动进行起动电流抑制和恢复操作，无须人工干预；(3)成本低廉，使用简单；(4)自恢复保险丝还具有过热保护功能；(5)本发明可以适用于交流和直流等多种不同用途和使用条件的电路。
附图说明
图1为基于阻抗自调节的智能节电技术的系统示意图和等效电路图，其中1-供电系统；2-智能节电装置；3-负载。
图2为实施例1的系统示意图和等效电路图，其中1-供电系统；2-智能节电装置；3-负载；4-大限流电阻；5-自恢复保险丝。
具体实施方式
本发明主要针对电机等起动电流远大于额定电流的设备(对于常见的伺服电机，通常其起动电流为额定电流的5倍到十几倍)，采用小电阻的自恢复保险丝与大的限流电阻并联的方式设计智能节电装置，然后将该智能节电装置与负载串联，提供可变系统等值阻抗。
正常工作时自恢复保险丝的电阻很小，与大的限流电阻并联后总电阻更小，所以耗费功率很小；瞬间起动时如果起动电流较小，不超过自恢复保险丝的动作电流，那么自恢复保险丝的电阻增加，对该起动电流仍然起到抑制作用；如果起动电流较大，超过自恢复保险丝的动作电流，那么自恢复保险丝动作形成该支路短路，但是其并联的大限流电阻仍可正常工作，不但不会导致断路，而且可以提供大的限流电阻，有效抑制起动电流。在起动电流降低到自恢复保险丝的动作电流以下后，自恢复保险丝又可以自动恢复。
比起传统的限流电阻方法，本发明的优点在于可以同时提供更小的正常工作功耗和更好的瞬间大电流抑制效果；并实现完全自动操作无须人工干预；同时成本低廉，使用简单，适用面广。
需要指出的是，本发明所能适用的设备功率受到自恢复保险丝的动作电流等参数的限制，目前已有厂家提供的自恢复保险丝能够承受的最大电压为600Vrms，最大保持电流为15A；汽车用PPTC最大电压60Vdc，最大保持电流为15A；理论上可以通过并联自恢复保险丝来加大保持电流阈值从而提高对应的负载功率，但是需要保证所使用的自恢复保险丝的一致性较好，并在设计中预留较大的余量。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2所示，一种阻抗自调节的智能节电装置及其使用方法，包括供电系统1，智能节电装置2，负载3，三者之间采用串联形式，其阻抗依次为ZS、ZI和ZL，其中的智能节电装置2包括大限流电阻4和自恢复保险丝5，二者采用并联形式，其正常工作时电阻分别为R1和R2。
其中的负载为中国维科的HSV-220-100型伺服电机，其额定电压220VAC，输出功率100W，额定电流0.6A，峰值电流1.2A，线圈电阻41Ω，线圈电感49mH，额定转速3000转。
其中的自恢复保险丝为深圳市集电通实业有限公司的A250-1000自恢复保险丝，其不动作电流Ihold＝1.00A，动作电流Itrip＝2.00A，最高承受电压Vmax＝250Vrms，最大承受电流Imax＝10.0A，产品动作状态下的消耗功率仅为4.00W，最高电阻2.5欧姆。
其中的大限流电阻取值为100Ω。
正常工作时，自恢复保险丝与大限流电阻并联后电阻2.44Ω，电流主要从保险丝通过，Ihold＝1.00A>负载额定电流0.6A，所以自恢复保险丝不会动作。正常工作时整个智能节电装置的功耗约为I*I*R＝0.6×0.6×2.44＝0.878W，非常小，可以忽略不计。
电机起动时，伺服电机的起动电流通常为额定电流的5-7倍，按照220V/(41Ω+2.44Ω)＝5.06A，超过动作电流Itrip＝2A，但是小于最大承受电流Imax＝10A，所以自恢复保险丝动作但不会损坏。于是，起动电流从无限流保护时的220V/41Ω＝5.37A降低到220V/(41+100)Ω＝1.56A，降低约71％，能够起到非常明显的节电效果。
在电机正常起动后，自恢复保险丝又恢复到低阻状态，流经自恢复保险丝的电流又降低到Ihold以下，系统自动复位。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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