CN107769667A - 一种交流电机的无级调速电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流电机的无级调速电路，在现有无级调速的基础上，通过提供一个与开关电路并联的一个续流支路，该续流支路由二极管、电容以及电阻或电感构成，在开关电路断开时，通过电容对电机绕组产生电流的吸收(续流)，通过电阻或电感对电流吸收的电流产生电压的放电，使得在开关电路断开期间电压不会升高太大，从而在避免了电机抖动的同时，也避免开关电路中驱动开关管被击穿的情况发生。相比现有交流电机的无级调速电路，由于电机绕组的续流放到整流电路后面，避免了地电位不同带来的干扰和不同步，从而避免了控制相位差问题，同时，也避免了短路情况的发生。此外控制的复杂性降低，成本也较低。

Description

一种交流电机的无级调速电路
技术领域
本发明属于交流电机控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种交流电机的无级调速电路。
背景技术
交流电机这一技术领域发展至今已有上百年历史，为了调节功率达到调速效果，交流电机采用了多绕组设计。比如50W风扇电机，人为给它分成三档：最大风速50W、中45W、低40W，用三档来控制。这种交流电机抽头调速的方式已经使用百年历史了，目前还在一些风扇上使用，没有什么改变。目前其具体实现方式有如下两种：
1、机械开关控制加绕组串联分档调速
如图1所示，采用机械开关K1、K2、K3控制电机绕组M，电机绕组M三段串联组成，其中，K1为高速档、K2为中速档、K3为低速挡。这种机械开关控制加绕组串联分档的调速方式，对于任意一档，绕组匝数固定，这种方式不能实现随意可变调速控制。
2、电子开关控制加绕组串联分档调速
如图2所示，绕组与控制方式相同，只不过机械开关用电子开关如可控硅、晶闸管、继电器(图中为继电器J)来替代，以控制每档，这样实现遥控等智能控制。
除开关控制绕组串联分档外，也有采用可控硅斩波调压控制方式的调速电路，如图3所示，可控硅G在一个交流电压周期内，导通一定角度，通过控制导通角控制交流电机的转速。虽然可控硅斩波调压控制可以连续控制转速，但电机有抖动，噪声、有功功率差、干扰大、污染大，已基本不再使用。
此外，也有采用电容容抗降压方式进行调速的，如图4所示，用不同电容容量降不同的压差，达到调速的目的。开通与连接用可控硅K1～K4和断电器J来接通，电路成本和体积都高。
以上几种电路都是常用的调速方式，但都存在这样或那样的不足：或达不到无级调速、或无法使用。
在2016年12月07日公布、公布号为CN106208893A、名称为“电机的调速驱动电路和风扇电机”中，提出了一种交流电机的无级调速电路，包括：电机线圈402；交流信号发生器404，连接至电机线圈402，用于向电机线圈402提供交流信号(相当于交流电)；开关驱动模块406，与电机线圈402和交流信号发生器404串联连接，能够形成驱动回路；脉冲信号发生器408，设有第一组驱动接口和第二组驱动接口，第一组驱动接口连接至开关驱动模块406的驱动端；续流模块401，与电机线圈并联连接，续流模块401的驱动端连接至第二组驱动接口，其中，第一组驱动接口的驱动信号与第二驱动接口的驱动信号是互补的脉冲信号。通过该发明技术方案，降低了电机噪声和电路抖动，提升了电机可靠性。
该技术方案通过将电机线圈402分别串联至开关驱动模块406的回路和所述续流模块401的回路，由于第一组驱动接口的驱动信号PWM1与第二组驱动接口的驱动信号PWM2是互补的脉冲信号，因此，开关驱动模块406的回路和所述续流模块401的回路也不同时进行工作，开关驱动模块406在获取第一组驱动接口的驱动信号PWM1时，将交流信号发生器的交流信号传输于电机线圈，驱动电机工作，此时，续流模块401不工作，在续流模块401获取第二组驱动接口的驱动信号时，开关驱动模块406停止工作，电机线圈402的电压为零，但是电流无法突变为零，需要续流模块406对电机线圈402进行续流，以降低浪涌电流等噪声出现的可能性，减少开关驱动模块406中的晶闸管被击穿的情况发生。也就是说，通过调节第一组驱动接口的驱动信号PWM1的占空比，可以调节电机的转速，通过互补的第二组驱动接口的驱动信号PWM2对续流模块401进行接通，从而对电机线圈402进行续流，降低了电机噪声和电路抖动，同时，降低了开关驱动模块中晶闸管(开关管)被击穿的情况。
然而，该调速电路中，互补的两路驱动信号PWM1、PWM2必须严格互补，否则会整个电路的短路或仍然存在开关驱动模块406中晶闸管(开关管)两端电压增加的情形，同时，由于续流模块放电时间随着转速调小而增加，这样会使得电机线圈中的电流变得不连续，也会出现抖动情况。此外，调速电路的控制较为复杂，成本也比较高，最关键是续流模块401与开关驱动模块406的地电位在调速电路上很难处理，干扰和同步都可能出现严重的相位差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种交流电机的无级调速电路，在实现无级调速，降低电机抖动和驱动开关管被击穿的同时，避免出现短路和相位差情况，并降低成本。
为实现上述发明目的，本发明交流电机的无级调速电路，包括：
一整流电路，其输入端与电机绕组串联，输入交流电源一个输出端与电机绕组一端连接，电机绕组的另一端与整流电路一个输入端连接，整流电路的另一个输入端与输入交流电源另一个输出端连接，构成一个回路；
一开关电路，连接到整流电路输出的两端，其在调速PWM(脉冲宽度调制)脉冲的驱动下，导通或断开；开关电路导通时，整流电路使得电机绕组与输入交流电源接通，将交流电源提供的电能转换为机械能带动转子转动，开关电路断开时，整流电路使得电机绕组与输入交流电源断开，从而停止将电能转换为机械能，开关电路的导通和断开的时间比，决定了交流电机输入电压的平均大小，也就决定了交流电机的输出功率大小，通过调整PWM脉冲信号的占空比，实现对交流电机的无级调速；
其特征在于，还包括：
一二极管，其正端与整流电路的正输出端连接；
一电容，其一端与二极管负端连接，另一端与整流电路的负输出端连接；
一电阻或电感，与电容并联。
本发明的目的是这样实现的。
本发明交流电机的无级调速电路，在现有无级调速的基础上，通过提供一个与开关电路并联的一个续流支路，该续流支路由二极管、电容以及电阻或电感构成，在开关电路断开时，电机绕组两端电压发生翻转(反压)，使得整流电路的正输出端继续输出电流，该电流经过二极管正端对电容进行充电，电容电压逐步升高，同时，电容通过并联的电阻或电感进行放电。由于电机绕组产生的电流逐步减小，电容两端的电压升高，使得放电量加大，这样电容两端的电压升高到一定值后，就会停止升高，并逐步降低，直到下一次开关电路断开，这样通过电容对电机绕组产生电流的吸收(续流)，通过电阻或电感对电流吸收的电流产生电压的放电，使得在开关电路断开期间电压不会升高太大，从而在避免了电机抖动的同时，也避免开关电路中驱动开关管被击穿的情况发生。相比现有交流电机的无级调速电路，由于电机绕组的续流放到整流电路后面，避免了地电位不同带来的干扰和不同步，从而避免了控制相位差问题，同时，也避免了短路情况的发生。此外，由于只增加了一个二极管、一个电容以及电阻或电感，不再有驱动信号驱动的续流模块，这样不仅减小了控制的复杂性，也降低了成本。
附图说明
图1是现有机械开关控制加绕组串联分档调速电路一具体电路原理示意图；
图2是现有电子开关控制加绕组串联分档调速电路一具体电路原理示意图；
图3是现有可控硅斩波调压控制的调速电路一具体电路原理示意图；
图4是现有采用电容容抗降压方式的调速电路一具体电路原理示意图；
图5是现有交流电机的无级调速电路一种具体电路原理框图；
图6是本发明交流电机的无级调速电路一种具体实施方式原理示意图；
图7是本发明交流电机的无级调速电路另一种具体实施方式原理示意图；
图8是交流电机输入电压波形示意图；
图9是图1所示交流电机的无级调速电路一具体实例的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图6是本发明交流电机的无级调速电路一种具体实施方式原理示意图。
1、调速原理
在本实施例中，如图1所示，本发明交流电机的无级调速电路包括：一个全桥整流桥堆BR构成的整流电路，其输入端与电机绕组M串联，即：输入交流电源一个输出端(火线L)与电机绕组M一端(L+、L-)连接，电机绕组M的另一端与整流电路即全桥整流桥堆BR一个输入端即管脚1连接，整流电路即全桥整流桥堆BR的另一个输入端即管脚3与输入交流电源另一个输出端(零线N)连接，构成一个回路。在本实施例中，电机绕组M有两组线圈，其一端分别标记为正转连接端L+、反转连接端L-，分别用于交流电机的正转和反转，交流电源的火线L与正转连接端L+或反转连接端L-连接。
开关电路K1连接到整流电路即全桥整流桥堆BR输出的两端正负两端即管脚2、4，其在调速PWM(脉冲宽度调制)脉冲的驱动下，导通或断开；开关电路即全桥整流桥堆BR导通时，整流电路即全桥整流桥堆BR使得电机绕组M与输入交流电源接通，将交流电源提供的电能转换为机械能带动转子转动，开关电路K1断开时，整流电路即全桥整流桥堆BR使得电机绕组M与输入交流电源断开，从而停止将电能转换为机械能，通过调整PWM脉冲信号的占空比，实现对交流电机的无级调速。
本发明交流电机的无级调速电路的调速原理其基本思想是用一个PWM脉冲信号控制开关电路即受控器件K1，使得串联在回路中的电机绕组M分时导通。当开关电路即受控器件K1导通时，电能通过电机绕组M转换成机械能带动转子，当开关电路即受控器件K1断开时，电能没法通过绕组对转子补充能量，机械能减少，转子速度自然会慢下来。换句话说，开关电路即受控器件K1导通时间越长，电能转化为机械能(动能)就越大；开关电路即受控器件K1导通越短，电能转化为机械能(动能)就越小。因此利用调节PWM脉冲信号的占空比控制开关电路即受控器件K1的通断时长，就能有效控制机械能(功能)的大小，从而控制电机转子的快慢。交流电机输入电压的波形如图8所示，竖实线部分代表控制开关电路即受控器件K1关断，交流电机与输入交流电源断开。理想状态下，通过调节PWM脉冲信号占空比，调节补充电机绕组M的转子的机械能(功能)多少来达到调速功能。
2、续流原理
在现有技术的基础，本发明增加了一二极管D、电容C以及电阻R或电感L1，构成开关电路并联的一个续流支路。其中，二极管D的正端与整流电路即全桥整流桥堆BR的正输出端即管脚2连接；电容C一端与二极管D负端连接，另一端与整流电路即全桥整流桥堆BR的负输出端管脚4连接。需要说明的是如果电容C有极性，则正端与二极管D负端，负端一端与整流电路即全桥整流桥堆BR的负输出端4连接；电阻R或电感L1与电容C并联。
如图6所示，在开关电路K1断开时，由于电机绕组M的电流不能发生突变，有能量储存于绕组中，电机绕组M两端电压发生翻转(反压)，使得整流电路即全桥整流桥堆BR的正输出端继续输出电流，该电流经过二极管D正端对电容C进行充电，电容C电压逐步升高，同时，电容C通过并联的电阻R或电感L1进行放电。由于电机绕组M产生的电流逐步减小，电容C两端的电压升高，使得放电量加大，这样电容C两端的电压升高到一定值后，就会停止升高，并逐步降低，直到下一次开关电路K1断开，这样通过电容C对电机绕组M产生电流的吸收(续流)，通过电阻R或电感L1对电流吸收的电流产生电压的放电，使得在开关电路K1断开期间电压不会升高太大，从而在避免了电机抖动的同时，也避免开关电路K1中驱动开关管被击穿的情况发生。其中，二极管D限定电流只能往电容C、电阻R或电感L1方向流动，避免电容C的电压反灌回转速调节回路，造成对转速调节的影响。
相比现有交流电机的无级调速电路，由于电机绕组M的续流放到整流电路即即全桥整流桥堆BR后面，避免了现有技术中，由于地电位不同带来的干扰和不同步，从而避免了控制相位差问题。同时，也避免了短路情况的发生。此外，由于只增加了一个二极管D、一个电容C以及电阻R或电感L，不再有驱动信号驱动的续流模块，这样不仅减小了控制的复杂性，也降低了成本。
在本实施例中，如图6所示，本发明交流电机的无级调速电路还包括一支路开关K2，接入到电阻R或电感L与全桥整流桥堆BR的负输出端即管脚4之间，用于在整个无级调速调速电路不工作时，切断续流支路中电阻R或电感L1对电能的消耗，以降低电机静态功耗的作用
对于支路开关K2，还可以置于其他位置，如图7所示，接入到二极管D与电容C和电阻R或电感L1之间。
图6、7中开关电路K1、支路开关K2为可受控的开关器件，比如场效应管、高速IGBT或者其他可以组成开关状态的受控元器件。电阻R与电感L可以二选一、或者两者同时采用(在本实施例中是二者都选用)。
本发明的核心在于续流电路的改进，为便于分析，将转化图6为图9，K1转换成受控器件即场效应管Q1。K2转换成受控件即场效应管Q2。根据感抗原理，作为定子的电机绕组M就是一个巨型的大电感，电感的特性是电流不能突变。根据前面述说的调速原理，通过用PWM脉冲信号控制场效应管Q1的通断时间来控制电能转化为动能的大小的方式来调速。假如没有二极管D、电容C以及电阻R或电感L1组成的续流支路，也是可以调速的。但是只有场效应管Q1的主控回路，当场效应管Q1断开(关断)，电机绕组M的电流不能突变，场效应管Q1关断舜间，电机绕组M(相当大电感)的电流会对寄生电容充电，极短时间内由电流降为零，从而产生很大的感应电压(反压)，这个电压会对场效应管Q1造成损坏的可能，另外部分电能在短时间内转为动能造成电机抖动，亦会产生噪声。
为避免造成这种有害的现象，本发明提出了一种交流电机的无级调速电路，当场效应管Q1关断时，为电机绕组M导通时的电流沿原方向找到分流的支路。避免电流剧变。这个支路就是由二极管D、电容C以及电阻R或电感L1构成的续流支路。该续流支路使得电机绕组M电流不会突变，而是按RC充放电的指数关系变化,电流相对平滑，所以不会造成电机抖动。
通常施加到场效应管Q1上的PWM脉冲信号的频率是电网频率的若干倍至几百倍，这样将每个单向脉动的交流的正弦包络切换成若干至几百倍，保证整体整体正弦波包络不变形，维持正弦的电流及电压的弦的电流及电压保持相位一致，使得有功功率很高，也就是维持很高的功率因素(PFC)而减少无功功率，有效的提高了交流电机的整体效能。为了更好地实现本发明的调速，PWM脉冲信号的频率由电机的输入市电电压及市电频率和电机功率大小来决定，这样便于限幅(续流)回路的电容电阻的选择，控制效果达到最佳；对于通常使用的风扇而言，最佳值为20KHz。与现有技术的交流电机的无级调速电路相比，本发明将续流电路置于整流电路即全桥整流桥堆BR的后面，续流采用充电吸收和放电衰减的方式进行，使得产生的反压更为平滑，有利地保护了调速的开关管(场效应管Q1)。同时，本发明控制简单，成本低。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种交流电机的无级调速电路，包括：
一整流电路，其输入端与电机绕组串联，输入交流电源一个输出端与电机绕组一端连接，电机绕组的另一端与整流电路一个输入端连接，整流电路的另一个输入端与输入交流电源另一个输出端连接，构成一个回路；
一开关电路，连接到整流电路输出的两端，其在调速PWM(脉冲宽度调制)脉冲的驱动下，导通断开；开关电路导通时，整流电路使得电机绕组与输入交流电源接通，将交流电源提供的电能转换为机械能带动转子转动，开关电路断开时，整流电路使得电机绕组与输入交流电源断开，从而止将电能转换为机械能，开关电路的导通和断开的时间比，决定了交流电机输入电压的平均大小，也就决定了交流电机的输出功率大小，通过调整PWM脉冲信号的占空比，实现对交流电机的无级调速；
其特征在于，还包括：
一二极管，其正端与整流电路的正输出端连接；
一电容，其一端与二极管负端连接，另一端与整流电路的负输出端连接；
一电阻或电感，与电容并联。
2.根据权利要求1所述的无级调速电路，其特征在于，所述PWM脉冲信号的频率是电网频率的若干倍至几百倍。
3.根据权利要求2所述的无级调速电路，其特征在于，所述PWM脉冲信号的频率是20KHz。
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Application publication date: 20180306

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