CN203071864U - 单相交流电机及其调速控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种单相交流电机及其调速控制电路，该调速控制电路具有脉冲信号产生电路，其输出驱动脉冲信号以及续流脉冲信号，并设有电机驱动电路，包括第一驱动电路及第二驱动电路，第一驱动电路具有接收驱动脉冲信号的第一功率器件，第二驱动电路具有接收驱动脉冲信号的第二功率器件，控制电路还设有电机续流电路，与电机本体并联连接，电机续流电路具有接收续流脉冲信号的第三功率器件，并设有与第三功率器件电连接的桥式电路，桥式电路具有桥式连接的四个二极管。该电机具有电机本体及向电机本体的定子输出电流的上述调速控制电路。本实用新型能够实现交流电机的调速控制，且确保电机运行平稳、噪声较小，并避免对电网造成干扰。

Description

单相交流电机及其调速控制电路

技术领域

本实用新型涉及电机领域，尤其是涉及一种单相交流电机以及这种电机的调速控制电路。

背景技术

常用的电机包括直流电机以及交流电机，直流电机控制简单，且启动转矩较大，但结构复杂，运行效率较低。交流电机结构较为简单、制造方便且运行可靠，还具有可以高速运行、可在恶劣环境下运行的优点得到了广泛的应用。

但是，交流电机运行时将形成一个高阶、非线性、强耦合、时变的多变量系统，其可控性较差，要实现调速控制比较困难。因此，长期以来，在交流电机调速控制领域大多采用直流电机传动系统，因其调速性能和转矩控制特性比较理想，可以获得良好的动态响应。然而直流电机在结构上存在机械换向器和电刷，使其具有一些难以克服的固有缺点，如造价偏高、维护困难、寿命短、单机容量和装机容量受到一定的限制等等。随着交直交变频器技术的不断进步，交流调速技术也取得了长足的进步，其性能不断提高，较好的克服了直流传动的缺点，因此其应用已逐步取代了传统的直流传动系统。

现有的交流电机调速电路大致有以下几种：带档位的串联电感调速电路、串联电容调速电路、串联电阻调速电路、电机抽头调速电路以及可控硅调速电流。

交流电机的串联电感调速电路的缺点是需要体积较大电感，会导致电机的功率因素的降低，并且不易实现电机的无级调速。串联电容调速电路的问题在于需要使用多个耐高压的大容量无极性电容，体积较大，成本高且无法实现电机的无级调速。串联电阻调速电路的使用会导致电机高温发热，功率损失大。电机抽头调速电路需在电机内部固定好线圈扎数，通过继电器吸合来实现调速，该电路的生产成本较高，且调速不连续。可控硅调速电路应用可控硅，即晶闸管控制向定子加载的电流时间，也就控制电机的运行，虽然应用可控硅调速电路能够实现电机的无级调速，但因可控硅开关特性，其直接对电压信号进行斩波处理，导致输入电机定子的电流波形发生畸形，交流电机运行不平稳，噪音大，而且容易对电网产生干扰。

发明内容

本实用新型的主要目的是提供一种有利于电机平稳运行的单相交流电机调速控制电路。

本实用新型的另一目的是提供一种运行平稳、噪音小且对电网不会造成干扰的单相交流电机。

为实现本实用新型的主要目的，本实用新型提供的单相交流电机调速控制电路具有脉冲信号产生电路，其输出驱动脉冲信号以及续流脉冲信号，并设有电机驱动电路，包括第一驱动电路及第二驱动电路，电机本体串联在第一驱动电路与第二驱动电路之间，第一驱动电路具有接收驱动脉冲信号的第一功率器件，第二驱动电路具有接收驱动脉冲信号的第二功率器件，控制电路还设有电机续流电路，与电机本体并联连接，电机续流电路具有接收续流脉冲信号的第三功率器件，并设有与第三功率器件电连接的桥式电路，桥式电路具有桥式连接的四个二极管。

由上述方案可见，由于电机的调速控制电路使用驱动脉冲信号控制电机驱动电路工作，并由此向电机的定子输出电流信号，同时设置电机续流电路实现在驱动电路停止工作时的续流工作，从而避免使用晶闸管对电压信号进行斩波处理，避免输入到定子的电流信号发生畸变，从而确保电机运行的平稳，也减小电机运行时产生的噪音。

一个优选的方案是，电机调速控制电路还设有第一功率器件驱动电路、第二功率器件驱动电路及第三功率驱动电路，第一功率器件驱动电路连接在脉冲信号产生电路与第一功率器件之间，第一功率器件驱动电路设有第一三极管，第一三极管接收驱动脉冲信号并向第一功率器件输出信号，第二功率器件驱动电路连接在脉冲信号产生电路与第二功率器件之间，第二功率器件驱动电路设有第二三极管，第二三极管接收驱动脉冲信号并向第二功率器件输出信号，第三功率器件驱动电路连接在脉冲信号产生电路与第三功率器件之间，第三功率器件驱动电路设有第三三极管，第三三极管接收续流脉冲信号并向第三功率器件输出信号。

由此可见，通过设置三个功率器件驱动电路来驱动三个功率器件的工作，增强驱动脉冲信号以及续流脉冲信号对第一功率器件、第二功率器件及第三功率器件的驱动能力，确保三个功率器件的稳定工作。

进一步的方案是，脉冲信号产生电路与第一三极管之间连接有第一隔离电路，第一隔离电路包括第一光电耦合器，脉冲信号产生电路与第二三极管之间连接有第二隔离电路，第二隔离电路包括第二光电耦合器，脉冲信号产生电路与第三三极管之间连接有第三隔离电路，第三隔离电路包括第三光电耦合器。

可见，在脉冲信号产生电路的输出端分别设置三个隔离电路，有利于实现脉冲电路与后级电路的隔离，避免后级电路对脉冲信号产生电路造成影响。

更进一步的方案是，第一驱动电路具有与第一功率器件并联连接的第一滤波电路，第一滤波电路具有串联连接的第一电容及第一二极管，第二驱动电路具有与第二功率器件并联连接的第二滤波电路，第二滤波电路具有串联连接的第二电容及第二二极管。

由此可见，通过第一滤波电路及第二滤波电路分别在第一功率器件及第二功率器件关断后对流经其电流进行滤波，避免第一功率器件及第二功率器件上的电流信号发生越变，从而实现消除高次谐波的目的，电机的运行更为平稳。

为实现本实用新型的另一目的，本实用新型提供的电机包括电机本体，电机本体包括定子及转子，电机还包括向定子输出电流的调速控制电路，其具有脉冲信号产生电路，其输出驱动脉冲信号以及续流脉冲信号，并设有电机驱动电路，包括第一驱动电路及第二驱动电路，电机本体串联在第一驱动电路与第二驱动电路之间，第一驱动电路具有接收驱动脉冲信号的第一功率器件，第二驱动电路具有接收驱动脉冲信号的第二功率器件，控制电路还设有电机续流电路，与电机本体并联连接，电机续流电路具有接收续流脉冲信号的第三功率器件，并设有与第三功率器件电连接的桥式电路，桥式电路具有桥式连接的四个二极管。

由上述方案可见，电机的调速控制电路设置脉冲信号产生电路产生驱动脉冲信号及续流脉冲信号，分别输出至电机驱动电路及电机续流电路，通过电机驱动电路及电机续流电路向定子输出电流，且电机驱动电路及电机续流电路分别设置功率器件用于实现电机驱动的开关转换，避免设置晶闸管对电压信号进行斩波处理，避免输出至定子的电流信号发生畸变，电机的运行更为平稳，对电网造成的干扰更少。

附图说明

图1是本实用新型单相交流电机调速控制电路实施例的电原理框图。

图2是本实用新型单相交流电机调速控制电路实施例中电源电路的电原理图。

图3是本实用新型单相交流电机调速控制电路实施例中脉冲信号产生电路、第一及第二功率器件驱动电路与电机驱动电路的电原理图。

图4是本实用新型单相交流电机调速控制电路实施例中电机续流电路与第三功率器件驱动电路的电原理图。

图5是本实用新型电机调速控制电路实施例中脉冲信号产生电路产生的脉冲信号波形图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

本实施例的电机为单相交流电机，其具有一个壳体，在壳体内安装有定子以及转子，转子可相对定子旋转，且转子的中部安装有转子轴，转子轴在转子的旋转下旋转，并向外输出动力。定子与转子构成电机本体，且电机还设有调速控制电路，用于向定子的线圈输出电流，从而控制电机的工作。

参见图1，本实施例的调速控制电路具有脉冲信号产生电路10、第一功率器件驱动电路11、第一驱动电路12、第二功率器件驱动电路13、第二驱动电路14、电源电路15、第三功率器件驱动电路16以及电机续流电路17，其中脉冲信号产生电路10用于产生驱动脉冲信号VP、UP以及续流脉冲信号UN，分别通过第一功率器件驱动电路11、第二功率器件驱动电路13及第三功率器件驱动电路16输出至第一驱动电路12、第二驱动电路14以及电机续流电路17，电源电路15向第一功率器件驱动电路11及第二功率器件驱动电路13供电。并且，第一驱动电路12与第二驱动电路14构成了本实施例的电机驱动电路。

参见图2，电源电路15接收电网的电流信号，电网的电流从L端口流进或者从N端口流进。在电网的电压信号为正半周时，电流从L端口流进，经过保险丝FU后，流经作为整流器件的二极管D1以及线圈绕组电阻R2、电容C7，然后再流经二极管D4、稳压二极管ZD2，电信号经过二极管D3进行半波整流，同时由电解电容C4进行滤波，形成相对于N端口的直流电压V1并供第二功率器件驱动电路13使用。此时，稳压二极管ZD1不工作，电解电容C1释放能量向第一功率器件驱动电路11供电。

电网的电压信号为负半周时，电流从N端口流进，并经过二极管D3后，流经电容C7、线圈绕组电阻R2、二极管D2、稳压二极管ZD1，并由电容C1进行滤波，形成相对于L端口的直流电压V2供第一功率器件驱动电路11使用。此时，稳压二极管ZD2不工作，电解电容C4释放能量向第二功率器件驱动电路13供电。

由于电阻R3与电容C7并联连接，因此在电网停止供电时，电容C7所储存的电能可通过电阻R3释放。

参见图3，脉冲信号产生电路10由单片机及其附属电路构成，或者为由555集成电路为核心的电路，也可以由专用集成电路构成，或者由其它脉冲信号产生电路构成。脉冲信号产生电路10产生脉冲信号，包括驱动脉冲信号UP、VP以及续流脉冲信号UN，且输出的脉冲信号的占空比可根据需要调整，从而调节电机的转速。

驱动脉冲信号UP、VP及续流脉冲信号UN的波形如图5所示，驱动脉冲信号UP与VP的波形完全相同，且周期相同、频率一致，驱动脉冲信号UP、VP与续流脉冲信号UN大致互补，即驱动脉冲信号UP、VP为高电平时续流脉冲信号UN为低电平，驱动脉冲信号UP、VP为低电平时续流脉冲信号UN为高电平。但是，为了避免第一驱动电路12、第二驱动电路14的功率器件与电机续流电路17的功率器件同时导通，驱动脉冲信号UP、VP与续流脉冲信号UN将存在同时为低电平的时间，即驱动脉冲和信号UP、VP变为低电平后，续流脉冲信号UN不会马上变为高电平，而是等待2微秒后才变为高电平，如图5所示的t1时间。同理，当续流脉冲信号UN从高电平变为低电平后，经过2微秒后，驱动脉冲信号UP、VP才变为高电平，即图5所示的t2时间。

驱动脉冲信号VP经过电阻R9输出至第一功率器件驱动电路11，第一功率器件驱动电路11具有隔离电路，并设有三个三极管Q4、Q5、Q10。隔离电路包括光电耦合器OP1，光电耦合器OP1的输入端接收驱动脉冲信号VP，输出端连接至三极管Q5的基极。三极管Q5的基极通过电阻R8连接至直流电源V2，集电极向三极管Q4及Q10输出信号，三极管Q4集电极通过电阻R6连接至直流电源V2，三极管Q4的发射极通过电阻R5输出信号，其基极还通过电阻R7连接至直流电源V2。三极管Q10的发射极连接至电阻R5，集电极接地。并且，第一功率器件驱动电路11还包括滤波电容C2，连接在直流电源V2与地之间。

第一驱动电路12包括功率器件Q1，功率器件Q1为绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)，即一种全控型开关器件。并且，功率器件Q1的栅极g1连接至电阻R5。

第一驱动电路12还设有与功率器件Q1并联连接的滤波电路，滤波电路由电容C6、电阻R1及二极管D5、D6组成，二极管D6并联在功率器件Q1的两端，二极管D6的阳极连接至功率器件Q1的漏极d1，二极管D6的阴极连接至功率器件Q1的源极s1。

电容C6与二极管D5串联连接，且电容C6与二极管D5的串联支路并联在功率器件Q1的两端。电阻R1与二极管D5并联连接，因此电容C6与电阻R1也是串联连接，电容C6与电阻R1的串联支路与功率器件Q1并联。

驱动脉冲信号UP经过电阻R22输出至第二功率器件驱动电路13，第二功率器件驱动电路13具有隔离电路，并设有三个三极管Q8、Q9、Q12。隔离电路包括光电耦合器OP2，光电耦合器OP2的输入端接收驱动脉冲信号UP，输出端连接至三极管Q9的基极。三极管Q9的基极通过电阻R20连接至直流电源V1，集电极向三极管Q8及Q12输出信号，三极管Q8集电极通过电阻R18连接至直流电源V1，三极管Q8的发射极通过电阻R21输出信号，其基极还通过电阻R19连接至直流电源V1。三极管Q12的发射极连接至电阻21，集电极接地。并且，第二功率器件驱动电路12还包括滤波电容C5，连接在直流电源V1与地之间。

第二驱动电路14包括功率器件Q2，功率器件Q2也为绝缘栅双极型晶体管，其的栅极g2连接至电阻R21。第二驱动电路14还设有与功率器件Q2并联连接的滤波电路，滤波电路由电容C8、电阻R4及二极管D7、D8组成，二极管D8并联在功率器件Q2的两端，二极管D6的阳极连接至功率器件Q2的漏极d2，二极管D8的阴极连接至功率器件Q2的源极s2。

电容C8与二极管D7串联连接，且电容C8与二极管D7的串联支路并联在功率器件Q2的两端。电阻R4与二极管D7并联连接，因此电容C8与电阻R4也是串联连接，电容C8与电阻R4的串联支路与功率器件Q2并联。

从图3可见，电机本体M串联在第一驱动电路12与第二驱动电路14之间。

参见图4，脉冲信号产生电路10输出的续流脉冲信号UN经过电阻R17流进第三功率器件驱动电路16，第三功率器件驱动电路16包括隔离电路以及三个三极管Q6、Q7、Q11，隔离电路为光电耦合器OP3，光电耦合器OP3的输入端接收续流脉冲信号UN，输出端向三极管Q7的基极输出信号。三极管Q7的基极通过电阻R16连接至直流电源V3，三极管Q7的集电极连接至三极管Q6及Q11的基极，三极管Q6的基极通过电阻R15连接至直流电源V3，且三极管Q6的集电极通过电阻R14连接至直流电源V3，发射极连接至电阻R13的第一端，电阻R13的第一端还连接至三极管Q11的发射极，电阻R13的第二端连接至功率器件Q3，三极管Q7的集电极接地。直流电源V3与地之间还连接有滤波电容C21。

第三功率器件驱动电路16的工作电压V3直接从电机本体M两端交流电取样获得，如图4所示，电机续流电路17包括四个桥式连接的二极管D9、D10、D11、D12，四个二极管D9、D10、D11、D12构成全波整流的桥式电路，对电机本体M的电流信号进行全波整流，整流后的信号经过电阻R10、R11、R12限流、二极管D13单向导通以及稳压二极管ZD3稳压、电解电容C21滤波后，形成直流电压V3。

电机续流电路17与电机本体M并联连接，其包括功率器件Q3，功率器件Q3也是绝缘栅双极型晶体管，其栅极g3连接至电阻R13的第二端，漏极d3及源极s3分别连接至桥式电路的两端。

在交流信号的负半周，驱动脉冲信号UP、VP为高电平时，光电耦合器OP1的发光二极管发光，光电三极管输出低电平信号，三极管Q5、Q10截止，三极管Q4导通，直流电源V2的电流经过电阻R6、三极管Q4、电阻R5输出至功率器件Q1的栅极g1，功率器件Q1导通。电流从N端口流经，并经过二极管D8后经过电机本体M的线圈绕组，然后流经功率器件Q1、保险丝FU后流向L端口。这样，电机本体M有电流流经，电机处于运行状态。

与此同时，续流脉冲信号UN为低电平，光电耦合器OP3的发光二极管不发光，光电三极管输出高电平信号，三极管Q6截止，功率器件Q3关断，即电机续流电路不工作。此时，功率器件Q3关断，其栅极g3通过电阻R13、三极管Q11放电。

在交流信号的正半周，驱动脉冲信号UP、VP为高电平时，光电耦合器OP2的发光二极管发光，光电三极管输出低电平信号，三极管Q8导通，而三极管Q9、Q12截止，直流电源V1经过电阻R16、三极管Q8、电阻R21向功率器件Q2供电，功率器件Q2导通。电流经过L端口后，流经二极管D6、电机本体M、功率器件Q2流向N端口。

在驱动脉冲信号UP、VP为低电平且续流脉冲信号UN为高电平时，三极管Q6导通，三极管Q7、Q11截止，直流电源V3经过电阻R14、三极管Q6、电阻R13向功率器件Q3的栅极g3输出信号，因此功率器件Q3导通。此时电机本体M的电流可以经过二极管D11、功率器件Q3、二极管D10流动，或者经过二极管D12、功率器件Q3以及二极管D9流动，从而提供电流的续流回路，避免在功率器件Q1、Q2关断后电流无法导走而影响电机本体M的工作。

并且，在驱动脉冲信号UP、VP为低电平时，功率器件Q2关断，其栅极g2通过电阻R21、三极管Q12放电，且功率器件Q1也关断，其栅极g1通过电阻R5、三极管Q10迅速放电。

在驱动脉冲芯片UP与续流脉冲信号UN同时为电平的时间内，电流流经二极管D2后，可流经电容C6、二极管D5以及电容C8、二极管D7，从而对电容C6、C8充电，这样交流电网的电流不会立即减小截止。当驱动脉冲信号UP、VP变为高电平后，电容C6通过功率器件Q1、电阻R1放电，电容C8通过功率器件Q2、电阻R4放电，流经功率器件Q1、Q2的电流不会马上到达最大值，从而消除高次谐波。

由上述方案可见，交流电机的调速电路无需设置晶闸管对电压进行斩波处理，仅使用三个功率器件控制电流的流动，且流经电机本体M的电流波形平稳，这样电机运行稳定、噪音小，且对电网的干扰也小。

最后需要强调的是，本实用新型不限于上述实施方式，如使用其他全控型开关器件替代绝缘栅双极型晶体管作为功率器件、使用其他耦合器件替代光电耦合器构成隔离电路等变化也应该包括在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.单相交流电机调速控制电路，其特征在于：包括

脉冲信号产生电路，输出驱动脉冲信号以及续流脉冲信号；

电机驱动电路，包括第一驱动电路及第二驱动电路，电机本体串联在所述第一驱动电路与所述第二驱动电路之间，所述第一驱动电路具有接收所述驱动脉冲信号的第一功率器件，所述第二驱动电路具有接收所述驱动脉冲信号的第二功率器件；

电机续流电路，与所述电机本体并联连接，所述电机续流电路具有接收所述续流脉冲信号的第三功率器件，并设有与所述第三功率器件电连接的桥式电路，所述桥式电路具有桥式连接的四个二极管。

2.根据权利要求1所述的单相交流电机调速控制电路，其特征在于：

所述第一功率器件、所述第二功率器件及所述第三功率器件均为绝缘栅双极型晶体管。

3.根据权利要求1或2所述的单相交流电机调速控制电路，其特征在于：

所述单相交流电机调速控制电路还设有第一功率器件驱动电路、第二功率器件驱动电路及第三功率器件驱动电路；

所述第一功率器件驱动电路连接在所述脉冲信号产生电路与所述第一功率器件之间，所述第一功率器件驱动电路设有第一三极管，所述第一三极管接收所述驱动脉冲信号并向所述第一功率器件输出信号；

所述第二功率器件驱动电路连接在所述脉冲信号产生电路与所述第二功率器件之间，所述第二功率器件驱动电路设有第二三极管，所述第二三极管接收所述驱动脉冲信号并向所述第二功率器件输出信号；

所述第三功率器件驱动电路连接在所述脉冲信号产生电路与所述第三功率器件之间，所述第三功率器件驱动电路设有第三三极管，所述第三三极管接收所述续流脉冲信号并向所述第三功率器件输出信号。

4.根据权利要求3所述的单相交流电机调速控制电路，其特征在于：

所述电机调速控制电路还设有向所述第一功率器件驱动电路及所述第二功率器件驱动电路供电的电源电路。

5.根据权利要求3所述的单相交流电机调速控制电路，其特征在于：

所述脉冲信号产生电路与所述第一三极管之间连接有第一隔离电路，所述第一隔离电路包括第一光电耦合器；

所述脉冲信号产生电路与所述第二三极管之间连接有第二隔离电路，所述第二隔离电路包括第二光电耦合器；

所述脉冲信号产生电路与所述第三三极管之间连接有第三隔离电路，所述第三隔离电路包括第三光电耦合器。

6.根据权利要求1或2所述的单相交流电机调速控制电路，其特征在于：

所述第一驱动电路具有与所述第一功率器件并联连接的第一滤波电路，所述第一滤波电路具有串联连接的第一电容及第一二极管；

所述第二驱动电路具有与所述第二功率器件并联连接的第二滤波电路，所述第二滤波电路具有串联连接的第二电容及第二二极管。

7.单相交流电机，包括

电机本体，其具有定子以及转子；

其特征在于：

所述电机还设有向所述定子输出电流的调速控制电路，所述调速控制电路具有

脉冲信号产生电路，输出驱动脉冲信号以及续流脉冲信号；

电机驱动电路，包括第一驱动电路及第二驱动电路，电机本体串联在所述第一驱动电路与所述第二驱动电路之间，所述第一驱动电路具有接收所述驱动脉冲信号的第一功率器件，所述第二驱动电路具有接收所述驱动脉冲信号的第二功率器件；

电机续流电路，与所述电机本体并联连接，所述电机续流电路具有接收所述续流脉冲信号的第三功率器件，并设有与所述第三功率器件电连接的桥式电路，所述桥式电路具有桥式连接的四个二极管。

8.根据权利要求7所述的单相交流电机，其特征在于：

所述单相交流电机调速控制电路还设有第一功率器件驱动电路、第二功率器件驱动电路及第三功率器件驱动电路；

所述第一功率器件驱动电路连接在所述脉冲信号产生电路与所述第一功率器件之间，所述第一功率器件驱动电路设有第一三极管，所述第一三极管接收所述驱动脉冲信号并向所述第一功率器件输出信号；

所述第二功率器件驱动电路连接在所述脉冲信号产生电路与所述第二功率器件之间，所述第二功率器件驱动电路设有第二三极管，所述第二三极管接收所述驱动脉冲信号并向所述第二功率器件输出信号；

所述第三功率器件驱动电路连接在所述脉冲信号产生电路与所述第三功率器件之间，所述第三功率器件驱动电路设有第三三极管，所述第三三极管接收所述续流脉冲信号并向所述第三功率器件输出信号。

9.根据权利要求8所述的单相交流电机，其特征在于：

所述脉冲信号产生电路与所述第一三极管之间连接有第一隔离电路，所述第一隔离电路包括第一光电耦合器；

所述脉冲信号产生电路与所述第二三极管之间连接有第二隔离电路，所述第二隔离电路包括第二光电耦合器；

所述脉冲信号产生电路与所述第三三极管之间连接有第三隔离电路，所述第三隔离电路包括第三光电耦合器。

10.根据权利要求7至9任一项所述的单相交流电机，其特征在于：

所述第一驱动电路具有与所述第一功率器件并联连接的第一滤波电路，所述第一滤波电路具有串联连接的第一电容及第一二极管；

所述第二驱动电路具有与所述第二功率器件并联连接的第二滤波电路，所述第二滤波电路具有串联连接的第二电容及第二二极管。

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