CN100459405C - 功耗降低的电动机起动器设备 - Google Patents

Abstract

用于具有一个主绕组(M)和一个启动绕组(S)的电动机(20)的一个电动机启动器设备。启动器具有一个与启动绕组(S)串联的PTC热敏电阻器(30)。一个三端双向可控硅开关元件(40)连接在PTC热敏电阻器(30)和一条电源线之间。一个控制电路(50)连接到电源线，用于为三端双向可控硅开关元件(40)的一个门接线端(G)提供一个电压，并且一个过载继电器(60)连接在电源(10)和电动机(20)之间。控制电路(50)最好包括一个用于检测输入电流的电流检测电路(52)以及一个用于响应检测到的输入电流生成电压的电压生成电路(54)。在电动机(2)启动时，控制电路(50)通过根据输入电流向门接线端(G)提供电压来允许三端双向可控硅开关元件(4)打开。根据本发明，电动机(20)启动后启动绕组S的功耗可以几乎为零，从而提供了低功耗。在另一个不采用PTC热敏电阻器的实施例中，一个电流检测电路和一个电压生成电路被用于控制一个第一三端双向可控硅开关元件(90)的开关状态，而第一三端双向可控硅开关元件(90)又控制与启动绕组串联的一个第二三端双向可控硅开关元件(92)的开关状态。

Description

功耗降低的电动机起动器设备

技术领域

本发明大体上涉及用于启动电动机(例如单相感应电动机)的电动机启动器，尤其涉及将三端双向可控硅开关元件(triac)用于启动控制的功耗降低的电动机启动器设备。

相关应用

在35U.S.C第119节下要求2004年2月24日提出申请的日本专利申请号2004-048420的优先权。

背景技术

一个用于冰箱或空调压缩机的常规电动机启动器设备如图8所示，一同显示的还有具有一个启动绕组S、一个主绕组M和一个公共终端C的电动机100。一个正电阻率温度系数热敏电阻器(PTC)110与启动绕组S串连，而一个过载保护设备120连接到终端C。一个运算电容CR连接在启动绕组S和主绕组M之间，用于增加电动机的效率。

在电动机启动过程中，由于PTC热敏电阻器的电阻在常温下较小，因此足够的电流流过启动绕组S。启动后，PTC热敏电阻器110因为流过它的电流而独立生成热量，这导致热敏电阻器电阻突然上升，从而呈现出电流为几十毫安的高电阻的状态。在电动机100过载或抑制操作时，由于过量电流和/或绕组温度，过载保护设备120断开电路。

在这种电动机启动器设备中，即使在电动机正常操作过程中，PTC热敏电阻器110也保持在高温和高电阻状态，从而限制了到启动绕组S的电流。因此，由于这个通过PTC热敏电阻器110的保持电流，浪费了几瓦的功率。已经做出了多种尝试来解决此问题。如图9所示，美国专利号5,898,289显示了一个启动PTC热敏电阻器230和一个三端双向可控硅开关元件240与电动机200的启动绕组220串联，其中电动机200具有一个主绕组210和一个启动绕组220。与启动PTC热敏电阻器230并联的PTC热敏电阻器250连接到三端双向可控硅开关元件240的门接线端G，用于控制三端双向可控硅开关元件。PTC热敏电阻器250在电动机为电动机的正常操作启动后关闭三端双向可控硅开关元件230，从而降低了启动PTC热敏电阻器230的功耗。

美国专利号5,451,853揭示了一种通过在三端双向可控硅开关元件的门连接一个RC时间常数电路来降低功耗的启动器设备，其中三端双向可控硅开关元件已经串联到启动PTC热敏电阻器，使得三端双向可控硅开关元件能够导通直到电容已完全充电。

日本Toku Kai Hei 5-328767进一步描述了连接到一个三端双向可控硅开关元件的门的一个触发器电路，其中三端双向可控硅开关元件已经直接连接到启动PTC热敏电阻器，在电动机启动后经过一段指定的时间后，门电压被触发器电路降低，三端双向可控硅开关元件被关闭。触发器电路使得能够，例如，通过RC时间常数电路设置所述时间，或用电动机启动的时间设置流逝的时间。

但是，上述常规电动机启动器设备具有以下局限。对于’289专利中所示的启动器设备，当电动机启动时通过PTC热敏电阻器250将一个触发信号加到三端双向可控硅开关元件240上，用于所述三端双向可控硅开关元件的控制，三端双向可控硅开关元件240被打开，导致电流流动，以启动PTC热敏电阻器230。在启动后一个预定时间后，由于其生成的热量，PTC热敏电阻器230的电阻上升，并且在控制三端双向可控硅开关元件的PTC热敏电阻器250的情况下，它的电阻值升高，并且它加在三端双向可控硅开关元件240的门接线端上的电流降低，其结果是三端双向可控硅开关元件240关闭。

但是，由于三端双向可控硅开关元件控制PTC热敏电阻器250是与启动PTC热敏电阻器230并联的，因此即使三端双向可控硅开关元件240已经关闭后电流也会流过三端双向可控硅开关元件控制PTC热敏电阻器250，从而无法控制此部分电路的功耗。

此外，会出现以下一些情况：三端双向可控硅开关元件控制PTC热敏电阻器250可能被外界温度所影响，从而无法进行稳定操作。如果环境温度较高，则三端双向可控硅开关元件控制PTC热敏电阻器的温度也升高，其结果是三端双向可控硅开关元件240比预期的早关闭。例如，当过载操作或抑制操作后进行重启时，电动机周围可能没有足够冷却，在夏天尤其如此。因此，无法令人满意地启动电动机，从而必须重复几次启动过程。

如’853专利或’767专利所示，用于控制三端双向可控硅开关元件的导通状态的时间常数电路或触发器电路不直接响应电动机的操作和控制三端双向可控硅开关元件，其结果是三端双向可控硅开关元件的操作变得不稳定。为了避免这一点，必须将三端双向可控硅开关元件关闭的时间设置得较长，这导致了在重启电动机时不能迅速启动电动机的问题。

发明内容

本发明的一个目标是克服以上所述的现有技术局限，并提供一个改进的节能的电动机启动器设备。

本发明的另一个目标是提供一种节能的电动机启动器设备，它能够控制启动绕组的能量供给与电动机启动完全同步。

根据本发明，具有一个主绕组和一个启动绕组的电动机的电动机启动器设备具有一个正电阻率系数(PTC)热敏电阻器，它与启动绕组串联。一个三端双向可控硅开关元件连接在PTC热敏电阻器和电力线之间，并且一个三端双向可控硅开关元件控制电路连接到三端双向可控硅开关元件的门接线端，三端双向可控硅开关元件控制电路根据电动机启动时输入至门接线端的电流而提供电压，引起三端双向可控硅开关元件在电动机启动时导通。

优选地，三端双向可控硅开关元件具有一个电流检测电路，它检测电动机启动时的输入电流，以及一个电压生成电路，它根据由电流检测电路检测到的电流产生一个门电压，并且将该电压提供给门接线端。

优选地，电流检测电路具有一个电流变压器，它包括一个初级绕组和一个次级绕组，并且通过选择初级绕组的匝数与次级绕组的匝数之比，产生选中的电流，而电压生成电路包括一个与次级绕组并联的电阻，将从电阻获得的电压提供给门接线端。

优选地，三端双向可控硅开关元件控制电路响应电动机启动时的输入电流向门接线端提供一个电压，其值大于三端双向可控硅开关元件的阈值，并且在电动机启动之后的正常操作期间响应电流提供一个电压，其值小于三端双向可控硅开关元件导通的阈值。所述输入电流包括从电动机启动到PTC热敏电阻器达到高电阻状态这段时间内的电流。

此外，电动机启动器设备具有一个控制电路，它响应电动机启动时的输入电流控制流向启动绕组的电流。在一个首选实施例中，控制电路具有一个电压生成电路，它生成与输入电流相符合的电压，包括第一和第二三端双向可控硅开关元件，各自分别具有第一和第二电极和一个门接线端。第一三端双向可控硅开关元件的第二电极连接到第二三端双向可控硅开关元件的第二电极，而第一三端双向可控硅开关元件的第一电极连接到第二三端双向可控硅开关元件的门接线端，来自电压生成电路的电压提供给第一三端双向可控硅开关元件的门接线端，第二三端双向可控硅开关元件的第二电极连接到启动绕组而第二三端双向可控硅开关元件的第一电极连接到电源线。

电压生成电路最好包括一个连接到电力线的电流变压器、一个连接到电流变压器的整流器以及一个连接到整流器的输出的电阻，从而从所述电阻产生门电压到第一三端双向可控硅开关元件。

优选地，电动机启动器设备包括一个与电动机串联的过载保护设备，其中所述过载保护设备包括一个双金属开关，它在出现一个过载电流流向电动机时切断电流。此外，过载保护设备可包括一个与双金属开关串联的加热器。

根据本发明的电动机启动器设备，提供了一个三端双向可控硅开关元件控制电路，它根据电动机启动时的输入电流控制三端双向可控硅开关元件的操作。因此可以直接监控电动机的电流，并且以与它同步的时序实现三端双向可控硅开关元件的开关控制。此外可以使得电动机启动后正常操作期间启动绕组的功耗几乎降为零。只需添加三端双向可控硅开关元件控制电路就能获得节能效果，其结果是可降低电动机启动器的成本。

本发明的其他目标和特征一部分将在以下说明中阐明，一部分可从以下说明中看出。本发明的目标和优点可由附录的权利要求书中特别指出的实施例、组合和方法实现和获得。

附图说明

被结合进来并构成说明书的一部分的附图描绘了本发明的首选实施例，并且与说明一起帮助解释本发明的目标、优点和原理。在附图中：

图1显示了根据本发明的第一首选实施例的一个电动机启动器设备的示意电路图；

图2是通过图1的设备引起流向电动机的电流的波形图；

图3与图1相同，但还伴有一个三端双向可控硅开关元件控制电路的进一步示意图；

图4与图1相同，但还伴有一个三端双向可控硅开关元件控制电路的构造的进一步示意图；

图5显示了表1所示的绕组比/电阻的次级电压对输出电压；

图6显示了根据第一首选实施例的电动机启动器设备的门电流波形；

图7是根据本发明的一个第二首选实施例的电动机启动器设备的电路示意图；

图8是一个常规电动机启动器设备的示意电路图；以及

图9是另一个常规电动机启动器设备的示意电路图。

具体实施方式

图1显示了一个电动机系统1，它包括根据第一实施例的一个电动机启动器设备的构造，该电动机启动器用于一个单相感应电动机20，该电动机由一个交流电源10供电。电动机启动器设备包括一个与电动机20的启动绕组S串联的正温度系数热敏电阻器(以下将称为一个PTC热敏电阻器)、一个与PTC热敏电阻器30串联的三端双向可控硅开关元件40，一个与交流电源10串联的三端双向可控硅开关元件控制电路50以及一个连接在交流电源10和电动机20之间的过载保护设备60。

电动机20包括一个主绕组M和一个启动绕组S，其公共接线端C连接到过载保护电路60。一个电阻CR连接在启动绕组S和主绕组M之间，用于提高电动机的效率。PTC热敏电阻器30用于在电动机启动时向启动绕组S发送电流，其性质是根据电动机规格选择的。例如一个Curie温度约为120度的PTC热敏电阻器30。当温度低于Curie温度时，电阻较低，为几欧姆。当它超过时，电阻值急剧升高，高达约五千欧姆。

三端双向可控硅开关元件40是一个双向控制整流元件(双向半导体闸流管)，并且具有电极T1和T2，以及门接线端G。电极T2连接到PTC热敏电阻器30，而电极T1连接到电源线。门接线端G连接到三端双向可控硅开关元件控制电路50。三端双向可控硅开关元件根据加到门接线端G上的门电流和门电压提供电极T1和T2之间的开关控制。

三端双向可控硅开关元件控制电路50在电动机启动时根据输入电流施加电压和电流在门接线端G上。换句话说，在电动机启动时出现一个较大的输入电流时，控制电路50把高于三端双向可控硅开关元件40导通的阈值(最小阈值电压约为0.7伏，而最小阈值电流约为20毫安)的电压和电流加到门接线端G上。当PTC热敏电阻器30的电阻变高，输入电流之后电流变小时，它在门接线端G上提供小于三端双向可控硅开关元件40的阈值的电压和电流。

过载保护设备60具有一个加热器62和一个双金属开关64，它们串联在公共接线端C和交流电源10之间。过载保护设备60在电动机过载操作或抑制操作时通过双金属开关64断开电路，其中过载操作或抑制操作导致比正常操作期间出现的电流更大的电流。结果，加热器62被加热，并且双金属开关64响应它快速切换到开路状态。同时，电动机的绕组温度和电动机的外壳温度在该操作期间升高，并且电动机的外壳温度也升高；导致双金属开关64也可响应电动机温度升高而快速切换到断开的情况。

最好可将耐热物质(例如镍铬铁合金线)用于加热器62。在电动机异常操作期间，由于加热器62的加热和电动机20温度的长高，过载保护设备60周围的环境温度可能位于130摄氏度附近。例如，双金属开关64在温度为120摄氏度时快速切换到断开。

以下将说明图1所示的电动机启动器设备的操作：

例如，当电动机启动时交流电源提供一个100伏的交流电压时，电流通过过载保护设备60和主绕组M加到三端双向可控硅开关元件控制电路50上。

图2显示了电动机启动时流动的电流波形，其中横轴表示时间，纵轴表示电流。在电动机启动时(T0)，电流A0开始流向三端双向可控硅开关元件控制电路50。响应此电流，三端双向可控硅开关元件控制电路50迅速将高于三端双向可控硅开关元件40的阈值的一个电压和电流提供给三端双向可控硅开关元件40的门接线端G。因此，三端双向可控硅开关元件40打开，并且启动电流流经启动绕组S和PTC热敏电阻器30。从而流向电动机20的电流值急剧升高，电动机20被启动。

流向电动机的电流值在时刻T1形成峰A1。在时刻T0之后约1秒的时刻T2，或者当PTC热敏电阻器30已经超过Curie点从而呈现高电阻状态时，电流值降低到A2。此时的电流值A2小于电流值A1。当电流值达到A2时，三端双向可控硅开关元件控制电路50将小于三端双向可控硅开关元件40的阈值的一个电压和电流提供给门接线端G，从而关闭三端双向可控硅开关元件40。在完成电动机启动后，或者换句话说，当电动机处于常规或正常操作时，电动机的电流显示为约为一个恒定值A2。

在电动机启动后，或者在此方式下的常规操作期间，可以通过关闭三端双向可控硅开关元件40将PTC 30的功耗设为几乎为零。实际上仅由于三端双向可控硅开关元件40本身而产生一个极小量的泄露电流。

由于只要通过向一个常规电动机启动器设备添加三端双向可控硅开关元件40和/或三端双向可控硅开关元件控制电路50则可获得根据本实施例的电动机启动器设备，因此可利用现有的设计规格，从而可提供较低成本的电动机启动器设备。

本发明中所使用的输入电流可定义为图2中所示的时刻T0与PTC热敏电阻器30呈现高电阻状态的时刻T2之间的电流。从电动机的启动到正常操作，此电流大于正常操作期间流动的电流值A2。

因此只要将三端双向可控硅开关元件控制电路50的阈值设为电流值A1和A2之间，从而当输入电流出现时三端双向可控硅开关元件40打开，而当输入电流之后的电流降低到正常水平时，三端双向可控硅开关元件关闭，与实际电动机的电流完全同步。

图3显示了三端双向可控硅开关元件控制电路50的一个首选实施例。三端双向可控硅开关元件控制电路50具有一个电流检测器52和一个电压生成电路54。电流检测电路52检测流向电动机20的输入电流，并且将此检测的结果提供给电压生成电路54。

当启动时的输入电流出现在电流检测电路52中时，电压生成电路54提供大于三端双向可控硅开关元件40的门接线端的阈值的电压和电流，并且在启动后当检测电路52中的电流小于输入电流时，向三端双向可控硅开关元件40提供小于阈值的电压和电流。

图4显示了三端双向可控硅开关元件控制电路50的特定电路构造的一个首选实施例。电流检测电路52包括，例如，一个电流变压器70。电流变压器70具有一个初级绕组和一个次级绕组，其中初级绕组与交流电源10串联。电流变压器输出一个与绕组的匝数比相符合的电流值。

电压生成电路54包括一个电阻72，它与第二绕组串联。当输入电流输入到电流变压器70时，电阻72将次级绕组输出的电流值转换成一个高于三端双向可控硅开关元件40的阈值的电压。

当在输入电流输入到电压变压器70之后电流减小时，则转换成一个小于三端双向可控硅开关元件40的阈值的电压。电阻72最好是由一个可变电阻制成的，其电阻值可调，以符合三端双向可控硅开关元件40的阈值。

例如，假设输入电流至少为6安培，三端双向可控硅开关元件的阈值为15毫安，最小工作电压为1.5伏，并且电流变压器70的初级绕组的匝数为2。电流变压器遵循以下规则：初级绕组的匝数比初级电流等于次级绕组的匝数比次级电流。因此，计算得次级绕组的匝数为800，而电阻72为100欧姆。

图5显示了所选择的电流变压器70和电阻器72的例子。纵轴输显示了来自电阻72的次级电压(毫伏：mV)，而横轴显示了电流变压器70的初级绕组的电流(安培：A)。

此外，以下的表1显示了所选择的曲线C1至C5的绕组比率和电阻值。当三端双向可控硅开关元件40的阈值电压被设置为1.5伏时，电动机启动时的输入电流(初级电流)的大小在4至12安培范围内，从而可能控制三端双向可控硅开关元件。换句话说，可从1500mV的次级电压(三端双向可控硅开关元件的阈值电压)和曲线C1到C5的交叉点获得一个有效的输入电流。

                表1

曲线	初级绕组匝数	次级绕组匝数	欧姆
C1	2	350	1000
				C2	2	350	220
C3	2	300	220
				C4	2	300	100
C5	2	300	47

12安培的输入电流的交叉点在曲线C5上，而3.8安培的输入电流的交叉点在曲线C1上。由于输入电流(图2中的A0至A2)与正常操作过程中的电流A2之间有较大的差别，因此相对容易在这些交叉点间设置三端双向可控硅开关元件控制电路50的阈值。

图6是显示图4所示的电动机启动器设备的操作的波形。纵轴的左侧表示门电流(mA)，而其右侧表示三端双向可控硅开关元件的电极之间的电压(V)，横轴显示以秒为单位的时间。在同一幅图中，只要时刻Ts电动机开始启动，则三端双向可控硅开关元件40的门电流L1迅速升高至约30mA。因此三端双向可控硅开关元件打开，并且如波形L2所示的交变电流流向电动机20的启动绕组S。

在电动机启动之后一秒后，PTC热敏电阻器30呈现高电阻状态，并且引起流经启动绕组S的电流(其波形为L2)收敛。同时，门电流下降到约10mA。此外，门电压也下降，三端双向可控硅开关元件也关闭，并且三端双向可控硅开关元件的电极之间的电压升高，如L3所示(三端双向可控硅开关元件的电极之间的电压为零表示三端双向可控硅开关元件导通)。

通过这种方式与电动机的输入电流同步地控制三端双向可控硅开关元件的开关状态，并且可以在理想的状态下关闭到PTC热敏电阻器30的电流。

接下来图7中显示了根据本发明的一个第二首选实施例的电动机启动器设备。在这里与图1所示的元件相同的元件带有相同的附图标记。与第一实施例不同的是，根据第二实施例的电动机启动器设备不使用PTC热敏电阻器来进行电动机启动，流向启动绕组的电流是通过三端双向可控硅开关元件打开或关闭的。

正如在同一幅图中所示，电流变压器70连接到交流电源10的电源线，并且包括一个桥电路的整流器80连接到其次级一侧。一个可变电阻82连接到整流器80的一个输出端，并且可变电阻82的输出连接到第一三端双向可控硅开关元件90的门接线端G1。三个由二级管连接的晶体管Tr1、Tr2和Tr3串联到整流器80的另一个输出端，并且一个电容C1连接在输出节点N1与可变电阻82的输出之间。

第一三端双向可控硅开关元件90的电极T2连接到第二三端双向可控硅开关元件92的电极T2，此外，它的电极T1连接到节点N1。第二三端双向可控硅开关元件92的电极T2串联到启动绕组S，此外，它的电极T1连接到电源线。此外，门接线端G2连接到第一三端双向可控硅开关元件的电极T1和节点N1。

当用于电动机启动的PTC热敏电阻器未被使用时，电动机的输入电流与正常操作期间的电流之间的差变得较小。因此更难以设置可变电阻82。因此，在第二实施例，一个尺寸较小并且高度敏感的三端双向可控硅开关元件被用作第一三端双向可控硅开关元件90，而一个尺寸较大的则用作第二三端双向可控硅开关元件92。

二极管连接的晶体管的阻抗约为0.5伏，并且通过三个晶体Tr1、Tr2和Tr3产生一个约为1.5伏的电压，并且设置一个非常接近第一三端双向可控硅开关元件90的最小阈值电压1.5V的值。因此，来自可变电阻器82的一个非常小的电压立即打开三端双向可控硅开关元件90。当三端双向可控硅开关元件90打开时，一个放大后的电压被提供给三端双向可控硅开关元件92的门接线端G2，打开三端双向可控硅开关元件92，电流流向启动绕组S。

当小于输入电流的电流流动时，小于阈值的电压被提供给第一三端双向可控硅开关元件90的门接线端G1，从而三端双向可控硅开关元件90关闭。当三端双向可控硅开关元件关闭时，三端双向可控硅开关元件92的门电压变得低于阈值，从而三端双向可控硅开关元件92关闭，到启动绕组S的电流被切断。

根据第二实施例，通过结合第一和第二三端双向可控硅开关元件对电动机进行启动控制的方式可以使启动绕组的功耗量非常接近零。此外，由于未使用用于启动的PTC，因此可以立即重启电动机。

根据上述例子的“电动机启动器设备”这个短语不是以限制的方式解释的。相反，应该以这样的方式来解释它：它包括电动机启动系统或者电动机启动电路等的电动机启动功能。

虽然已经参考其特定首选实施例说明了本发明，但是对于本领域技术熟练者变体和修改将变得很明显。因此意图是在考虑到现有技术的情况下尽可能广泛地解释附录的权利要求书以包括所有这些变体和修改。

Claims (5)

1.与具有一个主绕组和一个启动绕组的一台电动机一起使用的一个电动机启动器设备，包括一个与启动绕组串联的正温度系数热敏电阻器，一个连接在正温度系数热敏电阻器和一条电力线之间三端双向可控硅开关元件，以及一个与所述主绕组和启动绕组串联并且连接到三端双向可控硅开关元件的门接线端的三端双向可控硅开关元件控制电路，所述三端双向可控硅开关元件控制电路向门接线端提供和电动机启动时的输入电流一致的电压，引起三端双向可控硅开关元件在电动机启动时导通，所述三端双向可控硅开关元件控制电路进一步包括一个电流检测电路，它检测电动机启动时的输入电流，以及一个电压生成电路，它根据由电流检测电路检测到的电流产生电压，所述电流检测电路包括一个电流变压器，其包括一个与电力线串联的初级绕组以及一个次级绕组，电流变压器通过选择初级绕组与次级绕组的匝数之比产生由次级绕组一侧转换的电流，并且电压生成电路包括一个与所述次级绕组并联的电阻，并将从所述电阻获得的电压提供给所述门接线端。

2.根据权利要求1的电动机启动器设备，其中电阻是一个可变电阻。

3.根据权利要求1的电动机启动器设备，其中三端双向可控硅开关元件控制电路在电动机启动时响应输入到门接线端的输入电流而提供一个大于三端双向可控硅开关元件导通的阈值的电压，并且响应启动之后的常规操作期间的电流向门接线端提供一个小于所述阈值的电压。

4.根据权利要求1的电动机启动器设备，其中电动机启动器设备包括一个与电动机串联的过载保护设备，其中过载保护设备包括一个双金属开关，它在一个过量的电流流向电动机时切断电流。

5.根据权利要求4的电动机启动器设备，其中过载保护设备包括一个与双金属开关串联的加热器。

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