專利名稱：用來控制電感負(fù)載的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電感負(fù)載的控制電路，該控制電路如在權(quán)利要求1的前序部分中敘述的那樣。根據(jù)另外方面，本發(fā)明涉及一種用來控制電動(dòng)機(jī)/電感負(fù)載的方法，該方法如在權(quán)利要求10的前序部分中敘述的那樣。
背景技術(shù)：
能量節(jié)省和減小通過能量對(duì)于環(huán)境的壓力的措施，在最近幾年已經(jīng)被強(qiáng)烈地關(guān)注，并且期望甚至更加強(qiáng)烈，因?yàn)橐郧胺Q作發(fā)展中國(guó)家的國(guó)家和地區(qū)正在成為工業(yè)化國(guó)家， 對(duì)能量具有比以前大得多的需求。降低能量消耗和節(jié)約環(huán)境資源的任何措施在當(dāng)今世界上都將是有價(jià)值的。關(guān)于電能，其消耗分布在工業(yè)中以及在私人和公共住宅中的各種設(shè)備和器具上。 一些發(fā)熱，一些發(fā)光，及一些轉(zhuǎn)到電器，如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、壓縮機(jī)、吹風(fēng)機(jī)、電鋸、磨床、 鉆床及多種其它電氣設(shè)備。不只是大量功率用于運(yùn)輸，如有軌電車、無軌電車等，并且甚至也用于電動(dòng)私人汽車。顯然，除按環(huán)境最友好方式得到電能之外，具有重大價(jià)值的是，能夠降低在各個(gè)電器中每執(zhí)行工作量的能量消耗。關(guān)于直流電機(jī)的控制，當(dāng)今的主要系統(tǒng)是所謂的PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制系統(tǒng)， 該P(yáng)WM控制系統(tǒng)打算根據(jù)信號(hào)或電源而調(diào)制循環(huán)。這或者要通信地傳輸信息，或者要控制負(fù)載的效果，該負(fù)載可能是電烤箱或電動(dòng)機(jī)。就用于三相電機(jī)控制的原理或系統(tǒng)而論，ESC(電子速度控制)是一種電子電路， 該電子電路具有改變電動(dòng)機(jī)速度、方向的目的，并且作為動(dòng)態(tài)制動(dòng)器。變壓器(在技術(shù)領(lǐng)域中常常簡(jiǎn)稱為CT)是一種借助于電磁感應(yīng)將能量從一個(gè)電路傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電路的裝置。能量可在交變電流場(chǎng)中傳輸，變壓器因而必須借助于交流電源而工作。盡管有上述技術(shù)在當(dāng)今盛行的事實(shí)，但并不意味著，沒有改進(jìn)的空間或需要，所以你按使用的電能量，可做更多的實(shí)際工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種控制電路、或用于諸如電機(jī)和變壓器之類的電感負(fù)載的控制電路的一種原理，這些電感負(fù)載提供比至今已知系統(tǒng)大的能量利用率。本發(fā)明的另外目的是，借助于容易和廉價(jià)實(shí)施的裝置實(shí)現(xiàn)主要目的，從而要使用的設(shè)備不會(huì)變得更昂貴或復(fù)雜。以上目的由本發(fā)明實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明根據(jù)第一方面包括在權(quán)利要求1中所限定的一種控制電路。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及在權(quán)利要求10中規(guī)定的一種方法。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例由獨(dú)立權(quán)利要求是顯然的。本發(fā)明的要點(diǎn)是節(jié)能，并且本發(fā)明證明，通過這樣一種簡(jiǎn)單補(bǔ)救辦法可節(jié)省顯著的能量，該簡(jiǎn)單補(bǔ)救辦法交替地將功率供給到電容器和從電容器排出功率，該電容器放置在對(duì)于相關(guān)功率消耗裝置的電源中，這些功率消耗裝置為電感負(fù)載的形式。這與在本領(lǐng)域中接受的理論不一致，并且本發(fā)明因而代表重大驚喜，并且必須說打破了在本領(lǐng)域中的現(xiàn)有偏見。本發(fā)明基于是非能量消耗元件的電容(condenser)現(xiàn)象。在當(dāng)今的全部用途中， 電容器因?yàn)樗鼈兊哪芰咳萘勘皇褂?。電容用來穩(wěn)定電源，保證能量消耗裝置始終具有足夠的能量使用。電容器建造成存儲(chǔ)能量，直到需要能量。電容器的充電不消耗能量。能量只是被移動(dòng)。通過使用這種特征，當(dāng)你填充電容器時(shí)，你可由無功能量做有功工作。這通過經(jīng)能量消耗裝置將電容器充電而實(shí)現(xiàn)，該能量-消耗裝置將執(zhí)行一件工作。然后你可將在電容器中存儲(chǔ)的能量用于有功工作，該有功工作與由充電執(zhí)行的工作相對(duì)應(yīng)。描述的直流電源可以是用來整流交變電流的一個(gè)或多個(gè)電池或裝置。電氣開關(guān)能是任何種類的物理或電子開關(guān)。作為物理開關(guān)，也將典型地是設(shè)計(jì)成通過使用電脈沖接通或切斷(閉合或斷開)的開關(guān)。術(shù)語ESC代表電子速度控制，并且術(shù)語BLDC代表無刷直流電機(jī)。


在下面，參照附圖描述本發(fā)明。圖1表示本發(fā)明的第一實(shí)施例，其中電感負(fù)載是雙極電機(jī)。圖2表示本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中電感負(fù)載是單極電機(jī)。圖3表示本發(fā)明的第三實(shí)施例，其中電感負(fù)載是三相電機(jī)。圖4表示本發(fā)明的第四實(shí)施例，其中電感負(fù)載是變壓器。圖5表示本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例。圖6表示根據(jù)在圖1中表示的設(shè)計(jì)形式的雙極電機(jī)的示意圖。
具體實(shí)施例方式術(shù)語M在下面應(yīng)用于通常的電動(dòng)機(jī)，而MB用于雙極電機(jī)，匪用于單極電機(jī)，及MT 用于三相電機(jī)。圖1表示初級(jí)電路，該初級(jí)電路包括直流電源DC、第一電氣開關(guān)A (有功開關(guān))、為雙極電機(jī)MB形式的電感負(fù)載、電容器C、及連接這些元件的電導(dǎo)體。當(dāng)開關(guān)A閉合(連接) 時(shí)，電流將在電路中順時(shí)針流動(dòng)，直到最終電容器C被完全充電。也有次級(jí)電路，該次級(jí)電路包括同一雙極電機(jī)和同一電容器、電氣開關(guān)R(無功開關(guān))、及連接上述元件的電導(dǎo)體。當(dāng)開關(guān)R閉合，并且開關(guān)A斷開(不連接)時(shí)，電流將在次級(jí)電路中逆時(shí)針流動(dòng)，直到R再次斷開，或者如果沒有功率留在電容器C上。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，開關(guān)A和R不能同時(shí)閉合，否則將使直流電源短路。電氣開關(guān)A和R的斷開和閉合將按一種速率，該速率由在線路中使用的實(shí)際電機(jī)借助于電機(jī)的極性變化而確定。MB電極將接收交變電流，如計(jì)劃的那樣，每當(dāng)電機(jī)改變極性時(shí)有電流方向的變化。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，有功開關(guān)A和無功開關(guān)R可以是相同的，標(biāo)記如此選擇是因?yàn)?，A在所謂的有功階段中閉合(當(dāng)直流電源驅(qū)動(dòng)流動(dòng)時(shí))，而 R在無功階段中閉合(當(dāng)電容器驅(qū)動(dòng)流動(dòng)時(shí))。還應(yīng)該注意，以上和下面使用的術(shù)語“順時(shí)針”和“逆時(shí)針”，僅與表示的圖相關(guān)，并且不代表本發(fā)明的基本特征。我們現(xiàn)在將參照?qǐng)D2。該圖表示與在圖1中表示的相同的通用元件。另外，它表示二極管，該二極管與單極電機(jī)匪并聯(lián)，從而僅當(dāng)電壓在電機(jī)的右側(cè)上比在左側(cè)上高時(shí)，即在其中無功開關(guān)R閉合并且有功開關(guān)A未閉合時(shí)，電才可在并聯(lián)元件中通過。也有與電機(jī)匪串聯(lián)的二極管，以防止在無功階段中“旁通”過電機(jī)。也在這種情況下，也可能有布置成與MM電機(jī)相連接的傳感器，這些傳感器斷開和閉合開關(guān)A和R，由此在有功階段(在初級(jí)電路中的順時(shí)針電流)與無功階段(在次級(jí)電路中的逆時(shí)針流動(dòng))之間來回連接。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易明白，在這種情況下的電流在有功和無功階段中將在相同方向上流過電機(jī)MM，即MM電機(jī)按由電機(jī)速度給出的頻率，接收脈沖直流功率。我們現(xiàn)在將參照?qǐng)D3。本發(fā)明用于與三相電機(jī)相連接的原理，與已經(jīng)概述的那些構(gòu)造形式準(zhǔn)確地相同，但由于電機(jī)的復(fù)雜性，在整個(gè)過程從開始再次啟動(dòng)之前，將有控制通過的總共六個(gè)階段，而不是兩個(gè)。這意味著，本發(fā)明必須借助于依次接通的三個(gè)初級(jí)和三個(gè)次級(jí)電路而實(shí)施。在第一、第三及第五操作階段中，有功開關(guān)A閉合，而無功R開關(guān)斷開。在第二、第四及第六操作階段中，無功R開關(guān)閉合，而有功開關(guān)A斷開。這完全與在圖1和2中的情形相似。另外有控制三相的六個(gè)另外開關(guān)，這些開關(guān)的編號(hào)為Sl至S6，這些開關(guān)按下面所描述的順序分別閉合、斷開。在第一階段中，開關(guān)Sl和S5閉合，并且其它四個(gè)斷開。這是有功階段，其中，直流電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繞組相Y和Zjn電容器電源。在第二階段中，開關(guān)Sl和S6閉合，并且其它四個(gè)斷開。這是無功階段，電容器運(yùn)行電機(jī)繞組相Y和X。在第三階段中，開關(guān)S2和S6閉合，并且其它四個(gè)斷開。這又是有功階段，其中，直流電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組相Z和X、和電容器電源。在第四階段中，開關(guān)S2和S4閉合，并且其它四個(gè)斷開。這又是無功階段，其中，電容器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繞組相Z和Y。在第五階段中，開關(guān)S3和S4閉合，并且其它四個(gè)斷開。這再一次是有功階段，其中，直流電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組相X和Y、和電容器電源。最后，在第六階段中，開關(guān)S3和S5閉合，并且其它四個(gè)斷開。這再一次是無功階段，其中，電容器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繞組相X和Z。當(dāng)已經(jīng)完成以上六個(gè)操作階段時(shí)，已經(jīng)執(zhí)行用于三相電機(jī)的完整“循環(huán)”，并且它全部從第一操作階段又一次開始等等。當(dāng)與或者單相或者三相的電動(dòng)機(jī)一道執(zhí)行本發(fā)明時(shí)，優(yōu)選的是，電容器的電壓在直流電源的電壓的30-70%的范圍中。為了感測(cè)在三相電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置，有三個(gè)選項(xiàng)Hall效應(yīng)晶體管、光學(xué)傳感器及EMF(電磁場(chǎng))。圖4表示初級(jí)電路，該初級(jí)電路包括直流電源、第一電氣開關(guān)A(有功開關(guān))、為變壓器Tl形式的無功負(fù)載、電容器C及連接這些元件的電導(dǎo)體。當(dāng)開關(guān)A閉合(連接)時(shí)， 電流將在電路中順時(shí)針流動(dòng)，直到最終電容器C被完全充電。也有次級(jí)電路，該次級(jí)電路包括同一變壓器和同一電容器、電氣開關(guān)R(無功開關(guān))、及連接上述元件的電導(dǎo)體。當(dāng)開關(guān)R 閉合，并且開關(guān)A斷開(不連接)時(shí)，將在次級(jí)電路中流動(dòng)逆時(shí)針電流，直到R再次斷開，或者如果沒有功率留在電容器C上。專業(yè)人員將理解，開關(guān)A和R不能同時(shí)閉合，否則將使直流電源短路。電氣開關(guān)A和R的斷開和閉合將按一種速率，該速率由信號(hào)發(fā)生器確定，典型
5地50Hz。變壓器Tl因此將發(fā)現(xiàn)它接收交變電流，如計(jì)劃的那樣，每當(dāng)信號(hào)發(fā)生器改變極性時(shí)有電流方向的變化。負(fù)載L因此將經(jīng)歷與設(shè)定頻率相同的交流。當(dāng)電容器的電壓具有直流電源的電壓的50%的數(shù)量級(jí)時(shí)，相對(duì)于變壓器最好地實(shí)現(xiàn)描述的發(fā)明。圖5表示本發(fā)明的另一種替代設(shè)計(jì)形式，其中，電感負(fù)載具有電機(jī)的形式，該電機(jī)連接在四個(gè)開關(guān)S1-S4的所謂H橋中，該H橋允許電機(jī)在任何方向上運(yùn)行。電機(jī)可以是雙極或單極電機(jī)。圖6表示簡(jiǎn)化的單相、無刷、雙極電機(jī)，該電機(jī)具有線圈、磁鐵及傳感器(Hl和H2)。 這種類型的電機(jī)，依據(jù)纏繞方法，可以是單極的和雙極的。傳感器Hl和H2在與在轉(zhuǎn)子中的永久磁鐵的極性變化相同的角范圍中。如果磁鐵的極性每個(gè)變化90度，則Hl的角度將是等效的。如果電機(jī)是單極的，則在磁鐵之間將有明顯的差異。正是在轉(zhuǎn)子上的磁鐵是BLDC電機(jī)的外動(dòng)子(outrunner)還是內(nèi)動(dòng)子(inrunner)， 確定它應(yīng)該是什么種類的繞組、和是否有單極或雙極電機(jī)。圖5表示所謂的外動(dòng)子，其中， 磁鐵在繞組外的轉(zhuǎn)子上。所謂的內(nèi)動(dòng)子具有在轉(zhuǎn)子軸上的磁鐵，并且繞組圍繞轉(zhuǎn)子。盡管就在電動(dòng)機(jī)的一個(gè)操作循環(huán)的過程中出現(xiàn)的操作，一般地討論了以上發(fā)明， 但清楚的是，在專業(yè)實(shí)踐中，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在顯著數(shù)量的操作循環(huán)的運(yùn)行中將是顯著的。就是說，相對(duì)于例如第一、第三及第五操作階段已經(jīng)描述的操作，對(duì)于每個(gè)奇數(shù)操作階段重復(fù)。相應(yīng)地，相對(duì)于例如第二、第四或第六操作階段描述的本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)，將對(duì)于每個(gè)偶數(shù)操作階段重復(fù)。一般地，應(yīng)該注意，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)除表示和描述的那些之外也可包括其它元件，因?yàn)檫@里僅專門注意本發(fā)明的通用和基本特征。因而例如，為了穩(wěn)定電源，按常規(guī)方式使用另外的電容器可以被包括，而不違反本發(fā)明的原理。盡管本發(fā)明的主要好處是能量節(jié)省，但也有控制電路的潛在性質(zhì)，即，如果電機(jī)由于任何原因應(yīng)該停止，則電路不可能繼續(xù)消耗功率。概括和總結(jié)的本發(fā)明包括·使用執(zhí)行工作的負(fù)載用能量填充電容器的電路。 當(dāng)功率由二極管控制并且通過負(fù)載及填充電容時(shí)，使用執(zhí)行工作的負(fù)載填充電容器的電路，并且該電路在同一方向上通過負(fù)載放電。·當(dāng)電流通過負(fù)載并且填充電容時(shí)，通過執(zhí)行工作的負(fù)載填充電容的電路，在此之后，流動(dòng)按相同路線返回通過負(fù)載并且放空電容器。 利用電容器的特性使得有可能利用有功和無功能量執(zhí)行工作的電路。例子下面描述一些簡(jiǎn)單例子，這些簡(jiǎn)單例子與常規(guī)PWM控制相比，描述根據(jù)本發(fā)明的用于控制的節(jié)省潛力，該常規(guī)PWM控制現(xiàn)在被認(rèn)為是單相(無刷)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)管理。在例子中的電機(jī)是來自Torin-Sifan、型號(hào)DSG75-40的無刷電機(jī)，該電機(jī)當(dāng)今在市場(chǎng)上是公眾可得到的。在系列1中，同一電機(jī)關(guān)于風(fēng)扇借助于根據(jù)討論發(fā)明的控制和常規(guī)控制器而操作，該風(fēng)扇不帶有連結(jié)的風(fēng)扇殼體。功率供給增大，直到它達(dá)到3600rpm的恒定速度，該恒定速度代表由風(fēng)扇完成的給定、恒定量工作。附加到常規(guī)控制系統(tǒng)上的效果， 按定義設(shè)定到100%。表 權(quán)利要求
1.一種用于電感負(fù)載的控制電路，包括直流電源(DC)、電氣開關(guān)(A和R)以及將電流引導(dǎo)到電感負(fù)載的適當(dāng)電導(dǎo)體，其特征在于，包括初級(jí)電路和次級(jí)電路，所述次級(jí)電路部分地與初級(jí)電路共存，其中初級(jí)電路包括串聯(lián)的直流電源(DC)、電感負(fù)載(M/T1)以及電容器 (C)，而次級(jí)電路包括電感負(fù)載(M/T1)以及電容器(C)，其中兩個(gè)電氣開關(guān)(A和R)布置成使得在第一操作階段中電流由直流電源(DC)供給的電壓驅(qū)動(dòng)通過初級(jí)電路，而在另一個(gè)操作階段中電流由電容器(C)供給的電壓驅(qū)動(dòng)通過次級(jí)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其特征在于，初級(jí)電路包括第一電氣開關(guān)(A)，所述第一電氣開關(guān)(A)在第一操作階段中閉合，而次級(jí)電路包括第二電氣開關(guān)(R)，所述第二電氣開關(guān)(R)在第一操作階段中斷開，此后，第一電氣開關(guān)㈧的斷開和第二電氣開關(guān)(R) 的閉合從初級(jí)電路到次級(jí)電路改變流動(dòng)路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其特征在于，電感負(fù)載是雙極電動(dòng)機(jī)(MB)，并且第一電氣開關(guān)(A)和第二電氣開關(guān)(R)布置成，每當(dāng)電機(jī)改變極性時(shí)，借助于傳感器(H1、H2) 同時(shí)分別斷開、閉合，從而相對(duì)于第一操作階段，在第二操作階段中，驅(qū)動(dòng)流動(dòng)在相反方向上通過電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其特征在于，電感負(fù)載是單極電動(dòng)機(jī)(MM)，并且控制也包括與電機(jī)并聯(lián)連接的至少一個(gè)二極管(D2)以及與電機(jī)(MM)串聯(lián)的至少一個(gè)二極管 (Dl)，以整流通過電機(jī)(MM)的電流，而與是初級(jí)電路閉合還是次級(jí)電路閉合無關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其特征在于，電感負(fù)載是變壓器(Tl)，并且第一電氣開關(guān)(A)和第二電氣開關(guān)(R)布置成，借助于經(jīng)由信號(hào)發(fā)生器改變極性的頻率控制分別斷開、閉合，從而相對(duì)于第一操作階段，在第二操作階段中，電流在相反方向上運(yùn)行通過變壓器(Tl)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其特征在于，電氣開關(guān)重復(fù)地在全部奇數(shù)操作階段(1、3、5等等)中通過初級(jí)電路提供功率并在全部偶數(shù)操作階段0、4、6等等)中通過次級(jí)電路提供電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其特征在于，當(dāng)電感負(fù)載是變壓器(Tl)時(shí)，電容器電壓為直流電源(DC)的電壓的50%的數(shù)量級(jí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其特征在于，當(dāng)電感負(fù)載是感應(yīng)電機(jī)(M)時(shí)，電容器電壓為直流電源(DC)的電壓的30-70%的數(shù)量級(jí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其特征在于，控制器包括三個(gè)初級(jí)環(huán)、為用于BLDC 電機(jī)的ESC控制和兩個(gè)電氣開關(guān)(A和R)形式的三個(gè)次級(jí)電路和六個(gè)電氣開關(guān)(S1-S6)以及二極管，它們?nèi)窟B接以構(gòu)造三相電氣控制，適合在單個(gè)操作循環(huán)期間經(jīng)歷六個(gè)不同操作階段。
10.一種用來控制電感負(fù)載的方法，其特征在于a)在第一操作階段中，從直流電源驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載，所述直流電源也將功率供給到電容器，b)在第二操作階段中，當(dāng)直流電源臨時(shí)不連接時(shí)，用來自電容器的功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載，及c)將步驟a)和b)重復(fù)期望多次。
全文摘要
用于電感負(fù)載的控制電路，包括直流電源(DC)、電氣開關(guān)(A和R)、及將電流引導(dǎo)到電感負(fù)載的適當(dāng)電導(dǎo)體，其中控制系統(tǒng)包括初級(jí)電路和次級(jí)電路，該次級(jí)電路部分地與初級(jí)電路共存。初級(jí)電路包括串聯(lián)的直流電源(DC)、為電動(dòng)機(jī)(M)或變壓器(T)形式的電感負(fù)載以及電容器(C)，而次級(jí)電路包括電感負(fù)載以及電容器(C)，其中兩個(gè)電氣開關(guān)(A和R)布置成使得第一操作階段中功率由直流電源(DC)供給的電壓驅(qū)動(dòng)通過初級(jí)電路，而在另一個(gè)操作階段中電流由電容器(C)供給的電壓運(yùn)行通過次級(jí)電路。也有對(duì)于一種控制電感負(fù)載的方法的說明。
文檔編號(hào)H02M3/07GK102474175SQ201080030390
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者D·安東森 申請(qǐng)人:A-T控股Da公司