CN109067291B - 一种交流电机的无级调速控制与能量钳位电路及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流电机的无级调速控制与能量钳位电路及其装置，包括整流模块、第一二极管、第二二极管、第一电容、三线电源开关和控制器，所述控制器包括电源系统和调速系统，所述整流模块的电压输入第一端连接交流电源的一极，所述整流模块的电压输入第二端连接交流电机的一端。本发明解决交流电机难以做到无级调速的问题，不再需要任何调速抽头，简化了电机结构，大大降低了成本，实现了在廉价且成熟的传统交流电机上进行无级调速；同时，利用能量钳位电路优化电路性能，保护系统电路不被损坏，提高系统能量转换效率，保证了无级调速应用的实用和安全，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种电路及其装置，尤其涉及一种交流电机的无级调速控制与能量钳位电路及其装置。
背景技术
传统的风扇产品例如落地扇、吊扇、台扇等，是利用交流电机将交流电能转换成机械能，当需要对风扇转速进行调节时，一般需要将电机绕组制作成多个抽头的结构，从而可以通过开关切换不同的抽头，实现速度的调节，例如落地扇使用琴键式开关可以进行高、中、低三挡速度调节。
当前，随着智能家电的发展，风扇也开始变得更加多功能化，用户对于风扇的功能也提出了更多的要求，例如希望具有遥控功能、自然风模拟功能、睡眠风模拟功能和联网功能等，自然风模拟功能就需要风扇能够进行更细的速度档位调节(以下简称无级调速)。然而，传统的三档控制是无法满足的，虽然使用无刷型电机可以实现无级调速，但无刷电机却相较传统电机具有高达近两倍的成本，不仅昂贵而且技术普及度较低，例如电机调速装置和家用电器(CN201610206532.X)是一种PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制交流电机的调速方式，但所使用的控制单元相互独立且无公共的参考端，导致控制系统复杂，可靠性低。
因此，智能化智能家电的发展对传统的电机提出了挑战，亟需找到一种新的技术方案以解决以上技术问题。
发明内容
本发明为克服现有技术中的缺陷，提供了一种交流电机的无级调速控制与能量钳位电路及其装置，解决了交流电机难以做到无级调速的问题，不再需要任何调速抽头，简化了电机结构，大大降低了成本，实现了在廉价且成熟的传统交流电机上进行无级调速；同时，利用能量钳位电路优化电路性能，保护系统电路不被损坏，提高系统能量转换效率，保证了无级调速应用的实用和安全，具有广阔的市场前景。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明是一种交流电机的无级调速控制与能量钳位电路，其特点在于，所述交流电机的无级调速控制与能量钳位电路包括整流模块、第一二极管、第一电容、三线电源开关和控制器，所述控制器包括电源系统和调速系统，所述整流模块的电压输入第一端连接交流电源的一极，所述整流模块的电压输入第二端连接交流电机的一端，所述第一二极管的正极与交流电机的另一端并联地连接于连接所述交流电源的另一极，所述整流模块的电压输出第一端连接所述三线电源开关的第一端，所述整流模块的电压输出第二端并联地连接所述三线电源开关的第二端和所述第一电容的一端并接地，第一电容的另一端并联地连接所述第一二极管的负极和所述电源系统，所述电源系统还与所述调速系统连接，所述整流模块用于为交流电机供电，所述第一电容用于储存电能，所述第一二极管用于为所述第一电容提供交流充电通道和用于隔离反向电流，所述三线电源开关用于控制交流电机的开和关，所述电源系统用于为交流电机的无级调速控制与能量钳位电路提供低压电源及用于为所述调速系统提供缓冲钳位和电机反向电动势通道，所述调速系统用于接收调速信号指令、转换为PWM控制信号并发送给所述三线电源开关。
优选地，所述三线电源开关为第一开关管，所述第一开关管为MOS管或三极管，当所述第一开关管为MOS管时，所述第一开关管的漏极、源极和栅极分别连接所述整流模块1的所述电压输出第一端、所述整流模块1的所述电压输出第二端和所述调速系统；当所述第一开关管为三极管时，所述第一开关管的集电极、发射极和基极分别连接所述整流模块1的所述电压输出第一端、所述整流模块1的所述电压输出第二端和所述调速系统第一开关管第一开关管整流模块1整流模块1。
优选地，所述整流模块包括第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管，所述第三二极管的正极和所述第六二极管的负极连接所述交流电源的所述一极，所述第四二极管的正极和所述第五二极管的负极连接交流电机的所述一端，所述第三二极管的负极和所述第四二极管的负极并联地连接所述第二二极管的正极、所述第一开关管的所述漏极或所述发射极，所述第二二极管的负极并联地连接所述第一二极管的所述负极、所述第一电容的所述另一端和所述控制器的所述电源系统，所述第五二极管的正极、所述第六二极管的正极并联地连接所述第一开关管的所述源极或所述发射极并接地第一开关管第一开关管。
优选地，所述交流电机的无级调速控制与能量钳位电路还包括钳位控制模块，所述钳位控制模块与所述电源系统连接，所述钳位控制模块用于使所述电源系统扩大缓冲钳位的功率范围。
优选地，所述钳位控制模块包括负载电阻和第二开关管，当所述第二开关管为MOS管，所述负载电阻的一端连接所述控制器的所述电源系统的直流供电端，所述负载电阻的另一端连接所述第二开关管的漏极，所述第二开关管的栅极连接所述控制器的所述电源系统的控制端，所述第二开关管的源极连接所述控制器的接地端、所述第一电容的所述一端、所述第一开关管的所述源极或所述发射极并接地；当所述第二开关管为三极管时，所述负载电阻的一端连接所述控制器的所述电源系统的直流供电端，所述负载电阻的另一端连接所述第二开关管的集电极，所述第二开关管的基极连接所述控制器的所述电源系统的控制端，所述第二开关管的发射极连接所述控制器的接地端、所述第一电容的所述一端、所述第一开关管的所述发射极并接地。第二开关管第二开关管第二开关管第二开关管第一开关管。
优选地，所述交流电机的无级调速控制与能量钳位电路还包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电感和第二电容，所述滤波电感的一端连接所述控制器，所述滤波电感的另一端并联地连接所述负载电阻的所述一端、所述第二电容的一端所述第二电容的另一端连接所述第二开关管的所述源极(或集电极)并接地第二开关管。
优选地，所述第一电容为BULK电容。
优选地，所述电源系统为BUCK电源和/或反激式电源。
一种交流电机的无级调速控制与能量钳位电路装置，其特点在于，所述交流电机的无级调速控制与能量钳位电路装置包括上述的交流电机的无级调速控制与能量钳位电路。
本发明的积极进步效果在于：
本发明解决交流电机难以做到无级调速的问题，不再需要任何调速抽头，简化了电机结构，大大降低了成本，并利用一个BUCK降压式或反激式电源系统方式进行巧妙的能量钳位，将电机调速过程中产生的反向电动势转换为低压电源，该低压电源进一步作为整机系统的供电电源被系统有效使用，从而提高了系统的效率；同时，利用能量钳位电路优化电路性能，保护系统电路不被损坏，提高系统能量转换效率，并降低了钳位电路的复杂度，提高了钳位电路的电压限制作用，实现了在廉价且成熟的传统交流电机上进行无级调速的应用，保证了无级调速应用的实用和安全，有广阔的市场前景；采用BULK电容实现了为交流电机的感应电动势提供额外的缓冲与泄放通道，能够防止过高的电机感应电动势造成保护开关模块被损坏，而且限制MOS管管漏极-源极电压VDS的上升速度，从而降低系统的电磁干扰；本发明产品本发明的控制方式采用基于MOS管的源极的控制方式，因此不会出现各控制模块不共地的难题，极大地降低了系统的复杂度，且控制良好；本发明产品可应用于小功率系统，也可应用于较大功率系统，实用范围广。
附图说明
图1为本发明的第一较优实施例的电路结构示意图。
图2为本发明的第二较优实施例的电路结构示意图。
图3为图2的进一步优化实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
请参见图1，本发明一种交流电机M的无级调速控制与能量钳位电路，包括整流模块1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、三线电源开关K1和控制器2。第一二极管D1和第二二极管D2用于为第一电容C1提供交流充电通道、隔离反向电流，以及将交流电机的反向电动势导入第一电容C1，实现能量的高效转换。控制器2用于接收与输出控制信号，以保证系统的正常运行与交流电机的无级调速。优选地，第一电容C1为BULK电容。控制器2包括电源系统3和调速系统4，电源系统3可为BUCK电源和/或反激式电源。当电源系统为BUCK电源时，结构简单，适合用于小功率系统；当电源系统为反激式电源，适合用于较大功率系统。整流模块1的电压输入第一端连接交流电源Vin(AC)的一极，整流模块1的电压输入第二端连接交流电机M的一端，第一二极管D1的正极与交流电机M的另一端并联地连接于连接交流电源Vin(AC)的另一极。交流电源Vin(AC)为单向交流电。整流模块1的电压输出第一端连接三线电源开关K1的第一端，整流模块1的电压输出第二端并联地连接三线电源开关K1的第二端和第一电容C1的一端并接地，第一电容C1的另一端并联地连接第一二极管D1的负极、第二二极管D2的负极和电源系统3，电源系统3还与调速系统4连接，整流模块1用于提供直流电源。第一电容C1用于储存电能，同时限制电压的上升速度，进行电压缓冲。第一二极管D1用于为第一电容C1提供交流充电通道和用于隔离反向电流。三线电源开关K1用于控制交流电机的开和关。电源系统3用于将所有吸收到的能量转换成低压输出，为交流电机的无级调速控制与能量钳位电路提供低压电源，从而大大提高系统工作效率，还用于为调速系统4提供电压缓冲钳位和作为电机反向电动势泄放通道，保护三线电源开关不因过高的电机感应电动势而损坏。调速系统4用于接收调速信号指令、转换为PWM控制信号并发送给三线电源开关K1，以实现无级调速。
优选地，第一开关管为MOS管M1或三极管，当第一开关管为MOS管M1时，第一开关管的漏极、源极和栅极分别连接整流模块1的电压输出第一端、整流模块1的电压输出第二端和调速系统4；当第一开关管为三极管时，第一开关管的集电极、发射极和基极分别连接整流模块1的电压输出第一端、整流模块1的电压输出第二端和调速系统4。
请参见图3，交流电机M的无级调速控制与能量钳位电路还包括第二二极管D2，第一二极管D1和第二二极管D2共同为第一电容C1提供交流充电通道与反向隔离。整流模块1包括第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6，第三二极管D3的正极和第六二极管D6的负极连接交流电源Vin(AC)的所述一极，第四二极管D4的正极和第五二极管D5的负极连接交流电机M的所述一端，第三二极管D3的负极和第四二极管D4的负极并联地连接第二二极管D2的正极、第一开关管的漏极或发射极，第二二极管D2的负极并联地连接第一二极管D1的所述负极、第一电容C1的另一端和控制器2的电源系统3，第五二极管D5的正极、第六二极管D6的正极并联地连接第一开关管的源极或集电极并接地。
如图2所示，本发明还包括钳位控制模块5，钳位控制模块5与电源系统3连接，钳位控制模块5用于使电源系统3扩大缓冲钳位的功率范围，优化钳位的效果。钳位控制模块5为动态控制电路，其通过检测第一电容C1上的电压，采用PWM调制方式或线性调整方式来施加对应的负载消耗，从而限制了第一电容C1上反向电动势的幅度，实现钳位，同时保证了相对较高的电容电压幅度。本发明可实现在正常工作时，第一电容上的电压范围为300V-800V，低于第一开关管的最高耐压。
优选地，钳位控制模块5包括负载电阻R1和第二开关管，当第二开关管为MOS管M2时，负载电阻R1的一端连接控制器2的电源系统3的直流供电端，负载电阻R1的另一端连接第二开关管的漏极，第二开关管的栅极连接控制器2的电源系统3的控制端，第二开关管的源极连接控制器2的接地端、第一电容C1的所述一端、第一开关管的所述源极或所述发射极并接地；当第二开关管为三极管时，负载电阻R1的一端连接控制器2的电源系统3的直流供电端，负载电阻R1的另一端连接第二开关管的集电极，第二开关管的基极连接控制器2的电源系统3的控制端，第二开关管的发射极连接控制器的接地端、第一电容C1的所述一端、第一开关管的所述发射极并接地。本实施例控制方式均为基于MOS源极的控制方式，克服了现有技术的各控制模块不共地的难题，极大地降低了系统的复杂度，控制效果得到提升。因此，本发明当交流电机的反向电动势较大时仅需要增加第二开关管低压开关，接通一个或若干个附加的负载电阻R1在电源系统2的VDD输出端，动态限制交流电机M的感应电动势在第一电容C1上产生的电压幅度，即可容易地实现更大范围的功率容量钳位控制。第一开关管与钳位控制模块5具有公共参考点，该参考点为整流模块1的负极，因此控制方便而有效。如图2所示，交流电机M的无级调速控制与能量钳位电路还包括滤波电路，滤波电路用于产生稳定的低压输出。滤波电路包括滤波电感L1和第二电容C2，滤波电感L1的一端连接控制器2的SW端，滤波电感L1的另一端并联地连接负载电阻R1的所述一端、第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端连接第二开关管M2的源极或发射极并接地。
结合图1和图2所示，对图3的工作过程详细说明如下：
当有交流电源Vin(AC)输入后，首先通过第一二极管D1或第二二极管D2、第三二极管D3向第一电容C1充电，第一电容C1将储存电能经控制器2的HV端(高压)引脚输入控制器2进行调制，再经由滤波电感L1和第二电容C2构成的滤波电路得到低压直流输出VDD，供整机电路系统使用，保证其正常工作。此时，当控制器2的RX端(信号接收端)引脚接收到系统控制的调速要求指令或信号，其通过CTR1端引脚输出PWM调制信号到第一开关管的栅极，从而控制第一开关管的高速开关，根据开关的频率和占空比来调节交流电机M两端的平均电压，从而达到无级调速的目的。在第一开关管处于完全导通状态时，交流电源Vin(AC)经过第一二极管D1和第二二极管D2向第一电容C1充电，电源系统正常输出直流低压VDD为系统电路供电；当开关模块处于PWM调速状态时，在第一开关管关闭期间电机产生的反向电动势可同样通过第一二极管D1和第二二极管D2被充电至第一电容C1中，连接第一电容C1的电源系统将所有吸收到的能量转换成低压输出，再为整机系统提供能量，从而大大提高系统效率。因此，第一电容C1的电压可高于电网电压幅度，从而为交流电机绕组提供必要的电磁复位，提高运转效率；第一电容C1与电源系统3连接，为电机绕组的反向电动势能量较高时提供额外的负载，为交流电机M的感应电动势提供泄放通道，抑制第一电容C1上的电压幅度不使其过高，保护开关模块不因过高的电机感应电动势而损坏，保障系统安全。第一电容C1的存在还能限制第一开关管的漏极-源极电压VDS的上升速度，从而降低系统的EMI干扰，增强PWM调速期间关断边沿的dV/dT钳位作用。当系统侦测到第一电容C1电压超过限定值时，控制器通过CTR2引脚控制第二开关管开启，电源系统加入额外的负载电阻R1以增加电源系统3的消耗，从而限制了感应电动势在第一电容C1即BULK电容上产生的电压幅度，使第一电容C1的电压下降，并在第一电容C1的电压下降到预定释放电压时控制第二开关管关闭，不仅可以节约能量，同时实现了更大范围的功率容量钳位控制，提高系统可靠性。
本发明交流电机的无级调速控制与能量钳位电路装置，包括如上述的交流电机的无级调速控制与能量钳位电路。
本发明在传统的电容启动式风扇采用的单相交流电机上利用PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)方法进行无级调速控制的技术，解决交流电机难以做到无级调速的问题，不再需要任何调速抽头，简化了电机结构，大大降低了成本，并利用一个BUCK降压式或反激式电源系统复用方式进行巧妙的能量钳位，将电机调速过程中产生的反向电动势转换为低压电源，该低压电源进一步作为整机系统的供电电源被系统有效使用，从而提高了系统的效率，并降低了钳位电路的复杂度，提高了钳位电路的电压限制作用，实现了在廉价且成熟的传统交流电机上进行无级调速的应用，经济、实用和安全，有广阔的市场前景。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种交流电机的无级调速控制与能量钳位电路，其特征在于，所述交流电机的无级调速控制与能量钳位电路包括整流模块、第一二极管、第二二极管、第一电容、三线电源开关和控制器，所述控制器包括电源系统和调速系统，所述整流模块的电压输入第一端连接交流电源的一极，所述整流模块的电压输入第二端连接交流电机的一端，所述第一二极管的正极与交流电机的另一端并联地连接于所述交流电源的另一极，所述整流模块的电压输出第一端连接所述三线电源开关的第一端和所述第二二极管的正极，所述整流模块的电压输出第二端并联地连接所述三线电源开关的第二端和所述第一电容的一端并接地，第一电容的另一端并联地连接所述第一二极管的负极、所述第二二极管的负极和所述电源系统，所述电源系统还与所述调速系统连接，所述整流模块用于提供直流电源；所述第一电容用于储存电能，同时限制电压的上升速度，进行电压缓冲；所述三线电源开关用于控制交流电机的开和关；所述交流电机的无级调速控制与能量钳位电路还包括钳位控制模块，所述钳位控制模块与所述电源系统连接，所述钳位控制模块包括负载电阻和第二开关管，所述钳位控制模块用于使所述电源系统扩大缓冲钳位的功率范围；所述电源系统用于为交流电机的无级调速控制与能量钳位电路提供低压电源及用于为所述调速系统提供电压缓冲钳位和作为电机反向电动势泄放通道，保护所述三线电源开关不因过高的电机感应电动势而损坏；所述调速系统用于接收调速信号指令、转换为PWM控制信号并发送给所述三线电源开关。
2.根据权利要求1所述的交流电机的无级调速控制与能量钳位电路，其特征在于，所述三线电源开关为第一开关管，所述第一开关管为MOS管或三极管，当所述第一开关管为MOS管时，所述第一开关管的漏极、源极和栅极分别连接所述整流模块的所述电压输出第一端、所述整流模块的所述电压输出第二端和所述调速系统；当所述第一开关管为三极管时，所述第一开关管的集电极、发射极和基极分别连接所述整流模块的所述电压输出第一端、所述整流模块的所述电压输出第二端和所述调速系统。
3.根据权利要求2所述的交流电机的无级调速控制与能量钳位电路，其特征在于，所述整流模块包括第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管，所述第三二极管的正极和所述第六二极管的负极连接所述交流电源的所述一极，所述第四二极管的正极和所述第五二极管的负极连接交流电机的所述一端，所述第三二极管的负极和所述第四二极管的负极并联地连接所述第二二极管的正极、所述第一开关管的所述漏极或所述发射极，所述第二二极管的负极并联地连接所述第一二极管的所述负极、所述第一电容的所述另一端和所述控制器的所述电源系统，所述第五二极管的正极、所述第六二极管的正极并联地连接所述第一开关管的所述源极或所述集电极并接地。
4.根据权利要求3所述的交流电机的无级调速控制与能量钳位电路，其特征在于，当所述第二开关管为MOS管，所述负载电阻的一端连接所述控制器的所述电源系统的直流供电端，所述负载电阻的另一端连接所述第二开关管的漏极，所述第二开关管的栅极连接所述控制器的所述电源系统的控制端，所述第二开关管的源极连接所述控制器的接地端、所述第一电容的所述一端、所述第一开关管的所述源极或所述发射极并接地；当所述第二开关管为三极管时，所述负载电阻的一端连接所述控制器的所述电源系统的直流供电端，所述负载电阻的另一端连接所述第二开关管的集电极，所述第二开关管的基极连接所述控制器的所述电源系统的控制端，所述第二开关管的发射极连接所述控制器的接地端、所述第一电容的所述一端、所述第一开关管的所述源极或所述发射极并接地；当系统侦测到所述第一电容上的电压超过限定值时，所述控制器控制所述第二开关管开启，电源系统加入额外的所述负载电阻以增加电源系统的消耗，从而限制了感应电动势在所述第一电容上产生的电压幅度，使所述第一电容的电压下降，并在所述第一电容的电压下降到预定释放电压时控制所述第二开关管关闭。
5.根据权利要求4所述的交流电机的无级调速控制与能量钳位电路，其特征在于，所述交流电机的无级调速控制与能量钳位电路还包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电感和第二电容，所述滤波电感的一端连接所述控制器，所述滤波电感的另一端并联地连接所述负载电阻的所述一端、所述第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接所述第二开关管的所述源极或所述发射极并接地。
6.根据权利要求1所述的交流电机的无级调速控制与能量钳位电路，其特征在于，所述第一电容为BULK电容。
7.根据权利要求1所述的交流电机的无级调速控制与能量钳位电路，其特征在于，所述电源系统为BUCK电源和/或反激式电源。
8.一种交流电机的无级调速控制与能量钳位电路装置，其特征在于，所述交流电机的无级调速控制与能量钳位电路装置包括如权利要求1～7任一所述的交流电机的无级调速控制与能量钳位电路。
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