不同电压等级的交流电源自适应控制电路及运算逻辑方法与流程

本发明涉及交流电源的电路设计领域，尤其是一种不同电压等级的交流电源自适应控制电路及运算逻辑方法。

背景技术：

通常交流电源有多种电压方式，例如我国的交流电源有单相220v和三相380v，美国的交流电源有单相115v和单相230v。一般用电器在设计时，必须事先针对不同电压等级的交流电源进行相应的电路设计，但是电源电压等级发生变化后，用电器本身就不能适用电压等级的变化了。

为了解决这个问题，有些用电器在设计时通过开关、拨码或跳针等方式人为指定交流电源的电压等级，达到在不同电压等级下都能保持用电器工作的目的。例如在用电器内置的变压器电路上设置开关以切换变压等级，或者在用电器内置的整流电路上通过开关设置是否使用倍压整流电路等方式，使得用电器内部的后级电路的电压始终保持在设计电压上，从而达到用电器在不同电源等级的交流电源下也能稳定工作的目的。此类用电器例如为海外旅行专门设计的吹风机等用电器，就带有110v/220v交流电压的开关。

但是，这种方法不仅使用上繁琐，而且存在着极大的安全隐患。当指定输入交流110v等级电压时，用电器接上220v交流电，会造成用电器内部的后级电路的直流电压过高而击穿损坏电路器件，更严重时造成火灾，或者带来人身伤亡等重大事故。而当指定输入交流220v等级时，用电器接上110v交流电，用电器也会因为内部的后级电路的电压不足而造成工作电压欠缺、动力不足、严重发热甚至引起火灾等多种问题。

技术实现要素：

针对上述缺点，同时充分考虑到在用电器实际工作时，交流电源的关断/导通，交流电源本身存在的电压波动等都会对用电器和内部电路造成干扰，特别是检测电路本身发生故障等极端情况下必须保证用电器的可靠性等因数，本发明提供一种不同电压等级的交流电源自适应控制电路及运算逻辑方法，在设计交流电源自适应控制电路时，设置了同时检测交流输入电压和直流输入电压的两种电压检测手段，同时cpu在控制上，通过交直流两种电压是否符合相应关系等运算逻辑，智能性地自动投入或切断倍压整流电路，从而达到用电器可自动适应不同等级的交流电源的目的，同时也保证了用电器的安全性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

不同电压等级的交流电源自适应控制电路，它包括单相交流电源、单相整流电路、至少两个为一组的串联电解电容组及串联电解电压平衡电阻组、直流电压检测电路、交流电压检测电路、倍压开关及倍压开关控制电路和控制用cpu，单相交流电源的交流电压等级为110v或220v，单相交流电源的交流电压经过单相整流电路整流后变成直流电压存贮在电解电容组中，直流电压检测电路将检测得到的直流电压信号vdc输入至控制用cpu，供控制用cpu采样直流电压，交流电压检测电路将检测得到的交流电压信号vac输入至控制用cpu，供控制用cpu采样交流电压，倍压开关及倍压开关控制电路由控制用cpu的控制信号控制。

进一步地，单相整流电路由整流桥构成。

进一步地，直流电压检测电路由多个电阻分压电路构成。

进一步地，交流电压检测电路由交流变压器以及二极管和阻容器件构成的整流滤波组成。

进一步地，交流电压检测电路由多个电阻分压电路以及二极管和阻容器件构成的整流滤波电路组成。

进一步地，倍压开关及倍压开关控制电路由继电器以及继电器驱动电路构成。

进一步地，倍压开关及倍压开关控制电路由igbt或mosfet的半导体开关器件所组成的双向半导体开关电路以及驱动电路构成。

不同电压等级的交流电源自适应控制运算逻辑方法，它包括以下步骤：

步骤一，交流电压自适应控制开始，倍压开关断开；

步骤二，控制用cpu同时采样交流电压以及直流电压，并分别计算平均值；

步骤三，控制用cpu判断交流电压是否在110v或220v等级阈值范围内；

步骤四，若交流电压在110v等级阈值范围内，控制用cpu则计算直流电压与交流电压的比例并判断是否在阈值范围内，并判断直流电压是否在对应阈值范围内，是则控制倍压开关闭合，定时执行采样交流电压以及直流电压并判断是否异常；

步骤五，若交流电压在220v等级阈值范围内，控制用cpu则直接判断直流电压是否在对应阈值范围内，是则直接定时执行采样交流电压以及直流电压并判断是否异常。

有益效果：

1.本发明的自适应控制电路可以自动对应不同电压等级的交流电源，在该电路的交流输入侧设置交流电压检测电路，同时在直流侧设置直流电压检测电路，最后在整流电路侧设置倍压开关及倍压开关控制电路，由该电路中搭载的控制用cpu同时检测交流电压值和直流电压值，通过逻辑运算控制倍压开关，以确保在不同交流电压等级输入时，整流得到的直流电压维持在预设的工作电压范围，进而为后级输出提供稳定的直流电源电压。

2.本发明的自适应控制运算逻辑方法是同时利用交流电压和直流电压两种检测电路的信息，在交直流采样电压互相匹配的前提下进行倍压电路的控制；特别是交流电压与直流电压的比例计算和检查逻辑，不仅可以防止电源电压波动干扰以及防止电磁噪声干扰，更可以防止单一检测电路故障时的误动作损伤电路和器件，保证整个电路的安全性。

3.本发明采用cpu进行自适应控制，使得用电器具有智能化，不仅可以有效地保护用电器的可靠性，更可以有效地避免在用电器使用时单纯的人为失误所带来的不可预料的损害。

4.本发明的自适应控制电路构造简单，成本低廉，特别是后级电路例如变频装置及电机都可以保持统一的设计方案，在工程上具有极高的实用价值。

5.在不同电压等级的国家和地区都可以使用同样的产品，避免了产品生产时的机型选择，不再需要选择出货种类，极大地方便了产品的库存和销售；特别是出口到美国、日本等有不同电压等级的国家和地区的产品，本发明具有极高的实用价值。

附图说明

图1是本发明的不同电压等级的交流电源自适应控制电路框图；

图2是本发明的不同电压等级的交流电源自适应控制电路的后级负载框图；

图3是本发明的一种交流电压检测电路图；

图4是本发明的另一种交流电压检测电路图；

图5是本发明的倍压开关及倍压开关控制电路图；

图6是本发明的替代继电器的四种双向半导体开关电路图；

图7是本发明的不同电压等级的交流电源自适应控制运算逻辑框图；

图中：1-单相交流电源、2-单相整流电路、3-至少两个为一组的串联电解电容组及串联电解电压平衡电阻组、4-直流电压检测电路、5-交流电压检测电路、6-倍压开关及倍压开关控制电路、7-控制用cpu、8-电压型变频装置、9-三相电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提出一种不同电压等级的交流电源自适应控制电路，如图1所示，由单相交流电源1、单相整流电路2、至少两个成一组的串联电解电容组和串联电解电压平衡电阻组3、直流电压检测电路4、交流电压检测电路5、倍压开关及倍压开关控制电路6和控制用cpu7组成。该硬件电路的直流输出p、n与如图2所示的直流母线p、n直接电连接，如图2所示的电压型变频装置8驱动三相电机9。

在上述硬件电路中，单相交流电源1的电压等级可以分别为110v或220v。交流电压经过单相整流电路2整流后变成直流电压存贮在电解电容组中，电解电容组由上下串联的两个电容组成；按负载功率大小，电解电容组可以由多组电解电容串联后并联组成，例如可以由四个电解电容组成两串两并的电解电容组；上下串联的两个电阻起到了平衡上下两个电解电容电压的作用。直流电压检测电路4通常由多个电阻分压电路组成，得到直流电压信号vdc，输入至控制用cpu7，供控制用cpu7采样直流电压。交流电压检测电路5由交流变压器以及交流电压检测电路组成，得到交流电压信号vac，输入至控制用cpu7，供控制用cpu7采样交流电压。倍压开关及倍压开关控制电路6由继电器以及继电器驱动电路构成。

交流电压检测电路5由交流变压器以及二极管和阻容器件构成的整流滤波电路组成，如图3所示，配置在交流电源ac-l和ac-n上的变压器t1将220v高压交流电压降至有效值1.5v左右，随后二极管构成的整流桥电路db2将其整流转换为直流2v左右存贮在电解电容e5中，电阻r13起到放电作用，最后，通过电阻r12与电容c6的滤波电路将vac信号传输至控制用cpu7的ad口，控制用cpu7通过ad采样变换，可以实时得到交流电压的有效值。而当交流电压输入为110v时，vac信号则只有220v高压交流电压输入时的一半左右。在图3中由于使用了变压器t1直接传输交流电压信号，vac信号不受倍压开关投入与否的影响。

交流电压检测电路5也可使用图4所示的由多个电阻分压电路以及二极管和阻容器件构成的整流滤波电路，由于本电路没有变压器，进一步降低成本，增加可靠性。在图4中，交流输入端ac-l1与直流母线n即图中gnd之间，设置串联电阻r2和r4以及并联电阻r6和r7的分压电路，然后经过二级管d1整流后得到直流电压存贮在电容c3中，电阻r8起到放电作用，最后，通过电阻r5与电容c4的滤波电路将图中115/230信号传输至控制用cpu7的ad口，控制用cpu7通过ad采样变换，可以实时得到交流电压的有效值。但是，本图4的电路中，115/230信号数值与倍压开关闭合与否有关，倍压开关闭合后的115/230信号数值与倍压开关不闭合时的数值相比，略有变化。具体来说，本图4中，当交流输入电压有效值为110v，当倍压开关不闭合时，115/230信号数值在0.6v左右；而当倍压开关闭合后，115/230信号数值上升到0.75v左右。当交流输入电压有效值为220v，当倍压开关不闭合时，115/230信号数值在1.2v左右；而当倍压开关闭合后(实际工作时这种工况是不允许发生的)，115/230信号数值上升到1.5v左右。由于倍压开关信号受控制用cpu7控制，因此控制用cpu7可以根据自身输出的倍压开关信号，改变115/230信号数值与交流电压有效值的变换比。因此，本电路也可以得到实际交流输入电压的精确数值。

倍压开关及倍压开关控制电路6由继电器以及继电器驱动电路构成，如图5所示，倍压开关控制信号vol_sw来自控制用cpu7，控制用cpu7通过逻辑运算后输出数字型倍压开关控制信号vol_sw。当vol_sw信号为高位时，三极管q1打通，三极管q1的ce两脚短路，电源15v通过电阻r9向倍压继电器ry1的原方1、2脚供应导通电流，使得倍压继电器ry1吸合，倍压继电器ry1的5脚与3、4脚短路。此时，交流整流电路变成倍压整流电路，电解电容e1和e3的直流串联电压即直流母线约为交流输入电压的倍。当vol_sw信号为低位时，三极管q1不导通，因此倍压继电器ry1的原方线圈没有电流，倍压继电器ry1开路，倍压继电器ry1的5脚与3、4脚断开。此时，交流整流电路是普通的整流电路，直流母线约为交流输入电压的倍。由于倍压开关控制信号vol_sw受控于控制用cpu7，控制用cpu7在控制倍压开关时可以使用数字式滤波、平均值计算、延时计数及其图7所示的逻辑判断等手段，因此倍压开关及倍压开关控制电路6不需要繁杂的延时电路等附加电路。反过来，为了保护整个电路的安全，控制用cpu7的逻辑判断运算部分则变得十分重要。

继电器也可由如图6所示的四种不同类型的由igbt或mosfet的半导体功率开关器件所组成的双向半导体开关电路替代。其中，typea的双向半导体开关电路由四个二极管和一个igbt或mosfet组成，当mosfet导通，电路双向导通；当mosfet关断，电路关断。typeb和typec的双向半导体开关电路由两个igbt或mosfet器件串联组成，同时导通时电路导通，同时关断时电路关断。typed的双向半导体开关电路由两个mosfet器件并联组成。

当交流电压输入为单相110v等级时，控制用cpu7通过同时检测此时的交流电压信号vac和直流电压信号vdc，按照如图7所示的控制运算逻辑，控制倍压开关闭合接通(继电器吸合)，单相整流电路2、至少两个成一组的串联电解电容组和串联电解电压平衡电阻组3以及倍压开关及倍压开关控制电路6组成了一个倍压整流电路，此时直流电压约为交流电压的倍，也即交流110v通过倍压整流电路后，直流电压约为310v；反过来，当交流电压输入为单相220v等级时，控制用cpu7通过同时检测此时的交流电压信号vac和直流电压信号vdc，按照如图7所示的控制运算逻辑，控制倍压开关断开(继电器断开)，单相整流电路2以及至少两个成一组的串联电解电容组和串联电解电压平衡电阻组3为通常的整流电路，此时直流电压约为交流电压的倍，也即交流220v通过整流电路后，直流电压仍然约为310v。这样，如果后级电路是变频装置，可以将变频装置以及变频装置驱动的电机设计为交流220v等级的逆变电路和电机，而前级输入部分采用上述交流电源自适应控制电路，达到同一个变频装置和电机自动适应不同输入交流电压等级的目的。如果后级电路是其它用电装置，可以将该用电装置统一设计为直流300v等级，同样可以达到用电装置自动适应不同输入交流电压等级的目的。

如前所述，在用电器实际工作时，使用者可能会随时断开或接通用电器的交流电源；而且，在电网品质较差的地区，交流电源本身往往存在着较大的电压波动；另外，负载的投入或断开等因素也会对用电器和内部电路造成干扰；特别是交流、直流电压检测电路本身也有可能发生故障。如果在220v交流电压下误开通了倍压开关，直流电压将会高达600v以上，高压将会击穿、损坏电路中的元器件，造成严重的后果。

为了保证用电器的可靠性，本发明还提出一种不同电压等级的交流电源自适应控制运算逻辑方法，如图7所示，它包括以下步骤：

步骤一，交流电压自适应控制开始，倍压开关断开；

步骤二，控制用cpu同时采样交流电压以及直流电压，并分别计算平均值；

步骤三，控制用cpu判断交流电压是否在110v或220v等级阈值范围内；

步骤四，若交流电压在110v等级阈值范围内，控制用cpu则计算直流电压与交流电压的比例并判断是否在阈值范围内，并判断直流电压是否在对应阈值范围内，是则控制倍压开关闭合，定时执行采样交流电压以及直流电压并判断是否异常；

步骤五，若交流电压在220v等级阈值范围内，控制用cpu则直接判断直流电压是否在对应阈值范围内，是则直接定时执行采样交流电压以及直流电压并判断是否异常。

图7所示框图的中心思想是同时利用交流电压和直流电压两种检测电路的信息，在交直流采样电压互相匹配的前提下进行倍压电路的控制。特别是交流电压与直流电压的比例计算和检查逻辑，不仅可以防止电源电压波动干扰以及防止电磁噪声干扰，更可以防止单一检测电路故障时的误动作损伤电路和器件，保证整个系统的安全性。

对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。