專利名稱：控制電動機的方法、系統(tǒng)和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及利用電動機的電器和設(shè)備，更具體來說涉及控 制電動機以便節(jié)省能量的方法、系統(tǒng)、和裝置。
背景技術(shù)：
功率因數(shù)度量電氣負栽中平均功率與視在功率的比值。功率因數(shù) 的范圍是從0值(在負載的阻抗是純電抗的情況下)到1 (對于純電 阻負載)。實際上，電子設(shè)備的功率因數(shù)處在0與l之間的某點上， 并且，這個值越接近1，設(shè)備就越高效地消耗能量并且越少地浪費功 率。因此，對于使用高電抗負載(例如，電感應電動機)的耗電器， 期望采取措施來調(diào)整它們的視在負載的功率因數(shù)以提高性能和避免浪 費大量電力。例如，以功率因數(shù)0.85從220-V(伏)輸電線中消耗100kW (千瓦)的碾磨機將需要供應118kW的視在功率。但是，如果將功率 因數(shù)提高到0.95，供應的視在功率下降到105.3kW。許多公用事業(yè)公 司要求這樣的耗電者采取積極的措施來調(diào)整功率因數(shù)。
大型工廠不是從提高功率因數(shù)中獲益的唯一環(huán)境。AC電動機出 現(xiàn)在從壓縮機到升降機的許多不同電器和設(shè)備中，由于它們的輸入阻抗通常是電感性的，所以它們往往呈現(xiàn)出小于期望的功率因數(shù)額定值，
尤其在輕載狀況下或在負載變化的某些時段內(nèi)。為了提高AC電動機 的功率因數(shù)，人們已經(jīng)開發(fā)出了一些控制器，它們在現(xiàn)有技術(shù)中是眾 所周知的。 一些例子包括名稱為"Phase Detector for Three-Phase Power Factor Controller" ( Nola'528 )的美國專利笫4，459，528號、名 稱為"Power Factor Control System for AC Induction Motors"
(Nola'177)的美國專利第4,266,177號、和名稱為"Balanced and Synchronized Phase Detector for an AC Induction Motor Controller"
(Anderson)的美國專利第5,821,726號，通過引用將其全部內(nèi)容并 入于此。
一般說來，許多AC電動機控制器采取的功率因數(shù)減小措施通過 感測電流相量與電壓相量之間的相差，然后利用控制器調(diào)整每個AC 電動機相中的晶閘管的啟動以試圖減小電壓和電流相位滯后來完成。
在理想的實現(xiàn)方案中，如果可以使電流相量與電壓相量之間的相差變 成零，負載在電源看來是電阻性的，因此，功率因數(shù)將接近1。雖然 功率因數(shù)1實際上不可完全達到，但功率因數(shù)的少量提高可以使功耗 有相當大的差別。
近年來人們已經(jīng)開發(fā)出了提高電動機功率因數(shù)的許多不同措施。 例如，美國專利第4，052，648號(名稱為"Power Factor Control System for AC Induction Motors" ( Nola，648 ))描述了用于未滿載感應電動 機的功率減小系統(tǒng)，通過引用將其并入于此?？刂齐娏髋c電壓之間的 相角(電動機功率因數(shù))。在Nola'648系統(tǒng)中，通過控制連接至電動 機的晶閘管，作為命令功率因數(shù)信號與運行功率因數(shù)之差的函數(shù)來控 制電動機功率因數(shù)。
名稱為"Power Factor Control System for AC Induction Motors" (Nola， 177 )的美國專利第4，266，177號是適合響應電動機負栽突然改 變(例如，通過提高滿額電動機電壓接通的速度)的狀況的系統(tǒng)。在 Nola'177系統(tǒng)中，通過組合電壓和電流導出方波信號并且生成時間寬 度等于電動機電流與電壓之間的相角的 一 系列脈沖來作出相位比較。
8將脈沖的可變寬度改變成振幅與相差成比例的可變振幅DC信號。將 相差信號與代表期望的最小運行功率因數(shù)的命令電壓信號相比較。然 后，將所得差信號，即，電路誤差信號用于控制與感應電動機的繞組 串聯(lián)的三端雙向可控硅開關(guān)(triac)的接通時間，以保持電動機在所 選功率因數(shù)下運行。這具有顯著減小輸入未滿載電動機的功率的效果。 將這些脈沖改變成DC信號的內(nèi)在需要是對這些脈沖進行濾波以 產(chǎn)生平滑DC信號。這是通過，例如，使用模擬積分器來完成的。模 擬積分器就其本性而言，會造成相角的實際變化與控制器看到的變化 之間的時間滯后。這種滯后與電動機響應負載變化的能力相比會相當 顯著。其結(jié)果是，像在美國專利第4,266,177號中示出的設(shè)計那樣的設(shè) 計可能需要附加電路來抵消電動機負栽突然增加期間的這種時間滯 后。
美國專利第5,821,726號解決了對電動機負栽大量增加的響應。 對從輕載狀況到滿載狀況的變化的響應速度可能不足以防止電動機停 轉(zhuǎn)或振動，尤其當最小功率因數(shù)命令設(shè)置相對較高時。例如，盡管Nola 系統(tǒng)響應相當迅速，但仍然可以作出進一步改進，以便響應像在抽油 泵、電動機發(fā)電機組、沖壓機、冰箱壓縮機等中那樣的負載突然大變 化。
對脈沖列進行濾波以產(chǎn)生平滑DC信號會損害控制器的響應。與 控制器連接的高效電動機也可能由于控制器不能響應這些高效電動機 而進入不希望的過度振蕩時段。
希望提供一種快速響應控制器，其具有改善感應電動機中的相位 滯后的控制并由此提高節(jié)能量的能力。還希望提供一種能夠與包含感 應電動機的多種電器一起工作、從而改進功率因數(shù)和起動特性的控制 器。還希望提供一種可編程并且可針對特定負載和運行狀況而定制的 功率因數(shù)提高控制器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于電動機控制的系統(tǒng)和方法。將相位檢測器與電源耦合。使相位檢測器的輸出與電動機的電動機電流的過零和線電壓 的過零同步。耦合在相位檢測器的輸出端與整流器驅(qū)動器之間的數(shù)字 微處理器感測電動機電壓的相位穿過零伏的第一時間和電動機電流的 相位穿過零電流的第二時間。數(shù)字微處理器確定笫 一時間與第二時間 之間的時間差，并且利用該時間差計算電動機的相位滯后。數(shù)字微處
理器利用該相位滯后計算整流器的啟動(firing)時間，以便發(fā)出向電 動機高效供電的命令。


圖1是例示依照本發(fā)明示范性實施例的用于電動機的控制系統(tǒng)的 方塊圖2是依照本發(fā)明示范性實施例的相位檢測電路(PDC)的示意
圖3是在圖2中看到的PDC的輸入和輸出波形； 圖4是依照本發(fā)明示范性實施例的將相角與所描繪晶閘管的啟動 角相關(guān)聯(lián)的一組電動機曲線；
圖5是依照本發(fā)明示范性實施例的控制系統(tǒng)算法的方塊圖；和 圖6是例示依照本發(fā)明示范性實施例控制電動機的方法的流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明包括具有數(shù)字微處理器以便提供電動機中的功率因數(shù)調(diào) 整的控制系統(tǒng)。
參照圖1，其中針對用于通過控制電動機(未示出)的功率因數(shù) 提高電動機的運行效率的控制系統(tǒng)100例示了示范性方塊圖級實施 例。雖然例示了單相實現(xiàn)方案(例如，單相電動機)，但本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員應該理解，可以使用多級來控制多相電動機(如三相電動 機)。
系統(tǒng)100包括電源101、電源102、相位檢測器103、數(shù)字微處理
10器105、整流器驅(qū)動器107、和整流器109。電源101與相位檢測器103 連接，以便經(jīng)由第一相位檢測器輸入端將線電壓119提供給相位檢測 器103，并且，電源101還與地137連接。相位檢測器103還經(jīng)由第 二相位檢測器輸入端與電動機的電動機喊電壓121耦合。相位檢測器 103與數(shù)字微處理器105耦合，以便將與電動機電流的過零和線電壓 119的過零同步的信號提供給數(shù)字微處理器105。數(shù)字微處理器105 利用該同步信號計算電動機的相位滯后，從而計算整流器驅(qū)動器107 的啟動時間。整流器驅(qū)動器107啟動或接通整流器109,以便發(fā)出向 電動機供電的命令。
第二電源102將較低電平的線電壓119和電動機端電壓121提供 給相位檢測器103,其中較低電平的線電壓119和電動機的電動機端 電壓121分別與相位檢測器103的輸入端115 (例如，+15V)和輸入 端117(例如，-15V)耦合。線電壓119還與整流器109的輸入端耦 合。使第一相位檢測器輸出125與電動機電流的過零同步，并且使第 二相位檢測器輸出127與線電壓119的過零同步。將相位檢測器103 的第一和第二相位檢測器輸出端耦合到數(shù)字微處理器105。數(shù)字微處 理器105感測電動機電壓的相位穿過零伏的第一時間、和電動機電流 的相位穿過零電流的第二時間。由于數(shù)字微處理器105具有內(nèi)部時鐘， 所以數(shù)字微處理器105可以容易地確定第一和第二時間。數(shù)字微處理 器105確定第一時間與第二時間之間的時間差，并且利用該時間差計 算電動機的相位滯后。數(shù)字微處理器105利用該相位滯后計算整流器 109的啟動時間。啟動時間隨電動機的相位滯后和負載中的至少一個 而變化。
數(shù)字微處理器105的第一和第二輸出端129和131分別與整流器 驅(qū)動器107 (例如，可控硅整流器(SCR)驅(qū)動器)的笫一和第二輸 入端133和135耦合。使第一和第二輸出129和131與來自相位檢測 器103的電壓過零同步。整流器驅(qū)動器107可以具有現(xiàn)代設(shè)計或與用 在Nola和Anderson控制器(如上面討論的)中的那些類似，并且可 以驅(qū)動像SCR和三端雙向可控硅開關(guān)那樣的任何類型晶閘管。整流器驅(qū)動器107控制一個或多個整流器109 (例如一個或多個晶閘管111 和113 (例示在上面討論的Nola和Anderson控制器中))。整流器 驅(qū)動器107啟動整流器109，以便將電動機端電壓121提供給電動機。 利用數(shù)字微處理器105確定電壓與電流之間的電動機相位滯后并 且控制整流器驅(qū)動器107允許控制系統(tǒng)IOO減小電動機相位滯后，這 會顯著地使功率因數(shù)最大。因此，數(shù)字微處理器105可以精確地計算 電動機的相位滯后，從而計算整流器109的啟動，以^^高效地向電動 機供電。
圖2例示了相位檢測器103。相位檢測器103可以是模擬電路(例 如，像用在Nola和Anderson控制器中的相位檢測器那樣)。相位檢 測器103包括提供電壓和電流輸入的一個或多個分壓器、和將電壓和 電流波形放大和轉(zhuǎn)換成方波的一個或多個運算放大器。電動機端電壓 121經(jīng)由笫一分壓器201耦合到第一運算放大器215 (也稱為Ul)的 第一反相輸入端207。線電壓119經(jīng)由笫二分壓器203耦合到第一運 算放大器215的第一非反相輸入端209，并且經(jīng)由笫三分壓器耦合到 第二運算放大器217 (也稱為U2)的第二反相輸入端211。第二運算 放大器217的第二非反相輸入端與地137耦合。
像用50KQ和7.5KQ電阻器例示的那樣的分壓器將電壓從電動 機的電源電壓電平降低到運算放大器電平。雖然這些具體電阻值例示 了示范性實施例，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應該清楚地認識到，視運 行環(huán)境而定，可以使用不同電壓調(diào)整量或電阻值?？梢蕴峁┎煌幕?附加的濾波部件，以便進一步調(diào)節(jié)第一和第二運算放大器215和217 的輸入信號。第一分壓器201獲取來自電動機端電壓121的輸入，并 且饋送到第一運算放大器215的反相端子。第二分壓器203獲取來自 線電壓119的輸入，并且饋送到第一運算放大器215的非反相端子。 第三分壓器電路獲取來自線電壓119的輸入，并且將信號提供給第二 運算放大器217。
電容器221耦合在第一運算放大器215的反相端子與非反相端子 之間。電容器223耦合在笫一運算放大器215的非反相端子與地137之間。電容器221和223過濾來自線電壓119和電動機端電壓121的 噪聲。
第一運算放大器215將電動機端電壓121與線電壓119相比較。 第一運算放大器215被配置成具有經(jīng)由電阻器219 (如例示的470KQ 電阻器)的正反饋。該正反饋使第一運算放大器215充當存在滯后的 比較器。第一運算放大器215的第一放大器輸出(第一相位檢測器輸 出125)是與電動機電流的相位滯后同步的方波。第二運算放大器217 的第二放大器輸出(第二相位檢測器輸出127)起產(chǎn)生與線電壓119 的過零同步的方波的方波發(fā)生器的作用。第一運算放大器215的第一 放大器輸出125與電動機電流的過零同步，而第二運算放大器217的 第二放大器輸出127與線電壓119的過零同步。
可替代地，可以用換流器(未示出)取代第一分壓器201。換流 器還可以取代與第一運算放大器215耦合的電阻器219和第二分壓器 203。這樣，換流器可以測量電動機電流的過零。
數(shù)字微處理器105耦合在第一和第二運算放大器輸出端125和 127的相位檢測器輸出端與整流器驅(qū)動器107之間。數(shù)字微處理器105 通過計算第一運算放大器215的開關(guān)狀態(tài)與第二運算放大器217的開 關(guān)狀態(tài)之間的時間差，確定電動機的電流和電壓的相位滯后(例如， 相角差)，其產(chǎn)生相位滯后的瞬時信號。使用相位滯后是為了控制整 流器驅(qū)動器107的啟動。因此，整流器驅(qū)動器107的啟動將啟動整流 器109，以便向電動機供電。
圖3例示了線電壓119和系統(tǒng)100的輸出端產(chǎn)生的電動機電流的 標稱波形，以及第一和第二運算放大器215和217的相應輸出。
為了理解如何檢測相位，考慮第一運算放大器215的輸出是有益 的。當切斷晶閘管111和113 (零電動機電壓)時，第一運算放大器 215的反相端與非反相端之間的差值等于感測到的線電壓119。但是， 當接通晶閘管111和113時，輸電線與電動機端子之間的電壓差將非 常低。當感測到的線電壓119 (非反相輸入)大于感測到的電動機電 壓(反相輸入)時，第一運算放大器215的輸出是+ 15V。這發(fā)生在，例如，零電流指示的晶閘管Ul和113斷開時的線電壓119的正半周 期期間。第一運算放大器215的正輸出與正反饋結(jié)合，增大了所感測 到的線電壓119，使得第一運算放大器215在感測到的電動機電壓(反 相輸入)顯著大于感測到的線電壓119之前不改變狀態(tài)。這在晶閘管 111和113在線電壓119的負半周期期間再次斷開之前不會發(fā)生。因 此，第一運算放大器215的輸出從晶閘管111和113在線電壓119的 正半周期上斷開的時間到晶閘管111和113在線電壓119的負半周期 上再次斷開的時間是正的。這個波形例示在圖3中，作為第一運算放 大器215。
另一方面，第二運算放大器217只感測線電壓119,并且隨著線 電壓119從正變成負而從正狀態(tài)變成負狀態(tài)。
因此，數(shù)字微處理器105 (或微控制器或數(shù)字信號處理器)可以 用于通過計算第一運算放大器215的開關(guān)狀態(tài)與笫二運算放大器217 的開關(guān)狀態(tài)之間的時間差來確定相角。這產(chǎn)生相角的瞬時信號。相位 檢測算法是
Y - ( Tl - T2 ) xK 第1方程
其中，Tl-電流過零時間； T2-電壓過零時間；
K-對于用亳秒表示的Tl與T2之間的差值，將360度除
以用毫秒表示的一個電壓周期的時間；
Y-用度表示的相位滯后。 將相位滯后用于計算晶閘管111和113的啟動(接通和斷開時間)。
數(shù)字微處理器105 (或微控制器或數(shù)字信號處理器)可以用于通 過計算第一運算放大器215的開關(guān)狀態(tài)與第二運算放大器217的開關(guān) 狀態(tài)之間的時間差確定與相位滯后相關(guān)聯(lián)的相位誤差信號。相位誤差 檢測算法是(eD - eFB) xk = x 第2方程
其中，6d-用毫秒表示的期望相角；
Gfb =用毫秒表示的電動機電流的過零時間減去電動才幾電 壓的過零時間；
K = 360度除以用毫秒表示的 一 個電壓周期的時間(例如， 對于60赫茲電壓，將360度除以16.667毫秒的時間)；
x-用度表示的相位誤差信號。 在第1方程中的K用時間表示的時候(更一般地)，第2方程
的K用毫秒表示。在系統(tǒng)100中將相位誤差信號用于控制晶閘管111
和113的啟動(接通和斷開時間)。
例如，圖4描繪了作為將相角與再次接通晶閘管111和113的時
間(即，稱為啟動角的時間)相關(guān)聯(lián)的一組典型電動機特性的曲線4a
到4e。例示在圖4中的是向上和向右延伸的直線，其中描述這種直線
的方程是
y = Ax - B 第3方程
其中，x-測量相角(其可以是第i方程中的y);
A二增益(例如，圖4中該增益是4); B-偏移(例如，圖4中該偏移是128); y =啟動角。
對于滿載電動機(100%),示出了曲線4a，其垂直部分具有大 約50度的相位滯后；而對于空載電動機(0%)，例示了曲線4e，其 垂直部分具有大約75度的相位滯后。之間的曲線(在4b、 4c和4d 上)例示了在滿載和空載電動機運行范圍之間的電動機負載(分別加 載了 75%、 50%和25%)。
在曲線4a到4e中的示范性實施例中，在電壓過零時命令斷開晶
15閘管111 (或晶閘管113)。但是，因為存在經(jīng)過晶閘管111的電流， 所以在這個電流變成零之前晶閘管111不能關(guān)斷。在電壓過零之后的 某個時間，這個電流變成零(例如，相位滯后時間)。此時，晶閘管 111關(guān)斷(除非在這個電流過零之前控制系統(tǒng)100命令啟動晶閘管 111)。如果在這個電流過零之前控制系統(tǒng)IOO命令啟動晶閘管111， 那么，晶閘管lll繼續(xù)接通。當啟動時間小于相位滯后時間時，晶閘 管111繼續(xù)接通并且相位滯后保持不變。
對于大于相位滯后的啟動時間，晶閘管lll將在電流過零時關(guān)斷 (相位滯后)并且在啟動時間再接通。這將使電動機在晶閘管111斷 開的時候接收到零伏電壓。在整個周期上的平均電壓將較低，并且相 位滯后將較小(即，較高功率因數(shù))。通過在給定負載上將啟動時間 增大到超過相位和啟動時間相等的點，生成了圖4的曲線4a到4e。 曲線4a到4e代表電動機的特性或電動機的相位與啟動時間的關(guān)系。
例如，最好對于滿載，像曲線4a那樣接近滿電壓，而對于空栽， 像曲線4e那樣具有最小相位滯后。在本例中，系統(tǒng)100在曲線4a中 在滿載時輸出大約50度的啟動角，而在曲線4e中在空載時輸出大約 IIO度的啟動角。不幸的是，當對于空載在110度上啟動時，因為電 動機不具有足夠的運行電壓，所以電動機停機。在100度的啟動角上 并且空栽時，相位將是大約57度，而在55度的啟動角上，相位將是 大約46度。利用這兩個點，可以計算出預期啟動角(例如，利用第3 方程)。對于曲線4d的負栽，系統(tǒng)100將在第3方程代表的直線穿過 曲線4d的地方啟動。系統(tǒng)100將電動機控制在第3方程代表的直線與 電流負載曲線的交點上。當負載發(fā)生變化時，相角移動到新負載曲線 與第3方程代表的直線的新交點上。這是閉環(huán)反饋控制，因為隨著輸 入(即相位)發(fā)生變化，輸出自動發(fā)生變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以 利用閉環(huán)反饋控制原理調(diào)整第3方程，以便穩(wěn)定系統(tǒng)100。例如，如 果第3方程接近垂直直線(其中，y-20x- 1000 )，電動機的反饋控 制系統(tǒng)將是不穩(wěn)定的。
第3方程描述了用于對系統(tǒng)100的電動機相角進行控制的算法的一個示范性實施例。通過改變常數(shù)128和增益4可以調(diào)整用于控制相 角的算法。在圖5中例示了用于控制相角的算法的一種示范性實現(xiàn)方 式。
圖5例示了在例示在圖1中的數(shù)字微處理器105中實現(xiàn)的相角控 制算法的一個實施例的方塊圖。通過改變像第3方程中那樣的常數(shù)128 和增益4，可以調(diào)整相角控制算法。換句話說，圖5中的示范性實施 例通過求解第3方程部分地計算出用毫秒表示的啟動時間，但也可以 利用其他各種方程。系統(tǒng)IOO通過利用數(shù)字微處理器105計算時間導 出相角(例如，圖5中步驟505的輸出和第l方程)，并且將這個相 角用在數(shù)字微處理器105中，以便利用第3方程計算出晶閘管啟動時 間，來控制晶閘管111和113的啟動。
例如，由數(shù)字微處理器105計算電動機的電壓的過零時間(例如 用毫秒表示)(步驟501)。由數(shù)字微處理器105計算電動機的電流 的過零時間(例如用毫秒表示)(步驟503)。數(shù)字微處理器105計 算電動機電流和電動機電壓的過零時間之間的時間差(步驟505)。 將這個時間差用于計算電動機的電壓與電流之間的相位滯后(例如， 將時間差乘以21.6度/亳秒)(步驟507)。數(shù)字微處理器105將這個 相位滯后乘以增益(例如，來自第3方程的4)(步驟509)。數(shù)字微 處理器105利用這個來自步驟509的相位滯后以及偏移(例如，從來 自步驟509的相位滯后中減去128度)(步驟511)計算整流器驅(qū)動 器107的啟動角(例如，用度表示的啟動角)(步驟513)。 128度的 偏移來自第3方程。數(shù)字微處理器105利用來自步驟513的啟動角并 且將它乘以0.046 (步驟515)，以將啟動角從度轉(zhuǎn)換成毫秒。用亳秒 表示的啟動角與電動機的電壓的過零時間一起用于計算整流器驅(qū)動器 107的啟動時間(例如，用毫秒表示)(步驟517)。
一個電壓正弦波是360度，并且O度處在過零點上。卯度的啟動 角出現(xiàn)在這樣的正弦波的峰上。啟動時間用毫秒表示。對于60赫茲 AC電壓， 一個正弦波從開始到結(jié)束是16-2/3毫秒。對于90度的啟動 角，啟動時間是16-2/3毫秒的1/4 (或4.166毫秒)。將360度除以16-2/3毫秒得出21.6度/毫秒。將16-2/3亳秒除以360度得出0.046。
應該理解，如果希望的話，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改與算法相關(guān) 聯(lián)的數(shù)字以及系統(tǒng)100的元件，例如加入比例積分差分(PID)控制 器或其他類似控制設(shè)備，以便優(yōu)化系統(tǒng)100并且補償不穩(wěn)定性。因此， 與利用數(shù)字微處理器105對相位滯后(功率因數(shù))的改進檢測一起使 用上述手段是本發(fā)明的一個示范性實施例。
圖6例示了一種電動機功率因數(shù)控制方法，其包括感測電動機的 電壓和電流的過零，以確定時間差，從而計算電動機的相位滯后。這 種方法包括滿功率運行電動機多個周期(X)，以將電動機加速到全 運行速度(步驟601)。進行確定以檢測電動機的電壓的過零(步驟 603)。利用數(shù)字微處理器105，感測電動機電壓的相位穿過零伏的第 一時間。 一旦檢測到電動機的電壓的電壓過零，則起動數(shù)字微處理器 105中的計時器或計時循環(huán)(步驟605)。進行確定以檢測電動機的電 流的過零(步驟607)。利用數(shù)字微處理器105，感測電動機電流的相 位穿過零電流的第二時間。利用第一和第二時間計算電動機的相位滯 后(步驟609)。利用數(shù)字微處理器105，確定第一時間與第二時間之 間的時間差。利用數(shù)字微處理器105，將該時間差用于計算電動機的 相位滯后。根據(jù)電動機的相位滯后計算啟動角(步驟611)。該啟動 角確定啟動整流器驅(qū)動器107的時間，因此確定啟動整流器111的時 間(步驟613)。重復步驟603到613,以便通過感測電動機的電壓和 電流的過零，確定時間差，然后計算電動機的相位滯后，來提供電動 機的功率因數(shù)控制。因此，利用數(shù)字微處理器105，將相位滯后用于 計算整流器109的啟動時間，其中啟動時間隨電動機的相位滯后和負 載中的至少一個而變化。
已經(jīng)參照特定示范性實施例描述了本發(fā)明。但是，應該體會到， 可以不偏離本發(fā)明的范圍地作出各種各樣的修改和改變。說明書和附 圖應該被認為是例示性的，而不是限制性的，并且，所有這樣的修改 都應當包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
上面已經(jīng)針對特定示范性實施例描述了益處、其他優(yōu)點、和對問題的解決方案。但是，這些益處、優(yōu)點、對問題的解決方案、和可以 使任何益處、優(yōu)點、或解決方案表現(xiàn)出來或變得更加突出的任何要素 不應該理解為關(guān)鍵性的、要求的或必不可少的特征或要素。正如本文 使用的那樣，術(shù)語"包含"、"包括"或它們的任何變體旨在涵蓋非排它 式的包括，因而包含一系列要素的處理、方法、物品、或裝置不僅包 括那些要素，而且可以包括未明確列出的或這樣的處理、方法、物品、 或裝置固有的其他要素。此外，除非明確描述成"必不可少的"或"關(guān)鍵 性的"，本文所述的任何要素都不是實施本發(fā)明所必需的。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包含與相位檢測器耦合的電源；所述相位檢測器，具有第一相位檢測器輸出和第二相位檢測器輸出，其中使所述第一相位檢測器輸出與電動機的電動機電流的過零同步，并且使第二相位檢測器輸出與電源的線電壓的過零同步；和耦合在第一和第二相位檢測器輸出與整流器之間的數(shù)字微處理器，其中所述數(shù)字微處理器被配置成感測電動機電壓的相位過零的第一時間；感測電動機電流的相位過零的第二時間；確定所述第一和第二時間之間的時間差；利用所述時間差計算電動機的相位滯后；和利用所述相位滯后計算整流器的啟動時間。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中利用如下方程計算所述相位滯后<formula>formula see original document page 2</formula>其中，y是用度表示的相位滯后；Tl是電流過零時間； T2是電壓過零時間；和K是對于用亳秒表示的Tl與T2之間的差值，將360度 除以用毫秒表示的一個電壓周期的時間。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中利用如下方程計算所述整流 器的啟動時間<formula>formula see original document page 2</formula>其中，y是啟動時間，A是增益，B是偏移。
4. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中利用如下方程計算與所述相 位滯后相關(guān)聯(lián)的相位誤差信號<formula>formula see original document page 2</formula>其中，X是相位誤差信號；0d是用毫秒表示的期望相角；eFB是用亳秒表示的電動機電流的相位過零的第二時間減 去電動機電壓的相位過零的第一時間；和K是將360度除以用亳秒表示的一個電壓周期的時間。
5. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中利用如下方程計算所述整流 器的啟動時間y = Ax- B，其中，y是啟動時間，A是增益，B是偏移，并且x是電動機的 測量相角。
6. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中啟動時間隨電動機的所述相 位滯后和負載中的至少一個而變化。
7. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述相位檢測器包括與所述 電源的線電壓耦合的第一相位檢測器輸入和與電動機的電動機端電壓 耦合的第二相位檢測器輸入。
8. —種系統(tǒng)，包含與相位檢測器耦合的電源；所述相位檢測器，具有第一相位檢測器輸入、第二相位檢測器輸 入、和相位檢測器輸出，其中，該相位檢測器包括所述第二相位檢測器輸入經(jīng)由第 一分壓器與第 一運算放大 器的第一反相輸入耦合；和所述第 一相位檢測器輸入經(jīng)由第二分壓器與所述第 一運算 放大器的第一非反相輸入耦合，并且經(jīng)由第三分壓器與笫二運算 放大器的第二反相輸入耦合，其中，使所述第一運算放大器的第一放大器輸出與電動機 電流的過零同步，并且使所述第二運算放大器的第二放大器輸出 與線電壓的過零同步；和耦合在包含第一和第二放大器輸出的相位檢測器輸出與整流器 驅(qū)動器之間的數(shù)字微處理器，其中，所述數(shù)字微處理器通過計算所述笫一運算放大器的開關(guān)狀 態(tài)與所述第二運算放大器的開關(guān)狀態(tài)之間的時間差確定電動機 的電流和電壓的相位滯后，以便控制整流器驅(qū)動器的啟動。
9. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述整流器驅(qū)動器啟動耦合 在所述整流器驅(qū)動器與電動機的電動機端電壓之間的至少一個晶閘管。
10. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中利用如下方程計算所述相位滯后y= (T1-T2) xK，其中，y是用度表示的相位滯后；Tl是電流過零時間； T2是電壓過零時間；和K是對于用毫秒表示的Tl與T2之間的差值，將360度 除以用毫秒表示的一個電壓周期的時間。
11. 如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中利用如下方程計算所述整 流器的啟動y = Ay - B，其中，y是與所述整流器的啟動相關(guān)聯(lián)的啟動時間，A是增益， B是偏移。
12. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中利用如下方程計算相位滯后夂=(eD-eFB) xk，其中，X是相位滯后；0d是用亳秒表示的期望相角；eFB是用亳秒表示的電動機電流的相位過零的第二時間減 去電動機的電壓相位過零的第一時間；和K是將360度除以用毫秒表示的一個電壓周期的時間。
13. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中利用如下方程計算所述整流 器的啟動y = Ax-B,其中，y是與所述整流器的啟動相關(guān)聯(lián)的啟動時間，A是增益， B是偏移，x是電動機的測量相角。
14. 一種控制電動機的方法，包含如下步驟 利用數(shù)字微處理器感測電動機電壓的相位過零的第一時間； 利用數(shù)字微處理器感測電動機電流的相位過零的第二時間； 利用數(shù)字微處理器確定所述第 一和第二時間之間的時間差； 利用數(shù)字微處理器將所述時間差用于計算電動機的相位滯后；和 利用數(shù)字微處理器將所述相位滯后用于計算整流器的啟動時間。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包含一旦感測到電動機 電壓的相位穿過零伏的第一時間，則起動所述數(shù)字微處理器中的計時 器的步驟。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包含利用如下方程計算 所述相位滯后的步驟y= (T1-T2) xK，其中，Y是用度表示的相位滯后； Tl是電流過零時間； T2是電壓過零時間；和K是對于用毫秒表示的Tl與T2之間的差值，將360度 除以用毫秒表示的一個電壓周期的時間。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，進一步包含利用如下方程計算 所迷整流器的啟動時間的步驟y = Ay-B,其中，y是與所述整流器的啟動相關(guān)聯(lián)的啟動時間，A是增益， B是偏移。
18. 如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包含隨電動機的所述相 位滯后和負載中的至少一個改變所述啟動時間的步驟。
19. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中利用如下方程計算所述整 流器的啟動時間y = Ax - B,其中，y是與所述整流器的啟動相關(guān)聯(lián)的啟動時間，A是增益， B是偏移，x是電動機的測量相角。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包含利用如下方程計算 與所述相位滯后相關(guān)聯(lián)的相位滯后誤差x= (eD-eFB) xk,其中，k是相位滯后；0d是用毫秒表示的期望相角；eFB是用毫秒表示的電動機電流的相位過零的第二時間減 去電動機的電壓相位過零的第一時間；和K是將360度除以用毫秒表示的一個電壓周期的時間。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于電動機功率因數(shù)控制的系統(tǒng)和方法。相位檢測器使用電源的線電壓和電動機的電動機端電壓。使相位檢測器的輸出與電動機的電動機電流的過零和線電壓的過零同步。連接在相位檢測器的輸出端與整流器驅(qū)動器之間的數(shù)字微處理器感測電動機電壓的相位穿過零伏的第一時間和電動機電流的相位穿過零電流的第二時間。數(shù)字微處理器計算第一時間與第二時間之間的時間差，并且利用該時間差計算電動機的相位滯后。數(shù)字微處理器利用該相位滯后計算整流器的啟動時間，以便發(fā)出向電動機高效供電的命令。
文檔編號G05F1/10GK101589353SQ200780026448
公開日2009年11月25日 申請日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月2日
發(fā)明者G·I·伯亞德吉弗, J·J·赫斯特 申請人:能源效率公司