ITTO20120160A1

ITTO20120160A1 - ENERGY RESERVE DEVICE FOR HOME APPLICATIONS.

Info

Publication number: ITTO20120160A1
Application number: IT000160A
Authority: IT
Inventors: Raffaele Trani
Original assignee: Raffaele Trani
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-08-25

Description

<«>DISPOSITIVO DI RISERVA ENERGETICA PER APPLICAZIONI DOMESTICHE" <«> ENERGY RESERVE DEVICE FOR DOMESTIC APPLICATIONS"

- DESCRIZIONE - - DESCRIPTION -

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di riserva di energia elettrica con una duplice funzione, la prima consiste nel sopperire ad eventuali sovraccarichi alla linea elettrica dovuto all' utilizzo contemporaneo di più elettrodomestici, la seconda permette un risparmio sul costo dell'energia elettrica consumata sfruttando la tariffazione a fasce orarie, in particolare con la presente invenzione è possibile accumulare energia durante le fasce orarie più economiche e restituirla nelle fasce orarie più costose. The present invention refers to an electrical energy reserve device with a dual function, the first consists in compensating for any overloads to the electrical line due to the simultaneous use of several household appliances, the second allows a saving on the cost of the electrical energy consumed. by exploiting the hourly rate tariff, in particular with the present invention it is possible to accumulate energy during the cheaper time bands and return it in the more expensive time bands.

Come noto, l'ENEL ha sostituito i vecchi contatori elettromagnetici con i più moderni contatori elettronici che permettono la tele-lettura dei consumi e la tariffazione a fasce orarie. Con l'introduzione del sistema di misurazione elettronico è stato però modificato anche il metodo di controllo del sovraccarico di potenza assorbita dall'utente. In particolare i vecchi contatori erano abbinati a degli interruttori magnetotermici che avevano la caratteristica di sopportare il doppio della corrente nominale per circa venti minuti prima di sganciarsi, questo dava la possibilità agli utenti di utilizzare più elettrodomestici contemporaneamente fino ad arrivare anche a circa il doppio della potenza disponibile da contratto senza che il magnetotermico intervenisse. As is well known, ENEL has replaced the old electromagnetic meters with the most modern electronic meters that allow remote reading of consumption and tariffing by time slots. However, with the introduction of the electronic measurement system, the method for controlling the overload of the power absorbed by the user has also been changed. In particular, the old meters were combined with magnetothermic switches that had the characteristic of withstanding double the rated current for about twenty minutes before tripping, this gave users the possibility of using multiple appliances at the same time up to about double the rated current. power available by contract without the circuit breaker intervening.

Il contratto tipico di un'utenza domestica è di 3kW ed il nuovo contatore elettronico permette di assorbire 4kW per 3 ore dopodiché si sgancia, mentre se si superano i 4kW il contatore si sgancia dopo solamente 2 minuti. The typical contract of a domestic user is 3kW and the new electronic meter allows you to absorb 4kW for 3 hours after which it is released, while if you exceed 4kW the meter is released after only 2 minutes.

Considerando le potenze tipiche degli elettrodomestici più grossi quali ferro da stiro, lavatrice, scaldabagno ecc. abbiamo valori di potenza assorbita tipici dell'ordine di l,8-2kW, con l'utilizzo contemporaneo di due di questi elettrodomestici più qualche altra utenza più piccola è statisticamente molto probabile superare i 4kW di potenza assorbita con conseguente distacco della rete dopo 2 minuti. Considering the typical powers of the largest appliances such as iron, washing machine, water heater etc. we have typical absorbed power values of the order of l, 8-2kW, with the simultaneous use of two of these appliances plus some other smaller users it is statistically very likely to exceed 4kW of absorbed power with consequent disconnection of the grid after 2 minutes .

Ulteriore novità introdotta con l'istallazione dei contatori elettronici è la tariffazione del consumo per fasce orarie, in particolare al momento sono previste 2 fasce orarie una più economica, che va dalle 19 alle 8 del giorno successivo, l'altra più costosa nelle restanti ore della giornata, ma si prevede la possibilità di suddividerle ancora. L'introduzione di queste fasce orarie spinge gli utenti a concentrare l'utilizzo degli elettrodomestici nelle ore a più basso costo questo però fa sì che ci sia una maggiore probabilità di utilizzo contemporaneo di più utenze, ad es. lavatrice e phon oppure lavastoviglie e lavatrice, ecc. con conseguente aumento del rischio di distacco del contatore. Another novelty introduced with the installation of electronic meters is the pricing of consumption by time bands, in particular at the moment there are 2 time bands, one cheaper, which goes from 19 to 8 the following day, the other more expensive in the remaining hours. of the day, but it is possible to divide them again. The introduction of these time slots pushes users to concentrate the use of household appliances in the hours at the lowest cost, this however means that there is a greater probability of simultaneous use of multiple users, eg. washing machine and hairdryer or dishwasher and washing machine, etc. with a consequent increase in the risk of meter disconnection.

Lo scopo della presente invenzione quindi è quello di realizzare un dispositivo che permetta di evitare l'intervento del contatore elettronico per sovraccarico e contemporaneamente utilizzare energia a più basso costo. The object of the present invention is therefore that of realizing a device which allows to avoid the intervention of the electronic meter due to overload and at the same time to use energy at a lower cost.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo comprendente una batteria di accumulatori, un gruppo caricabatteria e booster isolato da rete, un gruppo inverter di rete e PFC ( Power Factor Corrector ), un'unità di controllo con tastiera e display ed un modem RF o Powerline; ancora abbinato a tale dispositivo , ma non necessariamente in esso contenuto, un misuratore di potenza assorbita dalla rete ed un ulteriore modem RF o Powerline. According to the present invention, a device is realized comprising an accumulator battery, a battery charger and booster unit isolated from the mains, a mains inverter unit and PFC (Power Factor Corrector), a control unit with keyboard and display and an RF modem or Powerline; still coupled to this device, but not necessarily contained therein, a meter for the power absorbed by the network and an additional RF or Powerline modem.

Per una migliore comprensione dell'invenzione, ne viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali: For a better understanding of the invention, a preferred embodiment is now described, purely by way of non-limiting example and with reference to the attached drawings, in which:

- la figura 1 mostra uno schema a blocchi del presente dispositivo; - figure 1 shows a block diagram of the present device;

- la figura 2 mostra uno schema a blocchi più dettagliato dei due moduli principali del presente dispositivo; Figure 2 shows a more detailed block diagram of the two main modules of the present device;

- la figura 3 mostra uno schema di principio più dettagliato dei due moduli principali nella forma di realizzazione del presente dispositivo qui descritta. Figure 3 shows a more detailed schematic diagram of the two main modules in the embodiment of the present device described here.

La figura 1 mostra il dispositivo 1 collegato alla rete elettrica attraverso la connessione 2, che può essere realizzata con una qualunque delle diverse modalità già note nella tecnica usuale degli impianti elettrici, in questo esempio di realizzazione si suppone che la connessione alla rete elettrica avvenga tramite una spina tradizionale in una qualunque presa dell'impianto elettrico. Figure 1 shows the device 1 connected to the electrical network through connection 2, which can be made with any of the different methods already known in the usual technique of electrical systems, in this embodiment it is assumed that the connection to the electrical network takes place through a traditional plug into any socket on the electrical system.

Il sistema prevede 3 modalità di funzionamento : 1) Modalità di monitoraggio The system has 3 operating modes: 1) Monitoring mode

2) Modalità caricabatteria 2) Battery charger mode

3) Modalità generatore 3) Generator mode

Nella modalità di monitoraggio l'unità di controllo ld del dispositivo 1 riceve, attraverso il modem le, l'informazione relativa all'assorbimento in rete trasmessa dal misuratore di potenza 4 (in particolari condizioni in cui il dispositivo 1 può essere collegato nei pressi del limitatore di sovraccarico il misuratore di potenza 4 può essere inglobato al dispositivo 1 ed il modem può essere eliminato). Se non sussistono le condizioni necessarie per immettere energia in rete, e se si trova nella fascia oraria prevista, l'unità di controllo ld analizza lo stato di carica degli accumulatori la, e se necessario, passa alla modalità caricabatteria. Nel caso in cui i valori ricevuti dal misuratore di potenza superino i limiti di consumo previsti l'unità di controllo provvede ad attivare il funzionamento in modalità generatore, immettendo in rete l'energia necessaria In the monitoring mode the control unit ld of device 1 receives, through the modem le, the information relating to the absorption in the network transmitted by the power meter 4 (in particular conditions in which the device 1 can be connected near the overload limiter the power meter 4 can be incorporated into the device 1 and the modem can be eliminated). If the necessary conditions for injecting energy into the grid do not exist, and if it is in the scheduled time slot, the control unit ld analyzes the state of charge of the accumulators la, and if necessary, switches to battery charger mode. In the event that the values received from the power meter exceed the expected consumption limits, the control unit activates the operation in generator mode, feeding the necessary energy into the grid.

Più dettagliatamente quando il sistema è in modalità caricabatteria l'energia necessaria a caricare gli accumulatori la viene prelevata dalla rete elettrica 3 attraverso la connessione 2 tramite il blocco Inverter di rete e PFC le che, attivato in modalità PFC dall'unità di controllo ld, ed in rispetto delle normative vigenti, assorbe una corrente di forma sinusoidale il cui valore dipende dal livello di carica degli accumulatori la. L'energia prelevata dal PFC viene inviata al blocco caricabatteria e booster isolato lb che, attivato in modalità caricabatteria dall'unità di controllo ld, e garantendo un isolamento galvanico di sicurezza, carica gli accumulatori la nella modalità ottimale richiesta dal tipo e dalla tecnologia degli accumulatori stessi. More specifically, when the system is in battery charger mode, the energy needed to charge the accumulators is taken from the electricity grid 3 through connection 2 through the grid inverter block and PFC le which, activated in PFC mode by the control unit ld, and in compliance with the regulations in force, it absorbs a sinusoidal current whose value depends on the charge level of the accumulators la. The energy taken from the PFC is sent to the isolated battery charger and booster block lb which, activated in battery charger mode by the control unit ld, and ensuring a safety galvanic isolation, charges the accumulators la in the optimal mode required by the type and technology of the accumulators themselves.

Quando l'unità di controllo ld riceve dal misuratore di potenza 4 un valore di consumo superiore al limite impostato inverte la modalità di funzionamento del dispositivo, in particolare il blocco caricabatteria e booster lb viene attivato in modalità booster e prelevando energia dagli accumulatori la e, mantenendo sempre un isolamento galvanico di sicurezza, la trasferisce in modo adeguato al gruppo inverter di rete e PFC le. Tale gruppo viene attivato dall'unità di controllo ld in modalità inverter di rete ed invia energia alla rete elettrica 3 tramite il collegamento 2. When the control unit ld receives from the power meter 4 a consumption value higher than the set limit, it inverts the operating mode of the device, in particular the battery charger and booster block lb is activated in booster mode and drawing energy from the accumulators la e, always maintaining a safety galvanic isolation, it transfers it in an adequate way to the grid inverter group and PFC le. This group is activated by the control unit ld in grid inverter mode and sends energy to grid 3 through connection 2.

In una realizzazione tradizionale i blocchi lb ed le sono realizzati con moduli separati, come illustrato nella figura 3. In particolare il blocco lb viene suddiviso in ulteriori due moduli, il modulo booster Ibi ed il modulo carìcabatterie lb2, comandati separatamente dall'unità di controllo ld; allo stesso modo il blocco le viene suddiviso in due ulteriori moduli, il modulo inverter di rete lei ed il modulo PFC lc2, anch'essi comandati separatamente dall'unità di controllo. Tutti i moduli sopra descritti sono unidirezionali, cioè permettono il trasferimento di energia solamente dal proprio ingresso verso la propria uscita. In a traditional embodiment, the blocks lb and lb are made with separate modules, as illustrated in Figure 3. In particular, the block lb is divided into two further modules, the booster module Ibi and the battery charger module lb2, controlled separately by the control unit ld; in the same way, the block le is divided into two further modules, the grid inverter module lei and the PFC lc2 module, which are also controlled separately from the control unit. All the modules described above are unidirectional, that is, they allow the transfer of energy only from their input to their output.

Nella forma di realizzazione qui presentata si ottiene un risparmio sui costi di produzione del dispositivo accorpando ogni coppia di moduli, Ibi ed lb2, e lei ed lc2, in una soluzione circuitale unica e bidirezionale o invertibile lb ed le. Per bidirezionale o invertibile si intende la capacità di un circuito di trasferire energia sia dall'ingresso verso l'uscita sia dall'uscita verso l'ingresso, tale caratteristica può essere ottenuta in alcuni casi lasciando inalterata la caratteristica di funzionamento mentre in altri cambiando la configurazione della caratteristica di funzionamento. A titolo di esempio, per il blocco booster e caricabatteria, si potrebbe usare un flyback invertibile per potenze fino a circa 300W, oppure un Push-Pull invertibile per potenze fino a l÷2kW, oppure ancora un Full-Bridge invertibile per potenze superiori a 2 kW. In the embodiment presented here, a saving on the production costs of the device is obtained by combining each pair of modules, Ibi and lb2, and lei and lc2, in a single and bi-directional or invertible circuit solution 1b and lb. By bidirectional or invertible we mean the ability of a circuit to transfer energy both from the input to the output and from the output to the input, this characteristic can be obtained in some cases leaving the operating characteristic unchanged while in others by changing the configuration of the operating characteristic. As an example, for the booster and battery charger block, you could use an invertible flyback for powers up to about 300W, or an invertible Push-Pull for powers up to 1 ÷ 2kW, or an invertible Full-Bridge for powers above 2kW. kW.

Nella forma di realizzazione qui presentata si prevede l'utilizzo della configurazione mista mostrata in fig. 3. In questa configurazione la parte di circuito dal lato degli accumulatori 301 è realizzata con una configurazione circuitale Push-pull mentre la parte di circuito dal lato del condensatore 323 è realizzata in configurazione Full-bridge. Il funzionamento del circuito cambia in funzione del verso di trasferimento dell'energia, infatti quando il circuito funziona come booster viene realizzata una configurazione "Current Fed Push-Pull" mentre quando il circuito funziona come Caricabatteria viene realizzata una configurazione "Buck Full-Bridge" classica. Più dettagliatamente in funzionamento come Current Fed l'induttore 302 funge da generatore a corrente costante, gli switches 306 e 307 agiscono come interruttori, sono normalmente chiusi e si aprono alternativamente per trasferire tale corrente al secondario del trasformatore 304, gli switches 308, 309 , 310 e 311 funzionano come rettificatori sincroni e l'energia viene trasferita dagli accumulatori 301 al condensatore 323. Nel funzionamento come Buck Push-Pull il circuito lavora come in una configurazione standard nella quale gli switches 308, 309 , 310 e 311 agiscono come interruttori, mentre gli switches 306 e 307 funzionano come rettificatori sincroni, l'induttore 302 agisce da induttanza di Storage ed il diodo 303 funziona come diodo di ricircolo. L'energia viene trasferita dal condensatore 323 agli accumulatori 301. In the embodiment presented here, the use of the mixed configuration shown in fig. 3. In this configuration the part of the circuit on the side of the accumulators 301 is made with a Push-pull circuit configuration while the part of the circuit on the side of the capacitor 323 is made in a Full-bridge configuration. The operation of the circuit changes according to the direction of energy transfer, in fact when the circuit works as a booster a "Current Fed Push-Pull" configuration is created while when the circuit works as a Battery Charger a "Buck Full-Bridge" configuration is created. classical. More specifically in operation as Current Fed the inductor 302 acts as a constant current generator, the switches 306 and 307 act as switches, they are normally closed and open alternately to transfer this current to the secondary of the transformer 304, the switches 308, 309, 310 and 311 function as synchronous rectifiers and energy is transferred from accumulators 301 to capacitor 323. In operation as Buck Push-Pull the circuit works as in a standard configuration in which switches 308, 309, 310 and 311 act as switches, while the switches 306 and 307 function as synchronous rectifiers, the inductor 302 acts as a Storage inductance and the diode 303 functions as a free-wheeling diode. Energy is transferred from capacitor 323 to accumulators 301.

La figura 3 mostra anche la configurazione utilizzata per il blocco Inverter di rete e PFC nella forma di realizzazione qui presentata. In dettaglio, quando il sistema funziona come Inverter di rete gli switches 312, 313, 314 e 315 agiscono come interruttori, l'induttore 316 ed il condensatore 317 agiscono da filtro mentre l'induttore 318 agisce da induttanza di limitazione per la generazione della corrente verso la rete 320. Tale corrente viene regolata dall'unità di controllo 321 che utilizza come segnali di riferimento e retroazione rispettivamente la tensione di rete 320 ed il valore letto dal sensore di corrente 319. La fase della corrente erogata sarà tale da trasferire l'energia dal condensatore 323 alla rete 320 Figure 3 also shows the configuration used for the Network Inverter and PFC block in the embodiment presented here. In detail, when the system works as a grid inverter, the switches 312, 313, 314 and 315 act as switches, the inductor 316 and the capacitor 317 act as a filter while the inductor 318 acts as a limiting inductance for generating the current. towards the mains 320. This current is regulated by the control unit 321 which uses the mains voltage 320 and the value read by the current sensor 319 as reference and feedback signals respectively. The phase of the current delivered will be such as to transfer the energy from capacitor 323 to network 320

Nel funzionamento come PFC gli switches 312, 313, 314 e 315 agiscono ancora come interruttori, l'induttore 318 ed il condensatore 317 agiscono da filtro mentre l'induttore 316 agisce da induttanza di Storage per la generazione della tensione Vbus del condensatore 323. La corrente assorbita dalla rete 320 viene regolata dall'unità di controllo 321 che utilizza come segnali di riferimento e retroazione rispettivamente la tensione di rete 320 ed il valore letto dal sensore di corrente 319. La fase della corrente assorbita sarà tale da trasferire l'energia dalla rete 320 al condensatore 323. When operating as PFC switches 312, 313, 314 and 315 still act as switches, the inductor 318 and the capacitor 317 act as a filter while the inductor 316 acts as a Storage inductance for the generation of the Vbus voltage of the capacitor 323. The current absorbed by the network 320 is regulated by the control unit 321 which uses the network voltage 320 and the value read by the current sensor 319 respectively as reference and feedback signals. The phase of the absorbed current will be such as to transfer the energy from the network 320 to capacitor 323.

Claims

CLAIMS 1. Energy reserve device 1 which makes it possible to avoid the intervention of the load limiter of the meter 5 by compensating for a possible momentary overload of the electrical network 3 by using energy stored in the time bands at a lower cost, comprising an accumulator battery la, a reversible block "Booster - Battery charger" Ib, an invertible block "Network inverter - PFC" le, a control unit ld and an RF or Powerline modem, characterized by the fact that said device is connected to the electrical network 3, through the connection 2, in any part of the system; the device further comprises a power measurement unit 4 which continuously transmits the information relating to the absorbed power.

2. Device according to claim 1, wherein said "Booster - Battery charger" block 1b further comprises an "Isolated booster" circuit Ibi and an "Isolated battery charger" circuit 1b2, distinct from each other, and in which said network inverter block - PFC "comprises an" Inverter "circuit lei and a PFC circuit lc2, distinct from each other, all controlled by the control unit ld.

3. Device according to claim 1 or 2, wherein said "Booster - Battery charger" block 1b further comprises any single and invertible circuit with the function of "Isolated Booster and Isolated Battery Charger" and in which said "Network inverter - PFC" block it also includes any single and invertible circuit with "Inverter - PFC" function, all controlled by the control unit ld.

4. Device according to any one of the preceding claims, in which said invertible blocks "Booster - Battery charger" 1b and "Network inverter - PFC" comprise switches that can be made with any of the technologically available components, BJT transistors, MOSFETs or IGBTs .

5. Device according to any one of the preceding claims, wherein said Control Unit ld comprises an "RF Modem or Powerline" communication block le, through which it receives the information relating to the power consumption from the electrical network 3 and adjusts accordingly the functionality of the device 1 also including the distinction of low-cost time bands.

6. Device according to any one of the preceding claims, wherein said unit for measuring the absorbed power 4, comprises an absorbed power meter and a communication unit, RF modem or Powerline, through which it transmits information relating to the absorbed power to the control unit ld.

7. Device according to any one of the preceding claims, in which said unit for measuring the absorbed power 4, can be incorporated into the device 1 and connected without a modem to the control unit 1d, in all applications which provide for the connection of the device 1 in the near the overload limiter.

8. Device according to any one of the preceding claims, wherein said connection 2 comprises any of the methods envisaged by the current technical standard for connecting equipment to the electrical network such as terminals, schuko plug etc.

9. Device according to any one of the preceding claims, in which said accumulator battery la, comprises batteries with technology suitable for the accumulation of electric energy with charging rates depending on the technology itself, in particular from the slowest lead (Pb) to the most rapid lithium polymers (LiPo).

10. Device according to any one of the preceding claims, wherein said Control Unit 1d comprises a clock / calendar, a display and a keyboard 1f for setting the operating mode and the time bands at the lowest cost and displaying the operating status of the device same.