CN1162372A - 由一种相位调节***控制负载功率的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种控制供给负载(1)的功率的方式，负载(1)由具有周期T的交流电压源U通过广义的相位调整***供电。该方向包括根据预定的额定功率周期性地向负载(1)传送P个元素的序列，其中P是整数，每个元素包括n1个周期T，n1是整数，在此期间电压U被对称地在相角αi被取消，连续的相角αi和αi+1不同，诸相角α1…αi…αp被选择成他们提供了电流谐波的限制，在许或区域保持了闪烁(flicker)效应。本方法实用于电动机的功率控制。

Description

由一种相位调节***控制负载功率的方法和设备
本发明涉及由一种广义的相位调节***控制由一个周期为T的交流电压源U向一个负载供给的功率的方法和装置。
已往用于依靠变换器控制负载功率的技术，或者使用根据随需要功率而改变的相位角部分截取供电电压，或者在负载整个供电期间使用波列进行控制，按照使用者选取的频率将负载交替地接入电路和脱离电路。
当所谓全波控制功率变高时，第一种切割相位的控制方式导致相位角的整个调节范围的停止，引起极高的电流谐振从而对同一供电源上分出的用户加以限制。
至于称为波列的第二种控制方式，它被证明特别对于控制例如吸尘器和洗衣机上装备的电动机的速度是不能用的。事实上，这样的控制引起速度变化同时产生对使用者很不好受的声音。
本发明的目的是克服这些不便并满足特别是涉及限制电气设备带来的对***的干扰的标准，特别是标准EN60555-2和CEI555-2及其将来的演变体、限制谐振电流大小的EN61000-3-2和CEI1000-3-2，以及标准EN60555-3和CEI555-3及其将来的演变体EN61000-3-3和CEI1000-3-3，限制在由标准规定的并为一种名为“FLICKER”的已知干扰之原因的阻抗源上电压随每单位时间内这种变动的次数而发生的相对变化。
根据一个预先规定的额定功率，向所说的负载连续地周期性地传送一列整数P个元素，其中P大于1，该序列的序号为i的每个元素以周期为T的整数ni为其特征，在周期T中交流电压U按照相位角αi被对称截除，相位角αi相应于负载不被供电的时间长度ti，相继的两个相位角元素i的αi和元素i+1的α(i+1)不相同，而角度α1…αi…αp的组合选择使得在完全供给负载所希望的功率的同时，一方面满足将电流谐振有效值限制在一定值的要求，另一方面能将预先确定的阻抗源上随单位时间内的变动数而变化的电压的相对变化ΔU/U保持在由一个预先规定的曲线限定的许可区域内。
由于元素的这种交替，可以在较重大的功率范围上使得有效电压变化，完全遵照谐振和“FLICKER”标准提出的限制。
本发明的特性和优点可从随后的说明、以非限定性的实例并参考附图而得出，附图中：
-图1为表示一个电阻性负载在典型的相位控制中瞬时电压随时间的变化的示意图；
-图2为表示一个电阻性负载在典型的用波列对功率的控制中瞬时电压随时间的变化的示意图；
-图3为一个和图1类似的视图，表示一个例如通用马达那样的轻微自感性负载的典型的相位控制情况；
-图4为表示按照标准EN60555-3预先确定的曲线的示意图，该曲线代表相对电压的变化ΔU/U和标记为R的每分钟这种变化数的关系；
-图5作为一个例子表示标准EN60555-2对每种电流谐振给出的电流谐振限定值的表；
-图6为表示按照本发明的第一种实施方式的功率控制中瞬时电压随时间的变化的示意图；
-图7为表示按照本发明的第二种优选实施方式的功率控制中瞬时电压随时间的变化的示意图；
-图8为按照本发明的一种功率控制装置的概要简图。
如同在图1和图3可见，用于一个电阻性负载或一个如同马达那样的轻微自感性的负载的典型的相位控制的实质在于将供电源的交变电压进行截除，使得例如按照一个相位角为α0不变、相应于一段所说的交流电压为0的时间长度t0，典型的电网电压为U＝230V.50HZ。相位角这样重复使得可以在必需的使用期间得到一定的功率。为了获得大的功率可以使用通常的例如TRIAC型的调节器使所说的相角改变。
图2表示一个和图1相同类型的、正弦供电电压U，由一包含有延续时间t3和随后的t4的波列切割。t3期间提供电阻性的负载而t4期间负载供电截止。这种供电很适合加热型的电阻性负载而不适合照明型的电阻性负载或电动机型的电感性负载，因为能引起电压变化因而产生处于有害谱中的频率，或者是看得见的，引起闪光，或者是发动机的声音和振动，引起不可容忍的噪声。
图4中的示意图表示按照标准EN60555-3描绘的表示电压的相对变化ΔU/U和每秒的变化数的关系的曲线。此曲线划定一个许可区，位于它和横座标轴之间，且在其中“FLICKER”效应处于可接受的水平。
图5的表在第一栏上是不同的谐振等级，第二栏是特别由标准EN60555-2给出的对有效电流的限制。
参考图8，这里简略地表示出对一个和供电源相连的负载供电的装置，例如一个交流电压U＝230V、周期T＝20ms的交流电压的电网、使用一种普及的相位调节***如一个连续的调节器、包含有一个TRIAC型的电子开关2。
根据本发明，对于一个预先规定的额定功率可以连续地向所述负载1周期地送去整数P个元素的一列，其中P大于1，序列的序号为i的每个元素以周期T的整数ni为特征，周期T期间交变电压U按相应于延续时间ti的相位角αi被对称切割，在ti期间负载1不被供电。元素i的αi和元素i+1的α(i+1)两个相继的相位角不同，而角度α1…αi…αp的组合选择使得在完全供给负载所希望的功率同时，一方面满足将电流谐振有效值限制在一定值的要求，另一方面能将预先确定的阻抗源上随单位时间内的变动数而变化的电压的相对变化ΔU/U保持在由一个预先规定的曲线限定的许可区域内。
根据第一个优选的实施例，如图6所表示，序列的元素数目选为两个(P＝2)。第一个元素i1包括例如4个周期T，每个按照一个相位角α1进行切割，而第二个元素i2包括例如3个周期T，每个按照一个和相位角α1不同的相位角α2进行切割。角度α1和α2选择得使得在向负载1提供所希望功率的同时，α1、α2这一对能满足以上所述的各个条件。
由于本发明，为了高达例如1000瓦的功率而给出的目的，可以使有效电压因而功率也连续变化，同时注意谐振和“FLICKER”的限制。这样用一个连续电子调节器进行控制便可例如调节灯的亮度使之不会讨厌地闪烁，或很好地调节马达的速度使其功率范围提高又不会干扰电网同时又很安静。
根据表示在图7的第二个优选的实施方式，可以借助于交替的相位切割，元素数P保持在2，而P个数n1和n2两个都等于1。在此情况，向负载1供电，先加由时间长度t1的第一相位角α1切割的交变电压U，而在另一个周期T，加上由时间长度t2的第二相位角α2切割的交变电压U。这些试验可以为每个负载和每种提供给负载的功率确定出与电流谐振限制有关的一对角α1、α2。在这些对之间可以有利地选择一对将“FLICKER”效应减到最小，因为我们知道，角度的变化最小引起的功率的变化也最小。
按照本发明的方法的另一种性能，相位角αi可以伪随机地确定，并遵从一种规则，以将αi(i从1到P)的平均值对于给定功率保持在满足上述标准的值。
为了更好地了解本发明特别是在使用连续调速器控制马达方面的重要性，下面将就一种控制功率最大达1570瓦并能装备抽风机的通用型号马达在其工作范围内叙述按照本发明的控制方法。使用通常的连续调节器，可以证明，对于TRIAC的61°的起动角，P＝1150W，对于3级谐振可提高2.74A的值，而对于101°的起动角，P＝540W，在此级可提高2.52A的值。这样，此二值高于许可的限制值2.3A。
由于本发明，以及在一个优选的实施例中，其中在每个连续周期中两个不同的相位角相交替(P＝2而n1＝n2＝1)，假定在第一个周期扇区为61°，第二个周期为101°而第三个周期为61°，等等，则对于1030W的功率可以得到3级谐振水平只有2.21A。以一个通常的调节器，对于相等的功率，3级谐振将为2.93A，因而超出了标准EN60555-2。
本发明同样涉及一种实施该方法的装置，如图8上所表示，它包括电子中断器2，和负载1串联安装并连接到一个选择器3的输出端。该选择器可用来选择例如两个时间长度t1、t2，并在输出端S处产生电子中断器2的控制信号，以分别确定相位角α1和α2。
通过一个电子选择器将可明白，可根据确定序列的元素数目而确定αi的不同值。
这样，对于固定的额定功率，选择器许可确定时间长度ti和初始相位角αi，使每次谐振特别是3级谐振引起的电流低于标准EN60555-2加给的限制，如图4所表示，并使电压的相对变化ΔU/U处于图7曲线的低部，和标准EN60555-3要求的一样。
电子中断器2可以是一个TRIAC，而选择器3可以由不连续成分或由一个编程计算时间长度ti的微处理器获得。
本发明的方法和装置允许获得可靠的供电，避免干扰妨害电网用户。另一方面，所描述的方法通过对电子中断器的控制参数进行简单的程序控制能适用于任何负载。

Claims (9)

1.由一个周期为T的交变电压为U的电源经由一种广义的相位调节***向一个负载(1)供电时的供给功率的控制方法，其特征在于，对于一个预先规定的额定功率，向所说的负载连续地周期性地传送一列整数P个元素，其中P大于1，该序列的序号为i的每个元素以周期为T的整数ni为其特征，在周期T中交流电压U按照相位角αi被对称截除，相位角αi相应于负载不被供电的时间长度ti，相继的两个相位角元素i的αi和元素i+1的α(i+1)不相同，而角度α1…αi…αp的组合选择使得在完全供给负载所希望的功率同时，一方面满足将电流谐振有效值限制在一定值的要求，另一方面能将预先确定的阻抗源上随单位时间内的变动数而变化的电压的相对变化ΔU/U保持在由一个预先规定的曲线限定的许可区域内。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，元素数目P等于2。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，P个数ni全都等于1。
4.按照权利要求2和3的方法，其特征在于，假定n1＝n2＝1，则元素数目P等于2而P个数ni全都等于1。
5.按照上述权利要求中任何一个权利要求的方法，其特征在于，以伪随机方式确定角度αi。
6.按照上述权利要求中任何一个权利要求的方法，其特征在于，此方法是用于控制一种通用马达。
7.用于实施按照上述权利要求中任何一个权利要求的方法的装置，其特征在于，它包括一个电子中断器(2)，和负载(1)串联安装在交变电压U的端子处，并连接到一个选择器(3)的输出端S，该选择器可用来选择时间长度ti，并产生电子中断器(2)的控制信号，以分别确定相位角αi。
8.按照权利要求7的装置，其特征在于，该电子中断器(2)为一个TRIAC。
9.按照权利要求8的装置，其特征在于，该选择器(3)为一个微处理器。
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