CN203457096U - 一种带有抑制谐波的吸尘器控制器 - Google Patents

Abstract

一种带有抑制谐波的吸尘器控制器，包括一调速电路，连接在吸尘器的电机与交流母线之间，用以控制电机的速度，还包括：一谐滤波器，并联在交流母线与调速电路之间，包括若干并联的单调谐滤波器，若干并联的单调谐滤波器包括串联的一电容以及一电感。针对不同的吸尘器设置不同的电容及电感。不仅能够有效抑制谐波，且结构简单、成本低廉。

Description

一种带有抑制谐波的吸尘器控制器

技术领域

本实用新型涉及吸尘器设备领域，特别涉及一种带有抑制谐波的吸尘器控制器。 

背景技术

目前大多数真空吸尘器的控制器采用了可控制硅作为调速电路，由于电路设备本身的非线性，导致谐波电流越来越突出，一些数吸尘器产品对谐波的抑制不太重视。为了解决这一问题，现有技术中大多数厂家都是并联一个或多个电容值来达到抑制谐波的目的，但是在实际使用过程中，大部分吸尘器常在3次和5次谐波电流超过IEC（International Electro technical Commission，国际电工委员会）标准的限值；或者，采用有源滤波器，但是有源滤波器的价格高昂，会给生产商带来较大的负担。 

图1所示的是一个单调谐滤波器的电路图，单调滤波器主要是针对某个特定次数的谐波而设计单调谐波器的滤波器，对该特定谐波起到抑制作用，使其过到该吸尘器规定的谐波限值以下。滤波器当其工作在调谐频率处阻抗理论上为零，所以会滤除该次谐波。如图1所示LC单调谐电路的阻抗的模为； 

（注：

为归一化角频率，由角频率和频率的关系有

）。 

在加装单调谐滤波器时谐波为容抗，而大多数低压电器通常为感性电路，因此在谐波抑制的同时也可利用谐波这一特点补偿无功，从而提高电路的功率因素；当产生3次谐波时，仍为容抗，3次谐波将通过此滤波器；对5次谐波为低阻抗，略有感性，5次谐波电流可大部分通过；对7次及更高次谐波为大电抗，无滤波作用；吸尘器抑制谐波电流通常采用RLC电路。 

对于任何次数的谐波n有：如果在n次谐波发生谐 振，则得到：

加装单调谐滤波器的过程中必须考虑到当电网参数和谐波电流以及温度发生变化时，或者滤波器部件老化和其它因素都会影响滤波器性能而降低效率。 

同时，吸尘器在长时间使用中电机发热严重，若不注意则会造成电机损坏。 

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供了一种带有抑制谐波的吸尘器控制器，本实用新型不仅能够有效抑制谐波，且结构简单、成本低廉。 

本实用新型通过以下技术方案实现： 

一种带有抑制谐波的吸尘器控制器，包括一调速电路，连接在吸尘器的电机与交流母线之间，用以控制电机的速度，还包括： 

一谐滤波器，并联在交流母线与调速电路之间，包括若干并联的单调谐滤波器，若干并联的单调谐滤波器包括串联的一电容以及一电感； 

其中，设交流母线侧的电压只含基波分量U₍₁₎，调谐回路在电路谐振时除了通过n次谐波电流I_f(n)外，基波分量U₍₁₎引起的基波电流

也通过该调谐回路，

为 

$I_{\left(1\right)}^{\left(n\right)}=\frac{U_{\left(1\right)}}{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\left(1\right)}C}-{\mathrm{\ω}}_{\left(1\right)}L}={\mathrm{\ω}}_{\left(1\right)}C\frac{n^2}{n^2-1}\×U_{\left(1\right)}$

因为有基波电流

和n次谐电流I_f(n)通过谐振回路，滤波电容器安装容量选择为基波无功容量Q₍₁₎和谐波无功容量Q_(n)之和，即 

$S_{\left(n\right)}=Q_{\left(1\right)}+Q_{\left(n\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\left(1\right)}C}{\left[I_{\left(1\right)}^{\left(n\right)}\right]}^2+\frac{1}{{\mathrm{n\ω}}_{\left(1\right)}C}{I^2}_{f\left(n\right)};$

所述ω₍₁₎为基波角频率，所述C为基波补偿容量； 

对于滤波器支路，输出的基波无功容量为 

$Q_{\left(1\right)}=U_{\left(1\right)}{I}_{\left(1\right)}^{\left(n\right)}={\mathrm{\ω}}_{\left(1\right)}C\frac{n^2}{n^2-1}{U}_{\left(1\right)}^2$

并根据上式，改写为 

$S_{\left(n\right)}=\frac{n^2}{n^2-1}\×(Q_{\left(1\right)}^{\left(n\right)}+\frac{U_{\left(1\right)}^2{I}_{f\left(n\right)}^2}{{\mathrm{nQ}}_{\left(1\right)}^{\left(n\right)}})$

取基准功率S_B=U₍₁₎I_f(n)，则改写成 

$S_{\left(n\right)*}=\frac{n^2}{n^2-1}\×(Q_{\left(1\right)*}^{\left(n\right)}+\frac{1}{{\mathrm{nQ}}_{\left(1\right)*}^{\left(n\right)}}).$

较佳的，单调谐滤波器还包括一电阻，其值为

其中，品质因数Q的值为：30<Q<100。 

较佳的，还包括一电机过热保护装置，电机过热保护装置包括：一过热电路以及过热指示电路，过热电路包括一升温电阻，过热指示电路包括串联的电阻、空气压力开关、二极管、显示装置； 

当升温电阻的温度过高时，其阻值变大，从而减小或阻止进入电机的电流，空气压力开关受热后闭合，显示装置进行过热指示；当升温电阻的温度下降时，其阻值变小，电机重新启动，空气压力开关断开。 

较佳的，若所述吸尘器为额定电压为U、额定功率为P、工作频率为f的感性负载吸尘器，将其功率因数从λ1=cosφ₁提高到λ2=cosφ₂，所需并联的电容： 

$C=\frac{P}{{2\mathrm{\&pi;fU}}^2}({\tan \mathrm{\&phi;}}_1-{\tan \mathrm{\&phi;}}_2);$

其中φ₁=arccosλ1，φ₂=arccosλ2，且φ₁>φ₂，λ1<λ2。 

附图说明

图1所示的是一个单调谐滤波器的电路图； 

图2所示的是本实用新型谐滤波器的电路图； 

图3所示的是本实用新型一种带有抑制谐波的吸尘器控制器的结构示意图； 

图4所示的是本实用新型一种带有抑制谐波的吸尘器控制器的电路图。 

具体实施方式

以下将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本实用新型的一部分实例，并不是全部的实例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。 

为了便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本实用新型实施例的限定。 

如图2、图3所示，本实用新型一种带有抑制谐波的吸尘器控制器包括一谐滤波器1，并联在交流母线与调速电路之间，包括若干并联的单调谐滤波器，若干并联的单调谐滤波器包括串联的一电容以及一电感。 

1.基波补偿容量 

假设有功功率：600W；功率因数：0.6；将功率因数提高到0.9以上，需要基波补偿容量：对于额定电压为U、额定功率为P、工作频率为f的感性负载吸尘器来说，将功率因数从λ1=cosφ₁提高到λ2=cosφ₂，仅从功率因素提供的角度分析，则所需并联的电容： 

$C=\frac{P}{{2\mathrm{\&pi;fU}}^2}({\tan \mathrm{\&phi;}}_1-{\tan \mathrm{\&phi;}}_2)$

其中φ₁=arccosλ1，φ₂=arccosλ2，且φ₁>φ₂，λ1<λ2。 

2.单调谐滤波器参数计算方法 

本实用新型从滤波特性（母线的谐波电压含量、总畸变率和注入系统的谐波电流）、经济性（投资、损耗）、无功补偿、安全性（过电压、过电流和容量平衡）等多方面因素，最终确定最经济、最实用、最合理的滤波方案。对真空吸尘器给出了一种低成本的滤波装置方案即最小电容器安装容量法。 

已知谐振次数为n的单调谐滤波器具有下列关系： 

$\mathrm{n\&omega;L}=\frac{1}{\mathrm{n\&omega;C}}---\left(1\right)$

由于系统的谐波电压最终将限制在很小的数值。因此可以近似地认为交流母线侧电压只含基波分量U₍₁₎。调谐回路在电路谐振时除了通过该次谐波电流I_f(n)外，其波U₍₁₎引起的基波电流

也通过该调谐回路，

为 

$I_{\left(1\right)}^{\left(n\right)}=\frac{U_{\left(1\right)}}{\frac{1}{{\mathrm{\&omega;}}_{\left(1\right)}C}-{\mathrm{\&omega;}}_{\left(1\right)}L}={\mathrm{\&omega;}}_{\left(1\right)}C\frac{n^2}{n^2-1}\&times;U_{\left(1\right)}---\left(2\right)$

因为有基波电流

和n次谐电流I_f(n)通过谐振回路，滤波电容器安装容量通常选择为基波无功容量Q₍₁₎和谐波无功容量Q_(n)之和（设计时应适当留有余地），即 

$S_{\left(n\right)}=Q_{\left(1\right)}+Q_{\left(n\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\&omega;}}_{\left(1\right)}C}{\left[I_{\left(1\right)}^{\left(n\right)}\right]}^2+\frac{1}{{\mathrm{n\&omega;}}_{\left(1\right)}C}{I^2}_{f\left(n\right)}---\left(3\right)$

对于滤波器支路，输出的基波无功容量为 

$Q_{\left(1\right)}=U_{\left(1\right)}{I}_{\left(1\right)}^{\left(n\right)}={\mathrm{\&omega;}}_{\left(1\right)}C\frac{n^2}{n^2-1}{U}_{\left(1\right)}^2---4)$

由(2)、(3)，可将(4)式改写为 

$S_{\left(n\right)}=\frac{n^2}{n^2-1}\&times;(Q_{\left(1\right)}^{\left(n\right)}+\frac{U_{\left(1\right)}^2{I}_{f\left(n\right)}^2}{{\mathrm{nQ}}_{\left(1\right)}^{\left(n\right)}})---\left(5\right)$

取基准功率S_B=U₍₁₎I_f(n)，则(5)可写成 

$S_{\left(n\right)*}=\frac{n^2}{n^2-1}\&times;(Q_{\left(1\right)*}^{\left(n\right)}+\frac{1}{{\mathrm{nQ}}_{\left(1\right)*}^{\left(n\right)}})---\left(6\right)$

由上式可以导出当时，电容器的安装容量最小，其值为 

$S_{\left(n\right)*\min }=\frac{2}{\sqrt{n}}\&times;\frac{n^2}{n^2-1}---\left(7\right)$

根据式(6)和(7)，可以得出 

$Q_{\left(1\right)\min }^{\left(n\right)}=\frac{1}{\sqrt{n}}{U}_{\left(1\right)}{I}_{f\left(n\right)}={\mathrm{\&omega;}}_{\left(1\right)}{C}_{\min }\&times;\frac{n^2}{n^2-1}\&times;U_{\left(1\right)}^2---\left(8\right)$

得 

$C_{\min }=\frac{I_{f\left(n\right)}}{U_{\left(1\right)}{\mathrm{\&omega;}}_{\left(1\right)}}\&times;\frac{n^2-1}{\sqrt{n}\&times;n^2}---\left(9\right)$

给出C_min便是按最小滤波电容器容量要求决定的电容量，可作为初值设计单调谐滤波器。在设计过程种中基波补偿容量C适当调速C_min。（从功率因素的角度的来分析，因为加装单调谐滤波器对3次和5次谐波是容性的。此时要考虚到基波补偿容量，要在二者之间找到平衡。通常最小电容的容量至少能提供功率因素。取值的原则是最小电容大于等于基波被偿电容。） 

初步确定电容参数后，可根据式(10)及(11)确定滤波器电抗器、滤波器电阻的参数。 

$L=\frac{1}{n^2{\mathrm{\&omega;}}_{\left(1\right)}^{2}C}---\left(10\right)$

$R=\frac{1}{{\mathrm{n\&omega;}}_{\left(1\right)}\mathrm{CQ}}---\left(11\right)$

无源滤波器在调谐频率下的品质因数Q越大，其阻抗的频率响应曲线越尖锐，频率选择性越好。但滤波器对于参数的变化越敏感，一旦失谐，其性能将变化很大，而且一旦无源滤波器和电网发生串、并联谐振，谐波放大的程度也越大。Q滤波器的品质因数，3O<Q<100，这里取50。 

综上所述利用电感具有“低频，阻高频”的特性和电容结合起来构成RLC谐振电路，由于电容和电感的共同作用，使得电路有了一个上限频率和下限 频率，组成了一段频率带宽，使得在此带宽内的电流能通过，除此外的频率，电流就不能通过，具有较好的滤波作用，我们利用L、C参数的改变，发现也可以对电路起到谐波电路的抑制。实验证明加装3、5次单调谐滤波器后，该吸尘器完全达标，同时该吸尘器的功率因素也提高了，这是由于3、5次谐波单调谐滤波器对基波呈现容抗，吸尘器在工作过程的呈现出感性，对感性负载并联适当的容抗有益于提高电路的功率因素。 

根据基波补偿容量法和单调谐滤波器参数计算方法取适当的值，在功率因素和谐波限值进行平衡，设定C3、C5，然后根据式（9）、（10）确定L3、L5、R3、R5的值，C1为高次谐波滤波电容。 

一个简单的串联LC电路与谐波源并联，应用其谐振原理，使某一次谐波在这个支路发生谐振，呈现低阻状态，使该次谐波电流不再流入电网，达到抑制谐波的目的。如果要滤除若干次谐波，就用若干个单调谐滤波器并联接到电网。无源电力滤波器还可以设计成双谐振的，同时滤除两种频率的谐波，还可以设计成高通滤波器，以滤除某一次上的谐波。本实用新型给出单调谐滤波器的参数选型方法（基波补偿容量法和最小电容器安装容量法）。从而达到抑制该次谐波的目的。该方法一般只适用7次谐波以下。7次以上的谐波是通过电容C1来抑制。 

如图4所示，接通电源开关，市电电源经吸尘器电机，R6，VR，D4，R2，对电容C2充电，D1为稳压电路，R2为稳压管的限流电阻，充电结果后C2两端电压值稳定，该电压通过R7对C6充电，电压达到一定值后，D2导通，启时完成吸尘器的启动；此时市电电源经吸尘器电机，R6，VR，R4到桥式整流电路的D6，对C4充电，调节VR就可调节A点电压值，从而调节T1的导通角，冲向C2充电，当C2两端电压达一定值时，双向二极管VD导通并触发双向可控硅T1，调节电位器VR可改变C4充电时间常数，从而调整可控硅的平均导通时间，达到控制电路平均电流，进而调整电机转速的目的。由于电路具有电源正、负半周的对称特性，因而可实现交流电全周期的无级调速。 

L3、C3、R3三次单调谐滤波器的电路结构，L5、C5、R5五次单调谐滤波器的电路结构，C1为高次调谐电路；R8，空气压力开关K1，D8，LED为过热 指示电路3。升温电阻2为过热电路。工作过程如下，电机温度过高时，升温电阻2阻值变大，电机电流减小至停止，此时空气压力开受热压力增大，K1合上，LED发光指示。当温度下降时，升温电阻2阻值回到正常值，此时电机又重新启动，K1断开。此时吸尘器又工作在正常工况下。 

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限与此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 

Claims (4)

1.一种带有抑制谐波的吸尘器控制器，包括一调速电路，连接在一吸尘器的电机与交流母线之间，用以控制所述电机的速度，其特征在于，还包括： 

一谐滤波器，并联在所述交流母线与所述调速电路之间，包括若干并联的单调谐滤波器，所述若干并联的单调谐滤波器包括串联的一电容以及一电感； 

其中，设交流母线侧的电压只含基波分量U₍₁₎，调谐回路在电路谐振时除了通过n次谐波电流I_f(n)外，基波分量U₍₁₎引起的基波电流

也通过该调谐回路，

为 

因为有基波电流和n次谐电流I_f(n)通过谐振回路，滤波电容器安装容量选择为基波无功容量Q₍₁₎和谐波无功容量Q_(n)之和，即 

所述ω₍₁₎为基波角频率，所述C为基波补偿容量； 

对于滤波器支路，输出的基波无功容量为 

并根据上式，改写为 

取基准功率S_B=U₍₁₎I_f(n)，则改写成 

2.根据权利要求1所述的一种带有抑制谐波的吸尘器控制器，其特征在于，所述单调谐滤波器还包括一电阻，其值为

其中，品质因数Q的值为：30<Q<100。 

3.根据权利要求1所述的一种带有抑制谐波的吸尘器控制器，其特征在于，还包括一电机过热保护装置，所述电机过热保护装置包括：一过热电路以及过热指示电路，所述过热电路包括一升温电阻，所述过热指示电路包括串联的电阻、空气压力开关、二极管、显示装置； 

当所述升温电阻的温度过高时，其阻值变大，从而减小或阻止进入电机 的电流，所述空气压力开关受热后闭合，所述显示装置进行过热指示；当所述升温电阻的温度下降时，其阻值变小，电机重新启动，所述空气压力开关断开。 

4.根据权利要求1所述的一种带有抑制谐波的吸尘器控制器，其特征在于，若所述吸尘器为额定电压为U、额定功率为P、工作频率为f的感性负载吸尘器，将其功率因数从λ1=cosφ₁提高到λ2=cosφ₂，所需并联的电容： 

其中φ₁=arccosλ1，φ₂=arccosλ2，且φ₁>φ₂，λ1<λ2。 

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