用于交流感应电机的电机负载控制器

暂无

技术领域\n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。\n背景技术\n一些可应用的现有技术专利为Nola：US4439718；NOLA：US4052648； 和Sugimoto：US4379258。\n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。\n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。\nNola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。\nNola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。\nSugimoto的专利公开了一种试图去控制供应至交流感应电机功率 流(flow of 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。\nSugimoto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。\nSugimoto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。\nSugimoto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。\n发明内容\n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。\n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。\n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。\n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)，也称作无功伏安(VARs)或“真实无功伏安值(true voltamperes reactive)”，其具有负值。\nVARs表观上代表在X轴之下的部分的伏安(VA)波形。\n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”。\n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”。\nVARs和可能加载在电机上的负载之间有直接的比例关系。\n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。\n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。\n本发明提供一种用于最优化单相或三相交流感应电机的运行效率 的节能方法，所述方法包括以下步骤：连续监控和检测伏安无功功率； 以及连续发出信号到固态继电器，以便只要检测到所述伏安无功功率 就控制提供给感应电机的电压量。\n本发明提供一种用于最优化单相或三相交流感应电机的运行效率 的节能装置，所述装置包括：用于监控和检测伏安无功功率的装置； 以及连续发出信号到固态继电器的装置，以便只要检测到所述无功伏 安功率就控制提供给感应电机的电压量。\n本发明提供一种节能方法，其中从电源到单相或三相交流感应电 机的输入被控制，所述方法包括以下步骤：在所述电源和感应电机之 间，在每个电机相线中设置固态继电器；对电压和电流连续采样；通 过将所获得的电压和电流信号相乘，计算伏安值；只要发现所述伏安 值为负，即向固态继电器发出校正信号；由此，响应发出的所述信号， 所述固态继电器控制输入到所述电机绕组的电压量。\n根据本发明的进一步的特征，其中向所述固态继电器发出的所述 信号被计算，以保持无功伏安为最佳的最小值。\n根据本发明的进一步的特征，当从电源向三相交流感应电机的输 入受到控制时，与三相电机的三相电机相线中的两个相线相关的电压 被连续采样；以及与电压被采样的两电机相线中的一个相线相关的电 流被连续采样。并且被采样的电压之间的差被确定，并且所确定的差 被用于计算所述伏安值。\n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。\n附图说明：\n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 numbers flow)的框图。\n具体实施方式\n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。\n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。\n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。\n和电压被采样的该两个电机相线中任一个相线相关联的电流也利 用一个常规的电流检测器9被连续采样，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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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))。\n这些数字式数随后送到微处理器1中。\n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。\n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。\n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。\n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。\n只要在伏安(VA)值中具有一个负成分无功伏安(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反应这个 变化。\n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存在于伏安(VA)波形中。\n本发明的本质在于将可能存在的任何无功伏安(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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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。\n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， 107F3d 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：\n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。\n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。\n基本上，只要微处理器1检测到无功伏安(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。\n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)。\n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。