一种单相风机调速固态继电器的制作方法

[0001]
本发明涉及固态继电器，具体涉及一种单相风机调速固态继电器。


背景技术：

[0002]
风机调速电路目前多采用改变可控硅导通角的方式来实现。通过改变可控硅导通角，实现改变风机负载上的有效电压来实现风机速度的改变。这种方法的优点是电路简单，控制方便，通过一个电位器就可以实现风机转速的连续调整。缺点是由于可控硅导通角的变化，造成风机的电流不连续，风机在启动时和速度较低时会有比较大的振动，不平稳，同时运行过程中也会有比较大的100hz电流噪声(交流电源频率的两倍)。
[0003]
图1是常用的使用调整可控硅导通角来调速的风机调速固体继电器的结构框图，图2是可实现该功能的其中一种基本电路图。
[0004]
如图1所示，风机调速固体继电器一般由五个部分组成，分别是输入模块、交流电源过零检测模块、导通角控制模块、驱动模块、功率组件模块。输入电路包含电源电路，将提供的比较高的或不稳定的供电电压(一般为12v或24v)转换成一个适合控制电路的稳定的固定电压，一般为5v，为内部其他模块电路提供工作电源。输入模块还包括一个电位器，通过调整电位器的位置来实现风机速度的调整。交流电源过零检测模块检测交流电源的过零点，为导通角控制提供参考时间点。导通角控制模块检测电位器位置和交流电源过零时间点，根据电位器位置输出与交流电源过零时间点相关的可控硅触发信号来触发功率组件。交流电源过零时间点和可控硅触发信号时间点之间的时间差即是导通角的时间体现，改变了电位器的位置即改变了交流电源过零时间点和可控硅触发信号时间点之间的时间差，也就是改变了可控硅的导通角。驱动模块连接导通角控制模块和功率组件模块，将导通角控制模块输出的可控硅触发信号放大、隔离后驱动功率组件的可控硅，驱动模块可以是光耦或者脉冲变压器，图2是使用光耦的实例。功率组件模块主体由可控硅构成，在驱动模块输出的触发信号作用下，若交流电源和负载都已经连接并上电，可控硅将导通接通负载工作。
[0005]
虽然图1和图2所示的常用的风机调速器具有电路简单、成本低和可以连续调速的优点，但是在一些要求振动小和对电流噪声敏感的场合就不适用了。这时候需要一种新的调速方法消除可控硅导通角调整方法中引起的风机低速振动和电流噪声问题。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种单相风机调速固态继电器，以解决现有技术中存在的问题：风机在启动时和速度较低时会有比较大的振动，不平稳，同时运行过程中也会有比较大的电流噪声。
[0007]
本发明的技术方案如下：
[0008]
一种单相风机调速固态继电器，包括：外部控制模块、输入模块、驱动模块、功率组件模块；
[0009]
所述输入模块分别与外部控制模块、驱动模块连接；所述驱动模块分别与输入模
块、功率组件模块连接；所述功率组件模块分别与单相交流电源、风扇电机连接；其中：
[0010]
所述外部控制模块，用于提供若干个可供选择的挡位，每一个挡位对应一个控制信号，不同的控制信号对应着不同的风扇电机负载电压；
[0011]
所述输入模块，用于接入外部第一直流电源，并将所述外部第一直流电源转换为所述继电器内部需要的第二直流电源；并用于接入外部控制模块发送的控制信号，将该控制信号发送给驱动模块；
[0012]
所述驱动模块，用于接收所述输入模块发送的信号，并对该信号进行处理后发送给功率组件模块；
[0013]
所述功率组件模块，用于接收驱动模块发送的信号，并通过所述信号去控制风扇电机的负载电压，进而控制风扇电机的转速。
[0014]
可选地，对于所述外部控制模块，一次仅可选择一个挡位、即一次仅能发送一个控制信号；在选定挡位后，外部控制模块向所述输入模块发送被选定挡位对应的控制信号。
[0015]
可选地，所述输入模块包括：电源转换子模块、信号转换子模块；电源转换子模块，用于将外部提供的第一直流电源转换为所述继电器内部需要的第二直流电源；信号转换子模块，用于将外部控制模块输入的控制信号进行处理后发送给驱动模块。
[0016]
可选地，所述电源转换子模块包括：电阻r1、电阻r6、电容c1、整流桥d1、电容c2、三极管q1、三极管q2、电阻r8、电阻r9；其中：
[0017]
所述电阻r1的第一端、电阻r6的第一端分别连接外部第一直流电源的两端；所述电阻r1的第二端分别连接电容c1的第一端、整流桥d1的一个输入端；电阻r6的第二端分别连接电容c1的第二端、整流桥d1的另一个输入端；
[0018]
整流桥d1的负极接地、整流桥d1的正极连接电容c2的第一端、电阻r2的第一端、三极管q2的发射极；电容c2的第二端、电阻r8、电阻r9的第二端均接地；电阻r2的第二端分别连接三极管q2的基极、三极管q1的发射极；三极管q1的基极分别连接三极管q2的集电极、电阻r8的第一端；三极管q1的集电极连接电阻r9的第一端；电阻r9两端的电压为第二直流电压。
[0019]
可选地，所述信号转换子模块包括：若干个第一处理子电路，每一个第一处理子电路对应所述外部控制模块的一个挡位；每一个处理子电路均包括：第一电阻、三极管、稳压二极管、第二电阻；所述三极管的集电极连接外部控制模块；三极管的发射极、第一电阻的第二端均接地；三极管的基极分别与第一电阻的第一端、稳压二极管的阳极相连；稳压二极管与第二电阻的第一端连接；第二电阻的第二端连接驱动模块。
[0020]
可选地，所述驱动模块包括：若干个第二处理子电路，每一个第二处理子电路对应一个第一处理子电路；每一个第二处理子电路均包括：
[0021]
第三电阻、第四电阻、第五电阻、发光二极管、光耦；其中：第三电阻的第一端连接对应的第一处理子电路，第三电阻的第二端分别连接发光二极管的阴极、光耦阴极输入端；发光二极管的阳极连接第四电阻的第二端，第四电阻的第一端、第五电阻的第一端均连接第二直流电压；第五电阻的第二端连接光耦的阳极输入端；光耦的输出端连接功率组件模块。
[0022]
可选地，所述功率组件模块包括：若干个第三处理子电路，每一个第三处理子电路对应一个第二处理子电路；每一个第三处理子电路均包括：第六电阻、第七电阻、可控硅、第
八电阻、第一电容、双向抑制瞬态二极管、第二电容、第九电阻、第十电阻；其中：
[0023]
第六电阻的第一端、第七电阻的第一端分别连接对应的第二处理子电路；第六电阻的一端同时连接可控硅的控制端；第六电阻的第二端分别连接可控硅的第二端子、第一电容的第一端、双向抑制瞬态二极管的第二端、风扇电机；第七电阻的第二端分别连接可控硅的第一端子、第八电阻的第一端、双向抑制瞬态二极管的第一端、第九电阻的一端；第九电阻的第二端分别连接第二电容的第一端、第十电阻的第一端；第八电阻的第二端连接第一电容的第二端；第二电容的第二端分别连接第十电阻的第二端、单相交流电源。
[0024]
可选地，所述功率组件模块包括：若干个第三处理子电路，每一个第三处理子电路对应一个第二处理子电路；每一个第三处理子电路均包括：第六电阻、第七电阻、可控硅、第八电阻、第一电容、双向抑制瞬态二极管、第二电容、第十电阻；其中：
[0025]
第六电阻的第一端、第七电阻的第一端分别连接对应的第二处理子电路；第六电阻的一端同时连接可控硅的控制端；第六电阻的第二端分别连接可控硅的第二端子、第一电容的第一端、双向抑制瞬态二极管的第二端、风扇电机；第七电阻的第二端分别连接可控硅的第一端子、第八电阻的第一端、双向抑制瞬态二极管的第一端、第二电容的第一端、第十电阻的第一端；第八电阻的第二端连接第一电容的第二端；第二电容的第二端分别连接第十电阻的第二端、单相交流电源。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0027]
本发明的风扇电机负载上得到的是连续的正弦交流电，减小了对电网的影响，风机也极大减小了振动，运行平稳，同时也消除了可控硅导通角控制带来的电流噪声。
[0028]
本发明电路简单，可靠性高，效率高，电路本身的损耗小。
附图说明
[0029]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0030]
图1是常用的风机调速电路基本功能框图；
[0031]
图2是常用的风机调速电路的其中一种电路原理图；
[0032]
图3是本发明具体实施例一种单相风机调速固态继电器的基本功能框图；
[0033]
图4是本发明具体实施例一种单相风机调速固态继电器的电路原理图；
[0034]
图5是本发明具体实施例的输入模块电路原理图；
[0035]
图6是本发明具体实施例的驱动模块电路原理图；
[0036]
图7是本发明具体实施例的功率组件模块原理图。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0038]
如图3和图4，本实施例公开了一种单相风机调速固态继电器，包括：外部控制模块、输入模块、驱动模块、功率组件模块；
[0039]
所述输入模块分别与外部控制模块、驱动模块连接；所述驱动模块分别与输入模块、功率组件模块连接；所述功率组件模块分别与单相交流电源、风扇电机连接；其中：
[0040]
所述外部控制模块，用于提供若干个可供选择的挡位，每一个挡位对应一个控制信号，不同的控制信号对应着不同的风扇电机负载电压；对于所述外部控制模块，一次仅可选择一个挡位、即一次仅能发送一个控制信号；在选定挡位后，外部控制模块向所述输入模块发送被选定挡位对应的控制信号。
[0041]
所述输入模块，用于接入外部第一直流电源，并将所述外部第一直流电源转换为所述继电器内部需要的第二直流电源；并用于接入外部控制模块发送的控制信号，将该控制信号发送给驱动模块。
[0042]
所述驱动模块，用于接收所述输入模块发送的信号，并对该信号进行处理后发送给功率组件模块。
[0043]
所述功率组件模块，用于接收驱动模块发送的信号，并通过所述信号去控制风扇电机的负载电压，进而控制风扇电机的转速。
[0044]
本实施例中，外部控制模块为一档位选择开关。档位开关拨到不同位置时，对应不同的挡位，接通被拨到的挡位对应的控制信号。
[0045]
所述输入模块包括：电源转换子模块、信号转换子模块；电源转换子模块，用于将外部提供的第一直流电源转换为所述继电器内部需要的第二直流电源，为驱动模块供电，使得在比较宽的电源电压范围下得到合适的可控硅驱动电流，确保光耦的可靠工作；信号转换子模块，用于将外部控制模块输入的控制信号进行处理后发送给驱动模块，具体为：将比较宽的控制信号转换为合适的开关信号以驱动光耦。
[0046]
驱动模块将来自输入模块的信号隔离后用来驱动可控硅，将交流电源和控制部分电气隔离。功率组件模块由降压电容和可控硅串联，不同档位降压电容参数不同，全速档位没有降压电容。
[0047]
所述档位选择开关的公共端接供电电源正极，0档位输出悬空，1档输出接模块1档控制端，2档输出接模块2档控制端，3档输出接模块3档控制端，以此类推。实际使用中根据实际需求来确定档位数。
[0048]
当档位选择开关拨到不同档位时，对应输出引脚将接通电源正极，模块对应的输入引脚将得到开启信号，接通对应通道的光耦和可控硅，这样负载回路中就串入了不同容量的电容，相当于在负载回路中串入了不同阻值的电阻，但这个电阻不消耗功率。因为电容具有容抗，不同容量不同频率容抗不同，同时电容是储能元件，工作时不消耗功率。这样通过串联不同容量的电容就改变了风机负载上得到的有效电压，实现了风机速度的调整。同时所有速度档位下流过风机的电流都是连续的正弦交流电，风机启动平稳，振动很小，没有导通角调速方式的电流噪声，实现了设计目的。
[0049]
降压电容串联一个2.2ω左右的小电阻是为了防止在速度切换时过大电流的产生造成可控硅失效。也可以去掉电阻，光耦换成过零触发型光耦(比如moc3083)。电容两端并联的360kω是在风机关机后在短时间内放掉储存在电容里的电荷，防止检修时因为电容储存的电荷造成触电事故。
[0050]
如图5，所述电源转换子模块包括：电阻r1、电阻r6、电容c1、整流桥d1、电容c2、三极管q1、三极管q2、电阻r8、电阻r9；其中：
[0051]
所述电阻r1的第一端、电阻r6的第一端分别连接外部第一直流电源的两端；所述电阻r1的第二端分别连接电容c1的第一端、整流桥d1的一个输入端；电阻r6的第二端分别连接电容c1的第二端、整流桥d1的另一个输入端；
[0052]
整流桥d1的负极接地、整流桥d1的正极连接电容c2的第一端、电阻r2的第一端、三极管q2的发射极；电容c2的第二端、电阻r8、电阻r9的第二端均接地；电阻r2的第二端分别连接三极管q2的基极、三极管q1的发射极；三极管q1的基极分别连接三极管q2的集电极、电阻r8的第一端；三极管q1的集电极连接电阻r9的第一端；电阻r9两端的电压为第二直流电压vdrv。
[0053]
所述信号转换子模块包括：若干个第一处理子电路，每一个第一处理子电路对应外部控制模块的一个挡位；每一个处理子电路均包括：第一电阻、三极管、稳压二极管、第二电阻；所述三极管的集电极连接外部控制模块，用于接收该挡位对应的控制信号；三极管的发射极、第一电阻的第二端均接地；三极管的基极分别与第一电阻的第一端、稳压二极管的阳极相连；稳压二极管与第二电阻的第一端连接；第二电阻的第二端连接驱动模块。
[0054]
本实施例中，外部控制模块提供了三个挡位，分别对一档、二档、满档；分别对应控制信号：speed_1_control、speed_2_control、full_control。并对应三条通道。每一条通道包括：第一处理子电路、第二处理子电路、第三处理子电路。
[0055]
按照实际需要，一次仅选择一个挡位(一个通道)；当挡位选定好后，外部控制模块发送该挡位对应的控制信号，进入对应的通道。
[0056]
故对应三个挡位，所述信号转换子模块包括：三个第一处理子电路，以其中一个为例，其包括：第一电阻r16、三极管q4、稳压二极管d2、第二电阻r5；所述三极管q4的集电极连接外部控制模块(对应一档)，用于接收一挡位对应的控制信号speed_1_control；三极管q4的发射极、第一电阻r16的第二端均接地；三极管q4的基极分别与第一电阻r16的第一端、稳压二极管d2的阳极相连；稳压二极管d2的阴极与第二电阻r5的第一端连接；第二电阻r5的第二端连接驱动模块。
[0057]
如图6，所述驱动模块包括：若干个第二处理子电路，每一个第二处理子电路对应一个第一处理子电路；每一个第二处理子电路均包括：
[0058]
第三电阻、第四电阻、第五电阻、发光二极管、光耦；其中：第三电阻的第一端连接对应的第一处理子电路，第三电阻的第二端分别连接发光二极管的阴极、光耦阴极输入端；发光二极管的阳极连接第四电阻的第二端，第四电阻的第一端、第五电阻的第一端均连接第二直流电压；第五电阻的第二端连接光耦的阳极输入端；光耦的输出端连接功率组件模块。
[0059]
本实施例中，与挡位和第一处理子电路的数量相应地，所述驱动模块包括：三个第二处理子电路。以其中一个为例进行说明，其包括：第三电阻r33、第四电阻r32、第五电阻r31、发光二极管d7、光耦op3；其中：第三电阻r33的第一端连接第二电阻r5的第二端，第三电阻r33的第二端分别连接发光二极管d7的阴极、光耦op3的阴极输入端；发光二极管d7的阳极连接第四电阻r32的第二端，第四电阻r32的第一端、第五电阻r31的第一端均连接第二直流电压vdrv；第五电阻r31的第二端连接光耦op3的阳极输入端；光耦op3的输出端连接功率组件模块，其输出两路信号：tri_speed_1_1、tri_speed_1_2。
[0060]
本实施例中，光耦的型号为moc3052，具体实施时，可以换成别的型号的光耦，如过
零触发型光耦moc3083。本发明不对光耦的具体型号做出限定。
[0061]
如图7，所述功率组件模块包括：若干个第三处理子电路，每一个第三处理子电路对应一个第二处理子电路；每一个第三处理子电路均包括：第六电阻、第七电阻、可控硅、第八电阻、第一电容、双向抑制瞬态二极管、第二电容、第九电阻、第十电阻；其中：
[0062]
第六电阻的第一端、第七电阻的第一端分别连接对应的第二处理子电路；第六电阻的一端同时连接可控硅的控制端；第六电阻的第二端分别连接可控硅的第二端子、第一电容的第一端、双向抑制瞬态二极管的第二端、风扇电机；第七电阻的第二端分别连接可控硅的第一端子、第八电阻的第一端、双向抑制瞬态二极管的第一端、第九电阻的一端；第九电阻的第二端分别连接第二电容的第一端、第十电阻的第一端；第八电阻的第二端连接第一电容的第二端；第二电容的第二端分别连接第十电阻的第二端、单相交流电源的正极；第八电阻的第二端连接第一电容的第二端。
[0063]
本实施例中，与挡位和第一处理子电路、第二处理子模块的数量相应地，所述功率组件模块包括：三个第三处理子电路。以其中一个为例进行说明，其包括：第六电阻r26、第七电阻r20、可控硅q8、第八电阻r23、第一电容c7、双向抑制瞬态二极管d4、第二电容c6、第九电阻r21、第十电阻r22；其中：
[0064]
第六电阻r26的第一端、第七电阻r20的第一端分别连接光耦op3的两个输出端；第六电阻r26的一端同时连接可控硅q8的控制端；第六电阻r26的第二端分别连接可控硅q8的第二端子、第一电容c7的第一端、双向抑制瞬态二极管d4的第二端、风扇电机；第七电阻r20的第二端分别连接可控硅q8的第一端子、第八电阻r23的第一端、双向抑制瞬态二极管d4的第一端、第九电阻r21的一端；第九电阻r21的第二端分别连接第二电容c6的第一端、第十电阻r22的第一端；第八电阻r23的第二端连接第一电容c7的第二端；第二电容c6的第二端分别连接第十电阻r22的第二端、单相交流电源的正极。
[0065]
需要注意的是，第二电容的作用是降压；不同挡位对应不同的第二电容的参数值。在满档的情况时，第二电容、第九电阻、第十电阻的数值均为0。或者说，可以去掉第二电容、第九电阻、第十电阻，具体可参见图7中最上面对应满档情况的第三处理子电路。另外，第九电阻是一个2.2ω左右的小电阻，作用是为了防止在速度切换时过大电流的产生造成可控硅失效。具体实施时，也可以去掉第九电阻，将第三处理子电路的结构变为包括：第六电阻、第七电阻、可控硅、第八电阻、第一电容、双向抑制瞬态二极管、第二电容、第十电阻；其中：
[0066]
第六电阻的第一端、第七电阻的第一端分别连接对应的第二处理子电路；第六电阻的一端同时连接可控硅的控制端；第六电阻的第二端分别连接可控硅的第二端子、第一电容的第一端、双向抑制瞬态二极管的第二端、风扇电机；第七电阻的第二端分别连接可控硅的第一端子、第八电阻的第一端、双向抑制瞬态二极管的第一端、第二电容的第一端、第十电阻的第一端；第八电阻的第二端连接第一电容的第二端；第二电容的第二端分别连接第十电阻的第二端、单相交流电源。
[0067]
j1、j2均为电路中常用的信号接入插件。
[0068]
本实施例中，单相交流电源的负极与风扇电机的负极相连。
[0069]
与现有技术的常用电路相比，
[0070]
1、本实施例的风扇电机的负载得到的是连续的正弦交流电，减小了对电网的影响，风机也极大减小了振动，运行平稳，同时也消除了可控硅导通角控制带来的电流噪声。
[0071]
2、本实施例虽然不能实现连续调速，但它和常用电路的成本相差不大(档位一般不大于4档：停止、低速、中速和高速)。电路简单，可靠性高，效率高，电路本身的损耗小。
[0072]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。