能量分配方式的供电控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及供电控制方法，尤其涉及能量分配方式的供电控制方法（Methodfor controllingsupplyofelectricpowerbydistributionofenergy),该方法在以零点 控制方式调节使负载与AC电源连接的开关时，将能量分配供给，从而对于响应速度较快的 负载也提供优良的控制质量，对于负载量较大的负载也能够以更小的温度变动率精准地控 制，并且对于相邻的负载能够稳定地供电，且能够改进上述开关的动作条件并延长使用寿 命。
【背景技术】
[0002] 在对于与AC电源连接的负载供给电能时，在电源与负载之间仅连接一个开关并 使开关接通（0N)或断开（OFF)而直接控制向负载传递的能量的方法最为有效该且经济实 惠。这是由于仅仅追加一个开关即可控制供电之故。
[0003] 因此，调节向负载传递的电能的量的最为简单的方法就是将负载分割成具有相同 的负载量的多个负载，并在所分割的负载上分别连接开关之后仅接通（0N)所需个数的开 关。作为一例，可举出具有以强、中、弱的三档或强、弱的两档调节温度或速度的功能的电热 器或风扇。
[0004] 具有三档温度调节功能的电热器，通常是设置三个具有相同的负载量的电热器负 载，并在各个负载连接机械式触点开关之后，以在为'弱'时向一个负载供给能量，在为'中' 时向两个负载供给能量，且在为'强'时向三个负载均供给能量而产生热的方式调节电热器 的温度。
[0005] 与此相似地、风扇是在马达的定子上卷绕线圈时将阻抗互不相同的三个绕组当作 一个绕组制作之后，以按照强、中、弱来选择互不相同的绕组的方法调节马达的转速而变换 风的强度的方式。虽然有一部分适用了遥控器或触点开关或高级型触摸开关的各种产品， 但调节速度的基本原理相同，差异仅在于选择马达的绕组而连接于电源的开关从机械式开 关变更为如三端双向可控娃（TRIAC，TriodeAlternatingCurrent)开关那样的电磁式开 关。
[0006] 但严格地讲，利用于上述的电热器和风扇的供电控制方法并不是调节向负载传递 的电能的量，而只是以开关动作控制多个负载中接通或断开(下面称之为"切换"）的负载的 个数或特定负载的选择。
[0007] 因此，这种供电控制方法除了进行预先定义的两级或三级的调节之外不能追加性 地细化控制供电，且由于须具备多个负载，因而有产品的体积增加且制造成本也跟着增加 的问题。
[0008] 尤其，机械式开关不仅因切换动作时刻所产生的高压电火花而导致开关使用寿命 缩短，而且，总是蕴藏着起因于电火花的火灾隐患。
[0009] 另一方面，作为进一步发展的方式的供电控制方法有在用于电热器的电热器负载 的情况下，不是将负载分为多个而是使用双金属方式的温度调节器来设定并维持温度的控 制方法。
[0010] 但上述双金属方式由于双金属以在所设定的温度附近反复进行一会儿贴合一会 儿分开的动作来调节温度，因而在所适用的电热器负载为与热一起放出一定量的光的红外 线或远红外线系列的电热器负载的情况下，在放热体出现严重的闪烁现象，且有在电热器 的响应速度比双金属的响应速度快的情况下对于所设定的温度的温度变动率相对变得更 大的缺点。
[0011] 另一方面，有些场合下作为开关操作方式的一种使用二极管控制方式，该方式仅 使用一个负载却使用机械式开关和电力二极管，若开关选择'弱'则使向负载传递的电力通 过二极管并向负载仅提供AC电源的半波（50%的能量)，若选择'强'则向负载提供AC电源 的100%的能量。
[0012] 所列举的上述的技术是调节向负载传递的电能的量的最简单的方法。与此相反， 进一步发展的方式的、为了电力控制而控制开关的方法中有相位控制方式和零点控制(周 期控制或过零控制，下面称之为"零点控制"）方式。
[0013] 首先，相位控制方式，从动作原理上讲，由于控制周期较短因而具有控制质量优良 的优点，但由于切换动作在较高的电压进行，因而存在产生高次谐波噪声、功率因数降低、 以及包括开关在内的零部件的耐久性和信赖度降低等各种问题。因此，通过相位控制方式 的开关控制仅适用于如调节电灯的亮度的调光器或负载量较低的AC感应电动机的速度控 制那样的有限的用途。
[0014] 与此相反，通过零点控制方式的开关控制由于以基于AC电源的电压波形的零点 切换开关的方式动作，因而在相位控制方式产生的问题不存在，但由于控制周期较长，因而 有控制质量低劣的缺点，因此，主要用于对于输入电源的响应速度较慢的电热器系列的控 制。
[0015] 图1是概略地表示了通过根据现有技术的零点控制方式的供电控制装置的构成 框图，该图表示的是在AC电源10与负载20之间设置切换部30并通过电力控制部50切换 该切换部30,此时切换部30的切换时刻通过零点检测部40在AC电源10的电压波形检测 出的零点信号而设定的零点控制方式。
[0016] 图1的切换部30能够使用一个双向半导体开关元件即三端双向可控硅（TRIAC) 或者能够将单向半导体电力元件即晶闸管（Thyristor或SCR:SiliconControlled Rectifier)、功率晶体管（P0WERBJT)、功率MOSFET、IGBT(InsulatedGateBipolar Transistor)等朝向相反的方向并联连接两个而使用。
[0017] 零点检测部40用于检测交流电压的相位与0电位相交的时刻，最为简单的方法是 组合一个电阻和二极管或光耦合器件(光耦合器）而能够构成，或者组合光耦合器件和晶体 管、运算放大器等而能够构成。电力控制部50 -般是使用存储器和外部控制电路与中央 处理器一体化而集成的微控制单元（MCU:MicroControlUnit)或数字信号处理器（DSP: DigitalSignalProcessor)等数字控制器而构成。
[0018] 电力控制部50在控制供电量时最常用的是脉冲宽度调制（PWM:PulseWidth Modulation)，其理由如下：PWM控制方式通过调整表示逻辑1所输出的时间长度对于预先 定义的基准时间周期的占空（Duty)比，而能够以所希望的水准简易地控制物理量，且在大 部分MCU或DSP等内置有PWM控制电路，也都具备相关程序，因而能够容易达到所期望的目 的。
[0019] 以对于所定义的周期使逻辑1所输出的时间按照控制输入(是指通过使用者的外 部按钮输入等而产生控制信号的输入)可变的方式具体实现PWM控制方式，而图2a和图2b 中图示了根据现有技术的固定周期型零点控制方式的PWM控制波形的一例。如图2a和图 2b中所图示，就PWM控制方式而言，向负载传递的交流电压波形的长度随控制输入而异，进 行循环（ONcycle)区间相当于数字控制器的逻辑1输出，且中断循环（OFFcycle)区间相 当于逻辑〇输出。图2a表示电压波形的50个循环为1个周期且在控制输入为40%的情况 下进行循环区间为20个循环，图2b表示电压波形的50个循环为1个周期且控制输入为 80%的情况，所表示的是切换向负载传递的交流电压的时间随控制输入而相异的情况。在将 按照图2a和图2b的控制并经50个循环为1个周期供给交流电压的场合设为100%时，通 过按照既定的控制输入设定接通区间以及断开区间即可供给所希望的量的电能。
[0020] 但如图2a和图2b所示，观察波形分布即可容易地理解，将50个循环固定为1个 周期的固定周期型零点控制方式，以接通和断开之和构成的控制周期较长，因而从负载角 度来看，由于断断续续地供电，因此，存在负载的能量变动率相对于一个控制输入来讲相当 大的问题。
[0021] 而且，若接受上述固定周期型零点控制的负载的负载量较大，则由于流经电源线 的电阻并流向负载的较大的电流而在进行循环区间连接于负载的电线的电压降低，且在中 断循环区间由于无流向负载的电流而反复进行恢复至原来的电源电压水准的动作，因而发 生在连接于与受控制的负载相同的电线上的其它负载供给包括有严重的变动的电源的问 题。例如，在较大的负载量的电热器和电灯连接在同一电线上，且以如图2a和图2b那样的 方式控制该电热器的情况下，会出现电灯闪烁的现象，且所闪烁的周期随控制输入而相异。
[0022] 为了改进具有上述的固定周期的零点控制方式的较长周期问题而使用如图3a和 图3b那样变形的PWM控制即具有可变周期的零点控制方式。该方法是按照控制输入而变 换控制周期，而在如图3a那样控制输入为40%的情况下，S卩、在中断循环区间较长的低能量 控制区域将周期定义成较短（5个循环的周期=进行2个循环+中断3个循环)，并在如图 3b那样控制输入为80%的情况下，S卩、在进行循环区间较长的高能量控制区域将周期定义 成较长（10个循环的周期=进行8个循环+中断2个循环)。
[0023] 图3a和图3b的可变周期型零点控制方式与固定周期型零点控制方