CN102966583B - 一种交流风扇变频调速的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流风扇变频调速装置和方法，所述装置包括：功率因数校正模块，与交流电源连接，用于提高功率因数，将交流电转换成直流电；逆变电路模块，与功率因数校正模块连接，用于将直流电转变为交流电；温度检测模块，用于检测散热器的温度，获得温度信号；控制模块，分别与功率因数校正模块、温度检测模块和逆变电路模块相连，用于产生控制信号，控制逆变电路模块输出的交流电的频率。本发明通过对设备的温度进行采样，并利用温度采样信号产生控制信号，控制输出电压的频率，从而控制了交流风扇的转速。解决了风扇磨损，电力资源浪费以及噪声的问题。最终实现了根据设备的温度对交流风扇进行自动调速。

Description

一种交流风扇变频调速的装置和方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种交流风扇变频调速的装置和方法。

背景技术

目前，通常使用交流风扇对设备等进行散热。如果没有调速功能，风扇会长时间的高速运行，这样既增大了风扇的磨损，降低了风扇的寿命，同时也产生了持续较大的噪声的问题，还造成了电力资源的浪费。要解决这个问题，需要根据设备的温度实现对交流风扇进行自动调速，在检测到温度较低时，风扇低速运行，当检测到高温时，风扇才全速运行，这样增加风扇寿命又降低了噪音，节省了电能。

现有技术中，少数采用多抽头变压器来实现对风扇的调速。这种方法成本高、体积大，并且变压器有一定的损耗，效率较低。并且由于体积问题，对于一些特殊的设备，不适合于利用这种方法，因此不能被广泛的推广。大多数情况下，没有采取调速措施，所以现有技术中还没有一种有效的、适于推广的技术来解决上述问题。

发明内容

本发明提供了一种交流风扇变频调速的装置和方法，以实现在不增加成本体积和功耗的基础上，根据设备的温度实现对交流风扇进行自动调速。所述技术方案如下：

一种交流风扇变频调速装置，包括：

功率因数校正模块，与交流电源相连接，用于升高电压，提高功率因数，将所述交流电转换成直流电并输出；

逆变电路模块，与所功率因数校正模块相连接，用于把由所述功率因数校正模块输出的直流电转变为交流电并输出；

温度检测模块，用于检测散热器的温度，并产生温度信号；

控制模块，分别与所述功率因数校正模块、所述温度检测模块和所述逆变电路模块相连接，所述控制模块用于根据所述温度信号产生控制信号，控制所述逆变电路模块输出的交流电的频率。

进一步的，所述温度检测模块采用热敏电阻检测温度。

进一步的，所述热敏电阻是负温度系数的热敏电阻。

进一步的，所述控制模块包括DSP芯片，用于产生控制信号。

进一步的，所述逆变电路模块包括开关器件，所述开关器件的控制端输入所述控制信号，由所述控制信号控制所述开关器件的导通与关断。

进一步的，所述开关器件是晶体管。

进一步的，所述交流电源输出是220V50Hz的交流电。

一种交流风扇变频调速的方法，包括：

功率因数校正电路将所述交流电源提供的交流电转换成直流电并输出，再经过逆变电路，把由所述功率因数校正电路输出的直流电转变为交流电并输出；

检测散热器的温度获得温度信号，将所述温度信号转换成与温度对应的电压信号；

由根据所述电压信号产生的控制信号控制逆变电路输出的交流电的频率。

进一步的，采用热敏电阻分压的方法取得所述与温度对应的电压信号。

进一步的，所述逆变电路采用两个开关器件交替导通的方法实现对交流电频率的控制。

进一步的，所述控制信号包括高电平和低电平，用于控制所述逆变电路中开关器件的导通与关断。

进一步的，由所述逆变电路输出的交流电的频率取决于所述逆变电路中开关器件的导通与关断的时间；通过控制高电平和低电平的占空比，控制所述逆变电路中开关器件的导通与关断的时间，从而控制输出交流电的频率。

本发明实施例提供的技术方案，通过对设备的温度进行采样，并利用温度采样信号产生控制信号，控制输出电压的频率，从而控制了交流风扇的转速。解决了风扇磨损，电力资源浪费以及噪声的问题。最终实现了根据设备的温度对交流风扇进行自动调速。

附图说明

图1是本发明实施例提供的交流风扇变频调速装置系统功能模块框图；

图2是本发明实施例优选提供的交流风扇变频调速装置中温度检测模块的电路示意图；

图3是本发明实施例提供的交流风扇变频调速装置中功率因数校正模块和逆变电路模块的电路示意图；

图4是本发明实施例优选提供的正弦波、基波与脉宽调制波的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例，仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

实施例

本发明实施例的基本工作原理为：

将交流电源提供的220V50Hz的交流电通过功率因数校正电路升高电压，提高功率因数，并转换成直流电输出，再经过逆变电路，把功率因数校正电路输出的直流电转变为交流电并输出。

检测散热器的温度获得温度信号，将温度的信号转换成与温度对应的电压信号，将与温度对应的电压信号传递给控制电路，由控制电路根据与温度对应的电压信号产生控制信号；将控制信号传递给逆变电路，由控制信号控制逆变电路输出的交流电的频率。由于风扇的转速，由为其供电的交流电频率决定，所以，通过调节风扇电源的频率，实现交流风扇的自动调速。

具体来说：

图1是本发明实施例提供的交流风扇变频调速装置系统功能模块框图。本实施例提供了一种交流风扇变频调速的装置，如图1所示，该装置包括：功率因数校正模块101、逆变电路模块102、温度检测模块103和控制模块104。

温度检测模块103与控制模块104相连接，温度检测模块103用于检测散热器的温度，并获得温度信号。温度检测模块103中优选的采用了负温度系数的热敏电阻对温度进行检测，将温度的信号转换成与温度对应的电压信号，将这个与温度对应的电压信号传递给控制模块104。

220V50Hz的交流电源输入到功率因数校正模块101，逆变电路模块102与功率因数校正模块101相连接。功率因数校正模块101将交流电源提供的交流电升高电压，提高功率因数，转换成直流电并输出。逆变电路模块102把由所述功率因数校正模块101输出的直流电转变为所需频率的交流电并输出。

逆变电路模块102还与控制模块104相连接。逆变电路模块102包括开关器件，开关器件的控制端输入高低电平信号，可控制开关器件的导通与关断。本发明实施例优选的采用晶体管作为开关器件。

控制模块104的核心部分为控制器，本发明实施例的控制器优选的，采用DSP芯片。控制模块104根据与温度对应的电压信号产生控制信号，控制信号包括高电平和低电平，输入到逆变电路的开关器件控制端，用于控制开关器件的导通与关断。由于输出交流电的频率取决于逆变电路中开关器件导通与关断的时间。通过调节高电平和低电平的占空比，可控制逆变电路中开关器件导通与关断的时间，从而控制输出交流电的频率。

控制模块104还与功率因数校正模块101相连接，起到保护作用。当220V50Hz的交流电源正常时，此电源与功率因数校正模块101相连通，当220V50Hz的交流电源不正常时，此电源与功率因数校正模块101的连接断开。

图2是本发明实施例优选提供的交流风扇变频调速装置中温度检测模块的电路示意图。如图2所示，温度检测模块103包括负温度系数的热敏电阻RT和普通电阻R1，热敏电阻RT和普通电阻R1相串联，接在5V直流电源和地之间，取热敏电阻RT和普通电阻R1的连接点作为温度信号输出端OUT1。负温度系数的热敏电阻阻值随温度的升高而降低，所以，温度信号输出端OUT1输出的电压随温度的变化而改变，这个电压与温度相对应，使控制器产生控制信号。

本发明实施例优选提供的交流风扇变频调速装置中，控制模块104包括输出端IN1、第一信号输出端OUTD1、第二信号输出端OUTD2、第三信号输出端OUTD3和第四信号输出端OUTD4。输出端IN1与温度检测模块103的温度信号输出端OUT1相连接。

图3是本发明实施例提供的交流风扇变频调速装置中功率因数校正模块和逆变电路模块的电路示意图。如图3所示，功率因数校正模块包括继电器RY1、三极管Q1、第一电感L1、整流桥REC1、第一晶体管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电解电容C3、第二电解电容C4和滤波电容，以及电压输入端InL和第一电压输出端OUTL、第二电压输出端OUTN。电压输入端InL连接220V50Hz的交流电源的火线，第一电压输出端OUTL和第二电压输出端OUTN连接负载的两端。

继电器RY1的开关部分，一端连接电压输入端InL，另一端连接第一电感L1；继电器RY1的线圈部分，一端连三极管Q1的集电极，另一端连接直流电源；三极管Q1的发射极接地，基极连接控制模块104的第一信号输出端OUTD1。电压输入端InL接入220V50Hz的交流电，当输入电源正常工作时，控制器产生高电平的控制信号，三极管Q1导通，使继电器RY1的开关闭合，电路导通；当输入电源工作异常时，控制器产生低电平的控制信号，三极管Q1截止，使继电器RY1的开关断开，从而切断电源，起到保护装置的作用。

第一电感L1、整流桥REC1、第一晶体管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电解电容C3、第二电解电容C4和滤波电容，构成了功率因数校正电路。第一电感L1一端连接继电器RY1的开关部分，另一端连接整流桥REC1的第一输入端，整流桥REC1的第二输入端接地，整流桥REC1的负极和第一晶体管Q2的源极相连接，整流桥REC1的正极和第一晶体管Q2的漏极相连接，第一晶体管Q2的栅极与控制模块104的第二信号输出端OUTD2相连接，第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极相连，同时与整流桥REC1的第一输入端相连，第一二极管D1的负极与第一电解电容C3的正极相连，第二二极管D2的正极与第二电解电容C4的负极相连，第一电解电容C3的负极与第二电解电容C4的正极相连并接地。

由于输入功率因数校正模块的是交流电，应从交流电的正半周期和负半周期两方面考虑：

①交流电的正半周期，电流的流向为从第一电感L1方向整流桥REC1或者从第一电感L1流向第一二极管D1。当控制模块104的第二信号输出端OUTD2输出的信号为高电平时，第一晶体管Q2导通，电流从第一电感L1流向整流桥REC1，并由整流桥REC1的正极直接流向负极。由于第一二极管D1的正极电势低于负极电势，所以第一二极管D1处于截止状态，没有电流流过第一二极管D1。这个过程等于第一电感L1将电能转换成磁能并储存在线圈中。

而当控制模块104的第二信号输出端OUTD2输出的信号为低电平时，第一晶体管Q2关断，这时，流过第一电感L1的电流不能发生突变，因此电流从第一电感L1流向第一二极管D1，由于第一二极管D1的正极电势高于负极电势，所以第一二极管D1处于导通状态，电流流过第一二极管D1，这个过程等于给第一电解电容C3充电，也就是把第一电感L1储存的能量传递给第一电解电容C3。

②交流电的负半周期，电流的方向为从整流桥REC1或者第一二极管D1流向第一电感L1。当控制模块104的第二信号输出端OUTD2输出的信号为高电平时，第一晶体管Q2导通，电流从整流桥REC1流向第一电感L1，由整流桥REC1的正极直接流向负极。由于第二二极管D2的正极电势低于负极电势，所以第二二极管D2处于截止状态，没有电流流过第二二极管D2。

当控制模块104的第二信号输出端OUTD2输出的信号为低电平时，第一晶体管Q2关断，这时，流过第一电感L1的电流不能发生突变，因此电流从第二二极管D2流向第一电感L1，由于第二二极管D2的正极电势高于负极电势，所以第二二极管D2处于导通状态，电流流过第二二极管D2，给第二电解电容C4充电。

这样，以第一电解电容C3的正极和第二电解电容C4的负极为两个输出端，可输出稳定的直流电。还可通过调整第一晶体管Q2导通与关断的时间，控制输出的直流电压的大小。

逆变电路模块102包括第二晶体管Q3、第三晶体管Q4、第二电感L2和电容，第二晶体管Q3的栅极连接控制模块104的第三信号输出端OUTD3；第三晶体管Q4的栅极连接控制模块104的第四信号输出端OUTD4；第二晶体管Q3的源极与第三晶体管Q4的漏极相连，同时，还与第二电感L2的一端相连；电感L2的另一端与电容C5的一端相连，并作为电压第一输出端OUT1；电容C5的另一端作为电压第二输出端OUT2；在电压第一输出端OUT1和电压第二输出端OUT2之间接入负载。

首先，温度检测模块103通过负热敏电阻将设备散热器的温度转换成电压信号，将电压信号传递给控制电路的DSP控制器，DSP控制器根据表征温度的电压信号产生一个正弦波ψ1，正弦波ψ1的频率由表征温度的电压信号决定。同时，在控制模块104中，将标准的19.2KHZ的三角载波由与正弦波ψ1同频率的方波积分，得到基波ψ2。通过比较正弦波ψ1与基波ψ2，得到脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）波ψ3。正弦波ψ1、基波ψ2与PWM波ψ3的关系如图4所示，当正弦波ψ1幅值大于ψ2时，ψ3为高电平；当ψ2幅值小于ψ2时，ψ3为低电平。由此可知，正弦波ψ1不同的频率对应PWM波ψ3不同的占空比，用PWM波作为控制信号，控制第二晶体管Q3和第三晶体管Q4的通断，从而可以控制输出交流电的频率。其中，对第二晶体管Q3的控制信号与对第三晶体管Q4的控制信号刚好相反，即第二晶体管Q3导通时，对第三晶体管Q4关闭；第二晶体管Q3关闭时，对第三晶体管Q4导通。最后输出交流电的频率与正弦波ψ1的频率一致。

本发明实施例提供的技术方案，通过对设备的温度进行采样，并利用温度采样信号产生控制信号，控制输出电压的频率，从而控制了交流风扇的转速。解决了风扇磨损，电力资源浪费以及噪声的问题。最终实现了根据设备的温度对交流风扇进行自动调速。

以上仅是针对本发明的优选实施例及其技术原理所做的说明，而并非对本发明的技术内容所进行的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的技术范围内，所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种交流风扇变频调速装置，包括：

功率因数校正模块，与交流电源相连接，用于升高电压，提高功率因数，将交流电转换成直流电并输出；

逆变电路模块，与所述功率因数校正模块相连接，用于把由所述功率因数校正模块输出的直流电转变为交流电并输出；

温度检测模块，用于检测散热器的温度，并获得温度信号；

控制模块，分别与所述功率因数校正模块、所述温度检测模块和所述逆变电路模块相连接，所述控制模块用于根据所述温度信号产生控制信号，控制所述逆变电路模块输出的交流电的频率，所述温度检测模块采用热敏电阻检测温度，所述热敏电阻是负温度系数的热敏电阻，其中，当交流电源正常时，交流电源与功率因数校正模块相连通，当交流电源不正常时，交流电源与功率因数校正模块的连接断开。

2.根据权利要求1所述的交流风扇变频调速装置，其特征在于，所述控制模块包括DSP芯片，用于产生控制信号。

3.根据权利要求1所述的交流风扇变频调速装置，其特征在于，所述逆变电路模块包括开关器件，所述开关器件的控制端输入所述控制信号，由所述控制信号控制所述开关器件的导通与关断。

4.根据权利要求3所述的交流风扇变频调速装置，其特征在于，所述开关器件是晶体管。

5.根据权利要求1所述的交流风扇变频调速装置，其特征在于，所述交流电源输出是220V50Hz的交流电。

6.一种交流风扇变频调速的方法，其特征在于：

功率因数校正电路将交流电源提供的交流电转换成直流电并输出，再经过逆变电路，把由所述功率因数校正电路输出的直流电转变为交流电并输出，其中，当交流电源正常时，交流电源与功率因数校正电路相连通，当交流电源不正常时，交流电源与功率因数校正电路的连接断开；

采用热敏电阻检测散热器的温度获得温度信号，将所述温度信号转换成与温度对应的电压信号；

由根据所述电压信号产生的控制信号控制逆变电路输出的交流电的频率；

其中，所述热敏电阻是负温度系数的热敏电阻。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用热敏电阻分压的方法取得所述与温度对应的电压信号。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述逆变电路采用两个开关器件交替导通的方法实现对交流电频率的控制。

9.根据权利要求6和8中任意一个所述的方法，其特征在于，所述控制信号包括高电平和低电平，用于控制所述逆变电路中开关器件的导通与关断。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，由所述逆变电路输出的交流电的频率取决于所述逆变电路中开关器件的导通与关断的时间；通过控制高电平和低电平的占空比，控制所述逆变电路中开关器件的导通与关断的时间，从而控制输出交流电的频率。