TW201804161A - 交流回路偵測電路及馬達控制系統 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種交流回路偵測電路，用以偵測交流回路之電流，其包含耦接此交流回路之電流檢知電路。電流檢知電路進一步包含分流電阻、差動放大器以及光耦合器，其中分流電阻串接於交流回路中，差動放大器耦接分流電阻，且光耦合器耦接差動放大器及微處理器。當電流流經分流電阻時會產生電壓降，差動放大器可接收此電壓降並輸出電流訊號至光耦合器，接著光耦合器可將電流訊號轉換為電壓訊號供微處理器讀取。本發明之交流回路偵測電路可利用上述簡單的元件組合完成偵測交流回路內之電流的功效，可降低偵測電路的成本。

Description

交流回路偵測電路及馬達控制系統

本發明係關於一種較低成本的交流回路偵測電路以及應用此交流回路偵測電路之馬達控制系統，更特別地，本發明係關於一種應用簡單元件組合達到偵測交流回路中是否有電流的交流回路偵測電路以及應用此交流回路偵測電路之馬達控制系統。

近代科技快速發展，日常生活中各種用電設備大量增加導致用電量越來越大，使得供電設備經常超負荷運轉，因此電源經常發生問題。據統計，每天各種用電設備都要遭受120次左右各種的電源問題的侵擾，且電子設備60%的故障問題係由電源引起。因此，電源問題的重要性日益凸顯，原先作為配角，資金投入較少的電源越來越受到廠商和研究人員的重視，電源技術遂發展成為一門嶄新的技術。

各種電源設備融合了各種各樣的新技術，例如開關電源、硬開關、軟開關、參數穩壓、線性反饋穩壓、磁放大器技術、數控調壓、PWM、SPWM、電磁兼容等等。為了維護上述電源設備的各種功能，並在過流、過壓等危害情況發生時具有自動保護功能和更高級的智能控制，能夠檢測電源之電流的感測器成為電源設備不可或缺 的一環。

一般的電源分為直流與交流電源，就交流電源回路而言，於先前技術中常利用的電流偵測電路通常是隔離型電流偵測器，例如比流器(CT)或是霍爾元件式電流偵測器。上述比流器或霍爾元件式電流偵測器可串接於交流電源及其負載的電路之中，以將電路中的電流信號傳送至類比/數位轉換器，接著類比/數位轉換器再將電流信號轉換後送至微處理器讀取電流數值。上述隔離型電流偵測器的體積較大且成本高。此外，先前技術中尚有另一種利用二氧化矽所做成的電性隔離類比/數位轉換器，可直接達到偵測交流回路中之電流的功能，但其內部結構複雜，且成本相當高昂。

電源設備最可能產生的問題係無法供電，雖然上述的各種交流回路偵測電路雖然能夠詳細地偵測到電流數值，然而要偵測到此無法供電的問題僅需偵測交流回路中是否仍有電流通過即可，並且，先前技術中的交流回路偵測電路的成本過於昂貴，並不適用於較低價的電源裝置或電子產品。因此，有必要設計一種可偵測交流回路中是否仍有電流通過，且成本低廉的交流回路偵測電路。

本發明之一範疇在於提供一種交流回路偵測電路，其利用簡易且成本低廉的電子元件組合成電流檢知電路，可檢測交流回路中之電流值，如僅需知是否有電流流過此電路，可進一步再簡化電路之設定以達低成本之要求。

根據一具體實施例，本發明之交流回路偵測電路包含簡 易控制電源電路及電流檢知電路，並且電流檢知電路進一步包含分流電阻、差動放大器以及信號隔離器，其中分流電阻串接於交流回路中，差動放大器耦接分流電阻，信號隔離器則耦接於差動放大器與微處理器之間。交流回路中的電流經過分流電阻後會產生電壓降，差動放大器則放大此電壓降並輸出明顯電壓訊號，此電壓信號經串接電組及信號隔離器，將此電壓訊號轉換為具電性隔離的電壓訊號以供微處理器讀取。當微處理器讀取到電壓訊號，即可判斷交流回路中之電流值。

於本具體實施例中，交流回路偵測電路之電流檢知電路係由成本較低廉的電子元件組合而成，如僅須知是否有電流通過，而已並不須知其精確值可進一步簡化此電路設定，因此可有效降低交流回路偵測電路的製造成本。

本發明之另一範疇在於結合馬達控制系統應用，其係以交流回路以及複數個上述的電流檢知電路，可達成以不同運轉速度的效果。

根據另一具體實施例，本發明之馬達控制系統包含交流回路、複數個電流檢知電路以及變頻器。交流回路包含複數條接線，且可選擇性地接通其中一者。複數個電流檢知電路分別連接複數條接線與變頻器，而變頻器則連接馬達。交流回路會對所接通之接線路負載產生電流，電流檢知電路的其中之一在偵測到接線之電流訊號後將輸出電壓訊號給變頻器。變頻器可根據不同電流檢電路所輸出的電壓訊號產生輸出馬達運轉命令，令馬達以不同的運轉速度進行運轉。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述以 及所附圖式得到進一步的了解。

1‧‧‧交流回路偵測電路

2、40‧‧‧交流回路

3‧‧‧微處理器

10、42‧‧‧電流檢知電路

12、44‧‧‧整流濾波電路

14‧‧‧提升電阻

100‧‧‧分流電阻

102‧‧‧差動放大器

104‧‧‧光耦合器

1020‧‧‧第一電阻

1021‧‧‧第二電阻

1022‧‧‧第一電容

1023‧‧‧運算放大器

1024‧‧‧第三電阻

1025‧‧‧第四電阻

1026‧‧‧第五電阻

I1‧‧‧第一輸入端

I2‧‧‧第二輸入端

O‧‧‧輸出端

1040‧‧‧發光二極體

1042‧‧‧光敏元件

20、400‧‧‧交流電源

22‧‧‧負載

VCC1、VCC2‧‧‧外部控制電壓

VO‧‧‧電壓訊號

Vac‧‧‧交流電壓訊號

Iac‧‧‧交流電流訊號

t1‧‧‧週期時間

t2、t3‧‧‧相位差

220‧‧‧漏電檢知線

4‧‧‧馬達控制系統

46‧‧‧變頻器

404‧‧‧接線

5‧‧‧馬達

V‧‧‧偏壓

圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之交流回路偵測電路的示意圖。

圖二係繪示微處理器所量得之電壓訊號、交流電壓訊號以及交流電流訊號對時間的示意圖。

圖三係繪示根據本發明之另一具體實施例之交流回路偵測電路的示意圖。

圖四係繪示根據本發明之一具體實施例之馬達控制系統的示意圖。

請參閱圖一，圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之交流回路偵測電路1的示意圖。如圖一所示，交流回路偵測電路1連接交流回路2以及微處理器3，以偵測交流回路2中是否有電流通過。

於本具體實施例中，交流回路偵測電路1包含電流檢知電路10，並且電流檢知電路10進一步包含分流電阻100、差動放大器102以及光耦合器104。分流電阻100串接於交流回路2中，差動放大器102耦接分流電阻100，而光耦合器104則耦接差動放大器102以及微處理器3。

由於分流電阻串接於交流回路2中，因此交流回路2之交流電源20所輸出之電流經過負載22及分流電阻100後，會在分流電阻100兩端形成一電壓降。分流電阻100的阻抗相對於負載22的阻抗而言 非常小，因此所產生的電壓降相較於負載22的電壓降也非常小，並不會對交流回路2產生大的影響。

差動放大器102進一步包含一第一電阻1020、第二電阻1021、第一電容1022、運算放大器1023、第三電阻1024、第四電阻1025。第一電阻1020以及第二電阻1021的一端分別耦接分流電阻100的兩端，並且第一電阻1020以及第二電阻1021的另一端則分別耦接第一電容1022的兩端。此外，運算放大器1023具有第一輸入端I1、第二輸入端I2以及輸出端O，其中第一輸入端I1耦接第一電阻1020的另一端以及第一電容1022之一端，而第二輸入端I2則耦接第二電阻1021之另一端以及第一電容1022之另一端。第三電阻1024則耦接運算放大器1023之第二輸入端I2與輸出端O，第四電阻1025則耦接輸出端O與光耦合器104。因此，運算放大器電路可於輸出端O放大分流電阻100的電壓降以輸出一個放大後的電壓訊號，而第四電阻1025可將此放大的電壓訊號轉換為電流訊號輸入至光耦合器104。

光耦合器104進一步包含發光二極體1040及與發光二極體1040相隔一距離之光敏元件1042，其中發光二極體1040連接差動放大器102之第四電阻1025的另一端，因此輸出端O所輸出的電流訊號可流過第四電阻1025以及發光二極體1040，使得發光二極體1040發出光線。光敏元件1042設置於可感測到發光二極體1040所發出之光線的位置，當接收到發光二極體1040所發出之光線時，光敏元件1042對應地改變本身的阻抗。交流回路偵測電路1進一步包含提升電阻14，其一端耦接一個外部控制電壓VCC1，另一端則耦接光敏元件1042的以及微處 理器3。當光敏元件1042接收到光線而改變其本身阻抗時，外部控制電壓VCC1以及提升電阻之配合下即可在光敏元件1042與微處理器3耦接之處形成與電流大小有關的電壓訊號，而微處理器3接收到此電壓訊號時，即可判斷交流回路中1中有電流通過。由於發光二極體1040與光敏元件1042相隔一距離，且兩者間以光線進行溝通，故光耦合器104於此做為信號隔離器之用。於實務中，可利用具有信號隔離或電氣隔離功能之類似的信號隔離器取代光耦合器，例如信號變壓器等。

因此，本具體實施例之交流回路偵測電路中的電流檢知電路，實質上只包含數個電阻、電容、一個運算放大器以及一個光耦合器即可達成檢測交流回路中之電流值以及是否有電流流過的功能，其成本相較於先前技術的偵測電路而言非常低廉。此外，由於分流電阻僅取出極小的電壓降而透過差動放大器放大電壓降訊號，因此並不會對原來的交流回路有影響。

於本具體實施例中，差動放大器102係以運算放大器1023組合其他電容、電阻而形成差動放大電路，運算放大器1023需要一個極小的操作電源才能工作，而此操作電源可由交流回路2擷取而來。請再參閱圖一，於本具體實施例中，交流回路偵測電路1除了電流檢知電路10外，還可包含整流濾波電路12耦接交流回路2。整流濾波電路12可從交流回路2中擷取一小部分電壓，經過整流、濾波後輸出至運算放大器1023做為其操作電壓。由於運算放大器1023所需要的操作電壓極低，因此整流濾波電路12同樣僅需從交流回路2中擷取極小的電壓即可供運算放大器1023運作，不會對交流回路2產生大的影響。

如圖一所示，差動放大器102進一步包含第五電阻1026，其耦接於另一個外部控制電壓VCC2及運算放大器1023之第一輸入端I1之間，外部控制電壓VCC2以及第五電阻1026可提供偏壓，使得交流電流信號提升至零值以上準位，因此運算放大器可以正向單一電源進行操作。如果僅需得知偵測有無電流，則可提電路中的放大倍率，再取消此外部控制電壓VCC2以及第五電阻1026，可得更精簡電路。當差動放大器102之差動放大倍率設定較大時，可做為電流過零點偵測之用。

請參閱圖二，圖二係繪示微處理器3所量得之具偏壓V的與電流有關電壓訊號VO(a)、不具偏壓的與電流有關的高放大倍率電壓訊號VO(b)、交流電壓訊號Vac以及交流電流訊號Iac對時間的示意圖。電壓訊號VO(a)及VO(b)係圖一之微處理器3自光耦合器104得到的電壓訊號，交流電壓訊號Vac係交流電源20之電壓訊號，交流電流訊號Iac係交流回路2中的電流訊號。實務中，微處理器3也可以同時對交流電壓訊號Vac及交流電流訊號Iac同時進行偵測。當偵測不具偏壓的與電流有關的高放大倍率電壓訊號VO(b)時，可得知電流過零點資訊之脈波信號，此脈波信號週期時間t1即交流電流訊號Iac半波的週期，故可得知交流電流訊號Iac以及交流電壓訊號Vac的頻率。此外，若同時進行交流電壓訊號Vac以及交流電流訊號Iac對時間t的偵測，配合電壓訊號VO(a)或VO(b)即可得知交流電壓訊號Vac與交流電流訊號Iac間的相位差t2及t3，藉此達到交流回路2的電壓與電流間的相位差偵測。

請參閱圖三，圖三係繪示根據本發明之另一具體實施例 之交流回路偵測電路1的示意圖。如圖三所示，本具體實施例之交流回路偵測電路1與上一具體實施例大致相同，其不同處在於交流回路偵測電路1的分流電阻100係串接於由負載22所接出的漏電檢知線220。

如前所述，若漏電檢知線220有電流流過，分流電阻100會產生電壓降，電流檢知電路10可將此電壓降放大並轉換為微處理器3能讀取到的電壓訊號。一旦微處理器3讀取到電壓訊號，即可判斷負載22產生漏電現象，進而及時對負載22或整個交流回路2進行維修或故障排除。因此，本發明之交流回路偵測電路也可應用在交流回路之漏電檢測。

請參閱圖四，圖四係繪示根據本發明之一具體實施例之馬達控制系統4的示意圖。如圖四所示，馬達控制系統4可用來控制馬達5，馬達控制系統4包含交流回路40、複數個電流檢知電路42、整流濾波電路44以及變頻器46。交流回路40具有多條接線404，並且其交流電源400選擇性地接通其中一條接線404並對接通的接線404供電。各電流檢知電路42分別與多條接線404的其中一者連接，各電流檢知電路42分別與變頻器46連接且變頻器46與馬達5連接。交流電源400、電流檢知電路42、變頻器46以及馬達5形成交流回路40，藉此可對馬達5供電使其運轉。

各電流檢知電路42如前述具體實施例，包含了分流電阻、差動放大器以及光耦合器。分流電阻串接於相對應的接線404上，差動放大器耦接分流電阻，而光耦合器則耦接於差動放大器及變頻器46之間，電流檢知電路42之內部詳細構造與上述具體實施例之電流檢 知電路10大體上相同，故於此不再贅述。馬達控制系統4之整流濾波電路44，同樣與前述具體實施例之整流濾波電路12大體上相同，可自交流回路40中擷取部分電壓，經過整流、濾波後輸出至各電流檢知電路42的差動放大器做為其操作電壓。

各電流檢知電路42如前述具體實施例，可取出由接線404輸入的部分電壓降而放大輸出一電壓訊號，而變頻器46接收到此電壓訊號時，可判斷目前是哪一個電流檢知電路42輸出電壓訊號，進一步判斷目前是哪一條接線404供電，並據此輸出不同的馬達運轉命令來控制馬達以不同運轉速度運轉。舉例而言，當交流回路2接通圖四最上方的接線404時，與此接線404耦接的電流檢知電路42輸出電壓訊號給變頻器46，因此變頻器46可獲知最上方的接線24提供電力，並且輸出第一馬達運轉命令。同樣地，當第二個或第三個接線404接通時，變頻器46也可獲知哪一條接線24目前正提供電力，並據此輸出與第一馬達運轉命令不同的第二或第三馬達運轉命令。

於另一具體實施例中，交流回路40可同時接通多個接線404，使變頻器46能獲得更多種組合的電壓訊號，以設定更多不同的馬達運轉命令，使馬達能以更多不同的運轉速度進行運轉，同時還可節省電流檢知電路42的數量。

綜上所述，本發明之交流回路偵測電路可利用簡單且成本低廉的電路元件組合而達到偵測交流回路是否有電流通過的效果，進而偵測交流回路的電源是否有異常。相較於先前技術，本發明之交流回路偵測電路成本較低，可應用於低價的電源裝置與電子產品上。 此外，除了用來偵測交流回路中的電源是否有異常之外，本發明的交流回路偵測電路還可用來偵測交流電源的頻率與相位差，也可用來偵測是否有漏電發生或者控制馬達的轉速。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1‧‧‧交流回路偵測電路

2‧‧‧交流回路

3‧‧‧微處理器

10‧‧‧電流檢知電路

12‧‧‧整流濾波電路

14‧‧‧提升電阻

100‧‧‧分流電阻

102‧‧‧差動放大器

104‧‧‧光耦合器

1020‧‧‧第一電阻

1021‧‧‧第二電阻

1022‧‧‧第一電容

1023‧‧‧運算放大器

1024‧‧‧第三電阻

1025‧‧‧第四電阻

1026‧‧‧第五電阻

I1‧‧‧第一輸入端

I2‧‧‧第二輸入端

O‧‧‧輸出端

1040‧‧‧發光二極體

1042‧‧‧光敏元件

20‧‧‧交流電源

22‧‧‧負載

VCC1、VCC2‧‧‧外部控制電壓

Claims (8)

1. 一種交流回路偵測電路，連接一交流回路以及一微處理器，用以偵測該交流回路之一電流，該交流回路偵測電路包含：一電流檢知電路，包含：一分流電阻，串接於該交流回路中，該電流流經該分流電阻後產生一電壓降；一差動放大器，耦接該分流電阻，該差動放大器自該分流電阻接收該電壓降並輸出一電流訊號；以及一信號隔離器，耦接該差動放大器以及該微處理器，該信號隔離器自該差動放大器接收該電流訊號，並將該電流訊號轉換為一電壓訊號供該微處理器讀取。
2. 如申請專利範圍第1項所述之交流回路偵測電路，其中該差動放大器進一步包含：一第一電阻，耦接該分流電阻之一端；一第二電阻，耦接該分流電阻之另一端；一第一電容，該第一電容之兩端分別耦接該第一電阻及該第二電阻；一運算放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端耦接該第一電容之一端以及該第一電阻，該第二輸入端耦接該第二電容之另一端以及該第二電阻；一第三電阻，耦接該二輸入端以及該輸出端；以及一第四電阻，耦接該輸出端以及該光耦合器，該第四電阻將該輸出端所輸出之電壓轉變為該電流訊號以輸出至該光耦合器。
3. 如申請專利範圍第2項所述之交流回路偵測電路，進一步包含一整流濾波電路耦接該交流回路，該整流濾波電路自該交流回路中擷取一電壓並將該電壓輸入該運算放大器以做為該運算放大器之一操作電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述之交流回路偵測電路，其中該信號隔離器係一光耦合器，該光耦合器進一步包含一發光二極體以及與該發光二極體相隔一距離之一光敏元件，該發光二極體連接該差動放大器以接收該電流訊號並發光，該光敏元件接收該發光二極體所發出之光並輸出該電壓訊號，該光耦合器藉相隔該距離之該發光二極體及該光敏元件達成一電氣隔離特性。
5. 如申請專利範圍第4項所述之交流回路偵測電路，進一步包含一提升電阻耦接該光敏元件，該提升電阻同時耦接一外部控制電壓，進而提高該電壓訊號之電壓。
6. 如申請專利範圍第1項所述之交流回路偵測電路，其中該信號隔離器係一信號變壓器，該信號變壓器自該差動放大器接收該電流訊號，並將該電流訊號轉換為該電壓訊號，且提供一電氣隔離特性。
7. 如申請專利範圍第1項所述之交流回路偵測電路，其中該分流電組串接於該交流回路偵測電路之一漏電檢知線上，該交流回路偵測電路偵測該漏電檢知線之該電流並輸出該電壓訊號供該微處理器讀取。
8. 一種馬達控制系統，用以推動一馬達，該馬達控制系統包含：一交流回路，包含複數條接線，該交流回路接通該等接線的其中之一者；複數個電流檢知電路，分別連接該等接線，每一該等電流檢知電路包含：一分流電阻，串接於對應之該接線，該電流流經該分流電阻後產生一電壓降；一差動放大器，耦接該分流電阻，該差動放大器自該分流電阻接收該電壓降並輸出一電流訊號；以及一光耦合器，耦接該差動放大器，該光耦合器自該差動放大器接收該電流訊號，並將該電流訊號轉換為一電壓訊號；以及 一變頻器，耦接該等電流檢知電路以及該馬達，該變頻器係根據該等電流檢知電路所輸出之該等電壓訊號輸出一馬達運轉命令控制該馬達以不同的運轉速度運轉。