CN101023573A - 用于供给负载的电功率的正弦调节的电路 - Google Patents

Abstract

一种用于对供应给负载的电功率进行正弦调节的电路，其包括输入接口(5)，用于接收由电源单元(6)提供的电功率，以及输出接口(11)，用于对负载(4)供应预定的电功率；所述电路(1)还包括多个容性元件(2)；多个热敏电阻调节元件以及多个整流器(3)，每个和各自的容性元件(2)相连。每个整流器(3)能够被在第一操作状态和第二操作状态之间驱动，在第一操作状态，其闭合在所述负载(4)、所述各个容性元件(2)和所述电源单元(6)之间的连接，在第二操作状态，其不闭合所述连接；控制块(12)在所述整流器(3)的第一和第二操作状态之间驱动所述整流器(3)，因而调节供应给所述负载(4)的功率，限定在所述电源单元(6)和所述负载(4)之间插入的容性电抗。

Description

用于供给负载的电功率的正弦调节的电路

技术领域

本发明涉及用于供给负载的电功率的正弦调节的电路。

背景技术

如所熟知，具有几种类型的用于调节和控制由交流电压对电阻或电感负载提供的功率的电路。

例如，用于照明的系统和用于电动机的系统，按照第一种技术，通过合适的整流器，电力电流的半波被节流，借以选择允许到达负载的总功率的一部分。

换句话说，通过控制整流器的导通角，可以只让电源正弦波的一部分通过，借以获得所需的功率。

不过，上面简单地说明的系统具有严重的缺点，即产生谐波，尤其是三次谐波，其造成相当大的干扰。

因此，提出了另一种技术，例如用于电动机，该技术规定对供电电压应用高频(例如20kHz)开关信号；调节所获得的半波部分的占空比，即调节开关脉冲的宽度，负载中的电流因而电动机的速度被相应地控制。

虽然这第二种类型的控制比上述的产生较小的谐波干扰，但是仍然具有操作的缺点。其需要至少一个滤波器以消除开关频率，更一般地，需要防干扰滤波器，以确保这样获得的调节装置符合当前标准。

此外，开关系统以不希望的振动为特征，其尤其引起讨厌的噪声和谐振。这些振动是由于所谓的“转矩脉动”产生的，而转矩脉动是由供给负载的电流的突然变化引起的。

发明内容

本发明的目的在于使得到一种不会由于正弦功率的调节而引起任何传导的或辐照的电磁发射的电路。

本发明的另一个目的在于，提供一种能够正确操作而不会由于供给负载的电流的突然变化而产生机械振动的电路。

本发明的另一个目的在于，得到一种使焦耳效应产生的热耗散最小的电路。

这些和其它的目的实质上由在附图中表示的用于正弦调节供给负载的电功率的电路实现了。

附图说明

本发明的其它的特征和优点从按照本发明的电路的优选的非限制性的实施例的详细说明将被更容易地看出。

所述说明参照附图进行，完全是示例性的，因而不用于限制，其中：

图1表示按照本发明的电路的第一实施例的示意图；

图2表示按照本发明的电路的第二实施例的示意图；

图3表示图1或图2的电路的驱动电路的示意图；以及

图4表示对图1或图2的电路以及相关的驱动电路提供操作参数的表。

具体实施方式

参见附图，标号1总体地表示按照本发明的用于离散地调节供给负载的电功率的电路。

电路1(图1和图2)首先包括输入接口5，用于连接单元或电网交流电源6，还包括输出接口11，用于连接负载4。

电源单元6可以由电源网或任何能够供应或产生电能的设备构成，使得得到预定的电压，例如，这里考虑具有交流电压的电网(例如220V)，其通过中性(N)和相(F)端子和电路1相连。

实际上，接口5可以由在电路1和前述的电源单元6之间的任何连接装置构成。

而输出接口11限定用于在电路1和负载4之间进行连接的装置，如通过后面所述将更容易理解，通过输出接口11，对负载提供按照负载4的要求与特性被合适地调节的电功率。

电路1还包括多个相互并联连接的主分支13，更具体地说，每个主分支13具有和电源单元6相连的第一端13a以及和负载4相连的第二端13b。

一个或多个主分支13包括容性元件2和与其相关联的各个整流器3。整流器3可以在第一操作状态和第二操作状态之间被驱动，在第一操作状态，其闭合在电源单元6、容性元件2和负载4之间的连接，在第二操作状态，其不闭合上述的连接。

实际上，按照其所处的操作状态，每个整流器3可以在电源单元6和负载4之间插入容性元件2；通过在第一和第二操作状态之间驱动不同的整流器3，使得能够插入不同的容性元件2，它们在电源单元6和负载4之间相互并联连接。

结果，在电源单元6和负载4之间的插入的阻抗的容性电抗可被改变，借以确定要到达负载4的功率的部分。

更具体地说，处于第一操作状态的整流器3的数量增加得越多，在电网6和负载4之间插入的容性元件2的数量也增加得越多。每个容性元件2限定一个在电源和负载4之间的导电通路，因此能够增加传递到负载4的功率。

有利地，容性元件2作为具有预定容量的常规的电容器来实现，以便按照上述精确调节供给负载4的功率的数量。

更深入地研究，假定具有2个可利用的容性元件2，分别为1微法和2微法，当只插入第一个时(因而，和其相关的整流器处于第一操作状态，而和第二容性元件相关的整流器处于第二操作状态)，实际上获得1微法的总容量，相应的功率将到达负载4。

当只插入第二个容性元件时(即，使第一整流器处于第二操作状态，第二整流器处于第一操作状态)，显然获得2微法的总容量，因而更大的功率将提供给负载4。

最后，当插入两个上述的容性元件2时(即第一和第二整流器3都处于第一操作状态，因此两个电容器2相互并联)，则获得3微法的总容量，进一步增加供给负载4的功率部分。

由上述可见，容易看出，不必以相互排斥的方式插入不同的容性元件2，它们可被同时连接，以便获得预定值的总的容性电抗。

显然，按照所需的容性电抗值的数量，可以具有任何数量的主分支13。

每个主分支13的容性元件2还和各自的放电装置10相连，其用途是放掉在相应的容性元件2中积累的能量。将由后面的说明容易地看出，当容性元件2不被连接在负载4和电源单元6之间时进行所述放电。

有利地，放电装置10可以由电阻器构成，例如，可以选择具有220千欧的电阻的1瓦的电阻器。

每个主分支13还可以包括第一电流调节装置8，其和容性元件2相连。所述第一电流调节装置8用于调节电容器的电荷，并用于消除其所在的主支路13内的电流峰值。

电流调节装置8有利地作为NTC型的(负温度系数)的热敏电阻构成，在和相关的主支路13的容性元件2相连的整流器3的瞬变期间，其电阻较大(例如60欧姆)，而在稳态下其电阻几乎可被忽略(小于1欧姆)。

主分支13还可以具有保护装置9，其和每个分支13中的整流器3相关联。在由于开关瞬变而发生过电压和过电流的情况下，保护装置9短路和其相关联的整流器3。

优选的，保护装置9由常规的可变电阻实现，和整流器3并联。

电路1还包括附加的分支17，除去没有容性元件2之外，其具有和上述的主分支13完全类似的结构。

附加分支17具有整流器18，其可在第一操作状态和第二操作状态之间被驱动，在第一操作状态，其闭合电源单元6和负载4之间的连接，在第二操作状态，其不闭合所述连接。

附加分支17还包括电流调节装置19，用于消除附加分支17中的电流峰值，以及保护装置20，优选地和整流器18并联连接，用于保护整流器18免遭由于开关瞬变引起的过电流和过电压。

类似于上面针对主分支13的说明，附加分支17的电流调节装置19可以借助于NTC热敏电阻实现，而附加分支17的保护装置20可以利用可变电阻或等效的电路元件来获得。

主分支13的整流器3和附加分支17的整流器18可以是机械类型的(例如简单的开关、按钮、滑动或转动开关)、机电类型的(如继电器)或电子类型的(如三端双向可控硅开关)。

还提供有辅助分支14，其和负载4并联，用于控制由负载4引起的任何电路谐振。辅助分支14包括容性元件7，放电装置15，优选地和容性元件7并联连接，以及电流调节装置16，用于消除当任何整流器3导通时由电容器7呈现的短路产生的电流峰值。

在优选实施例中，电流调节装置16和电容器7以及放电装置15串联连接，并由NTC热敏电阻构成。放电装置15有利地是电阻器。

为了在第一和第二操作状态之间驱动整流器3和18，电路1包括控制块12，其和所述整流器3，18的每一个相连。应当注意，如果附加分支17的整流器18处于第一操作状态，则所有的整流器13被驱动为第二操作状态，因为通过附加分支17负载直接和电源相连并接收全部可利用的功率。

反之亦然，如果必须使功率减少一个预定系数，则附加分支18的整流器18被驱动到第二操作状态，而使主分支13的一个或多个整流器3处于第一操作状态。

控制块12可以利用多种方式实现，例如，其可以由旋转整流器21(图3)构成，其使得在A，B，C，D，E，F，G，H每个角位置，在电源6和负载4之间插入一个或多个容性元件2。

更具体地说，在位置A，借助于二极管D1只插入电容器C1；在位置B，借助于二极管D2只插入电容器C2。

在角位置C，电容器C1和C2通过二极管D3和D3A和负载4相连(并且相互并联)；在位置D，二极管D4使得只插入电容器C3。

在位置E，二极管D5和D5A使得插入电容器C1和C3；在位置F，二极管D6和D6A使得插入电容器C2和C3。

位置G，二极管D7，D7A和D7B插入所有的3个电容器C1，C2和C3；最后在位置H，只使用附加分支17，用于在电源6和负载4之间进行直接连接。

如果使旋转整流器和微处理器组合，使得提供的每个二进制输出组合相应于整流器21的一个角位置，用这种方式，可以使每个二进制信号和插入在负载4与电源单元6之间的容性电抗的特定值相关联。

优选地，如图3所示，控制块12通过变压器30、二极管桥31和电容器32和电源干线相连。

应当注意，有利地，控制块12对主分支13和附加分支17(具体地说整流器3和18)在操作上是有效的，虽然其与它们在电上是分开的。整流器3和18中个每一个可以由在由控制块12控制的发射器22和与相应的整流器3，18相关的光检测器之间的光耦合控制。

附加地或者选择地，电路1可以包括能够接收作为输入的由操作者输入的设置信号的微处理器，并作为输出产生一个合适的调节信号，以便控制各个整流器3，18的正确的驱动。

在这方面，图4示出一个表，其中使作为输出由微处理器产生的每个二进制值和在负载4的上游连接的电容器的对应的组合相关联。可以注意到，电容器C1，C2，C3可被逐渐地引入，用这种方式，按照规定的容性电抗的值向负载4供应不同的功率值。

最大功率级对应于二进制组合“0001”(旋转整流器21的位置H)，其中通过附加分支17把所有可利用的功率从电源6传递给负载4。反之亦然，最小的功率级对应于二进制组合“1000”(旋转整流器12的位置A)，其中只插入具有最小电容的电容器。

在图4的特定的例子中，选择的电容器的值如下：

C1＝3微法

C2＝6微法

C3＝12微法

用这种方式，合适地组合这3个电容器，可以获得3微法、6微法、9微法、12微法、15微法、18微法和21微法的总电容。由附加分支7提供第八种可能性，其允许不引入任何容性元件使负载4与电源6相连。

一般地说，为了最好地使用可利用的电容的范围-即以尽可能均匀的方式使用-可以用这样的方式选择所用的容性元件2的电容值，使得电容以连续增加的方式排序，并且每一个是其紧邻的较小电容的两倍。

此外，显然，可能的组合的总数是2^N，其中N是可以连接的电容器的数量(在图4的例子中，N等于3)。每个组合对应于可以提供给负载4的各个功率级。

因而，用这种方式，提供给负载4的功率被离散地调节。

图1和图2表示按照本发明的电路的两个不同的实施例。

具体地说，图1表示放电装置10和15和各自的容性元件2、7并联连接。在这种情况下，整流器3(优选地还有附加分支17的整流器18)是通/断开关，其在第一操作状态闭合，在第二操作状态断开。

在图2中，整流器3在其第一操作状态在电源6和负载4之间插入各自的容性元件2，而在第二操作状态使容性元件2和对应的放电装置10相连。

更详细地说，每个容性元件2具有第一和第二端2a，2b，每个放电装置10同样具有第一和第二端10a，10b。

每个容性元件2的第一端2a和各自的放电装置10的第一端10a相连，并且两者都和负载4相连。

当相应的整流器3处于第一操作状态时，其连接容性元件2的第二端2a和电源单元6，断开放电装置10所在的分支。在第二操作状态，整流器3连接容性元件2的第二端2b和放电装置10的第二端10b，借以从电源6和负载4之间的连接中排除容性元件2，并允许容性元件2放电。

相对于图1的实施例，附加分支17的整流器18的操作基本上保持不变：在第一操作状态，整流器18限定电源单元6和负载4之间的连接，而在第二操作状态其使附加分支17断开，使得一个或多个容性元件2可被插在电源6和负载4之间。

注意还可以获得“混和”电路结构，其中一个或多个整流器3是参照图1说明的类型的，一个或多个整流器3是参照图2说明的类型的。

不管所考虑的特定实施例，由上述可见，显然，容性元件2具有和简单的降压电阻类似的性能，然而具有不会由于焦耳效应而产生严重热耗散的优点。

因而，引入具有预定容量的电容器，能够控制从电源6流入负载4的电流，相应地调节提供给负载4的功率。

实际上，由于上述的电路结构，本发明被模拟成连接在负载4的上游的一种可变正弦发生器，其能够输出完全正弦的理想电压。

本发明获得了重大优点。

首先，通过本发明的电路进行的调节的特点在于没有谐波，特别是没有三次谐波，并且没有因调节本身产生的传导的或辐照的电磁放射。

此外，按照现有技术的调节装置中由于电源电流的突然振动而引起的机械振动也被完全消除了。

另一个优点在于，按照本发明的电路不需要复杂而昂贵的电网滤波器。

除上述之外，因为按照上述进行“分步”调节，能够精确而可靠地限定提供给负载的功率。

使用容性元件具有的另一个优点是，不会因焦耳效应引起热形式的能量耗散。

另一个优点在于在驱动电路和电力电路之间的电绝缘，其使得在这两个电路部分之间获得实质性的解耦。

此外，按照本发明的具有简单的结构和少量的元件的电路是经济而极其可靠的。

Claims (13)

1.一种用于对供应给负载的电功率进行正弦调节的电路，其特征在于包括：

-输入接口(5)，用于接收由电源单元(6)提供的电功率；

-输出接口(11)，用于对负载(4)供应预定的电功率；

-多个容性元件(2)；

-多个用于调节所述容性元件(2)中的电流(8，16，19)的元件；

-多个整流器(3)，每个和各自的容性元件(2)相连，每个整流器(3)能够在第一操作状态和第二操作状态之间被驱动，在第一操作状态，其闭合在所述负载(4)、所述各个容性元件(2)和所述电源单元(6)之间的连接，而在第二操作状态，其不闭合所述连接；

-控制块(12)，用于在所述整流器(3)的第一和第二操作状态之间驱动所述整流器(3)，并调节供应给所述负载(4)的功率，限定在所述电源单元(6)和所述负载(4)之间插入的容性电抗；

-辅助分支(14)，用于控制在所述负载(4)处的谐振。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，其还包括多个相互并联连接的主分支(13)，每个主分支(13)装配有一个所述容性元件(2)、各自的电流调节器(8)和各自的整流器(3)。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述主分支(13)中的每一个具有和所述电源单元(5)相连的第一端(13a)，以及和所述负载(4)相连的第二端(13b)。

4.如权利要求2或3所述的电路，其特征在于，所述主分支(13)中的一个或多个还包括和所述主分支(13)的容性元件(2)相连的电流调节装置(8)，所述电流调节装置(8)适于控制在所述主分支(13)中的电流。

5.如权利要求2到4任何一个所述的电路，其特征在于，所述主分支(13)中的一个或多个还包括和所述主分支(13)的整流器(3)相连的第二保护装置(9)，用于保护所述整流器(3)免受过电压和/或过电流，特别是当在第一和第二操作状态之间转换时。

6.如权利要求2到5任何一个所述的电路，其特征在于，所述主分支(13)中的一个或多个还具有放电装置(10)，其和所述主分支(13)的容性元件(2)相连，用于释放在所述容性元件(2)内积累的能量。

7.如前面权利要求中任何一个所述的电路，其特征在于，还包括辅助分支(14)，该辅助分支和所述负载(4)并联连接，并具有：

-容性元件(7)；

-电流调节元件(16)；

-和所述容性元件(7)并联连接的放电装置(15)，用于释放在所述容性元件(7)中积累的能量。

8.如前面权利要求中任何一个所述的电路，其特征在于，所述主分支(13)中的一个或多个的整流器(3)可在相应于所述第一操作状态的闭合状态和相应于所述第二操作状态的打开状态之间被驱动。

9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述主分支(13)中的一个或多个的容性元件(2)和各个放电装置(10)并联连接。

10.如权利要求2到7任何一个所述的电路，其特征在于，所述主分支(13)中的一个或多个的放电装置(10)具有和各个容性元件(2)的一端(2a)相连的第一端(10a)，以及第二端(10b)，所述一个或多个主分支(13)的整流器(3)在处于第二操作状态时，闭合所述放电装置(10)的第二端(10b)和所述各个容性元件(2)的第二端(2b)之间的连接。

11.如前面的权利要求中任何一个所述的电路，其特征在于，还包括附加分支(17)，其至少具有一个整流器(18)，能够在第一操作状态和第二操作状态之间被驱动，在所述第一操作状态，其闭合所述电源单元(6)和所述负载(4)之间的连接，而在所述第二操作状态，其不闭合所述连接。

12.如权利要求11所述的电路，其特征在于，所述附加分支(17)还包括电流调节装置(19)，适于逐渐调节电流并消除在所述附加分支(17)中的电流峰值。

13.如权利要求11或12所述的电路，其特征在于，所述附加分支(17)还包括和所述整流器(18)相连的保护装置(20)，用于保护整流器免受过电压和/或过电流，特别是当在第一和第二操作状态之间转换时。

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