[发明专利]负载敏感可变电压电动机控制器

说明书

本发明一般涉及控制感应电动机的领域，尤其涉及一种用于节省感应电动机运行时的能量的装置。

交流感应电动机使用已变得普及了。许多常用的设备和许多住宅及工商业的装置使用的设备都采用了这种电动机。电动机通常和当地电力公司提供的输电线连接，输电线的电压随时间和地点有很大的变化。感应电动机一般以一个相对恒定的速度运行，在一定的工作电压范围内，此速度不受加到电动机上的交流电压的影响。

不幸的是，当感应电动机空载运行时，使用很大的功率。须特别指出，电动机电流通常是恒定的，并且取决于施加到电动机上的电压。因此，当电动机空载时，希望减小加在电机上的电压，从而减少电机消耗的能量。然而，大多数电机是在电力线电压下运行的，使用者不能调节该电压。即使在电压可调的地方，也很难随着负载的变化，迅速地进行必要的调整。

感应电机的能量消耗由给定时间内加在电机端子上的瞬时交流电压与流经电机的瞬时交流电流乘积的积分来确定。一般的交流线电压是正弦的。人们知道，对感应电机施加正弦输入会产生交流电压和交流电流，它们具有相同的正弦波形，但时间上有偏移。在电压和电流之间的时间偏移叫做相移或相差，并且一般用一个角度来表示。因此，对于一个恒定的电压和相对恒定的电流，感应电机的功率消耗用VICosφ来表示。其中，V是加在电机上的交流电压的平均值，I是流经电机的交流电流的平均值，φ是电流和电压之间的相差。Cosφ有时被称为“功率因素”。因此，功率消耗与加于电机的交流电压和流经电机的交流电流之间的相差有关。众所周知，在感应电机的电流和电压之间的相差以及功率消耗随着施加于电机的负载的变化而变化。然而，当电机空载时，功率因素仍很大，从而造成由于相当大的电流流经电机而产生的较大的能量浪费。尽管从理论上讲，具有恒定负载的感应电机可具有最大效率，但是，在应用中，即使不是绝大多数，也是许多电机含有随时间变化的负载。

在现有技术中，一种用于减少感应电机的能量消耗的方法被称为功率因素控制或PFC。通过测量电压与电流之间相差的变化，可测量出功率消耗的变化进而测量出外加负载的变化。现有技术中的这种PFC方法包括测量出电流和电压之间的相差和使用这一测得的信息在每个交流周期的某个部分中断施加于电机的线电压。通过响应电流和电压之间相移变化而改变交流电压中断时间，有可能调整外加电压的RMS值。因此，当电机负载轻时，即φ大时，RMS电压就会减小。另一方面，当电机满载时，即φ小，RMS电压就增大，即外加到电机上的线电压中断将减到最小或消除。

使用这种PFC方法的装置的实例已由Nola在美国专利No.4，052，648中公开。Nola指出，测量出电压和电流的相差并用所测得的信息利用三端双向可控硅（TRIAC）来控制电压加于感应电机的时间。众所周知，三端双向可控硅是用一个控制极来控制的、能中断外加于电机的电压的装置。Nola采用一个有中心抽头的变压器来测量外加于电机上的电压，该变压器的初级线圈与电机并联。中心抽头变压器（center    tap    transformer）从它的次级端点输出两个反相位的电压信号。这两个电压信号接着通过一个方波整形器，当交流电压为正值时均为高值，交流电压为负值时均为低值。这种波形排除了所有幅度的信息而只保留极性信息。

同时，用第二个变压器测量电流，它的输出也通过一方波整形器。接着，将方波输出微分，产生一系列的脉冲，它表明在零点处电流转换方向的时刻。这些点被称为零点交叉点。将这些脉冲送入单冲击电路（one-shot    circuit），它产生一个方波输出。接着，将电压方波和电流方波相乘。产生的矩形波由脉冲组成，脉冲的宽度与电流和电压方波之间的相差有关。然后将该信号积分，监测其输出。如果负载减少，电流电压的相差就会变化，脉冲宽度也会变化。这种变化引起控制极控制电路在每个交流周期的较长的部分里关断三端双向可控硅，从而减小了施加于电机上的RMS电压和能量消耗。

可以相信所描述的这种装置在实际中没有能很好地运行。在商业上也没有成功。这个问题可能的解释是装置的复杂性。尽管作出很多的努力去减少这种复杂性，但据发明人所知现有技术的功率因素控制系统还没有克服这些难题。