CN100539386C - 感应电动机控制系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种感应电动机(10)控制系统(1)/感应电动机(10)组件、一种感应电动机控制系统(1)、一种控制感应电动机(10)的方法以及一种根据本发明的教导利用感应电动机来控制的压缩机。本发明的目的是提供一种组件、一种系统和一种方法，利用它们将可以在宽的网络馈电电压(V_AC)的值范围中操作电动机(10)，以及提供一种调整受控电压(V_c)的形式，其能够将所施加的电压校正为网络频率(f_AC)的函数。

Description

感应电动机控制系统

本申请要求2003年11月28日提交的巴西专利案件No.PI0305338-5的优先权，其在此被引入作为参考。

技术领域

本发明涉及一种感应电动机控制系统/感应电动机组件、一种控制感应电动机的系统、一种控制感应电动机的方法，另外还涉及根据本发明的教导利用感应电动机控制的压缩机。

背景技术

由于单相感应电动机的简单性、稳健性和高性能，单相感应电动机被广泛地使用。它们通常被应用在家用电器、例如电冰箱、冷却器、空调、封闭式压缩机、洗衣机、电动泵、风扇以及一些工业应用中。

已知的感应电动机通常装备有由两个绕组构建的笼型转子和盘绕的定子，其中一个绕组是运行绕组，而另一绕组是启动绕组。在压缩机的正常操作期间，由交变电压给运行绕组馈电，在启动操作开始时暂时给启动绕组馈电，从而在定子间隙中产生旋转磁场，条件是必需使转子加速并且启动它。

通过向启动线圈馈电相对于在主绕组中循环的电流、优选地以接近于90度的角度时滞的电流，可以实现所述旋转磁场。在绕组中循环的电流之间的这个时滞通过绕组的结构特性或者通过安装与绕组之一串联、但是通常与启动绕组串联的外部阻抗来实现。在启动绕组中循环的电流的这个值在启动发动机的过程期间通常是高的，需要使用某种开关以便在经过促进电动机加速所必需的时间之后中断这个电流。一旦电动机已经开始工作，则由运行绕组所产生的磁场与在转子中所感应的磁场相互作用并且保持电动机运行所必需的旋转场。

另外，关于这种类型的电动机的启动，由于在将电压仅仅施加到定子上的情况下转子不旋转，所以应该设置用于引起电动机旋转的装置，以便机器能够工作。

在FITZGERALD，A.E.，KINGSLEY，C.&KUSKO，A.的书(ElectricMachines，Ed.McGraw-Hill do Brasil，1975年)的书中描述了启动感应电动机的通常方法的例子。

由于结造特性，感应电动机应该在有限的电压和频率范围中工作。比项目的电压高得多的馈电电压将激磁绕组增大太多，因此增大间隙中的磁场，并且因此使定子和转子的铁磁材料饱和。如果电压被升高到高于这个点，则由于磁场的低磁阻，电流非常快速地升高。另一方面，比该项目的电压低得多的馈电电压显著地减少电动机的激磁电流，因此减少轴上可用的转矩，所以在这种情况中电动机不能支持施加到其轴上的正常负载，该轴进入闭锁状态。频率的变化导致类似的情况。

现有技术的缺点

就单相感应电动机的启动形式而言，尽管现代技术使得电动机的启动切实可行，但是这样的解决方案由更加复杂的结构所产生，因为在使用与启动绕组串联的电容器的情况中在电动机的启动方面存在好的结果，但是这提高设备的最终解决方案的成本。

就在确定区域的网络中电压电平的可变性的问题而言，用于解决这个问题的方式之一是采用在宽电压范围内工作的超大尺寸的电动机。这些电动机在它们的最大负载之下工作，所以即使存在馈电减少，电动机仍具有牵引力来承受负载。同样，由于电动机的稳健性，与较小的电动机相比，超大尺寸的电动机可以承受更大的过电压，而不会有过电流和加热的问题。这解决了馈电电压变化的问题，但是不可避免地导致对构造大尺寸重型电动机的需求，并且因此具有高成本。

关于在电动机的不同应用区域中频率可变性的问题，解决方案是针对馈电电压的不同频率采用不同的电动机，从而在生产和库存的管理方面产生更大的复杂性并且使得难以或者甚至阻止将产品用于具有不同馈电频率的区域内。

目前所采用的另一解决方案是使用具有用于选择馈电网络的各种电压值的“抽头”的电动机。这个解决方案解决了电压变化的问题，但是需要采用各种电源开关以转换多电压电动机的抽头。

用于解决这个问题的另一选择是采用与电动机相关联的稳压器。这个解决方案还证明是不大实用并且另外具有高成本。

本发明的目的

本发明的目的是一种感应电动机控制/感应电动机组件、一种感应控制系统、一种控制感应电动机的方法，另外是根据本发明的教导利用感应电动机控制的压缩机，其中可以在馈电网络的宽的电压值范围中操作电动机。

并且本发明的目的是提供这样一种具有校正作为馈电网络的频率的函数所施加的电压的可能性的组件、系统、方法和压缩机。

另外，根据本发明的教导，预见一种启动以与压缩机隔离或结合的方式所装配的电动机的可能性，而省去启动电容器的使用。

另外，根据本发明的教导，另一目的是避免电动机的尺寸过大，以及因此避免材料成本、设备的尺寸和重量增加。

本发明的另一目的是防止电动机在网络电压高时过热，从而提高其性能以及预期寿命。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题以及为了实现本发明的目的，本发明的组件、系统、方法和压缩机被用于单相感应电动机，该单相感应电动机被设计用于在网络的常规值之下工作，所以网络将总是可以给电动机馈电，以及为此，如果受控电压的值低于最小网络值，则是足够的，也就是说，网络电压的值应该是一个减小的值。

以这样一种方式来实现电动机的尺寸确定，使得启动负载所需要的最小转矩利用比馈电网络中所预期的最小电压更低的电压来实现。因此，由电动机所供给的转矩将总是大于在网络所供给的任何电压条件下所需要的最小值。

为了遵守网络中频率波动的操作，或者甚至为了在电动机被安装在网络频率不同于电动机的额定频率的区域中时调整电动机，规定了电动机的更改后的额定电压的确定，以便使电动机以额定电流工作所需要的电压电平的调整被使用，因此防止低转矩或加热并烧毁电动机的问题。

本发明的目的通过感应电动机控制系统/单相感应电动机的组件来实现，该电动机和感应具有额定工作电压，该控制系统包括中央处理单元，所述中央处理单元对受控网络电压的电平进行调制，受控电压被施加到感应电动机上，所述网络电压从最小网络电压开始波动，所述网络电压具有网络频率，并且感应电动机具有额定工作电压和额定工作频率，感应电动机具有低于最小网络电压的值的额定工作电压，所述中央处理单元测量网络频率，并且当网络频率与额定工作频率之间存在差异时，所述中央处理单元确定更改后的额定电压的值，该更改后的额定电压被施加到感应电动机上，并且当网络频率等于额定工作频率时，所述中央处理单元将受控电压的值更改为额定电压的电平。

本发明的目的也通过包括与网络电压相关联的中央处理单元的单相感应电动机控制系统来实现，所述中央处理单元可与所述感应电动机相关联，感应电动机具有额定工作电压，网络电压从最小网络电压开始波动，通过从网络电压获得的受控电压给感应电动机馈电，通过中央处理单元来调整受控电压，感应电动机具有额定工作电压，最小网络电压的值是高于感应电动机的额定工作电压值的值，所述中央处理单元将受控电压调整为网络电压的变化的函数，并且在启动时将网络电压施加给感应电动机。

本发明的目的此外通过控制单相感应电动机的方法来实现，该感应电动机具有额定工作电压和额定工作频率，通过从网络电压的调制获得的受控电压来给该感应电动机馈电，网络电压具有网络频率，所述方法包括以下步骤：(a)测量网络电压、测量受控电压以及测量网络频率；b)将所测量的网络频率的值与额定工作频率相比较，并且当网络频率和额定工作频率之间存在差异时，确定更改后的额定电压的值，并且将处于更改后的额定电压的值的受控电压施加到感应电动机上，并且当网络频率等于额定工作频率时，将受控电压的值调整为额定电压的电平。

附图说明

现在将参考附图中所表示的实施例更加详细地描述本发明。

-图1表示本发明的系统的框图；以及

-图2表示网络电压的波动的时间图。

具体实施方式

如可以在图1看到，通过受控电压Vc给电感应电动机10或更准确地说是单相感应电动机10馈电，该受控电压Vc是通过对网络电压V_AC进行调制来获得的。

为了执行该调制，中央处理单元8控制一组开关6和7(它们被选择性地启动)，从而控制受控电压Vc的电平。

该组开关6，7基本上包括运行开关6，其与单相感应电动机10的运行绕组电互连；以及启动开关7，其与单相电动机10的启动绕组电互连，单相感应电动机10允许通过中央处理单元8来选择这些绕组。

为了监控网络电压V_AC的电平以及受控电压Vc的电平，相应地设置有第一和第二电压测量设备4、11，两者都与中央处理单元8相关联。例如，这个电压传感器可以是应用于中央处理单元8的模拟输入端的电阻分压器。

另外，设置有与中央处理单元8和网络电压V_AC相关联的频率传感器5。这个频率传感器9可以是每秒受网络电压影响的周期的数字计数器，可以是用于电压的模拟频率转换器或者确定在某一时间间隔内受网络电压影响的周期的任一电路。

根据本发明的教导，系统1除了测量网络频率fAC之外将测量施加到单相感应电动机10上的电压和电流并且通过中央处理单元8调整这些量，以及测量实际上施加到单相感应电动机10上的受控电压Vc的电平，所以除了根据本发明的教导启动单相感应电动机10的形式之外，当网络频率f_AC不同于单相感应电动机10的额定工作频率f_NM时，受控电压Vc的值可能是适当的。

受控电压Vc的电平的控制

如可在图2中看到，网络电压V_AC将在最大网络电压V_AC-MAX和最小网络电压V_AC-MIN的可预见范围内波动。

根据本发明的教导，应该使用额定工作电压V_NM低于最小网络电压V_AC-MIN的单相感应电动机10。

根据图2，单相感应电动机10应该被设计为以额定工作电压V_NM或低于网络馈电电压V_AC中预期的最小值、也就是说低于最小网络电压V_AC-MIN的有效电压值工作。

利用这个实施例，由于额定工作电压V_NM总是保持低于最小网络电压V_AC-MIN的值，所以总是可以给单相感应电动机10馈电，并且为此目的，使受控电压V_C的值低于最小网络电压V_AC-MIN的值就足够了，也就是说，应该通过运行开关6的调制来降低网络电压V_AC的值。利用这个控制系统1，可以在宽的网络馈电电压V_AC值范围内操作电动机。

启动单相感应电动机10

由结合本发明的控制系统1工作的或者甚至通过工作电压V_NM被设计为低于最小网络电压V_AC-MIN的控制系统1来控制的电动机的这种应用形式所产生的优点在于以下事实，即不必使用用于增加启动转矩的启动电容器，因为这种增加通过在启动周期期间施加高于额定电压的电压来实现。

这个优点的出现是因为在启动单相感应电动机10的瞬间运行开关6和启动开关7被命令将例如处于与网络电压V_AC相同的值的受控电压V_C施加给单相感应电动机10。在网络电压V_AC的值高于额定工作电压V_NM的值的情况下，即使不使用启动电容器，也保证在单相感应电动机10中循环的更大的电流i，以便提供使单相感应电动机10转子开始旋转所需的转矩。另外，本发明的组件另外防止单相感应电动机10的尺寸过大，从而导致减少这些设备的材料成本、尺寸和重量。

由于如上所述在确定状态中网络电压V_AC可以具有非常高的值以继续施加与网络电压V_AC的值相同的受控电压V_C，所以可能有必要的是，在启动期间应该仅仅将施加到单相感应电动机10上的受控电压V_C调整为高于单相感应电动机的额定工作电压V_NM的值。

无论如何，应该观察到，应该设计额定工作电压V_NM的值以便保证中央处理单元8总是可以强加高于获得单相感应电动机10的额定转矩所需的值的受控电压值V_C。

在操作上，单相感应电动机10的启动受同时激励启动绕组和运行绕组影响，直到电动机转子已经达到额定旋转或者至少具有基本上接近额定旋转的旋转为止，以便即使在断开启动开关7之后也可以保证其正常功能，其中断开启动开关发生在启动电动机的预定时间之后。

将受控电压V _C 调整为网络频率f _AC 的函数

为了使单相感应电动机10总是处于最佳状态，中央处理单元8应该调整作为网络电压V_AC。的变化的函数的受控电压V_C，以使受控电压V_C的值保持恒定。这通过借助频率传感器5测量网络电压的频率f_AC来实现，该频率传感器5根据中央处理单元8调整受控电压V_C以使之保持适合于单相感应电动机10的正常状态。

因此，如果网络电压V_AC的频率存在变化，则应该增大或减小受控电压V_C以防止由因网络频率f_AC的新值所引起的相应阻抗变化而导致的单相感应电动机10定子的电流i的减小或增大。由轴上的负载变化而导致的电流变化将不影响由控制器所强加的输出电压值，该输出电压值将仅仅针对频率变化而被调整。

为了实现这一点，具有单相感应电动机控制系统1和单相感应电动机10的组件应该被设计以及控制系统1应被隔离，以便中央处理单元8可以测量网络频率f_AC并且比较该测量的值与电动机工作频率f_NM的值，其中电动机工作频率f_NM预先被确定为打算使用的单相感应电动机10的类型的函数。当中央处理单元检测到在网络频率f_AC和额定工作频率f_NM之间存在差异时，中央处理单元8应该确定额定电压V_NM的新值，该额定电压V_NM将是更改后的额定电压V_NM-A。该更改后的额定电压V_NM-A的值被校正为网络频率的函数并且该校正将与网络频率f_AC的值和单相感应电动机10的额定工作频率f_NM之差成比例，并且施加到单相感应电动机10上的受控电压Vc将具有更改后的额定电压V_NM-A。

利用更改后的额定电压V_NM-A的值，针对要施加到单相感应电动机10上的额定电压的新值，系统可以施加校正后的受控电压Vc，单相感应电动机10将利用与电动机的额定电压V_NM的电平相比较的电压差分电平工作，并且以此方式，它将防止单相感应电动机10定子的电流I作为网络电压f_AC的可变性的函数而被升高或降低。

除了使对单相感应电动机10的适当控制在网络频率f_AC不是恒定的情况下可行之外，还可以防止针对确定区域的确定网络频率f_AC所设计的电动机的使用问题，该电动机被用于具有不同网络频率f_AC的另一区域中。

本发明的系统防止烧毁单相感应电动机10或其上低转矩的问题。可以基于以下实例来理解这个事实：如果以60Hz、也就是说高于设计时所预见的那个网络频率的网络频率f_AC给被设计用于以50Hz的网络频率f_AC工作的单相感应电动机10馈电，则电动机阻抗将增加并且单相感应电动机10的电流i将减小，从而导致电动机的转距低。在相反的情况中，如果以50Hz的网络频率为给被设计用于60Hz的网络频率f_AC的电动机馈电，则它将具有过电流i，这将导致过分加热并且甚至烧毁单相感应电动机10。

控制单相感应电动机10的方法

为了控制本发明的电动机控制系统1，设有一种方法，该方法具有最初测量网络电压V_AC、受控电压Vc和网络频率f_AC的步骤。

网络频率f_AC的测量值应该与额定工作频率f_NM相比较，由于单相感应电动机10的结构特性，所述额定工作频率f_NM是事先已经知道的。如果检测到网络频率f_AC的测量值和额定工作频率f_NM之间的差异，则可以推断出单相感应电动机10正在理想状态之外工作，并且因此施加到单相感应电动机10上的受控电压Vc应该被升高或降低，如已经描述的。受控电压Vc的电平的这种升高或降低通过这样的步骤来实现，在该步骤中中央处理单元8确定称为更改后的额定电压V_NM-A的受控电压Vc的新值，并且从这一刻开始，它可以在网络频率f_AC的这个新状态下工作，而单相感应电动机10不会出现低转距或过分加热的问题。

当中央处理单元8断定在网络频率f_AC的值和额定工作频率f_NM之间不存在差异时，受控电压Vc的值应该被减小到额定电压V_NM的电平。

就在启动单相感应电动机10时本发明方法的步骤而言，应该将具有等于网络电压V_AC的值的受控电压Vc施加给电动机启动绕组并且所施加的这种电压应该被保持足够长以使电动机基本上接近于额定旋转并且能够正常操作的启动时间。

如上所述，考虑到在确定状态中网络电压V_AC可能具有用于继续施加与网络电压V_AC的电平相同的受控电压Vc的太高的值，可能有必要的是，在启动期间施加到单相感应电动机10上的受控电压Vc应该仅仅被调整到高于电动机的额定工作电压V_NM的值，在这种情况中低于网络电压V_AC的值。

另外，根据本发明的教导，应该提供、预见到由配备有如上所述的控制系统1的单相感应电动机10驱动的压缩机，并且这个压缩机可以与压缩机结合使用或者与压缩机分开使用。

已经描述了优选实施例，应该理解的是本发明的范围包括仅仅由附随的权利要求的内容所限定的其他可能的变型方案，其中权利要求包括可能的等效方案。

Claims (15)

1.一种具有单相感应电动机(10)控制系统(1)和单相感应电动机(10)的组件，该单相感应电动机(10)具有额定工作电压(V_NM)，

控制系统(1)包括中央处理单元(8)，所述中央处理单元(8)将网络电压(V_AC)的电平调制为受控电压(V_C)的电平，所述受控电压(V_C)被施加到该单相感应电动机(10)上，

网络电压(V_AC)从最小网络电压(V_AC-MIN)开始波动，

网络电压(V_AC)具有网络频率(f_AC)，以及

所述单相感应电动机(10)被设计用于额定工作电压(V_NM)和额定工作频率(f_NM)，

所述组件的特征在于：

所述单相感应电动机(10)具有低于最小网络电压(V_AC-MIN)的额定工作电压(V_NM)，

所述中央处理单元(8)测量网络频率(f_AC)，以及

当网络频率(f_AC)和额定工作频率(f_NM)之间存在差异时，该中央处理单元(8)确定更改后的额定电压(V_NM-A)的值，该更改后的额定电压(V_NM-A)被施加到所述单相感应电动机(10)上，以及

当网络频率(f_AC)等于额定工作频率(f_NM)时，中央处理单元将受控电压(V_c)的值更改为额定电压(V_NM)的电平。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，更改后的额定电压(V_NM-A)的值被校正为网络频率的函数并且所述校正与网络频率(f_AC)的值和所述单相感应电动机(10)的额定工作频率(f_NM)之差成比例。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述中央处理单元(8)将网络电压(V_AC)的值减小到受控电压(V_c)的值，该受控电压(V_c)的值低于最小网络电压(V_AC-MIN)的值。

4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述中央处理单元(8)包括第一和第二电压测量设备(4，11)，

第一电压测量设备(4)测量网络电压(V_AC)，而第二电压测量设备(11)测量受控电压(V_c)，

所述中央处理单元(8)根据第一和第二电压测量设备(4，11)的测量来控制受控电压(V_c)的电平。

5.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，控制系统(1)包括由中央处理单元(8)控制的一组开关(6，7)，该组开关(6，7)包括：

-与单相感应电动机(10)的运行绕组电互连的运行开关(6)；以及

-与单相感应电动机(10)的启动绕组电互连的启动开关(7)；

当单相感应电动机(10)正启动时，中央处理单元(8)选择激励启动绕组；

中央处理单元(8)将网络电压(V_AC)施加到启动绕组和运行绕组上。

6.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，当先前确定的用于启动电动机的时间已经结束时，中央处理单元(8)命令断开单相感应电动机(10)的启动绕组的开关(7)。

7.一种单相感应电动机(10)的控制系统(1)，该控制系统包括与网络电压(V_AC)相关联的中央处理单元(8)，该中央处理单元可与单相感应电动机(10)相关联，

单相感应电动机(10)具有额定工作电压(V_N)，

网络电压(V_AC)从最小网络电压(V_AC-MIN)开始波动，

由从网络电压(V_AC)获得的受控电压(V_C)给单相感应电动机(10)馈电，通过中央处理单元(8)来调整该受控电压(V_C)，

单相感应电动机(10)具有额定工作电压(V_NM)，

该控制系统的特征在于：

最小网络电压(V_AC-MIN)的值高于单相感应电动机(10)的额定工作电压(V_NM)的值，

中央处理单元(8)将受控电压(V_C)调整为网络电压(V_AC)的变化的函数，并且在启动时将网络电压(V_AC)施加到单相感应电动机(10)上。

8.根据权利要求7的系统，其特征在于包括：

-第一和第二电压测量设备(4，11)；

-测量网络电压(V_AC)的网络频率(f_AC)的频率传感器(5)，并且

单相感应电动机(10)具有低于最小网络电压(V_AC-MIN)的值的额定工作电压(V_NM)，

中央处理单元(8)测量网络频率(f_AC)，并且

当网络频率(f_AC)和额定工作频率(f_NM)之间存在差异时，中央处理单元(8)确定更改后的额定电压(V_NM-A)的值，该更改后的额定电压(V_NM-A)的值被校正为网络频率(f_AC)的函数，并且该校正与网络频率(f_AC)的值和单相感应电动机(10)的额定工作频率(f_NM)之差成比例，该更改后的额定电压(V_NM-A)被施加到单相感应电动机(10)上，以及

当网络频率(f_AC)等于额定工作频率(f_NM)时，中央处理单元(8)将受控电压(V_c)的值更改为额定电压(V_NM)的电平。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于包括可与单相感应电动机(10)的启动绕组电互连的启动开关(7)，

当单相感应电动机(10)正启动时，由中央处理单元(8)根据启动开关(7)选择激励启动绕组，

中央处理单元(8)将网络电压(V_AC)施加到启动绕组上。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，中央处理单元(8)在启动时间内施加网络电压(V_AC)，该启动时间对应于使单相感应电动机(10)基本上处于额定旋转所需的时间。

11.一种控制单相感应电动机(10)的方法，该单相感应电动机(10)具有额定工作电压(V_NM)和额定工作频率(f_NM)，由通过对网络电压(V_AC)进行调制而获得的受控电压(V_c)给该单相感应电动机(10)馈电，网络电压(V_AC)具有网络频率(f_AC)，

所述方法的特征在于包括以下步骤：

(a)测量网络电压(V_AC)、受控电压(V_c)和网络频率(f_AC)，

(b)比较所测量的网络频率(f_AC)的值与额定工作频率(f_NM)，并且当网络频率(f_AC)和额定工作频率(f_NM)之间存在差异时，

确定更改后的额定电压(V_NM-A)的值并且将处于更改后的额定电压(V_NM-A)的受控电压(V_c)施加到单相感应电动机(10)上，以及

当网络频率(f_AC)等于额定工作频率(f_NM)时，将受控电压(V_c)调整为额定电压(V_NM)的电平。

12.根据权利要求11的方法，其特征在于，在步骤(a)之前，在启动单相感应电动机(10)时，存在以下步骤，即将等于网络电压(V_AC)的受控电压(V_c)施加到单相感应电动机(10)的启动绕组和运行绕组上。

13.根据权利要求11的方法，其特征在于，在步骤(a)之前，在启动单相感应电动机(10)时，存在以下步骤，即将低于网络电压(V_AC)的受控电压(V_c)施加到单相感应电动机(10)的启动绕组和运行绕组上。

14.根据权利要求12或13的方法，其特征在于，受控电压(V_AC)到单相感应电动机(10)的启动绕组上的施加在启动时间内被保持，该启动时间对应于使单相感应电动机基本上处于额定旋转所需的时间。

15.一种压缩机，其特征在于通过单相感应电动机(10)来致动，该单相感应电动机(10)包括如在权利要求7-10中所限定的控制系统(1)。

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