專利名稱：用來控制電感負載的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于電感負載的控制電路，該控制電路如在權利要求1的前序部分中敘述的那樣。根據另外方面，本發明涉及一種用來控制電動機/電感負載的方法，該方法如在權利要求10的前序部分中敘述的那樣。
背景技術：
能量節省和減小通過能量對于環境的壓力的措施，在最近幾年已經被強烈地關注，并且期望甚至更加強烈，因為以前稱作發展中國家的國家和地區正在成為工業化國家， 對能量具有比以前大得多的需求。降低能量消耗和節約環境資源的任何措施在當今世界上都將是有價值的。關于電能，其消耗分布在工業中以及在私人和公共住宅中的各種設備和器具上。 一些發熱，一些發光，及一些轉到電器，如冰箱、空調、洗衣機、壓縮機、吹風機、電鋸、磨床、 鉆床及多種其它電氣設備。不只是大量功率用于運輸，如有軌電車、無軌電車等，并且甚至也用于電動私人汽車。顯然，除按環境最友好方式得到電能之外，具有重大價值的是，能夠降低在各個電器中每執行工作量的能量消耗。關于直流電機的控制，當今的主要系統是所謂的PWM(脈沖寬度調制)控制系統， 該PWM控制系統打算根據信號或電源而調制循環。這或者要通信地傳輸信息，或者要控制負載的效果，該負載可能是電烤箱或電動機。就用于三相電機控制的原理或系統而論，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機速度、方向的目的，并且作為動態制動器。變壓器(在技術領域中常常簡稱為CT)是一種借助于電磁感應將能量從一個電路傳輸到另一個電路的裝置。能量可在交變電流場中傳輸，變壓器因而必須借助于交流電源而工作。盡管有上述技術在當今盛行的事實，但并不意味著，沒有改進的空間或需要，所以你按使用的電能量，可做更多的實際工作。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種控制電路、或用于諸如電機和變壓器之類的電感負載的控制電路的一種原理，這些電感負載提供比至今已知系統大的能量利用率。本發明的另外目的是，借助于容易和廉價實施的裝置實現主要目的，從而要使用的設備不會變得更昂貴或復雜。以上目的由本發明實現，本發明根據第一方面包括在權利要求1中所限定的一種控制電路。根據另一個方面，本發明涉及在權利要求10中規定的一種方法。本發明的優選實施例由獨立權利要求是顯然的。本發明的要點是節能，并且本發明證明，通過這樣一種簡單補救辦法可節省顯著的能量，該簡單補救辦法交替地將功率供給到電容器和從電容器排出功率，該電容器放置在對于相關功率消耗裝置的電源中，這些功率消耗裝置為電感負載的形式。這與在本領域中接受的理論不一致，并且本發明因而代表重大驚喜，并且必須說打破了在本領域中的現有偏見。本發明基于是非能量消耗元件的電容(condenser)現象。在當今的全部用途中， 電容器因為它們的能量容量被使用。電容用來穩定電源，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。通過使用這種特征，當你填充電容器時，你可由無功能量做有功工作。這通過經能量消耗裝置將電容器充電而實現，該能量-消耗裝置將執行一件工作。然后你可將在電容器中存儲的能量用于有功工作，該有功工作與由充電執行的工作相對應。描述的直流電源可以是用來整流交變電流的一個或多個電池或裝置。電氣開關能是任何種類的物理或電子開關。作為物理開關，也將典型地是設計成通過使用電脈沖接通或切斷(閉合或斷開)的開關。術語ESC代表電子速度控制，并且術語BLDC代表無刷直流電機。
在下面，參照附圖描述本發明。圖1表示本發明的第一實施例，其中電感負載是雙極電機。圖2表示本發明的第二實施例，其中電感負載是單極電機。圖3表示本發明的第三實施例，其中電感負載是三相電機。圖4表示本發明的第四實施例，其中電感負載是變壓器。圖5表示本發明的又一個實施例。圖6表示根據在圖1中表示的設計形式的雙極電機的示意圖。
具體實施例方式術語M在下面應用于通常的電動機，而MB用于雙極電機，匪用于單極電機，及MT 用于三相電機。圖1表示初級電路，該初級電路包括直流電源DC、第一電氣開關A (有功開關)、為雙極電機MB形式的電感負載、電容器C、及連接這些元件的電導體。當開關A閉合(連接) 時，電流將在電路中順時針流動，直到最終電容器C被完全充電。也有次級電路，該次級電路包括同一雙極電機和同一電容器、電氣開關R(無功開關)、及連接上述元件的電導體。當開關R閉合，并且開關A斷開(不連接)時，電流將在次級電路中逆時針流動，直到R再次斷開，或者如果沒有功率留在電容器C上。本領域的技術人員將理解，開關A和R不能同時閉合，否則將使直流電源短路。電氣開關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際電機借助于電機的極性變化而確定。MB電極將接收交變電流，如計劃的那樣，每當電機改變極性時有電流方向的變化。應該強調的是，有功開關A和無功開關R可以是相同的，標記如此選擇是因為，A在所謂的有功階段中閉合(當直流電源驅動流動時)，而 R在無功階段中閉合(當電容器驅動流動時)。還應該注意，以上和下面使用的術語“順時針”和“逆時針”，僅與表示的圖相關，并且不代表本發明的基本特征。我們現在將參照圖2。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匪并聯，從而僅當電壓在電機的右側上比在左側上高時，即在其中無功開關R閉合并且有功開關A未閉合時，電才可在并聯元件中通過。也有與電機匪串聯的二極管，以防止在無功階段中“旁通”過電機。也在這種情況下，也可能有布置成與MM電機相連接的傳感器，這些傳感器斷開和閉合開關A和R，由此在有功階段(在初級電路中的順時針電流)與無功階段(在次級電路中的逆時針流動)之間來回連接。對于本領域的技術人員容易明白，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MM，即MM電機按由電機速度給出的頻率，接收脈沖直流功率。我們現在將參照圖3。本發明用于與三相電機相連接的原理，與已經概述的那些構造形式準確地相同，但由于電機的復雜性，在整個過程從開始再次啟動之前，將有控制通過的總共六個階段，而不是兩個。這意味著，本發明必須借助于依次接通的三個初級和三個次級電路而實施。在第一、第三及第五操作階段中，有功開關A閉合，而無功R開關斷開。在第二、第四及第六操作階段中，無功R開關閉合，而有功開關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另外開關，這些開關的編號為Sl至S6，這些開關按下面所描述的順序分別閉合、斷開。在第一階段中，開關Sl和S5閉合，并且其它四個斷開。這是有功階段，其中，直流電源驅動電機的繞組相Y和Zjn電容器電源。在第二階段中，開關Sl和S6閉合，并且其它四個斷開。這是無功階段，電容器運行電機繞組相Y和X。在第三階段中，開關S2和S6閉合，并且其它四個斷開。這又是有功階段，其中，直流電源驅動電機繞組相Z和X、和電容器電源。在第四階段中，開關S2和S4閉合，并且其它四個斷開。這又是無功階段，其中，電容器驅動電機的繞組相Z和Y。在第五階段中，開關S3和S4閉合，并且其它四個斷開。這再一次是有功階段，其中，直流電源驅動電機繞組相X和Y、和電容器電源。最后，在第六階段中，開關S3和S5閉合，并且其它四個斷開。這再一次是無功階段，其中，電容器驅動電機的繞組相X和Z。當已經完成以上六個操作階段時，已經執行用于三相電機的完整“循環”，并且它全部從第一操作階段又一次開始等等。當與或者單相或者三相的電動機一道執行本發明時，優選的是，電容器的電壓在直流電源的電壓的30-70%的范圍中。為了感測在三相電機中的轉子位置，有三個選項Hall效應晶體管、光學傳感器及EMF(電磁場)。圖4表示初級電路，該初級電路包括直流電源、第一電氣開關A(有功開關)、為變壓器Tl形式的無功負載、電容器C及連接這些元件的電導體。當開關A閉合(連接)時， 電流將在電路中順時針流動，直到最終電容器C被完全充電。也有次級電路，該次級電路包括同一變壓器和同一電容器、電氣開關R(無功開關)、及連接上述元件的電導體。當開關R 閉合，并且開關A斷開(不連接)時，將在次級電路中流動逆時針電流，直到R再次斷開，或者如果沒有功率留在電容器C上。專業人員將理解，開關A和R不能同時閉合，否則將使直流電源短路。電氣開關A和R的斷開和閉合將按一種速率，該速率由信號發生器確定，典型
5地50Hz。變壓器Tl因此將發現它接收交變電流，如計劃的那樣，每當信號發生器改變極性時有電流方向的變化。負載L因此將經歷與設定頻率相同的交流。當電容器的電壓具有直流電源的電壓的50%的數量級時，相對于變壓器最好地實現描述的發明。圖5表示本發明的另一種替代設計形式，其中，電感負載具有電機的形式，該電機連接在四個開關S1-S4的所謂H橋中，該H橋允許電機在任何方向上運行。電機可以是雙極或單極電機。圖6表示簡化的單相、無刷、雙極電機，該電機具有線圈、磁鐵及傳感器(Hl和H2)。 這種類型的電機，依據纏繞方法，可以是單極的和雙極的。傳感器Hl和H2在與在轉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變化90度，則Hl的角度將是等效的。如果電機是單極的，則在磁鐵之間將有明顯的差異。正是在轉子上的磁鐵是BLDC電機的外動子(outrunner)還是內動子(inrunner)， 確定它應該是什么種類的繞組、和是否有單極或雙極電機。圖5表示所謂的外動子，其中， 磁鐵在繞組外的轉子上。所謂的內動子具有在轉子軸上的磁鐵，并且繞組圍繞轉子。盡管就在電動機的一個操作循環的過程中出現的操作，一般地討論了以上發明， 但清楚的是，在專業實踐中，本發明的優點在顯著數量的操作循環的運行中將是顯著的。就是說，相對于例如第一、第三及第五操作階段已經描述的操作，對于每個奇數操作階段重復。相應地，相對于例如第二、第四或第六操作階段描述的本發明的顯著優點，將對于每個偶數操作階段重復。一般地，應該注意，根據本發明的系統除表示和描述的那些之外也可包括其它元件，因為這里僅專門注意本發明的通用和基本特征。因而例如，為了穩定電源，按常規方式使用另外的電容器可以被包括，而不違反本發明的原理。盡管本發明的主要好處是能量節省，但也有控制電路的潛在性質，即，如果電機由于任何原因應該停止，則電路不可能繼續消耗功率。概括和總結的本發明包括·使用執行工作的負載用能量填充電容器的電路。 當功率由二極管控制并且通過負載及填充電容時，使用執行工作的負載填充電容器的電路，并且該電路在同一方向上通過負載放電。·當電流通過負載并且填充電容時，通過執行工作的負載填充電容的電路，在此之后，流動按相同路線返回通過負載并且放空電容器。 利用電容器的特性使得有可能利用有功和無功能量執行工作的電路。例子下面描述一些簡單例子，這些簡單例子與常規PWM控制相比，描述根據本發明的用于控制的節省潛力，該常規PWM控制現在被認為是單相(無刷)電機的標準管理。在例子中的電機是來自Torin-Sifan、型號DSG75-40的無刷電機，該電機當今在市場上是公眾可得到的。在系列1中，同一電機關于風扇借助于根據討論發明的控制和常規控制器而操作，該風扇不帶有連結的風扇殼體。功率供給增大，直到它達到3600rpm的恒定速度，該恒定速度代表由風扇完成的給定、恒定量工作。附加到常規控制系統上的效果， 按定義設定到100%。表 權利要求
1.一種用于電感負載的控制電路，包括直流電源(DC)、電氣開關(A和R)以及將電流引導到電感負載的適當電導體，其特征在于，包括初級電路和次級電路，所述次級電路部分地與初級電路共存，其中初級電路包括串聯的直流電源(DC)、電感負載(M/T1)以及電容器 (C)，而次級電路包括電感負載(M/T1)以及電容器(C)，其中兩個電氣開關(A和R)布置成使得在第一操作階段中電流由直流電源(DC)供給的電壓驅動通過初級電路，而在另一個操作階段中電流由電容器(C)供給的電壓驅動通過次級電路。
2.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，初級電路包括第一電氣開關(A)，所述第一電氣開關(A)在第一操作階段中閉合，而次級電路包括第二電氣開關(R)，所述第二電氣開關(R)在第一操作階段中斷開，此后，第一電氣開關㈧的斷開和第二電氣開關(R) 的閉合從初級電路到次級電路改變流動路徑。
3.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，電感負載是雙極電動機(MB)，并且第一電氣開關(A)和第二電氣開關(R)布置成，每當電機改變極性時，借助于傳感器(H1、H2) 同時分別斷開、閉合，從而相對于第一操作階段，在第二操作階段中，驅動流動在相反方向上通過電機。
4.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，電感負載是單極電動機(MM)，并且控制也包括與電機并聯連接的至少一個二極管(D2)以及與電機(MM)串聯的至少一個二極管 (Dl)，以整流通過電機(MM)的電流，而與是初級電路閉合還是次級電路閉合無關。
5.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，電感負載是變壓器(Tl)，并且第一電氣開關(A)和第二電氣開關(R)布置成，借助于經由信號發生器改變極性的頻率控制分別斷開、閉合，從而相對于第一操作階段，在第二操作階段中，電流在相反方向上運行通過變壓器(Tl)。
6.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，電氣開關重復地在全部奇數操作階段(1、3、5等等)中通過初級電路提供功率并在全部偶數操作階段0、4、6等等)中通過次級電路提供電流。
7.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，當電感負載是變壓器(Tl)時，電容器電壓為直流電源(DC)的電壓的50%的數量級。
8.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，當電感負載是感應電機(M)時，電容器電壓為直流電源(DC)的電壓的30-70%的數量級。
9.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，控制器包括三個初級環、為用于BLDC 電機的ESC控制和兩個電氣開關(A和R)形式的三個次級電路和六個電氣開關(S1-S6)以及二極管，它們全部連接以構造三相電氣控制，適合在單個操作循環期間經歷六個不同操作階段。
10.一種用來控制電感負載的方法，其特征在于a)在第一操作階段中，從直流電源驅動電感負載，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，當直流電源臨時不連接時，用來自電容器的功率驅動負載，及c)將步驟a)和b)重復期望多次。
全文摘要
用于電感負載的控制電路，包括直流電源(DC)、電氣開關(A和R)、及將電流引導到電感負載的適當電導體，其中控制系統包括初級電路和次級電路，該次級電路部分地與初級電路共存。初級電路包括串聯的直流電源(DC)、為電動機(M)或變壓器(T)形式的電感負載以及電容器(C)，而次級電路包括電感負載以及電容器(C)，其中兩個電氣開關(A和R)布置成使得第一操作階段中功率由直流電源(DC)供給的電壓驅動通過初級電路，而在另一個操作階段中電流由電容器(C)供給的電壓運行通過次級電路。也有對于一種控制電感負載的方法的說明。
文檔編號H02M3/07GK102474175SQ201080030390
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月23日 優先權日2009年7月7日
發明者D·安東森 申請人:A-T控股Da公司