CN100414833C

CN100414833C - 控制空调风机马达速度的装置

Info

Publication number: CN100414833C
Application number: CNB2005100629902A
Authority: CN
Inventors: 韩承道; 申铉定
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2025-04-04
Also published as: EP1667319A2; US20060108969A1; CN1780139A; EP1667319A3; KR100690652B1; EP1667319B1; JP2006149179A; KR20060057355A

Abstract

一种控制空调风机马达速度的装置，包括：一频率和电压相位转换器，用于依照一控制信号同时改变一商用AC电源的电压相位和频率以及将依照该改变后的频率和电压相位改变了的电压应用于该空调的该混和感应马达；一零压检测器，用于接收该商用AC电源并检测该商用AC电源的电压波的零压；以及一微型计算机，其电连接该零压检测器与该频率和电压相位转换器，其依照零压产生的时间点、基于一频率命令生成提供一预定频率转换模式的该控制信号，并且将该控制信号输出至该频率和电压相位转换器。

Description

控制空调风机马达速度的装置

技术领域

本发明涉及一种空调，并且尤其是涉及一种控制空调风机马达速度的装置。

背景技术

通常，使用单相感应马达作为空调风机马达。为了产生旋转扭矩，该单相感应马达提供产生旋转场的磁电流以及由转子产生的感应电流至与外电源终端连接的绕组。

由于定子的初级铜损和转子的次级铜损，提高该单相感应马达的效率受到限制。

为解决这种限制，目前一种如图1和图2中所示的混和感应马达(HIM)被用作空调风机马达。

图1为依照传统技术的HIM的示意性的截面图，图2为沿图1的HIM中的B-B’线的示意性的截面俯视图。

如图1和图2中所示，该传统HIM100的一支撑架104中包括一定子105以及设置在该定子105内侧的一感应转子101。多个沟槽108凸出地形成在该定子105的内侧，并且用于施加电流的线圈103缠绕在沟槽108上。

铝转子条112垂直地插入到以上/下方向形成在转子101边缘处的多个空气间隙中。并且铝转子条112由端环102相连接。

用于将转子101的旋转力传递到外部的一旋转轴109设置在形成于该感应转子101中心的一空气间隙110中。该旋转轴109能够通过设置在支撑架104中的一含油轴承107旋转。

永久磁铁转子106设置在定子105与感应转子101之间，该永久磁铁转子106在通过由定子105产生的旋转场旋转的同时，用于以强磁通量旋转转子101。

当交流(VC)电压施加到传统HIM上时，该永久磁铁转子106被施加到定子105的线圈103的电流旋转，并且该旋转的永久磁铁转子106产生具有强磁通量的旋转场，以旋转该感应转子101。同时，处于低惯性状态中的该永久磁铁转子106从风机(未示出)分离，并被定子105的旋转场驱动旋转。并且当由于该永久磁铁转子106的旋转场，产生磁通量的扭矩施加到该感应转子101时，该感应转子101旋转。

换言之，当该永久磁铁转子106由分布式线圈的定子产生的椭圆形旋转场旋转时，该永久磁铁转子106产生具有强磁通量的旋转场以使该感应转子101旋转，这样该HIM可以高效并低噪音地运转。

以下将参考图3和图4对用以控制空调风机马达速度的传统装置和通常的感应马达的速度特性进行描述。

图3为显示依照传统技术的用于控制风机马达(HIM)速度的装置的构造的电路图，图4为显示该传统HIM以及一通常的感应马达的速度特性的曲线图。

如图3所示，当用于通过控制经一个三端双向可控硅开关元件施加到该风机马达(HIM)的电压的相位来控制该风机马达的旋转速度的装置应用到该HIM上时，依照该电压的速度控制范围(即，790～880RPM(每分钟转数，RPM))受到限制，如图4所示。也就是说，由于该永久磁铁转子106，该速度控制在790～880RPM的范围内。这导致一个问题，即控制风机马达速度的传统装置不能应用于所需速度控制范围高于100RPM的空调。

2004年11月16日公开的美国专利第6,819,026号也披露了一种用作空调风机马达的感应马达。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种控制空调风机马达速度的装置，其能够通过依照用户的频率命令同时改变AC电压的相位和频率来扩大空调风机马达速度控制范围。

本发明的又一目的在于提供一种控制空调风机马达速度的装置，其能够通过依照用户的频率命令同时改变AC电压的相位和频率来减小空调风机马达的能量消耗。

为实现这些和其它优点，并依照本发明目的，如在此实施和宽泛描述的那样，提供了一种控制空调风机马达速度的装置，包括：一频率和电压相位转换器，用于依照一控制信号同时改变一商用AC电源的电压相位和频率以及将依照该改变后的频率和电压相位改变了的电压应用于该空调的风机马达，以增加或减少该空调的风机马达的速度；一零压检测器，用于接收该商用AC电源并检测该商用AC电源的电压波的零压；以及一微型计算机，电连接于该零压检测器与该频率和电压相位转换器，该微型计算机基于零压产生的时间点、根据一频率命令生成提供一预定频率转换模式的该控制信号，并且将该控制信号输出至该频率和电压相位转换器。

为达到上述目的，在此还提供一种控制空调风机马达速度的装置，包括：一HIM(混和感应马达)，其具有一定子、一感应转子以及设置在该定子和该感应转子之间的一永久磁铁转子，该装置包括：一频率和电压相位转换器，用于依照一控制信号同时改变一商用AC电源的电压相位和频率以及将依照该改变后的频率和电压相位改变了的电压应用于该空调的HIM，以增加和减少该空调的HIM的速度；一零压检测器，用于接收该商用AC电源并检测该商用AC电源的电压波的零压；以及一微型计算机，其电连接于该零压检测器与该频率和电压相位转换器，其基于零压产生的时间点、根据一频率命令生成提供一预定频率转换模式的该控制信号，并且将该控制信号输出至该频率和电压相位转换器。其中该频率和电压相位转换器包括：一第一三端双向可控硅开关元件；一第二三端双向可控硅开关元件，串联于该第一三端双向可控硅开关元件；一第三三端双向可控硅开关元件，并联于该第一三端双向可控硅开关元件；以及一第四三端双向可控硅开关元件，串联于该该第三三端双向可控硅开关元件并且并联于该第二三端双向可控硅开关元件，并且该HIM电连接于位于该第一和第二三端双向可控硅开关元件之间的一第一接点与位于该第三和第四三端双向可控硅开关元件之间的一第二接点。

本发明的前述的和其它的目的、特征、方面和优势在下面结合附图的详细描述中会变得更加清楚。

附图说明

所包含的附图提供了对本发明的进一步理解并且包含在该说明书构成为说明书的一个组成部分。附图示出了本发明的实施例并且与说明书一起用作解释本发明的原理。其中：

图1为依照传统技术的HIM的示意性的截面图；

图2为沿图1中的HIM的B-B’线的示意性截面俯视图；

图3为显示依照传统技术的控制风机马达(HIM)速度的装置构造的电路图；

图4为显示传统HIM以及一通常的感应马达速度特性的曲线图；

图5为显示依照本发明优选实施例的控制空调风机马达速度的装置的构造的示意图；

图6为显示依照本发明优选实施例的控制空调风机马达速度的装置的频率和电压相位转换器的构造的结构图；

图7A至7F为显示依照本发明的频率切换模式的六个实施例的波形；

图8为显示依照本发明当控制空调风机马达速度的装置应用到HIM时，HIM的能量消耗和旋转次数与传统技术相比较的曲线图。

具体实施方式

下面将参考图5至图8描述根据本发明优选实施例的一种控制空调风机马达速度的装置，其能够通过依照用户的频率命令同时改变AC电压的相位和频率来扩大空调风机马达速度的控制范围，并降低风机马达的能量消耗。

图5是示出了依照本发明优选实施例的控制空调风机马达速度的装置的构造的示意图。

如图5所示，控制空调风机马达速度的装置包括：一频率和电压相位转换器203，其用于依照控制信号，同时改变商用AC电源的电压相位和频率，并且将依照改变后电压相位和频率改变的电压应用于空调的风机马达(HIM)100；一零压检测器201，其用于接收该商用AC电源并检测该商用AC电源的电压波的零压；以及电连接于该零压检测器201与该频率和电压相位转换器203的一微型计算机202，其基于零压产生的时间点、根据频率命令生成提供预定频率转换模式的一控制信号，并且将该控制信号输出至该频率和电压相位转换器。

这里，空调的风机马达为HIM100。微型计算机202包括一存储器(未显示)。该存储器预存有频率转换模式，用以依照一频率命令执行控制风机马达100的速度的频率。

当输出电压波形的频率降低时，微型计算机202增加该输出电压波形的触发角(firing angle)。例如，如果该输出电压波形的频率增加，微型计算机202成反比例地减小该输出电压波形的触发角，并且当输出电压波形的频率降低时，微型计算机202成反比例地增加该输出电压波型的触发角。

图6为显示了依照本发明优选实施例的控制空调风机马达速度的装置的频率和电压相位转换器的构造的方块图。

如图6所示，该频率和电压相位转换器203包括一第一开关装置203A；与该第一开关装置203A相串联的一第二开关装置203C；与该第一开关装置203A相并联的一第三开关装置203B；以及与该第三开关装置203B相串联并且与该第二开关装置203C相并联的一第四开关装置203D。

该风机马达100电连接于位于该第一和第二开关装置203A和203C之间的一第一接点以及位于该第三和第四开关装置203B和203D之间的一第二接点。即，该第一和第四开关装置203A和203D设置在相对于该风机马达100的正向，并且该第二和第三开关装置203B和203C设置在相对于该风机马达100的反方向。优选地使用三端双向可控硅开关元件或反相器作为该第一至第四开关装置203A～203D。在本发明中，该第一至第四开关装置203A～203D分别由三端双向可控硅开关元件(Triac1～Triac4)形成。

下面将参考图5和图6描述依照本发明的控制空调风机马达速度的装置的运转。

首先，当用户发出用于控制风机马达100速度的频率命令时，该微型计算机202从存储器中选择相应于该频率命令的一预定频率转换模式，并且基于由零压检测器201检测到的产生零压的时间点，向该频率和电压相位转换器203输出一控制信号，该控制信号用于提供所选择的频率转换模式。

该频率和电压相位转换器203通过依照该控制信号控制四个三端双向可控硅开关元件Triac1～Triac4的开/关来控制风机马达100的速度。这里，该频率转换模式可依照该频率命令而改变。

下面将参考图7A至7F描述依照该频率命令的频率转换模式的六种类型的实施例。

图7A至图7F为显示了依照本发明的频率转换模式的六个实施例的波形。

如图7A所示，作为第一频率转换模式，当用户输入用于保持商用AC电压(如60Hz)的频率(f)的频率命令时，在该商用AC电压波形的整个周期中，只有第一和第四开关装置Triac1和Triac3依照一预定的第一触发角(如，10°)切换。即，当该商用AC电压波形的触发角为10°时，如图7A中所示的频率波形可通过仅开启该第一和第四开关装置而产生。

这里，该商用AC电压设定为220V并且该商用AC电压的频率(f)设定为60Hz，当该速度控制装置的该频率和电压相位转换器203依照该第一频率转换模式运转时，由实验可知施加到该HIM100的电压被测定为219V并且该HIM的速度被测定为855RPM。

如图7B所示，作为第二频率转换模式，当用户输入用于将商用AC电压的频率(f)转换成频率为f*2/3(如，40Hz)的电压的频率命令时，执行第一步，在一个周期内开启该第一和第四开关装置Triac1和Triac3；第二步，在下半个(1/2)周期内，关闭该第一和第四开关装置Triac1和Triac3，以及第三步，在下一个周期内，通过开启该第二和第三开关装置Triac2和Triac4反转电压。并且随后，依照一预定的第二触发角(如，20°)重复执行该第一至第三步骤，以产生如图7B中所示的频率波形。例如，当该商用AC电压波形的触发角为20°时，如图7B中所示的频率波形可通过重复执行该第一至第三步骤而产生。

这里，该商用AC电压设定为220V并且该商用AC电压的频率(f)设定为60Hz，当该速度控制装置的该频率和电压相位转换器203依照该第二频率转换模式运转时，由实验可知施加到该HIM100的电压被测定为138V并且该HIM的速度被测定为613RPM。

如图7C所示，作为第三频率转换模式，当用户输入用于将商用AC电压的频率(f)转换成频率为f/2(如30Hz)的电压的频率命令时，执行如下步骤：第一步，在一个周期内，开启该第一和第四开关装置Triac1和Triac3，以及第二步，在下一个周期内，通过开启该第二和第三开关装置Triac2和Triac4反转电压。并且随后，依照一预定的第三触发角(如，50°)重复执行该第一和第二步骤，以产生如图7C中所示的频率波形。例如，当该商用AC电压波形的触发角为50°时，如图7C中所示的频率波形可通过重复执行该第一和第二步骤而产生。

这里，该商用AC电压设定为220V并且该商用AC电压的频率(f)设定为60Hz，当该速度控制装置的该频率和电压相位转换器203依照该第三频率转换模式运转时，由实验可知施加到该HIM100的电压被测定为119V并且该HIM的速度被测定为492RPM。

同时，当依照该第三频率转换模式所产生的电压施加到该风机马达100时，在该三端双向可控硅开关元件Triac1和Triac4的端部的电压的相位均能因反电动势而被延迟，因此，可能会产生臂短路或者驱动错误。因此，优选地将依照该第四频率转换模式产生的电压施加给该风机马达100。

如图7D所示，作为第四频率转换模式，当用户输入用于将商用AC电压的频率(f)转换成频率为f/2(如，30Hz)的电压的一频率命令时，执行如下步骤：第一步，在半个(1/2)周期内，开启该第一和第四开关装置Triac1和Triac3；第二步，在下半个(1/2)周期内，关闭该第一和第四开关装置Triac1和Triac3；第三步，在接下来的半个(1/2)周期内，通过开启该第二和第三开关装置Triac2和Triac4反转电压，以及第四步，在下半个(1/2)周期内，关闭该第二和第三开关装置Triac2和Triac4。并且随后，依照一预定的第四触发角(如，40°)重复执行该第一至第四步骤，以产生如图7D中所示的频率波形。例如，当该商用AC电压波形的触发角为40°时，如图7D中所示的频率波形可通过重复执行该第一至第四步骤而产生。

即，使用该第四频率转换模式防止了产生臂短路和驱动错误。在这方面，优选地，该预定的第四触发角设定为比该预定的第三触发角小，以防止臂短路和驱动错误。

这里，该商用AC电压设定为220V并且该商用AC电压的频率(f)设定为60Hz，当该速度控制装置的该频率和电压相位转换器203依照该第四频率转换模式运转时，由实验可知施加到该HIM100的电压被测定为111V并且该HIM的速度被测定为497RPM。

如图7E中所示，作为第五频率转换模式，当用户输入用于将商用AC电压的频率(f)转换成频率为f/3(如，20Hz)的电压的一个频率命令时，执行如下步骤：第一步，在半个(1/2)周期内，开启该第一和第四开关装置Triac1和Triac3；第二步，在下半个(1/2)周期内，通过开启该第二和第三开关装置Triac2和Triac4反转电压；第三步，在下半个(1/2)周期内，开启该第一和第四开关装置Triac1和Triac3；第四步，在下半个(1/2)周期内，通过开启该第二和第三开关装置Triac2和Triac4反转电压；以及第五步，在下半个(1/2)周期内，开启该第一和第四开关装置Triac1和Triac3。并且随后，依照一预定的第五触发角(如，70°)重复执行该第一至第五步骤，以产生如图7E中所示的频率波形。例如，当该商用AC电压波形的触发角为70°时，如图7E中所示的频率波形可通过重复执行该第一至第五步而产生。

这里，该商用AC电压设定为220V并且该商用AC电压的频率(f)设定为60Hz，当该速度控制装置的该频率和电压相位转换器203依照该第五频率转换模式运转时，由实验可知施加到该HIM100的电压被测定为91V并且该HIM的速度被测定为355RPM。

同时，当依照该第五频率转换模式所产生的电压施加到该风机马达100时，在该三端双向可控硅开关元件Triac1和Triac4的端部的电压的相位均因反电动势而被延迟，因此，可能会产生臂短路或者驱动错误。因此，优选地将依照第六频率转换模式产生的电压施加给该风机马达100。

如图7F中所示，作为第六频率转换模式，当用户输入用于将商用AC电压的频率(f)转换成频率为f/3(如，20Hz)的电压的一哥频率命令时，执行如下步骤：第一步，在半个(1/2)周期内，开启该第一和第四开关装置Triac1和Triac3；第二步，在下半个(1/2)周期内，通过开启该第二和第三开关装置Triac2和Triac4反转电压；第三步，在下半个(1/2)周期内，关闭该第二和第三开关装置Triac2和Triac4；第四步，在下半个(1/2)周期内，开启该第一和第四开关装置Triac1和Triac3；第五步，在下半个(1/2)周期内，通过开启该第二和第三开关装置Triac2和Triac4反转电压；以及第六步，在下半个(1/2)周期内，关闭该第二和第三开关装置Triac2和Triac4。并且随后，依照比该预定的第五触发角小的一预定的第六触发角(如，60°)重复执行该第一至第六步骤，以产生如图7F中所示的频率波形。例如，当该商用AC电压波形的触发角为60°时，如图7F中所示的频率波形可通过重复执行该第一至第六步骤而产生。

即，使用该第六频率转换模式防止了产生臂短路和驱动错误。在这方面，优选地，该预定的第六触发角设定为比该预定的第五触发角小，以防止臂短路和驱动错误。

这里，该商用AC电压设定为220V并且该商用AC电压的频率(f)设定为60Hz，当该速度控制装置的该频率和电压相位转换器203依照该第六频率转换模式运转时，由实验可知施加到该HIM100的电压被测定为84V并且该HIM的速度被测定为357RPM。

图8为一曲线图，其显示了依照本发明当控制空调风机马达速度的装置应用到HIM时，HIM的能量消耗和旋转次数与传统技术的比较。

如图8所示，依照本发明的控制空调风机马达速度的装置能够通过使用该四个三端双向可控硅开关元件，依照用户的命令同时改变该商用AC电压的相位和频率，从而扩展空调风机马达速度控制范围并降低能量消耗。

例如，当控制空调风机马达速度的装置应用于HIM100时，空调风机马达速度控制范围为355、357、492、497、613和855RPM(本发明的HIM的速度控制范围为355～855RPM)，因此，该速度控制范围能够应用于需要速度控制范围超过100RPM的空调。另外，通过将该控制空调风机马达速度的装置应用于该HIM，能够降低空调风机马达的能量消耗。

如上所述，依照本发明的控制空调风机马达速度的装置具有这样的优势：通过使用该四个三端双向可控硅开关元件，能够依照用户的命令同时改变该商用AC电压的相位和频率，该HIM的速度控制范围能够得到扩展并且能够降低该HIM的能量消耗。

在不脱离本发明精神或实质特征的情况下，其可具有多种型式的实施例。还应当理解，上述实施例并不局限于前面描述的任何具体细节，除非特别声明，而应当宽泛的理解为如所附权利要求所限定的精神和范围内。因此，所有落入到权利要求的范围内的改变和修饰或等同于该范围的改变和修饰均包含在所附权利要求中。

Claims

1. 一种控制空调风机马达速度的装置，该空调包括一混和感应马达，该混合感应马达具有一定子、一感应转子以及设置在该定子和该感应转子之间的一永久磁铁转子，该装置包括：

一频率和电压相位转换器，用于根据一控制信号同时改变一商用AC电源的电压相位和频率，并将根据该改变后的频率和电压相位改变了的电压输出到该空调的该混和感应马达，以增加或减少该混和感应马达的速度；

一零压检测器，用于接收该商用AC电源，并检测该商用AC电源的电压波的零压；以及

一微型计算机，电连接于该零压检测器与该频率和电压相位转换器，该微型计算机用于基于零压产生的时间点、根据一频率命令产生提供一预定频率转换模式的该控制信号，并且将该控制信号输出至该频率和电压相位转换器。

2. 如权利要求1所述的装置，其中当所输出的电压的频率降低时，该微型计算机增加所输出的电压的一触发角。

3. 如权利要求1所述的装置，其中该频率和电压相位转换器包括：

一第一开关装置；

一第二开关装置，串联于该第一开关装置；

一第三开关装置，并联于该第一开关装置；以及

一第四开关装置，串联于该第三开关装置并且并联于该第二开关装置，

其中该风机马达电连接于位于该第一和第二开关装置之间的一第一接点与位于该第三和第四开关装置之间的一第二接点。

4. 如权利要求3所述的装置，其中该第一至第四开关装置分别为三端双向可控硅开关元件。

5. 如权利要求3所述的装置，其中该第一至第四开关装置分别为反相器。

6. 如权利要求3所述的装置，其中当用户输入用于保持该商用AC电源的频率的一频率命令时，该频率转换模式在该商用AC的电压波形的一个完整周期中依照一预设触发角仅开启该第一和第四开关装置。

7. 如权利要求3所述的装置，其中，作为该频率转换模式，当用户输入用于将频率为f的商用AC电压转换成频率为f*2/3的电压的一频率命令时，执行如下步骤：

第一步，在一个周期内，开启该第一和第四开关装置，

第二步，在第一步中的所述一个周期之后的下半个周期内，关闭该第一和第四开关装置，

第三步，在第二步中的所述半个周期之后的下一个周期内，通过开启该第二和第三开关装置反转电压；

其中，该第一至第三步依照一预设触发角执行，并且当所输出的电压的频率降低时，该预设触发角增加。

8. 如权利要求3所述的装置，其中，作为该频率转换模式，当用户输入用于将频率为f的商用AC电压转换成频率为f/2的电压的一频率命令时，执行如下步骤：

第一步，在一个周期内，开启该第一和第四开关装置，以及

第二步，在下一个周期内，通过开启该第二和第三开关装置反转电压；

其中，该第一和第二步依照一预设触发角执行，并且当所输出的电压的频率降低时，该预设触发角增加。

9. 如权利要求3所述的装置，其中，作为该频率转换模式，当用户输入用于将频率为f的商用AC电压转换成频率为f/2的电压的一频率命令时，执行如下步骤：

第一步，在半个周期内，开启该第一和第四开关装置，

第二步，在第一步中的所述半个周期之后的下半个周期内，关闭该第一和第四开关装置，

第三步，在第二步的所述半个周期之后的下半个周期内，通过开启该第二和第三开关装置反转电压，以及

第四步，在第三步的所述半个周期之后的下半个周期内，关闭该第二和第三开关装置，

其中该第一至第四步依照一预设触发角执行，并且当所输出的电压的频率降低时，该预设触发角增加。

10. 如权利要求3所述的装置，其中，作为该频率转换模式，当用户输入用于将频率为f的商用AC电压转换成频率为f/3的电压的一频率命令时，执行如下步骤：

第一步，在半个周期内，开启该第一和第四开关装置，

第二步，在第一步中的所述半个周期之后的下半个周期内，通过开启该第二和第三开关装置反转电压，

第三步，在第二步的所述半个周期之后的下半个周期内，开启该第一和第四开关装置，

第四步，在第三步的所述半个周期之后的下半个周期内，通过开启该第二和第三开关装置反转电压，以及

第五步，在第四步的所述半个周期之后的下半个周期内，开启该第一和第四开关装置，

其中该第一至第五步依照一预设触发角执行，并且当所输出的电压的频率降低时，该预设触发角增加。

11. 如权利要求3所述的装置，其中，作为该频率转换模式，当用户输入用于将频率为f的商用AC电压转换成频率为f/3的电压的一频率命令时，执行如下步骤：

第一步，在半个周期内，开启该第一和第四开关装置，

第三步，在第二步的所述半个周期之后的下半个周期内，关闭该第二和第三开关装置，

第四步，在第三步的所述半个周期之后的下半个周期内，开启该第一和第四开关装置，

第五步，在第四步的所述半个周期之后的下半个周期内，通过开启该第二和第三开关装置反转电压，以及

第六步，在第五步的所述半个周期之后的下半个周期内，关闭该第二和第三开关装置，

其中该第一至第六步依照一预设触发角执行，并且当所输出的电压的频率降低时，该预设触发角增加。

12. 如权利要求1或4所述的装置，其中该微型计算机包括一储存器，用于存储依照该频率命令所预定的频率转换模式。

13. 如权利要求1或4所述的装置，其中当所输出的电压的频率增加时，该微型计算机降低所输出的电压波形的触发角，并且当所输出的电压波形的频率降低时，该微型计算机增加所输出的电压波形的触发角。