专利名称:一种数字式电子有级调速电扇的制作方法
本实用新型属一种家用电器。
一般电扇用电抗法、绕组抽头法、自耦变压器法等进行有级调速；其缺点是级数太少，仅3－5级，且很难顾及40％额定功率以下分级的超低速运行。近年用可控硅移相斩波法进行电子无级调速；其缺点是电压波形严重畸变而成为电网公害并伴有高频电磁干扰；此外由于移相相位角与风速间是复杂的非线性关系和调速时电扇机电特性引起的时滞使得无级调速这一优点一般只能闭环使用，而电扇却是按开环系统设计的。因此根据自动控制的反馈原理，对于习惯上按开环纯线性方式调节的一般使用者来说要反复修正几次才能得到合适的风速，这一现象在调速范围两端尤为明显。
在模拟自然风方面人们希望其风速、时间间隔的变化均具随机性；但不是真正自然风的那种随机性，因为其不一定合符人们的需要；同时人们在用电扇有不同的强弱要求，因此希望选择随机性类型不同的模拟自然风。此外希望对其最高风速和最低风速也能选择和限制。此外选择的范围也要较大，现有技术中用微电脑控制的电扇具有模拟自然风功能，性能较好，但可选择和限制的模拟自然风种类却很少；其成本也较高。
本实用新型的目的是提供一种数字式电子有级调速电扇；可实现无电压波形畸变，从而根本上解决了高频电磁干扰的来源；有足够多的线性离散调节级数供数字式开环调速。它在起动及超低速运行时还可作数字设定补偿以改善性能。
在模拟自然风方面，风速、时间间隔的变化均可具随机性；最高风速和最低风速能选择和限制，并可选择的模拟自然风种类。同时能为模拟自然风提供的种类将大大多于现有的电扇。
本实用新型的原理是电扇的转速与输入的电功率是近似线性关系，因此限制输入的电功率可实现调速，类似于脉冲调速。方法是一个正弦波群中导通的正弦波个数与正弦波群的正弦波总个数之比即为输入电功率与可输入最大电功率之比，近似于调速比。本技术方案的内容是控制电机的双向可控硅为零触发和正负半周完整且成对地导通并受控于数字转换电路；该电路决定可控硅在一个工作周期中允许L个最小工作单元导通。其中工作周期由M个最小工作单元组成，最小工作单元由N′个完整的正弦波组成；L用N位二进制数设置；N、N′、M、L均为正整数。零触发即控制电机的双向可控硅的触发脉冲的相位角基本上是零度，由一个电网过零检测电路输出的脉冲沿位于零相位角的时钟经2×N′分频后作为数字转换电路的时钟，这样数字转换电路输出的触发脉冲允许信号就保证了双向可控硅为零触发和正负半周完整且成对地导通。数字转换电路主要由计数器和译码电路组成，且随电路不同其输出的触发脉冲允许信号有两种波形；一种是L×N′个正弦波连续导通即在工作周期中触发脉冲允许信号只变化一次，另一种是L×N′个正弦波分散地导通即在工作周期中触发脉冲允许信号变化L次。
为了在起动时改善性能可用一个得电延时电路对L的高位、次高位设置有效电平补偿。为了在超低速运行时改善性能可用一个频率、占空比均可调的方波发生器对L的某些位作可选择的脉动补偿。
为了在模拟自然风方面得到风速、时间间隔的变化均可具随机性；最高风速和最低风速能选择和限制，可选择的模拟自然风种类相当多的效果，可用一个数字设定选择网络(开关选择网络)使L的每一位均可在一个随机数发生器的N位输出端及高低电平之间选择。这样随机数发生器使风速、时间间隔的变化均可具随机性；加上高低电平的组合模拟自然风的最高风速和最低风速就能选择和限制。随机数发生器的数值可按准随机数发生器变化规律变化；其变化的时间间隔即时钟有效沿间的脉宽可按另一个准随机数发生器数值大小变化规律变化，该准随机数发生器时钟来自一个频率可调的方波发生器的输出。为了得到更多的变化，准随机数发生器的N位输出端均可具有反相输出。这样开关选择网络每一位可有八种选择，其N位的组合输出编码就很可观了。随机数发生器的数值及其变化的时间间隔按准随机数发生器变化规律变化时，两个准随机数序列互相对位由开机随机状态决定并决定模拟自然风的类型。为了能选择模拟自然风，在于随机数发生器的数值及其变化的时间间隔之间互相对位可加手动移位，即在决定随机数发生器数值的准随机数发生器的时钟端加一个单个脉冲发生器，并在随机数发生器的手动移位时加提示装置，如发光二极管显示准随机数发生器的输出状态。为了得到进一步的随机性，可使可控硅触发允许信号按某种规律作同反相轮换输出。如用一个T触发器并控制一个由异或门构成的同反相转换器并使准随机数发生器的时钟二分频即可，这样准随机数序列的长度增加一倍。如T触发器受控于一个对时钟分频的计数器或者异或门构成的同反相转换器受控于一个频率、占空比可调的方波发生器，则准随机数序列的长度将增加十倍以上。
与现有技术相比本实用新型的优点在于从根本上解决了用可控硅移相斩波法进行电子无级调速的电压波形严重畸变而成为电网公害和伴有的高频电磁干扰，因而无电压波形畸变；特有的调速方法不但使40％额定功率以下分级的超低速运行可行，而且可提供的足够多的线性离散调节级数满足了按开环纯线性方式调节的一般使用者的习惯。实施例给出了一种N＝4的电扇，有从0到最大风速基本均布的16种风速。现有技术中除微电脑控制的电扇外不考虑最佳起动，而本实用新型用简单的电路就可实现。在超低速运行时可迭加一个频率、占空比均可调的、风速大小可选择的脉动风，仅这一功能已优于一般电扇的模拟自然风。
现有技术中用微电脑控制的电扇具有模拟自然风功能，但可选择的模拟自然风种类却很少；其成本也高。本实用新型在模拟自然风方面，风速、时间间隔的变化均可具随机性；突出的优点是最高风速和最低风速能选择和限制，并可选择模拟自然风的种类。实施例给出了一种N＝4的电扇，有从0到最大风速基本均布的16种风速，在模拟自然风方面，风速、时间间隔的变化均可具随机性；最高风速和最低风速能选择和限制，并可选择15种模拟自然风大类。其互不重复基本模拟自然风类型有2211840种，加上变化其种类可达千万以上。
通过附图实施例对本实用新型作进一步说明，参数N＝4，N′＝1，M＝15，数字电路以CMOS为例。
图1电机、可控硅及其受控触发电路、直流电源和电网过零检测电路，图2、3、4三种数字转换电路，图5波形图，图6起动补偿电路，图7超低速运行时脉动补偿电路，图8准随机数发生器，图9开关选择网络，图10随机数发生器，图11周期倍增电路。
图1D为电机；KP为可控硅；L2、D1－4、C1、R1、R2、GD组成触发电路。GD－复合管输出光电耦合器(达林顿型)，T信号为高电平时GD有电压输出去触发可控硅，限流电阻R1按限流30mA设计，R2＝1K，L2、D1－4、C1组成最简单的直流电源设计参数V＋在5－10V之间，负载电流0.05A。L3、D5－10、C2－3、R3－5、BG组成为数字电路供电的直流电源和电网过零检测电路。L3、D5－9、C2、R3、组成为数字电路供电的直流电源按常规设计，参数VDD在5－15V间取值，负载电流0.08A。D10、R4－5、C3、BG组成电网过零检测电路，D10将脉动直流隔开，R4、C3为取样、滤波、移相电路，使晶体管BG于过零点截止，RC时间常数小于1ms，R4兼作BG基极限流电阻与R5一起使BG的饱和电流小于3mA即可，f端输出100Hz的时钟。变压器BT为2VA，熔丝RD，开关K1按常规设计。
图2IC1、IC2均为可预置1／N分频器，D、C、B、A为四位二进制置数端，CP为时钟端，由来自电网过零检测电路的f经T触发器二分频后作时钟，置数允许端PE高电平时将D、C、B、A置入分频器，按CP脉冲作减一运算，并在全零时由全零信号输出端OC端输出一个高电平脉冲。IC2对工作周期长度M作减一运算，D、C、B、A均为高电平，在每个工作周期结束时其OC端输出一个高电平脉冲，使IC1、IC2同时置数，并使T触发器翻转其Q端置高电平并输出作为使可控硅导通的触发脉冲允许信号T。IC1的D、C、B、A端与设置四位二进制数L的开关相联，在IC2的OC脉冲作用下L置入IC1作减一运算，其OC端输出脉冲使T触发器翻转置低电平。IC1、IC2的OC端经一个或门作用于T触发器的时钟端。其可控硅工作波形是L×N′个正弦波连续导通即工作周期中允许信号只变化一次，数字电路输出T信号的波形见图5说明。
图3IC3为四位二进制计数器；时钟与图2同；其输出的四位二进制数送入四位二进制数比较器IC4的B1、B2、B3、B4端，IC4将其与送入A1、A2、A3、A4的四位二进制数L比较，结果在OUT(A＞B)及OUT(A＝B)端经或门输出。IN(A＞B)及IN(A＝B)为高电平；IN(A＜B)为低电平；当A＞B时OUT(A＞B)为高电平，A＝B时OUT(A＝B)为高电平，A＜B时两端均为低电平。或门的输出为可控硅的触发脉冲允许信号T，波形与图2同。
图4IC5为四位二进制计数器；其时钟与图2同；D、C、B、A与设置四位二进制数L的开关相连，其译码电路逻辑式
T′＝A·
Qd·Qb·Qa+B·
Qc·Qb·Qa+C·
Qb·Qa+D·
Qa+ CPJ为单稳态触发器，它将T′展宽成T信号，脉宽＞13ms，＜20ms。R，C按所选单稳态触发器而定。图4数字转换电路的波形与图2不同；在一个工作周期中输出的触发脉冲允许信号T变化L次，即在M中有L个单个脉冲，图2则是触发允许信号T的脉宽为L。图4的可控硅波形是L×N′个正弦波分散地导通。
图5三种数字转换电路波形图；设L＝5，则A＝1，B＝0，C＝1，D＝0；CP的频率为50Hz；T1、T2分别为图1、图2允许信号T的波形；T3为图4T′的波形；可以看出两种波形的不同，就电机特性而言T3的波形较好。
图6起动补偿电路；由一个用得电脉冲触发的单稳态触发器构成，脉宽＞5秒；＜20秒，利用CMOS或门的高输入阻抗可方便做成微分型单稳电路，R6＝500K；C4＝220微法。或门的另一输入端接四位二进制数L的设置开关，其输出端接数字转换电路输出端的高位。
图7超低速运行时脉动补偿电路；一个超低频的频率，占空比均可调的方波发生器，利用CMOS的D触发器构成，当D触发器的Q端为高电平时经限流电阻R7(300K)、电位器W1(1M)对C5充电构成积分电路。当D触发器的R端达到翻转电平时D触发器Q端为低电平，C5上的电压经泄放二极管D11放电；这时R8、W2、C6、D12支路对S端积分，原理、参数与R7支路同。W1、W2用来调频率，占空比，其周期从几秒到几十秒，CP1为输出脉冲可经或门接数字转换电路的某些位作脉动补偿。
图8准随机数发生器；由四个D触发器组成环形寄存器，但其第一位输入由末两位经异或门后提供。随着CP的输入，准随机数发生器的D、C、B、A送出一个以四位二进制数组成的周期长度为15个数的准随机数序列；其16进制形式为F、7、3、1、8、4、2、9、C、6、B、5、A、D、E。
图9开关选择网络；D、C、B、A来自准随机数发生器的输出端；K1、K2、K3、K4为反相控制端，合上时异或门将对应的D、C、B、A反相输出，四只限流电阻R均为100K。K5、K6、K7、K8为选择开关，当其在有反相输出的D、C、B、A中作不共线的选择时，开关选择网络的输出D′、C′、B′、A′共有384种互不相同的准随机数序列；当选择在VDD时准随机数的下限被限定，在接地时上限被限定；限定值由8421码确定。LED、BG1、R9、R10、为一般LED显示电路作提示用，每一位接一路，按一般规律设计。
图10随机数发生器；［1］、［2］为图8的准随机数发生器；［3］、［4］为图9的开关选择网络；IC6与IC1同。本电路的输出D、C、B、A作数字转换电路的输入。IC6的时钟CP用图7的方波发生器的CP1，可省去一支路；准随机数发生器［1］的输出经开关选择网络［3］后送入IC6的D、C、B、A；IC6的OC输出一个脉宽按开关选择网络［3］输出的准随机数数值变化的脉冲序列，作为准随机数发生器［1］、［2］的时钟CP；这样随机数发生器的数值及其变化的时间间隔均可按准随机数发生器变化规律变化。由于［1］、［2］各有384种准随机数序列，每个序列长度均为15个数，随着开机时的随机状态使得［1］和［2］共有15种随机组合；因此共有互不重复的基本类型384×384×15＝2211840种，加上派生变化其种类至少在千万以上。K9、限流电阻R(100K)、或门组成手动移位电路，即附加时钟脉冲使［1］和［2］的15种组合可选。
图11周期倍增电路；用一个T触发器将时钟二分频后作准随机数发生器的时钟；同时控制一个由异或门构成的同反相控制电路，异或门的另一输入端接T信号。T触发器输出高电平时T信号反相。
实施例一基本型；由图1加上图2、3、4之一和四位二进制数L设置开关(16进制编码开关)组成。有开环设定的从0到最大风速16种均布风速，无随机自然风。
实施例二基本型加图6、图7。增加起动补偿、超低速运行时脉动补偿；在超低速运行时可迭加一个频率、占空比均可调的、风速大小可选择的脉动风，仅这一功能已优于一般电扇的模拟自然风。
实施例三基本型加图6、图7、图10；在模拟自然风方面，风速、时间间隔的变化均可具随机性；最高风速和最低风速能选择和限制，并可选择15种模拟自然风大类。其互不重复基本模拟自然风类型有2211840种，加上变化其种类可达千万以上。
实施例四基本型加图6、图7、图10、图11；风型改为1105920种基本型(30个数一个周期)的随机自然风。如图11改为T触发器受控于一个对时钟分频的计数器；如图2的IC1；或者异或门构成的同反相转换器受控于一个频率、占空比可调的方波发生器，则准随机数序列的长度将增加十倍以上。
权利要求
1.一种数字式电子有级调速电扇，由电机、双向可控硅、变压器、数字电路计数器及门电路、电网过零检测电路、二进制设定开关组成、其特征在电网过零检测电路输出一个经分频后为电网频率整数倍的脉冲作为数字转换电路的时钟，计数器及译码用门电路组成一个数字转换电路，计数器对时钟计数，译码电路将计数状态与二进制设定开关设置数比较以决定数字转换电路输出的触发脉冲是否为有效电平，当其为有效电平时双向可控硅自零相位导通。
2.根据权利要求
1所述电扇，其特征在于二进制设定开关为一个开关选择网络，由高低电平及一个准随机数发生器的N位输出端与N′个单刀N＋2投开关的N＋2端相联，单刀端为输出端与数字转换电路的二进制数设置端相联。
3.根据权利要求
2所述电扇，其特征在于准随机数发生器的N位输出端均可加一个可控同反相转换器，可反相输出。
4.根据权利要求
2所述电扇，其特征在于准随机数发生器可具有正反相输出。
5.根据权利要求
2所述电扇，其特征在于准随机数发生器的时钟变化的时间间隔按另一准随机数发生器变化规律变化。
6.根据权利要求
1所述电扇，其特征在于起动及超低速运行时可对数字转换电路二进制数设置端的高位临时设置高电平脉冲补偿，其中超低速运行时为脉动的，其频率、占空比均可调，由或门联接。
7.根据权利要求
2、3、4、5述电扇，其特征在于可控硅触发允许信号可按准随机数周期数的奇偶性作正反相输出，即由一个T触发器控制正反相转换器对输出转换。
专利摘要
一种数字式电子有级调速电扇，由电机、双向可控硅、数字转换电路、开关网络组成。从根本上解决了用可控硅移相斩波法进行电子无级调速的高频电磁干扰；特有的调速方法可超低速运行实施例给出的电扇有从0到最大风速基本均布的16种风速，在模拟自然风方面，风速、时间间隔的变化均可具随机性；最高最低风速能选择和限制，并可选择15种模拟自然风大类。其互不重复基本模拟自然风类型有2211840种，加上变化其种类可达千万以上。
文档编号F04D27/02GK86206615SQ86206615
公开日1988年10月5日 申请日期1986年12月23日
发明者朱守云, 朱守晨 申请人:朱守云, 朱守晨导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan