本发明涉及用以控制感应电动机的供电电源的装置及其方法，尤其涉及一种感应电动机借此能在电动机负载变化的情况下高效率运转的感应电动机的控制装置及其控制方法。 本发明与正在申请中的，由本发明的受让人于1991年10月15日递交的申请号为07/776，117的美国专利申请有关。
在控制感应电动机在一个较宽的电动机负载量范围内高效率运转方面，基本的任务是将适量的驱动电压加到正在带负载的电动机上。例如，如果将一个非常高的电源电压（与所需的电动机转矩量有关）加到电动机上，而电动机正在驱动一个极轻的负载，那么将产生过量的驱动电流，而电动机的工作效率很低。但在这种情况下，如果电源电压不足够高，那么当电动机负载突然增大时，有可能导致电动机停车或运转不稳定。现有技术已提出各种用以控制感应电动机的供电电源，以便其工作效率达到最大的方案。然而，这些方案在防止感应电动机轻负载运转期间的停车或不稳定性，或在中、轻负载情况下产生过度能耗方面，一般仍存在着缺陷。这些现有技术的系统和本发明（考虑以单一驱动频率使感应电动机运转的这一情况）所需解决的基本问题是，确保满负荷情况下的电动机的电源电压能提供足够的转矩以平衡所荷负载;当电动机负载变为非常轻的时候，又确保不施加过高地电压（相应具有过高的能耗）;而同时在轻负载的情况下，确保所施加的电源电压不致于太低，以免造成电动机运转的不稳定或停车。
此外，考虑到感应电动机的可变频率驱动，适合任何特定的电动机负载量的电源电压将根据驱动频率而变化，因此，控制系统也必须随频率去改变电动机的电源电压。
用以实现这一目的的由美国第4，052，648号专利所揭示的一种感应电动机控制方法，以检测电动机正在运转时的功率因素相位角（或功率因素本身，它是角度的余弦，用0%-100%范围内的数值表示）为基础，控制电动机的电源电压，致使将功率因素维持在预定值。如果电动机工作于重负载下，相对于所加电源电压的适当值，功率因素可为例如80%。如果负载加重，电动机的电流与电压之间的滞后量将增加，故功率因素将降低。反之，电动机负载的减轻将导致功率因素的提高。这样，电动机负载的变化可以通过功率因素的变化测得，而电源电压可以响应于这一测得的负载变化而得以控制，以便将功率因素保持在预定值。然而，实际上采用这种方法时，如果预定的功率因素的选择相对于处于满负载的电动机的运转为最佳时，当电动机工作于轻负载时，所加电压相对于负载量而言却并不为最佳（即涉及到最小功耗的最佳值是与防止停车或不稳定性相一致的）。同样，当电动机工作于中等量负载时，电源电压相对于该负载量也是不合适的。
美国专利第5，010，287号揭示了为感应电动机控制系统提出的另一项申请。该系统设计用于感应电动机的可变频率驱动，以提供变速运行。然而，考虑到这种系统工作在任一特定的驱动频率，与上述运行相同，其中电动机的功率因素相位角经控制维持在预定值。尤其是，实际的功率因素相位角经检测并与预定的功率因素相位角数值（由参考脉冲发生器所产生的脉冲决定）进行比较，而电源电压则根据比较结果提高或降低，致使测得的功率因素相位角达到预定值。这样，当一个特定的负载（通称为“标准负载”）加上时，电动机将唯一地工作于一个最佳功率因素上。
至于这种控制系统，它根据不同数值的驱动频率来分别选择不同数值的预定功率因素相位角。然而，就考虑工作于任一特定的驱动频率值这一情况，可以理解，这种系统存在着与首次提及的美国专利所揭示的现有技术相同的缺陷，即由于为电动机运转所设计的功率因素仅当“标准负载”加入时才为最佳，故对于电动机负载变化范围较宽的运行而言，不能保证进行高效和高稳定度的运行。
上述观点将参照图1加以叙述。图中，符号B表示感应电动机从空载到满载（100%）这段范围内的最佳功率因素值。假定满载工作的最佳功率因素为80%。对于上述现有技术的感应电动机控制系统而言，功率因素经控制保持在例如80%量值（即虚线A）。而考虑到负载为满负载的50%的运行时，其最佳功率因素实际上应为64%，甚至在空载情况下，此系统仍将极力使功率因素维持在80%。故以功率因素检测为基础的此类现有技术系统不能够在一个较宽的电机所荷负载量范围内，提供最佳的工作效率。
本发明的目的在于提供一种节能的感应电动机控制装置及其控制方法，借此，电动机可在负载变量较宽的范围内连续地以最佳功率因素值运转，以保证在负载变量范围内的最大工作效率，从而克服上述现有技术的缺陷。
为了达到上述目的，感应电动机的功率因素经检测，并与相对当时加载在电动机上的负载，呈现为最佳功率因素的值比较，其比较结果用于控制感应电动机的电源电压量级，以根据电动机负载的减轻而减小电源电压量，且最佳功率因素值根据电源电压的变化量加以调整。结果，最佳功率因素随电动机负载的变化而被连续地调整，故相对于当时所加载的负载电动机的运行总能维持于最佳功率因素。
图1是表示最佳功率因素值与感应电动机负载之间关系的曲线图;
图2分别表示最佳功率因素值与工作于三个不同驱动频率值的感应电动机的电源电压之间的相对关系;
图3是根据本发明的感应电动机控制装置的第一个实施例的电路框图;
图4表示作用于图3所示电路中一个DC-AC（直流-交流）逆变器的一个开关元件上的驱动电压波形;
图5是根据本发明的感应电动机控制装置的第二个实施例的电路框图;
图6是说明图5所示实施例中一个微计算机运行的流程图。
以下将首先考虑工作于一个特定驱动频率下的情况，叙述根据本发明的感应电动机控制装置的基本原理。电动机正在运转时的功率因素经连续监测并与预定的功率因素值进行比较，对于处于一特定驱动频率的某一特定量的所加负载而言，后者为最佳功率因素。施加在电动机上的电源电压根据比较结果进行控制，故电源电压将跟随电动机上所加负载的变化而改变。然而，如果电源电压就此改变，上述预定的功率因素值应通过乘上一个补偿值而得到调整，该补偿值为0至1范围，根据当时电动机的电源电压量级而确定。当电动机的驱动频率为50Hz时，功率因素补偿值与电动机电源电压之间的关系可由例如图2中的曲线C1表示。如图所示，功率因素补偿值随电动机电源电压的下降，亦即随电动机负载量的减轻而减低。这样，随着电动机负载的减轻，电动机运转所维持的功率因素将相应减低。采用这种方式，便有可能使工作时的功率因素随着电动机负载的变化而维持在相对最佳值上，即与图1所示的最佳功率因素曲线B相符。
最佳功率因素与电动机电源电压的特性曲线将随驱动频率而变化。这样，就必须使用图2所示功率因素补偿值与电动机电源电压之间关系的相应的各不相同的特性曲线，其中C2和C3分别为可应用于驱动频率为25Hz和12Hz的特性曲线。电动机电源电压值的范围根据驱动频率而改变。例如，由图2可见，当驱动频率为50Hz时，最大电压值为200V;而当驱动频率设定为25Hz时，电动机电源电压的最大值为100V;当驱动频率设在12.5Hz时，最大电压值为50V。
图3是根据本发明的节能感应电动机控制装置第一个实施例的电路框图。位于最外层虚线内的部分14构成感应电动机控制装置。一个三相交流电源10对一个AC-DC转换器16供电，其输出的直流电源电压被加到一个DC-AC逆变器18。逆变器18以三个开关元件为基础，它们分别接收一组三相开关元件控制信号中的一个，并共用符号G表示。这些开关元件控制信号决定了由逆变器18在线路19、20、21上所产生的，用以加到感应电动机12上的一个三相交流电源电压的频率和幅度。该三条输出相线将分别称作为U、V和W相线。为简单起见，该三相中的任何两相之间的电压将称为电动机电源电压。在相线U和W中流动的电动机驱动电流值，分别由符号IU和IW表示，经电流互感器CT1、CT2分别检测后，加到乘法器30，30′的相应输入端，而IU同时还加到一个有效值转换电路32的一输入端（即IU和IW是相应于随U相和W相交流电流改变的交流电压信号）。U-V相电压VUV由加法器34检测，而W-V相电压VWV由加法器34′检测。交流电流信号VUV被加到乘法器30的另一个输入端以及有效值转换电路32的第二个输入端，而信号VWV同时加到乘法器30′的另一个输入端。这样，由乘法器30、30′产生的输出量在加法器36中相加，并经平滑电路38对该结果作平滑处理后，由此得到一个输出信号，其量级表示电动机12的使用功率W。
有效值转换电路32将IU转换为相应的均方根电流值IU（RMS），同样，将VUV转换成均方根电压值VUV（RMS）。这些数值在乘法器28中相乘后，得到一个施加于电动机12上的视在功率值P。然后，通过除法器40得到使用功率W与视在功率P的比值，作为其量值表示被测功率因素Pfm的电压被加到功率因素比较器49的一输入端。
均方根电压值VUV（RMS）被施加到函数变换电路46，它用以产生随电动机电源电压量变化的前面提到过的功率因素补偿值。装置51例如电位计或开关可调节用以产生指定电动机驱动频率的驱动频率指示信号（例如电压信号）。该信号被施加到函数选择电路45，根据指定的驱动频率，在一组预定的变换函数中选择其中一路输出，并控制函数变换电路46根据所选择的变换函数，完成VUV（RMS）至相应功率因素补偿值的变换。如果有三个变换函数例如与图2所示的曲线C1、C2和C3相符，那么当指定的驱动频率取50Hz、25Hz和12.5Hz数值时，这些函数将分别被选用。装置44，例如电位计或开关可调节用以产生一电压信号，其量值表示一个预定的功率因素值Pf。如前所述，该预定的功率因素Pf在电动机所荷负载的某一特定量级（例如满负载）上，为一个最佳功率因素值。该预定功率因素值被施加到乘法器48的一输入端，而功率因素补偿值S被施加到另一输入端，由此由乘法器48产生一个表示最佳功率因素值Pfs的电压，作为预定功率因素与补偿值的乘积。最佳功率因素值被施加到功率因素比较器49的另一输入端。功率因素比较器49由此产生一个比较信号，该比较信号按被测功率因素Pfm与最佳功率因素Pfs之间的差量，在固定的最大和最小值内变化。
驱动频率指示信号还被加到V/F（电压/频率）转换器52。如前所述，电动机电源电压值的范围随驱动频率而变化。V/F转换器52产生一个在指定的电动机驱动频率上其幅度呈周期性变化的输出信号，它的变化幅度根据指定的驱动频率值而确定。该变化幅度决定电动机电源电压值范围的最大量值，而电压值则根据比较器49输出的比较信号值得到控制。V/F转换器52的输出在乘法器53中与比较信号相乘，由此产生一个在指定的驱动频率上呈周期性变化的输出，其变化幅度借助比较信号电平加以修正。然后，由乘法器53产生的输出信号转换为三个固定振幅的双向脉冲串，每一脉冲串都有一个在指定的驱动频率上呈周期性变化的占空率，并在三个脉冲串之间呈现相位差各为60°的周期变化。然后，这些脉冲信号由驱动电路55放大后，作为开关元件驱动信号G，施加到逆变器18的三个开关元件上，以便将所施加的直流电源电压转换为三相电源电压，供给线路19、20、21。
图4（a）表示其占空率呈变化的上述一组双向脉冲串的一个周期，如图所示，占空率按正弦波形变化。图4（a）表示乘法器53的输出幅度值为较小的一种情形，其原因在于比较信号电平较小故双向脉冲的平均占空率较小，并由此将由逆变器18产生一个较低的电源电压值。图4（b）描述了所产生的电动机电源电压值较高的一种情形下的波形。
如上所述，由V/F转换器52所输出的信号变化幅度决定电动机电源电压的最大值，并根据指定的驱动频率值确定。例如，参见图2，如果指定的驱动频率为25Hz，由V/F转换器52输出的变化幅度便已确定，当比较信号处于最大值（例如为1）时，作为结果而产生的电动机驱动电压将达100V。
从以上描述中可以了解到，在本实施例中，主电源电路部分是以AC-DC转换器16和逆变器18为基础的;功率值计算部分以乘法器30、30′、加法器36，平滑电路38、加法器34、34′，有效值变换电路32以及乘法器28为基础;除法器40构成一个功率因素检测部分;函数选择电路45、函数变换电路46、乘法器48以及预定功率因素产生装置44构成一个最佳功率因素产生部分，驱动频率指示信号发生装置51a、V/F转换器52、乘法器52a、P.W.M控制电路54以及驱动电路56构成一开关元件驱动信号发生部分，其输出信号以功率因素比较器49的输出信号为基础而得以控制。
根据上述实施例，电动机运转时的被测功率因素Pfm与最佳功率因素Pfs之差由功率因素比较器49得出，并用以控制电动机电源电压的量级。如果最佳功率因素值与电动机电源电压之间的关系如图3所示，且电动机工作于最佳功率因素为80%的满负载情况下，那么电动机负载的减轻将导致被测功率因素Pfm的增高。由此在功率因素比较器49输出的比较信号中所产生的变化，将导致电动机电源电压的降低。随着电源电压（施加到函数变换电路46，由VUV（RMS）值表示）的降低功率因素补偿值也将相应减小，由此使最佳功率因素Pfs减低。结果，电动机的运转将稳定在一个被施加到电动机上的新的电源电压值的条件下，而这一新的电源电压致使被测功率因素Pfm等于新的最佳功率因素值Pfs。这样，对于图1所示的最佳功率因素/电动机负载关系而言，电动机负载从满负载的100%减轻到50%时，将导致电动机运转时的功率因素从80%变化到64%。
反之，如果电动机负载加重，将引起电动机电流与电动机电源电压之间滞后量的增加（即被测功率因素Pfm的减小），电动机电源电压将自动提高，直至被测功率因素Pfm达到适合新的负载量的最佳值。
显然，上述实施例采用负反馈控制以自动改变电动机12的运行功率因素，致使将功率因素保持在一个相对电动机上所加负载为最佳的值上。这样，当电动机工作于轻负载或空载情况时，就有可能使电动机消耗最小量的功率，而同时又确保电动机将稳定地工作于这种轻负载状态。现已表明，本发明由此可在感应电动机使用方面，提供比之任何一类现有技术的感应电动机控制装置所能达到的，实际程度更高的节能。
上述第一个实施例能采用模拟信号处理来实现绝大部分或整个功能。图5是根据本发明的节能感应电动机控制装置第二个实施例的电路框图。该实施例的基本工作原理与上述第一个实施例相同，唯一的区别在于第二个实施例的工作是通过微计算机（例如一台微处理机结合ROM（只读存储器）和/或RAM（随机存取存储器））以数字信号处理为基础的，即第二个实施例采用更精确的方法来推导被测功率因素。图5中，感应电动机控制装置本身为部分58，位于外层虚线框之内。感应电动机控制装置以微计算机70为基础，如图所示，后者从电流互感器CT1、CT2接收电动机电源电流值IU、IW以及IV。为了便于理解，实际由微计算机70通过执行程序（以后将作描述）的操作而完成的各种功能，在图5中用相应的电路、部门或加法器等表示。如此表述的微计算机70包括用以求出电源电压值VUV、VWV的加法器75和75′。这些电压值连同电流值IU、IW和IV一起加到一个功率因素检测和处理部门76，如下所述后者将对这些电流和电压值进行运算，以求出电动机运转时的被测功率因素。
作为输入，微计算机70还接收由功率因素预置部门72产生的预定功率因素值，部门72可调节，以便建立所需的预定功率因素值。预定功率因数值被输入乘法器80，与函数变换电路78产生的补偿值相乘。如以上第一个实施例中所述，函数变换电路78按特定的变换函数对VUV（RMS）进行运算，以获得补偿值。在本实施例中，函数变换电路78实际上包括许多组数值表，存贮在存储器中，而每张表对应于特定的电动机驱动频率值。如上述第一个实施例中所述，由此可为不同值的驱动频率建立各种变换函数。通过从其中一张表中读出一个与VUV（RMS）值相对应的补偿值，即可进行求导功率因素补偿值的变换。为便于理解，图中所示的VUV（RMS）由变换电路83求得，而实际上如以下所述，必须在求导被测功率因素值的过程中求得VUV（RMS）。被测功率因素值与最佳功率因素值之差由功率因素比较器82求得，它作为一个比较值被加到输出信号发生电路84。该输出信号发生电路84响应产生一个用以控制电动机电源电压的输出信号值，并将它加到驱动电路74。如第一个实施例中所述，驱动电路74产生一组三相开关控制信号，在一特定的电动机驱动频率上，其占空率呈正弦波变化。这些驱动信号被分别加到DC-AC逆变器68中的三个开关元件上，将由AC-DC转换器64产生的直流电压转换为一组三相电源电压，提供给感应电动机62。
在本实施例中，电动机驱动频率是由一个频率指示部分（为简化描述从图中省略了）确定的，它还可以通过函数变换电路78确定（对应于特定的驱动频率）选择使用的函数，通过选择上述许多补偿值表格中的一张表，将VUV转换为相应的功率因素补偿值。
图6是用以说明由微计算机70按照程度所反复执行的基本操作顺序的一张总的流程图，通过该流程计算感应电动机当前正在运转的连续的被测功率因素值，并由输出信号发生电路84产生一输出信号以控制电动机的电源电压。开始时，即当电源加到系统时，操作等待（步骤S1），直至一个交流电源周期出现，即由逆变器68输出的U相和V相电压之间的电压VUV的一个周期信号出现。在每一交流周期内，许多取样操作在连续取样区间的各起始点执行。首先执行步骤S2，操作等到交流周期信号的第一个取样区间的定时信号，当该定时信号到达时，各个U相和W相电流值IU和IW在那一瞬间即被检测并保存在寄存器中（步骤S3）。在下一步骤（S4）中，电压VUV和VWV的瞬时值同样被检测并保存在寄存器中。在步骤S5中，则P表示的工作功率瞬时值，通过这些电压和电流值的相乘而得到，即由下列公式得到：
P＝IU·VUV+IW·VWV
然后，瞬时功率值P存入寄存器，在步骤S6中，对由步骤S3和S4所得到的各个瞬时电压和电流值的平方进行计算，并将计算值存入寄存器。在第一次执行步骤S3和S6后，操作返回到步骤S2，然后再重复步骤S3至S6。然而在这种重复步骤中，当电流、电压、电流平方、电压平方和功率的每一瞬时值求出后，再加到前面步骤所求得的相应值中，以获得各个累加的瞬时值。当步骤S7判断交流周期已结束时，在步骤8中通过利用最终累加的工作功率值和取样数，计算平均瞬时功率值，并将其作为该周期的工作功率值。然后，在接下来的步骤S9中，由从前一交流周期得到的各个最终累加的电流和电压平方值，计算电压和电流的各个均方根值VUV（RMS）、VWV（RMS）、IU（RMS）、IV（RMS）。在步骤S10中，由电压和电流的均方根值计算前一周期的视在功率P。然后，在步骤S11中，按视在功率P与工作功率W的比值计算被测功率因素。
接下来，为了准备下一轮步骤S3至S6的重复过程，由前一交流周期获得的累加值逐一进行清零（步骤S12、S13）。
在步骤S14中，检测预定功率因素值，然后在步骤15中，从前述表格中读取对应于VUV（RMS）的功率因素补偿值，接着再将功率因素补偿值加到预定功率因素上，以此得到最佳功率因素值。如果在步骤S17中判断被测功率因素与最佳功率因素值是相同的，然后操作便返回到步骤S2，在下一个交流周期信号的第一个取样区间的起始点，进入步骤S3至S6的第一次重复过程。如果预定功率因素与最佳功率因素值互不相同，步骤S18就对它们进行比较并得出一个比较值，然后该比较值在产生输出信号过程中被使用，如前所述，后者将导致电动机电源电压的变化，接着，操作返回到步骤S2。
在上述叙述中，假定在一个交流功率周期的最后取样区间的起始点与随后一个周期的第一个取样区间的起始点之间，步骤S3至S19的所有的操作都能顺利地完成。在这种情况下，相对于每个连续的交流功率周期，将求出新的被测功率因素值。对于第二个实施例，上述被测功率因素的求得是以周期性取样，得到电流和电压的瞬时值为基础的，其优点是具有非常高的精度，而与感应电动机的交流电源电压和电流的波形失真无关，后者是由DC-AC逆变器根据被测功率因素的控制而提供的。
从上述实施例显而可见，本发明提供了一种节能的感应电动机控制装置，由此，通过按电动机的被测功率因素与相对电动机负载为最佳的功率因素之间的比较结果来控制电动机的电源电压，感应电动机工作时的功率因素可被连续维持在与电动机上所加负载相符合的最佳值上。结果，当电动机工作在轻负载状态时，可达到稳定的运转与最小的功耗。显然，本发明当应用于必须驱动可变负载时，可提供非常明显的节能。
一般，对于任何特定的电动机负载值而言，适合于相对较高的感应电动机驱动频率值情况的最佳功率因素，将不同于驱动频率为非常低的最佳功率因素。这样，尽管在上述描述中已经假定，同样的预定功率因素值（例如相对满负载运行为最佳功率因素）适用于不同的驱动频率值，但仍相当有可能提供许多不同的预定功率因素值，以便根据所标明的驱动频率值进行选择，按同样方法，如上所述，在许多不同功率因素的变换函数中，可根据驱动频率而选择其中之一。