CN1121753C - 交流功率控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流功率控制装置，尤指利用一串预定周波数中的导通截止比例，达到控制输出功率大小的交流功率控制装置，主要包括一电压零交越侦测电路、一电流侦测电路、一功率调节电路、一控制单元、一输出驱动电路、一开关电路。该开关电路是串联于交流电源与负载间，控制单元依据电压零交越侦测电路及电流侦测电路所产生的计数脉波及功率调节电路的功率调节信号，控制交流电源输出至负载的周波数导通/截止比例，进而控制送至负载的输出功率。

Description

交流功率控制装置

技术领域

本发明涉及一种交流功率控制装置，尤指利用一串预定周波数中的导通截止比例，达到控制输出功率大小的交流功率控制装置。

背景技术

在工业的控制中，经常会需要作交流功率的控制。例如在交流马达的速度控制方面，一般可采用变频器、闸流管、改变线圈匝数、变速齿轮机构等方法来达到转速控制的目的。

在需要作精确的转速控制时，一般会选用变频器(Inverter)来控制马达的转速。亦即，在精确的控制要求下，需要变频器方能达到精确的速度控制。但是变频器的控制架构极为复杂，且成本高，如果使用在某些并不需要作精确转速控制的应用场合时，并不符合经济的需求。

例如在一般散热风扇的转速控制时，若欲在受控环境的温度高时，让风扇马达转速提高，以增加其散热能力，而在受控环境的温度低时，即不需要高转速，此时可将风扇马达的转速作适当的降低，以避免增加无谓的电力消耗。在此种应用场合中，一般会采用闸流管(TRIAC)的控制技术，以控制交流电源中每个周波的相位角，来控制输出能量的大小，进而控制输出至负载的功率。

但是使用现有的闸流管控制电路架构中，由于必须在某个相位角时，以闸流管进行截断或导通的动作，故经常会有电压或电流的瞬间突波发生，而产生电磁干扰(EMI)的问题。

发明内容

因此，本发明的主要目的即是针对现有技术的缺失，而提出一种交流功率的控制装置。本发明并不采用变频电路的变频控制或是闸流管控制相角的方式来控制输出功率，而是利用控制一串预定周波数中的导通/截止的比例，来达到控制输出功率大小的交流功率控制装置。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：一种交流功率控制装置，是以控制一交流电源的预定周波数中的导通截止的比例，来达到控制输出至一负载的功率大小，其特征是：

一电压零交越侦测电路，跨接于交流电源，用以侦测交流电源的零交越时间，当交流电源每送出一个周波时，即由该电压零交越侦测电路的输出端送出一电压计数脉波；

一连接控制单元的功率调节电路，功率调节电路由热敏电阻、一分压电阻相串联的电路或可变电阻构成，功率调节电路为产生一功率调节信号，作为调节所欲输出功率大小的信号依据；

一控制单元，控制单元采用一般传统的逻辑电路构成，或采用微处理构成，接收该电压零交越侦测电路所送出的电压计数脉波及该功率调节电路的功率调节信号，并据以产生一输出控制信号；

一输出驱动电路，接收该控制单元的输出控制信号，并在输出端产生一驱动信号；

一开关电路，串联于交流电源与负载之间，其包括有两个功率元件相串接而成，且两个功率元件的闸极相连接后，再连接至输出驱动电路的输出端；

其中该控制单元依据电压零交越侦测电路的电压计数脉波以及功率调节电路的功率调节信号大小，控制该开关电路的开关状态，以决定交流电源输出至负载的周波数导通/截止比例，进而控制送至负载的输出功率大小。

本发明的再一特征在于其更包括有一连接控制单元的电流侦测电路，用以侦测交流电源端流至负载的电流的大小，每当侦测到交流电流在相角为0时，即可在其输出端送出一电流计数脉波至控制单元。

本发明的更进一步特征在于其更包括有一回路异常侦测电路，此电路包括有：

一负载电压侦测电路，用来侦测负载端的电压是否正常，并将侦测所得的信号送到控制单元中；

一异常警示灯，用来警示回路的异常；

当交流电源正常，但交流电源并未正常送到负载端时，控制单元依据电压零交越侦测电路的侦测以及该负载电压侦测电路两者的输出信号。

本发明的特征还在于该交流电源与开关电路之间更串接有一保险丝。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1.本发明是提供一种安全、可靠、长寿命及无电磁干扰的交流功率控制装置。本发明在控制开关电路的导通/截止时，皆是以电压或电流波形为0时作切换，故可使得开关电路中的功率元件在动作时，不论是针对电阻性负载、电感性负载、电容性负载，皆能达到安全、可靠、长寿命及无电磁干扰的效果。

2.本发明是提供一种具备双重电流保护能力的交流功率控制装置。由于在控制单元中，可由电流峰值检知器及电流平均值检知器来侦测负载电流的大小，故具备电流峰值及平均值过载保护跳脱的功能。此外，当开关电路中的功率元件万一短路时，可由串联的保险丝予以保护。故本发明具有较佳的电流保护效果。

3.本发明是提供一种具有回路异常警示的交流功率控制装置。当交流电源与输出电压的波形相位相同时，表示开关回路正常，故此时该异常警示灯不亮；但是当交流电源正常，但无输出相位讯号时，则异常警示灯会闪亮表示异常。对于使用者察觉运转异常以及维修人员排除异常时，皆极有帮助。

以下将配合图示简单说明，对本发明的较佳实施例作一详细的说明，其中：

附图说明

图1.是本发明的电路方块图；

图2.是显示本发明的较佳实施例电路图；

图3.是显示本发明各相关信号的波形关系图；

图4A.显示在纯电阻性负载时，负载端的电压VL及电流IL的相位关系；

图4B.显示在电感性负载时，负载端的电压VL及电流IL的相位关系；

图4C.显示在电容性负载时，负载端的电压VL及电流IL的相位关系；

图5.是显示图2中控制单元的实施例控制电路图。

1……交流电源         2……开关电路

21、22……功率元件    23、24……二极管

25、26……齐纳二极管      27……保险丝

3……周波控制电路         31……电压零交越侦测电路

32……电流侦测电路        33……控制单元

331……互斥或闸           332……正缘检知器

333……负缘检知器         334……或闸

335……导通计数器         336……截止计数器

337……Sr正反器           338……及闸

339……类比至数位转换器

340……电压至工作周波转换器

34……驱动电路            35……负载电压侦测电路

351……电流零交越侦测电路

352……电流平均值产生电路

353……电流峰值检知器

354……电流平均值检知器

355……电压/电流相位比较器

356……D型正反器          357……或闸

36……异常警示灯          4……功率调节电路

41……热敏电阻            42……分压电阻

43……手动控制开关        5……负载

具体实现方式

如图1所示，是本发明的电路方块图。本发明的交流功率控制装置主要包括有一开关电路2、一周波控制电路3、一功率调节电路4。其中该开关电路2是连接在交流电源1与一受控制的负载5之间。周波控制电路3可接收该功率调节电路4所送来的功率调节信号，再据以控制该开关电路2的开关状态，进而控制输出至负载5的电能量大小。

因此，在纯电阻负载的应用场合中，例如一电热器，只要控制输出至该电热器的电能量大小，即可控制电热器的温度。而在交流马达速度控制的应用场合中，只要控制输出至该交流马达的电能量大小，即可控制该马达转速的高低。

图2是显示本发明的较佳实施例电路图。如图所示，本发明的开关电路2是串联于交流电源1与负载5之间，其是由两个功率元件21、22相串接而成。该功率元件21、22可采用例如MOSFET、IGBT或其他类似功能的功率控制元件。两个功率元件21、22的闸极相连接。

两个功率元件21、22的源、汲极之间，个别并联有一二极管23、24，而在汲极与闸极之间则各别并联有一齐纳二极管25、26，作为功率元件的过电压保护元件。

周波控制电路3主要包括有一电源的电压零交越侦测电路31(Zerocrossing Detector)、一电流侦测电路32(Current Detector)、一控制单元33(Control Unit)、一驱动电路34。

电压零交越侦测电路31是跨接于交流电源1的两输出端。每当该交流电源1的相角为0时，即可由该侦测电路予以侦测出。因此，当在该交流电源1每送出一个周波时，即可由电压零交越侦测电路31的输出端送出一个电压计数脉波Sv至控制单元33中。电压计数脉波Sv与交流电源AC之间的波形关系图参图3所示。

电流侦测电路32是用以侦测交流电源端流至负载端的电流大小，每当侦测到电流在相角为0时，即可在其输出端送出一电流计数脉波Si至控制单元33，其电流计数脉波Si与交流电源AC波形之间的波形关系图参图3所示。图3所显示，是以电阻性负载作一实施例说明，因此该电压计数脉波Sv与电流计数脉波Si乃为同相。而该负载如果是属电抗性负载时，电压计数脉波Sv与电流计数脉波Si两者乃会有一相角差。

控制单元33是可接收该电压零交越侦测电路31所送出的电压计数脉波Sv及电流侦测电路32所送出的电流计数脉波Si后，会再依据功率调节电路4所送出的功率调节信号Sr，而在其输出端送出一输出控制信号Sc。该控制单元33可采用一般传统的逻辑电路构成，也可采用微处理以控制程序来达到信号接收、处理及输出控制信号的目的。

驱动电路34的输入端是接收该控制单元33所送出的输出控制信号Sc。而输出端则是连接至开关电路2中两个功率元件21、22的闸极。因此，该控制单元33所产生的输出控制信号Sc会经由该输出驱动电路34而用来驱动该功率元件21、22的开关状态。

功率调节电路4主要是为了产生一功率调节信号Sr，以作为输出功率大小的依据。该功率调节电路4可为一自动调节的电路，例如包括一热敏电阻、一分压电阻相串联的电路，利用该热敏电阻侦测受控环境的温度，当环境温度高时，周波控制电路3会控制开关电路2送出较多的电能至风扇马达，以加速其散热，而当环境温度低时，周波控制电路3会控制开关电路2送出较少的电能至风扇马达，以避免不必要的能源浪费。

该功率调节电路4也可为一现有的手动调节电路，例如包括一可由使用者手调的可变电阻，或是其它控制按键，也可为一遥控信号、延迟控制信号或是一顺序控制的ON/OFF信号。

在开关电路2与交流电源1之间可串接有一保险丝27，以作为过电流的保护。当开关电路2中的两个功率元件21、22之一发生短路故障时，保险丝27会熔断。

在本发明中，更可包括有一回路异常侦测电路，此一电路包括有一负载电压侦测电路35(Load Voltage Detector)，用来侦测负载端的电压是否正常，并会将侦测所得的信号Su送到控制单元33中。当交流电源1正常，但因为回路异常(例如保险丝27烧断或功率元件21、22烧毁)，而使得交流电源并未正常送到负载5端时，控制单元33会依据电压零交越侦测电路31的侦测以及该负载电压侦测电路35两者的输出信号，而综合判断出异常状况，而由一异常警示灯36或其它警示信号予以警示。此一警示信号可供使用者察觉运转异常以及供维修人员排除异常的参考依据。

参阅图3所示，其是显示本发明各相关信号的波形关系图。若以10个周波C1～C10来控制20％至95％的输出功率为例。当输出功率只需全额功率的95％时，本发明的交流功率控制装置会在第10个周波C10时，截除半周的输出能量。当负载输出功率只需全额功率的90％时，本发明的交流功率控制装置会在第10个周波C10时，截除一周的输出能量。当负载输出功率只需全额功率的80％时，本发明的交流功率控制装置会在第5个周波C5及第10个周波C10时，各截除一周的输出能量。当负载输出功率只需全额功率的50％时，本发明的交流功率控制装置会在每两个周波中，各截除一周的输出能量。当负载输出功率只需全额功率的20％时，本发明的交流功率控制装置仅会在第5个及第10个周波时，输出一周的能量，其余周波皆予以截除。以上述的方式可任意调整输出功率的大小。

在纯电阻性负载的状况时，其负载端的电压VL及电流IL乃为同相，如图4A所示。由于本发明中包括有一电压零交越侦测电路31，故控制单元33可很容易依据该电压零交越侦测电路31的输出信号而决定开关电路2中两个功率元件21、22的导通/截止时间恰位在电流值为0时(即P1)。

而在电感性的负载方面，由于电流IL是落后电压VL某一相角，如图4B所示，因此最好能在电流为0时执行开关电路的导通/截止，以避免电磁干扰，同时能达到安全、可靠、长寿命的目的。而在本发明中，由于包括一电压零交越侦测电路31以及电流侦测电路32，故控制单元33可很容易依据该电压零交越侦测电路31的输出信号以及电流侦测电路32的输出信号，而决定开关电路2中两个功率元件21、22在电流波形为0时(P2)执行导通/截止的动作。

而在电容性的负载方面，由于电压VL是落后电流IL某一相角，如图4C所示，因此最好能在电压为0时执行开关电路的导通/截止。而本发明中，由于包括一电压零交越侦测电路31以及电流侦测电路32，故控制单元33可很容易依据该电压零交越侦测电路31的输出信号以及电流侦测电路32的输出信号，而决定开关电路2中两个功率元件21、22在电压波形为0时(P3)执行导通/截止的动作。

因此，利用上述的控制方式，本发明即可利用控制输出周波的导通/截止比例而达到控制输出功率的目的。且本发明的周波控制电路3在控制开关电路2的导通/截止时，皆是以电压或电流波形为0时作切换，故可使得开关电路2中的功率元件在动作时，不论是针对电阻性负载、电感性负载、电容性负载，皆能达到安全、可靠、长寿命及无电磁干扰的优点。此一优点在传统采用闸流管以控制相角的方式来达到控制输出功率的技术中，是绝对无法达到的。

图5是显示图2中控制单元33的进一步控制电路图。如图所示，电压零交越侦测电路31与负载电压侦测电路35所分别送出的信号Sv、Su分别送至一互斥或闸331(EXOR)的两输入端中，该互斥或闸331的输出端再控制一异常警示灯36。当交流电源与输出电压的波形相位相同时，表示开关回路正常，故此时该异常警示灯36不亮；但是当交流电源正常，但无输出相位讯号时，则异常警示灯36会闪亮表示异常。

电压零交越侦测电路31所送出的信号Sv经由一正缘检知器332、一负缘检知器333以及一或闸334而产生一串的计数脉波信号Su。亦即，当电源电压每经过一个周波时，即会有一脉波输出于或闸334的输出端。该计数脉波信号Sv会被送至一导通计数器335(Turn On Counter)以及一截止计数器336(Turn Off Counter)，该导通计数器335及截止计数器336即用来决定输出功率的导通(ON)/截止(OFF)的时间。

而该导通计数器335及截止计数器336的导通/截止时间是依据功率调节电路4所送出的信号大小而决定，例如在该功率调节电路4中，若是采用一热敏电阻41串联一分压电阻42的架构时，其所侦测到的类比温度信号Sr会首先经由一类比至数位转换器339予以转换成数位信号，再经由一电压至工作周波转换器340(Voltage to ON/OFF Duty Converter)，而分别送出一除m信号至导通计数器335及除n信号至截止计数器336。

然后，该导通计数器335及截止计数器336的计数输出再分别送到一Sr正反器337的输入端S、R。正反器337的输出端再经由一及闸338而作为驱动电路34的输入信号。

电流侦测电路32所送出的电流计数脉波Si是被送到控制单元33中的一电流零交越侦测电路351中，然后由一电压/电流相位比较器335比较电流与电压的相位差，其比较结果被送到一D型正反器356的时脉信号端CLK。最后该D型正反器356的输出端Q再与资料输入端D分别送到一或闸357的输入端。而或闸357的输出端则连接于前述及闸338的其中一个输入端。

控制单元33除了可接收功率调节电路4的自动控制信号之外，也可以接收手动控制开关43的开/关控制信号，该控制信号即可直接送到前述D型正反器356的资料输入端D。此时，送至负载的输出功率的大小即由该开/关控制信号的电压准位来决定。

此外，本发明也可直接利用一电流峰值检知器353以及一电流平均值(RMS)检知器354、电流平均值产生电路352而检出送至负载电流的峰值或平均值大小，其检知器的输出信号是直接送到及闸338的一输入端。亦即，当该控制单元33侦测到负载电流超过预设的峰值电流或平均值电流时，可以直接截止开关电路，故具备电流峰值及平均值过载保护跳脱的功能。

如前所述，图2中所示的控制单元33可采用图5所示的逻辑电路所构成，也可采用微处理器技术予以达成相同的功能。如果使用微处理器来作为控制单元，在执行各信号的接收、处理、数值计算及控制信号的输出等功能时，会更为容易。然而，这些技术皆应属于本发明的技术方案内所做的等效替换。

Claims (4)

1.一种交流功率控制装置，是以控制一交流电源的预定周波数中的导通截止的比例，来达到控制输出至一负载的功率大小，其特征是：

一电压零交越侦测电路，跨接于交流电源，用以侦测交流电源的零交越时间，当交流电源每送出一个周波时，即由该电压零交越侦测电路的输出端送出一电压计数脉波；

一连接控制单元的功率调节电路，功率调节电路由热敏电阻、一分压电阻相串联的电路或可变电阻构成，功率调节电路为产生一功率调节信号，作为调节所欲输出功率大小的信号依据；

一控制单元，控制单元采用一般传统的逻辑电路构成，或采用微处理构成，接收该电压零交越侦测电路所送出的电压计数脉波及该功率调节电路的功率调节信号，并据以产生一输出控制信号；

一输出驱动电路，接收该控制单元的输出控制信号，并在输出端产生一驱动信号；

一开关电路，串联于交流电源与负载之间，其包括有两个功率元件相串接而成，且两个功率元件的闸极相连接后，再连接至输出驱动电路的输出端；

其中该控制单元依据电压零交越侦测电路的电压计数脉波以及功率调节电路的功率调节信号大小，控制该开关电路的开关状态，以决定交流电源输出至负载的周波数导通/截止比例，进而控制送至负载的输出功率大小。

2.如权利要求1所述的交流功率控制装置，其特征是：其更包括有一连接控制单元的电流侦测电路，用以侦测交流电源端流至负载的电流的大小，每当侦测到交流电流在相角为0时，即可在其输出端送出一电流计数脉波至控制单元。

3.如权利要求1所述的交流功率控制装置，其特征是：其更包括有一回路异常侦测电路，此电路包括有：

一负载电压侦测电路，用来侦测负载端的电压是否正常，并将侦测所得的信号送到控制单元中；

一异常警示灯，用来警示回路的异常；

当交流电源正常，但交流电源并未正常送到负载端时，控制单元依据电压零交越侦测电路的侦测以及该负载电压侦测电路两者的输出信号。

4.如权利要求1所述的交流功率控制装置，其特征是：其中该交流电源与开关电路之间更串接有一保险丝。

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