专利名称：理想的电压控制器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及控制负载的外加电压，特别适于用来保存工作中的电感性和电阻性负载中的能量。
节省能量已日益成为人们在设计电路和系统时所重视的问题。节约能量对于终端用户和整个社会都有好处。例如，若系统耗能减少，则工作费用也随之减少;另一方面，能量需求的降低，减少了对环境的有害影响(诸如污染、资源损耗等)。关于降低能耗的问题，可以交流电动机工作为例。这样的电动机的应用非常普遍，工厂、商业设施乃至居民住宅安装的大量电器和设备中，都使用了这样的电动机。这些电动机通常接到当地公用事业公司提供的输电线上，而这些公共事业公司的电压随时随地会有很大差别。电机一般以恒定的速度运转，该速度在一定工作电压范围内与加到电机上的交流电压无关。
在预先规定的时间内，电路中任何负载元件(例如电机)所消耗的电能是由施加于负载两端的瞬时交流电压与流过负载瞬时交流电流的乘积在这段时间内的积分来确定的。典型的交流电压是正弦波形，众所周知，给一个电感性负载提供一个正弦输入，将导致具有同样的正弦波形的交流电流和交流电压，只是二者在时间上产生偏移，这一偏移称为相位移或相位差，用角度来表示。对恒定电压以及因而相应的恒定电流，负载消耗的功率可表示为VIcosφ，式中V是负载两端的外加交流电压的平均值，I是流过负载电流的平均值，φ是电压和电流之间的相位差。Cosφ称为“功率因数”，因此功耗与相位差有关。相位差取决于电机负载状况，因此，功耗取决于电机负载状况和施加于电机的线电压。
在线电压规定的波动范围内，大多数电机都能正常工作。通常电机的设计者要考虑到电机有可能在通常遇到的最低的线电压下运行。这一电压较大多数地方和时间遇到的电压要低得多。例如，电冰箱的负载必须能够提供足够的电能，既使在全负荷和节电的情况下也如此。有时公共事业公司为满足大量用电需要，常常在整个电网或其一部分降低供电电压。线路电压的改变将影响负载性能和能耗。尽管线电压如此大范围的变化是人们所不希望的，但大多数的负载设计者和用户面对此情况感到束手无策。应该指出，通常情况下的线电压波动不会改变电压与电流间的相位差。早先的节能系统仅对相位变化敏感，对线电压的波动不敏感。
因此，需要一种节能系统，用于控制施加于负载的电压。该系统既要简单又能响应线电压的变化;从而调节这样的变化。
由此，本发明的宗旨是为节约能量提供一种改进了的负载控制系统。
本发明的另一目的是提供一个节能系统供各种负载使用，该系统在设计上比起早先的系统来要简单。
通过以下结合附图所作的描述，本领域的人员将更加明白本发明的这些及其他目的。
本发明包括控制负载外加电压的方法和装置，该方法包括接收交流线电压，交流工作电压由交流线电压产生并加到负载两端。产生一被测信号，它是交流工作电压幅度的函数。然后将被测信号平均，以产生代表被测信号的平均值的平均信号。根据平均信号的变化，要持续地重新调正交流工作电压。
还给出了将上述方法付诸实施的设备。它包括用来接收交流线电压的终端装置;由交流线电压产生交流工作电压的装置;把工作电压加于负载端的连接装置;产生被测信号的电压检测装置，该被测信号是该工作电压幅度的函数;还提供了信号平均装置，用于产生表示测量信号平均值的平均信号;最后，该设备还包括交流电压调制器，用来根据平均信号来调节交流工作电压。
在本发明装置的最佳实施例中，交流电压调制器包含有电压降低装置，用于在每个周期的一部分时间内节断线电压，断开的时间由被测信号的平均值来确定。交流电压调制器还包括相位控制集成电路器件，用来控制三端双向可控硅开关。相位控制集成电路器件响应于平均信号，以产生控制信号使可控硅开关在线电压每个周期的部分时间内切断线电压向负载的施加。
图1是方块图，示出了本发明主要构成部分;
图2显示了图1的交流电压调制装置60;
图3显示了图1的电压检测电路20的最佳实施例;
图4显示了图1的平均电路50的最佳实施例，它采用了全波电容耦合反馈;
图5显示了图1的平均电路50的一种替代实施例，它采用了均方反馈。
图6显示了图1的平均电路50的另一实施例，它采用了均方根反馈。
已经知道调节负载的外加电压可达到节能的目的，为使这一方法切实可行，电压调节装置必须快速响应电压变化。现有技术不能满足这种快速要求，阻碍了这种方法推广普及。因此，需要有一种较简单的、价廉的、十分安全又可靠的节能装置。本发明采用一种新颖手段来敏感线电压的变化，以实现AC线电压的快速调节，达到节能之目的。
根据本发明的电压控制器包括若干分支电路，它们在图1中以方块图形式示出。整个电路包含反馈环路。在此环路中，跨接在负载70的交流工作电压由电压检测电路20检测，后者产生被测电压信号，它表示加于负载的瞬间电压幅度。在平均电路50中，被测电压信号被时间均分，以产生代表着至少在一具完整的周期内的被测信号值的电压信号。这一平均信号控制着电压调制器电路60，后者切断交流线电压对负载70的施加，这样就控制了加于负载70的交流工作电压的平均幅度。电压调制电路60的电压反馈响应于工作电压和线电压的变化。
特别地，设置了终端10，用于直接从交流电源系统(未画出)，例如一个普通交流电源插座，接收交流线电压。电压调制电路60从终端(10)经由交流电压连接器14接收交流线电压。电压调制电路60调制交流线电压以产生加于负载的交流工作电压。交流线电压被调制以使得经调制电压连接器62传送到负载70的功率根据电压调制电路60从平均信号连接器52接收的控制信号而变化。“平均”信号产生的方法将在下面予以详述。必须注意，根据本发明的电路是和与电压控制器分开的分立器件的负载70连用的。它被包括在附图及这里的描述中，以澄清电压控制电路和要被控制的负载70间的关系。
被测信号是从加在负载70上的电压，通过把加在交流电压连接器72上的工作交流电压传送到电压检测电路20上而产生的。电压检测电路(20)产生被测信号，该信号是交流工作电压幅度的函数。在本发明的优选实施例中，这一表示为交流线电压和工作电压之间的差信号。因此，经交流线电压连接器12接收的交流线电压与经交流工作电压连接器72接收的工作电压之间的差信号便被产生并且得到整流。本领域的熟练从员将能认识到，还可以产生各种也是交流工作电压之函数的其它替代的输出信号。
然后被测信号经由被测信号连接器22传送到平均电路50，电路50将被测信号的瞬时值在至少一个周期上进行平均，以产生一个代表交流电压的时间平均的电压。
优选实施例包括一积分器电路，它设置在平均电路50内，以便从被测信号中获得平均信号。由此产生的平均信号是代表着被测信号方均根值的信号，该信号与负载上的电压幅度有关。
图1的根据本发明的交流电压调制电路60的一最佳实施例示于图2。图1中的各单元电路在出现于图2-图5中时，被标上相同的记号。在此子电路中，相位控制芯片110响应于来自平均信号连接器52的信号，从而控制先导的三端双向可控硅开关112，进而控制主三端双向可控硅开关114。主三端双向可控硅开关114起切断交流线电压对负载70的施加的作用，从而产生交流工作电压。
交流电压调制电路60经由未调制的交流电压连接器线路14而收到交流线电压，线路14包括交流电压传输线(“交流热线”)和交流中性线。
采用先导三端双向可控硅开关112和主三端双向可控硅开关114实现本发明的最佳实施例的对交流工作电压的调制。可控硅开关是大家熟悉的器件，在其控制极上加一小电流信号就能控制高压下的大电流。控制极上加入脉冲就可触发可控硅开关进入导通状态。在本电路中，来自相位控制芯片110的信号加到先导可控硅开关112的控制极，使电流流过先导可控硅开关112，此电流信号加到主可控硅开关114的控制极。虽然采用单极三端双向可控硅开关是可能的，但采用二级三端双向可控硅开关，可用只能提供有限控制极电流的相位控制芯片，来控制供给大功率负载的相对大电流。因此，双级可控硅开关还可使相位控制芯片110的输出通过调制交流电压连接器62去控制加到负载70上的交流电压。
施加于负载的电压由在先导三端双向可控硅开关112的控制极从相位控制芯片110接收到的控制信号脉冲来控制。在本发明的一个实施例中，芯片110是用PlesseySemiconductor制造的TDA2088相位控制器芯片。TDA2088芯片可与用于电流反馈、也常常用于小型通用电动机的速度控制的可控硅开关一起使用。
相位控制芯片110要求在-12V电压输入管脚132提供一个电压，且在0V基准管脚142提供一个0V基准电压。这些电压用来给芯片供电并在-5V基准管脚124处产生-5V基准电压，该电压通过电源分支电路从交流线电压获得，后者的工作如下所述。电阻164和电容162串联起来接到交流线电压的热线14的交流线电压上，以给二极管160和158提供一个被滤波的电压，这些二极管只允许交流线电压的负半周通过。电容178是使电压输入管脚132处生成的电压平滑，而齐纳二极管180则把该管脚132处的电压锁定在-12V。
相位控制芯片110输出控制脉冲到可控硅控制极输出管脚134。相位控制芯片110有一内部斜波发生器，其值与加到程序输入管脚122的电压值进行比较。若两电压值相等，则起动一输出脉冲。该斜波发生器有两条输入连接线。首先，通过脉冲定时电阻器152将脉冲定时电阻输入管脚126与-5V基准电压相连。其次，通过脉冲定时电容148将脉冲定时电容输入管脚144接地。斜波信号的斜率是通过选择脉冲定时电阻152和脉冲定时电容148的值而确定的。
除上述相位控制芯片110的支持电路之外，交流电压调制电路60还装有热控开关150，热控开关150连于地和平均信号连接器52之间，连接器52将来自平均电路50的平均信号加到相位控制芯片110的程序输入管脚122。如果系统过热，热控开关150使程序输入管脚122接地。这是一项安全措施，在电路过热的意外情况下，将负载切断。
另外，还设有电阻174和电容176，以起“缓冲”网络的作用，它加强了主三端双向可控硅开关114与电感性负载共同运行的稳定性。在没有这类缓冲网络的情况下，在外加电压快速变化时，可控硅开关会发生误启动。缓冲网络延迟了主三端以向可硅控开关114处的电压的上升，从而确保可控硅开关导通状况的平稳和正确的改变。
图3中示出了图1的检波电路20的较佳实施例。在该实施例中，从交流线电压减去加于负载70的交流工作电压，从而产生一个差信号，因此，该差信号代表了交流工作电压和交流线电压。
特别地，交流线电压在交流线电压连接器线12被接收并经电阻202被传送到运算放大器210的非倒相输入端。类似地，交流工作电压在外接的交流电压连接器线72被接收并经电阻204被传送到运算放大器210的倒相输入端。电阻206连到-5V电压，而电阻208则接到运算放大器210的输出端。运算放大器210被设计为一个差动放大器，故选择电阻202与电阻204的阻值相同、也选择电阻206与电阻208的阻值相等。
图4示出了图1的平均电路50的一个较佳实施例。被测信号经由被测信号连接器22发送到平均电路50。如上所述，平均电路50提供了被测信号的时间平均。该被测信号是一瞬时交流电压信号，且该平均信号是表示被测信号在交流信号一个周期上的时间平均的电压。因此，平均信号的变化比被测信号要慢，仅当负载或交流电压的均方根值变化时，平均信号才变化。本实施例采用了称为全波电容耦合反馈的技术，因为被测信号是通过电容器耦合到全波整流器的，如下面将谈及的。
相移电容220设置在图3的运算放大器210的输出端和图1的平均电路50中的电压信号整流器250之间，该电容对运算放大器210的输出信号进行调制，以产生一个更均匀的交流均方根类的值，输入到电压信号整流器250中。
电压信号整流器250如下述地完成被测信号全波整流。电压信号整流器250包含一个反相运算放大器230，选择等值电阻224和电阻222对其进行设置，使放大器230有一致的增益。对从移相电容器220传送来的交流信号的负部分，信号被加到倒相运算放大器230的倒相端，因此倒相运算放大器的该输出与来自运算放大器210的移相交流信号的倒相信号。反馈由电阻224提供。此倒相信号流过二极管228和电阻232并进入运算放大器240的倒相输入端。对从移相电容器220传送来的交流信号的正部分，二极管228阻断了来自倒相运算入大器230的输出信号的传送，信号正部分直接通过电阻234传输。因此，加到运算放大器240的倒相端的信号是来自移相电容220的信号输入的整流形式。运算放大器240放大这一整流信号，其增益由电阻242与电阻232的阻值之比确定，被放大的整流信号然后加到积分器(260)。
平均信号的产生过程如下。电压信号整流器250与积分运算放大器270倒相输入端相连。电阻268和可变电阻(电位器)266被设置在运算放大器270的倒相输入端与地之间，以起到电压分压器作用，从而把运算放大器270的输入调到所希望的输入范围内。同时，这些电阻一同起到可变设定点电阻的作用。积分运算放大器270的非倒相输入端连到-5V基准电压。积分运算放大器440的反馈网络还包括一个电容272，该电容设置在积分运算放大器270的反相输入端与输出端之间。选择电容器272和电阻264、266和268的特定值，以提供被测信号的适当放大量和与负载的预期环路动态特性相适应的时间常数。该时间常数确定了电压控制器电路对负载变化的响应度，因此被选择为能实现对交流线电压变化的快速响应并同时能提供被测交流信号的一个平滑平均。因此，用户可通过调节电阻266来改变系统的响应度。
在平均电路50中包括了一些附加元件，以改善性其性能并满足图2的相位控制芯片110的输入要求。电阻274确保了来自运算放大器270输出端的结果平均信号落在所希望的电压范围内。电阻276和电容278在平均信号插入平均信号连接器52之前对其滤波。
图5示出图1的平均电路50中的另一种实施例，它采用了均方反馈技术，对此以下将进行讨论。图5与图4中共同的电路构成部分有相同的标号号码。
该实施例的电压信号整流器250的第一整流级，包括倒相运算放大器230，起着与图4的对应级一样的作用。电压信号整流器250的第二级在这两个实施例中差别很大。在图5的实施例中，运算放大器240是一个具对数放大器，而运算放大器270是一个反对数积分放大器，这些操作对积分器260的积分输出的作用是抵消的。
电压信号整流器250的这一级以及积分器260的工作由它们的反馈系统及晶体管246的偏置电路的组合所确定。对数放大器240有晶体管242和244，它们设在放大器240的倒相输入端和输出端之间，而反对数放大器270有一被晶体管246控制的倒相输入。晶体管放大器270由对数放大器252的工作提供偏压，后者有一作为其反馈网络的一部分的晶体管248。由于运算放大器的输入电流理想地为零，流经该电路的电流主要流过晶体管。如果晶体管是匹配的，则晶体管246的Vbe等于晶体管242和246的Vbe之和减去晶体管248的Vbe。现在这些晶体管的Vbe与其集电极电流是对数比例关系，因此，晶体管246的ic等于晶体管242和244的ic之乘积除以晶体管248的ic。但晶体管242和244的集电极电流ic相等，且与晶体管242的输入电流成比例。结果，这些晶体管产生流经晶体管246并与输入电流的平方成比例的电流。
这一信号接着被输入到积分器260，其主要包括积分反对数运算放大器270。电容272构成积分反对数运算放大器270的反馈网络，并且控制积分。
应指出，积分反对数放大器270的信号输入与晶体管248的ic成反比。该电流取决于电阻256和电位器254的阻值。提供电位器254，是为了使用户能改变输入积分反对数放大器270的信号的标度，从而改变平均信号连接器52上的平均信号。
与图4情况一样，在图5的平均电路中包括了一些附加元件，以改善性能和满足图2中相位控制芯片110的输入要求。因为晶体管242和244沿反向充当二极管，二极管236设置在对数放大器240的反相输入端和输出端之间，从而在交流周期的两个半周提供通路。电阻274确保运算放大器270输出端的结果平均信号落在所期望的电压范围之中。电阻276和电容278在平均信号被插入平均信号连接器52之前对其滤波。二极管282对输出电压进行箝位，从而限制输出电压不得低于-5V。另外，电容238和258分别设在运算放大器240和252的反相输入端和输出端之间，以防止放大器产生振荡。电阻262协助电容258的工作。
图6示出了图1的平均电路50的另一种可供选择的实施例，它采用了均方根反馈技术。该实施例使用了专门的均方根变换器集成电路器件。例如，由AnalogDevice制造的AD736JNRMS-DC变换器芯片就能实现上述功能，并作为均方根(rms)变换器(330)示于图6中。
均方根转换器芯片330有8个连接管脚。+Vs管脚344接地，-Vs管脚338接-12V。Cc管脚332和COM管脚243各与-5V相连。CAV管脚248连到平均电容器340上，该电容的与-15V相连。平均电容340对于AD736JN芯片330的工作是不可缺少的。均方根变换器芯片的输入从被测信号连接器22被接收。由rms输出管脚346经由电阻232将rms输出信号传送到倒相运算放大器240。运算放大器240的增益由电阻242和电阻232的阻值之比来确定，经过倒相和放大的信号然后被输入到积分器360，后者在功能方面与图4的积分器260相同，不同的是电阻274换成了运算放大器380和二极管382，后二者结合起来构成一理想的二极管，它将送往平均信号连接器52的信号箝位在-5V的最小值上;对驱动图6中的积分运算放大器270的高阻抗输出来说，最好采用此理想二极管。
通过上面的描述，对根据本发明的电压控制器电路的工作原理可有充分的了解。如果交流线电压突然增加，由电压检测电路20检测的电压会增加，导致在测量信号连接器22的被测信号的增大及来自平均电路50的平均信号的增大。该平均信号是经程序管脚122到相位控制芯片110的输入。程序输入管脚122上的信号控制相位控制芯片110的输出及三端双向可控硅开关控制极输出管脚134的输出。因此快速增加的交流电压使三端双向可控硅开关管脚134及先导可控硅开关112推迟启动。先导可控硅开关112控制主可控硅开关114，后者决定了加在负载70的电压。由于可控硅开关推迟启动，加于负载70的交流线电压百分比就减小。因此交流线电压的增大不会造成施加于负载70的电压的较大变化。类似地，交流线电压的突然下降将导致可控硅开关提前启动，因此，较大部分的交流线电压被加于负载70。这样，电压控制器就起到了稳定加于负载70的交流电压的作用。在一实施例中，通过基准电压值及各个电阻和电容值的选择，可使负载的外加电压大致稳定在107伏。
图4-6显示的三种平均电路的性能是不同的。在图5和图6的实施例中，交流工作电压将保持在电位计确定的设定点电压值，只要它低于交流线电压，而不必考虑交流线电压或负载情况的小变动。图4的实施例随线电压和负载的变化而变化。因此，图5和图6的实施例给负载70提供一个绝对恒定的交流电平，而图4的电路为负载70提供一恒定比率交流电平。因此，在不同的应用场合的电压调节可通过正确选择平均电路来确定。
虽然上面结合图形将本发明各部分的优选实施例作了说明，但本领域的人员通过阅读上述描述及附图后可容易地对本发明作出各种改动。这种改动应属于所附权利要求书的范围。例如，其他适用的相位控制芯片可用来代替本文所述的Plessey芯片;又如可采用PlesseyTDA2086芯片。同样，可用“定制”的集成电路块来包括本发明的大部分电路。因而本发明只受所附权利要求书的范围的限定。
权利要求
1.用于控制施加于负载的电压的方法，包括以下步骤接收交流线电压；由该AC线电压产生交流工作电压；把所述工作电压加于负载上；产生被测信号，它是所述交流工作电压幅值的函数；产生代表所述被测信号平均值的平均信号；根据所述平均信号修改所述交流工作电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述修改交流工作电压步骤包括在电压每个周期的一部分内将所述交流工作电压的幅值降到线电压以下，所述部分的长度由所述平均信号确定。
3.根据权利要求2所述的方法，其中降低所述负载电压的所述步骤包括把所述平均信号输入到相位控制集成电路装置中，所述相位控制集成电路装置产生用于在所述每一周期的所述部分内切断线电压对负载的传输的控制信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述平均信号步骤包括把所述被测信号输入到整流电路并对所述被测信号进行整流，并包括把所述整流电路的输出送到一积分电路从而将所述被测信号积分以产生所述平均信号。
5.用于控制加于负载的电压的方法，包括如下步骤被收交流线电压;通过在每一周期的一部分内切断施加到负载上的交流线电压而使得交流工作电压的均方根值低于该线电压的均方根值，由交流线电压产生交流工作电压;将工作电压加到负载上;产生一被测信号，它是加在负载上的所述工作电压的瞬时幅值的函数;积分所述被测信号以产生平均信号;通过根据代表所述合成信号平均值的所述平均信号在切断外加电压期间改变交流线电压周期的该部分，修改工作交流电压。
6.一种用于控制负载外加电压的装置，包括用于接收交流线电压的终端装置;用于从交流电压产生交流工作电压的装置;用于把所述工作电压加于负载上的连接装置;用于产生被测信号的电压检测装置，该被测信号是所述交流工作电压幅值的函数;用于产生平均信号的信号平均装置，该平均信号代表着所述被测信号的平均值;用来根据所述平均信号的变化调节交流工作电压的交流电压调制装置。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述交流电压调制装置包括用来在每一周期的一部分内断开线电压的电压降低装置，所述部分由所述平均信号确定。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述电压降低装置包括相位控制集成电路器件，后者响应于所述平均信号以产生在每一周期的所述部分内切断至电机的线电压传输的控制信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述信号平均装置包括连到所述电压检测装置的整流电路和连到所述整流电路及所述交流电压调制装置的积分器电路。
10.一种用于制负载外加电压的装置，包括接收交流线电压的装置;从交流线电压通过在每一周期的一部分内降低加于负载的交流线电压而产生交流工作电压的装置;将所述工作电压加于负载的装置;用于产生被测信号的电压检测装置，该被测信号是所述交流工作电压的幅值的函数;用来产生代表被测信号平均值的平均信号的信号平均装置;交流电压调制装置，用于通过响应于所述平均信号来改变周期中外加电压被降低的所述部分，来修正所述工作交流电压的产生。
全文摘要
一种用于控制施加于负载电压的方法和设备。该方法包括接收交流线电压、产生交流工作电压、产生一被测信号，它是交流工作电压幅值的函数；然后平均被测信号，根据平均信号变化重新调正交流工作电压。设备包括接收交流线电压的终端装置；用于从交流线电压产生工作电压的装置；把工作电压加于负载的连接装置；电压检测装置，以及根据平均信号调节交流工作电压的交流电压调制装置。
文档编号G05F1/66GK1083945SQ9310763
公开日1994年3月16日 申请日期1993年6月25日 优先权日1992年6月26日
发明者克里斯·A·里吉奥 申请人:格林技术公司