CN100414832C - 用于单相感应电动机的起动装置和起动方法 - Google Patents

Abstract

用于单相感应电动机的起动装置和起动方法，包括：装有运行线圈(B1)和起动线圈(B2)的定子(B)；一完成电动机起动就进入到断开状态的运行开关(S1)和起动开关(S2)。起动装置包括：起动电路(10)，起动电路(10)包含从电流传感器(RS)接收代表输送到定子(B)电流电平的信号的控制单元(11)，为了指令它们的断开和闭合而使上述控制单元(11)与运行和起动开关(S1和S2)连接。当一闭合运行和起动开关(S1和S2)在输送到定子(B)的当前电流电平(Ia)和起动电流电平(Ip)之比(K)就达到预定值(Km)时限定起动开关(S2)的断开状态。

Description

用于单相感应电动机的起动装置和起动方法

技术领域

本发明涉及在电动机方面应用的电子起动类型装置，具体涉及在单相感应电动机方面应用的电子起动类型装置。

背景技术

单相感应电动机之所以被广泛应用在于其简单，有力量和高性能。一般在像制冷机、冷藏箱、空调器、密封型压缩机、洗衣机、泵、风扇诸如类家用电器中和在一些工业应用中找到它们。

一些熟知的感应电动机通常装有笼型转子和含二个绕组、一个绕组用作运行线圈而另一个绕组用作起动线圈的复绕定子。在压缩机正常运行期间，给运行线圈供以AC电压而在起动操作开始时给起动线圈临时供电，以致在定子的气隙中建立起转动磁场，加速转子和起动电动机的一个必要条件。

通过优选给起动线圈供以相对于在主线圈中环流电流成接近90度角度的时间位移的电流能够获得转动磁场。通过构造两个线圈的特性曲线或者通过安装一个与其中一个线圈串联，但是一般与起动线圈串联的外部阻抗来达到在两个线圈中的环流电流之间的时间位移。在电动机起动过程间期这种环行通过起动线圈的电流的量值一般是很高的，因此需要使用一些在经过提升电动机加速所需的时间以后能够切断这种电流类型的开关。对于要求效率非常高的一些电动机来说，在经过起动周期以后并不完全关断这种起动线圈而是使电容器，即运行电容，保持与上述起动线圈串联连接，以便为增加电动机最大转距及其效率而提供足够的电流。

对于在电动机正常运行期间使用这种固定不变阻抗与起动线圈串联结构的电动机来说，有一些已知的起动装置，例如，如在美国专利5,053,908和5,051,681以及在同一申请人的国际共同未决的专利申请WO 02/09624A中所述的PTC装置，电动机械继电器，定时器，或者PTC装置与在一定的时间后切断电流通路的装置串联连接的组合装置。

广泛用于起动不使用运行电容器的分相型电动机的其中一种部件是电动机械继电器。电动机械继电器的广泛应用与其低的制造成本和简单的技术有关。另一方面，电动机械继电器有几个弱点，尤其是对每种规格的电动机需要使具体部件制成所需要的尺寸，在使用运行电容器的高效率电动机中不可能使用电动机械继电器，电弧和机械摩擦引起在电动机运行期间所产生的电磁噪声和其他一些噪声并且造成其部件的毁损。

电动机械继电器的替换部件是PCT(正温度系数)装置。这种部件与运行电容器的协同使用在高效率电动机方面得到广泛应用。由于这样的部件是没有活动部分的陶瓷片，因此其组成结构克服了电动机械继电器的大部分弱点。由于这种部件的运作是基于加热陶瓷片，增大电阻从而限制环流电流，因此在其整个操作时间持续的过程中存在着剩余功率分散。这种部件另一个弱点是与使连续不断的起动能够发生所需要的时间间隔有关。

其中一大优点是在用确定的电压(115V或220V)起动家用电动机中可以使用单个部件来操作，但是当所分析的特性曲线是辅助线圈通电时间最佳化时却成为一个弱点。其导电时间与陶瓷的容积成正比而与环流电流成反比，结果在应用于高功率电动机时缩短了起动时间而在应用于较小的电动机时造成过长的起动时间。这二种实际情况导致在起动较大电动机中的障碍和在较小电动机起动周期期间的高能耗。

另一方面，定时起动部件排除了严重的PTC剩余能耗损失，但是没有克服对不同电动机规格所要求的起动时间方面的障碍。它的设计原理容许计算为不同的电动机规格提供最佳起动时间的电路所需要尺寸。因而，现有的一些部件按照家用电动机来制作是必须遵循的，结果是在生产线上用高级设备按不同式样调整产品。上述的一些装置忽略了在起动瞬间的运行状况，因而相对于最不适合状况选定上述一些装置，以增加起动时间。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有简单，强有力和低成本的结构的起动装置，这种起动装置容许：在低成本系统中大规模应用；有定时装置中的消除剩余功耗的优点；为了履行确定了的又有同一电源电压的家用电动机而减少元件的数量；在装有运行电容器的高效率电动机中使用；和提供电动机械继电器的优化各种规格电动机起动时间特性。

本发明的进一步目的是提供用于单相感应电动机的起动方法，这种起动方法使随电动机规格和电动机所连接到的负载而变化的起动时间最佳化。

本发明的进一步目的是提供用于单相感应电动机的起动方法，这种起动方法自动地使随电力系统电压而变化的起动时间最佳化。

本发明的进一步目的是提供用于单相感应电动机的起动电子装置，这种起动电子装置能够和与电动机起动线圈串联安装的起动电容或其他阻抗一起运作。

本发明的更进一步的目的是提供用于单相感应电动机的起动电子装置，这种起动电子装置对来自电力系统的瞬变状态或者扰动是不敏感的。

通过用于单相感应电动的起动装置来达到这些目的和其他一些目的，起动装置包括装有运行线圈和起动线圈的起动器；给上述运行线圈和上述起动线圈供以电流的电源；在闭合状态分别把运行线圈和起动线圈连接到电源的运行开关和起动开关，电动机起动刚一完成，上述起动开关就进入到断开状态，上述起动装置包括起动电路，起动电路除了运行开关和起动开关外包含：串联连接在电源和起动器之间以便检测供给后者的电流强度的电流传感器；和由电源供电并且从电流传感器接收代表输送到起动器的电流强度的信号的控制单元，上述控制单元转动地连接到运行开关和起动开关，以便指挥开关的断开状态和闭合状态，在起动开关和运行开关闭合的时候当输送到定子并且由电流传感器向控制单元传达的电流强度和以前由电流传感器向上述控制单元传达的起动电流强度之比达到等于或低于预定值的数值时规定为起动开关的断开状态。

通过以上所确定的用于单相感应类型电动机的起动方法同样达到本发明的目的，这种类型的起动方法包括步骤为：

a-在闭合起动和运行开关以后的第一时间间隔期间由串联连接在电源和定子之间的电流传感器检测起动电流强度，并且向由电源供电和与电流传感器连接的控制单位传达上述起动电流强度，以便控制单元从电流传感器接收有关向定子输送电流的信息；

b-在闭合起动和运行开关以后在第一时间间隔之后的第二时间间隔期间检测定子所得到的当前电流强度，并且向控制单元传达上述当前电流强度；

c-把定子所得到的当前电流强度与以前检测值，即起动电流强度作比较；以及

d-在定子所得到的当前电流强度和起动电流强度之间的比率达到等于或小于预定值的数值时断开起动开关。

本发明的起动电子线路是包括使用一种机械装置类型的起动电子线路，这种机械装置用于在运行周期期间控制电动机线圈中至少一个电动机线圈的电流消耗而在起动周期间期存储读出的数值。

例如通过读出在受到电动机所消耗的电流影响的低阻抗电阻器上所引起的电压降能够获得上述功能。电子线路进一步包括一种机械装置，这种机械装置用于监控电力系统的电压，存储在起动周期期间读出的数值，以便在电力系统中发生电压变化的时候能够修正预定值。例如通过读出在电阻分压器中的电压降能够获得上述功能。

就感应电动机中的特性曲线实际情况而论，在连接到电源的瞬间，电流开始环行流过主线圈和流过辅助线圈。在这瞬间，电动机消耗的电流显著增大，使机械装置非常灵敏地检测电动机消耗的电流。在电流流过运行线圈和起动线圈两者所形成的磁场互相作用引起电动机开始转动的情况下，所消耗的电流逐渐减少到成比例地降低机械装置检测消耗电流灵敏度的强度。这个过程将连续不断地进行，直到电动机达到接近于同步的转速，其中机械装置检测电流的灵敏度非常低以致电路能够关断起动线圈。这个瞬间以后，如果安装运行电容器的话，则在起动线圈中只有运行电容提供的电流。

由于在每个起动周期记录电流，起动装置对在起动过程期间所要求的不同转矩大小是敏感的，因此在电动机传动轴中能够延长起动周期的负载变化将在长到足以克服强加于电动机的阻力的一个周期期间使起动线圈内保持通电。另一方面，在上述周期内强加于电动机的负载减小的状况下，在一个较短周期内电动机会加速，而引起在电动机使用的电流强度上更明显的降低，因此这种装置能够更迅速地关闭起动线圈。

除了机械装置对在起动期间负载变化的灵敏度外，本发明的解决方法进一步提供使用于不同电源电压(欠电压、标准电压或过电压)和用于不同电动机绕组温度环境的起动线圈通电时间最佳化。

附图说明

参阅附图，描述本发明，其中：

图1示意地举例说明根据本发明构成的起动装置的实施方式；

图2示意地举例说明用于根据本发明构成在图1中所示的起动装置的另一种实施方式；

图3示意地举例说明在用于电动机的现有技术起动电路中获得的一些电流强度，这些电流强度是按照时间，在起动期间(t1、t2)并且在电动机运行时、在主线圈通电时(t3)和在只有主线圈通电时电动机运行的时间(t3)以后所观察到，由电动机定子得到的电流强度；

图4示意举例说明在用于电动机的本发明起动装置的情况下获得的一些电流强度，这些电流强度是按照时间，在起动时间(t1、t2)并且在电动机运行时，在辅助线圈通电时(t3)和在只有辅助线圈通电时电动机运行的时间(t3)以后所观察到，由电动机定子得到的电流强度(levels)；

图5举例说明起动电路逻辑性的流程。

具体实施方式

将在电动机方面描述用于本发明单相感应电动机的起动装置，起动装置包括：含有运行线圈B1和起动线圈B2的定子B；给运行线圈B1和起动线圈B2两者供电的电源；当处闭合状态时分别使运行线圈B1和起动线圈B2与电源F连接的运行开关S1和起动开关S2，上述起动开关刚一完成电动机起动就进到断开状态，上述起动开关包括起动电路10，起动电路10除运行开关S1和起动开关S2以外包含：串联连接在电源F和定子B之间以便检测输送到后者的电流强度的电流传感器RS；以及由电源F供电并且从电流传感器RS接收代表输送到定子B电流强度的信号和从连接在电源F和控制单元11之间的电压传感器SV接收代表电源F电压数值的信号的上述控制单元11，上述控制单元11操动地与运行开关S1和起动开关S2两者连接。根据图1，AC电源F通过连接到定子B中的运行线圈B1和起动线圈B2，电压传感器SV以及给控制单元11供电压的起动电路10电源12的电源F第一供电端1把电能供给电动机定子B中的运行线圈B1和起动线圈B2。电源F的第二供电端2与在图1中配置成串联在电源F与运行和起动开关S1和S2之间的电流传感器RS连接。在图2所举例说明的本发明另一种实施方式中，为了只考虑起动器B运行线圈B1的电流，把电流传感器RS配置成串联在电源F和运行开关S1之间。这种解决方案具有减少环行流过电流传感器RS的电流的优点。

在本发明的实施例中，起动装置允许使用运行电容CR，运行电容配置成并联在分别与上述定子B的运行线圈B1和起动线圈B2联结的接线端T1和接线端T2之间，为的是提供在电动机正常运行期间通过上述运行线圈B1和起动线圈B2的电流之间必要的时间位移，而电容CS配置成与起动线圈串联，为的是在电动机起动期间提供上述的时间位移。

在通过与控制单元11连接的电压传感器SV所检测的读出电力系统电压为零时电路从例如电动机械恒温器或电子恒温器32之类外部装置或者通过读相当于安装在系统内的温度传感器31一接收到接通命令，本发明起动电路10中的控制单元11就以同步方式指令闭合运行和起动开关S1和S2。

在电力系统电压为零的瞬间运行和起动开关S1和S2是闭合的，以便在上述开关中和在电力系统中减小电流峰值，避免产生上述一些开关中的电磁噪声和应力。运行和起动开关S1和S2可以有电动机械触点或者固定的AC半导电电键，例如TRIACS。

环行通过电动机的电流流过电流传感器RS，例如低阻抗电阻器，在低阻抗电阻器中产生与电动机电流成比例的电压信号或电流信号，然后例如以微控制器中的AD转换器输入的方式，未表示出，把电压信号或电流信号施加到起动电路10。在为电动机供电而闭合运行和起动开关S1和S2以后的第一循环期间，测量电流并且获得电动机电源的初始信息。在上述周期期间，电动机没有达到有效的旋转并且对于这种类型的电动机来说，在这些第一循环期间电流传感器RS检测的电流强度非常接近电动机阻塞状态的特征强度，然后由起动电路10中的控制单元11把上述电流强度作为起动电流强度来存储。在以上所述的同一个时间间隔中，通过电压传感器SV同样获得在电力系统中电压的信息并且把这个数值作为Vp存储。参阅图3和4，在第一起动时间间隔t1期间电动机电流保持大致恒定，此后，在第二时间间隔t2期间，随着转子开始转动，所测量的电流强度开始逐渐降低。在达到接近电动机加载情况的运行状态以后，在起动线圈B2尚未断开时，如图3和4所示那样在第三时间隔t3期间电动机总电流稳定下来了。

在测定时间间隔t1期间的起动电流强度IP以后，继续不断地测量当前电流强度为Ia并且继续不断地计算这些数值之间的比率为K；

$K=\frac{\mathrm{Ia}}{\mathrm{Ip}}$

在每次重新检测当前电流强度Ia时，计算用作K的新数值。由于这种当前电流强度将紧接确定起动电流强度的采样之后立即出现，因此第一次计算的用作K的数值将非常接近1。在转子保持阻塞或者远远没有达到运行转动的时候当前电流强度Ia将具有接近起动电流强度Ip数值的数值，而所以K将具有等于或稍小于1的数值。随着电动机加速，所计算的一些K值以与定子B中的电流下降相同的速度减小，这是因为在定子B的一些线圈中产生的CEMF(逆电动势)随在转子转动期间转子中一些电流的相互作用而变的缘故。

在接收每个有关定子B所得到的当前电流强度的信息时，控制单元11计算输送到定子B并且通过电流传感器RS向控制单元11传达的每个上述当前电流强度Ia和起动电流强度Ip之间的比率K，以致在上述比率K到达等于或者小于预定值Km的数值时，控制单元11指令断开起动开关S2，也就是说，比率K继续不断地与预定值Km比较，而当K等于或者小于预定值Km时，起动电路10完成电动机起动并且控制单元11指令断开起动开关S2。

由控制单元11使预定值Km继续不断地调整到等于基准值Kr与起动瞬间读出的电压和当前电压Va之比的乘积，用数字公式表示为：

$\mathrm{Km}=\mathrm{Kr}\·\frac{\mathrm{Vstart}}{\mathrm{Vpresent}}$

其中一些电压是通过电压传感器SV由控制单元11检测的。如果在起动周期电压不容许有反复变换，也就是说，当前电压Va始终等于起动电压Vp，则预定值Km将固定在基准值Kr上。然而，如果在起动以后电压容许有反复变换，例如降低，则由于除CEMF以外，电力系统降低因数会明显地影响电动机电流因此在起动结束时电流将容许有不太明显的减小。在这个实施例中，根据电压变化增大预定值Km。如果起动以后电压增高，则由于电压增高引起电流减小因此电动机电流不会减小。在这样的情况中，为了补偿这种变化将减小预定值Km。就这样的推理来说，只有在起动所需要的时间间期电路使起动线圈保持通电，因此即使在电力系统内发生波动时同样使起动最佳化。

预先确定随其应用，家用电动机，和电力系统期望电压而变的基准值Kr，基准值Kr能够例如确定在0.2和0.8之间，取决于以上所指出的参数和关于布局的参数：如果所测量的电流是线路的总电流或者仅仅是运行线圈B2的总电流，则在完成电路期间确定基准值Kr为在电动机运行状态中定子B所得到的运行电流强度Im与用于期望负载状态，电动机类型和电力系统电压的上述起动电流Ip之间的比率。

图3举例说明在一次根据现有技术的起动中带有定时图案的电动机电流；图4举例说明在使用所推荐解决方案的起动期间的电流；和图5举例说明由线路执行的起动逻辑流程。

在每次重新开始电动机起动时，控制单元存储新的起动电流强度，以使线路能够自动适应新的负载情况，新的电力系统电压(过电压或欠电压)以及定子B中的运行线圈B1和起动线圈B2两者的温度环境。由于按每个新的起动循环进行存储，因此对根据电流值减小率和电流本身没有减小来运行的某些电动机来说，电流不需要校准，以致同样的电路能够应用于各式各样的电动机。

在起动电动机的一次不成功尝试的情况中，其中转子保持阻塞并且在所测量的电流数值没有减小。在定子B所得到的当前电流强度Ia和起动电流强度Ip之比大于预定值Km时，在为终止电动机起动而预先确定了的最大时间间隔范围内控制单元指令起动和运行开关S1和S2断开。在这种的状况中，将过分地延长在图3和4中所表示的第一时间间隔t1，达到最大容许时间，并且运行开关S1和起动开关S2两者的断开将会保护电动机和开关。在这样的情况下，在使新的循环能够开始以前，电路将等候充分冷却电动机的时间和/或使负载状况适应电动机通知的转距所需要的时间。

在电动机正常运行期间，继续不断地测量电流并且与一个极限值比较，如果超过这个极限值，则控制单元11将保证断开运行开关S1和起动开关S2两者，以便保护电动机。

Claims (11)

1. 一种用于单相感应电动机的起动装置，包括：装有运行线圈(B1)和起动线圈(B2)的定子(B)；向上述运行线圈(B1)和上述起动线圈(B2)提供电流的电源(F)；当处于闭合状态时分别使运行线圈(B1)和起动线圈(B2)连接到电源(F)的运行开关(S1)和起动开关(S2)，上述起动开关(S2)在电动机一完成起动时，就进入到断开状态；串联连接在电源(F)和定子(B)之间的电流传感器(RS)，以便检测输到定子(B)的电流电平；以及由电源(F)供电和从电流传感器(RS)接收代表输送到定子(B)电流电平的信号的控制单元(11)，

其特征在于上述控制单元(11)操作地与运行开关(S1)和起动开关(S2)连接，以便指令它们的断开状态和闭合状态，当输送给定子(B)并且由电流传感器(RS)向控制单元(11)传达的当前电流电平(Ia)、与起动和运行开关(S1和S2)闭合时由电流传感器(RS)先前向上述控制单元(11)传达的起动电流电平(Ip)之比达到等于或小于预定值(Km)时，限定起动开关(S2)为断开状态。

2. 根据权利要求1所述的起动装置，包括与电力系统连接的电压传感器(SV)，以便检测电力系统中的电压电平，由控制单元(11)从电压传感器(SV)接收代表电力系统中的电压电平的信号，其特征在于所述预定值(Km)等于基准值(Kr)乘以、在起动瞬间读出的电压(Vp)和由控制单元(11)所检测的当前电压(Va)之比的乘积。

3. 根据权利要求2所述的起动装置，其特征在于，至少在电动机的和电力系统电压的期望负载状况特性之一中，基准值(Kr)对应于在电动机运行状态中定子(B)所得到的运行电流电平(Im)和起动电流电平(Ip)之比。

4. 根据权利要求3所述的起动装置，其特征在于在经过用于终止电动机起动而先前限定的最大时间间隔以后，在定子(B)所得到的运行电流电平(Im)和起动电流电平(Ip)之比高于预定值(Km)时，控制单元(11)指令断开运行开关(S1)和起动开关(S2)。

5. 根据权利要求1所述的起动装置，其特征在于所述电流传感器(RS)配置成串联在所述电源(F)和运行开关(S1)之间。

6. 根据权利要求1所述的起动装置，其特征在于所述电流传感器(RS)配置成串联在所述电源(F)与所述运行和所述起动开关(S1和S2)之间。

7. 根据权利要求1所述的起动装置，其特征在于它包括配置成与运行和起动开关(S1和S2)并联的运行电容器(CR)以及配置成与起动线圈(B2)串联的起动电容(CS)。

8. 一种用于单相感应类型电动机的起动方法，该单相感应类型电动机包括装有用于和AC电源(F)在一起运作的运行线圈(B1)和起动线圈(B2)的定子(B)，AC电源(F)向上述运行线圈(B1)和上述起动线圈(B2)输送电流；在处于闭合状态时分别使运行线圈(B1)和起动线圈(B2)与电源(F)连接的运行开关(S1)和起动开关(S2)，上述起动开关(S2)在电动机起动一完成时，就进入到断开状态，

其特征在于包括步骤：

a-在闭合起动和运行开关(S1和S2)以后的第一时间间隔期间，由串联连接在电源(F)和定子(B)之间的电流传感器(RS)检测输送到定子(B)的起动电流电平(Ip)，并且向由电源(F)供电和与电流传感器(RS)连接的控制单元(11)通知上述起动电流电平(Ip)，以便控制单元(11)从电流传感器(RS)接收有关向定子(B)输送电流的信息；

b-在第一时间间隔(t1)之后的第二时间间隔(t2)期间在起动和运行开关(S1和S2)闭合以后，检测定子(B)所得到的当前电流电平(Ia)，并且向控制单元(11)通知上述当前电流电平(Ia)；

c-把定子(B)所得到当前电流电平(Ia)与起动电流电平(Ip)比较；以及

d-在定子(B)所得到的当前电流电平(Ia)和起动电流电平(Ip)之比达到等于或小于预定值(Km)的数值时，断开起动开关(S2)。

9. 根据权利要求8所述的起动方法，其特征在于包括附加的步骤：

-在闭合所述起动和运行开关(S1和S2)以后的第一时间间隔(t1)，由与电力系统连接的电压传感器(SV)检测电力系统中的电压电平，而且向由电源(F)供电并且与电压传感器(SV)连接的控制单元(11)传达起动电压(Vp)以便控制单元(11)从电压传感器(SV)接收有关电力系统电压的信息；

-在闭合所述起动和运行开关(S1和S2)以后在第一时间间隔(t1)之后的第二时间间隔(t2)期间，检测电力系统的当前电压电平(Va)，并且向控制单元(11)通知上述当前电压电平(Va)；

-将当前电压电平(Va)与起动电压(Vp)作比较；

-计算预定值(Km)，它等于预定基准值(Kr)乘以在起动瞬间读出的起动电压(Vp)和控制单元检测的当前电压电平(Va)之比的乘积；以及

-在经过为完成电动机起动而预定的最大时间间隔以后在定子(B)所得到的当前电流电平(Ia)和起动电流电平(Ip)之比大于所述预定值(Km)时断开起动开关(S2)。

10. 根据权利要求8所述的起动方法，其特征在于在步骤“b”中，定子(B)所得到的当前电流电平(Ia)是供给定子(B)中的运行线圈(B1)的当前电流电平(Ia)。

11. 根据权利要求8所述的起动方法，其特征在于在步骤“b”中，定子(B)所得到的当前电流电平(Ia)是供给定子(B)中的运行线圈(B1)和起动线圈(B2)的当前电流电平(Ia)。

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