CN111342735A - 单相电机无级调速电路及调速方法 - Google Patents

单相电机无级调速电路及调速方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111342735A
CN111342735A CN201811566584.3A CN201811566584A CN111342735A CN 111342735 A CN111342735 A CN 111342735A CN 201811566584 A CN201811566584 A CN 201811566584A CN 111342735 A CN111342735 A CN 111342735A
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch
signal
circuit
output end
driving
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811566584.3A
Other languages
English (en)
Inventor
喻辉洁
李干富
周卓源
王曙光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cheng Li Xin Electronic Technology Co ltd
Xiamen Biyi Micro Electronic Technique Co ltd
Original Assignee
Cheng Li Xin Electronic Technology Co ltd
Xiamen Biyi Micro Electronic Technique Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cheng Li Xin Electronic Technology Co ltd, Xiamen Biyi Micro Electronic Technique Co ltd filed Critical Cheng Li Xin Electronic Technology Co ltd
Priority to CN201811566584.3A priority Critical patent/CN111342735A/zh
Priority to US16/563,249 priority patent/US10972038B2/en
Priority to EP19897682.1A priority patent/EP3820044A4/en
Priority to PCT/CN2019/104700 priority patent/WO2020125072A1/zh
Publication of CN111342735A publication Critical patent/CN111342735A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/04—Single phase motors, e.g. capacitor motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2201/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the converter used
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/26—Power factor control [PFC]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明提供了一种无级调速电路及无级调速方法。一种用于驱动电机的无级调速电路，包括：开关电路，输入端用于接收正弦交流电信号经全波整流后的单向脉动馒头波信号，第一输出端和第二输出端之间用于耦接电机；同步信号发生电路，用于根据正弦交流电信号产生同步信号；开关驱动电路，用于根据同步信号的状态选择开关电路中至少一个开关以第二频率进行斩波，用于在第一输出端和第二输出端之间形成正弦包络斩波信号，其中正弦包络斩波信号的包络线与正弦交流电信号的波形同步。本发明提供的电机无级调速电路及调速方法，电路体积小，且具有较高的功率因数，并可大大提高低速下电机的效率。

Description

单相电机无级调速电路及调速方法
技术领域
本发明涉及电子领域，具体涉及用于驱动单相电机的无级调速电路及调速方法。
背景技术
单相电机，一般是指由市电交流电提供的单相交流电源进行供电的异步电动机。因为市电电源供电非常方便经济，为家庭生活用电，所以单相电机不但在生产上用量大，而且也与人们日常生活密切相关。尤其是随着人民生活水平的日益提高，用于家用电器设备如电风扇等的单相电机的用量，也越来越大。单相电机通过调速电路来调节电机的转速。
第一种单相电机的调速方法为电感机械开关调速，通过调节串接的电感大小来调节辅助绕组与主绕组电感机械配比来实现调速方案，但是该方案调速范围有限，难以实际低速启动或调节。
第二种单相电机的调速方法为串电抗无级调速，能实现平滑调速，但是调速范围有限，且电抗尺寸大，系统效率低。
第三种方法为可控硅调速，通过双向可控硅开关来完成对电机端电压的斩波控制而实现调压。该方法成本低、实现简单，因而目前被广泛应用。然而，可控硅在低速调速时由于波形被斩波较多，变形较大，因而功率因数(PF)过低，不符合电源要求。且转矩脉动大，噪音大。
第四种方法为交流斩波器调速，该类调速电路往往需要多路相互隔离的辅助电源，且采用大量的高压元器件，如通常需要8个高压二极管和2个高压双向开关，且高压器件不共地，因此电路设计复杂，高压器件和控制单元之间需要相互隔离，且需要多个隔离电源，很难实现系统集成。因为整体系统复杂，成本偏高，很难被实际应用。
另有一种控制方法是变频逆变器调速，包括将交流电源进行整流滤波以获得直流稳压电源的交流-直流变换电路和对方波信号进行变频斩波的斩波电路等，虽然具有同时调幅调频、灵活应用的优势，但是需要在输入整流电路后采用大电容或交流-直流开关变换电路来获取直流稳压源，且采用复杂的变频逆变电路来产生交流变频电压源。其体积大，成本高,系统操作复杂。且因为输入整流滤波电容的存在，其功率因数较低，如半载功率因数经常为0.5至0.6 之间。因此对于大功率逆变器往往需要增加额外的前级功率因数校正(PFC)电路。但这也增加了系统成本和引入额外的损耗。
发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的一个目的在于提供用于解决上述至少部分缺陷的驱动单相电机的无级调速电路及调速方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于驱动电机的无级调速电路，包括：开关电路，具有输入端、地电位端、第一输出端和第二输出端，其中输入端用于接收单向脉动馒头波信号，其中单向脉动馒头波信号为正弦交流电信号的全波整流信号，开关电路的第一输出端和第二输出端之间用于耦接电机，开关电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中第一开关耦接在输入端和第一输出端之间，第二开关耦接在输入端和第二输出端之间，第三开关耦接在第二输出端和地电位端之间，第四开关耦接在第一输出端和地电位端之间；同步信号发生电路，用于产生同步信号，其中在正弦交流电信号的前半周期，同步信号为第一状态，在正弦交流电信号的后半周期，同步信号为不同于第一状态的第二状态；开关驱动电路，用于根据同步信号的状态，在同步信号的任一状态下选择第一开关、第二开关、第三开关和第四开关中的至少一个开关以第二频率进行斩波，用于在第一输出端和第二输出端之间形成正弦包络斩波信号，其中正弦包络斩波信号的包络线与正弦交流电信号的波形同步，第二频率为正弦交流电信号的频率的10倍以上。
在一个实施例中，当同步信号为第一状态时，开关驱动电路导通第一开关，对第三开关进行斩波，同时关断第二开关和第四开关；当同步信号为第二状态时，开关驱动电路导通第二开关，对第四开关进行斩波，同时关断第一开关和第三开关。
在一个实施例中，当同步信号为第一状态时，开关驱动电路导通第一开关，关断第四开关，对第二开关和第三开关进行反相同步斩波；当同步信号为第二状态时，开关驱动电路导通第二开关，关断第三开关，对第一开关和第四开关进行反相同步斩波。
在一个实施例中，开关驱动电路进一步根据同步信号的状态，在同步信号的任一状态下选择第一开关、第二开关、第三开关和第四开关中的至少一个开关进行导通以及至少一个开关进行关断，用于在第一输出端和第二输出端之间形成正弦包络斩波信号。
在一个实施例中，开关驱动电路通过输出脉宽调制信号对开关进行斩波。
在一个实施例中，无级调速电路进一步包括整流电路，整流电路用于将市电正弦交流电信号转换成单向脉动馒头波信号。
在一个实施例中，同步信号基于正弦交流电信号产生，其中当正弦交流电信号大于零时，同步信号为第一状态；当正弦交流电信号小于零时，同步信号为不同于第一状态的第二状态。
在一个实施例中，无级调速电路进一步包括电容，耦接在输入端和地电位端之间。
在一个实施例中，当不考虑开关电路的容值时，输入端和地电位端之间的有效容值低于 4.7微法。
在一个实施例中，第一开关、第二开关、第三开关和第四开关为高压功率开关管，第一开关和第二开关的漏极或集电极耦接输入端，第一开关的源极或发射极耦接第一输出端，第二开关的源极或发射极耦接第二输出端；第三开关和第四开关的源极或发射极耦接地电位端，第三开关的漏极或集电极耦接第二输出端，第四开关的漏极或集电极耦接第一输出端。
在一个实施例中，开关驱动电路包括：逻辑电路，具有输入端、第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端，其中逻辑电路的输入端耦接同步信号发生电路的输出端；第一半桥驱动电路，具有两个输入端和两个输出端，其中第一半桥驱动电路的两个输入端分别耦接逻辑电路的第一输出端和第二输出端，第一半桥驱动电路的两个输出端分别耦接第一开关的控制端和第四开关的控制端；以及第二半桥驱动电路，具有两个输入端和两个输出端，其中第二半桥驱动电路的两个输入端分别耦接逻辑电路的第三输出端和第四输出端，第二半桥驱动电路的两个输出端分别耦接第二开关的控制端和第三开关的控制端。
在一个实施例中，电机包括单相异步电机。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于驱动电机的无级调速方法，包括：将正弦交流电信号全波整流成单向脉动馒头波信号；将单向脉动馒头波信号输入H桥开关电路的输入端；提供同步信号，其中在正弦交流电信号的前半周期，同步信号为第一状态，在正弦交流电信号的后半周期，同步信号为第二状态；根据同步信号的状态选择H桥开关电路中至少一个开关进行斩波，用于在H桥开关电路的输出端提供正弦包络斩波信号，其中正弦包络斩波信号的包络线与正弦交流电信号的波形同步；以及采用正弦包络斩波信号驱动电机，并通过调节对开关进行斩波的斩波信号的占空比调节电机转速。
在一个实施例中，根据同步信号的状态选择H桥开关电路中至少一个开关进行斩波的方法包括：提供与同步信号同步的第一驱动信号，用于驱动H桥开关电路中的第一开关；提供与同步信号反相的第二驱动信号，用于驱动H桥开关电路中的第二开关；将第一驱动信号与脉宽调制信号进行与运算形成第一斩波信号，用于驱动H桥开关电路中的第三开关；以及将第二驱动信号与脉宽调制信号进行与运算形成第二斩波信号，用于驱动H桥开关电路中的第四开关。
在一个实施例中，根据同步信号的状态选择H桥开关电路中至少一个开关进行斩波的方法包括：将同步信号与脉宽调制信号进行或运算形成第一驱动信号，用于驱动第一开关；将同步信号进行反相再与脉宽调制信号进行或运算形成第二驱动信号，用于驱动第二开关；将第二驱动信号进行反相，用于驱动第三开关；以及将第一驱动信号进行反相，用于驱动第四开关。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于驱动电机的调速电路，包括：开关电路，具有输入端、地电位端、第一输出端和第二输出端，其中输入端用于接收正弦交流电信号经全波整流后的单向脉动馒头波信号，第一输出端和第二输出端之间用于耦接电机，开关电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中第一开关耦接在输入端和第一输出端之间，第二开关耦接在输入端和第二输出端之间，第三开关耦接在第二输出端和地电位端之间，第四开关耦接在第一输出端和地电位端之间；同步信号发生电路，其输出端用于提供与正弦交流电信号关联的同步信号；以及开关驱动电路，用于根据同步信号在正弦交流电信号的前半周期，导通第一开关，对第三开关进行斩波，同时关断第二开关和第四开关；在正弦交流电信号的后半周期，导通第二开关，对第四开关进行斩波，同时关断第一开关和第三开关。
在一个实施例中，开关驱动电路包括：逻辑电路，具有输入端和至少两个输出端，其中逻辑电路的输入端耦接同步信号发生电路的输出端，逻辑电路的输出端提供至少两个逻辑信号；以及驱动级电路，具有至少两个输入端和至少两个输出端，其中驱动级电路的至少两个输入端用于接收逻辑电路的至少两个逻辑信号，驱动级电路的至少两个输出端用于控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关。
在一个实施例中，同步信号在正弦交流电信号前半周期为第一状态，在正弦交流电信号后半周期为不同于第一状态的第二状态；第一开关控制端的信号与同步信号波形同步；第二开关控制端的信号为同步信号的反相信号；第四开关控制端的信号为第二开关控制端的信号与脉宽调制信号的与信号；第三开关控制端信号为第一开关控制端信号与脉宽调制信号的与信号。
根据本发明的再一个方面，提供了一种用于驱动电机的调速电路，包括：开关电路，具有输入端、地电位端、第一输出端和第二输出端，其中输入端用于接收正弦交流电信号经全波整流后的单向脉动馒头波信号，第一输出端和第二输出端之间用于耦接电机，开关电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中第一开关耦接在输入端和第一输出端之间，第二开关耦接在输入端和第二输出端之间，第三开关耦接在第二输出端和地电位端之间，第四开关耦接在第一输出端和地电位端之间；同步信号发生电路，其输出端用于提供与正弦交流电信号关联的同步信号；以及开关驱动电路，用于根据同步信号在正弦交流电信号的前半周期，导通第一开关，关断第四开关，对第二开关和第三开关进行反相同步斩波；在正弦交流电信号的后半周期，导通第二开关，关断第三开关，对第一开关和第四开关进行反相同步斩波。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于驱动电机的调速电路，包括：H桥开关电路，具有输入端、地电位端、第一输出端和第二输出端，其中输入端用于接收单向脉动馒头波信号，单向脉动馒头波信号为市电正弦交流电信号的全波整流信号，第一输出端和第二输出端之间用于耦接电机；以及开关驱动电路，在市电正弦交流电信号的前半周期，对H桥开关电路中的至少一个开关进行斩波，在市电正弦交流电信号的后半周期，对H桥开关电路中的另外至少一个开关进行斩波，用于在第一输出端和第二输出端之间产生正弦包络斩波信号，其中调速电路的半载功率因数大于0.9。
本发明提供的电机无级调速电路及调速方法，电路体积较小，有效降低了系统复杂度和成本，且具有较高的功率因数，并可大大提高低速下电机的效率，其具体优点将结合下述具体实施例予以展现。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施例的用于驱动电机的无级调速电路示意图；
图2示出了根据本发明一实施例的对应图1中电路的信号波形示意图；
图3示出了根据本发明一实施例的单相电机无级调速电路系统示意图；
图4示出了根据本发明一实施例的对应图3电路中各信号的用于进行单相电机无级调速控制的信号波形示意图；
图5示出了根据本发明另一实施例的对应图3电路中各信号的用于进行单相电机无级调速控制的信号波形示意图；
图6示出了根据本发明一实施例的用于驱动电机的无级调速方法框图示意图；
图7示出了根据本发明一实施例的同步信号发生电路示意图；
图8示出了根据本发明一实施例的正弦包络斩波信号、其包络线和正弦交流电信号Vsin 的示意图；
图9示出了根据本发明一实施例的样机测试实验波形示意图；
图10示出了根据本发明一实施例方案的电机调速电路样机的输入功率与现有技术方案的输入功率在不同电机转速下的对比测试示意图；
图11示出了根据本发明一实施例方案的电机调速电路样机的输入功率因数与现有技术方案的输入功率因数在不同电机转速下的对比测试示意图。
不同示意图中相同的标号代表相同或相似的部件或组成。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
说明书中的“耦接”包含直接连接，也包含间接连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中该电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容。还可包括本领域技术人员公知的在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。
图1示出了根据本发明一实施例的用于驱动电机的无级调速电路。优选地，无级调速电路用于驱动单相异步电机M。无级调速电路包括整流电路10，开关电路11，同步信号发生电路12和开关驱动电路13。其中整流电路10用于将正弦交流电信号Vsin进行全波整流生成单向脉动馒头波信号Vin。优选地，正弦交流电信号Vsin为市电交流电，具有工频频率，如50 赫兹。在一些实施例中，无级调速电路也可不包括整流电路10，即将整流电路置于无级调速电路之外。电机M也可以为其它类型的电机。
其中开关电路11具有输入端IN、地电位端GND、第一输出端Vo1和第二输出端Vo2，其中输入端IN用于接收单向脉动馒头波信号Vin，第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间用于耦接电机M，地电位端GND用于耦接参考地。其中单向脉动馒头波信号Vin为正弦交流电信号Vsin的全波整流信号。
开关电路11包括第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4。第一开关Q1耦接在输入端Vin和第一输出端Vo1之间，第二开关Q2耦接在输入端Vin和第二输出端Vo2之间，第三开关Q3耦接在第二输出端Vo2和地电位端GND之间，第四开关Q4耦接在第一输出端Vo1和地电位端GND之间。该开关电路11也可称为H桥开关电路。
同步信号发生电路12用于产生与正弦交流电信号Vsin或单向脉动馒头波信号Vin关联的同步信号SYN。在一个实施例中，如图2所示，同步信号SYN呈现具有第一电平(如高电平) 的第一状态S1和具有不同于第一电平的第二电平(如低电平)的第二状态S2，第一状态S1 和第二状态S2交替，其中第一状态S1的周期和第二状态S2的周期与单向脉动馒头波信号 Vin的周期一一对应。其中在正弦交流电信号Vsin的前半周期，同步信号SYN为第一状态S1，如高电平，在正弦交流电信号Vsin的后半周期，同步信号SYN为不同于第一状态的第二状态 S2，如低电平。在一个实施例中，同步信号发生电路12基于整流前的正弦交流电信号Vsin 产生同步信号SYN，如图1所示。优选地，同步信号SYN根据市电交流电产生，其频率与市电交流电频率对应，如在市电交流电的每个前半周期为高电平，在市电交流电的每个后半周期为低电平。在另一个实施例中，同步信号发生电路12基于单向脉动馒头波信号Vin产生同步信号SYN，如图1的虚线所示，如对应第奇数个单向脉动馒头波信号周期为高电平，对应第偶数个单向脉动馒头波信号周期为低电平。
开关驱动电路13用于根据同步信号SYN的状态输出驱动信号PWMA、PWMB、PWM2 和PWM1，用于分别控制第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4的开关状态，通过控制驱动信号PWMA、PWM1、PWM2和PWMB的状态来分时段选择第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4中的至少一个开关以第二频率进行斩波，用于在第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间形成正弦包络斩波信号Vo，Vo＝Vo1-Vo2，其中正弦包络斩波信号Vo的包络线与正弦交流电信号Vsin的波形同步，即具有相同的频率(相同周期T) 和近似的外形，参见图8。优选地，正弦包络斩波信号Vo的包络线与正弦交流电信号Vsin同步，为工频正弦波形。优选地，开关驱动电路13通过输出脉宽调制(PWM)信号对开关进行斩波，使得正弦包络斩波信号的斩波频率为第二频率，其中第二频率即为PWM信号的频率。通过调节PWM信号的占空比，可实现对电机M的无级调速。其中输出电压Vo的有效值Voe 为输入电压Vin的有效值Vine与占空比Duty的乘积：Voe＝Vine*Duty。输出电压Vo的有效值用于调节电机的转速。
在图4所示的实施例中，在正弦交流电信号Vsin的前半周期，同步信号SYN为第一状态 (S1)，开关驱动电路13对第三开关Q3以第二频率进行斩波；在正弦交流电信号Vsin的后半周期，同步信号SYN为第二状态(S2)，开关驱动电路13对第四开关Q4以第二频率进行斩波，用于在第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间形成正弦包络斩波信号。这样，在图4 所示的实施例中，无论处于什么时段(同步信号SYN为第一状态或第二状态)，均有一个开关被以第二频率进行斩波，用于输出如图2所示的全程斩波的正弦包络斩波信号Vo。在图5 所示的实施例中，在同步信号SYN为第一状态的时段，对第二开关Q2和第三开关Q3以PWM 频率(第二频率)进行斩波(斩波信号相互反相)，在同步信号SYN为第二状态的时段，对第一开关Q1和第四开关Q4以第二频率进行斩波(斩波信号相互反相)，用于在第一输出端 Vo1和第二输出端Vo2之间形成正弦包络斩波信号。在图5所示的实施例中，无论处于什么时段(同步信号SYN为第一状态或第二状态)，均有两个开关被以第二频率进行斩波，用于输出如图2所示的全程斩波的正弦包络斩波信号Vo。具体控制方式可参看图4和图5所示的实施例，将在下面进行详细描述。
图2示出了根据本发明一实施例的对应图1中电路的信号波形图。图1中开关电路11的第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间形成的正弦包络斩波信号，即电压Vo1与Vo2的差值信号为如图2所示的斩波信号Vo，其中正弦包络斩波信号Vo的包络线与正弦交流电信号Vsin 同步，优选地，为正弦波形状。优选的，正弦包络斩波信号Vo的斩波频率即第二频率大为正弦交流电信号Vsin频率的10倍以上。第二频率可以为非固定的频率。
在一个实施例中，单向脉动馒头波信号Vin为市电交流电经过全波整流的波形，正弦包络斩波信号Vo的周期T等于市电正弦交流电信号的周期。单向脉动馒头波信号Vin的频率为 2倍工频。
通过正弦包络斩波信号Vo驱动单相电机，可实现通过调节斩波信号Vo的占空比来实现单相电机的无级调速。同时，由于输出的正弦包络斩波信号Vo的包络线形状和市电交流电波形一致性很高，使得交流输入端的系统输入电流波形与市电交流电波形也一致性很高，该无级调速电路可具有很高的功率因数(PF)。
图3示出了根据本发明一实施例的单相电机无级调速电路系统示意图。电机无级调速电路包括整流电路10、开关电路11、同步信号发生电路12和开关驱动电路。整流电路10用于将正弦交流电信号Vsin转换成单向脉动馒头波信号Vin。优选地，正弦交流电信号Vsin为市电正弦交流电信号。当然，由于市电正弦交流电信号可能受其它电磁干扰等因素影响，使得正弦交流电信号Vsin存在畸变，其波形可以不为严格的正弦波形状。
同步信号发生电路12基于正弦交流电信号Vsin产生同步信号SYN。在图示实施例中，同步信号发生电路12包括过零检测电路，每当正弦交流电信号Vsin过零时，同步信号SYN 状态发生翻转。图7示出了根据本发明一实施例的同步信号发生电路示意图，具体将在下面描述。这样(参看图4)，当正弦交流电信号Vsin大于零时，同步信号SYN为第一状态(如高电平状态)；当正弦交流电信号Vsin小于零时，同步信号SYN为不同于第一状态的第二状态 (低电平)。或者说同步信号SYN在正弦交流电信号Vsin的前半周期为第一状态S1，在正弦交流电信号Vsin后半周期为不同于第一状态的第二状态(S2)。
继续参看图3，开关驱动电路包括逻辑电路32、第一半桥驱动电路331和第二半桥驱动电路332。开关驱动电路根据同步信号SYN的状态通过输出脉宽调制(PWM)信号分时段地对开关Q1-Q4中至少一个开关进行斩波。其中逻辑电路32用于根据同步信号SYN输出四个控制开关Q1-Q4的驱动信号PWMA、PWM1、PWMB和PWM2。具体的，逻辑电路32具有输入端、第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端，其中逻辑电路32的输入端耦接同步信号发生电路12的输出端用于接收同步信号SYN。逻辑电路32的第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端用于分别输出四个驱动信号PWMA、PWM1、PWMB和PWM2。在一个实施例中，参看图4，逻辑电路32的第一输出端输出的信号PMMA与同步信号SYN同步，使得第一开关Q控制端的信号与同步信号波形同步。逻辑电路32的第三输出端输出的信号PWMB为同步信号SYN的反相信号，使得第二开关Q2控制端的信号为同步信号的反相信号。逻辑电路32的第二输出端的信号PWM1为逻辑电路的第三输出端的信号 PWMB与脉宽调制(PWM)信号的与信号，使得第四开关Q4控制端的信号为第二开关控制端的信号与脉宽调制信号的与信号。逻辑电路32的第四输出端的信号PWM2为逻辑电路的第一输出端的信号PWMA与脉宽调制(PWM)信号的与信号，使得第三开关Q3控制端信号为第一开关控制端信号与脉宽调制信号的与信号。在另一个实施例中，参看图5，逻辑电路32 的第一输出端输出的信号PMMA为同步信号SYN与脉宽调制信号的或信号。逻辑电路32的第三输出端输出的信号PWMB为同步信号SYN的反相信号与脉宽调制信号的或信号。逻辑电路32的第二输出端的信号PWM1为第一输出端输出的信号PMMA的反相信号。逻辑电路 32的第四输出端的信号PWM2为第三输出端输出的信号PWMB的反相信号。在一个实施例中，各驱动信号PWMA、PWM1、PWMB和PWM2设置死区时间，防止开关管错误地同时导通。
驱动级电路包括第一半桥驱动电路331和第二半桥驱动电路332。
其中第一半桥驱动电路331具有两个输入端和两个输出端，其中两个输入端分别耦接逻辑电路32的第一输出端和第二输出端用于接收驱动信号PWMA和PWM1，第一半桥驱动电路331的两个输出端分别耦接第一开关Q1的控制端和第四开关Q4的控制端用于控制开关Q1和Q4的导通或关断。在一个具体的实施例中，第一驱动信号PWMA信号控制第一开关 Q1，第二驱动信号PWM1控制第四开关Q4。
第二半桥驱动电路332具有两个输入端和两个输出端，其中第二半桥驱动电路332的两个输入端分别耦接逻辑电路32的第三输出端和第四输出端用于接收驱动信号PWMB和PWM2，第二半桥驱动电路332的两个输出端分别耦接第二开关Q2的控制端和第三开关Q3 的控制端用于控制开关Q2和Q3的导通或关断。在一个具体的实施例中，第三驱动信号PWMB 信号控制第二开关Q2，第四驱动信号PWM2控制第三开关Q3。
在其它的实施例中，开关驱动电路可具有不同的结构。在一个实施例中，逻辑电路具有两个输出端，分别用于提供如图5所示的信号PWMA和PWMB，或者提供如图5所示的PWM1和PWM2，经驱动级电路放大提供两个驱动信号用于分别驱动四个开关管，其中开关管Q1 和Q4具有相反的掺杂类型受PWMA或PWM1信号控制，Q2和Q3具有相反的半导体掺杂类型并受PWMB或PWM2信号控制，相反掺杂类型的开关管在相同开关信号的作用下开关状态相反。当然，驱动级电路也可基于两个输入信号输出四个如图5波形所示的驱动信号控制四个开关管。在一个实施例中，逻辑电路可具有三个输出端，分别用于提供如图4所示的 PWMA，PWM1和PWM2，经驱动级电路放大分别用于输出三个驱动信号驱动Q1和Q2，Q3 以及Q4，其中Q1和Q2的掺杂类型相反。或者驱动级电路也可提供四个驱动信号用于驱动四个相同掺杂类型的开关。在一个实施例中，逻辑电路提供四个逻辑信号PWMA、PWMB、 PWM1和PWM2，驱动级电路包括一个全桥驱动电路，用于接收四个逻辑信号，提供四个驱动信号分别驱动四个开关管Q1、Q2、Q3和Q4。
在图3所示的实施例中，第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4为金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，第一开关Q1和第二开关Q2的漏极耦接输入端IN，第一开关Q1的源极耦接第一输出端Vo1，第二开关Q2的源极耦接第二输出端Vo2；第三开关Q3和第四开关Q4的源极耦接地电位端GND，第三开关Q3的漏极耦接第二输出端Vo2，第四开关Q4的漏极耦接第一输出端Vo1。当然，开关Q1-Q4也可以为其他类型的高压功率开关管，如结型场效应管(JFET)或双极结型晶体管(BJT)。在一个实施例中，当开关Q1、 Q2、Q3和Q4为BJT管时，第一开关Q1和第二开关Q2的集电极耦接输入端IN，第一开关 Q1的发射极耦接第一输出端Vo1，第二开关Q2的发射极耦接第二输出端Vo2；第三开关Q3 和第四开关Q4的发射极耦接地电位端GND，第三开关Q3的集电极耦接第二输出端Vo2，第四开关Q4的集电极耦接第一输出端Vo1。当开关Q1、Q2、Q3和Q4为BJT管时，在各开关的发射极和集电极之间各并联一二极管，用于提供续流通路。在一实施例中，开关Q1和Q2 为第一类型的开关管，开关Q3和Q4可为另一类型的开关管。
在图3所示的实施例中，开关管的源-漏端之间存在着寄生二极管，当开关Q1或Q2关断时，电流将流过开关Q1或Q2的寄生二极管。因此，在图示的实施例中，单相电机无级调速电路进一步包括电容Cf，耦接在开关电路11的输入端IN和地电位端GND之间，用于在开关Q1或Q2关断时为寄生二极管提供续流通路，防止输出端Vo1或Vo2电压的突变。但是，该电容Cf仅用于提供续流通路，因此电容Cf无需具有大容值，仅需采用小电容即可。在一个实施例中，电容Cf为薄膜电容。该方案无需采用其它技术中的用于提供平稳直流电源的大容值的电容如电解电容，或需要额外采样交流-直流变换电路等，因此大大降低了系统的成本和体积。在一个实施例中，电容Cf的容值选取为0.47微法。在一个实施例中，电容Cf的容值选取为0.33微法。在一个实施例中，当不考虑开关电路11的容值时，如不考虑开关电路 11的寄生电容或等效工作电容时，如将开关电路11移除时，输入端IN和地电位端GND之间的有效容值低于1微法。当不考虑开关电路11的容值时，输入端IN和地电位端GND之间的有效容值也可低于4.7微法，亦远低于对比技术中因采用电解电容而具有的数十至数百微法容值。
图4示出了根据本发明一实施例的对应图3电路中各信号的用于进行单相电机无级调速控制的信号波形图。从上至下的信号分别为正弦交流电信号Vsin、单向脉动馒头波信号Vin、同步信号SYN、用于驱动第一开关Q1的开关驱动信号PWMA、用于驱动第三开关Q3的开关驱动信号PWM2、用于驱动第二开关Q2的开关驱动信号PWMB和用于驱动开关第四Q4 的开关驱动信号PWM1。单向脉动馒头波信号Vin为正弦交流电信号Vsin的全波整流信号。同步信号SYN与馒头波形的单向脉动馒头波信号Vin或整流前的正弦交流电信号Vsin关联。其中在正弦交流电信号Vsin的前半周期，同步信号SYN为高电平，在正弦交流电信号Vsin 的后半周期，同步信号SYN为低电平。当然，同步信号SYN的高电平和低电平也可以调换。
在正弦交流电信号Vsin的前半周期，同步信号SYN为高电平(第一状态S1)，驱动信号 PWMA为高电平，驱动信号PWM2为高频斩波信号，驱动信号PWMB和PWM1为低电平。此时开关驱动电路导通第一开关Q1，对第三开关Q3进行斩波，同时关断第二开关Q2和第四开关Q4。在正弦交流电信号Vsin的后半周期，同步信号SYN为低电平(第二状态S2)，驱动信号PWMB为高电平，驱动信号PWM1为高频斩波信号，驱动信号PWMA和PWM2 为低电平。此时开关驱动电路导通第二开关Q2，对第四开关Q4进行斩波，同时关断第一开关Q1和第三开关Q3。在一个实施例中，上述高频斩波信号的斩波频率(第二频率)为正弦交流电信号Vsin频率的10倍以上。从波形可以看到，驱动H桥开关电路中第一开关Q1的第一驱动信号PWMA与同步信号SYN同步，驱动H桥开关电路中第三开关Q3的斩波信号 PWM2的包络线与第一驱动信号PWMA形状相同，驱动H桥开关电路中第二开关的第二驱动信号PWMB与同步信号SYN反相，驱动H桥开关电路中第四开关Q4的斩波信号PWM1 的包络线与第二驱动信号PWMB形状相同。在一个实施例中，优选的，斩波信号为各脉冲完整导通的脉宽调制信号。
图5示出了根据本发明另一实施例的对应图3电路中各信号的用于进行单相电机无级调速控制的信号波形图。从上至下的信号分别为正弦交流电信号Vsin、单向脉动馒头波信号Vin、同步信号SYN、用于驱动开关Q1的开关驱动信号PWMA、用于驱动开关Q3的开关驱动信号PWM2、用于驱动开关Q2的开关驱动信号PWMB和用于驱动开关Q4的开关驱动信号PWM1。单向脉动馒头波信号Vin为正弦交流电信号Vsin的全波整流信号。
正弦交流电信号Vsin的前半周期，同步信号SYN为第一状态(高电平)，用于驱动第一开关Q1的驱动信号PWMA为高电平信号，用于驱动第二开关Q2的驱动信号PWMB为PWM 斩波信号，用于驱动第三开关Q3的驱动信号PWM2为与驱动信号PWMB反相的同频率PWM 斩波信号，用于驱动第四开关Q4的驱动信号PWM1为低电平信号。这时，开关驱动电路导通第一开关Q1，关断第四开关Q2，对第二开关Q2和第三开关Q3进行相互反相地反相同步斩波。即此时以高于单向脉动馒头波信号Vin频率的斩波频率(或称第二频率)对第二开关 Q2和第三开关Q3进行导通和关断，当第二开关Q2导通时，第三开关Q3关断；当第二开关 Q2关断时，第三开关Q3导通。
在正弦交流电信号Vsin的后半周期，同步信号SYN为第二状态(低电平)，用于驱动第一开关Q1的驱动信号PWMA为第二频率的PWM斩波信号，用于驱动第二开关Q2的驱动信号PWMB为高电平信号，用于驱动第三开关Q3的驱动信号PWM2为低电平信号，用于驱动第四开关Q4的驱动信号PWM1为与驱动信号PWMA反相的同频率斩波信号。这样，开关驱动电路导通第二开关Q2，关断第三开关Q3，对第一开关Q1和第四开关Q4进行相互反相地反相同步斩波，即以第二频率对第一开关Q1和第四开关Q4进行导通和关断，当第一开关 Q1导通时，第四开关Q4关断；当第一开关Q1关断时，第四开关Q4导通。在一个实施例中，第二频率为正弦交流电信号Vsin频率的10倍以上。
结合图3至图5所描述的多个实施例，根据同步信号SYN的状态选择第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4中的至少一个开关以第二频率进行斩波，用于在第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间形成正弦包络斩波信号Vo。在图4所示的实施例中，在同步信号SYN为第一状态(S1)的时段，对第三开关Q3以第二频率进行斩波，在同步信号 SYN为第二状态(S2)的时段，对第四开关Q4以第二频率进行斩波，用于在第一输出端Vo1 和第二输出端Vo2之间形成正弦包络斩波信号。在图5所示的实施例中，在同步信号SYN为第一状态的时段，对第二开关Q2和第三开关Q3以第二频率进行斩波，其中第二开关Q2和第三开关Q3的斩波信号相互反相，在同步信号SYN为第二状态时，对第一开关Q1和第四开关Q4以第二频率进行斩波，其中第一开关Q1和第四开关Q4的斩波信号相互反相，用于在第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间形成正弦包络斩波信号。
进一步地，在图4和图5所示的控制实施例中，根据同步信号SYN的状态通过在同步信号SYN的任一状态下对第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4中的至少一个开关以第二频率进行斩波，同时对至少一个开关进行导通和至少一个开关进行关断的控制，来用于在第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间形成正弦包络斩波信号Vo。例如在图4所示的实施例中，在同步信号SYN为第一状态(S1)的时段，对第三开关Q3以第二频率进行斩波、对第一开关Q1进行导通、对第二开关Q2和第四开关Q4进行关断，在同步信号SYN为第二状态(S2)的时段，对第四开关Q4以第二频率进行斩波、对第二开关Q2进行导通、对第一开关Q1和第三开关Q3进行关断，通过这样的控制，用于在第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间形成正弦包络斩波信号。在图5所示的实施例中，在同步信号SYN为第一状态时，对第二开关Q2和第三开关Q3以第二频率进行斩波(斩波信号相互反相)、对第一开关Q1进行导通、对第四开关Q4进行关断；在同步信号SYN为第二状态时，对第一开关Q1和第四开关Q4以第二频率进行斩波(斩波信号相互反相)、对第二开关Q2进行导通、对第三开关 Q3进行关断，通过这样分时段选择性的控制，用于在第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间形成正弦包络斩波信号。
结合图3至图5所描述的多个实施例，无级调速电路在开关电路输出端Vo1和Vo2之间产生如图2中信号Vo所示意的正弦包络斩波信号。其中Vo＝Vo1-Vo2，正弦包络斩波信号Vo 的包络线波形与正弦交流电信号Vsin的波形同步，具有相同的频率(相同周期T)和近似的波形，参见图8。
图6示出了根据本发明一实施例的用于驱动单相电机的无级调速方法框图示意图。该方法包括步骤601-605。在步骤601，将正弦交流电信号Vsin全波整流成单向脉动馒头波信号 Vin。优选地，正弦交流电信号为市电交流电。
在步骤602，将单向脉动馒头波信号Vin输入H桥开关电路的输入端。
在步骤603，基于正弦交流电信号Vsin提供同步信号SYN，其中在正弦交流电信号Vsin 的前半周期，同步信号SYN为第一状态，如高电平，在正弦交流电信号Vsin的后半周期，同步信号SYN为第二状态，如低电平。在一个实施例中，同步信号SYN通过检测正弦交流电信号Vsin的过零信号产生，当正弦交流电信号Vsin过零值时，同步信号SYN状态进行切换。在另一个实施例中，同步信号SYN根据单向脉动馒头波信号Vin产生，在每个单向脉动馒头波信号Vin周期结束时，同步信号SYN状态发生变化，使得同步信号SYN在第奇数个单向脉动馒头波信号周期为第一状态，在第偶数个单向脉动馒头波信号周期为第二状态。
在步骤604，根据同步信号SYN的状态选择性地对H桥开关电路中至少一个开关进行斩波，用于在H桥开关电路的输出端提供正弦包络斩波信号Vo，其中正弦包络斩波信号的包络线与正弦交流电信号的波形同步。在一个实施例中，根据同步信号SYN的状态选择性地对H 桥开关电路中至少一个开关进行斩波的方法包括：提供与同步信号SYN同步的第一驱动信号PWMA，用于驱动H桥开关电路中的第一开关Q1；提供与同步信号SYN反相的第二驱动信号PWMB，用于驱动H桥开关电路中的第二开关Q2；提供与第一驱动信号PWMA具有相同形状包络线的第一斩波信号PWM2，即将第一驱动信号PWMA与脉宽调制(PWM)信号进行与运算形成第一斩波信号PWM2，用于驱动H桥开关电路中的第三开关Q3；以及提供与第二驱动信号PWMB具有相同形状包络线的第二斩波信号PWM1，即将第二驱动信号PWMB 与脉宽调制(PWM)信号进行与运算形成第二斩波信号PWM1，用于驱动H桥开关电路中的第四开关Q4。在一个实施例中，斩波信号PWM1或PWM2的斩波频率为正弦交流电信号频率的10倍以上。在另一个实施例中，H桥开关电路的各开关控制方式也可如图5所示，根据同步信号SYN的状态选择性地对H桥开关电路中至少一个开关进行斩波的方法包括：将同步信号SYN与脉宽调制PWM斩波信号进行或运算形成第一驱动信号PWMA，用于驱动第一开关Q1；将同步信号SYN进行反相再与PWM斩波信号进行或运算形成第二驱动信号PWMB，用于驱动第二开关Q2；将第二驱动信号PWMB进行反相形成信号PWM2，用于驱动第三开关Q3；以及将第一驱动信号PWMA进行反相形成信号PWM1，用于驱动第四开关Q4。
在步骤605，采用正弦包络斩波信号Vo驱动单相电机，并且根据对开关进行斩波的斩波信号的占空比调节电机转速。
图7示出了根据本发明一实施例的同步信号发生电路示意图。同步信号发生电路包括分别与正弦交流电信号Vsin的两个输入端耦接的两个并联的方向相反的整流管D1和D2，串联的两个阻值相同的电阻以及比较电路CMP。其中整流管D1和D2分别耦接在交流输入电源Vsin的两个输入端之间用于对输入正弦交流电信号Vsin进行整流。电阻的连接节点耦接参考地。比较电路CMP的两个输入端分别和正弦交流电信号Vsin的两个输入端耦接，并由一相对于参考地的稳定电源提供偏置。比较电路的输出端提供如图2所示的同步信号SYN，当正弦交流电信号Vsin大于零值时，同步信号SYN为高值信号，当正弦交流电信号Vsin小于零值时，同步信号SYN为低值信号(零值)。
图8示出了根据本发明一实施例的正弦包络斩波信号Vo、Vo包络线和正弦交流电信号 Vsin的示意图。可见，正弦包络斩波信号Vo的包络线与正弦交流电信号Vsin形状同步，两者具有相同的周期和相似的波形。在正弦交流电信号Vsin的前半周期，正弦交流电信号Vsin 大于零，正弦包络斩波信号Vo的包络线亦为大于零值的半正弦波；在正弦交流电信号Vsin 的后半周期，正弦交流电信号Vsin小于零，正弦包络斩波信号Vo的包络线亦为小于零值的半正弦波。
图9示出了根据本发明一实施例的样机测试实验波形示意图。其中第一个信号为单向脉动馒头波信号Vin。其为市电正弦交流电信号经全波整流后的整流信号。第二个信号为电机端电压信号Vo(Vo＝Vo1-Vo2)，其包络线为与整流前的正弦交流电信号具有相同频率的同步的正弦波信号。第三个信号为输入端即整流电路前端的输入电流信号，其包络线形状也是与输入端正弦交流电信号同频率的正弦波信号。因此，交流信号输入端的输入电压和输入电流一致性很好，该系统的功率因数较高。
本发明的实施中提供的用于驱动单相电机的正弦包络斩波信号，其包络线可与市电交流电的信号波形基本完全对应，可获得很高的功率因数。
在一个实施方式中，通过在市电正弦交流电信号的前半周期，对H桥开关电路中的至少一个开关进行斩波，如对图4的第三开关Q3，或图5中的第二开关Q2和第三开关Q3进行斩波，在市电正弦交流电信号的后半周期，对H桥开关电路中的另外至少一个开关进行斩波，如对图4中的第四开关Q4，或图5中的第一开关Q1和第四开关Q4进行斩波，用于在H桥的两个输出端之间产生正弦包络斩波信号的差值信号，且其半载功率因数大于0.9。半载为输出电流占满幅输出电流的50％。其中H桥电路结构如图1或图3所示的开关电路。
本发明实施例中的电机无级调速电路无需在前端前置功率因数校正电路即可获得较大的功率因数。另外无需在前级采用交流-直流变换电路或大电解电容，使得系统体积较小且易于集成，且电路效率较高。
图10示出了根据本发明一实施例方案的电机调速电路样机的输入功率与一市场上现有技术方案(电机多档抽头方案)的输入功率在不同电机转速下的对比测试示意图。其中横坐标为风扇的转速(rpm，每分钟转数)，纵坐标为市电输入端的输入功率(W)。其中曲线1001 为本发明实施例方案的输入功率，曲线1002为现有技术方案的输入功率。可以看到，在相同的风扇转速下，本发明技术方案的输入功率显著减少，具有更高的效率，特别当转速较低时，效率提高更为明显。在一个测试案例中，当转速较低时，本方案的调速电路的输入效率可以提高25％以上。
图11示出了根据本发明一实施例方案的电机调速电路样机的输入功率因数与一个现有技术方案(电机多档抽头及电容调节方案)的输入功率因数在不同电机转速下的对比测试示意图。其中横坐标为风扇的转速(rpm，每分钟转数)，纵坐标为正弦交流电信号输入端的输入功率因数。其中曲线1101为本发明实施例方案的输入功率因数，曲线1102为现有技术方案的输入功率因数。可以看到，在相同转速下，本发明技术方案的输入功率因数明显高于现有技术的输入功率因数。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (20)

1.一种用于驱动电机的无级调速电路，包括：
开关电路，具有输入端、地电位端、第一输出端和第二输出端，其中输入端用于接收单向脉动馒头波信号，其中单向脉动馒头波信号为正弦交流电信号的全波整流信号，开关电路的第一输出端和第二输出端之间用于耦接电机，开关电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中第一开关耦接在输入端和第一输出端之间，第二开关耦接在输入端和第二输出端之间，第三开关耦接在第二输出端和地电位端之间，第四开关耦接在第一输出端和地电位端之间；
同步信号发生电路，用于产生同步信号，其中在正弦交流电信号的前半周期，同步信号为第一状态，在正弦交流电信号的后半周期，同步信号为不同于第一状态的第二状态；
开关驱动电路，用于根据同步信号的状态选择第一开关、第二开关、第三开关和第四开关中的至少一个开关以第二频率进行斩波，用于在第一输出端和第二输出端之间形成正弦包络斩波信号，其中正弦包络斩波信号的包络线与正弦交流电信号的波形同步，第二频率为正弦交流电信号的频率的10倍以上。
2.如权利要求1所述的无级调速电路，其中当同步信号为第一状态时，开关驱动电路导通第一开关，对第三开关进行斩波，同时关断第二开关和第四开关；当同步信号为第二状态时，开关驱动电路导通第二开关，对第四开关进行斩波，同时关断第一开关和第三开关。
3.如权利要求1所述的无级调速电路，其中当同步信号为第一状态时，开关驱动电路导通第一开关，关断第四开关，对第二开关和第三开关进行反相同步斩波；当同步信号为第二状态时，开关驱动电路导通第二开关，关断第三开关，对第一开关和第四开关进行反相同步斩波。
4.如权利要求1所述的无级调速电路，其中开关驱动电路进一步根据同步信号的状态，在同步信号的任一状态下选择第一开关、第二开关、第三开关和第四开关中的至少一个开关进行导通以及至少一个开关进行关断，用于在第一输出端和第二输出端之间形成正弦包络斩波信号。
5.如权利要求1所述的无级调速电路，其中开关驱动电路通过输出脉宽调制信号对开关进行斩波。
6.如权利要求1所述的无级调速电路，进一步包括整流电路，整流电路用于将市电正弦交流电信号转换成单向脉动馒头波信号。
7.如权利要求1所述的无级调速电路，其中同步信号基于正弦交流电信号产生，其中当正弦交流电信号大于零时，同步信号为第一状态；当正弦交流电信号小于零时，同步信号为不同于第一状态的第二状态。
8.如权利要求1所述的无级调速电路，进一步包括电容，耦接在输入端和地电位端之间。
9.如权利要求8所述的无级调速电路，其中当不考虑开关电路的容值时，输入端和地电位端之间的有效容值低于4.7微法。
10.如权利要求1所述的无级调速电路，其中第一开关、第二开关、第三开关和第四开关为高压功率开关管，第一开关和第二开关的漏极或集电极耦接输入端，第一开关的源极或发射极耦接第一输出端，第二开关的源极或发射极耦接第二输出端；第三开关和第四开关的源极或发射极耦接地电位端，第三开关的漏极或集电极耦接第二输出端，第四开关的漏极或集电极耦接第一输出端。
11.如权利要求1所述的无级调速电路，其中开关驱动电路包括：
逻辑电路，具有输入端、第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端，其中逻辑电路的输入端耦接同步信号发生电路的输出端；
第一半桥驱动电路，具有两个输入端和两个输出端，其中第一半桥驱动电路的两个输入端分别耦接逻辑电路的第一输出端和第二输出端，第一半桥驱动电路的两个输出端分别耦接第一开关的控制端和第四开关的控制端；以及
第二半桥驱动电路，具有两个输入端和两个输出端，其中第二半桥驱动电路的两个输入端分别耦接逻辑电路的第三输出端和第四输出端，第二半桥驱动电路的两个输出端分别耦接第二开关的控制端和第三开关的控制端。
12.如权利要求1所述的无级调速电路，其中电机包括单相异步电机。
13.一种用于驱动电机的无级调速方法，包括：
将正弦交流电信号全波整流成单向脉动馒头波信号；
将单向脉动馒头波信号输入H桥开关电路的输入端；
提供同步信号，其中在正弦交流电信号的前半周期，同步信号为第一状态，在正弦交流电信号的后半周期，同步信号为第二状态；
根据同步信号的状态选择H桥开关电路中至少一个开关进行斩波，用于在H桥开关电路的输出端提供正弦包络斩波信号，其中正弦包络斩波信号的包络线与正弦交流电信号的波形同步；以及
采用正弦包络斩波信号驱动电机，并通过调节对开关进行斩波的斩波信号的占空比调节电机转速。
14.如权利要求13所述的方法，其中根据同步信号的状态选择H桥开关电路中至少一个开关进行斩波的方法包括：
提供与同步信号同步的第一驱动信号，用于驱动H桥开关电路中的第一开关；
提供与同步信号反相的第二驱动信号，用于驱动H桥开关电路中的第二开关；
将第一驱动信号与脉宽调制信号进行与运算形成第一斩波信号，用于驱动H桥开关电路中的第三开关；以及
将第二驱动信号与脉宽调制信号进行与运算形成第二斩波信号，用于驱动H桥开关电路中的第四开关。
15.如权利要求13所述的方法，其中根据同步信号的状态选择H桥开关电路中至少一个开关进行斩波的方法包括：
将同步信号与脉宽调制信号进行或运算形成第一驱动信号，用于驱动第一开关；
将同步信号进行反相再与脉宽调制信号进行或运算形成第二驱动信号，用于驱动第二开关；
将第二驱动信号进行反相，用于驱动第三开关；以及
将第一驱动信号进行反相，用于驱动第四开关。
16.一种用于驱动电机的调速电路，包括：
开关电路，具有输入端、地电位端、第一输出端和第二输出端，其中输入端用于接收正弦交流电信号经全波整流后的单向脉动馒头波信号，第一输出端和第二输出端之间用于耦接电机，开关电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中第一开关耦接在输入端和第一输出端之间，第二开关耦接在输入端和第二输出端之间，第三开关耦接在第二输出端和地电位端之间，第四开关耦接在第一输出端和地电位端之间；
同步信号发生电路，其输出端用于提供与正弦交流电信号关联的同步信号；以及
开关驱动电路，用于根据同步信号在正弦交流电信号的前半周期，导通第一开关，对第三开关进行斩波，同时关断第二开关和第四开关；在正弦交流电信号的后半周期，导通第二开关，对第四开关进行斩波，同时关断第一开关和第三开关。
17.如权利要求16所述的调速电路，其中开关驱动电路包括：
逻辑电路，具有输入端和至少两个输出端，其中逻辑电路的输入端耦接同步信号发生电路的输出端，逻辑电路的输出端提供至少两个逻辑信号；以及
驱动级电路，具有至少两个输入端和至少两个输出端，其中驱动级电路的至少两个输入端用于接收逻辑电路的至少两个逻辑信号，驱动级电路的至少两个输出端用于控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关。
18.如权利要求17所述的调速电路，其中：
同步信号在正弦交流电信号前半周期为第一状态，在正弦交流电信号后半周期为不同于第一状态的第二状态；
第一开关控制端的信号与同步信号波形同步；
第二开关控制端的信号为同步信号的反相信号；
第四开关控制端的信号为第二开关控制端的信号与脉宽调制信号的与信号；
第三开关控制端信号为第一开关控制端信号与脉宽调制信号的与信号。
19.一种用于驱动电机的调速电路，包括：
开关电路，具有输入端、地电位端、第一输出端和第二输出端，其中输入端用于接收正弦交流电信号经全波整流后的单向脉动馒头波信号，第一输出端和第二输出端之间用于耦接电机，开关电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中第一开关耦接在输入端和第一输出端之间，第二开关耦接在输入端和第二输出端之间，第三开关耦接在第二输出端和地电位端之间，第四开关耦接在第一输出端和地电位端之间；
同步信号发生电路，其输出端用于提供与正弦交流电信号关联的同步信号；以及
开关驱动电路，用于根据同步信号在正弦交流电信号的前半周期，导通第一开关，关断第四开关，对第二开关和第三开关进行反相同步斩波；在正弦交流电信号的后半周期，导通第二开关，关断第三开关，对第一开关和第四开关进行反相同步斩波。
20.一种用于驱动电机的调速电路，包括：
H桥开关电路，具有输入端、地电位端、第一输出端和第二输出端，其中输入端用于接收单向脉动馒头波信号，单向脉动馒头波信号为市电正弦交流电信号的全波整流信号，第一输出端和第二输出端之间用于耦接电机；以及
开关驱动电路，在市电正弦交流电信号的前半周期，对H桥开关电路中的至少一个开关进行斩波，在市电正弦交流电信号的后半周期，对H桥开关电路中的另外至少一个开关进行斩波，用于在第一输出端和第二输出端之间产生正弦包络斩波信号，其中调速电路的半载功率因数大于0.9。
CN201811566584.3A 2018-12-19 2018-12-19 单相电机无级调速电路及调速方法 Pending CN111342735A (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811566584.3A CN111342735A (zh) 2018-12-19 2018-12-19 单相电机无级调速电路及调速方法
US16/563,249 US10972038B2 (en) 2018-12-19 2019-09-06 Stepless motor driving circuit and associated driving method
EP19897682.1A EP3820044A4 (en) 2018-12-19 2019-09-06 CIRCUIT AND PROCESS FOR CONTINUOUS SPEED REGULATION OF A SINGLE-PHASE MOTOR
PCT/CN2019/104700 WO2020125072A1 (zh) 2018-12-19 2019-09-06 单相电机无级调速电路及调速方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811566584.3A CN111342735A (zh) 2018-12-19 2018-12-19 单相电机无级调速电路及调速方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111342735A true CN111342735A (zh) 2020-06-26

Family

ID=69177549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811566584.3A Pending CN111342735A (zh) 2018-12-19 2018-12-19 单相电机无级调速电路及调速方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10972038B2 (zh)
EP (1) EP3820044A4 (zh)
CN (1) CN111342735A (zh)
WO (1) WO2020125072A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112953349A (zh) * 2020-08-31 2021-06-11 合肥海尔智能电子有限公司 一种交流电机控制电路及油烟机

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11418125B2 (en) 2019-10-25 2022-08-16 The Research Foundation For The State University Of New York Three phase bidirectional AC-DC converter with bipolar voltage fed resonant stages
JP2023058754A (ja) * 2020-02-27 2023-04-26 ニデックアドバンスドモータ株式会社 モータ駆動装置
US11437947B2 (en) * 2020-08-18 2022-09-06 Xiamen Kiwi Instruments Corporation AC chopping circuit and associated single-phase AC motor driving system

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0746886A (ja) * 1993-07-27 1995-02-14 Nec Corp モータ駆動回路
JPH09252593A (ja) * 1996-03-14 1997-09-22 Sharp Corp インバータ装置
JPH10191676A (ja) * 1996-12-25 1998-07-21 Sharp Corp インバータ装置
CN104270062A (zh) * 2014-10-22 2015-01-07 哈尔滨工业大学 开放式绕组感应电机3h桥驱动系统
CN205092748U (zh) * 2015-10-09 2016-03-16 德昌电机(深圳)有限公司 气流调节装置
CN105450141A (zh) * 2015-12-31 2016-03-30 杭州士兰微电子股份有限公司 交流电机驱动装置及其驱动方法
CN105453412A (zh) * 2013-06-13 2016-03-30 戴森技术有限公司 用于无刷电机的控制器
CN205901646U (zh) * 2016-08-17 2017-01-18 佛山市东成西就智能科技有限公司 小功率空心杯直流电机控制电路
CN109217775A (zh) * 2018-06-28 2019-01-15 珠海市诚立信电子科技有限公司 一种驱动交流电机的无级调速电路

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5789723A (en) * 1996-08-23 1998-08-04 Hewlett-Packard Company Reduced flicker fusing system for use in electrophotographic printers and copiers
WO2007113859A1 (en) * 2006-03-30 2007-10-11 Siber S.R.L. Control device for an asynchronous electric motor
US7710747B2 (en) * 2006-12-11 2010-05-04 Fuji Electric Systems Co., Ltd. Voltage-source inverter apparatus utilizing ripple voltage
CN101707471A (zh) 2009-11-16 2010-05-12 孙宏斌 单相交流电动机无级调速电路
US10090777B2 (en) * 2011-05-08 2018-10-02 Koolbridge Solar, Inc. Inverter with independent current and voltage controlled outputs
US9673732B2 (en) * 2012-01-24 2017-06-06 Infineon Technologies Austria Ag Power converter circuit
CN203071864U (zh) 2013-01-21 2013-07-17 珠海格力电器股份有限公司 单相交流电机及其调速控制电路
CN103259469A (zh) * 2013-04-19 2013-08-21 杭州微光电子股份有限公司 一种电子换向无刷直流单相风机电路及其控制方法
GB201610369D0 (en) 2016-06-15 2016-07-27 Rolls Royce Plc Control of an electrical converter
CN106026729A (zh) 2016-08-07 2016-10-12 黎辉 一种交流电机隔离驱动电源装置
CN206878731U (zh) 2017-03-16 2018-01-12 常州信息职业技术学院 一种单相变频调速永磁同步电机
CN107769667A (zh) 2017-10-27 2018-03-06 珠海市诚立信新能源有限公司 一种交流电机的无级调速电路

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0746886A (ja) * 1993-07-27 1995-02-14 Nec Corp モータ駆動回路
JPH09252593A (ja) * 1996-03-14 1997-09-22 Sharp Corp インバータ装置
JPH10191676A (ja) * 1996-12-25 1998-07-21 Sharp Corp インバータ装置
CN105453412A (zh) * 2013-06-13 2016-03-30 戴森技术有限公司 用于无刷电机的控制器
CN104270062A (zh) * 2014-10-22 2015-01-07 哈尔滨工业大学 开放式绕组感应电机3h桥驱动系统
CN205092748U (zh) * 2015-10-09 2016-03-16 德昌电机(深圳)有限公司 气流调节装置
CN105450141A (zh) * 2015-12-31 2016-03-30 杭州士兰微电子股份有限公司 交流电机驱动装置及其驱动方法
CN205901646U (zh) * 2016-08-17 2017-01-18 佛山市东成西就智能科技有限公司 小功率空心杯直流电机控制电路
CN109217775A (zh) * 2018-06-28 2019-01-15 珠海市诚立信电子科技有限公司 一种驱动交流电机的无级调速电路

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112953349A (zh) * 2020-08-31 2021-06-11 合肥海尔智能电子有限公司 一种交流电机控制电路及油烟机
CN112953349B (zh) * 2020-08-31 2023-02-17 合肥海尔智能电子有限公司 一种交流电机控制电路及油烟机

Also Published As

Publication number Publication date
EP3820044A1 (en) 2021-05-12
EP3820044A4 (en) 2022-01-05
WO2020125072A1 (zh) 2020-06-25
US20200036317A1 (en) 2020-01-30
US10972038B2 (en) 2021-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111342735A (zh) 单相电机无级调速电路及调速方法
Bist et al. A PFC-based BLDC motor drive using a canonical switching cell converter
JP4889697B2 (ja) 交流直流変換装置及び交流直流変換装置の制御方法並びにヒートポンプ式給湯器及び空気調和機
JP6647416B2 (ja) 電力変換装置、モータ駆動制御装置、送風機、圧縮機及び空気調和機
Singh et al. A PFC based BLDC motor drive using a Bridgeless Zeta converter
CN105450141A (zh) 交流电机驱动装置及其驱动方法
EP2317637B1 (en) Circuit device for driving an AC electric load
Kommula et al. PFC based SEPIC converter fed BLDC motor with torque ripple minimization approach
Singh et al. A PFC based switched-capacitor buck-boost converter fed BLDC motor drive
Krishnaveni et al. Design and implementation of low cost four switch inverter for BLDC motor drive with active power factor correction
JPH11206130A (ja) 電源装置
Pireethi et al. Power Factor Correction in BLDC motor drives using DC-DC converters
Singh et al. Power factor correction in permanent magnet brushless DC motor drive using single-phase Cuk converter
JPH11136994A (ja) ３相誘導電動機駆動装置
Aishwarya et al. Performance analysis of Buck-Boost and Cuk converter-fed brushless DC motor drives
Consoli et al. Unipolar converter for switched reluctance motor drives with power factor improvement
Renius et al. Analysis of variable speed PFC chopper FED BLDC motor drive
Syrigos et al. An alternative universal motor drive with unity power factor operating in DC and AC modes
Vinatha Speed control of BLDC motor using bridgeless SEPIC PFC with coupled inductors
Singh et al. Single-phase SEPIC based PFC converter for PMBLDCM drive in air-conditioning system
Bist et al. A PFC based isolated Sheppard-Taylor converter feeding brushless DC motor drive
WO2022036769A1 (zh) 一种交流斩波电路及单相交流电机驱动系统
JP2011250694A (ja) 交流直流変換装置及び交流直流変換装置の制御方法並びにヒートポンプ式給湯器及び空気調和機
Singh et al. A unity power factor NI-BIBRED converter fed brushless DC motor drive
Dhamodharan et al. Implementation of BL-PFC Converter Fed BLDC Motor Drive for Application less than 800 W

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200626

RJ01 Rejection of invention patent application after publication