發動機控制器的製作方法
2024-01-31 14:02:15
專利名稱：發動機控制器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及電動機控制器，具體地，涉及一種控制器，能夠改變施加到發動機的電源的電壓和頻率，以便在任意負荷上獲得最大的效率。
背景技術：
電動機控制器為發動機的正常運行提供電能，典型地，控制器以規定頻率將電壓施加給發動機。選擇電壓和頻率，以便最優化發動機的速度和扭矩輸出。
已示出對於AC感應發動機，如果應用了過電壓狀態，則可以改進發動機的扭矩輸出。在該狀態期間，由於低負荷下的磁化電流導致發動機運行於部分飽和狀態。然而，當運行於過電壓狀態時，較低速度下將降低發動機的效率。
參照圖1，示出了運行於各種狀態的交流感應發動機的效率圖。在圖1中，線10示出了運行於過電壓狀態下的標準交流感應發動機的效率。可以看出，在低負荷條件下發動機的效率較低(即，大約50-75％)，當負荷增長時，效率增加。正常運行的交流感應發動機如線12所示，可以看出，在低負荷時發動機的效率最大，並且效率隨著發動機負荷的增長而減少。
當前，發動機控制器可以使用矢量控制以最大效率運行發動機。矢量控制是複雜的數學公式，該數學公式針對發動機的運行建模，並採用發動機的實時監控。具體地，矢量控制是一種閉環反饋系統，以控制輸入電壓間的相位關係。為了有效使用矢量控制，需要發動機運行參數的非常高靈敏度測量。因此，矢量控制需要高靈敏度和昂貴的傳感器以測量發動機的運行。
因此，需要一種發動機控制器，以便在不同的負荷狀態下以高效方式運行發動機，而無需使用高靈敏度或複雜的控制技術。
發明內容
公開了一種控制器，用於運行具有旋轉速度並使用電流的電動機。所述控制器具有電壓控制器，用於響應發動機的速度和電流使用(current usage)來產生電壓控制信號，其中，電壓控制信號表示電動機的高效運行模式。此外，控制器具有頻率控制器，用於響應發動機的速度和電流使用來產生頻率控制信號，其中，頻率控制信號表示電動機的高效運行模式。控制器還包括乘法器，用於合併頻率控制信號和電壓控制信號。將來自乘法器的合併信號應用於運行發動機的電壓，以使發動機對於給定的負荷高效運行。
一種控制電動機的方法，包括響應發動機速度(旋轉頻率)和電動機的電流使用產生電壓控制信號，其中，電壓控制信號表示發動機的高效運行模式。此外，響應發動機速度和和發動機的電流使用產生頻率控制信號，其中，頻率控制信號表示發動機的高效運行模式。合併頻率控制信號和電壓控制信號，並將其應用於運行發動機的電壓，以使電動機對於給定的負荷高效運行。
一種控制電動機的系統，包括速度傳感器，用於測量電動機的旋轉速度(旋轉頻率)並由此響應產生速度感測信號。該系統還包括電流傳感器，用於響應電動機的電流使用產生電流感測信號。系統的電壓控制器響應速度感測信號和電流感測信號來產生電壓控制信號。電壓控制信號表示電動機的高效運行模式。類似地，系統的頻率控制器響應速度感測信號和電流感測信號產生頻率控制信號。頻率控制信號也表示了發動機的高效運行模式。該系統還包括乘法器，用於合併頻率控制信號和電壓控制信號。將合併信號應用於運行發動機的電壓。
一種控制電動機的方法，包括確定電動機的運行負荷。然後，響應負荷來計算要施加於電動機的電壓。計算得到的電壓以高效模式運行電動機。類似地，響應電動機的運行負荷來計算運行電動機的電壓頻率。計算電壓的頻率，以使發動機在高效模式下運行。為了在高效模式下運行發動機，以計算的頻率將計算的電壓施加於發動機。
參考附圖，本發明的這些和其它特徵將會更加顯而易見，圖中圖1是示出了電動機的效率和電動機的運行負荷的曲線圖；圖2是發動機控制器的方框圖；以及圖3是示出了利用圖2所示發動機控制器來控制電動機的方法的流程圖。
具體實施例方式
參照附圖，其中附圖僅用於演示優選實施例，而不是限制所述優選實施例。圖1是用於控制三相交流感應發動機18的操作的發動機控制器16的方框圖。發動機18可以是傳統的交流感應型發動機，或者為共同提交待審的專利申請No.10/821797(律師事務所代號No.146962-900002)和No.10/894688(律師事務所代號No.146962-999006)的受讓人所述的利用增大的間隙運行的發動機(amotor operative with an increased gap)，上述申請的內容一併在此作為參考。
發動機的負荷由速度感測器20和電流感測器22確定。具體地，速度感測器20通過公知的傳感器或無傳感器檢測機制來測量發動機18的旋轉速度(ω)。速度感測器20產生關於旋轉速度(ω)的速度感測信號。類似地，電流感測器22測量發動機18使用的電流(I)。對於三相發動機而言，電流感測器22針對每一相測量RMS相位電流。電流感測器22產生電流感測信號，表示發動機使用的總電流(I)。關於這一點，電流(I)和旋轉速度(ω)表示發動機18所承載的負荷。
控制器16使用電流(I)和旋轉速度(ω)來確定要施加到發動機18的頻率和電壓量，以使發動機18以高效的方式運行。控制器16具有電源24，產生要施加到發動機18的規定電壓。如圖2所示，例如，交流感應發動機18為三相發動機。因此，電源24調節施加到發動機18的三相輸入電源。
控制器16具有電壓控制器26，響應發動機的速度(ω)和電流(I)產生電壓控制信號。具體地，來自速度感測器20的速度感測信號和來自電流感測器22的電流感測信號被輸入到電壓控制器26。如前所述，根據發動機18的電流使用和速度來確定發動機18的負荷。電壓控制器26基於電流感測信號和速度感測信號來確定應當施加到發動機18的電壓量，以實現發動機18的最大效率。
類似地，控制器16具有頻率控制器28，用於控制施加電壓的頻率。來自速度感測器20的速度感測信號和來自電流感測器22的電流感測信號被輸入到頻率控制器26。頻率控制器28基於電流感測信號和速度感測信號來確定應當施加到發動機18的電壓的頻率，以實現發動機18的最大效率。
頻率控制器28和電壓控制器26基於發動機18的負荷和效率來確定要施加的頻率和電壓量。具體地，每個控制器26、28具有針對發動機18的每個運行速度的電壓/頻率曲線。電壓/頻率曲線可表示為數學公式或包含數值的表格。通過發動機18的實驗測試來確定電壓/頻率曲線，從而確定為實現最大效率而施加的電壓量和頻率，或通過發動機18的仿真來確定電壓/頻率曲線。
電壓/頻率曲線(如，電壓是旋轉速度的函數)通過在高負荷下過激勵發動機來最大化發動機的效率。關於這一點，在任意負荷下可以獲得發動機的最大效率，並且發動機可以在任意速度下超過其扭矩範圍以最大效率運行。控制施加於發動機的電壓頻率，以允許發動機運行於限制了發動機鋼材的內部飽和的速度下，並由此最大化發動機的運行頻率。同時，當發動機運行於低於發動機額定扭矩的恆定速度時，通過減少發動機的運行電壓來提高發動機的效率。電壓/頻率曲線考慮到了發動機的運行特性，以便確定應當施加以使發動機18高效運行的電壓量和頻率。控制輸入30允許操作器改變曲線，並以期望的設定值運行發動機。
來自電壓控制器26的電壓控制信號和來自頻率控制器28頻率控制信號被輸入到將信號合併到一起的信號乘法器32。乘法器32將控制信號應用於來自電源24的功率，以便控制提供給發動機18的功率的頻率和電壓。具體地，乘法器32響應電壓控制信號和頻率控制信號調節來自電源24的功率。關於這一點，施加到電動機18的電源將對於給定負荷高效地運行發動機。參照圖1，線14示出了使用控制器16的發動機的效率。採用控制器16的發動機對所有運行負荷的運行效率大約在85％～95％之間。
參照圖3，示出了控制器16的操作的流程圖。在步驟40和42，確定發動機18的負荷。具體地，在步驟40，確定發動機18的速度，而在步驟42，確定電動機18正在使用的電流。在步驟44，電壓控制器26計算應當施加到發動機的電壓。在步驟46，頻率控制器28計算施加到發動機18的電壓的頻率。在步驟48，將計算的電壓和頻率應用到發動機18。
本領域的普通技術人員可以理解，控制器16可以體現為離散的電子元件或在多功能計算機上執行的指令。因此，圖3中所描述的方法可以體現為在處理器或包括處理器的系統上實現的、存儲在計算機可讀介質(即，硬碟驅動器、存儲器等)上的程序指令。類似地，電壓控制器26、頻率控制器28和乘法器32可以實現為電腦程式的指令或程序模塊。
本領域的普通技術人員可以理解，在不脫離本發明實質特性的前提下，此處所描述的內容和技術可體現為各種特定的形式。無論從哪一點來看，當前所公開的實施例被認為是描述性的，而不是限制性的。本發明的範圍通過所附的權利要求來限定，而不是前面的描述，並且意欲包括處於本方法及其等同物的意義和範圍內的所有改變。
權利要求
1.一種用於具有旋轉速度並利用電流的電動機的控制器，所述控制器包括電壓控制器，用於響應發動機的速度和電流使用來產生電壓控制信號，其中，所述電壓控制信號表示發動機的高效運行模式；頻率控制器，用於響應發動機的速度和電流使用來產生頻率控制信號，其中，所述頻率控制信號表示發動機的高效運行模式；和乘法器，用於合併頻率控制信號和電壓控制信號，以便將合併信號應用到運行發動機的電壓。
2.如權利要求1中所述的控制器，其中，所述頻率控制器被配置成控制發動機的頻率以限制發動機的飽和。
3.如權利要求1中所述的控制器，其中，所述電壓控制器包括針對發動機的運行負荷的電壓/頻率曲線，所述電壓/頻率曲線被配置成確定發動機的運行電壓以使效率最大化。
4.如權利要求1中所述的控制器，其中，所述頻率控制器包括針對發動機的運行負荷的電壓/頻率曲線，所述電壓/頻率曲線被配置成確定發動機的運行頻率以使效率最大化。
5.如權利要求1中所述的控制器，其中，所述發動機具有操作用於產生速度感測信號的速度傳感器，所述電壓控制器被配置成響應速度感測信號來產生所述電壓控制信號。
6.如權利要求1中所述的控制器，其中，所述發動機具有操作用於產生電流感測信號的電流傳感器，所述電壓控制器被配置成響應電流感測信號來產生所述電壓控制信號。
7.如權利要求1中所述的控制器，其中，所述發動機包括操作用於產生電流感測信號的電流傳感器以及操作用於產生速度感測信號的速度傳感器，所述電壓和頻率控制器被配置成響應電流感測信號和速度感測信號來產生相應的電壓控制信號和頻率控制信號。
8.如權利要求7中所述的控制器，其中，頻率控制器和電壓控制器被配置成操作交流感應發動機。
9.一種控制電動機的方法，所述方法包括以下步驟響應發動機的速度和發動機的電流使用產生電壓控制信號，其中，所述電壓控制信號表示發動機的高效運行模式；響應發動機的速度和發動機的電流使用產生頻率控制信號，其中，所述頻率控制信號表示發動機的高效運行模式；合併所述電壓控制信號和所述頻率控制信號，並將合併信號應用到運行發動機的電壓，以使發動機在給定的負荷下高效運行。
10.如權利要求9所述的方法，在產生電壓和頻率控制信號之前，還包括步驟利用速度傳感器來確定發動機速度。
11.如權利要求10所述的方法，在產生電壓和頻率控制信號之前，還包括步驟利用電流傳感器來確定發動機的電流使用。
12.如權利要求9所述的方法，還包括步驟將電壓施加到交流感應發動機。
13.如權利要求12所述的方法，還包括步驟將電壓施加到三相交流感應發動機。
14.一種控制電動機速度的系統，所述系統包括速度傳感器，用於測量電動機的旋轉速度，並產生速度感測信號；電流傳感器，用於測量電動機的電流使用，並產生電流感測信號；電壓控制器，用於響應所述速度感測信號和所述電流感測信號來產生電壓控制信號，其中，所述電壓控制信號表示發動機的高效運行模式；頻率控制器，用於響應所述速度感測信號和所述電流感測信號來產生頻率控制信號，其中，所述頻率控制信號表示電動機的高效運行模式；和乘法器，用於合併所述頻率控制信號和所述電壓控制信號，以便將合併信號施加到運行發動機的電壓。
15.如權利要求14所述的系統，其中，電壓控制器包括針對發動機的運行負荷的電壓/頻率曲線，所述電壓/頻率曲線被配置成確定發動機的運行電壓，以使效率最大化。
16.如權利要求14所述的系統，其中，頻率控制器包括針對發動機的運行負荷的電壓/頻率曲線，所述電壓/頻率曲線被配置成確定發動機的運行頻率，以使效率最大化。
17.如權利要求14所述的系統，其中，所述發動機為交流感應發動機。
18.如權利要求19所述的系統，其中，所述發動機為三相交流感應發動機。
19.一種控制電動機的方法，所述方法包括以下步驟確定電動機的運行負荷；響應運行負荷來計算施加到電動機的電壓，其中，所述電壓以高效模式運行所述發動機；響應運行負荷計算施加到電動機的電壓的頻率，其中，要施加的電壓的頻率以高效模式運行所述電壓；和以計算出的頻率施加電壓，以便以高效模式運行所述發動機。
20.如權利要求19所述的方法，還包括步驟通過確定電動機的速度和電動機電流使用來確定電動機的運行負荷。
21.如權利要求20所述的方法，其中，計算施加到電動機的電壓的步驟包括通過運行負荷的電壓/頻率曲線來確定電壓。
22.如權利要求20所述的方法，其中，計算施加到電動機的電壓的頻率的步驟包括通過運行負荷的電壓/頻率曲線來確定頻率。
23.如權利要求8中所述的控制器，其中，交流感應發動機為三相感應發動機。
全文摘要
公開了一種用於控制電動機的系統和方法。該方法包括確定電動機的運行負荷，並響應該運行負荷計算施加到電動機上的電壓。要施加的電壓按照對於給定負荷高效地方式來運行電動機。響應運行負荷來計算要施加到電動機的電壓的頻率，以使要施加的電壓的頻率以高效地方式運行發動機。將具有計算得到的電壓和頻率的功率施加到發動機，以便按照對於給定負荷高效地方式來運行發動機。
文檔編號H02P27/04GK101015115SQ200580022683
公開日2007年8月8日 申請日期2005年6月30日 優先權日2004年7月7日
發明者喬治·霍林, 內德·沃納 申請人:Rt專利有限公司