專利名稱：功率轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率轉(zhuǎn)換裝置，用于或作為采用脈沖電流負載的電子裝置的一部分。本發(fā)明具體地可應(yīng)用于(但不限于)電動機和電源。
背景技術(shù)：
目前大量的功率電子應(yīng)用需要產(chǎn)生中間直流(dc)電壓級。如圖1所示，以變速電動機為例，電動機將從處于本地電壓和頻率的標準交流(ac)干線電源10獲取電源。干線電源被饋送至電源濾波器15，其用于保護設(shè)備免受干線電源上寄生信號的破壞，并防止由設(shè)備產(chǎn)生的有害信號在電源上傳播。然后“凈化的”電源通過直流鏈路級20轉(zhuǎn)換為直流。轉(zhuǎn)換為直流包括橋式整流器D1-D4和用于從整流的信號產(chǎn)生更平滑的、類似直流的輸出的一些形式的電路，例如電容器。在此例子中，直流鏈路級包括自舉有源功率因數(shù)校正級(自舉APFC級)25，將在下面對其作詳細說明。
使用中間直流級的另一個例子是在用于直流功率轉(zhuǎn)換器的交流—直流—直流轉(zhuǎn)換器中。在這些類型的電源中，干線交流電源在被轉(zhuǎn)換成所需電壓的直流之前首先被轉(zhuǎn)換成直流。
通常，包括中間直流級的無源形式的功率轉(zhuǎn)換器具有以下缺點，它們使干線電源引起的電壓和電流波形的外形失真。電磁兼容標準(EMC)，例如在英國標準EN 61000-3-2(1995)中以及在EMC指示(89/336/EEC)中所規(guī)定的標準，定義了在電子設(shè)備從主交流電源引出的電流中的諧波含量的可接受水平，以及電壓失真的可接受水平。這些標準對如何執(zhí)行功率轉(zhuǎn)換設(shè)置了約束。此外，由于功率因數(shù)將確定例如主干電纜的組件的額定容量以及確定本地干線電源系統(tǒng)是否足夠，需要關(guān)注功率因數(shù)。
直流鏈路被實施的方式可依據(jù)系統(tǒng)的所需輸出功率而改變。對于低的功率負載，通過在橋式整流器的輸出端之間設(shè)置與負載并聯(lián)的電容器Cdc能夠非常簡單地獲得直流輸出。為了保持高度調(diào)整的直流電壓，直流側(cè)電容器Cdc必須具有高電容。大的電容器Cdc使得輸入電流具有低的功率因數(shù)，并且當干線電源輸入電壓(Vac)的幅度大于直流電壓(Vdc)時電流僅從干線電源引出。輸入電流類似于一系列間隔開的峰值，其產(chǎn)生了明顯的低頻諧波含量。就是這種諧波含量將這種方法限制在低功率系統(tǒng)，因為對于較高的功率負載，諧波含量將突破由EMC規(guī)則限定的水平，或?qū)е虏豢山邮艿牡偷墓β室驍?shù)。
已經(jīng)發(fā)展了各種技術(shù)來提高輸入電流的質(zhì)量。能夠在輸入濾波器級添加其它的組件，或者能夠使用公知的“河谷堆積”電路。河谷堆積電路通過以直流鏈路電容器分成兩個的方式改善了輸入電流形狀。對于標準的橋式整流器，當干線電源輸入電壓(Vac)的幅度大于直流電壓(Vdc)時，電流是從干線電源引出的。但是，對于河谷堆積電路，當主輸入電源的幅度大于直流電壓的一半(Vdc/2)時，電流即被引出。這意味著從干線電源引出電流的持續(xù)時間比從標準橋式整流器引出的持續(xù)時間更長，從而改善了功率因數(shù)。
由于上述配置的諧波限制，所以經(jīng)常使用有源控制的輸入整流器。這些輸入整流器中最常用的是如圖1所示的自舉APFC級。
兩個控制回路(電壓控制回路和電流控制回路)定義了功率轉(zhuǎn)換晶體管TR1的切換動作。電壓控制回路將直流鏈路電壓(Vdc)維持在所需的水平，這可通過調(diào)整電流控制回路的電流基準的幅度來獲得。電流控制回路確保輸入電流跟隨由電壓控制回路限定的基準。這種多回路控制結(jié)構(gòu)規(guī)定必須有一個回路占支配地位。通常的規(guī)定是電流控制回路占支配地位。這具有以下影響，由于從屬回路的有限的性能，所以直流電壓調(diào)整(特別在暫態(tài)事件期間)是有限的。通常，增加直流鏈路電容器(Cdc)的值來補償此限制。
圖2和3顯示了轉(zhuǎn)換器的啟動暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。最初(0＜t＜0.005秒)，轉(zhuǎn)換器是不受控的(如果Vdc＜|Vac|，則自舉級的動作是無關(guān)緊要的)。一旦達到Vdc＞|Vac|條件，自舉APFC級有效地將輸入電流控制為基本正弦曲線，具有非常好的功率因數(shù)。高頻重疊在干線電源50Hz部件上是由于自舉轉(zhuǎn)換器的切換動作，并且直接與TR1的切換頻率相關(guān)。轉(zhuǎn)換器的所選的切換頻率必須充分大于由EMC標準施加的諧波限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明意圖提供一種功率轉(zhuǎn)換的改進的方法，以及一種改進類型的功率轉(zhuǎn)換器。
因此，本發(fā)明提供了按照權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器。
這種功率轉(zhuǎn)換器具有以下優(yōu)點，來自交流電源的電流能夠落入由EMC規(guī)定施加的限制內(nèi)，與已知的類似額定功率的轉(zhuǎn)換器相比具有簡單和廉價的裝置。例如，鏈路電容器能夠構(gòu)造為薄膜型電容器，其能夠處理所需的波紋電流并且是成本有效的。轉(zhuǎn)換器滿足EMC規(guī)則，因為電源電流的支配頻率(即，最大幅度的頻率)等于交流電壓源的頻率，并且多數(shù)的諧波含量位于脈沖電流負載的切換頻率以及該切換頻率的諧波中。對于在高的切換頻率工作的負載，例如高速電動機或開關(guān)模式電源，諧波含量將位于EMC標準規(guī)定的頻帶之外。
因為形成轉(zhuǎn)換器的部分直流鏈路級的電容器具有小的值，所以這具有降低成本和減少轉(zhuǎn)換器所占物理空間的優(yōu)點。優(yōu)選的是，直流鏈路級中電容器的大小(容量)與輸入濾波器和負載中電感元件傳遞的能量相匹配。因此，當負載是電動機形式時，當電動機繞組(或繞組對)之一被關(guān)斷時，存儲在繞組中的能量被安全的傳遞到直流鏈路電容器(或另一個繞組)而不會產(chǎn)生過壓事件。
該轉(zhuǎn)換器特別適于在它們接收的功率中能夠容許一些變化的負載，以及在位于EMC標準規(guī)定的諧波頻率之外的切換頻率工作的負載。開關(guān)式高速電動機，例如驅(qū)動諸如葉輪這樣的負載的開關(guān)磁阻電動機，特別適于由這種轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動，因為能夠容許葉輪的運轉(zhuǎn)速度中的一些變化。令人驚訝的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于快速移動轉(zhuǎn)子和葉輪的高的慣性導(dǎo)致葉輪的運轉(zhuǎn)速度中的實際變化量小于正常運轉(zhuǎn)速度的1％。
葉輪能夠形成風扇部分或用于移動流體的泵，例如沿著流體管道移動氣體或液體。在此應(yīng)用領(lǐng)域中，葉輪能夠形成風扇的一部分，用于將臟空氣吸入真空吸塵器。在這些類型的應(yīng)用中，葉輪一直以精確的速度工作并不是很重要。


現(xiàn)在將參照

本發(fā)明的實施例，其中圖1顯示了使用自舉APFC級的用于為電動機電源的已知形式的功率轉(zhuǎn)換器；圖2和3顯示了圖1中功率轉(zhuǎn)換器的性能；圖4顯示了圖1中功率轉(zhuǎn)換器的第一運行狀態(tài)；圖5顯示了由圖1中功率轉(zhuǎn)換器引出的電流；圖6顯示了圖1中功率轉(zhuǎn)換器的第二運行狀態(tài)；圖7顯示了圖1中功率轉(zhuǎn)換器的第一和第二運行狀態(tài)之間電流的變化；圖8顯示了圖1中功率轉(zhuǎn)換器的電流波形；圖9顯示了圖1中功率轉(zhuǎn)換器的第三運行狀態(tài)；圖10顯示了圖1所示電動機繞組中的電流；圖11顯示了流入和流出圖1中功率轉(zhuǎn)換器的功率流；圖12顯示了按照本發(fā)明實施例的功率轉(zhuǎn)換器的第一運行狀態(tài)；圖13顯示了圖12中功率轉(zhuǎn)換器的電壓波形；圖14顯示了圖12中功率轉(zhuǎn)換器的第二運行狀態(tài)；圖15顯示了圖12中功率轉(zhuǎn)換器的第三運行狀態(tài)；圖16顯示了通過圖12中功率轉(zhuǎn)換器從電源引出的電流；圖17顯示了圖12中功率轉(zhuǎn)換器的第四運行狀態(tài)；圖18顯示了流過圖12所示的電動機繞組的電流；圖19顯示了圖12所示電容器兩端的電壓；圖20顯示了提供給圖12中所示負載的電壓脈沖的變化；圖21a顯示了形成在圖12所示負載中的磁通；圖21b顯示了減小傳導(dǎo)角對形成在圖12所示負載中的磁通的影響；圖22-24顯示了圖12的功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用到真空吸塵器；圖25顯示了已知類型的直流電源；圖26顯示了按照本發(fā)明實施例的直流電源；圖27和28是從側(cè)面和前面看的示意性剖面圖，示出了圖12的功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用到表面處理裝置的清刷器。
具體實施例方式
為了比較并提供對本發(fā)明更好的理解，現(xiàn)在將參照圖4至11詳細說明有源功率因數(shù)校正的傳統(tǒng)技術(shù)。
首先看圖4，功率因數(shù)校正電路包括電感L2以及與橋式整流器D1-D4的輸出并聯(lián)設(shè)置的功率切換裝置，例如功率晶體管TR1。二極管D5和電容器Cdc與功率切換裝置TR1并聯(lián)，在電容器Cdc兩端獲得直流輸出。
圖4還顯示了兩相切換的磁阻電動機形式的負載。第一相包括一對與繞組W1串聯(lián)的功率切換裝置TR2、TR3。繞組W1形成電動機的一個定子相繞組。當切換裝置TR2和TR3切斷時，一對二極管D6、D7為通過繞組的“靠慣性滑行”的電流提供路徑。電動機的第二相具有與第一相相同的形式，包括功率切換裝置TR4、TR5，繞組W2和二極管D8、D9。PFC電路的開關(guān)TR1的運行不依賴于電動機開關(guān)TR2和TR3(以及TR4和TR5)的運行。以有效地整形輸入電流的方式來控制TR1，而按照電動機所需的加速或穩(wěn)態(tài)運行來控制TR2、TR3。
為了簡單，在下面的說明中進行某些假設(shè)——直流鏈路電容器(VCdc)兩端的電壓是恒定的，且大于峰值整流電壓；——TR1的切換頻率比負載的切換頻率大很多(即，TR1的切換頻率大于TR2至TR5的切換頻率)。
圖4至11顯示了三種狀態(tài)的運行。
狀態(tài)1——圖4PFC開關(guān)TR1開啟，開關(guān)TR2、TR3關(guān)斷。選擇TR1開啟期間的周期以便有效地整形輸入電流。電流從交流電源流過橋式整流器D1-D4、電感L2和TR1。選擇TR1的開/關(guān)時間使得通過電感L2的電流(以及這樣的輸入電流IL2)具有圖5所示的形狀。
狀態(tài)2——圖6
TR1關(guān)斷，同時TR2和TR3開啟。
具有兩個電流回路I1通過TR1關(guān)斷，存儲在L2中的能量被傳遞到Cdc，導(dǎo)致L2中的電流凈下降，如圖7所示。
I2在第二回路中，存儲在Cdc中的能量通過繞組W1釋放。
流入Cdc的凈電流是I1-I2。圖8顯示了時間周期內(nèi)的平均電流。能夠看出，電容器Cdc在任何時候必須彌補輸入電流IL2與輸出電流(IW1+IW2)之間的差值。這使得在Cdc上電壓波紋的波形如圖8所示。最大的波紋是ΔV。ΔV的大小與Cdc的電容反向相關(guān)，也就是說小的電壓波紋ΔV需要大的電容。
狀態(tài)3——圖9TR1關(guān)斷，同時TR2和TR3關(guān)斷。
具有兩個電流回路I1隨著TR1關(guān)斷，存儲在L2中的能量被傳遞到Cdc。
I2隨著TR2和TR3關(guān)斷，繞組W1中的電流減小并且恢復(fù)到Cdc。
盡管沒有顯示，繞組W2的電流與繞組W1的電流相同。
通過上述內(nèi)容應(yīng)當清楚，當全部的輸入功率PIN(即，從交流電源獲得的功率)與全部的輸出功率POUT(即，輸送至負載的功率)相同時，在干線電源的一個周期，輸入功率曲線明顯不同于輸出功率曲線，如圖11所示。電容器Cdc處理輸入功率與輸出功率之間的瞬間差。對于高功率負載，這要求Cdc必須具有大的值。作為示例，對于1.5kW負載，Cdc必須具有大約200μF的值。
總之，這種配置提供了良好的、穩(wěn)定的輸出電壓Vdc，并且從電源引出的輸入電流的形狀符合EMC標準，即，支配頻率分量與交流干線電源頻率相同，具有疊加在50Hz信號上的更高的開關(guān)TR1的切換頻率。當TR1開啟時輸入電流上升，當TR1關(guān)斷時下降。這種配置的缺點是電容器Cdc必須具有大的值，這需要體積大且昂貴的電容器。
小的直流電容器配置按照本發(fā)明的配置，如圖12所示，保留了電源濾波器(C1、C2、L1)和橋式整流器(D1-D4)。但是，代替電感L2、開關(guān)TR1、二極管D5和大的電容器Cdc，現(xiàn)在只有單個鏈路電容器Cdc。鏈路電容器Cdc具有明顯小于圖1至11所示的較大電容器Cdc的電容值。與之前一樣，相同的兩相電動機用作負載。
一般來講，該配置具有每次給予一個電動機相電壓的效果，存儲在鏈路電容器Cdc中的能量被快速移到整流器二極管D1-D4開始導(dǎo)通的點，并且所需的電動機功率直接從干線電源獲取。直接從干線電源到電動機繞組W1、W2的功率連續(xù)脈沖產(chǎn)生了類似的脈沖輸入電流波形，如圖16所示。由C1、C2和L1形成的輸入“π”濾波器將峰值輸入電流降低到可接受的水平，并引入類似于針對有效控制自舉APFC級的連續(xù)電流波形。圖18顯示了繞組W1和W2的合成電流。
現(xiàn)在將更詳細的描述電路的運行。將說明四種電路狀態(tài)。
狀態(tài)1——圖12TR2和TR3開啟以便給繞組W1施加電壓。
在TR2和TR3開啟之前，Cdc兩端的電壓等于干線電源峰值電壓減去兩個橋式整流器二極管兩端的電壓。當TR2和TR3開啟時，Cdc兩端的電壓快速的下降到整流的干線電源的瞬時值，如圖13所示。Cdc兩端的電壓快速的下降是因為Cdc的小的電容值。
狀態(tài)2——圖14TR2和TR3保持開啟，以便施加電壓給繞組W1。
當VCdc下降到整流的電壓水平時，提供給負載的電流/功率不再僅由電容器Cdc提供，而且也從干線電源直接引出，如通過圖14中的電流所示。因為Cdc存儲了非常少的能量，所以VCdc被迫跟隨整流的輸入電壓。這導(dǎo)致了Cdc上的大約85-100％的電壓波紋。
通過從干線電源到繞組的流動來控制功率流向負載(電動機繞組)。沒有明顯的中間能量存儲，如先前的自舉APFC級所述。
狀態(tài)3——圖15TR2和TR3關(guān)斷。
具有兩個電流回路I1C1、C2和L1形成輸入濾波器，其降低輸入電路的切換頻率(電動機)分量。當TR2和TR3關(guān)斷時，電流持續(xù)流入L1。
I2在TR2和TR3已經(jīng)關(guān)斷之后，電流持續(xù)流過繞組W1，并恢復(fù)到Cdc。
電容器Cdc的容量很大程度上依賴于在TR2和TR3關(guān)斷期間從形成部分輸入濾波器的電感L1和繞組W1傳遞的總能量。也明顯依賴于在TR4和TR5關(guān)斷期間從繞組W2和電感器L1傳遞的總能量。選擇電容值，以使提供給電容器Cdc兩端的最大電壓保持在預(yù)定限制內(nèi)在所述的實施例中，該限制被選為400-500V。
狀態(tài)4——圖17TR2和TR3關(guān)斷。
此處，存儲在繞組中的所有能量已經(jīng)恢復(fù)，并且因此繞組電流下降到0。電流仍流入輸入濾波器的電感L1和電容器Cdc。
圖16顯示了從交流電源引出的輸入電流?？梢钥闯?，輸入電流具有干線電源的頻率中的有效分量，并且在負載的切換頻率被調(diào)制。輸入濾波器(C1、C2、L1)限制了在切換頻率的分量的大小，優(yōu)選是使輸入濾波器與切換頻率匹配。提供的小的直流鏈路電容器Cdc允許由負載引出的電流緊隨干線電源。按照施加給直流鏈路的負載要求的工作來選擇直流鏈路電容器Cdc的容量。如上所述，對于脈沖電動機繞組形式的負載，直流鏈路電容器Cdc必須足夠大，以便接受從釋放電壓相繞組傳遞的所有能量，而不超過部件的電壓容量，如圖19所示。
應(yīng)該認識到這種電路配置不適用于所有類型的負載。首先，直流鏈路電壓上大的(接近100％)波紋分量在一個電源周期中使得提供給負載的功率產(chǎn)生明顯的變化。當負載是電動機時，具有的效果是電動機的速度將在等于干線電源頻率兩倍的頻率下圍繞平均值改變。其次，在負載的切換頻率的電流脈沖出現(xiàn)在輸入電流中。這要求負載的切換頻率必須足夠高，以便位于EMC標準中規(guī)定的嚴格調(diào)整的頻帶之外。但是，即使考慮到上述內(nèi)容，這種電路配置將很好的適于許多類型的脈沖負載，例如切換頻率是高的以及對于運行速度隨干線電源頻率改變是可接受的電動機。負載應(yīng)具有高的運行頻率，大約2KHz或更高，以便符合電流EMC要求，其使得這種配置能最好的適于高速電動機，如以超過大約35000rpm工作的電動機為例。令人驚訝的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)輸入功率中的變化對電動機的速度沒有明顯的影響。實際上，對于工作在95000rpm的電動機，已經(jīng)觀察到800rpm的峰—峰值變化。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，許多其它的改變被要求用于優(yōu)化具有脈沖電流負載的新的轉(zhuǎn)換器。
最好是避免電動機繞組中一些有效的內(nèi)建磁通。為了避免磁通內(nèi)建在一些磁材料中，在釋放電壓期間施加的伏—秒(volt-second)必須基本上等于給予電壓期間施加的伏—秒。對于相等的給予電壓和釋放電壓周期，內(nèi)建的磁通將與施加的電壓成比例。
圖20顯示了在輸入電源的半個周期內(nèi)施加到電動機繞組的電壓脈沖的序列。由于小值的Cdc，所以在半個周期內(nèi)輸入電壓變化很大。在0＜時間＜0.005s期間內(nèi)，關(guān)斷周期內(nèi)的電壓脈沖的幅度大于之前開啟周期內(nèi)的電壓脈沖的幅度，結(jié)果沒有出現(xiàn)內(nèi)建在電動機中的磁通。但是，在0.005s＜時間＜0.01s期間內(nèi)，關(guān)斷周期內(nèi)的電壓脈沖的幅度小于之前開啟周期內(nèi)的電壓脈沖的幅度，結(jié)果對于相同周期的給予電壓和釋放電壓將出現(xiàn)內(nèi)建的磁通。圖21a顯示了當關(guān)斷周期與開啟周期具有相等持續(xù)時間時如何出現(xiàn)內(nèi)建的磁通。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過降低傳導(dǎo)角，即，給予電壓周期或“開啟”脈沖的持續(xù)時間，能夠避免圖12至26所示的電動機中的磁通內(nèi)建的問題。圖21b顯示了如何能夠以此方式避免內(nèi)建的磁通。
在減小給予電壓周期之前存在必須考慮的其它因素。給予電壓周期的過度減小將導(dǎo)致無電動機電流周期，其將對來自電源的輸入電流的諧波含量產(chǎn)生不利影響。此外，如果電動機將發(fā)展具有減小的給予電壓周期的相同額定輸出功率的電動機，則還需要增加峰值電流。
一種折衷方案是，給予電壓周期僅降低到消除內(nèi)建磁通的問題的程度。在高速電動機的實施例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過將傳導(dǎo)角從90°減小到82°就能夠獲得可接受的結(jié)果。當然，對于其它的應(yīng)用，傳導(dǎo)角將不同。
直流鏈路電容器Cdc的值僅由需求控制，用于吸收從電動機重新獲得的能量，特別是在電動機加速期間。在電動機的正常工作期間，當相繞組被釋放電壓時，存儲在該繞組中的能量返回到直流鏈路電容器Cdc。此重新獲得的能量能夠高達電動機的額定功率的33％。作為吸收從繞組重新獲得的能量的結(jié)果，電容器電壓升高。直流鏈路電容器Cdc的容量必須考慮到電壓的升高，以確保連接到直流鏈路電容器Cdc的部件不會經(jīng)歷過壓事件。應(yīng)當意識到，功率電子部件對于過壓事件是敏感的。
圖22-24顯示了功率轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，用于驅(qū)動真空吸塵器中的吸入風扇的葉輪。此處所示的真空吸塵器是豎直型真空吸塵器，但是真空吸塵器也可以同樣是圓柱型真空吸塵器。如圖22所示，真空吸塵器100包括直立的主體110，在其下部具有用于容納電動機和風扇單元的風扇和電動機外殼120。吸塵器頭115以自由鉸接的方式安裝在電動機外殼120上。吸入口116提供在吸塵器頭115上，通過吸入口116能夠從地板表面吸入垃圾和灰塵。主體110支撐氣旋分離器形式的分離裝置112，該分離裝置能夠分離垃圾、灰塵以及通過吸入口116吸入的臟空氣中的其它碎片。
風扇和電動機外殼120支撐葉輪130和用于驅(qū)動葉輪130的電動機。在應(yīng)用中，電動機高速(超過70000rpm)旋轉(zhuǎn)葉輪130，以便沿著通過吸塵器100的通路A至H吸入空氣。載有垃圾的空氣經(jīng)過臟空氣吸入口116被吸入吸塵器頭115中。載有垃圾的空氣通過通向分離器112承載，分離器112用于分離垃圾、灰塵和來自氣流(通路B)的其它碎片。分離器112可以是氣旋分離器，如圖所示，或者是其它形式的分離器，例如過濾袋。清潔的空氣經(jīng)過通路E在進入風扇和電動機外殼120之前沿著通路C、D離開分離器112。電動機前部過濾器通常放置在葉輪130之前的氣流通路中，用于過濾任何沒有被分離器112去除的細小的灰塵顆粒。
圖23和24顯示了放置在電動機外殼120中的葉輪130和電動機。軸承組143支撐可圍繞軸線146旋轉(zhuǎn)的軸142。葉輪130在軸142的上游端共軸地安裝在軸142上。葉片從葉輪130的主體朝向通道148內(nèi)的機架135放射狀地延伸，在使用中，其用于將空氣以所示方向吸入機架135內(nèi)。軸142由電動機驅(qū)動，在此實施例中，電動機是開關(guān)磁阻電動機。電動機具有定子140以及可轉(zhuǎn)動的安裝在定子140內(nèi)的轉(zhuǎn)子150。圖24是沿著圖23的線X-X’的剖面圖。電動機是兩磁極、兩相開關(guān)磁阻電動機。其包括具有四個凸磁極140a、140b、140c和140d的定子140。每個磁極140a至140d具有多匝繞其纏繞的絕緣線。串聯(lián)連接相對的磁極對上的線匝，以形成一個繞組，例如磁極140a、140b上的線匝形成圖12所示的繞組W1，磁極140c、140d上的線匝形成圖12所示的繞組W2。
圖12中所示的電路用于電源和驅(qū)動電動機。還提供了控制系統(tǒng)160。軸142具有傳感器155，用于檢測轉(zhuǎn)子150的角坐標。在使用中，控制系統(tǒng)160使用來自傳感器155的信息以及其它信息，以便順序的給繞組W1和W2施加電壓，由此使轉(zhuǎn)子150和葉輪130圍繞軸線146旋轉(zhuǎn)，沿著通路F將空氣吸入機架135并沿著通路G排出空氣。通過以前述形式開啟和關(guān)閉TR2至TR5來給繞組W1和W2施加電壓。這種控制系統(tǒng)是公知的，不需要進一步說明。
對于具有約為95000rpm的正常運轉(zhuǎn)速度的兩相開關(guān)磁阻電動機，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)下面的部件值，對于圖12所示的電路會提供好的結(jié)果C1＝C2＝220nF；L1＝330μHCdc＝6.6μF圖23和24所示的電動機具有少的磁極和高的運轉(zhuǎn)速度。本發(fā)明可同樣用于具有高切換頻率的其它負載，例如具有多個磁極和低的運轉(zhuǎn)速度的電動機。這樣的負載的例子是表面處理裝置，例如家庭應(yīng)用的清刷器。圖27和28顯示了刷棒170形式的這樣的清刷器。
刷棒170包括細長的圓柱形套筒171，在其外表面上具有徑向延伸的刷毛，如172所表示。刷棒經(jīng)過軸承174、175被可轉(zhuǎn)動地安裝在內(nèi)部同軸的軸173上。電動機居中地安裝在刷棒內(nèi)，并且包括定子176和轉(zhuǎn)子177。轉(zhuǎn)子177與定子176同軸且圍繞定子，因此轉(zhuǎn)子圍繞定子旋轉(zhuǎn)。軸173相對于定子176固定，刷棒170設(shè)置成隨轉(zhuǎn)子177轉(zhuǎn)動。電動機是18個磁極、兩相開關(guān)磁阻電動機。電動機的繞組在圖28中以178表示。在使用中，例如圖12所示的控制電路用于電源和驅(qū)動電動機。根據(jù)來自與轉(zhuǎn)子相關(guān)的角坐標傳感器(沒有顯示)的信息來給每個繞組施加電壓。
電動機使得刷棒170以通常為3500rpm的運行速度來旋轉(zhuǎn)。刷棒170可以包含在圖22的真空吸塵器100中。刷棒可安裝在吸塵器頭115中，與吸入口116相鄰。刷棒170的旋轉(zhuǎn)使得刷毛172沿著待清潔的表面(例如，地毯)掃過，攪動地毯的纖維以使垃圾和灰塵松脫并拾取碎片。空氣吸力使垃圾和灰塵離開地毯而進入臟空氣入口116，并因此進入真空吸塵器的灰塵分離腔112。刷棒170也可以包含在真空吸塵器的地板工具中。
直流電源該功率轉(zhuǎn)換器第二應(yīng)用是直流電源。對于額定功率超過1-2kW的典型的直流電源是全橋直流—直流轉(zhuǎn)換器，如圖25所示。在干線電源側(cè)，具有輸入濾波器300(L1、C1、C2)和橋式整流器305。由于高的額定功率，自舉APFC級310通常并入下一級以確保令人滿意的輸入電流諧波。通過合并自舉APFC級，Vdc_A將保持在幾乎恒定的直流電壓。自舉APFC級后跟隨著全橋轉(zhuǎn)換器315。通過恒定的直流鏈路電壓Vdc_A，全橋轉(zhuǎn)換器的控制是直接的，僅取決于負載的轉(zhuǎn)換變化。全受控的橋315的輸出提供給變壓器320和輸出濾波器，輸出濾波器包括電感L2和輸出直流電容器C4。Vdc_B是直流電源的直流輸出電壓。選擇橋式轉(zhuǎn)換器315的切換頻率以使輸出濾波部件(L2、C4)的尺寸最小，同時在橋式轉(zhuǎn)換器315的功率電子裝置中保持可接受的損失。但是，輸出電容器C4的選擇被標準要求進一步復(fù)雜化，標準要求是在輸入電源已經(jīng)被去除之后輸出電壓應(yīng)當被“保持”定義的周期，即，在輸入電源已經(jīng)被去除之后(例如，在功率切斷期間)輸出應(yīng)當保持固定的時間周期。這通常導(dǎo)致電容器C4具有相當大的值，經(jīng)常在幾百mF的范圍。
使用自舉APFC級310存在一些與在之前圖1所示的功率轉(zhuǎn)換器中相同的問題，因為這要求C3是大的(100-150μF)并增加整個電源的部件數(shù)量、尺寸和成本。
使用與前述類似的技術(shù)，可以以去除自舉APFC級310的方式來更改電源，僅保留具有明顯小值的電容器C3，如圖26所示。作為去除自舉APFC級310的結(jié)果，Vdc_A現(xiàn)在具有接近100％的波紋。功率從橋式轉(zhuǎn)換器315通過變壓器320傳遞到輸出級，其是直流鏈路電壓(Vdc_A)的函數(shù)，功率是時變的。變壓器的輸入電流現(xiàn)在直接來自干線電源，因為小的電容器C3存儲了非常少的能量。如前所述，必須通過對變壓器的給予電壓周期施加限制來避免內(nèi)建在變壓器中的磁通。小的電容器C3的容量很大程度上取決于在橋式轉(zhuǎn)換器315的工作期間從形成部分的輸入濾波器的電感L1以及變壓器的主繞組Np傳遞的總能量。
去除自舉APFC級310具有明顯的缺陷，橋式轉(zhuǎn)換器的切換頻率不再定義輸出濾波部件(L2、C4)的值?，F(xiàn)在電容器C4的容量必須被調(diào)整以處理變化的功率傳遞，其是干線電源頻率的函數(shù)。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，需要具有新配置的電容器C4的值類似于前面已經(jīng)要求的值，針對輸出“保持”周期的標準要求已經(jīng)規(guī)定了大的電容器C4的值。大部分能量存儲容量出現(xiàn)在低電壓側(cè)，其在成本和尺寸上具有優(yōu)勢。
應(yīng)當意識到，本發(fā)明并不限于附圖中所示的實施例。特別地，本發(fā)明能夠應(yīng)用到多相系統(tǒng)，例如為每個相獨立整流。
權(quán)利要求
1.一種用于將交流電源的功率轉(zhuǎn)換成直流的功率轉(zhuǎn)換裝置，包括輸入級，用于從交流電源接收功率，輸入級包括輸入濾波器；整流裝置，用于整流交變信號；電容器，用于存儲來自整流信號的能量；輸出，用于從該整流裝置和電容器輸出功率到脈沖負載；其中該脈沖負載具有至少一個從該輸出接收功率的開關(guān)繞組，并且其中確定該電容器的容量，以便在交流電源的每個周期內(nèi)該電容器兩端的電壓下降到該電源的標稱峰值整流電壓的15％以下。
2.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中確定電容器的容量，以便在該交流電源的每個周期內(nèi)該電容器兩端的電壓下降到該電源的標稱峰值整流電壓的10％以下。
3.如權(quán)利要求1或2所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中確定電容器的容量，以便在該交流電源的每個周期內(nèi)該電容器兩端的電壓下降到該電源的標稱峰值整流電壓的5％以下。
4.如前述權(quán)利要求的任意一個所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中確定該電容器的容量，以便在繞組關(guān)斷時存儲從繞組釋放的能量。
5.如前述權(quán)利要求的任意一個所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中脈沖負載具有大于2KHz的切換頻率。
6.一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其基本上如此前參照附圖的圖11至24和26所示的任意一個實施例所述。
7.一種電子裝置，包括按照前述的任意一個權(quán)利要求的功率轉(zhuǎn)換裝置以及脈沖負載。
8.如權(quán)利要求7所述的電子裝置，其中該脈沖負載是電感負載，其在開啟狀態(tài)與關(guān)斷狀態(tài)之間重復(fù)的切換，其中開啟狀態(tài)的持續(xù)時間小于關(guān)斷狀態(tài)的持續(xù)時間，以最小化或避免內(nèi)建在電感負載內(nèi)的磁通。
9.如權(quán)利要求7或8所述的電子裝置，其中該脈沖負載包括具有至少一個開關(guān)相繞組的電動機。
10.如權(quán)利要求9所述的電子裝置，其中該電動機是開關(guān)磁阻電動機。
11.如權(quán)利要求9或10所述的電子裝置，進一步包括由該電動機驅(qū)動的葉輪。
12.如權(quán)利要求11所述的電子裝置，是具有氣流通路的真空吸塵器的形式，其中該葉輪是沿著氣流通路吸引空氣的吸入風扇。
13.如權(quán)利要求9或10所述的電子裝置，進一步包括由該電動機驅(qū)動的表面處理裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的電子裝置，其中表面處理裝置包括由該電動機帶動的清刷器。
15.如權(quán)利要求14所述的真空吸塵器形式的電子裝置，其中清刷器位于吸塵器頭中或地板工具中。
16.如權(quán)利要求7或8所述的電子裝置，其中脈沖負載是電源，并且開關(guān)繞組包括變壓器。
17.一種電子裝置，其基本上如此前參照附圖的圖11至24和26至28所示的，或如示例在其中的任意一個實施例所述。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于將交流電源的功率轉(zhuǎn)換到直流的功率轉(zhuǎn)換裝置，包括輸入級，用于從交流電源接收功率，輸入級包括輸入濾波器(C1、C2、L1)；整流裝置(D1、D2、D3、D4)，用于整流該交變信號；電容器(Cdc)，用于存儲來自整流信號的能量；輸出，用于將來自該整流裝置(D1、D2、D3、D4)和電容器(Cdc)的功率輸出到脈沖負載；其中該脈沖負載具有至少一個從該輸出接收功率的開關(guān)繞組(W1、W2)，并且其中確定該電容器(Cdc)的容量，以便在交流電源的每個周期內(nèi)該電容器兩端的電壓下降到該源的標稱峰值整流電壓的15％以下。這種轉(zhuǎn)換器提供了以下的優(yōu)點，從交流電源引出的電流能夠落入由EMC規(guī)定施加的限制內(nèi)，并且與類似額定功率的已知轉(zhuǎn)換器相比構(gòu)成了簡單且廉價的裝置。
文檔編號H02M3/04GK1729612SQ200380107175
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月21日
發(fā)明者S·格里山姆, N·J·萊頓, A·C·克洛西爾, M·H·海伍德, N·W·菲利普斯 申請人:戴森技術(shù)有限公司