CN1507688A - 用于交流感应电机的电机负载控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改进的节能方法和装置，其可以使在不定负载操作条件下的单相或三相感应电机实现并维持最优的运行效率。

Description

用于交流感应电机的电机负载控制器
技术领域
本发明涉及的领域为一种电节能方法和装置，其用于控制输入到具有变化负载的交流(AC)三相感应电机中的功率，这样供给电机的功率作为施加给该电机的当前负载的函数得到最优的维持。
技术背景
一些可应用的现有技术专利为Nola：US4439718；NOLA：US4052648；和Sugimoto：US4379258。
众所周知，交流(AC)感应电机通常在恒定电源电压下运行，而不论电机是否以其额定负载进行实际的运行。因此，当该电机以轻载运行时，会浪费大量的能量，进而不必要地导致运行成本加大。
现有技术中已经通过采用各种方法和装置尽力去解决这个问题，其目标是试图去控制输入到电机的功率，这样这个功率成为施加给电机的实际负载的函数并且与该实际负载成比例。
Nola的专利公开的方法是采用了一个功率因子作为电机效率的参照(reference)或指标(indicator)用于控制不定负载的电机的功率流(flow of power)。Nola的方法的问题在于他的功率因子是以偏移相角(theta)的估计值为基础，该偏移相角在电压和电流波形分别到达零值并且正通过X轴(横坐标)时处于该电压和电流波形之间。
Nola的方法只有当各自波形为完全的正弦曲线时才确实有效。实际上，这些波形很难是完全的正弦曲线的。
Sugimoto的专利公开了一种试图去控制供应至交流感应电机电源电压流(flow of supply power)的另一种电路，该感应电机在可变负载条件下运行，电源电压是负载的函数而不是最大额定负载容量的函数。
Sugimoto介绍了一种功率控制电路，其中他定期采样并检测供应功率(supply power)和反馈功率(feedback power)。随后他在供应功率和反馈功率之间设定一个预定的、固定的比率试图获得电机运行效率。
Sugimoto主张这个参考比率应用在电机两个绕组端，以便供应的电压是负载的函数，并被电机所验证。
Sugimoto也主张Nola的装置有缺陷和弊端。现有技术中基本上采用一个相偏移角(phase displacement angle)(theta)、一个预设的最佳功率因子或比率、或一个预设电压的表，该表与施加给该电机的负载值表相对应。
发明内容
众所周知，在三相或单相交流感应电机中，当电机中的电压和电流用表示数量的垂直轴(Y，也称作纵坐标)和表示时间的水平轴(X，也称作横坐标)上逐点绘出时，电压和电流会有各自的波形。部分因为涉及电压控制的电气元件中固有的开关特性，这些波形可以呈现为正弦曲线或非正弦曲线。
当电压电流值从它们各自波形轨迹选出，然后沿X轴逐点相乘以得到实际的值时，形成了一个伏安(VA)波形。这个伏安被称作实际的功率波形，其表示电气系统中的功率。
当沿X和Y轴绘制时功率波形的振荡性的表观相对于X轴一般将具有正的和负的值。在X轴之上的部分称为正值，而X轴之下的部分称为负值。
在感应电机运行期间，相对于电机绕组的转子运转影响无功功率(reactive power)，也称作(VARs)或“真实无功伏安值(truevoltamperes reactive)”，其具有负值。
VARs表观上代表在X轴之下的部分的伏安(VA)波形。
如果加在电机上的负载具有一个等于电机额定负载容量的值，那么意味着这个电机以最大效率运行。然而，尽管这样，这个电机由于电机的固有物理特性以及相对于电机绕组的电机转子(未示出)运转仍然会产生VARs。无论电机是否以其额定负载运行，这些VARs总是出现。这些VARs将称作“固有VARs”。
只要一个感应电机带动小于其额定容量的负载运行时，其它的VARs或“真实无功伏安值”现在存在于这个VA波形中。这些VARs将称作“过量VARs”。
VARs和可能加载在电机上的负载之间有直接的比例关系。
本发明的目的在于为了获得最佳电机运行效率而将固有的和过量的VARs保持在最小值。
实际上，VARs或VA波形的负的部分将尽可能地保持和X轴的负端靠近。
本发明的实质在于使一个计算机程序命令一个微处理器去连续寻找过量的和固有的VARs或实际功率(VA)波形的负值。根据同样的发现，微处理器将接受命令送出一个或多个校正的数字式数到一个固态继电器(SSR)中，后者对输入电压进行实际控制或改变输入到电机绕组的电压值，以便输入电压是加在电机上的变化的负载的函数并与该变化的负载成比例。
附图说明：
图1示出了关于三相感应电机的本发明优选实施例的常规电气元件、信号流程以及校正数字式数值流程(correcting digital numbersflow)的框图。
发明说明
申请人考虑的本发明的最佳方式如下：本发明的电气元件是灵活的并是现有的。例如，微处理器1可以为任何数目的普通微处理器。
如图1所示，电机2设置在一个节能电路3中。在电机2以小于满载的方式运行期间，VA波形中有显著的VARs。
连到电机2的，三个电机相线(4，5或6)中任意两个之间的电压利用一个常规的电压检测器7进行连续采样，后者也在结构上一致以便流经它的电压得到保持或调整到某一数值，这个数值和电压输入定标器(scaler)11相容。在电压检测器7中的一个常规电压分配器(未示出)将确保这种保护功能。
和该两个电机相线中任一个相关联的电流被采样之间的电流也利用一个常规的电流检测器9进行采样，如图1所示。该电流检测器9也经配置，以便通过它们的电流被转换成一个电压信号，该电压信号既代表输入电流，在数值上也使其和电流输入定标器10相容。在电流检测器9中有一个常规变压器和负载电阻器(burden resistor)(都未示出)将确保这种保护功能。
电压信号表示从电流检测器9中流出的电流，并且该电压加在一个常规的电流输入定标器10上，这个定标器根据模数转换器8的额定容量将电压信号的幅值保持在适于模数转换器8接收的范围内。
电压检测器7对例如电机相线5和电机相线4之间的线电压进行连续采样，并且将这些电压送到电压输入定标器11中，该定标器将这些电压调整到适应于模数转换器8额定容量的值，如图1所示。
可替换地，电压检测器7可以对电机相线4，5或6中的任何两个之间的电压进行采样。
电压输入定标器11求出两个取样的电压之间的差，并将这个差送到模数转换器8中。
这个时候，代表电流和电压的电气信号已经进行了实质的模拟。
分别从电流输入定标器10和电压输入定标器11输出的电模拟信号随后都送到这个模数转换器8中，该模数转换器将这些信号转换成数字式二进制数值(digital binary number)(下文称为数字式数值(digital number))。
这些数字式数随后送到微处理器1中。
根据收到的数字形式的相关电压和电流信号，微处理器1使这些数字式数值相乘以获得一个伏安(VA)值。
随后，微处理器1采用这种乘法的乘积，并根据程序存储器12中的指令确定这个乘积是否为负值。如果电机2的负载是变化的，该乘法的乘积一般也将具有一个变值。
如果该乘积具有一个负值，这代表VARs是存在的。根据程序存储器12中的进一步的指令，微处理器1随即将发出一个或多个数字式数值。
由微处理器1发出的这个(些)数字式数值表示输入到电机2的电压是否需要改变，以便输入电压将与加在电机2上的负载成比例。
只要在伏安(VA)值中具有一个负成分(VARs)时，微处理器1就可以根据程序存储器12的指令最优地减少这个分量，微处理器1将连续地寻找并发现全部过量的和固有的VARs。根据发现的VARs，存储器12命令微处理器1去连续发出及送出前述的数字式数值到一个数模转换器13中，在该数模转换器，该数字式数将被转换成一个模拟信号，该信号随后将由数模转换器13送至运算放大器14中，在此，该模拟电压信号得到调整，以便该信号可以不小于零伏并不大于五伏。这个零到五伏的电压范围是固态继电器(SSR15)当前设置好要接收的合适的电压输入范围。即使这个范围变到一个更优的值，运算放大器14同样地设置成要在它可提供的电压输入范围值内发映这个变化。
如前所述，当电机2以低于满额定负载运行时，显著的无功功率(VAR)值或过量的VARs存在于(VA)波形中。
本发明的本质在于将可能存在的任何(VARs)保持为最小值。换句话说，本发明采用乘法乘积的任何可能存在的负值，并按照从可编程序的存储器12送至微处理器1的指令，保持这些负值于和微处理器1的固有容量相一致的最小值。
因此本发明的目标在于无论存在什么样的功率波形(VA)的负的部分，为了使电机2在最佳效率下运行，根据来自程序存储器12的可编程指令，保持该负的部分于最佳的最小值，以便使其为微处理器1物理上能获得的最小可能值。事实上，如果画出功率波形(VA)，我们将看到(VA)波形的负幅度保持在尽可能靠近X轴(横坐标)负端的地方，或者看到由X轴和功率波形(VA)的负轨迹部分围出的负面积(negative area)保持在最小值。
微处理器1因此由存储器12编程以使不仅可以连续寻找并检测过量的VARs和固有的VARs，还可以当微处理器1检测任何VARs时，发出一个或多个递增的(incremental)数字式数值至数模转换器13，当到达某一点时，在该点处微处理器1不再检测任何VAR值，无论该VAR值是代表过量VARs还是代表固有VARs。
当微处理器1不再检测任何VARs时，存储器12指示微处理器1停止发出递增的数字式数值，而是立即开始发出递减的数字式数值至某个点，而避免了电机的停转。
相应于来自常规放大器14的电压信号，SSR15的当前任务是调整并控制供到电机绕组(未示出)的电压量，该电机绕组和电机相线4，5和6关联，而电机相线4，5和6与SSR串联。
在这种方式中，输入到电机2的电压得到连续调整和控制，以便输入电压是加到电机2上的变化的负载的函数并与该负载成比例，因此结果是有效的节能并降低了运行成本。
每个电机相线4，5和6连于常规的三相电源16。这个节能电路3和电机按照惯例接地。为了简便，在附图中没有示出接地，因为这是本领域普通技术人员所熟知的。
对微处理器1编程以实现这里所述的步骤，对计算机编程、微处理器以及交流感应电机技术领域的普通技术人员来说也是熟知的。
因此，程序列表和代码将不再列举；然而，按照个人专利审查程序2106.01节，以及Fonar Corp.v.General Electric公司的案子，107 F3d 1543，1549(Fed.Cir.1997)，与程序存储器12和微处理器1相关的软件的具体功能，与三相电机2相结合如下：
如前所述，由程序存储器12提供的软件的具体功能为(1)指示微处理器1去接收来自模数转换器8的各个数字式数值，并使这些彼此相关的数值分别相乘。(2)指示微处理器1去连续寻找并检测在(1)中描述的乘法乘积中的负值。(3)指示微处理器1，如果检测到负值(VARs)，那么将发出一个或多个数字式数值到数模转换器13中，只要伏安(VA)值中具有任何负值成分(VARs)，就要连续发出这种数字式数值，其中微处理器1可以最佳地减少负值成分。(4)指示微处理器1以递增或递减的方式连续发出数字式数值到SSR 15中，直到达到伏安(VA)波形中的负值最小的最佳状况。
变化的数字式数值的值与零到五伏的电压范围成比例，该零到五伏的电压范围和操作中的放大器14相关联。
基本上，只要微处理器1检测(VARs)，为了模拟信号的最终传递，它将继续发出校正的数字式数值到数模转换器13中，然后从该数模转换器13到三相SSR15。
在这里描述的优选实施方式中的发明，其界于常规的三相电源16和三相电机2之间，也可以通过采用单相SSRs应用到单相电机(未示出)中，只要这些单相SSRs每个都设置有常规线性比例控制器(未示出)。
虽然本发明已经就仅仅一个示范性实施例进行了详细描述，但是对微处理器、计算机编程和电机领域的普通技术人员来说，将可以认识到本发明的变化和调整是易于实现的。

Claims (2)

1.一种用于最优化单相和三相交流感应电机的运行效率于该电机运行于变化的负载条件下的改进的节能方法，所述改进总体上包括如下步骤：
连续监控和检测实际的伏安无功功率；以及
连续发出信号，以便只要检测到实际的伏安无功功率就调整并控制输入线电压，这样输入线电压就成了负载的最佳函数。
2.一种改进的节能装置，其用于当单相和三相交流感应电机在变化负载条件下运行时优化它们的运行效率，总体上其包括：
用于监控和检测实际的伏安无功功率的装置；和
为了调整并控制输入线电压，只要检测到实际的伏安无功功率就连续发出信号的装置，以便当前输入线电压为负载的最优函数。
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