專利名稱：用于感應(yīng)電動機的節(jié)能控制裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用以控制感應(yīng)電動機的供電電源的裝置及其方法，尤其涉及一種感應(yīng)電動機借此能在電動機負(fù)載變化的情況下高效率運轉(zhuǎn)的感應(yīng)電動機的控制裝置及其控制方法。
本發(fā)明與正在申請中的，由本發(fā)明的受讓人于1991年10月15日遞交的申請?zhí)枮?7/776，117的美國專利申請有關(guān)。
在控制感應(yīng)電動機在一個較寬的電動機負(fù)載量范圍內(nèi)高效率運轉(zhuǎn)方面，基本的任務(wù)是將適量的驅(qū)動電壓加到正在帶負(fù)載的電動機上。例如，如果將一個非常高的電源電壓(與所需的電動機轉(zhuǎn)矩量有關(guān))加到電動機上，而電動機正在驅(qū)動一個極輕的負(fù)載，那么將產(chǎn)生過量的驅(qū)動電流，而電動機的工作效率很低。但在這種情況下，如果電源電壓不足夠高，那么當(dāng)電動機負(fù)載突然增大時，有可能導(dǎo)致電動機停車或運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定?，F(xiàn)有技術(shù)已提出各種用以控制感應(yīng)電動機的供電電源，以便其工作效率達(dá)到最大的方案。然而，這些方案在防止感應(yīng)電動機輕負(fù)載運轉(zhuǎn)期間的停車或不穩(wěn)定性，或在中、輕負(fù)載情況下產(chǎn)生過度能耗方面，一般仍存在著缺陷。這些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)和本發(fā)明(考慮以單一驅(qū)動頻率使感應(yīng)電動機運轉(zhuǎn)的這一情況)所需解決的基本問題是，確保滿負(fù)荷情況下的電動機的電源電壓能提供足夠的轉(zhuǎn)矩以平衡所荷負(fù)載;當(dāng)電動機負(fù)載變?yōu)榉浅］p的時候，又確保不施加過高的電壓(相應(yīng)具有過高的能耗);而同時在輕負(fù)載的情況下，確保所施加的電源電壓不致于太低，以免造成電動機運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定或停車。
此外，考慮到感應(yīng)電動機的可變頻率驅(qū)動，適合任何特定的電動機負(fù)載量的電源電壓將根據(jù)驅(qū)動頻率而變化，因此，控制系統(tǒng)也必須隨頻率去改變電動機的電源電壓。
用以實現(xiàn)這一目的的由美國第4，052，648號專利所揭示的一種感應(yīng)電動機控制方法，以檢測電動機正在運轉(zhuǎn)時的功率因素相位角(或功率因素本身，它是角度的余弦，用0%-100%范圍內(nèi)的數(shù)值表示)為基礎(chǔ)，控制電動機的電源電壓，致使將功率因素維持在預(yù)定值。如果電動機工作于重負(fù)載下，相對于所加電源電壓的適當(dāng)值，功率因素可為例如80%。如果負(fù)載加重，電動機的電流與電壓之間的滯后量將增加，故功率因素將降低。反之，電動機負(fù)載的減輕將導(dǎo)致功率因素的提高。這樣，電動機負(fù)載的變化可以通過功率因素的變化測得，而電源電壓可以響應(yīng)于這一測得的負(fù)載變化而得以控制，以便將功率因素保持在預(yù)定值。然而，實際上采用這種方法時，如果預(yù)定的功率因素的選擇相對于處于滿負(fù)載的電動機的運轉(zhuǎn)為最佳時，當(dāng)電動機工作于輕負(fù)載時，所加電壓相對于負(fù)載量而言卻并不為最佳(即涉及到最小功耗的最佳值是與防止停車或不穩(wěn)定性相一致的)。同樣，當(dāng)電動機工作于中等量負(fù)載時，電源電壓相對于該負(fù)載量也是不合適的。
美國專利第5，010，287號揭示了為感應(yīng)電動機控制系統(tǒng)提出的另一項申請。該系統(tǒng)設(shè)計用于感應(yīng)電動機的可變頻率驅(qū)動，以提供變速運行。然而，考慮到這種系統(tǒng)工作在任一特定的驅(qū)動頻率，與上述運行相同，其中電動機的功率因素相位角經(jīng)控制維持在預(yù)定值。尤其是，實際的功率因素相位角經(jīng)檢測并與預(yù)定的功率因素相位角數(shù)值(由參考脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖決定)進行比較，而電源電壓則根據(jù)比較結(jié)果提高或降低，致使測得的功率因素相位角達(dá)到預(yù)定值。這樣，當(dāng)一個特定的負(fù)載(通稱為“標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載”)加上時，電動機將唯一地工作于一個最佳功率因素上。
至于這種控制系統(tǒng)，它根據(jù)不同數(shù)值的驅(qū)動頻率來分別選擇不同數(shù)值的預(yù)定功率因素相位角。然而，就考慮工作于任一特定的驅(qū)動頻率值這一情況，可以理解，這種系統(tǒng)存在著與首次提及的美國專利所揭示的現(xiàn)有技術(shù)相同的缺陷，即由于為電動機運轉(zhuǎn)所設(shè)計的功率因素僅當(dāng)“標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載”加入時才為最佳，故對于電動機負(fù)載變化范圍較寬的運行而言，不能保證進行高效和高穩(wěn)定度的運行。
上述觀點將參照

圖1加以敘述。圖中，符號B表示感應(yīng)電動機從空載到滿載(100%)這段范圍內(nèi)的最佳功率因素值。假定滿載工作的最佳功率因素為80%。對于上述現(xiàn)有技術(shù)的感應(yīng)電動機控制系統(tǒng)而言，功率因素經(jīng)控制保持在例如80%量值(即虛線A)。而考慮到負(fù)載為滿負(fù)載的50%的運行時，其最佳功率因素實際上應(yīng)為64%，甚至在空載情況下，此系統(tǒng)仍將極力使功率因素維持在80%。故以功率因素檢測為基礎(chǔ)的此類現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)不能夠在一個較寬的電機所荷負(fù)載量范圍內(nèi)，提供最佳的工作效率。
本發(fā)明的目的在于提供一種節(jié)能的感應(yīng)電動機控制裝置及其控制方法，借此，電動機可在負(fù)載變量較寬的范圍內(nèi)連續(xù)地以最佳功率因素值運轉(zhuǎn)，以保證在負(fù)載變量范圍內(nèi)的最大工作效率，從而克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
為了達(dá)到上述目的，感應(yīng)電動機的功率因素經(jīng)檢測，并與相對當(dāng)時加載在電動機上的負(fù)載，呈現(xiàn)為最佳功率因素的值比較，其比較結(jié)果用于控制感應(yīng)電動機的電源電壓量級，以根據(jù)電動機負(fù)載的減輕而減小電源電壓量，且最佳功率因素值根據(jù)電源電壓的變化量加以調(diào)整。結(jié)果，最佳功率因素隨電動機負(fù)載的變化而被連續(xù)地調(diào)整，故相對于當(dāng)時所加載的負(fù)載電動機的運行總能維持于最佳功率因素。
圖1是表示最佳功率因素值與感應(yīng)電動機負(fù)載之間關(guān)系的曲線圖;
圖2分別表示最佳功率因素值與工作于三個不同驅(qū)動頻率值的感應(yīng)電動機的電源電壓之間的相對關(guān)系;
圖3是根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)電動機控制裝置的第一個實施例的電路框圖;
圖4表示作用于圖3所示電路中一個DC-AC(直流-交流)逆變器的一個開關(guān)元件上的驅(qū)動電壓波形;
圖5是根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)電動機控制裝置的第二個實施例的電路框圖;
圖6是說明圖5所示實施例中一個微計算機運行的流程圖。
以下將首先考慮工作于一個特定驅(qū)動頻率下的情況，敘述根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)電動機控制裝置的基本原理。電動機正在運轉(zhuǎn)時的功率因素經(jīng)連續(xù)監(jiān)測并與預(yù)定的功率因素值進行比較，對于處于一特定驅(qū)動頻率的某一特定量的所加負(fù)載而言，后者為最佳功率因素。施加在電動機上的電源電壓根據(jù)比較結(jié)果進行控制，故電源電壓將跟隨電動機上所加負(fù)載的變化而改變。然而，如果電源電壓就此改變，上述預(yù)定的功率因素值應(yīng)通過乘上一個補償值而得到調(diào)整，該補償值為0至1范圍，根據(jù)當(dāng)時電動機的電源電壓量級而確定。當(dāng)電動機的驅(qū)動頻率為50Hz時，功率因素補償值與電動機電源電壓之間的關(guān)系可由例如圖2中的曲線C1表示。如圖所示，功率因素補償值隨電動機電源電壓的下降，亦即隨電動機負(fù)載量的減輕而減低。這樣，隨著電動機負(fù)載的減輕，電動機運轉(zhuǎn)所維持的功率因素將相應(yīng)減低。采用這種方式，便有可能使工作時的功率因素隨著電動機負(fù)載的變化而維持在相對最佳值上，即與圖1所示的最佳功率因素曲線B相符。
最佳功率因素與電動機電源電壓的特性曲線將隨驅(qū)動頻率而變化。這樣，就必須使用圖2所示功率因素補償值與電動機電源電壓之間關(guān)系的相應(yīng)的各不相同的特性曲線，其中C2和C3分別為可應(yīng)用于驅(qū)動頻率為25Hz和12Hz的特性曲線。電動機電源電壓值的范圍根據(jù)驅(qū)動頻率而改變。例如，由圖2可見，當(dāng)驅(qū)動頻率為50Hz時，最大電壓值為200V;而當(dāng)驅(qū)動頻率設(shè)定為25Hz時，電動機電源電壓的最大值為100V;當(dāng)驅(qū)動頻率設(shè)在12.5Hz時，最大電壓值為50V。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的節(jié)能感應(yīng)電動機控制裝置第一個實施例的電路框圖。位于最外層虛線內(nèi)的部分14構(gòu)成感應(yīng)電動機控制裝置。一個三相交流電源10對一個AC-DC轉(zhuǎn)換器16供電，其輸出的直流電源電壓被加到一個DC-AC逆變器18。逆變器18以三個開關(guān)元件為基礎(chǔ)，它們分別接收一組三相開關(guān)元件控制信號中的一個，并共用符號G表示。這些開關(guān)元件控制信號決定了由逆變器18在線路19、20、21上所產(chǎn)生的，用以加到感應(yīng)電動機12上的一個三相交流電源電壓的頻率和幅度。該三條輸出相線將分別稱作為U、V和W相線。為簡單起見，該三相中的任何兩相之間的電壓將稱為電動機電源電壓。在相線U和W中流動的電動機驅(qū)動電流值，分別由符號IU和IW表示，經(jīng)電流互感器CT1、CT2分別檢測后，加到乘法器30，30′的相應(yīng)輸入端，而IU同時還加到一個有效值轉(zhuǎn)換電路32的一輸入端(即IU和IW是相應(yīng)于隨U相和W相交流電流改變的交流電壓信號)。U-V相電壓VUV由加法器34檢測，而W-V相電壓VWV由加法器34′檢測。交流電流信號VUV被加到乘法器30的另一個輸入端以及有效值轉(zhuǎn)換電路32的第二個輸入端，而信號VWV同時加到乘法器30′的另一個輸入端。這樣，由乘法器30、30′產(chǎn)生的輸出量在加法器36中相加，并經(jīng)平滑電路38對該結(jié)果作平滑處理后，由此得到一個輸出信號，其量級表示電動機12的使用功率W。
有效值轉(zhuǎn)換電路32將IU轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的均方根電流值IU(RMS)，同樣，將VUV轉(zhuǎn)換成均方根電壓值VUV(RMS)。這些數(shù)值在乘法器28中相乘后，得到一個施加于電動機12上的視在功率值P。然后，通過除法器40得到使用功率W與視在功率P的比值，作為其量值表示被測功率因素Pfm的電壓被加到功率因素比較器49的一輸入端。
均方根電壓值VUV(RMS)被施加到函數(shù)變換電路46，它用以產(chǎn)生隨電動機電源電壓量變化的前面提到過的功率因素補償值。裝置51例如電位計或開關(guān)可調(diào)節(jié)用以產(chǎn)生指定電動機驅(qū)動頻率的驅(qū)動頻率指示信號(例如電壓信號)。該信號被施加到函數(shù)選擇電路45，根據(jù)指定的驅(qū)動頻率，在一組預(yù)定的變換函數(shù)中選擇其中一路輸出，并控制函數(shù)變換電路46根據(jù)所選擇的變換函數(shù)，完成VUV(RMS)至相應(yīng)功率因素補償值的變換。如果有三個變換函數(shù)例如與圖2所示的曲線C1、C2和C3相符，那么當(dāng)指定的驅(qū)動頻率取50Hz、25Hz和12.5Hz數(shù)值時，這些函數(shù)將分別被選用。裝置44，例如電位計或開關(guān)可調(diào)節(jié)用以產(chǎn)生一電壓信號，其量值表示一個預(yù)定的功率因素值Pf。如前所述，該預(yù)定的功率因素Pf在電動機所荷負(fù)載的某一特定量級(例如滿負(fù)載)上，為一個最佳功率因素值。該預(yù)定功率因素值被施加到乘法器48的一輸入端，而功率因素補償值S被施加到另一輸入端，由此由乘法器48產(chǎn)生一個表示最佳功率因素值Pfs的電壓，作為預(yù)定功率因素與補償值的乘積。最佳功率因素值被施加到功率因素比較器49的另一輸入端。功率因素比較器49由此產(chǎn)生一個比較信號，該比較信號按被測功率因素Pfm與最佳功率因素Pfs之間的差量，在固定的最大和最小值內(nèi)變化。
驅(qū)動頻率指示信號還被加到V/F(電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器52。如前所述，電動機電源電壓值的范圍隨驅(qū)動頻率而變化。V/F轉(zhuǎn)換器52產(chǎn)生一個在指定的電動機驅(qū)動頻率上其幅度呈周期性變化的輸出信號，它的變化幅度根據(jù)指定的驅(qū)動頻率值而確定。該變化幅度決定電動機電源電壓值范圍的最大量值，而電壓值則根據(jù)比較器49輸出的比較信號值得到控制。V/F轉(zhuǎn)換器52的輸出在乘法器53中與比較信號相乘，由此產(chǎn)生一個在指定的驅(qū)動頻率上呈周期性變化的輸出，其變化幅度借助比較信號電平加以修正。然后，由乘法器53產(chǎn)生的輸出信號轉(zhuǎn)換為三個固定振幅的雙向脈沖串，每一脈沖串都有一個在指定的驅(qū)動頻率上呈周期性變化的占空率，并在三個脈沖串之間呈現(xiàn)相位差各為60°的周期變化。然后，這些脈沖信號由驅(qū)動電路55放大后，作為開關(guān)元件驅(qū)動信號G，施加到逆變器18的三個開關(guān)元件上，以便將所施加的直流電源電壓轉(zhuǎn)換為三相電源電壓，供給線路19、20、21。
圖4(a)表示其占空率呈變化的上述一組雙向脈沖串的一個周期，如圖所示，占空率按正弦波形變化。圖4(a)表示乘法器53的輸出幅度值為較小的一種情形，其原因在于比較信號電平較小故雙向脈沖的平均占空率較小，并由此將由逆變器18產(chǎn)生一個較低的電源電壓值。圖4(b)描述了所產(chǎn)生的電動機電源電壓值較高的一種情形下的波形。
如上所述，由V/F轉(zhuǎn)換器52所輸出的信號變化幅度決定電動機電源電壓的最大值，并根據(jù)指定的驅(qū)動頻率值確定。例如，參見圖2，如果指定的驅(qū)動頻率為25Hz，由V/F轉(zhuǎn)換器52輸出的變化幅度便已確定，當(dāng)比較信號處于最大值(例如為1)時，作為結(jié)果而產(chǎn)生的電動機驅(qū)動電壓將達(dá)100V。
從以上描述中可以了解到，在本實施例中，主電源電路部分是以AC-DC轉(zhuǎn)換器16和逆變器18為基礎(chǔ)的;功率值計算部分以乘法器30、30′、加法器36，平滑電路38、加法器34、34′，有效值變換電路32以及乘法器28為基礎(chǔ);除法器40構(gòu)成一個功率因素檢測部分;函數(shù)選擇電路45、函數(shù)變換電路46、乘法器48以及預(yù)定功率因素產(chǎn)生裝置44構(gòu)成一個最佳功率因素產(chǎn)生部分，驅(qū)動頻率指示信號發(fā)生裝置51a、V/F轉(zhuǎn)換器52、乘法器52a、P.W.M控制電路54以及驅(qū)動電路56構(gòu)成一開關(guān)元件驅(qū)動信號發(fā)生部分，其輸出信號以功率因素比較器49的輸出信號為基礎(chǔ)而得以控制。
根據(jù)上述實施例，電動機運轉(zhuǎn)時的被測功率因素Pfm與最佳功率因素Pfs之差由功率因素比較器49得出，并用以控制電動機電源電壓的量級。如果最佳功率因素值與電動機電源電壓之間的關(guān)系如圖3所示，且電動機工作于最佳功率因素為80%的滿負(fù)載情況下，那么電動機負(fù)載的減輕將導(dǎo)致被測功率因素Pfm的增高。由此在功率因素比較器49輸出的比較信號中所產(chǎn)生的變化，將導(dǎo)致電動機電源電壓的降低。隨著電源電壓(施加到函數(shù)變換電路46，由VUV(RMS)值表示)的降低功率因素補償值也將相應(yīng)減小，由此使最佳功率因素Pfs減低。結(jié)果，電動機的運轉(zhuǎn)將穩(wěn)定在一個被施加到電動機上的新的電源電壓值的條件下，而這一新的電源電壓致使被測功率因素Pfm等于新的最佳功率因素值Pfs。這樣，對于圖1所示的最佳功率因素/電動機負(fù)載關(guān)系而言，電動機負(fù)載從滿負(fù)載的100%減輕到50%時，將導(dǎo)致電動機運轉(zhuǎn)時的功率因素從80%變化到64%。
反之，如果電動機負(fù)載加重，將引起電動機電流與電動機電源電壓之間滯后量的增加(即被測功率因素Pfm的減小)，電動機電源電壓將自動提高，直至被測功率因素Pfm達(dá)到適合新的負(fù)載量的最佳值。
顯然，上述實施例采用負(fù)反饋控制以自動改變電動機12的運行功率因素，致使將功率因素保持在一個相對電動機上所加負(fù)載為最佳的值上。這樣，當(dāng)電動機工作于輕負(fù)載或空載情況時，就有可能使電動機消耗最小量的功率，而同時又確保電動機將穩(wěn)定地工作于這種輕負(fù)載狀態(tài)。現(xiàn)已表明，本發(fā)明由此可在感應(yīng)電動機使用方面，提供比之任何一類現(xiàn)有技術(shù)的感應(yīng)電動機控制裝置所能達(dá)到的，實際程度更高的節(jié)能。
上述第一個實施例能采用模擬信號處理來實現(xiàn)絕大部分或整個功能。圖5是根據(jù)本發(fā)明的節(jié)能感應(yīng)電動機控制裝置第二個實施例的電路框圖。該實施例的基本工作原理與上述第一個實施例相同，唯一的區(qū)別在于第二個實施例的工作是通過微計算機(例如一臺微處理機結(jié)合ROM(只讀存儲器)和/或RAM(隨機存取存儲器))以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的，即第二個實施例采用更精確的方法來推導(dǎo)被測功率因素。圖5中，感應(yīng)電動機控制裝置本身為部分58，位于外層虛線框之內(nèi)。感應(yīng)電動機控制裝置以微計算機70為基礎(chǔ)，如圖所示，后者從電流互感器CT1、CT2接收電動機電源電流值IU、IW以及IV。為了便于理解，實際由微計算機70通過執(zhí)行程序(以后將作描述)的操作而完成的各種功能，在圖5中用相應(yīng)的電路、部門或加法器等表示。如此表述的微計算機70包括用以求出電源電壓值VUV、VWV的加法器75和75′。這些電壓值連同電流值IU、IW和IV一起加到一個功率因素檢測和處理部門76，如下所述后者將對這些電流和電壓值進行運算，以求出電動機運轉(zhuǎn)時的被測功率因素。
作為輸入，微計算機70還接收由功率因素預(yù)置部門72產(chǎn)生的預(yù)定功率因素值，部門72可調(diào)節(jié)，以便建立所需的預(yù)定功率因素值。預(yù)定功率因數(shù)值被輸入乘法器80，與函數(shù)變換電路78產(chǎn)生的補償值相乘。如以上第一個實施例中所述，函數(shù)變換電路78按特定的變換函數(shù)對VUV(RMS)進行運算，以獲得補償值。在本實施例中，函數(shù)變換電路78實際上包括許多組數(shù)值表，存貯在存儲器中，而每張表對應(yīng)于特定的電動機驅(qū)動頻率值。如上述第一個實施例中所述，由此可為不同值的驅(qū)動頻率建立各種變換函數(shù)。通過從其中一張表中讀出一個與VUV(RMS)值相對應(yīng)的補償值，即可進行求導(dǎo)功率因素補償值的變換。為便于理解，圖中所示的VUV(RMS)由變換電路83求得，而實際上如以下所述，必須在求導(dǎo)被測功率因素值的過程中求得VUV(RMS)。被測功率因素值與最佳功率因素值之差由功率因素比較器82求得，它作為一個比較值被加到輸出信號發(fā)生電路84。該輸出信號發(fā)生電路84響應(yīng)產(chǎn)生一個用以控制電動機電源電壓的輸出信號值，并將它加到驅(qū)動電路74。如第一個實施例中所述，驅(qū)動電路74產(chǎn)生一組三相開關(guān)控制信號，在一特定的電動機驅(qū)動頻率上，其占空率呈正弦波變化。這些驅(qū)動信號被分別加到DC-AC逆變器68中的三個開關(guān)元件上，將由AC-DC轉(zhuǎn)換器64產(chǎn)生的直流電壓轉(zhuǎn)換為一組三相電源電壓，提供給感應(yīng)電動機62。
在本實施例中，電動機驅(qū)動頻率是由一個頻率指示部分(為簡化描述從圖中省略了)確定的，它還可以通過函數(shù)變換電路78確定(對應(yīng)于特定的驅(qū)動頻率)選擇使用的函數(shù)，通過選擇上述許多補償值表格中的一張表，將VUV轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的功率因素補償值。
圖6是用以說明由微計算機70按照程度所反復(fù)執(zhí)行的基本操作順序的一張總的流程圖，通過該流程計算感應(yīng)電動機當(dāng)前正在運轉(zhuǎn)的連續(xù)的被測功率因素值，并由輸出信號發(fā)生電路84產(chǎn)生一輸出信號以控制電動機的電源電壓。開始時，即當(dāng)電源加到系統(tǒng)時，操作等待(步驟S1)，直至一個交流電源周期出現(xiàn)，即由逆變器68輸出的U相和V相電壓之間的電壓VUV的一個周期信號出現(xiàn)。在每一交流周期內(nèi)，許多取樣操作在連續(xù)取樣區(qū)間的各起始點執(zhí)行。首先執(zhí)行步驟S2，操作等到交流周期信號的第一個取樣區(qū)間的定時信號，當(dāng)該定時信號到達(dá)時，各個U相和W相電流值IU和IW在那一瞬間即被檢測并保存在寄存器中(步驟S3)。在下一步驟(S4)中，電壓VUV和VWV的瞬時值同樣被檢測并保存在寄存器中。在步驟S5中，則P表示的工作功率瞬時值，通過這些電壓和電流值的相乘而得到，即由下列公式得到P＝IU·VUV+IW·VWV然后，瞬時功率值P存入寄存器，在步驟S6中，對由步驟S3和S4所得到的各個瞬時電壓和電流值的平方進行計算，并將計算值存入寄存器。在第一次執(zhí)行步驟S3和S6后，操作返回到步驟S2，然后再重復(fù)步驟S3至S6。然而在這種重復(fù)步驟中，當(dāng)電流、電壓、電流平方、電壓平方和功率的每一瞬時值求出后，再加到前面步驟所求得的相應(yīng)值中，以獲得各個累加的瞬時值。當(dāng)步驟S7判斷交流周期已結(jié)束時，在步驟8中通過利用最終累加的工作功率值和取樣數(shù)，計算平均瞬時功率值，并將其作為該周期的工作功率值。然后，在接下來的步驟S9中，由從前一交流周期得到的各個最終累加的電流和電壓平方值，計算電壓和電流的各個均方根值VUV(RMS)、VWV(RMS)、IU(RMS)、IV(RMS)。在步驟S10中，由電壓和電流的均方根值計算前一周期的視在功率P。然后，在步驟S11中，按視在功率P與工作功率W的比值計算被測功率因素。
接下來，為了準(zhǔn)備下一輪步驟S3至S6的重復(fù)過程，由前一交流周期獲得的累加值逐一進行清零(步驟S12、S13)。
在步驟S14中，檢測預(yù)定功率因素值，然后在步驟15中，從前述表格中讀取對應(yīng)于VUV(RMS)的功率因素補償值，接著再將功率因素補償值加到預(yù)定功率因素上，以此得到最佳功率因素值。如果在步驟S17中判斷被測功率因素與最佳功率因素值是相同的，然后操作便返回到步驟S2，在下一個交流周期信號的第一個取樣區(qū)間的起始點，進入步驟S3至S6的第一次重復(fù)過程。如果預(yù)定功率因素與最佳功率因素值互不相同，步驟S18就對它們進行比較并得出一個比較值，然后該比較值在產(chǎn)生輸出信號過程中被使用，如前所述，后者將導(dǎo)致電動機電源電壓的變化，接著，操作返回到步驟S2。
在上述敘述中，假定在一個交流功率周期的最后取樣區(qū)間的起始點與隨后一個周期的第一個取樣區(qū)間的起始點之間，步驟S3至S19的所有的操作都能順利地完成。在這種情況下，相對于每個連續(xù)的交流功率周期，將求出新的被測功率因素值。對于第二個實施例，上述被測功率因素的求得是以周期性取樣，得到電流和電壓的瞬時值為基礎(chǔ)的，其優(yōu)點是具有非常高的精度，而與感應(yīng)電動機的交流電源電壓和電流的波形失真無關(guān)，后者是由DC-AC逆變器根據(jù)被測功率因素的控制而提供的。
從上述實施例顯而可見，本發(fā)明提供了一種節(jié)能的感應(yīng)電動機控制裝置，由此，通過按電動機的被測功率因素與相對電動機負(fù)載為最佳的功率因素之間的比較結(jié)果來控制電動機的電源電壓，感應(yīng)電動機工作時的功率因素可被連續(xù)維持在與電動機上所加負(fù)載相符合的最佳值上。結(jié)果，當(dāng)電動機工作在輕負(fù)載狀態(tài)時，可達(dá)到穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)與最小的功耗。顯然，本發(fā)明當(dāng)應(yīng)用于必須驅(qū)動可變負(fù)載時，可提供非常明顯的節(jié)能。
一般，對于任何特定的電動機負(fù)載值而言，適合于相對較高的感應(yīng)電動機驅(qū)動頻率值情況的最佳功率因素，將不同于驅(qū)動頻率為非常低的最佳功率因素。這樣，盡管在上述描述中已經(jīng)假定，同樣的預(yù)定功率因素值(例如相對滿負(fù)載運行為最佳功率因素)適用于不同的驅(qū)動頻率值，但仍相當(dāng)有可能提供許多不同的預(yù)定功率因素值，以便根據(jù)所標(biāo)明的驅(qū)動頻率值進行選擇，按同樣方法，如上所述，在許多不同功率因素的變換函數(shù)中，可根據(jù)驅(qū)動頻率而選擇其中之一。
權(quán)利要求
1.一種用以根據(jù)具有直流電壓源的電壓電源，控制感應(yīng)電動機電源的感應(yīng)電動機控制裝置，其特征在于包括用以將所述直流電壓變換為頻率可變的交流電源電壓，并將其提供給所述感應(yīng)電動機的直流一交流逆變器；用以求導(dǎo)所述感應(yīng)電動機正在工作的被測功率因素值(Pfm)的裝置；用以根據(jù)響應(yīng)于所述交流電源電壓值的預(yù)定功率因素補償值，提供最佳功率因素值(Pfs)的裝置；用以檢測所述被測功率因素與最佳功率因素值之間差值的裝置；以及用以根據(jù)所述差值控制所述逆變器裝置，來調(diào)節(jié)所述交流電源電壓，致使減少所述差量的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)電動機控制裝置，其特征在于進一步包括，用以根據(jù)當(dāng)前建立的所述交流電源電壓的頻率值，改變所述最佳功率因素值與所述交流電源電壓的關(guān)系曲線的裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的感應(yīng)電動機控制裝置，其特征在于，所述功率因素補償值按所述電動機電源電壓的降低值，亦即按電動機負(fù)載的減小值而減小。
4.一種用以根據(jù)具有直流電壓源的電壓電源，控制感應(yīng)電動機電源的感應(yīng)電動機控制裝置，其特征在于包括用以將所述直流電壓變換為頻率可變的交流電源電壓，并將其提供給所述感應(yīng)電動機的直流-交流逆變器;用以求導(dǎo)所述感應(yīng)電動機正在工作的被測功率因素值(Pfm)的裝置;用以建立預(yù)定功率因素值(Pf)的裝置;用以檢測所述交流電源電壓值的裝置;用以根據(jù)預(yù)定的變換函數(shù)，將所述交流電源電壓值變換為相應(yīng)的功率因素補償值的函數(shù)變換裝置;用以通過所述功率因素補償值，對所述預(yù)定功率因素值進行運算，以獲得最佳功率因素值(Pfs)的裝置;用以檢測所述被測功率因素與最佳功率因素值之間差值的裝置;以及用以根據(jù)所述差值控制所述逆變器裝置，以便調(diào)節(jié)所述交流電源電壓，達(dá)到減少所述差量的裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的感應(yīng)電動機控制裝置，其特征在于進一步包括，用于由所述逆變器裝置所產(chǎn)生的所述交流電源電壓的頻率調(diào)節(jié)的裝置，以及用以根據(jù)當(dāng)前建立的所述交流電源電壓的頻率值，從許多各不相同的所述變換函數(shù)中選擇一種函數(shù)的裝置。
6.如權(quán)利要求4所述的感應(yīng)電動機控制裝置，其特征在于，當(dāng)所述感應(yīng)電動機工作于滿負(fù)載狀態(tài)時，所述預(yù)定功率因素值為最佳功率因素值;所述功率因素補償值在1和大于0小于1的數(shù)值之間延伸的范圍內(nèi)取值;所述最佳功率因素值，通過將所述預(yù)定的功率因素值乘以所述功率因素補償值而求得。
7.一種感應(yīng)電動機控制方法，其特征在于包括如下步驟計算所述電動機正在運行的被測功率因素值;檢測固定不變的預(yù)定功率因素值;提供為響應(yīng)于所述電動機所加電源電壓值而補償?shù)淖罴压β室蛩?比較所述被測功率因素值與最佳功率因素值，以獲得一比較值;以及根據(jù)所述比較值調(diào)節(jié)所述電動機的電源電壓，致使所述被測功率因素值接近于所述最佳功率因素值。
8.如權(quán)利要求7所述的感應(yīng)電動機控制方法，其特征在于所述各步驟可由微計算機的操作完成。
9.如權(quán)利要求7所述的感應(yīng)電動機控制方法，其特征在于，所述最佳功率因素與所述電源電壓的關(guān)系曲線根據(jù)驅(qū)動頻率而改變。
10.一種感應(yīng)電動機控制方法，其特征在于包括如下步驟計算所述電動機正在運行的被測功率因素值;檢測固定不變的預(yù)定功率因素值;根據(jù)所述電動機所加電源電壓值，補償所述預(yù)定的功率因素值，以獲得最佳功率因素值;比較所述被測功率因素值與最佳功率因素值，以獲得一比較值;以及根據(jù)所述比較值調(diào)節(jié)所述電動機的電源電壓，致使所述被測功率因素值接近于所述最佳功率因素值。
11.如權(quán)利要求10所述的感應(yīng)電動機控制方法，其特征在于所述步驟可由微計算機的操作完成。
全文摘要
一種節(jié)能型感應(yīng)電動機控制裝置，通過產(chǎn)生一根據(jù)電動機電源電壓而變化的功率因素補償值，將電動機運行維持在最佳功率因素上，且與電動機負(fù)載的變化無關(guān)。電動機電源電壓經(jīng)控制，致使減少最佳功率因素值與被測功率因素值之差，以此保證電動機在一個較寬的負(fù)載值范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定且能耗最小。
文檔編號H02M7/48GK1075384SQ9211135
公開日1993年8月18日 申請日期1992年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月10日
發(fā)明者桑原成人, 畑中武史 申請人:阿萊克斯電子工業(yè)株式會社