CN1332495C - 马达平衡运转的方法 - Google Patents

Abstract

一种马达平衡运转的方法，包含下列步骤：根据马达的转速与负载重量的关系提供平衡角；检测该马达的输出电流相位值与输出电压相位值；依据该输出电流相位值与该输出电压相位值所形成的相位差，取得功率因素角；及判断该功率因素角的变化量与该平衡角的差异，以调整该马达的转速，以使该马达根据相应于该负载重量的该平衡角而平衡运转。本发明的马达平衡运转的方法利用检测马达运转时负载变动会影响功率因素角变化的原理，利用判断功率因素角的变化量是否小于或等于设定的平衡角，以了解马达是否处于平衡运转状态，来决定是否作转速调整，以达到节约能源且提高运转效率的目的。

Description

马达平衡运转的方法

技术领域

本发明涉及一种有关于马达运转的方法，特别是一种马达平衡运转的方法。

背景技术

一般来说三相感应马达运转方式，经由交流马达驱动器驱动后，开始运转，如果负载为一种变动状态(例，洗衣机马达的脱水步骤)，这会影响马达的运转状态，举例来说，在洗衣机马达运转系统的脱水步骤中，衣物从吸满水的状态到半干的状态，是属于一种负载变动状态，因为负载的重量有变动，若负载在滚筒内分配不平均造成偏心现象，将导致马达处于不平衡(或失衡)运转状态，除了造成洗衣机马达脱水步骤的次数增加外，严重影响系统效率而且浪费能源，因此检测及控制马达运转方式，成为一项值得注意的课题。

目前来说马达运转检测方式，常利用传感器(Sensor)来检测马达是否处于平衡运转状态，再通过控制运转方向或速度来使其达到平衡状态，但这种方式需额外设置传感器，且这类的传感器成本较高，甚至于有些设计为了成本考虑因素，根本不检测及控制马达运转状态，在制造成本逐渐下降(Cost Down)的趋势中，如何减少高成本传感器的运用，成为研发人员研究的方向之一。

发明内容

鉴于先前技术无法解决的问题与存在的缺点，本发明提出一种马达平衡运转的方法，利用检测功率因素角的变化，并与设定的平衡角作比较，来判断马达是否处于平衡运转状态，以决定马达的输出运转速度。

所以为达上述目的，本发明提供一种马达平衡运转的方法，包含下列步骤：根据马达的转速与负载重量的关系提供平衡角；检测该马达的输出电流相位值与输出电压相位值；依据该输出电流相位值与该输出电压相位值所形成的相位差，取得功率因素角；及判断该功率因素角的变化量与该平衡角的差异，以调整该马达的转速，以使该马达根据相应于该负载重量的该平衡角而平衡运转。

根据上述构想，其中该马达为交流感应马达。

根据上述构想，其中该马达为三相感应马达。

根据上述构想，其中该马达为单相感应马达。

根据上述构想，其中该功率因素角的变化量为取样时间内的最大功率因素角与最小功率因素角的差值决定。

根据上述构想，其中该功率因素角的变化量小于或等于该平衡角时，将该马达的转速限制于第一转速。

根据上述构想，其中该功率因素角的变化量大于该平衡角时，将该马达的转速限制于第二转速，该第一转速高于该第二转速。

根据上述构想，其中该马达的转速是通过可编程逻辑控制器来调整。

根据上述构想，其中该马达的转速是通过微处理控制单元来调整。

根据上述构想，其中该马达的转速是通过数字输入器来调整。

根据上述构想，其中该功率因素角是利用该功率因素角等于该输出电流与该输出电压的相位差的反余弦来取得。

本发明所揭示的马达平衡运转的方法中，包含有下列步骤：于马达开始运转后，检测输出电流相位值与输出电压相位值；取得功率因素角，判断取样功率因素角时间是否截止；依据取样功率因素角次数，计算平均功率因素角变化量；判断平均功率因素角变化量是否小于或等于设定的平衡角；于平均功率因素角变化量小于或等于设定的平衡角时，将马达转速提高至设定的第一转速，其中于平均功率因素角变化量大于设定的平衡角时，将马达转速提高至设定的第二转速，且第一转速高于第二转速。

利用这种检测功率因素角变动情形可得知马达运转状态，于马达失衡运转时，将转速限制于一设定的转速，避免马达失衡运转状态下高速运转，且于马达运转平衡时，在最短时间内将其转速调至设定的高转速，以达到节约能源且提高运转效率的目的。

有关本发明具体可行的实施方式，配合附图说明如下。

附图说明

图1为本发明所揭示的操作流程图；

图2为本发明所揭示的实施例系统框图；及

图3为本发明所揭示的实施例的特性曲线图。

其中，附图标记说明如下：

10    交流马达驱动器    15    多功能输入端子

16    多功能输出端子    20    可编程逻辑控制器

30    马达

步骤100  检测输出电流相位值与输出电压相位值

步骤105  取得功率因素角

步骤110  取样时间是否截止

步骤115  计算平均功率因素角变化量

步骤120  判断平均功率因素角变化量是否小于或等于设定平衡角

步骤125  输出设定的第一转速

步骤130  将转速限制在设定的第二转速

具体实施方式

首先，本发明就功率因素角(power-factor angle)θ对马达运转状态关系作一说明，以一个三相感应马达的运转系统来说(并非限定三相感应马达)，通过交流马达驱动器的电流传感器(Current Sensor)可得到三相输出电流值Iu、Iv及Iw，以及利用马达驱动器输出三相电压值Vu、Vv及Vw。

其方法如下说明：

方法一：令输出电流Iu＝Irms*sin(ωt-θ)

输出电流Iv＝Irms*sin(ωt-2π/3-θ)

输出电流Iw＝Irms*sin(ωt+2π/3-θ)

输出电压Vu＝Vrms*sin(ωt)

输出电压Vv＝Vrms*sin(ωt-2π/3)

输出电压Vw＝Vrms*sin(ωt+2π/3)

由上可得知

cos(θ)＝Sqrt(2/3)*(Iu*Vu+Iv*Vv+Iw*Vw)/(Vrms*Sqrt(Iu^2+Iv^2+Iw^2))。

方法二：也可通过供应三相平衡负载的功率P＝3*V*I*cos(θ)，故可得功率因素角θ＝cos^-1(P/(3*V*I))。

方法三：计算功率因素角θ的方式为当输出电流相位为零度时也就是电流进入零交越区(Zero crossing area)，计算输出电流与输出电压相位的相位差，其相位差即为功率因素角θ值。

由此可知，当三相运转不平衡时，功率因素角会呈现一个较大变动的数值，代表马达目前处于不平衡运转状态，然而在一个负载稳定没有振荡的系统中，其功率因素角θ的变化是稳定且较小，利用此一特性，可以预先知道目前负载变动状态，以决定是否进行调整马达转速作业，因此本发明通过检测功率因素角的变化来判断马达的运转状态，并进行调整马达转速作业。

请参照图1，为本发明所揭示的操作流程图，首先于设定马达平衡运转参数的初始化(例，平衡角度、第一转速、第二转速等等)后，其中第一转速高于第二转速，三相感应马达开始运转，利用交流马达驱动器的电流传感器检测输出电流相位值与输出电压相位值(步骤100)，通过输出电流相位值与输出电压相位值所形成的相位差角度，取得一功率因素角(步骤105)，判断取样功率因素角时间(例，每3秒取样1次)是否截止(步骤110)，于取样功率因素角时间截止后，根据取样功率因素角值与次数，计算平均功率因素角变化量(步骤115)，其中取样功率因素角时间未截止时，回到步骤100。

接下来计算完平均功率因素角变化量后，判断平均功率因素角变化量是否小于或等于设定平衡角(步骤120)，于确认平均功率因素角变化量小于或等于设定平衡角后，将马达运转速度提高至设定的第一转速(步骤125)，其中当平均功率因素角变化量大于设定的平衡角时，将马达转速限制于设定的第二转速(步骤130)，并回到步骤100，其中将马达转速限制于设定的第二转速，用以避免马达在失衡运转状态时，还持续输出高转速，达到节约能源及提高效率的目的。

请参照图2，为本发明所揭示的实施例系统框图，本实施例利用洗衣机马达运转系统来作说明，首先当三相输入电源开启(Power On)时，可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller；PLC)20通过交流马达驱动器(Variable Frequency Driver；VFD)10本身的多功能输入端子(Multi FunctionInput；MFI)15启动失衡(Out of balance；OOB)控制，也就是将交流马达驱动器10的输出限制在第二转速频率，用以维持在设定的转速，避免马达30在运转失衡状态下高速运转。

等待取样的功率因素角变化量小于或等于设定的平衡角时，代表目前马达30处于平衡运转状态，接下来交流马达驱动器10通过多功能输端子(MultiFunction Output；MFO)16通知可编程逻辑控制20，此时系统已达平衡运转状态，可编程逻辑控制器20将失衡(OOB)控制关闭，交流马达驱动器10随即输出第一转速频率，马达30依据输入的驱动频率将转速提升至第一转速，而马达30的运转依据交流马达驱动器10输入的转速频率，输出对应的转速与扭力，达到控制马达运转的目的。

请参照图3，为本发明实施例的特性曲线图，横轴代表负载(Load)，单位为公斤(kgs)，纵轴代表功率因素角(Angle)，单位为度(degree)，其中功率因素角采用时间取样(例，每3秒取样一次等等)方式，在此时间内分别记录最大及最小的功率因素角，在取样时间结束后计算该次最大功率因素角与最小功率因素角的差值，作为该次功率因素角度变化量；如此重复循环并将各取样时间所得到的功率因素角变化量作一平均值计算，可得到一平均功率因素角变化量，以减少误差。

由图3可以发现负载的重量与功率因素角的角度理论上成一线性关系，其意义为不同的负载虽有不同的功率因素角(负载越重其功率因素角度越大)，但其功率因素角的变化量却是固定的。利用此特点即可验证不同的负载均可利用检测功率因素角变化量的方式来判断马达运转是否达到平衡。意思也就是说当检测到的功率因素角度改变时，代表目前马达所带动的负载为变动状态，于是通过马达转速与负载关系先得到一平衡角的值，并将平衡角设定为马达运转平衡的依据条件，且利用判断功率因素角与设定平衡角的条件，来调整马达的转速，接下来可依据检测到的功率因素角度，通过特性曲线得到相对应的负载值，并让马达输出相对应负载所需的扭力，来平衡负载变化所造成的马达失衡运转状态，以逐渐使马达恢复平衡运转。

举例说明，请参照图3，当洗衣机马达在进行脱水步骤时，假设衣物吸满水的状态对应负载为6kgs，而设定平衡角为10度，马达开始运转后，检测到功率因素角为17度，功率因素角大于设定平衡角，代表马达为失衡运转状态，因此将马达转速限制于设定的第二转速慢速运转，且输出扭力为6kgs，当衣物的水分减少时，检测到功率因素角为15度，对应负载为5kgs，功率因素角仍大于设定的平衡角，代表马达为失衡运转状态，因此将马达转速限制于设定的第二转速，且输出扭力为5kgs，当衣物呈现半干状态时，检测到功率因素角为10度，对应负载为3.8kgs，功率因素角等于设定的平衡角，代表马达为平衡运转状态，因此将马达转速提高至于设定的第一转速，进行高速脱水动作。且输出扭力为3.8kgs，其中马达依据检测功率因素角所对应的负载，输出相对应的扭力，以平衡负载变化所造成的马达失衡运转状态，而转速与扭力呈一反比关系，所以当转速较低时，马达可输出较高的扭力，当转速较高时，则马达输出较低的扭力，且检测功率因素角可利用取样平均值方式来减少其误差。

利用这种检测功率因素角变动情形可得知马达运转状态，再配合外部控制装置(例如，可编程逻辑控制器PLC、微处理控制单元MCU、数字输入器Digit input等等)，可于马达失衡运转时，将转速限制于一设定的转速，避免马达失衡运转状态下高速运转，并于检测到马达运转平衡时，在最短时间内将其转速调整至设定的高转速，这样不但达到节约能源的目的且提高运转效率。

以上所述，仅为本发明其中的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明的构思所作的均等变化与修饰，皆为本发明保护范围所涵盖。

Claims (11)

1.一种马达平衡运转的方法，其特征在于包含下列步骤：

根据马达的转速与负载重量的关系提供平衡角；

检测该马达的输出电流相位值与输出电压相位值；

依据该输出电流相位值与该输出电压相位值所形成的相位差，取得功率因素角；及

判断该功率因素角的变化量与该平衡角的差异，以调整该马达的转速，以使该马达根据相应于该负载重量的该平衡角而平衡运转。

2.如权利要求1所述的马达平衡运转的方法，其特征在于该马达为交流感应马达。

3.如权利要求2所述的马达平衡运转的方法，其特征在于该马达为三相感应马达。

4.如权利要求2所述的马达平衡运转的方法，其特征在于该马达为单相感应马达。

5.如权利要求1所述的马达平衡运转的方法，其特征在于该功率因素角的变化量为取样时间内最大功率因素角与最小功率因素角的差值决定。

6.如权利要求1所述的马达平衡运转的方法，其特征在于该功率因素角的变化量小于或等于该平衡角时，将该马达的转速限制于第一转速。

7.如权利要求6所述的马达平衡运转的方法，其特征在于该功率因素角的变化量大于该平衡角时，将该马达的转速限制于第二转速，该第一转速高于该第二转速。

8.如权利要求1所述的马达平衡运转的方法，其特征在于该马达的转速是通过可编程逻辑控制器来调整。

9.如权利要求1所述的马达平衡运转的方法，其特征在于该马达的转速是通过微处理控制单元来调整。

10.如权利要求1所述的马达平衡运转的方法，其中该马达的转速是通过数字输入器来调整。

11.如权利要求1所述的马达平衡运转的方法，其特征在于该功率因素角是利用该功率因素角等于该输出电流与该输出电压的相位差的反余弦来取得。

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