用于控制功率的开环方法

专利名称：用于控制功率的开环方法
技术领域：
本发明 一般地涉及控制电气电器和设备，并且更特别地涉及用于 控制电动机以便节能的方法、系统和设备。
背景技术：
功率因数度量在电气负载下的平均功率与视在功率的比率。功率 因数的范围从值0 (其中负载的阻抗为纯电抗性的)至1 (对于纯电 阻性负载)。实际上，电气装置的功率因数在0和l之间某处变化， 并且该值越接近1，装置越高效地消耗能量并且浪费的功率越少。因 此，对于使用高电抗性负载(例如，电感应电动机)的电力消耗方， 采取一些措施来调整它们的视在负载的功率因数以提高性能并且避免 浪费大量的功率是至关紧要的。例如，功率因数为0.85的从220V电 线消耗100kW的轧机将需要被供应118kW的视在功率，但是，如果 功率因数提高至0.95，则被供应的视在功率降至105.3kW。许多公共 事业公司需要这样的消耗方采取积极措施来调整功率因数。
大工厂不是从功率因数的提高中获益的唯一群体。AC电动机存 在于从压缩机到升降机的许多不同的电气电器和设备中，并且因为它 们的输入阻抗通常是电感性的，所以它们通常呈现小于希望值的额定 功率因数，在轻负载状况下或者在负载变化的某些时间段期间尤其如
7此。为了提高AC电动机的功率因数，已经开发了多种控制器，并且 这些控制器在本领域中通常是已知的。在美国专利 No.4459528(Nola)、 美国专利 No.4266177(Nola)和美国专利 No.5821726(Anderson)中可以找到如在下面更详细地讨论的例子，出 于所有的目的，所述专利的公开通过引用全部并入这里。
一般来讲，由许多AC电动机控制器采用的功率因数緩解 (mitigation)法是这样实现的，即感测电流和电压相量之间的相位 差，然后使用控制器来调整每个AC电动机相位中的晶闸管的致动， 以试图减小电压和电流相位滞后。在理想实现方式中，如果电流和电 压相量之间的相位可以达到零，则负栽对于电源是电阻性的，因此， 功率因数将接近l。尽管功率因数1实际上完全不可实现，但是功率 因数的小的提高可使功率消耗有相当大的不同。
近年来，已研发了许多不同的提高电动机中的功率因数的方法。 本领域中已知其中控制电流和电压之间的相位角(电动4几功率因数) 的用于小于满负载的感应电动机的功率降低系统。在这样的系统中， 通过与电动机相连接的晶闸管(例如三端双向可控硅开关)的控制， 根据所要求的功率因数信号和工作功率因数之间的差来控制电动机功 率因数。由Frank Nola在1977年研发的控制器是此类功率降低系统 的一个示例。
在Nola控制器中，通过电路获得相位滞后信号。将相位滞后信 号与表示希望的最小工作功率因数的要求相位滞后信号相比较。然后 使用得到的差信号、电路误差信号来控制与感应电动机的绕组串联的 三端双向可控硅开关的通断时间，从而维持电动机以所选择的功率因 数工作。这具有减小输入到小于满负载的电动机的功率的效果。
Nola控制器的原理是通过在每个半波周期的一部分中切断电 压，来当电动机没有在满额定负载下工作时减小供应给电动机的平均 电压。典型的感应电动机在额定负载下最高效地工作。对于低于额定 负载的负栽，效率降低。减小电压的效果使得电动机在较小负载时成 为较小马力的电动机，这继而使得电动机以更接近峰值效率的效率工作。
为了实现电压的降低，必需知道任何给定时刻的负载。容易测量并且与电动机的负载相关的一个变量是电流到电压的相位滞后。因
此，Nola控制器实际上是一个相位滞后控制器。在典型闭环反馈系统中测量相位并且将其与所希望的相位进行比较。除其它动态要求外，闭环控制中所固有的是控制稳定的必要性。这只能通过负反馈来实现。
Nola设计是闭环控制方案。在闭环控制中，系统稳定性由正被控制的装置的动态特性决定。在Nola的情况下，电动机对于电压变化的电气响应决定闭环系统的稳定性。有必要用滞后来补偿控制器输出以保持稳定性。此外，系统的闭环增益必须被设定为具有足够的增益余量以保持稳定性。这些因素造成了两个限制。
第一个限制是必要的控制器滞后或补偿，其减小系统的响应。这在Nola型控制器中已通过添加这样的电路被解决即该电路用于在电动机负载突然增加的时间段期间消除该时间滞后，并且用于对于从轻负栽到满负载状况的变化提供提高的响应速度，以防止电动机失速或振动，特别是当最小功率因数要求设定相对高时。
此类型的闭环控制系统的第二个限制对于控制器的用户不是很明显。对于稳定的闭环控制必须满足两件事。首先，反馈信号必须为负；其次，增益必须低于系统变得不稳定的点。相位滞后、电动机负载的反馈信号和电压之间的关系由电动机的电气设计固定。闭环控制器需要输入和输出之间的某种控制关系满足这些稳定性条件。结果，电动机能量节省被限制为大大小于理论上可能达到的值。此外，为了将控制器设定为最大能量节省，所设定的点必须在现场降低，直到电动机不能再在实际负载下工作。这具有将电动机置于工作边界的效果。
典型的电动机将以下述条件运行如果控制器祐:设定为在额定马力下提供全电压，则无负载时的电压和导致的功率节省将为10%的数量级。然而，在某些情况下，可节省高达30%的功率。控制器通过将满负载输入电压降低固定的量来实现这种节省，这导致无负载电压随着降低的在满负载下的输入电压而进一步降低。这对于具有针对所遇到的负载状况而被有余量的设计的电动机的应用起作用，只要永远不需要该电动机提供全马力。
提供一种具有改进感应电动机中的相位滞后的控制并从而提高节省的功率的能力的快速响应控制器将在本领域中是一个进步。提供一种能够对包含感应电动机的多种电气电器起作用从而改进功率因数和启动特性的控制器也是一个进步。还希望提供一种可编程的并且可针对特定负载和工作条件定制的功率因数改进控制器。获得一种允许在全马力下以全电压工作且在无负载下以最小电压工作从而消除对于现场调整的需要的控制器也是一个进步。

发明内容
考虑到闭环模拟控制器的能量节省限制，已经设计了单相数字控制器来为所有应用实现最大能量节省。该方法使用开环控制原理。基
本地，在被称为"Y"的时间段中电压被设定为全电压，而负载是通过测量相位滞后时间而被确定的。接着，计算截止时间，并迫使控制器在由"Z"定义的时间段内以该计算的截止时间运行。如果Z周期的数量与Y周期的数量相比是大的，则实现最大能量节省。相位滞后反馈信号的动态响应的测量表明可以在一个电压周期内感测相位滞后。
期望控制线函数。对于给定负载在第一数量的周期以全电压用具有电压过零和电流过零的电动机驱动信号驱动要控制的电动机。在该驱动期间，检测电动机驱动信号的相位滞后。为了功率控制，用基于相位滞后从期望控制线函数的截止时间确定的开启时间来开启晶闸管。然后，在检测到电动机驱动信号的电流过零之后，通过根据确定的开启时间开启晶闸管来完成在第二数量的周期中的相位滞后的控制。已确定在具有其数量比确定周期的数量大至少五倍的多个控制周期的控制方法的实施例中，开始产生显著的功率节省。
期望控制线函数的实施例包括从表达式S = Amax/(Bnl-Bfl)计算的线斜率S,其中Bnl是在全电压和无负栽时的电动机的相位滞后，Bfl是全电压和额定负载时的电动机的相位滞后，Amax是无负栽时的用于最大相位减小的截止时间；以及从表达式Of=S*Blf计算的偏移量Of，其中截止时间A是从表达式A = S*B-Of计算的，其中B是检测到的相位滞后。
本发明的其它方面涉及快速响应变型，所述变型包括在所述控制期间检测电动机驱动信号的相位滞后，存储该检测到的相位，并且将其与正用于晶闸管开启时间的当前相位滞后相比较。如果该比较显示存储的相位滞后小于当前相位滞后，则必须确定新的晶闸管开启时间。
本发明的其它方面涉及其上包含计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序在被执行时使得计算机或计算装置执行上述步骤。本
发明的另外的方面涉及用于电动机的功率控制的设备，其中该设备包括可配置定时单元、过零检测单元、开启时间计算器、存储单元、晶闸管和处理器.
本发明的另外方面涉及用于这样的环境的控制方法的电器最优化变型，在该环境中电动机通常在额定负载以下工作并且负载不随时间显著地变化，使得能够使用较长的控制周期和相位滞后平均。
本发明的优点包括由本发明的方法或本发明的控制器的实施例控制的电动机的功率消耗减小，以及电动机的负载变化的检测和功率控制信号的发出之间的响应时间较快。
本发明的可应用性的其它范围将从下文中给出的详细描述中变得清楚。然而，应理解，尽管指示了本发明的优选实施例，但详细的描述和具体的例子仅用于示例，这是因为由此详细说明，本发明的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员将变得清楚。
ii


从下面给出的详细描述和仅用于示例而不限制本发明的附图将更
充分地理解本发明，在附图中
图l是示出示例性闭环控制波形的图2示出了对于示例性电动机的满负载状况和无负载状况两者的截止时间对相位滞后时间；
图3描绘了由本发明的实施例创建的开环控制波形；图4a是用于确定期望控制线的算法；
图4b是描绘了用于节省功率的本发明的方法的实施例的框图；图4c是描绘具有快速响应部分的用于节省功率的本发明的方法的实施例的框图5a是描绘了根据本发明的控制器装置的功能图5b是描绘根据本发明的控制器装置的框图6示出了用于最优化电器电动机的能量消耗的控制周期图7示出了典型的干衣机电器中的部件的局部视图8示出了干衣机部件的框图的实现方式；
图9示出了洗衣机电器中包括的典型部件；
图IO示出了洗衣机控制系统的框图ll示出了制冷系统的图；以及
图12示出了典型的冰箱电器随时间消耗的功率。
将在本发明的具体描述的过程中详细描述附图。
具体实施例方式
下文参照附图详细描述本发明。不同附图中的相同的附图标记表示相同的或相似的元件。此外，下述详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求及其等同特征限定。
Nola设计是闭环相位控制器，该闭环相位控制器通过对于交流AC正弦波的每半波将交流电流关断一段时间来在负载减小时减小电动机上的电压。在最近的2007年5月30日提交的美国专利申请No.ll/755，627中，描述了基于Nola的基本方法的改进的数字控制器设计，出于所有目的该美国专利申请的公开通过引用被全部并入这里。该数字控制器的软件使用上面描述的Nola控制原理。图1示出了典型的波形。
电压被关断的时间量被称为截止时间111。图2所示的是用作例子的电动机的满负载状况215和无负载状况210两者下的截止时间对相位滞后时间的曲线。相位滞后时间被定义为当电压波形以零电压越过零线101时和电流波形以零电流越过零线101时之间的时间。Nola控制器通过沿从左下向右上倾斜的闭环算法线205改变截止时间来控制相位滞后。稳定性要求确定该线的最大斜率。为了使Nola闭环系统保持稳定，反馈需要为负，并且由控制线205的斜率定义的增益不能比4大太多。
对于通过移动控制线205使其与100%负载线215在零截止时间处相交，Nola电压在满额定功率下被设定为全额定电压的情况，基于60周期(60 cycle)电压，在无负栽时控制器控制的截止时间为1.7毫秒。完整的半周期波的持续时间为8.3毫秒，所以电压仅纟皮截止20%的时间。类似地，如果通过移动控制线205直到其与无负载线210在4毫秒处相交，在该处电压被关断约50%, Nola控制器4皮设定为在无负载时提供约4亳秒的可允许的最大截止时间，则满负载下的电压将^L断开约2.2毫秒或约25%的时间。这就是一些应用如何能当电动机从不必以额定负载运行时允许额外的能量节省。
最希望的控制将沿从右下到左上倾斜的虛线220。这样的控制将通过将截止时间控制为零而在满负载下提供全电压，并通过将截止时间控制为所允许的最大值而在无负载下提供最小电压。此理想类型的控制在历史上难以在闭环控制中实现，因为反馈信号可能为正而不是负，这潜在地使得控制变得不稳定。
构建允许此类型的期望控制220的控制方法是本发明的一个目标。该方法使用开环控制原理。如图3所示，在称作"Y"的时间段301中电压被设定为全电压，并且通过测量相位滞后时间来确定负
13载。接着，计算截止时间，并迫使控制器在由"z"限定的时间段
305内以固定截止时间运行。需要对于要被感测的任何负载变化足够 频繁地检查负载。相位滞后反馈信号的动态响应的测量表明可在一个 电压周期内感测相位滞后。
在负载测量时间段期间，电压波是全正弦波。在节能时间段期 间，电压周期被关断半周期的一部分。在"Y"时间段301的末尾， 由电压过零的时刻和电流过零的时刻之间的时间定义的相位滞后310 被捕获在控制器的数字处理器的存储器中。基于该测量，计算截止时 间，使截止时间沿图2的虛线220放置。例如，在其中电动机无负载 的实施例中，零截止时间(全电压)下测量的相位滞后将为3.2毫 秒，而控制器的处理器将期望截止时间计算为4毫秒。在这样的实施 例中，约20个半周期的Y时间段和约1200个周期的Z时间段是优 选的。然而，这意味着仅每10秒感测负载。这对于诸如冰箱、水池 泵(pool pump)和干衣机电动机的緩慢地改变负载或以几乎恒定的 负载运行的应用中所使用的实施例是满意的。对于诸如钻床的其中负 载变化迅速的应用，具有另外的控制环路的实施例是优选的。
在10秒的节能时间段期间，控制器对于每个半周期测量相位滞 后。典型地，相位滞后被控制在1至2毫秒之间。如果负载突然增 加，则相位将迅速减小。通过对处理器编程以感测该减小，其可被用 于立即终止Z时间段并恢复到Y时间段。Y时间段将测量新负载并 调整控制以与该新负载相适应。
图4a示出了用于确定图2的期望控制线220的算法的实施例。 在根据本发明的控制器的实施例中，在控制器被连接至电动机之后， 可通过控制器动态地确定期望控制线。确定算法的此实施例从全电压 下的无负载相位滞后的测量401和全电压下的额定负载相位滞后的测 量410开始。这些分别对应于无负载线210的底部和100%负载线 215的底部。在无负载时，还确定对于最大相位减小的截止时间 425。由这三个要素，然后可计算期望控制线的斜率405。 一旦知道 了斜率，可基于该斜率和全电压下的额定负载相位滞后计算偏移量415。表示轴截距的偏移量完成了对期望控制线220的定义。然后， 此信息可用于基于检测到的相位滞后计算截止时间420。
本发明的此方面的其它实施例可具有硬编码的或硬连线的控制
器而确定和建立的。而其它实施例可建立一系列的预编程控制线，其 中由控制器基于其正进行控制的电动机的特性选择的最合适的控制 线。另外的实施例可被编程为定期重新计算优选的控制线，而不管电 动机特性的变化如何。
在图4b中，示出了用于提供开环功率控制的算法的实施例。变 量X确定在启动阶段期间控制器的行为，而变量Y和Z确定控制器 在运行时的行为。对于60周期交流功率输入，Y和Z的优选值分别 为20和1200个半周期，但本发明的此方面的各个实施例可根据诸如 输入功率和期望控制器响应时间的因素使用Y和Z的不同值。已确
定，在本发明方法的实施例中对于每5个Z周期不应该有一个以上 的Y周期，以便确保实质性的功率节省。在对于每个确定周期少于 五个控制周期的比率下，系统过于频繁地以全电压运行而不能实现显 著的能量节省。
变量X代表电动机的启动时间。对于大多数小电动机，在时间 X期间的这段时间的工作451将使晶闸管处于全导通模式，将全电压 传递至电动机端子。在一些较大的电动机中，将需要软启动实现方 式，其中电压从预定的基底电压斜线上升至全电压。在任一种情况 下，此阶段的功能是为了使电动机轴升到全额定速度。
一旦电动机达到速度，电动机将在由变量Y确定的多个半周期 内以全电压运行455。在Y个半周期之后，控制器将计算当前负载状 况的最佳截止时间460。该计算是通过下述步骤而实现的检测功率 信号的电压过零4601，在电压过零时启动定时器4611，检测功率信 号的电流过零4621，然后基于将检测到的相位滞后插入控制线等式 420的结果来计算晶闸管的开启时间(firing time) 4631。然后，控 制器将进入控制阶段465,在所述控制阶段465中，控制器在Z个半周期中基于所计算截止时间开启晶闸管。此控制阶段通过基于计算的
开启时间开启晶闸管4651开始。然后，控制器检测电流过零4661并 且启动定时器4671。因为晶闸管是偏压装置，其在电流过零时变为 不工作。这在计算出的截止时间420中在电压信号111中造成观察到 的中断，直到晶闸管在适当的开启时间被再次开启4681。每次在控 制周期中晶闸管被开启，就将计数器减1 4691。当计数器达到零时 470，控制器重新启动相位滞后检测处理。此时，控制器将全电压传 递至电动机，将再次检测当前负载下的相位滞后460，并且在下一组 控制周期465内使用该数据。
此算法的替代实施例可在控制阶段465中包括检测电压过零以及 在该电压过零检测和电流过零检测4661之间的定时器。另外的实施 例可避免在控制阶段465中明确地检测电流过零，而是基于只有电流 过零可使晶闸管被去激活(deactivate)的假设，只要晶闸管被去激 活就启动定时器。另外的实施例可根据特定控制应用的需要添加或去 除其它步骤。
在图4c中，示出了提供快速响应的开环功率控制的算法的实施 例。本发明的此算法的实施例在控制阶段465中引入了电压过零的检 测4685和第一定时器的激活4665。这些步骤的添加使得能够在每个 控制周期465期间检测相位滞后。
该算法的此实施例还添加了一个被称为存储计数器的新变量。该 变量优选地被设定为10个半周期，使得能够增加允许根据本发明的 控制器的实施例更迅速地响应负载增加的快速响应级480。这是通过 在非最终的控制周期的末尾将存储计数器变量减1 4801并检查其是 否为零4811来实现的。如果存储计数器不为零，则该算法进至下个 控制周期465。如果存储计数器为零，则该算法存储从该控制周期的 由检测到的电流过零4661和电压过零4685之间的差而测量的刚刚测 量的滞后时间4821，并为后面的控制周期465保持该滞后时间。对 于每个另外的控制周期465，将存储值与如在最近的控制周期465中 确定的当前滞后时间相比较4831。如果存储的滞后时间大于当前滞后时间4841，优选地大0.5毫秒，这表明电动机上的负载在增加并且 启动新的Y周期460。如果存储的滞后时间等于或小于当前滞后，则 不采取任何另外的行动，并且下个Z周期465正常进行。
此算法的替换实施例可提供用于滞后增加和滞后减小的实例的、 仅用于滞后增加的实例的或基于不同的时间尺度(更多或更少的存储 计数器周期)的快速响应方案。另外的实施例可基于检测到的当前滞 后或输入电压信号或由控制器的一些其它输入确定合适数量的存储计 数器周期。
预计X、 Y和Z的值将对于各种应用不同。具有相对慢的变化 的负载的应用(诸如冰箱、洗衣机、干衣机和其它家用电器)将经受 非常大的Z值(秒甚至分钟的量级)，而具有更大变化的负栽的应 用可要求较小的Z值。
图5a示出了根据本发明的控制器装置的实施例的功能图。此实 施例所示的装置包括晶闸管565、处理器555、由第一可配置定时器 551和第二可配置定时器561组成的定时单元、由电流越过检测器 (current cross detector) 575和电压越过检观'J器(voltage cross detector) 570组成的过零检测单元、开启时间计算器560、和存储周 期计数和所计算的开启时间的存储单元580。
第一可配置定时器可用于设定上面所讨论的变量Y，而第二可配 置定时器可用于设定变量Z。过零检测单元可用于检测在Y和Z周 期时间期间的电压过零和电流过零。处理器可以是可编程装置，其不 仅控制晶闸管的开启，还控制控制器的整体运行-协调其它部件并管 理装置内的信息的流动。图5b中示出了这样的装置的一个实施例。
向SCR (可控硅整流器)电桥501提供交流电511，该SCR电 桥继而由处理器521通过合适的开启电路(未示出)控制。电压505 和电流515两者的过零点均被检测并被用于处理器521 (该处理器 521在此实施例中包含处理器555、存储器580、计算560和可配置 定时器551、 561的功能)中存储的算法，以便计算SCR电桥701的 通断时间，从而控制由电动机消耗的功率。本发明的另外的替换实施例可使用通用的可编程控制器，该可编 程控制器被编程为具有根据本发明的开环控制方法。本发明的另外的 实施例可使用直接集成到电动机中的控制器、或由连接至合适的硬件 部件的通用计算机执行的控制程序。
在某些应用中，在电动机工作期间负载可能没有经历突然的变 化。电器是这种应用的典型的例子。电器周期的独特性使得能够其以 在具有较小的负载变化的环境中提供最优化的性能的方式进一步修改 上述改进的控制器的实施例。
例如，在家用冰箱或软饮自动贩卖机中的制冷系统具有使电动机 开通一段时间然后关断一段时间的温度传感器。类似地，空调系统在 开通和关断之间循环。诸如干衣机的其它电器仅开通一个全周期并且 基于定时器关闭。尽管这样的系统中的电动机在运行，负载即使有变
化也变化非常緩慢。对于电器控制中的应用，可进一步改进图3的控 制方法实施例。对于时间X,在电动机的启动期间，需要完全施加电 压以使电动机达到工作速度。典型地，时间X将小于约5秒。在启 动条件时间X之后，可接合能量节省周期，并且在电动机的接通时 间期间连续地运行该能量节省周期。因为在电动机被再次关闭之前， 负载即使有变化也通常不会变化很大，所以周期的负载测量部分Y 可以长得多。在进一步改进的控制方法的一个实施例中，Y可以是 30至60个周期；并且代替仅在最后的Y周期上读取相位角，相位角 可针对最后的5或10个Y周期被读取并且求平均以便得到更准确和 稳定的读取。最后，因为负载即使有变化也变化非常緩慢，所以周期 的能量节省部分Z可具有一分钟或更长的时间。当电动机关断时， 则控制器然后被重置为启动条件X。使用该控制序列将使得电动机几 乎在其的所有接通时间都以能量节省模式运行。
优选实施例
电器电动机通常是运行效率非常低并且负载低于其额定马力的单 相电动机。通常，电器电动机在满负载下以约0.7的功率因数工作，
18并且在无负载时以0.2至0.4的功率因数工作。在本文所描述的改进 的控制器的实施例中，在减小的负载下工作时，功率因数可被驱动为 比当在满负载下工作时的可能值更好的值。在单相电动机上使用本文 描述的改进控制器的实施例的测试表明可通过减小被提供到电动机的 平均电压将功率因数提高至约0.9。图6是关于以快速响应模式工作 的轻负载单相电动机上的该改进控制器的实施例的毫秒计的相位滞后 与毫秒计的截止时间的图。对于全电压下的相位滞后，短的3个半周 期时间段约为3亳秒，其转换为约为0.4的功率因数。在10个周期 功率节省模式期间，其中截止时间601接近5亳秒，相位滞后605减 小至一毫秒以下，其计算得到大于0.9的功率因数。
对于电器，截止时间可以长得多，这是因为没有必要非常频繁地 测量负载。下文的描述说明了如何为各种类型的电器节能。例如，在 干衣机中，截止时间可为一分钟或7200个周期，而不是上面提到的 IO个周期。
干衣才几应用
干衣机电动机通常开启并然后一直运行直到其被关断，通常所述 电动机是由定时器或湿度传感器关断的。电动机的大小是针对湿衣物 的最大负载而确定的。如果机器载入较少的衣物，这是最常见的情 况，则可在启动时减小电动机的电压。在干燥周期期间，衣物的湿度 减小。这减小了衣物的重量，从而减小了所需的功率。控制器将通过 其定期负载检查来感测电动机负载的此减小，并且在电器的容纳物被 干燥时降低电压。
图7是典型的干衣机构造图。电动才几701用驱动带705转动大直 径滚筒710。在滚筒710的内部，衣服715在千燥的同时翻滚。干燥 是通过在滚筒内循环热空气而实现的。空气可通过电加热器或通过燃 气加热器(未示出)加热。滚筒驱动电动机701消耗的能量的大部分 是由衣服715的重量确定的。电动机大小必须为在干衣机满载湿衣服 时足够转动滚筒710。随着诸如水的溶剂从衣物715蒸发，衣物重量减小，从而转动滚筒710所需要的转矩减小。
干衣机并不总是被加载最大负载，并且干衣机仅载有一件衣物的 情况也是常见的。在这样的情况下，负栽显著地低于电动机被设计要 处理的负载，并且这为本发明的改进的控制器的实施例提供了 一个显 著减小电动机的功率消耗的机会。
图8是用于控制干衣机的系统的实施例的框图。交流电661进入 控制器665，所述控制器665继而根据需要多少功率来转动滚筒681 而将降低的功率供应给电动机671。在控制器的内部存在负载感测检 测器(未示出)、处理器(未示出)和电动机电压控制器(未示 出)。这些元件的实施例如例如在美国专利申请No.11/755，627中描 述的。如图5a和5b描绘的控制器的实施例对于此应用将是合适的控 制器。
洗衣机应用
洗衣才几电动机执4亍包括搅动、脱水(spin)和抽水(pumping) 的各种任务。该电动机的大小典型地被确定为处理最大可能的衣物负 载。任何较小的负栽可按照与上面描述的干衣机类似的方式以减小的 电压运行。在脱水周期中，负载在开始时最大，并且重量随着水被旋 出而减小，允许控制器将电压和能量消耗减小至否则其将消耗的电压 和能量以下。在抽水周期期间，电动机在非常小的负载下运行以启 动，并且一旦水被抽干就无负载地运行。时间是由定时器控制的，该 定时器被设定具有比抽干水所花费的时间更长的时间以提供安全因 数。改进的控制器的实施例可自动地适合于所有这些活动而无需任何 附加的软件或处理控制。
图9示出了典型的洗衣机部件。电动机811通过传动装置821被 连接至搅动器805和脱水滚筒801。典型地，电动机的方向确定了搅 动器旋转还是滚筒旋转。其它设计基于正在使用周期的哪个部分而选 择合适的驱动。电动机消耗的功率的大部分是由衣服的重量确定的。 电动机大小必须足以在满衣服负载的情况下转动搅动器805并且在满的水饱和衣物负载的情况下转动脱水滚筒801。
衣服负载时常小于满负载，并且对于大多数洗衣机，水位在此情 况下被减小。在减小负载的情况下，电动机以小于全额定功率的功率 运行，并且可使用本文中描述的改进控制器的实施例来节省额外的功 率。类似地，当对负载脱水时，衣物的重量随着水被抽出而减小，并 且电动机负载下降。控制器将感测到此情况并减小功率消耗。
图10是使用节能控制器的洗衣机控制系统的框图。洗衣机和千 衣机实施例之间的主要差别是在洗衣机中，电动机901驱动传动装 置905而不是直接驱动滚筒。在洗衣机实施例中的控制器的运行与干 衣机的相同。控制器的一个可能的实施例与以上在图5a和5b中所示 的实施例相同。
制冷应用(例如，制冷和空调)
图11示出了空调系统和诸如冰箱、水冷却器、饮料贩卖机、和 冷冻机的制冷系统两者中均使用的典型的制冷处理的部件。在各种情 况下，都存在消耗所需要的功率的大部分的电动机驱动压缩机 1001。水箱还典型地包括冷凝器1015和蒸发器1011。电动机1005 通常是其大小针对最差情况下的环境温度而确定的单相电动机。此 外，可存在驱动风扇的辅助电动机(未示出)，该风扇用于跨越蒸发 器和/或冷凝器循环空气。
对使用本文描述的改进的控制器的实施例的电冰箱的测试示出了 该单元在室温下以约2.3毫秒的相位滞后运行。使用本发明的改进的 控制器的实施例，在周期的Z部分期间将相位滞后减小至小于1毫 秒。改进的控制器中固有的另一个节能要素是电动机的损耗的有效部 分来自线圈的电阻的事实。此损耗与线圏上的电压的平方直接成比 例。因此，如果电压减小10%，则线圏损耗减小约20%。
电动机驱动的压缩机1001将被称为制冷剂的气体压缩为高压。 然后制冷剂经过被称为冷凝器1015的热交换机和膨胀阀(未示出) 来降低其温度。冷的制冷剂从那里被传递至被称为蒸发器1011的热交换机来冷却周围的空气或空间。最后，制冷剂返回压缩机1001被
再压缩。制冷剂的状态与后来的压力和温度之间的精确关系是由热动 力学确定的，并且对于相关领域的技术人员是已知的。
蒸发器和冷凝器周围的空气的环境温度确定制冷剂的状态以及压 缩该制冷剂所需要的功率。在典型的冰箱中，自动调温器启动压缩机 并且使其一直运行直到冰箱内部空间被冷却至期望温度。压缩机通常
运行大约15至20分钟。输入到压缩机的功率以初始的所需水平开 始，并且随着隔室的温度降低而逐渐降低。在冷却周期的末尾，压缩 机可以与启动功率相比减少15或20%的功率运行。图12示出了由 标准的家用水箱消耗的功率的记录。
本发明的节能控制器可应用于此情况以减小消耗的功率。除了干 衣机滚筒621由压缩机1001代替外，控制系统框图与图6类似。在 典型的实施例中，控制器被连接在AC电源601和电器的电动机之 间。在一个实施例中，不需要附加的传感器、控制或其它辅助装置。 这样的实施例的控制器感测各种电动机所面临的实际负载，并且适当 地控制它们。其它实施例可能需要除控制器的过零检测器外的附加传 感器。
尽管上面的描述是对于特定的电器，应理解，在恒定负栽或緩慢 变化的负载下运行的任何应用都可以由上面描述的依照通用参数运行 的改进的控制器控制。本发明的其它实施例可应用于炉子、风扇、流 体泵、排污泵、热泵和垃圾处理装置，以及任何其它的电动机驱动的 电器。此外，该方法可同样成功地应用于3相电动机。
在不偏离其精神或实质特征的情况下，本发明可表现为其它特定 形式。所描述的实施例在所有方面都应被看作仅是示例性的而不是限 制性的。因此，本发明的范围是由所附权利要求而不是上述描述部分 表明的。在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化都被包括在 其范围内。
2权利要求
1.一种使用开环原理控制电动机功率的方法，包括a)提供基于检测的电动机驱动信号的相位滞后确定截止时间的期望控制线函数；b)对于给定负载在第一数量的周期以全电压用具有电压过零和电流过零的电动机驱动信号驱动电动机；c) 在驱动期间检测电动机驱动信号的相位滞后；d)以基于所述检测相位滞后从期望控制线函数的截止时间确定的开启时间开启晶闸管；以及e)在第二数量的周期控制相位滞后，其中所述控制包括在检测电动机驱动信号的电流过零之后根据确定的开启时间开启晶闸管，并且其中不需要电动机驱动信号的反馈来执行控制。
2. 如权利要求l所述的方法，所述驱动包括 确定将以全电压驱动电动机的第一数量的周期；以及 在第一数量的周期以全电压驱动电动机。
3. 如前述权利要求中任一项所述的方法，所述检测相位滞后包括检测电动机驱动信号的电压过零； 当检测到电动机驱动信号的电压过零时启动定时器； 检测电动机驱动信号的电流过零；以及当检测到电动机驱动信号的电流过零时停止定时器，其中电压过 零和电流过零之间所测量的时间包括相位滞后。
4. 如前述权利要求中任一项所述的方法，所述斯望控制线函数 包括从表达式S-Amax/(Bnl-Bfl)计算的线斜率S,其中Bnl是全电 压和无负载时的电动机的相位滞后，Bfl是全电压和额定负载时的电 动机的相位滞后，Amax是无负载时的用于最大相位减小的截止时 间；以及从表达式Of=S*Blf计算的偏移量Of，其中从表达式A=S*B-Of计算截止时间A，其中B是检测的相位滞后。
5. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中给定负载包括电 动机看到的存在的负载。
6. 如前述权利要求中任一项所述的方法，所述控制还包括 确定第二数量的周期。
7. 如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括 在完成控制之后运行电动4几时重新启动所述方法。
8. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述周期是半周期。
9. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电动机是电 器中的电动机。
10. 如权利要求9所述的方法，其中所述电器包括干衣机、洗 衣机、炉子、风扇、泵、垃圾处理装置或制冷单元。
11. 如前述权利要求中任一项所述的方法，所述检测相位滞后包括检测电动机驱动信号的第一电压过零； 检测电动机驱动信号的第一电流过零；计算在电压过零和电流过零之间所测量的时间作为第 一相位滞后；检测电动机驱动信号的第二电压过零； 检测电动机驱动信号的第二电流过零；计算在电压过零和电流过零之间所测量的时间作为笫二相位滞后；从所计算的相位滞后计算总相位滞后，其中所述总相位滞后被确 定为电动机驱动信号的相位滞后。
12. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中第二数量的周期 比第一数量的周期大至少五倍。
13. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中电动机驱动信号 基于50Hz或60Hz的交流电。
14. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中电动机在小于其 最大额定负载的情况下运行。
15. 如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括 在所述控制期间检测电动机驱动信号的相位滞后； 每第三数量的周期将在所述控制期间检测的电动机驱动信号的相位滞后存储在存储区中；将存储的相位滞后与从所述在驱动期间检测电动机驱动信号的相 位滞后获得的当前相位滞后相比较；以及如果所述比较显示所存储的相位滞后高于当前相位滞后，则进行 驱动，否则进行控制。
16. —种实现如前述权利要求中任一项所述的方法的计算机程序。
17. —种其上包括用于对电动机进行开环功率控制的计算机程序 的计算机可读介质，所述计算机程序在被执行时包括a) 提供基于检测的电动机驱动信号的相位滞后确定截止时间的 期望控制线函数；b) 对于给定负载在第一数量的周期以全电压用具有电压过零和 电流过零的电动机驱动信号驱动电动机；c) 在驱动期间检测电动机驱动信号的相位滞后；d) 以基于所述检测相位滞后从期望控制线函数的截止时间确定 的开启时间开启晶闸管；以及e) 在第二数量的周期控制相位滞后，其中所述控制包括在检测 到电动机驱动信号的电流过零之后根据确定的开启时间开启晶闸管， 并且其中不需要电动机驱动信号的反馈来执行控制。
18. 如权利要求17所述的介质，所述检测相位滞后包括 检测电动机驱动信号的第一电压过零； 检测电动机驱动信号的第一电流过零；计算在电压过零和电流过零之间所测量的时间作为第 一相位滞后；检测电动机驱动信号的第二电压过零； 检测电动机驱动信号的第二电流过零；计算在电压过零和电流过零之间所测量的时间作为第二相位滞后；从所计算的相位滞后计算总相位滞后，其中所述总相位滞后被确 定为电动机驱动信号的相位滞后。
19. 如前述权利要求中任一项所述的介质，还包括 在所述控制期间检测电动机驱动信号的相位滞后； 每第三数量的周期将所述控制期间检测的电动机驱动信号的相位滞后存储在存储区中；位滞后获得的当^相位';后相比较；以及" ' _ ^W如果所述比较显示所存储的相位滞后高于当前相位滞后，则进行 驱动，否则进行控制。
20. —种用于电动机的开环功率控制的设备，所述设备包括 检测功率信号的电压分量的过零的电压越过检测器；检测功率信号的电流分量的过零的电流越过检测器；存储第一数量的周期、第二数量的周期、期望控制函数、相位滞 后和所计算的晶闸管开启时间的存储单元；晶闸管；以及处理器，通过下述步骤控制电动机并开启晶闸管 提供基于检测的电动机驱动信号的相位滞后确定截止时间的期望 控制线函数；对于给定负载在第一数量的周期以全电压用具有电压过零和电流 过零的电动机驱动信号驱动电动机；在驱动期间从电压越过检测器和电流越过检测器的输出计算电动 机驱动信号的相位滞后；以基于检测相位滞后从期望控制线函数的截止时间确定的开启时间开启晶闸管；以及在第二数量的周期控制相位滞后，其中所述控制包括在检测电动 机驱动信号的电流过零之后根据确定的开启时间开启晶闸管，并且其 中不需要电动机驱动信号的反馈来执行控制。
21. 如权利要求20所述的设备，其中所述处理器还在所述控制期间检测电动机驱动信号的相位滞后；所述存储单元每第三数量的周期将在所述控制期间检测到的电动 机驱动信号的相位滞后存储在存储区中；所述处理器将存储的相位滞后与从在驱动期间检测电动机驱动信 号的相位滞后获得的当前相位滞后相比较；以及如果所述比较显示所存储的相位滞后高于当前相位滞后，则处理 器进行驱动，否则处理器继续控制。
22. 如前述权利要求中任一项所述的设备，其中 所述处理器通过比较电流越过检测器和电压越过检测器的输出的差来在所述计算期间检测第 一相位滞后；所述存储单元在存储区中存储第 一相位滞后；所述处理器通过比较电流越过检测器和电压越过检测器的输出的 差来在所述计算期间检测第二相位滞后；存储单元在存储区中存储第二相位滞后；处理器基于第一和第二相位滞后计算电动机驱动信号的总相位滞后；存储单元在存储区中存储总相位滞后；以及 存储器将总相位滞后用作电动机驱动信号的相位滞后。
全文摘要
本发明的各个方面涉及使用开环原理控制电动机功率的方法。所述方法使用基于检测到的电动机驱动信号的相位滞后确定截止时间的期望控制线函数。在第一数量的周期内在给定负载下以电动机驱动信号驱动要控制的电动机，以检测电动机驱动信号的相位滞后。然后，通过根据电动机驱动信号的相位滞后开启晶闸管来完成在第二数量的周期中的相位滞后的控制。本发明的优点包括由本发明的方法或本发明的控制器的实施例控制的电动机的功率消耗降低，以及电动机的负载变化的检测和功率控制信号的发出之间的响应时间更快。
文档编号H02P21/00GK101663811SQ200880012888
公开日2010年3月3日 申请日期2008年3月12日 优先权日2007年3月14日
发明者G·I·博亚杰夫 申请人:能源效率公司