專利名稱：節(jié)能電機(jī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性涉及交流電機(jī)的控制，而具體涉及單相與三相感應(yīng)電機(jī)的功率因數(shù)控制器。
其它傳統(tǒng)系統(tǒng)與方法包括(1)不依靠精確的時(shí)基而采用基于不精確時(shí)基的計(jì)數(shù)器或易隨溫度、電壓或負(fù)荷漂移影響或者本身也易受外部信號(hào)或干擾所阻斷的通常導(dǎo)致低效或不適當(dāng)?shù)目刂苿?dòng)作的控制器及方法；(2)易遭受嚴(yán)重的反向EMF效應(yīng)或在電機(jī)或控制器本身中生成的其它電磁干擾的系統(tǒng)，這種反向EMF效應(yīng)或其它電磁干擾可明顯地干擾精確的功率因數(shù)感測與控制或由于存在高干擾程度而不能處理傳感器參數(shù)或生成明確的控制信號(hào)；(3)只是在連接在控制器上的電機(jī)工作條件良好，正確地接線到電源與/或控制器上或不存在通常導(dǎo)致不能適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償或調(diào)節(jié)功率因數(shù)或在一些情況中的電機(jī)故障的重大相位繞組不規(guī)則、不平衡或機(jī)械不平衡的負(fù)荷時(shí)才工作得良好的系統(tǒng)與方法；(4)必須人工調(diào)節(jié)來提供獨(dú)特的應(yīng)用條件的系統(tǒng)，它們是費(fèi)力費(fèi)錢的，并且由于調(diào)節(jié)范圍有限而不能提供最佳調(diào)節(jié)；(5)手動(dòng)設(shè)定要求的功率因數(shù)參數(shù)或一旦設(shè)定了平均功率因數(shù)便固定不變，并且最佳只能近似于希望從系統(tǒng)得到的潛在效率改進(jìn)；以及(6)需要復(fù)雜的控制電路或?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行改造以便提供高效控制的系統(tǒng)或方法，而這也趨向于提高制造、安裝系統(tǒng)或使用它們的成本的。
按照本發(fā)明的另一方面，觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器所提供的控制信號(hào)有選擇地?cái)嚅_與閉合耦合在第一與第二節(jié)點(diǎn)之間的SCR的門驅(qū)動(dòng)器。
在本發(fā)明的另一方面中，觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器包括用于感測作用在電機(jī)繞組上的交流電壓的第一輸入端；用于感測對應(yīng)于作用在電機(jī)繞組上的交流電壓的電機(jī)繞組中的交流電流的第二輸入端；用于提供控制各該第一與第二SCR的觸發(fā)控制信號(hào)的輸出端；以及包含連續(xù)運(yùn)行的時(shí)基的響應(yīng)分別對應(yīng)于第一與第二輸入端的第一與第二中斷生成觸發(fā)控制信號(hào)的控制設(shè)備。
在本發(fā)明的又另一方面中，該控制設(shè)備包括用于測定出現(xiàn)在作用的交流電壓的選擇相位中的第一與第二中斷之間的流逝的時(shí)間及用于計(jì)算該流逝的時(shí)間與一預(yù)定因子之積的測量系統(tǒng)。該控制設(shè)備具有在交流電壓的選擇相位期間電機(jī)中電流的過零點(diǎn)后面的第一時(shí)間間隔內(nèi)生成觸發(fā)控制信號(hào)的能力，其中該觸發(fā)控制信號(hào)具有基本上等于流逝時(shí)間與該預(yù)定因子之積的持續(xù)時(shí)間；及其中進(jìn)一步地該第一與第二門驅(qū)動(dòng)電路對于觸發(fā)控制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間被截止。
最佳實(shí)施方式現(xiàn)在參見

圖1，其中示出了按照本發(fā)明的三相功率因數(shù)控制器10的一個(gè)實(shí)施例的框圖。圖1中的各相控制部件標(biāo)識(shí)為各自的相位，以符號(hào)φ1、φ2與φ3表示。單相控制部件耦合在同時(shí)示出在圖1中的CPU與復(fù)合比較器的組合上并受其控制，此外DC電源為CPU與復(fù)合比較器提供工作電壓。圖1中還示出來自工作于50或60Hz的三相交流電源的進(jìn)入連接線及到受按照本公開的功率因數(shù)控制器控制的三相感應(yīng)電機(jī)的外出連接線。
在圖1中所示的功率因數(shù)控制器10中，三相交流電壓的進(jìn)入相位是分別沿線L1、L2與L3耦合的。各相位控制部件包含標(biāo)記為L1、M1、I1、T與Vcc的接線端。用參照數(shù)字11標(biāo)識(shí)的線路L1耦合在節(jié)點(diǎn)14與相位控制部件φ1的L1接線端上。相位控制部件φ1是用參照數(shù)字13標(biāo)識(shí)的。類似地標(biāo)識(shí)為線路18的L2耦合在節(jié)點(diǎn)21及相位控制部件20(即φ2)的L2端上。類似地標(biāo)識(shí)為線路25的線路L3耦合在節(jié)點(diǎn)28及相位控制部件27(即φ3)的接線端L3上。以類似的方式交流電壓線從相位控制部件13上的接線端M1耦合到節(jié)點(diǎn)16并從那里沿線路12到M1端從而連接到三相感應(yīng)電機(jī)。線路19從相位控制部件20的M2端耦合到節(jié)點(diǎn)23并從那里沿線路19到電機(jī)的M2端。線路26將相位控制部件27的M3端耦合到節(jié)點(diǎn)30上并沿線路26到三相感應(yīng)電機(jī)的M3端。圖1中還示出從輸入交流電壓源到用導(dǎo)電路徑32標(biāo)識(shí)的接地端到標(biāo)識(shí)大地的符號(hào)的連接。
繼續(xù)參見圖1，在本公開的三相系統(tǒng)中三相的各相是相對于大地平衡的，這些相位之一被選擇作為圖1中所示的功率因數(shù)控制器系統(tǒng)的控制電路的地基準(zhǔn)。圖1中指定的控制電路地基準(zhǔn)是在節(jié)點(diǎn)14處連接到線路L1上的。這一控制電路接地是用連接在節(jié)點(diǎn)33上的接地符號(hào)示出的，圖1中節(jié)點(diǎn)33連接在節(jié)點(diǎn)14上。將會(huì)理解耦合在節(jié)點(diǎn)33上的這一控制電路接地是對大地的浮動(dòng)接地，因?yàn)樗谌魏谓o定的時(shí)刻上呈現(xiàn)存在于線路L1上的電位。這是因?yàn)樵诘碗妷荷瞎ぷ鞯乃锌刂齐娐范级ㄎ坏焦?jié)點(diǎn)33上的這一特定控制電路接地線上且各控制或感測信號(hào)是通過絕緣循環(huán)(circulation)耦合在相位控制部件上。絕緣電路除了將高電壓AC與低電壓控制部件絕緣，還從耦合在控制部件與單個(gè)相位控制部件之間的信號(hào)中消除任何直流分量。
各相位控制部件包括一對SCR用于將交流電壓切換到電機(jī)繞組上。還包含門驅(qū)動(dòng)電路用于控制SCR的切換、用于獲取關(guān)于相應(yīng)交流電壓與電流相位的過零事件的定時(shí)信息的過零感測電路、以及存在于控制與感測信號(hào)線路中的上述高壓/低壓絕緣。從而例如相位控制部件13包含用于接連到交流電壓線路L1、電機(jī)電壓線M1、還有到一部分絕緣電路的直流電壓Vcc、觸發(fā)控制信號(hào)的接線端T及來自用于感測電流信號(hào)的過零點(diǎn)的接線端I1的端點(diǎn)。類似地相位控制部件20具有連接到線路L2、到電機(jī)的線路M2、來自直流電源Vcc、到觸發(fā)控制信號(hào)的接線端T及來自電流感測過零信號(hào)的接線端I2的端點(diǎn)。最后，相位控制部件27類似地包含連接到交流電壓線L3的端點(diǎn)L3、將相位控制部件連接到電機(jī)繞組端點(diǎn)M3上的端點(diǎn)M3、以及Vcc、觸發(fā)控制信號(hào)T的端點(diǎn)與φ3的電流感測過零信號(hào)的端點(diǎn)I3。
還能觀察到連接在節(jié)點(diǎn)14、21與28上的有連接在標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)與大地之間的諧波抑制電容器，它們分別是電容器15、22與29。以類似的方式，節(jié)點(diǎn)16、23與30也通過標(biāo)識(shí)為電容器17、24與31的諧波抑制電容器耦合在大地上。每個(gè)諧波抑制電容器吸收線路電壓尖峰形式的瞬時(shí)能量，可能存在在各自的交流電壓線路L1、L2與L3或到電機(jī)繞組M1、M2與M3的導(dǎo)線上的斷開瞬變或其它高頻噪聲。
繼續(xù)參見圖1，其中示出了直流電源34，它在節(jié)點(diǎn)41上從線路L3獲取交流電壓通過線路42、電容器43、電阻器44與節(jié)點(diǎn)49到連接在控制部件CPU35的端點(diǎn)Vs上的節(jié)點(diǎn)50。電容器43連同電阻器44作為高通濾波器工作。耦合在節(jié)點(diǎn)49上的還有連接到控制部件接地線上的電阻器48，它與電阻器44一起提供將線路L3上的進(jìn)入交流電壓的幅值降壓到節(jié)點(diǎn)49與50的分壓器。設(shè)置了端點(diǎn)Vs來感測作用在電機(jī)上的交流電壓的過零點(diǎn)。耦合在節(jié)點(diǎn)50上的還有用接帚51及端點(diǎn)52與53標(biāo)識(shí)的雙刀單擲開關(guān)S1。
端點(diǎn)53耦合在電源34的交流輸入上。電源34包含用于將進(jìn)入的交流電壓轉(zhuǎn)換成未調(diào)節(jié)的直流電壓的整流器電路。將未校準(zhǔn)的直流電壓作用在電源34內(nèi)的電壓校準(zhǔn)器電路上并在連接到線路38上的輸出端37上提供+5伏直流電以便將+5伏分配給控制電路的操作部分的各種Vcc端點(diǎn)。電源34從其公共端39沿線路40連接到耦合在控制電路接地線上的節(jié)點(diǎn)33上。線路40進(jìn)一步耦合在控制電路的各種其它部分上以提供控制部件的Vss端點(diǎn)以及與控制部件相關(guān)的電路的各個(gè)部分的對地連接。
上面描述的開關(guān)S1將降低的交流電壓耦合到連通電源34的端點(diǎn)53或者到對觸發(fā)控制信號(hào)的絕緣電路提供保持下去的偏壓電流的端點(diǎn)52。這一保持下去的電流是對保持門控制電路起到使SCR在活躍狀態(tài)所必要的。當(dāng)將功率提供給電路時(shí)，便提供在進(jìn)入交流電壓中它們各自的半周中接通各SCR所需的門驅(qū)動(dòng)電流以便在陽極相對于陰極成為正時(shí)能使它們接通。從而開關(guān)S1的端點(diǎn)52是通過電阻器55耦合在節(jié)點(diǎn)56上的，并從那里沿線路57到相位控制部件13的觸發(fā)端T上。
類似地，開關(guān)S1的端點(diǎn)52通過電阻器58耦合在節(jié)點(diǎn)59上并從那里沿線路60到相位控制部件20的端點(diǎn)T。并且開關(guān)S1的端點(diǎn)52通過電阻器61耦合在節(jié)點(diǎn)62上并從那里沿線路63到相位控制部件27的端點(diǎn)T。CPU35還為上面描述的各相位控制部件包含一觸發(fā)端點(diǎn)。將來自CPU的Trig1觸發(fā)控制信號(hào)提供給節(jié)點(diǎn)56。將作為相位控制部件20的觸發(fā)控制信號(hào)的CPU35的Trig2端點(diǎn)作用在節(jié)點(diǎn)59上。類似地將Trig3觸發(fā)控制信號(hào)從CPU35的Trig3端點(diǎn)提供給節(jié)點(diǎn)62。
繼續(xù)參見圖1，CPU35中還示出對應(yīng)于三個(gè)電流感測過零信號(hào)的中每一個(gè)的三個(gè)輸入端。這些信號(hào)端輸入是分別標(biāo)識(shí)為中斷#1(Int1)、中斷#2(Int2)與中斷#3(Int3)的。表示各相繞組中相應(yīng)的AC電流的過零事件的信號(hào)是從各自的相位控制部件獲得的。從相位控制部件13開始，I1上的輸出端提供感測電機(jī)繞組電流的過零點(diǎn)并將該信號(hào)作用在比較器36的端點(diǎn)I1上。比較器36代表各相繞組的單個(gè)比較器部件的組合。各比較器部件包含其各自的電流感測線路的獨(dú)立的輸入濾波器及獨(dú)立的比較器部件。各比較器參照公共的電壓基準(zhǔn)電路。下面將結(jié)合圖2描述這些比較器與濾波器電路。
概括這一操作，一條電流感測信號(hào)線從相位控制部件13的端點(diǎn)I1耦合到比較器36的端點(diǎn)I1，一條電流感測線從相位控制部件20的端點(diǎn)I2耦合到比較器36的端點(diǎn)I2及一條電流感測線從相位控制部件27的端點(diǎn)I3耦合到比較器36的端點(diǎn)I3。對應(yīng)地，跟隨比較器部件36所執(zhí)行的處理的信號(hào)路徑是沿類似地標(biāo)識(shí)的線路耦合到CPU35上的。從而，比較器36的端點(diǎn)I1沿線路75將用于相位控制部件13的電流感測信號(hào)耦合到CPU35的Int1上。類似地，來自比較器36的電流感測線路I2分別沿線路76提供給CPU35的Int2上而來自比較器36的端點(diǎn)I3沿線路77提供給CPU35的Int3。組合比較器36沿線路38接收來自電源34的直流電壓并且還在節(jié)點(diǎn)33上連接到控制電路接地線上。
繼續(xù)參見圖1，其中的若干其它特征提供按照本公開的功率因數(shù)控制器的附加功能。CPU35包含受耦合在CPU35的端點(diǎn)X1與X2上的晶體68控制的內(nèi)部振蕩器。這一晶體控制的振蕩器起到操作CPU35的連續(xù)時(shí)基的作用以及提供進(jìn)行精確時(shí)間間隔測定的基準(zhǔn)。CPU35的端點(diǎn)B7通過電阻器69與發(fā)光二極管(LED)70耦合在控制電路接地線上以提供按照本公開的功率因數(shù)控制器的操作狀態(tài)的指示。LED70具有三種狀態(tài)持續(xù)OFF指示CPU35關(guān)機(jī)；持續(xù)ON指示CPU35已重新起動(dòng)并正在執(zhí)行起動(dòng)延時(shí)；以及閃爍的LED70指示電路13正在全面工作控制作用在電機(jī)上的能量。
圖1中還示出CPU35的若干地址線。端點(diǎn)RA0示出為連接通過電阻器71與跨接片72，而后者進(jìn)一步耦合在線路40上的控制電路接地線上。跨接片72提供電阻器71到地線的連接將CPU35的接通延時(shí)在這一示例性實(shí)例中從大約30秒改變到大約45至60秒。地址線RA2通過節(jié)點(diǎn)64與電阻器65耦合到直流電壓線38上。節(jié)點(diǎn)64通過可變電阻器81耦合到線路40上的控制電路接地線上。地址線RA3通過節(jié)點(diǎn)66與電阻器67耦合在直流電壓線38上。節(jié)點(diǎn)66通過可變電阻器82耦合在線路40上的控制電路接地線上。這些可變電阻器允許調(diào)節(jié)觸發(fā)控制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，即削波區(qū)，如下面圖6的描述中所說明的。
操作中，圖1的各相位控制部件13、20與27提供沿通過包含在相位控制部件中的SCR開關(guān)的各自的交流電壓線的AC電流的流動(dòng)控制。例如，沿線路11施加在端點(diǎn)L1上及相位控制部件13的端點(diǎn)L1上的交流電壓是在SCR在導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)通過內(nèi)部SCR沿線路12從端點(diǎn)M1耦合在三相感應(yīng)電機(jī)的一個(gè)端點(diǎn)M1上的。如下面將要說明的，相位控制部件內(nèi)的SCR的控制能夠按照控制部件中的CPU35的操作所導(dǎo)出該電機(jī)的特定相位繞組的功率因數(shù)調(diào)節(jié)施加在電機(jī)上的電壓?？刂撇考鳛槌霈F(xiàn)在電機(jī)上的交流電壓的過零時(shí)刻與施加電壓的該特定相位在電機(jī)繞組中流動(dòng)的交流電流之間的時(shí)間間隔的函數(shù)導(dǎo)出觸發(fā)控制信號(hào)用于控制各相位控制部件內(nèi)的各SCR對的各自的門驅(qū)動(dòng)電路。如上所述，交流電壓的過零點(diǎn)是在CPU35的相應(yīng)端點(diǎn)Vs上感測的。
在這里描述的示例性實(shí)施例中，通常不需要為電壓感測過零點(diǎn)信號(hào)設(shè)置相同的濾波器與比較器電路，因?yàn)樗菑慕涣麟妷旱倪M(jìn)入相位導(dǎo)出的并且不太可能包含大的噪聲分量或者象電流感測過零點(diǎn)信號(hào)那樣容易遭受相移變化。然而在一些應(yīng)用中有可能需要某種信號(hào)處理電路來確保干凈的無噪聲的電壓感測信號(hào)。
繼續(xù)圖1的操作，在經(jīng)過比較器36處理之后沿耦合在CPU35的Int1端上的線路75感測相位控制部件13的交流電流的過零點(diǎn)以提供干凈的、精確定時(shí)與全邏輯電平的感測信號(hào)。各相應(yīng)相位控制部件是受通過確定各電機(jī)繞組相位的相應(yīng)過零事件之間所流逝的時(shí)間而從測定其本身的功率因數(shù)導(dǎo)出的其本身的觸發(fā)控制信號(hào)控制的。觸發(fā)控制信號(hào)在SCR上的作用為截止門驅(qū)動(dòng)電路一個(gè)與在正在控制的電壓的相位之前的交流電壓的半周期間所測定的負(fù)荷的特定功率因數(shù)相關(guān)的時(shí)段。參照圖4A、4B與4C詳細(xì)描述這一點(diǎn)。
現(xiàn)在參見圖2，其中示出了按照本公開的作用交流電壓的一個(gè)相位的功率因數(shù)控制器的簡化示意圖。該圖示出相位控制部件連同為該相位控制部件響應(yīng)與提供控制信號(hào)的控制電路或觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)。耦合在第一節(jié)點(diǎn)101與第二節(jié)點(diǎn)102之間的有第一SCR113與第二SCR114。SCR113的陽極連接在第一節(jié)點(diǎn)101上而SCR113的陰極連接在第二節(jié)點(diǎn)102上。類似地，SCR114的陽極連接在第二節(jié)點(diǎn)102上而SCR114的陰極連接在第一節(jié)點(diǎn)101上。SCR113的門端點(diǎn)連接在節(jié)點(diǎn)105上且SCR114的門端點(diǎn)連接在節(jié)點(diǎn)106上。連接在第一節(jié)點(diǎn)101與第二節(jié)點(diǎn)102之間的還有電阻器115與電容器116的串聯(lián)組合。第一節(jié)點(diǎn)101連接在節(jié)點(diǎn)103上而第二節(jié)點(diǎn)102連接在節(jié)點(diǎn)104上。
包括電阻器117與換向二極管119的并聯(lián)組合的門驅(qū)動(dòng)電路連接在節(jié)點(diǎn)103與節(jié)點(diǎn)105之間。類似地，包括電阻器118與換向二極管120的并聯(lián)組合的門驅(qū)動(dòng)電路連接在節(jié)點(diǎn)104與節(jié)點(diǎn)106之間。換向二極管119的陰極連接在節(jié)點(diǎn)105上并進(jìn)一步到SCR113的門端點(diǎn)上。類似地，換向二極管120的陰極連接在節(jié)點(diǎn)106上并進(jìn)一步到SCR114的門端點(diǎn)上。節(jié)點(diǎn)105沿線路111通過電阻器139連接到光耦合器136內(nèi)的光敏三端雙向可控硅開關(guān)138一側(cè)上的光耦合器136的一端上。
類似地，節(jié)點(diǎn)106沿路徑112連接在光耦合器136內(nèi)的光敏三端雙向可控硅開關(guān)138的對側(cè)。光耦合器136位于下面要描述的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器130內(nèi)。將作用交流電壓作用在耦合在節(jié)點(diǎn)161上的端點(diǎn)L1上，并從那里沿線路107耦合到節(jié)點(diǎn)103上。節(jié)點(diǎn)103沿線路109進(jìn)一步耦合到觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器130內(nèi)的節(jié)點(diǎn)141上。節(jié)點(diǎn)161通過諧波抑制電容器121進(jìn)一步耦合到大地上。提供交流電流給受圖2中所示的相位控制部件控制的電機(jī)繞組的交流電壓端點(diǎn)是沿線路108通過節(jié)點(diǎn)162從節(jié)點(diǎn)104提供給耦合在圖2中所示的相位控制器上的電機(jī)繞組的交流電壓端點(diǎn)M1的。節(jié)點(diǎn)162通過諧波抑制電容器122耦合在大地上。
操作中，圖2中例示的代表性相位控制部件提供對連接在相位控制部件上的各自的電機(jī)繞組所作用的交流電壓的切換的控制。SCR113與SCR114各與作用交流電壓串聯(lián)使得在作用交流電壓的任何一個(gè)半周的開始時(shí)為要觸發(fā)成導(dǎo)電的相應(yīng)的SCR提供必要的陽極到陰極電壓。然后將適當(dāng)?shù)碾娏魈峁┙o由出現(xiàn)在第一節(jié)點(diǎn)101與第二節(jié)點(diǎn)102之間的AC電壓的極性起動(dòng)成為導(dǎo)電的相應(yīng)的門。從而，當(dāng)?shù)谝还?jié)點(diǎn)101相對于第二節(jié)點(diǎn)102在正電位上且門驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)由耦合在節(jié)點(diǎn)103與104之間門驅(qū)動(dòng)電路到達(dá)時(shí)使SCR113能夠?qū)щ姟?br> 類似地，當(dāng)?shù)谝还?jié)點(diǎn)101的作用電壓的極性相對于第二節(jié)點(diǎn)102為負(fù)時(shí)存在適當(dāng)?shù)拈T驅(qū)動(dòng)電流時(shí)使SCR114能夠?qū)щ?。SCR113的相應(yīng)門驅(qū)動(dòng)電流是在第一節(jié)點(diǎn)101相對于第二節(jié)點(diǎn)102正的時(shí)期內(nèi)通過第一門驅(qū)動(dòng)電路(包括電阻器R17與換向二極管119)供給的。類似地，導(dǎo)致SCR114進(jìn)入導(dǎo)電所需的門驅(qū)動(dòng)是經(jīng)由節(jié)點(diǎn)106到SCR114的門且第二節(jié)點(diǎn)102與節(jié)點(diǎn)104相對于第一節(jié)點(diǎn)101與節(jié)點(diǎn)103具有正電位時(shí)通過第二門驅(qū)動(dòng)電路(包括電阻器118與換向二極管120)供給的。
如下面要詳細(xì)描述的，除了在來自CPU35及跨越光耦合器136內(nèi)的LED137施加的觸發(fā)控制信號(hào)使其斷開之外，光耦合器136內(nèi)的光敏三端雙向可控硅開關(guān)138永遠(yuǎn)在導(dǎo)電狀態(tài)中。三端雙向可控硅開關(guān)138與串聯(lián)電阻器139的作用為保持兩個(gè)節(jié)點(diǎn)105與106并從而第一與第二門驅(qū)動(dòng)端G1與G2相對于第一節(jié)點(diǎn)101與第二節(jié)點(diǎn)102在公共的平衡電位上。這保證當(dāng)作用交流電壓正向偏壓相應(yīng)的SCR時(shí)將各門端點(diǎn)偏壓驅(qū)動(dòng)成導(dǎo)電的。當(dāng)三端雙向可控硅開關(guān)138導(dǎo)電時(shí)，電阻器139與導(dǎo)電的三端雙向可控硅開關(guān)為相對于與相應(yīng)的SCR陽極端相反的作用電壓的極性待被偏壓的各相應(yīng)的SCR的門電壓提供一條路徑。沒有通過電阻器139與導(dǎo)電的三端雙向可控硅開關(guān)138，便不存在這一參照路徑而且允許相應(yīng)的門浮動(dòng)；因此這時(shí)不能獲得相對于相應(yīng)的SCR的陰極電壓正的電位。從而，使三端雙向可控硅開關(guān)138進(jìn)入不導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)，便斷開了通過電阻器139的平衡路徑。這一動(dòng)作允許門浮動(dòng)并禁止對相應(yīng)SCR的門驅(qū)動(dòng)，從而中斷作用AC電流對電機(jī)繞組的作用。連接在第一節(jié)點(diǎn)101與第二節(jié)點(diǎn)102之間的電阻器115與電容器116的串聯(lián)組合在各SCR進(jìn)入不導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)提供緩沖作用來限制各SCR的斷開瞬變。
繼續(xù)參見圖2，下面描述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器130內(nèi)的電路。其中示出了在其輸入側(cè)包含雙向發(fā)光二極管對134及在輸出側(cè)包含光電晶體管135的光耦合器133。光電晶體管135的發(fā)射極耦合在控制電路接地線上。光耦合器133內(nèi)的光電晶體管135的集電極耦合在節(jié)點(diǎn)142上。電阻器143通過到電源電壓線38(圖2中未示出)的節(jié)點(diǎn)151從節(jié)點(diǎn)142耦合到DC電源電壓上。電阻器144耦合在節(jié)點(diǎn)142與控制電路接地線之間。節(jié)點(diǎn)142通過電阻器145進(jìn)一步耦合在節(jié)點(diǎn)146上，而節(jié)點(diǎn)146耦合在比較器148的正輸入上。節(jié)點(diǎn)146通過電容器147耦合在控制電路接地線上，從而構(gòu)成低通濾波器用于濾掉出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)142上的信號(hào)上所存在的任何噪聲。
比較器148的負(fù)輸入端在端點(diǎn)149上耦合在電壓基準(zhǔn)源上。在這里所示的示例性實(shí)施例中，端點(diǎn)149上提供的基準(zhǔn)電壓可在+2.5伏DC的數(shù)量級上。比較器148的輸出耦合在節(jié)點(diǎn)150上，后者又耦合在觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器130中的CPU132的電流感測輸入端上。圖2中的CPU132在功能上與示例性實(shí)施例中圖1中的CPU35相同。節(jié)點(diǎn)150還通過作為連接通過節(jié)點(diǎn)151的上拉電阻器的電阻器152耦合到線路38上的電源電壓上。
返回到圖2中的光耦合器133，可看到雙向發(fā)光二極管134在線路110一側(cè)上耦合在到相位控制電路中的節(jié)點(diǎn)104上。雙向發(fā)光二極管134的相對側(cè)通過電阻器140耦合到節(jié)點(diǎn)141，后者連接在作用在電路上的AC電壓的源上。操作中，當(dāng)作用在雙向發(fā)光二極管134的兩側(cè)上的電壓在同一電位上時(shí)，沒有一個(gè)雙向LED能導(dǎo)通而因此它們都是斷開的而不發(fā)出能被光電晶體管135拾取的光。每當(dāng)在L1端點(diǎn)與M1端點(diǎn)之間沒有電流流過時(shí)出現(xiàn)這一情況因?yàn)閮蓚€(gè)SCR都在不導(dǎo)電狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝还?jié)點(diǎn)101與第二節(jié)點(diǎn)102之間的電流在過零條件中時(shí)出現(xiàn)這一情況。在這一瞬時(shí)上雙向LED134斷開并消除來自光電晶體管135的基極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而導(dǎo)致其集電極上升到作用的DC電壓。隨著這一電壓上升通過出現(xiàn)在端點(diǎn)149上的電壓基準(zhǔn)值的電平，比較器148改變狀態(tài)并提供一全擺動(dòng)邏輯信號(hào)給CPU132的電流感測輸入端。
繼續(xù)參見圖2中所示的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器130，可看到光耦合器136內(nèi)的發(fā)光二極管137通過電阻器154及到LED137的陽極的節(jié)點(diǎn)153接收來自DC電壓源的工作電流。LED137的陰極連接在控制電路接地線上。節(jié)點(diǎn)153進(jìn)一步耦合在CPU132的觸發(fā)信號(hào)輸出上。如上所述，操作中CPU132提供的觸發(fā)控制信號(hào)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)153下降到邏輯低，它斷開LED137導(dǎo)致包括三端雙向可控硅開關(guān)138與電阻器139的輸出電路成為開路。示出在觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器130中的還有電壓感測電路，其中CPU132的電壓感測端通過節(jié)點(diǎn)155與電阻器160耦合到單刀雙擲開關(guān)的接帚上。接帚的另一側(cè)示出為連接在端點(diǎn)158上，它也耦合在節(jié)點(diǎn)141上并依次耦合在端點(diǎn)L1上的作用AC電壓上。開關(guān)的端點(diǎn)158示出為標(biāo)記成單相而端點(diǎn)159示出為標(biāo)記成三相，帶有一箭頭指示當(dāng)將開關(guān)設(shè)定為用于三相操作時(shí)便使用它。
在三相操作條件中，將電壓感測線連接在線路L3上以獲取AC電壓過零信號(hào)。在任何情況中AC電壓過零信號(hào)是從端點(diǎn)157通過電阻器160與節(jié)點(diǎn)155耦合到CPU132的電壓感測端上的。節(jié)點(diǎn)155通過電阻器156接地。電阻器156與電阻器160構(gòu)成分壓器將相對高的作用AC電壓值降低到CPU132的輸入端口能承受的電平。由于電阻器156與160的降低分壓器作用及作用在Vs端上的線路電壓是非常小的，通常峰-峰值小于+5伏，這一事實(shí)以及是AC耦合的(經(jīng)由C3)，在Vs感測線路中不需要其它絕緣。操作中，CPU132計(jì)算過零信號(hào)到達(dá)電壓感測端與該過零信號(hào)到達(dá)電流感測端之間的時(shí)間差來確定耦合在電機(jī)上的負(fù)荷的功率因數(shù)的測度。CPU132利用這一時(shí)間測量來計(jì)算在CPU132的觸發(fā)信號(hào)端上提供的觸發(fā)控制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。下面對照圖3與4描述提供給電壓與電流感測端的過零信號(hào)的關(guān)系與觸發(fā)控制信號(hào)的導(dǎo)出。
參見圖3A，其中例示了連接在電機(jī)繞組上的電功率的代表性相位的電壓與電流波形。電流波形202示出為滯后于電壓波形201，這是在感應(yīng)電機(jī)的繞組中的通常情況。圖3A中示出電壓波形201與對應(yīng)的電流波形202的一個(gè)周期分別從發(fā)生在時(shí)間204(電壓)與205(電流)的過零點(diǎn)開始。這些波形示出前面結(jié)合圖2相對于對電機(jī)的作用電壓的降低描述的控制電路的作用。對電機(jī)的電壓實(shí)際上切斷作用AC電壓的每一正與負(fù)半周的一個(gè)短暫部分。
每一個(gè)半周期間切斷的作用AC電壓的時(shí)間量是與從對應(yīng)于通過電機(jī)繞組的相應(yīng)作用電壓與作用電流的過零點(diǎn)的兩個(gè)接連的中斷之間所出現(xiàn)的時(shí)間間隔計(jì)算出的功率因數(shù)成正比的。從而圖3A中作用電壓的OFF部分呈現(xiàn)為對應(yīng)于觸發(fā)控制信號(hào)(下面要描述)的脈沖寬度的間隔203，該觸發(fā)控制信號(hào)是根據(jù)時(shí)間204上的電壓過零點(diǎn)與時(shí)間205上的電流過零點(diǎn)之間流逝的時(shí)間生成的。觸發(fā)控制信號(hào)在時(shí)間206上結(jié)束。觸發(fā)控制信號(hào)結(jié)束時(shí)電壓上升到其額定峰值并返回到其正弦波形。
在負(fù)半周中可見到相同的作用，其中在時(shí)間207上的電壓過零中斷與時(shí)間208上的電流過零中斷之后再一次將觸發(fā)控制信號(hào)作用在SCR門驅(qū)動(dòng)電路上并在恢復(fù)到圖3A中所示的正弦波形之前導(dǎo)致電壓波形201斷開一部分時(shí)間。以這一方式，在各周期的半周期間通過斷開作用電壓短暫的受控時(shí)段，降低了作用在電機(jī)繞組上的平均電壓以補(bǔ)償在電機(jī)輕負(fù)荷時(shí)得出的大功率因數(shù)。發(fā)送給負(fù)荷的平均功率中的這一減少趨向于將功率因數(shù)帶回到高效范圍。
在作用電壓的各半周期間，如同電壓那樣從電流通過零點(diǎn)的時(shí)間開始，也在作用電壓的OFF間隔中將對應(yīng)于作用電壓的滯后的電流降低到零。在圖3A中還指出，在OFF時(shí)段結(jié)束而電流開始在電機(jī)繞組中流動(dòng)時(shí)，電流并不瞬時(shí)升高到觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器不斷開作用AC電壓時(shí)它會(huì)具有的值；而是它以近似的正弦形式升高并再一次在對應(yīng)于電流波形滯后于電壓波形的量的時(shí)間208上過零。這是因?yàn)殡姼兄械碾娏鞑荒芩矔r(shí)改變而需要一定時(shí)間量來充電繞組的電感。當(dāng)然，在對應(yīng)于作用AC電壓的繞組中的電流的每一相繼的半周中重復(fù)這一效應(yīng)。
參見圖3B，其中例示了對應(yīng)于作用電壓的代表性相位中的電壓感測過零信號(hào)的一系列中斷脈沖。圖3B中在作用AC電壓波形通過零點(diǎn)的每一個(gè)時(shí)間上產(chǎn)生非常短暫的負(fù)轉(zhuǎn)變。這一負(fù)轉(zhuǎn)變示出為短暫的負(fù)方向脈沖的形式，它在過零事件之后幾乎立即返回到高邏輯電平。從而，波形211為各過零事件包含到邏輯低電平的負(fù)轉(zhuǎn)變213并通過正轉(zhuǎn)變214返回到波形211的高邏輯電平直到作用AC電壓的下一個(gè)過零事件為止。從而為60個(gè)周期的AC功率得出具有每秒120個(gè)周期的重復(fù)率的負(fù)脈沖串，或者在50個(gè)周期的AC功率的情況中，重復(fù)率為100Hz。這些中斷是在CPU35內(nèi)根據(jù)在CPU35的電壓感測端上出現(xiàn)的電壓Vs導(dǎo)出的。
參見圖3C，其中例示了對應(yīng)于作用電壓的代表性相位中的電流感測過零信號(hào)的一系列中斷脈沖。圖3C中的波形呈現(xiàn)為非常相似于圖3B的中斷波形，但存在下述例外，即對應(yīng)于觸發(fā)事件的脈沖的下降沿在電流為零期間是延時(shí)的，因?yàn)閮蓚€(gè)SCR都是斷開的直到門控制結(jié)束而作用電壓再一次作用在電機(jī)上為止。從而直到過零事件出現(xiàn)為止對應(yīng)于電流過零的中斷信號(hào)通常具有邏輯高電平，在出現(xiàn)過零事件時(shí)信號(hào)進(jìn)行非?？斓呢?fù)轉(zhuǎn)變到低邏輯電平并且除非存在著觸發(fā)控制信號(hào)，將幾乎立即沿非?？斓恼D(zhuǎn)變返回到額定高電平邏輯信號(hào)。
然而，如果作用有觸發(fā)控制信號(hào)，則在電機(jī)繞組端上感測到的過零信號(hào)保持在低邏輯電平上直到該觸發(fā)控制信號(hào)結(jié)束為止。圖3C中，示出了接連的三個(gè)觸發(fā)控制時(shí)段，三個(gè)對應(yīng)于圖3A中所示的波形的作用AC電壓的接連的半周的每一個(gè)中一個(gè)觸發(fā)控制時(shí)段。圖3C中，在電機(jī)繞組中的電流的過零事件的時(shí)刻上高邏輯電平215變成負(fù)轉(zhuǎn)變217并下降到低邏輯電平216直到它沿正轉(zhuǎn)變218恢復(fù)到額定高電平215為止。圖3C中將對應(yīng)于觸發(fā)控制信號(hào)活躍的時(shí)段的低邏輯電平示出為低邏輯電平219。
圖3D例示觸發(fā)控制信號(hào)，它在其活躍期間與對應(yīng)于該觸發(fā)控制信號(hào)活躍期間的作用電壓與電流的過零事件的中斷波形緊密地相似。再一次高邏輯電平220后面跟隨著到低邏輯電平221的負(fù)轉(zhuǎn)變222，其中該信號(hào)保持到后面跟隨到額定高邏輯電平220的上升轉(zhuǎn)變223的觸發(fā)控制信號(hào)的結(jié)束為止。通過比較圖3B與3C可觀察到感測信號(hào)的負(fù)轉(zhuǎn)變提供中斷及逼近電機(jī)的功率因數(shù)所需的信息。過零事件之間的流逝的時(shí)間是通過從較晚的電流過零事件的時(shí)間減去較早的電壓過零事件的時(shí)間得出的，并利用這一時(shí)間間隔來計(jì)算將平均作用AC電壓降低到將輕負(fù)荷的功率因數(shù)帶回到合理與高效范圍內(nèi)所必需的觸發(fā)控制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。如上所述，圖3D中所示的觸發(fā)控制波形控制由R139與圖2中所示的光耦合器136內(nèi)的三端雙向可控硅開關(guān)138構(gòu)成的SCR門電路的斷開。當(dāng)SCR門電路斷開時(shí)，SCR進(jìn)入不導(dǎo)電或斷路狀態(tài)。
參見圖4A，其中例示了三相系統(tǒng)的電壓波形250與電流波形251，其中相位3電壓波形250的一個(gè)周期示出功率因數(shù)控制器在該特定周期的電壓與電流波形上的作用。作用電壓的過零事件出現(xiàn)在圖4A中的時(shí)間254與256上；類似地電流波形的過零事件的發(fā)生時(shí)間分別出現(xiàn)在時(shí)間255與257上。出現(xiàn)在相應(yīng)的電壓與電流過零中斷之間的時(shí)間差用于作用電壓波形的各半周計(jì)算控制時(shí)段的持續(xù)時(shí)間。這一控制時(shí)段，有時(shí)也在正相位3電壓波形250中稱作削波區(qū)252而在負(fù)相位3電壓波形250中稱作削波區(qū)253，表示從該相位3所連接的電機(jī)繞組中斷或消除AC電壓的時(shí)間。
在圖4A中可再一次看到得出的相位3中的電流波形251在觸發(fā)控制或削波區(qū)252的結(jié)束與在時(shí)間257上的隨后的過零事件之間呈現(xiàn)正弦特征，時(shí)間257是在按照該電機(jī)的繞組的電流與電壓之間的相位滯后的特定量的作用AC電壓過零點(diǎn)之后。這一示例性實(shí)例中的圖4B示出圖4A中所示的特定相位3中的電壓與電流兩者的過零感測信號(hào)。在相位3的電壓感測信號(hào)258在時(shí)間上后面跟著相位3的電流感測信號(hào)259。類似地，在負(fù)方向上后面的半周中相位3的電壓感測信號(hào)260示出為跟隨有相位3的電流感測信號(hào)261。
參見圖4C，其中示出了對應(yīng)于圖4B中所示的過零感測信號(hào)的相位3的觸發(fā)控制信號(hào)。可以容易地看出該觸發(fā)控制信號(hào)的定時(shí)開始在電流過零信號(hào)起動(dòng)時(shí)并為削波區(qū)252繼續(xù)到在圖4A中所示的作用電壓波形250的相位3的正方向半周的轉(zhuǎn)變263上該觸發(fā)控制信號(hào)再一次返回到高邏輯電平為止。類似地在圖4C中還示出相位3的負(fù)半周的觸發(fā)控制信號(hào)帶有跟隨在返回到邏輯高額定電平的轉(zhuǎn)變265上的削波區(qū)間隔后面的負(fù)轉(zhuǎn)變264。
如圖4C中所示可指出簡單的關(guān)系，其中將電壓與電流過零事件及對應(yīng)的中斷之間的時(shí)間標(biāo)識(shí)為ΔT3并將電流過零中斷后面的削波區(qū)的持續(xù)時(shí)間標(biāo)識(shí)為Δφ3。ΔT3對應(yīng)于電機(jī)繞組上的負(fù)荷的功率因數(shù)而Δφ3對應(yīng)于削波區(qū)的持續(xù)時(shí)間，即對已進(jìn)行功率因數(shù)測定的同一半周的控制時(shí)段。將看出這兩個(gè)變量是用取決于正在控制的電機(jī)的種類的簡單因子關(guān)聯(lián)的。
參見圖5，其中例示了說明本公開的功率因數(shù)控制器的主程序例程的簡化流程圖。這一流程從框302開始，當(dāng)向系統(tǒng)供電或已復(fù)位系統(tǒng)時(shí)程序便從那里開始。流程進(jìn)行到框304，在那里CPU運(yùn)行通過例程來設(shè)定CPU中所有的寄存器，起動(dòng)相位控制部件的所有SCR以便可在電機(jī)上作用功率，及設(shè)置預(yù)置的定時(shí)器值。這時(shí)流程進(jìn)行到框306，例程讀取對系統(tǒng)的起動(dòng)延時(shí)輸入并使?fàn)顟B(tài)LED設(shè)定成連續(xù)地發(fā)光。如上所述，框306中提到的起動(dòng)延時(shí)是將電阻器71連接到控制電路接地線的跨接片72所設(shè)定的延時(shí)?？缃悠サ艉蟮倪@一延時(shí)是30秒的數(shù)量級而跨接片存在時(shí)這一延時(shí)延長到45至60秒的范圍。在框308中，例程進(jìn)行檢驗(yàn)來確認(rèn)已完全執(zhí)行這一延時(shí)而進(jìn)行到框310，例程在其中設(shè)定中斷并將狀態(tài)LED設(shè)定成閃爍狀態(tài)表示CPU正在控制功率因數(shù)控制器的操作。
框了310后面，主程序例程進(jìn)行到框312并在循環(huán)中執(zhí)行CPU的主要操作，該循環(huán)從在框312中清看門狗定時(shí)器開始，然后例程的流程到框314去檢驗(yàn)?zāi)?shù)轉(zhuǎn)換器是否已計(jì)算出削波調(diào)節(jié)值，如果求出削波調(diào)節(jié)值則CPU存儲(chǔ)該削波調(diào)節(jié)值供以后在下面討論的適當(dāng)?shù)闹袛嗥陂g使用。削波調(diào)節(jié)值是要對觸發(fā)控制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間作出的改變。執(zhí)行主要的程序步驟之后，主程序例程從框314進(jìn)行到判斷框316，在其中它檢驗(yàn)是否已切斷對系統(tǒng)的功率供給；如果結(jié)果是肯定的，則流程進(jìn)行到框318，在其中例程結(jié)束及系統(tǒng)關(guān)閉。
然而，如果仍供電，則流程返回到框312中所示的步驟去清看門狗定時(shí)器并且主程序例程繼續(xù)執(zhí)行其主要功能活動(dòng)。如上所述，在主程序例程操作期間的任何時(shí)間上都可能出現(xiàn)中斷。已將本公開的功率因數(shù)控制器的CPU編程為在框312與314所表示的主要程序循環(huán)期間出現(xiàn)中斷時(shí)服務(wù)于這些中斷。下面將說明圖6中所示的流程圖中所描述的主程序例程服務(wù)的中斷。
參見圖6，其中例示了用于處理可能出現(xiàn)在本公開的功率因數(shù)控制器中的中斷的例程。在出現(xiàn)中斷時(shí)在框320上進(jìn)入該例程，后面是框322，在其中例程將程序計(jì)數(shù)器與累加器保存在棧上供服務(wù)過中斷后使用而流程返回到主程序。圖6的中斷例程提供對功率因數(shù)控制器操作的基本的三種中斷的服務(wù)。這三種中斷是用判定框324、326與328表示的。判定框324表示出現(xiàn)表示電壓過零事件的信號(hào)的中斷，在本示例性實(shí)施例中，出現(xiàn)在中斷管腳感測到線路3的AC電壓跨越通過零點(diǎn)時(shí)。如果中斷不是這一類型，則流程進(jìn)行到判定框326，在那里例程確定所出現(xiàn)的中斷是否定時(shí)器中斷，這便是在本示例性實(shí)例中工作在128倍功率線頻率上的定時(shí)器。
這一定時(shí)器提供將功率線頻率周期分成128個(gè)相等的片來為功率因數(shù)控制器確定與測定過零間隔ΔT相關(guān)的定時(shí)及計(jì)算圖2中所示的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器130中的CPU132所生成的觸發(fā)控制信號(hào)(例如圖4C中的266)的持續(xù)時(shí)間Δφ的操作提供時(shí)基。如果框326中正在服務(wù)的中斷不是定時(shí)器中斷，則流程進(jìn)行到框328，在其中例程確定該中斷是否對應(yīng)于電機(jī)中的電流的過零事件的出現(xiàn)。如果這一確定的結(jié)果是否定的，則流程進(jìn)行到框330，在其中中斷例程恢復(fù)對程序計(jì)數(shù)器與累加器的控制并在框332中返回到主程序。
返回到判定框324，如果出現(xiàn)的中斷表示線路3上的AC電壓的過零，則流程沿標(biāo)記為“是”的路徑進(jìn)行到框334，在其中內(nèi)部計(jì)數(shù)器從零開始向表示出現(xiàn)電流過零的中斷時(shí)間計(jì)數(shù)以便測定作用AC電壓的線路3的電壓過零事件與電流過零事件之間的時(shí)間間隔ΔT。當(dāng)出現(xiàn)電流過零事件時(shí)，流程退回到中斷例程中標(biāo)識(shí)為點(diǎn)A的判定框324的入口，并在判定框324中作出關(guān)于剛才出現(xiàn)的中斷是否線路3中的電壓過零事件的判定。在這一特定實(shí)例中，流程將從判定框324進(jìn)行到判定框326，因?yàn)閯偛懦霈F(xiàn)的中斷不是線路3中的電壓過零事件。
在判定框326中例程檢驗(yàn)剛出現(xiàn)的中斷是否是內(nèi)部定時(shí)器引起的，在本例中結(jié)果是否定的，因此流程進(jìn)行到框328在其中作出剛出現(xiàn)的中斷是否是電流過零事件的判定。在本例中，結(jié)果是肯定的而流程沿標(biāo)記為“是”的路徑進(jìn)行到第二層判定框352、362與368。在判定框352中，例程判定該中斷是否表示出現(xiàn)在線路3中的電流的過零事件。如果判定是肯定的，則流程沿標(biāo)記為“是”的路徑進(jìn)行到框354，在其中例程計(jì)算削波區(qū)的持續(xù)時(shí)間，如前面描述的，它與CPU132要生成的觸發(fā)控制信號(hào)(如圖4C中的266)的持續(xù)時(shí)間相同。
觸發(fā)控制信號(hào)(如圖4C中的266)的持續(xù)時(shí)間Δφ以一對一的關(guān)系確定削波區(qū)的持續(xù)時(shí)間。觸發(fā)控制信號(hào)通過使各相位控制部件中的SCR的門驅(qū)動(dòng)電路截止而導(dǎo)致相應(yīng)的半周中的SCR在削波區(qū)時(shí)段中進(jìn)入不導(dǎo)電狀態(tài)。從而削波區(qū)表示中斷到電機(jī)繞組的AC電壓的時(shí)段。AC電壓的這一削波區(qū)的持續(xù)時(shí)間是電機(jī)繞組中的電流相對于作用在該電機(jī)繞組上的AC電壓的相關(guān)相位的電壓過零事件的相位滯后量的函數(shù)。在本示例性實(shí)施例中，觸發(fā)控制信號(hào)持續(xù)時(shí)間的關(guān)系通常是該特定相位的電壓過零事件與電流過零事件之間流逝的時(shí)間的持續(xù)時(shí)間ΔT的某一預(yù)定倍數(shù)。
例如，在240伏AC、三相上工作的電機(jī)中，觸發(fā)脈沖的持續(xù)時(shí)間與過零點(diǎn)間隔ΔT的持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)一對一的關(guān)系。從而在本實(shí)例中，中斷電壓波形的時(shí)間長度等于出現(xiàn)在受觸發(fā)控制信號(hào)控制的特定相位的過零事件之間的流逝的時(shí)間。這一一對一關(guān)系可用加在削波持續(xù)時(shí)間或觸發(fā)控制信號(hào)脈沖的脈沖寬度Δφ上來提前或延緩觸發(fā)控制信號(hào)的下降沿的削波調(diào)節(jié)值來修正。下面描述削波調(diào)節(jié)值。類似地，在工作在480伏AC上的三相電機(jī)的另一實(shí)例中，削波區(qū)的持續(xù)時(shí)間是通過將過零點(diǎn)間隔ΔT除以2并加上削波調(diào)節(jié)值來提前或延緩該特定類型的電機(jī)的觸發(fā)控制信號(hào)的下降沿來確定的。
對削波區(qū)的持續(xù)時(shí)間(即觸發(fā)控制信號(hào)的脈沖寬度Δφ)所作出的削波調(diào)節(jié)是從將觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器中的電位計(jì)設(shè)定為連接到圖1中所示的CPU35的指定的管腳上確定的。用作電位計(jì)連接點(diǎn)的CPU35的指定管腳為RA2與RA3。電位計(jì)構(gòu)成連接在+5伏Vcc線38與線路40上的控制電路接地線之間的分壓器的低一半。CPU35上的RA2連接在節(jié)點(diǎn)64上，它是電阻器65與電位計(jì)81之間的連接點(diǎn)。在本示例性實(shí)例中電位計(jì)81提供240V AC電機(jī)的削波調(diào)節(jié)值的設(shè)定。類似地，CPU35的RA3連接到節(jié)點(diǎn)66，它構(gòu)成電阻器67與電位計(jì)82的連接點(diǎn)。
電位計(jì)82提供480V AC電機(jī)的削波調(diào)節(jié)值的設(shè)定。當(dāng)將電位計(jì)82設(shè)定到其最大電阻時(shí)，在過零點(diǎn)間隔ΔT的持續(xù)時(shí)間上不加上額外的時(shí)間來設(shè)定觸發(fā)控制信號(hào)(266)的脈沖寬度。隨著電位計(jì)82的電阻的降低，CPU35上的管腳RA3上的電壓也降低，這具有提前出現(xiàn)觸發(fā)控制信號(hào)的下降沿的效應(yīng)，即縮短觸發(fā)控制信號(hào)的脈沖寬度。當(dāng)將電位計(jì)81設(shè)定在其最小電阻上時(shí)，管腳RA2上的電壓也設(shè)定在其最小值上。隨著電位計(jì)81的電阻的增加，其效應(yīng)為延緩觸發(fā)控制信號(hào)的下降沿的定時(shí)；即延長觸發(fā)控制信號(hào)的脈沖寬度。
繼續(xù)參照上述240伏AC三相電機(jī)與480伏AC三相電機(jī)這兩個(gè)實(shí)例，上面描述了用于確定對這兩種類型的電機(jī)的各自的觸發(fā)控制信號(hào)的脈沖寬度的削波調(diào)節(jié)值的預(yù)定設(shè)定值。應(yīng)理解這兩個(gè)實(shí)例只是可能確定控制發(fā)送給三相機(jī)器或甚至單相機(jī)器的各相的功率的脈沖寬度控制中的無數(shù)可能的配置中的兩種的示例。從而，無論用削波調(diào)節(jié)值或其它名詞來稱呼這一調(diào)節(jié)值，這些實(shí)例只是可為任何特定應(yīng)用確定觸發(fā)控制信號(hào)的脈沖寬度的多種多樣方法的示例。
返回到圖6，在框356上，例程設(shè)定削波區(qū)持續(xù)時(shí)間并按照圖1中所示的CPU35外部的電位計(jì)81與82的設(shè)定值調(diào)節(jié)它。然后流程進(jìn)行到框358，在其中例程將相位3的觸發(fā)控制信號(hào)的脈沖寬度設(shè)置到在框356中調(diào)節(jié)的削波持續(xù)時(shí)間上。然后流程進(jìn)行到框360，它表示將觸發(fā)控制信號(hào)作用到相位3控制部件(圖1中27)內(nèi)的SCR門驅(qū)動(dòng)電路上，以導(dǎo)致相位控制部件27削波線路3，即截止相位控制部件27中的門驅(qū)動(dòng)電路以便使對應(yīng)于作用AC電壓的特定半周的SCR在過零事件后斷開到觸發(fā)控制信號(hào)的下降沿恢復(fù)門驅(qū)動(dòng)為止。然后流程沿該線從框360到點(diǎn)A，如上所述，將例程返回到對判定框324的輸入。
參見圖6的框352，在電流過零事件并不出現(xiàn)在AC線路3上的情況中，流程沿標(biāo)識(shí)為“否”的路徑進(jìn)行到判定框362，在其中作出判定與電流過零事件關(guān)聯(lián)的特定相位是否是相位2。如果框362中的判定結(jié)果是肯定的，流程便進(jìn)行到框364，在其中將相位2的削波持續(xù)時(shí)間設(shè)定為等于削波持續(xù)時(shí)間加上在框356中確定的調(diào)節(jié)值。指出這一點(diǎn)是重要的，即框356中產(chǎn)生的削波持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)值是用來為電機(jī)繞組的各相位確定削波持續(xù)時(shí)間的。從而，一旦在框356中為相位3確定之后，則將同一個(gè)值用于以后的相位上直到中斷例程服務(wù)于相位3的電壓過零點(diǎn)與電流過零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔時(shí)在框356中更新或重新計(jì)算該值為止。
返回到框364，將相位2的削波持續(xù)時(shí)間設(shè)定為等于在框356中計(jì)算的削波持續(xù)時(shí)間之后，流程進(jìn)行到框366，在那里觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器為相位2輸出觸發(fā)控制信號(hào)并導(dǎo)致相位2的相位控制部件中的對應(yīng)SCR的門驅(qū)動(dòng)電路截止，如上面對框360說明的。為相位2生成觸發(fā)控制之后，流程再一次進(jìn)行到點(diǎn)A，從那里返回到輸入判定框324。現(xiàn)在返回到判定框362，如果判定相位線2并未出現(xiàn)電流過零事件，則流程沿標(biāo)識(shí)為“否”的路徑進(jìn)行到判定框368，作出關(guān)于電流過零事件是否出現(xiàn)在相位1中的判定。
如果結(jié)果是否定的，流程沿標(biāo)識(shí)為“否”的路徑進(jìn)行到點(diǎn)A，從那里返回到判定框324的輸入。然而，如果框368中的判定結(jié)果是肯定的，則流程進(jìn)行到框370，在其中例程將相位1的削波持續(xù)時(shí)間設(shè)定為等于在框356確定的削波持續(xù)時(shí)間，然后進(jìn)行到框372，在其中生成具有在框370中確定的持續(xù)時(shí)間的相位1的觸發(fā)控制信號(hào)，導(dǎo)致對應(yīng)于作用AC電壓的特定半周的SCR變成不導(dǎo)電，從而封閉AC電壓對相應(yīng)的電機(jī)繞組的作用一個(gè)觸發(fā)控制信號(hào)的脈沖寬度的持續(xù)時(shí)間。此時(shí)，流程進(jìn)行到點(diǎn)A并回到判定框324的輸入去再一次評估下一個(gè)中斷。
返回到判定框326，判定所接收的中斷是否是由內(nèi)部定時(shí)器引起的，并在判定結(jié)果是肯定的情況中，流程進(jìn)行到框336，這時(shí)用對應(yīng)于削波持續(xù)時(shí)間加上所提供的任何調(diào)節(jié)值的重新加載值重新加載計(jì)數(shù)構(gòu)成削波區(qū)的持續(xù)時(shí)間即觸發(fā)控制信號(hào)的脈沖寬度的時(shí)間增量的計(jì)數(shù)器。重新加載計(jì)時(shí)器之后，流程進(jìn)行到框338，在其中例程根據(jù)要求向削波區(qū)的尾端增量或減量計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)時(shí)，中斷例程檢驗(yàn)確定正在計(jì)數(shù)哪一個(gè)削波區(qū)及該削波區(qū)的該特定計(jì)數(shù)是否已到達(dá)對應(yīng)于削波區(qū)的末尾的零。從而，從判定框340開始，例程判定削波區(qū)3的計(jì)數(shù)器是否已到達(dá)零而且如果在框342中結(jié)果為“是”，便停止計(jì)數(shù)來標(biāo)記等價(jià)于觸發(fā)控制信號(hào)脈沖的下降沿的削波區(qū)的末尾。然后觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器輸出正轉(zhuǎn)變來結(jié)束該半周的削波區(qū)。
然后流程進(jìn)行到點(diǎn)A，從那里例程返回到對框324的輸入?，F(xiàn)在返回到框340，在其中確定削波區(qū)3的計(jì)數(shù)器是否已到達(dá)零的判定的答案是否定的則流程進(jìn)行到判定框344，去確定正在處理的削波區(qū)是否是相位2的，而如果是，計(jì)數(shù)器是否已到達(dá)零。如果回答是肯定的，則流程進(jìn)行到框346，在其中在零上停止削波區(qū)計(jì)數(shù)，并通過輸出一正轉(zhuǎn)變下降沿給相位2的觸發(fā)控制信號(hào)脈沖來用信號(hào)通知觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器結(jié)束該削波區(qū)。然后流程再一次進(jìn)行到點(diǎn)A并返回到判定框324。
返回到判定框344，如果正在處理的削波區(qū)不是相位2或計(jì)數(shù)未到達(dá)零，則流程進(jìn)行到判定框348。在框348中作出關(guān)于正在處理的相位是否相位1及該相位的計(jì)數(shù)器是否已到達(dá)零的判定；如果結(jié)果為“否”，則流程進(jìn)行到點(diǎn)A并回到框324的輸入去繼續(xù)處理中斷例程。然而如果在判定框348中作出判定確定當(dāng)前的削波區(qū)為相位1且已到達(dá)零，則處理流程沿“是”路徑到框350，在其中停止用于向下計(jì)數(shù)削波區(qū)1的時(shí)間值的計(jì)數(shù)器并且觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器輸出正向下降沿與相位1的削波區(qū)，此時(shí)流程繼續(xù)回到點(diǎn)A及返回到判定框324的輸入去繼續(xù)處理后面的中斷。
工業(yè)可應(yīng)用性本發(fā)明的節(jié)能功率因數(shù)控制器10旨在用于控制發(fā)送給在可變機(jī)械負(fù)荷條件下工作的AC電機(jī)的電功率，例如驅(qū)動(dòng)從地下沉積物抽油的泵送單元的單相與三相AC感應(yīng)電機(jī)。這些泵送單元是在每一泵送周期中兩次由泵送桿與對置的配重交替加載的。再者，每一周期兩次，這兩個(gè)對置的負(fù)荷平衡，使該泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)每一周期兩次無負(fù)荷。功率因數(shù)控制器10連續(xù)地調(diào)節(jié)發(fā)送給泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率在不斷地改變的負(fù)荷所表示的最小與最大峰值之間保持最佳效率與經(jīng)濟(jì)性。
雖然已詳細(xì)描述了較佳實(shí)施例，應(yīng)理解可在其中作出各種改變、替換與變更而不脫離所附的權(quán)利要求所定義的發(fā)明精神與范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于動(dòng)態(tài)地將AC感應(yīng)電機(jī)所使用的能量與所述電機(jī)上的負(fù)荷匹配的控制器，該電機(jī)具有至少一個(gè)電機(jī)繞組及跨越其作用的AC電壓，該控制器包括第一與第二SCR，各具有各自的門并互相以相反極性并聯(lián)在第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間，對于所述AC電壓的各相其中所述第一節(jié)點(diǎn)連接在所述AC電壓源上而所述第二節(jié)點(diǎn)連接在該電機(jī)的所述至少一個(gè)電機(jī)繞組上；以及耦合在所述各自的門、所述作用電壓及所述電機(jī)繞組上的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器，用于響應(yīng)對應(yīng)于所述AC電壓的所述電機(jī)繞組中的感測到的所述AC電壓與AC電流的過零事件的各自的定時(shí)控制各所述第一與第二SCR；其中將在所述AC電壓的各半周期間交替地觸發(fā)到導(dǎo)電狀態(tài)的所述第一與第二SCR交替地從所述導(dǎo)電狀態(tài)截止一個(gè)時(shí)間，該時(shí)間是與跨接所述電機(jī)繞組的當(dāng)前所述半周的所述AC電壓通過第一過零點(diǎn)的時(shí)間與所述電機(jī)繞組中的所述當(dāng)前半周的所述對應(yīng)AC電流通過第二過零點(diǎn)的時(shí)間之間測定的時(shí)間差成正比的，將確定為所述AC電壓與所述對應(yīng)AC電流的所述感測到的過零事件的所述時(shí)間的接連的第一與第二中斷之間的時(shí)間差的所述測定的差耦合到所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器上并與一連續(xù)運(yùn)行的時(shí)基比較。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一與第二SCR的所述各自的門通過與響應(yīng)所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器所生成的觸發(fā)控制信號(hào)的開關(guān)串聯(lián)的電阻器耦合在一起。
3.權(quán)利要求2的裝置，其中所述開關(guān)為響應(yīng)受所述觸發(fā)控制信號(hào)控制的光信號(hào)的光敏三端雙向可控硅開關(guān)。
4.權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一SCR包括耦合在所述第一節(jié)點(diǎn)與所述第一SCR的所述門之間的第一門驅(qū)動(dòng)電路及所述第二SCR包括耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)與所述第二SCR的所述門之間的第二門驅(qū)動(dòng)電路。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中所述第一與第二SCR的所述各自的門通過與響應(yīng)所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器所生成的觸發(fā)控制信號(hào)的開關(guān)串聯(lián)的寄存器耦合在一起。
6.權(quán)利要求5的裝置，其中所述開關(guān)是響應(yīng)受所述觸發(fā)控制信號(hào)控制的光信號(hào)的光敏三端雙向可控硅開關(guān)。
7.權(quán)利要求4的裝置，其中所述第一與第二門驅(qū)動(dòng)電路各包括與換向二極管并聯(lián)的電阻器，其中所述換向二極管的陰極端耦合在所述SCR的各自的門上。
8.權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一與第二SCR包括用于控制所述電機(jī)繞組的各相位的匹配的對。
9.權(quán)利要求1的裝置，包括耦合在所述第一節(jié)點(diǎn)與所述第二節(jié)點(diǎn)之間的串聯(lián)的電阻器與電容器。
10.權(quán)利要求1的裝置，其中所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器包括用于感測作用在所述電機(jī)繞組上的所述AC電壓的第一輸入；用于感測對應(yīng)于作用在所述電機(jī)繞組上的所述AC電壓的所述電機(jī)繞組中的所述AC電流的第二輸入；用于提供控制各所述第一與第二SCR的觸發(fā)控制信號(hào)的輸出；以及包含所述連續(xù)運(yùn)行的時(shí)基及響應(yīng)分別對應(yīng)于所述第一與第二輸入的所述第一與第二中斷生成所述觸發(fā)控制信號(hào)的控制裝置。
11.權(quán)利要求10的裝置，其中所述第一輸入包括從所述第一節(jié)點(diǎn)耦合到所述第一輸入的用于提供所述AC電壓的抽樣的分壓電路。
12.權(quán)利要求10的裝置，其中所述第二輸入包括具有耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)上的輸入方及用于響應(yīng)電機(jī)中的所述AC電流的所述過零點(diǎn)提供邏輯轉(zhuǎn)換的輸出方的隔離裝置；以及耦合在所述絕緣裝置的所述輸出方與所述第二輸入之間的比較器裝置。
13.權(quán)利要求12的裝置，包括用于從耦合在所述絕緣裝置的所述輸出與所述比較器裝置之間的所述邏輯轉(zhuǎn)換中消除噪聲的濾波器。
14.權(quán)利要求12的裝置，其中所述絕緣裝置包括具有雙向LED輸入方與光電晶體管輸出方的光耦合器。
15.權(quán)利要求12的裝置，其中所述比較器包括具有第一與第二輸入的差分放大器，其中所述邏輯換向耦合在所述第一輸入上；以及耦合在所述第二輸入上的基準(zhǔn)信號(hào)。
16.權(quán)利要求10的裝置，其中所述控制裝置包括用于測定出現(xiàn)在所述AC電壓的選擇相位中的所述第一中斷與所述AC電壓的所述選擇相位期間的所述第二中斷之間的流逝時(shí)間的裝置；用于按照預(yù)定的算法計(jì)算所述流逝的時(shí)間與預(yù)定的因子之積的裝置；以及用于在接收所述第二中斷之后的第一時(shí)間間隔中生成所述觸發(fā)控制信號(hào)的裝置，所述觸發(fā)控制信號(hào)具有基本上等于所述積的持續(xù)時(shí)間；其中將所述第一與第二門驅(qū)動(dòng)電路截止所述觸發(fā)控制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。
17.權(quán)利要求16的裝置，其中所述觸發(fā)控制信號(hào)的持續(xù)時(shí)間是可調(diào)節(jié)的。
18.權(quán)利要求10的裝置，其中所述控制裝置包括綜合所述感應(yīng)電機(jī)的各繞組的所述AC電壓的所有相位的控制功能的單個(gè)處理單元。
19.權(quán)利要求1的裝置，包括耦合在各所述第一節(jié)點(diǎn)與大地之間的第一電容器；及耦合在各所述第二節(jié)點(diǎn)與所述大地之間的第二電容器。
20.權(quán)利要求1的裝置，包括包圍所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器并耦合在大地上的導(dǎo)電屏罩。
21.權(quán)利要求20的裝置，包括包圍攜帶對應(yīng)于所述第一與第二過零點(diǎn)的信號(hào)的各導(dǎo)線及攜帶所述觸發(fā)控制信號(hào)的各導(dǎo)線的導(dǎo)電屏罩，所述導(dǎo)電屏罩耦合在所述大地上。
22.權(quán)利要求1的裝置，其中在所述AC電壓的各半周期間的所述AC電流的各過零點(diǎn)后面的預(yù)定時(shí)間間隔中所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器截止所述第一與第二SCR導(dǎo)電。
23.權(quán)利要求18的裝置，其中所述預(yù)定時(shí)間間隔是根據(jù)所述第一與第二中斷計(jì)算的。
24.權(quán)利要求19的裝置，其中所述第一與第二中斷定義與所述AC感應(yīng)電機(jī)的功率因數(shù)成正比的時(shí)間間隔。
25.權(quán)利要求4的裝置，其中在所述AC電壓的各半周期間所述AC電流的各過零點(diǎn)后面的預(yù)定時(shí)間間隔中所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器截止所述第一與第二門驅(qū)動(dòng)電路。
26.權(quán)利要求25的裝置，其中所述預(yù)定的時(shí)間間隔是根據(jù)所述第一與第二中斷計(jì)算的。
27.權(quán)利要求26的裝置，其中所述第一與第二中斷定義與所述AC感應(yīng)電機(jī)的功率因數(shù)成正比的時(shí)間間隔。
28.權(quán)利要求1的裝置，其中連接在所述第一與第二節(jié)點(diǎn)之間的電阻器分壓電路根據(jù)所述測定的差有選擇地保持?jǐn)嚅_確定的時(shí)間以將能量使用與所述電機(jī)上的所述負(fù)荷匹配。
29.權(quán)利要求1的裝置，其中連接在所述第一與第二節(jié)點(diǎn)之間的電阻器分壓電路在所述第二過零點(diǎn)后的第二流逝時(shí)間后面有選擇地閉合。
30.一種動(dòng)態(tài)地將AC感應(yīng)電機(jī)所使用的能量與該電機(jī)上的負(fù)荷匹配的方法，該電機(jī)具有至少一個(gè)電機(jī)繞組及跨越其作用的AC電壓，該方法包括下述步驟在連接在第一節(jié)點(diǎn)上的AC電壓與連接在第二節(jié)點(diǎn)上的至少一個(gè)電機(jī)繞組之間串聯(lián)耦合一雙向門控制開關(guān)，其中該雙向門控制開關(guān)包含第一與第二門，作用在開關(guān)與電機(jī)上的AC電壓每一個(gè)極性一個(gè)門；為該雙向門控制開關(guān)的第一與第二門生成觸發(fā)控制信號(hào)，用于響應(yīng)所述AC電壓與對應(yīng)于所述AC電壓的所述電機(jī)繞組中的AC電流的感測到的過零事件的各自的定時(shí)控制該AC電壓的各極性；在AC電壓的各半周中允許將該雙向門控制開關(guān)交替地觸發(fā)到導(dǎo)電狀態(tài)中；以及在該AC電壓的各半周期間將該雙向門控制開關(guān)的導(dǎo)電截止一個(gè)時(shí)間，該時(shí)間與跨越電機(jī)繞組的當(dāng)前半周的AC電壓通過第一過零點(diǎn)的時(shí)間與該電機(jī)繞組中的當(dāng)前半周的對應(yīng)AC電流通過第二過零點(diǎn)的時(shí)間之間的測定的時(shí)間差成正比，將確定為對應(yīng)于感測到的AC電壓與對應(yīng)的AC電流的感測到的過零事件的時(shí)間的接連的第一與第二中斷之間的時(shí)間差的測定的差與連續(xù)運(yùn)行的時(shí)基比較。
31.權(quán)利要求30的裝置，還包括下述步驟通過與響應(yīng)觸發(fā)控制信號(hào)的開關(guān)串聯(lián)的第一電阻器將第一與第二門耦合在一起。
32.權(quán)利要求31的方法，其中該耦合步驟包括下述步驟在第一節(jié)點(diǎn)與第一門之間耦合第一門驅(qū)動(dòng)電路；以及在第二門與第二節(jié)點(diǎn)之間耦合第二門驅(qū)動(dòng)電路。
33.權(quán)利要求30的方法，其中該耦合步驟包括下述步驟在第一與第二節(jié)點(diǎn)之間以相反極性互相并聯(lián)第一與第二SCR。
34.權(quán)利要求30的方法，其中該生成步驟包括下述步驟感測作用在該至少一個(gè)電機(jī)繞組上的AC電壓及輸出對應(yīng)于第一過零點(diǎn)的第一中斷；感測該至少一個(gè)電機(jī)繞組中對應(yīng)于作用在該至少一個(gè)電機(jī)繞組上的AC電壓的AC電流及輸出對應(yīng)于第二過零點(diǎn)的第二中斷；以及從出現(xiàn)第二中斷后面的第一時(shí)間間隔內(nèi)開始并在與第一中斷的出現(xiàn)與第二中斷的出現(xiàn)之間的時(shí)間差成正比的流逝的時(shí)間之后結(jié)束，生成該觸發(fā)控制信號(hào)。
35.權(quán)利要求31的裝置，其中該截止步驟包括下述步驟斷開與將第一門與第二門耦合在一起的第一電阻器串聯(lián)的開關(guān)。
全文摘要
功率因數(shù)控制器(10)動(dòng)態(tài)地將AC感應(yīng)電機(jī)所使用的能量與該電機(jī)上的負(fù)荷匹配。為作用AC電壓(V)的各相(φ
文檔編號(hào)G05F1/70GK1411627SQ00817289
公開日2003年4月16日 申請日期2000年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月26日
發(fā)明者菲利貝托·D·加爾扎, 肯尼思·M·漢金斯 申請人:節(jié)能有限公司