电机控制器及相关方法技术

本发明专利技术涉及电机控制器及相关方法。本发明专利技术特别适用于交流(AC)感应电机。以前的电机控制器没有考虑控制电路和控制电机对干线供电的组合效果，特别是它们对交流的功率因数的单独的和组合的效果。通过提供一种修正交流(AC)电机的输入电流的电机控制器，本发明专利技术解决了这种问题。该电机控制器包括：功率输入整流器；低压电源；用于调节驱动输出电压电路的可变输出电压电路；以及，被布置用于控制可变输出电压电路以及向驱动输出电压电路提供时控波形的控制电路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术涉及电机控制器及相关方法。更具体地，但不是排他地，本发明涉及一种电机控制器，特别地但是不排他地，涉及与交流(AC)感应电机一起使用的电机控制器。通常在50赫兹(Hz)AC供电下运转的AC电机制造便宜且工作可靠。发现AC电机用于众多的工业应用中，包括：泵、压缩机、风机和驱动系统。能够根据电源的相数将AC电机的类型细分。例如，AC电机可以是单相或三相的。由于单相电机通常连接到家用的单相电源的方式，使得三相AC电机往往比单相电机更高效。通常，一个绕组直接连接到供电以及另一绕组经由电容器连接到供电。这是所谓的单相电容器运转电机。这样的电机广泛用于在几十瓦到几千瓦之间的额定功率。然而，对于超过该范围的功率，以及因其固有的较高的效率和平稳度，三相感应电机已经成为很多驱动系统的主力。近年来，对于从它们对环境条件的影响的角度来改善低效的机器，减少不必要的能源浪费，并尽量减少所谓的“碳有关的排放”，已经有越来越多的立法压力。压力来自于游说的私营压力团体，也来源于日益严格的立法，尤其是针对电力电机的立法。因此，电力电机和电机控制器的设计者已经集中精力于提高电机的效率及其可控性的方法上，以期在最优条件下操作它们以提取更多功率。由于其不是非常高效，特别挑出单相电容器运转的感应电机。为了解决这个问题，已经在电子换向电机(ECM)或无刷DC电机的设计方面做了很大努力。这些采用了永磁转子，其比从循环的电流获得磁场的转子略微更高效，且在这样的转子中产生随之而来的电阻损耗。然而，ECM更昂贵并且磁铁随着时间的推移会退化。ECM的另一问题是它们需要包含到电机外壳中的控制器，以及该控制器能够经受热效应、振动和湿气渗入。虽然ECM的效率非常高，但是它们可能产生问题，因为它们明显较高的电力效率与电力公司的较大的附加负载不符，除非增加额外的组件(通常是外置的)，否则它们表现出较差的功率因数和较高的尖峰电流峰值，以及在上电时产生较高的涌入电流。还应指出的是，永久磁铁的生产和处置产生了需要专门处理和对待的潜在地破坏环境的污染物。这就引起了它们的生产和寿命到期回收的问题。国际专利申请WO 03/084047(MoI Belting公司)公开了一种用于具有功率因数校正元件的无刷电机的控制器，该功率因数校正元件确保来自低频供电干线(50Hz或60Hz)的近正弦电流消耗，以及还作为用于向驱动传输稳定电压的固定电压调节器。虽然希望这样的附加元件，但是它们不能提供涌入电流保护，并且不能处理低负载水平时电机绕组上的高压开关瞬变。特别感兴趣的领域之一是额定240伏而用大约50-180伏的输入电压驱动的AC电机。原因之一是这些电机非常常见，因为它们在非常多的家用和工业系统中使用，诸如：冷却器、通风机和空调，并且这些制造商都热衷于看到它们满足日益严格的环保需求。然而，上述AC感应电机具有很多缺点。用于在一个绕组中获得电流相位超前的电容器的使用不是非常高效的，并且当三端双向可控硅开关元件/硅可控整流器(SCR)相位控制器或者自动变压器也被用于降低速度和/或转矩时，由于在非最优条件下操作(例如由于增加的转差)将引入额外的损耗。事实上，损耗和低效是由于通常在机械负荷的要求、电机的工作方式以及可用功率的控制和调节之间存在的不平衡导致的。最终结果是大量的能量被浪费了。因此，本专利技术主要涉及通过考虑感应电机的工作方式和机械负载的要求来提供控制和调节电力输入电流和电流的更合适的方法，来提高感应电机特别是AC感应电机的效率。现有技术EC电机的缺点是它们需要精确的传感器来控制它们。控制EC电机的一种技术是采用监视并感测转子位置的霍尔效应传感器。这结合反馈回路提供位置指示，位置能够与相角控制器一起使用来改变电机的速度和/或转矩。美国专利US 4 849 871(Wallingford)中描述了这种器件的一个实例。然而，这种系统的一个缺点是精密的感测器件需要安装在电机外壳中，而且在恶劣或振动环境中这并不总是可行的。欧洲专利申请EP-A2-1 138 429(Illinois Tool Works)公开了一种适用于在60Hz输入功率下操作的焊接工艺的受控电源，该受控电源在固定的控制电压下被转换为稳压DC，然后在工件的应用中被转换为具有无关的第二频率的输出功率。EP-A2-1 138 429说明了在固定电压或可选地在升压下使用高频驱动功率。该器件可能遭受涌入电流浪涌并且没有功率因数校正。在美国专利US 4 520 303(Ward)中描述了提高电机效率的另一方法。所述系统包括绕线式50Hz电机控制器。然而，电机需要以非标准方式绕线的辅助电机绕组，这增加了成本。美国专利申请US-A-4 879 639(Tsukahara)描述了复杂地连接到固定的DC中间电路的再生电路，其包括连接到三个半波桥电路的电容器。而在美国专利US 4 651 079(Wills)中描述的另一系统中，AC整流的直流“半正弦”波由脉宽调制生成并且被施加到电容器运转的AC感应电机，其电容器仍在电路中。虽然该系统是高效的，但是其不允许电容器的电抗的任何变化，从而在驱动部件的功率因数很容易引起不可预知的电流波形方面受到限制。此外，这导致非常差的功率因数和峰值系数以及较高的涌入电流，整体导致需要监视、控制和稳定以及附加的“前端”电流调节部件的系统。所有上述布置是有效的改变AC电机的电压、电流和相位以提高效率的技术。在另一美国专利US 5 136 216(Wills)中，采用了两个振荡器以产生提供实用的可控性和转矩的两相DC驱动。然而，由于过多和快速的电压瞬变导致输入波形对电力公司不利以及输出波形对电机不利。在美国专利US 6 713 986(Energy Savers)中描述了相似的布置，其公开了使用180°变压器和一系列三端双向可控硅开关元件获得的半频电路。然而，事实上采用那么多的三端双向可控硅开关元件往往使该系统效率更低且维护成本昂贵。这通常用于控制空调器件和热泵中的电动机以及所述的器件是一种速度控制器。该器件改变了输入电流以使电机能够转换到第二速度。这通过将一个输入波形(施加到第一绕组)关于第二波形(施加到第二绕组)相移90°来实现。波形的修正即将一个波形关于另一波形进行相移以及因此进行电机的转换，通过采用光隔离器、三端双向可控硅开关元件、晶闸管、180°...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.05.12 GB 0908111.81.一种电机控制器，其修正交流(AC)电机的输入电流，其中所述
电机具有至少一个绕组，所述电机控制器包括：功率输入整流器；低压电
源，用于为控制电路提供功率；可变输出电压电路，用于为驱动输出电压
电路提供可变DC电压以向所述至少一个绕组提供功率；及控制电路，其
被布置为控制所述可变输出电压电路以及为所述驱动输出电压电路提供
定时波形。
2.根据权利要求1所述的电机控制器，其中所述可变输出电压电路
同时提供功率因数校正输入电流波形。
3.根据权利要求1或2所述的电机控制器，其中所述驱动输出电压
电路被布置为与提供给所述至少一个绕组的可变电压同步的、以可调重复
率切换电压。
4.根据权利要求1、2或3所述的电机控制器，包括用于修正所述可
变输出电压电路的输入以使干线供电呈现接近1的功率因数的装置。
5.根据任一上述权利要求所述的电机控制器，其中所述驱动输出电
压电路被布置，使用中，通过所述驱动输出电压电路，输出电容器被布置
为将转换速率受限的波电压施加到所述电机。
6.根据任一上述权利要求所述的电机控制器，其中所述驱动输出电
压电路被布置，使用中，通过所述驱动输出电压电路，所述波来自包括正
弦波、方波、锯齿波、上述波的变形和组合的组。
7.一种电机控制器，其修正交流(AC)电机的输入电流，所述电机
具有至少一个绕组，所述电机控制器包括：功率输入整流器；低压电源，
用于为控制电路提供电压；可变输出电压电路，用于调节提供给所述至少
一个绕组的驱动输出电压的最大(或最小)值；驱动输出电压电路，用于
驱动所述电机，控制电路，被布置为控制所述可变输出电压电路，以及用
于控制所述驱动输出电压电路以向所述输出电路提供时变波形的装置。
8.一种电机控制器，其修正交流(AC)电机的输入电流，所述电机
具有至少一个绕组，使用中所述电机适于与所述第一输入电流串联以及从
其获得修正的驱动电流波形，所述控制器包括：低压电源；整流电路；可
变电压和功率因数校正电路；多相输出电路；控制电路，其被布置为控制
所述可变电压和功率因数校正电路，以及所述多相输出电路被布置以提供
可变的修正的驱动输出电压。
9.根据权利要求8所述的电机控制器，其中所述修正的驱动输出电
压被布置以将施加到所述电机的电压切换到包含零的最大(或最小)值一
段预设和可变的持续时间。
10.根据权利要求7或8所述的电机控制器，其中所述驱动输出电压
电路被布置为与提供给所述至少一个绕组的可变电压同步的、以可调重复
率切换电压。
11.根据权利要求1、7或8所述的电机控制器，具有单相控制器，所
述单相控制器被布置以将输入电流切换到零一段预设和可变的持续时间。
12.根据权利要求8所述的电机控制器，其中有至少两个绕组，超前
相位电流被施加到所述电机的第一绕组；以及另一不同的相位电流被施加
到所述电机的第二绕组。
13.根据权利要求8至12所述的电机控制器，其中反馈回路包括反
馈控制器，所述反馈控制器响应于电机负载的变化，提供对输入到所述可
变电压和功率因数校正的驱动波形的反馈信号。
14.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷蒙德·约翰·佩托，
申请(专利权)人：雷蒙德·约翰·佩托，
类型：发明
国别省市：