能量分配方式的供電控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及供電控制方法，尤其涉及能量分配方式的供電控制方法（Methodfor controllingsupplyofelectricpowerbydistributionofenergy),該方法在以零點 控制方式調(diào)節(jié)使負(fù)載與AC電源連接的開關(guān)時，將能量分配供給，從而對于響應(yīng)速度較快的 負(fù)載也提供優(yōu)良的控制質(zhì)量，對于負(fù)載量較大的負(fù)載也能夠以更小的溫度變動率精準(zhǔn)地控 制，并且對于相鄰的負(fù)載能夠穩(wěn)定地供電，且能夠改進(jìn)上述開關(guān)的動作條件并延長使用壽 命。
【背景技術(shù)】
[0002] 在對于與AC電源連接的負(fù)載供給電能時，在電源與負(fù)載之間僅連接一個開關(guān)并 使開關(guān)接通（0N)或斷開（OFF)而直接控制向負(fù)載傳遞的能量的方法最為有效該且經(jīng)濟(jì)實 惠。這是由于僅僅追加一個開關(guān)即可控制供電之故。
[0003] 因此，調(diào)節(jié)向負(fù)載傳遞的電能的量的最為簡單的方法就是將負(fù)載分割成具有相同 的負(fù)載量的多個負(fù)載，并在所分割的負(fù)載上分別連接開關(guān)之后僅接通（0N)所需個數(shù)的開 關(guān)。作為一例，可舉出具有以強(qiáng)、中、弱的三檔或強(qiáng)、弱的兩檔調(diào)節(jié)溫度或速度的功能的電熱 器或風(fēng)扇。
[0004] 具有三檔溫度調(diào)節(jié)功能的電熱器，通常是設(shè)置三個具有相同的負(fù)載量的電熱器負(fù) 載，并在各個負(fù)載連接機(jī)械式觸點開關(guān)之后，以在為'弱'時向一個負(fù)載供給能量，在為'中' 時向兩個負(fù)載供給能量，且在為'強(qiáng)'時向三個負(fù)載均供給能量而產(chǎn)生熱的方式調(diào)節(jié)電熱器 的溫度。
[0005] 與此相似地、風(fēng)扇是在馬達(dá)的定子上卷繞線圈時將阻抗互不相同的三個繞組當(dāng)作 一個繞組制作之后，以按照強(qiáng)、中、弱來選擇互不相同的繞組的方法調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速而變換 風(fēng)的強(qiáng)度的方式。雖然有一部分適用了遙控器或觸點開關(guān)或高級型觸摸開關(guān)的各種產(chǎn)品， 但調(diào)節(jié)速度的基本原理相同，差異僅在于選擇馬達(dá)的繞組而連接于電源的開關(guān)從機(jī)械式開 關(guān)變更為如三端雙向可控娃（TRIAC，TriodeAlternatingCurrent)開關(guān)那樣的電磁式開 關(guān)。
[0006] 但嚴(yán)格地講，利用于上述的電熱器和風(fēng)扇的供電控制方法并不是調(diào)節(jié)向負(fù)載傳遞 的電能的量，而只是以開關(guān)動作控制多個負(fù)載中接通或斷開(下面稱之為"切換"）的負(fù)載的 個數(shù)或特定負(fù)載的選擇。
[0007] 因此，這種供電控制方法除了進(jìn)行預(yù)先定義的兩級或三級的調(diào)節(jié)之外不能追加性 地細(xì)化控制供電，且由于須具備多個負(fù)載，因而有產(chǎn)品的體積增加且制造成本也跟著增加 的問題。
[0008] 尤其，機(jī)械式開關(guān)不僅因切換動作時刻所產(chǎn)生的高壓電火花而導(dǎo)致開關(guān)使用壽命 縮短，而且，總是蘊(yùn)藏著起因于電火花的火災(zāi)隱患。
[0009] 另一方面，作為進(jìn)一步發(fā)展的方式的供電控制方法有在用于電熱器的電熱器負(fù)載 的情況下，不是將負(fù)載分為多個而是使用雙金屬方式的溫度調(diào)節(jié)器來設(shè)定并維持溫度的控 制方法。
[0010] 但上述雙金屬方式由于雙金屬以在所設(shè)定的溫度附近反復(fù)進(jìn)行一會兒貼合一會 兒分開的動作來調(diào)節(jié)溫度，因而在所適用的電熱器負(fù)載為與熱一起放出一定量的光的紅外 線或遠(yuǎn)紅外線系列的電熱器負(fù)載的情況下，在放熱體出現(xiàn)嚴(yán)重的閃爍現(xiàn)象，且有在電熱器 的響應(yīng)速度比雙金屬的響應(yīng)速度快的情況下對于所設(shè)定的溫度的溫度變動率相對變得更 大的缺點。
[0011] 另一方面，有些場合下作為開關(guān)操作方式的一種使用二極管控制方式，該方式僅 使用一個負(fù)載卻使用機(jī)械式開關(guān)和電力二極管，若開關(guān)選擇'弱'則使向負(fù)載傳遞的電力通 過二極管并向負(fù)載僅提供AC電源的半波（50%的能量)，若選擇'強(qiáng)'則向負(fù)載提供AC電源 的100%的能量。
[0012] 所列舉的上述的技術(shù)是調(diào)節(jié)向負(fù)載傳遞的電能的量的最簡單的方法。與此相反， 進(jìn)一步發(fā)展的方式的、為了電力控制而控制開關(guān)的方法中有相位控制方式和零點控制(周 期控制或過零控制，下面稱之為"零點控制"）方式。
[0013] 首先，相位控制方式，從動作原理上講，由于控制周期較短因而具有控制質(zhì)量優(yōu)良 的優(yōu)點，但由于切換動作在較高的電壓進(jìn)行，因而存在產(chǎn)生高次諧波噪聲、功率因數(shù)降低、 以及包括開關(guān)在內(nèi)的零部件的耐久性和信賴度降低等各種問題。因此，通過相位控制方式 的開關(guān)控制僅適用于如調(diào)節(jié)電燈的亮度的調(diào)光器或負(fù)載量較低的AC感應(yīng)電動機(jī)的速度控 制那樣的有限的用途。
[0014] 與此相反，通過零點控制方式的開關(guān)控制由于以基于AC電源的電壓波形的零點 切換開關(guān)的方式動作，因而在相位控制方式產(chǎn)生的問題不存在，但由于控制周期較長，因而 有控制質(zhì)量低劣的缺點，因此，主要用于對于輸入電源的響應(yīng)速度較慢的電熱器系列的控 制。
[0015] 圖1是概略地表示了通過根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的零點控制方式的供電控制裝置的構(gòu)成 框圖，該圖表示的是在AC電源10與負(fù)載20之間設(shè)置切換部30并通過電力控制部50切換 該切換部30,此時切換部30的切換時刻通過零點檢測部40在AC電源10的電壓波形檢測 出的零點信號而設(shè)定的零點控制方式。
[0016] 圖1的切換部30能夠使用一個雙向半導(dǎo)體開關(guān)元件即三端雙向可控硅（TRIAC) 或者能夠?qū)蜗虬雽?dǎo)體電力元件即晶閘管（Thyristor或SCR:SiliconControlled Rectifier)、功率晶體管（P0WERBJT)、功率MOSFET、IGBT(InsulatedGateBipolar Transistor)等朝向相反的方向并聯(lián)連接兩個而使用。
[0017] 零點檢測部40用于檢測交流電壓的相位與0電位相交的時刻，最為簡單的方法是 組合一個電阻和二極管或光耦合器件(光耦合器）而能夠構(gòu)成，或者組合光耦合器件和晶體 管、運(yùn)算放大器等而能夠構(gòu)成。電力控制部50 -般是使用存儲器和外部控制電路與中央 處理器一體化而集成的微控制單元（MCU:MicroControlUnit)或數(shù)字信號處理器（DSP: DigitalSignalProcessor)等數(shù)字控制器而構(gòu)成。
[0018] 電力控制部50在控制供電量時最常用的是脈沖寬度調(diào)制（PWM:PulseWidth Modulation)，其理由如下：PWM控制方式通過調(diào)整表示邏輯1所輸出的時間長度對于預(yù)先 定義的基準(zhǔn)時間周期的占空（Duty)比，而能夠以所希望的水準(zhǔn)簡易地控制物理量，且在大 部分MCU或DSP等內(nèi)置有PWM控制電路，也都具備相關(guān)程序，因而能夠容易達(dá)到所期望的目 的。
[0019] 以對于所定義的周期使邏輯1所輸出的時間按照控制輸入(是指通過使用者的外 部按鈕輸入等而產(chǎn)生控制信號的輸入)可變的方式具體實現(xiàn)PWM控制方式，而圖2a和圖2b 中圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的固定周期型零點控制方式的PWM控制波形的一例。如圖2a和圖 2b中所圖示，就PWM控制方式而言，向負(fù)載傳遞的交流電壓波形的長度隨控制輸入而異，進(jìn) 行循環(huán)（ONcycle)區(qū)間相當(dāng)于數(shù)字控制器的邏輯1輸出，且中斷循環(huán)（OFFcycle)區(qū)間相 當(dāng)于邏輯〇輸出。圖2a表示電壓波形的50個循環(huán)為1個周期且在控制輸入為40%的情況 下進(jìn)行循環(huán)區(qū)間為20個循環(huán)，圖2b表示電壓波形的50個循環(huán)為1個周期且控制輸入為 80%的情況，所表示的是切換向負(fù)載傳遞的交流電壓的時間隨控制輸入而相異的情況。在將 按照圖2a和圖2b的控制并經(jīng)50個循環(huán)為1個周期供給交流電壓的場合設(shè)為100%時，通 過按照既定的控制輸入設(shè)定接通區(qū)間以及斷開區(qū)間即可供給所希望的量的電能。
[0020] 但如圖2a和圖2b所示，觀察波形分布即可容易地理解，將50個循環(huán)固定為1個 周期的固定周期型零點控制方式，以接通和斷開之和構(gòu)成的控制周期較長，因而從負(fù)載角 度來看，由于斷斷續(xù)續(xù)地供電，因此，存在負(fù)載的能量變動率相對于一個控制輸入來講相當(dāng) 大的問題。
[0021] 而且，若接受上述固定周期型零點控制的負(fù)載的負(fù)載量較大，則由于流經(jīng)電源線 的電阻并流向負(fù)載的較大的電流而在進(jìn)行循環(huán)區(qū)間連接于負(fù)載的電線的電壓降低，且在中 斷循環(huán)區(qū)間由于無流向負(fù)載的電流而反復(fù)進(jìn)行恢復(fù)至原來的電源電壓水準(zhǔn)的動作，因而發(fā) 生在連接于與受控制的負(fù)載相同的電線上的其它負(fù)載供給包括有嚴(yán)重的變動的電源的問 題。例如，在較大的負(fù)載量的電熱器和電燈連接在同一電線上，且以如圖2a和圖2b那樣的 方式控制該電熱器的情況下，會出現(xiàn)電燈閃爍的現(xiàn)象，且所閃爍的周期隨控制輸入而相異。
[0022] 為了改進(jìn)具有上述的固定周期的零點控制方式的較長周期問題而使用如圖3a和 圖3b那樣變形的PWM控制即具有可變周期的零點控制方式。該方法是按照控制輸入而變 換控制周期，而在如圖3a那樣控制輸入為40%的情況下，S卩、在中斷循環(huán)區(qū)間較長的低能量 控制區(qū)域?qū)⒅芷诙x成較短（5個循環(huán)的周期=進(jìn)行2個循環(huán)+中斷3個循環(huán))，并在如圖 3b那樣控制輸入為80%的情況下，S卩、在進(jìn)行循環(huán)區(qū)間較長的高能量控制區(qū)域?qū)⒅芷诙x 成較長（10個循環(huán)的周期=進(jìn)行8個循環(huán)+中斷2個循環(huán))。
[0023] 圖3a和圖3b的可變周期型零點控制方式與固定周期型零點控制方