ＡＣ感应电机中的电压控制和功率因子校正制造技术

公开了一种电压控制电路。功率因子校正器可以使用控制电路来提供ＡＣ感应电机的功率因子校正。ＡＣ感应电机系统可以将功率因子校正与ＡＣ感应电机相结合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例涉及电压控制，更具体地，涉及用于交流(AC)感应电机的功率因子控制。
技术介绍
交流(AC)感应电机使用给定的工业化国家所发电力的很大一部分。估计美国总发电功率的大约70%用于电力发动机。为了使功耗最优化，通常希望针对给定应用而选择的电机能够以最低可能线电压来驱动最大可能负载。可以以功率因子来表示AC电机的相对效率，所述功率因子与施加到电机的AC电压与电机所使用的AC电流之间的相位差有关。 功率因子有时被表示为AC电源电压与AC电机电流之间的相对相位角的余弦。当电源电压与电机电流同相时，相位角差等于零，并且相位角的余弦等于1。在AC感应电机中，只有在AC电机具有最大可能负载并且为电机供电的电源工作在最低可能线电压的情况下，直接从电源馈送功率才是最优的(例如，功率因子接近1)。一旦线电压开始高于最小可能电压，或者机械负载低于最大可能负载，则电机的功率因子就不是最优的。在美国使用的AC电机的平均功率因子是大约0.7。这意味着，由于AC感应电机的功率因子不是最优的，将损失电源产生的功率的高达30%。如果认为美国产生的电力的大约70%来自于诸如煤、天然气和石油之类的矿物燃料，那么在目前这些矿物的供给有限的状况下，迫切需要使所有AC感应电机的操作最优化。使功率因子最优化的最佳方式是减小电机的电源电压，使得该电源电压与AC感应电机的瞬时机械负载成比例。该问题的最早的解决方案包括利用导前电流对驱动AC感应电机的电压滞后相位移位电流加以补偿。该方法可以从电源的观点改进功率因子，但是有时该方法导致在电机与用于补偿的电路之间存在较大的电流。由于该过程成本高、效率低并且维护费用高，所以该方法从未被广泛采用。另一种使AC感应电机中的功率因子最优化的解决方案是由Frank Nola开发的， Frank Nola开发了一种与AC感应电机一起使用的功率因子控制系统。Nola的功率因子控制系统对线电压和通过电机的电流进行采样，并与检测到的电流与电压之间的相移成比例地减小输入至电机的功率(例如，参见美国专利4，052，648,4, 433，276、和4，459，528，在本文中这些专利有时也称作Nola专利)。该方法在电机负载变小时减小发往电机的功率。尽管Nola的功率因子校正方法已有很大进步，然而该方法也具有基本的问题。根据Nola的专利，电机的功率由硅控制整流器来控制，所述硅控制整流器在输入电压的过零点之后的延迟后接通。电机的功率减小与输入电压的上一个过零点和硅控制开关的接通时刻之间的相位差成比例。对于低功率因子误差，系统工作很正常，但是一旦功率因子误差变大，电机电流的波形就会严重失真。从而在输入线频率上出现谐波。三次谐波会使中性线“升高”， 这是不可接受的，因为这会引起危险。授予Parker等人的美国专利6，194，881公开了一种开关电源系统，包括第一和第二 AC开关，所述第一和第二 AC开关相对于彼此以交替的间隔工作，以允许电流在AC电压周期的间隔上在AC功率线源与负载之间流动。该系统包括在输出滤波器中的能量存储元件(例如，电感器)，该能量存储元件在AC电压周期的间隔期间存储能量，并在AC电压周期的交替间隔期间释放所存储的能量。由于开关交替地接通，所以开关的时序很严格以避免电流重叠或开路。例如，如果两个开关都闭合(即，“接通”)，则会存在带电线与中线之间的短路。如果第二开关在第一开关闭合之前断开，则来自电感器的电感性“反冲”电压会将这两个开关都损坏。此外，由于在任何时刻电流路径中都有四个二极管和两个开关元件，所以电路损耗相对较高。授予Sugawara的美国专利5，635，826描述了一种与Parker在美国专利 6，194，881中公开的开关电源系统相类似的AC电源系统。在Sugawara的系统中，在输入侧与输出侧之间提供的第一 AC开关以预定的周期来执行接通-关断操作。第二 AC开关被设置在第一 AC开关的输出侧的某位置处，以使输出侧短路，并且第二 AC开关与第一 AC开关相反地执行接通-关断操作。在第一和第二 AC开关的操作之间提供预定的暂停时间。每个 AC开关具有两个半导体元件以及二极管，每个二极管连接在每个半导体元件的控制端子之间，并且与该半导体元件的导电极性相反。两个半导体元件的相同极性的控制端子彼此连接。向每个半导体元件的控制输入端子提供相同的控制信号，以实现半导体元件的其他控制端子之间的接通-断开切换AC。如在美国专利6，194，881中描述的一样，Sugawara电路采用交替切换。因此，切换的时序很严格，以避免电流重叠或开路。Sugawara设备使用缓冲器电路中的无源消耗组件来限制浪涌电流。然而，缓冲器电路中的无源耗散组件会限制电路的效率。在这方面，提出了本专利技术的实施例。 附图说明图IA是示出了根据本专利技术实施例的功率因子校正系统的示意性电路图。图1B-1H是示出了根据本专利技术实施例的输入到电压控制电路中的电压波形的时序图。图2A是示出了根据本专利技术实施例的具有附加能量存储器件的功率因子连接器的示意性电路图。图2B示意性地示出了在现有技术的功率因子校正整流器中使用的电压调节器电路。图2C示意性地示出了使用电感器和反冲二极管的能量存储电路的一部分，所述能量存储电路可以用在根据本专利技术实施例的功率因子校正器中。图2D示意性地示出了根据本专利技术实施例的应用于改进的功率因子整流器的的能量存储电压调节电路。图2E是根据本专利技术实施例的能量存储设备的一个示意图。图3A是示出了根据本专利技术实施例的功率因子校正器的示意性电路图，该功率因子校正器中添加了双极钳位电路。图3B-3C是根据本专利技术实施例的可以用在功率因子校正器中的双极钳位电路的示例的示意图。图4是根据本专利技术实施例的用于三相AC感应电动枪击的功率因子校正器的框图。图5是示出了将根据本专利技术实施例的电压控制电路用作变压器的示意图。具体实施例方式本专利技术的目的是提供一种电子装置，该电子装置在被置于用于向AC感应电机输入功率的电路中时，将实现向运行在非最优功率因子下的AC感应电机施加的功率的减小。 通过以下描述，其他目的和优点将变得显而易见。图IA是根据本专利技术实施例的功率因子校正系统100的示意性电路图。在图1所示的示例中，AC电源101向系统100施加的AC电功率是单相的，并且经由“带电”线103离开AC电源101并经由中性线105返回AC电源。带电AC电压103被馈入输入滤波器107， 输入滤波器107可以被设计为低通滤波器。输入滤波器107从输入的AC电压103中去除瞬态和高频噪声，并提供滤波后的AC电压143，使得带电线103上的AC电压最优地衰减。 将滤波后的AC电压143从滤波器107馈入电流相位采样器109，电流相位采样器109对AC 电流的相位进行采样，并产生表示该相位信息的输出信号。电耦合在电流相位采样器109 的输出与中性线105之间的电容器111起到电荷存储器件的作用，以防止电压控制电路145 干扰电流相位采样器109的功能。将滤波后的AC电压143从电流采样器的输出馈送至电压控制电路145。信号调节电路117直接从AC电源101接收电压相位信号115，以及从电流相位采样器109接收电流相位信号113。该信号调节电路117产生与输入电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种电压控制电路，包括：ａ）第一固态开关器件和第二固态开关器件，第一固态开关器件和第二固态开关器件中的每一个包括：ｉ）输入端子；ｉｉ）输出端子；ｉｉｉ）控制端子，适于接收斩波信号，其中斩波信号的值确定了电流是否能够在输入端子与输出端子之间流动；ｂ）具有阳极和阴极的第一二极管以及具有阳极和阴极的第二二极管，其中第一开关的输出端子和第二开关的输入端子适于接收ＡＣ电压，第一固态开关器件的输入端子连接至第一二极管的阴极，第二固态开关器件的输出端子耦合至第二二极管的阳极，第一二极管的阳极和第二二极管的阴极电耦合至节点；ｃ）第三固态开关器件和第四固态开关器件，其中第三固态开关器件和第四固态开关器件中的每一个具有：ｉ）输入端子；ｉｉ）输出端子；ｉｉｉ）控制端子，适于接收极性信号，其中极性信号的值确定了电流是否能够在输入端子与输出端子之间流动；以及ｄ）具有阳极和阴极的第三二极管以及具有阳极和阴极的第四二极管，其中第三固态开关器件的输入端子耦合至第三二极管的阴极，第四固态开关器件的输出端子耦合至第四二极管的阳极，第三二极管的阳极和第四二极管的阴极电耦合至所述节点，第三开关的输出端子和第四开关的输入端子适于耦合至ＡＣ电源的中性线。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大·C·帕玛，
申请(专利权)人：艾莉森·A·阿尔加布赖特，
类型：发明
国别省市：US