CN101617463B - 异步电机控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制异步电机(1)的速度和转动方向的装置，包括具有两个可独立控制的双向开关(T′4、T′5)的第一电路(7)，该双向开关具有连接到施加直流电压(Vcc)的公共端(6)的第一传导端和能够分别连接到电机定子绕组(15、16)的第一端(12、14)的第二传导端，和具有至少两个可独立控制的并联双向开关(T1、T2、T3)的第二电路(3′)，该双向开关具有各自的连接到所述公共端的第一传导端(Ki)。

Description

异步电机控制
技术领域
本发明总体上涉及异步电机，更具体地，是涉及对交流电压驱动电机的转速和转动方向的控制。 
背景技术
通常，异步电机装置需要继电器型双极开关来翻转电机转动方向。由于对于这两个转动方向来说，必须持续给继电器线圈提供电流，因此增加了系统的功耗。 
此外，电磁继电器产生噪声和电磁干扰，并且常常很昂贵且对控制装置的整合带来不利影响。 
发明内容
本发明力图克服翻转异步电机方向的多速控制系统的全部或部分缺陷。 
更具体地，本发明想要避免使用继电器控制翻转电机的转动方向。 
为了实现这些以及其他目的中的全部或部分，以及其他目的，本发明提供一种用于控制异步电机速度和转动方向的装置，该装置具有： 
具有两个可独立控制的双向开关的第一电路，该双向开关具有连接到施加直流电压的公共端的第一传导端和能够分别连接到电机定子绕组的第一端的第二传导端； 
具有至少两个可独立控制的并联双向开关的第二电路，该双向开关具有各自的连接到公共端的第一传导端。 
根据本发明的实施例，该第二电流的双向开关之一具有直接连接到施加交流电压端的其第二传导端，该第二电路的其他双向开关具有通过阻抗连接到该施加交流电压端的它们各自的第二传导端。 
根据本发明的实施例，该第二电路的该双向开关具有通过阻抗连接到施加交流电压的第二端的它们各自的第二传导端。 
根据本发明的实施例，该第二电路的双向开关的数量等于该电机想要的不同转速的数量减一，阻抗将该公共端直接连接到该交流电压的施加端。 
根据本发明的实施例，该第二电路的双向开关的数量等于该电机想要的不同转速的数量。 
根据本发明的实施例，该电机绕组各自的第二端能够一起连接到该交流电压的另一施加端，电容性部件连接到它们各自的第一端。 
根据本发明的实施例，每个阻抗包括至少一个与电阻部件并联的电容部件。 
根据本发明的实施例，所述双向开关是具有其阴极直接连接到该公共端的三端双向可控硅。 
根据本发明的实施例，该双向开关各自的控制端能够连接到提供双状态信号的控制电路的输出端。 
本发明还提供一种装置，具有能够由交流电压供电的异步电机和用于控制转动方向和速度的装置，其中该电机定子绕组各自的第一端连接到该第一电路的开关各自的第一传导端。 
下文中结合附图对具体实施例的非限制性说明将详细地介绍本发明的上述和其他目的、特征和优点。 
附图说明
图1非常简明地示出了交流电压驱动的异步电机当前结构例子的框图； 
图2示出了用于控制图1中结构所示电机的装置的当前电路图的例子； 
图3示出了根据本发明的用于控制异步电机转动速度和方向的装置的具体电路图； 
图4部分示出了图3中装置的变型； 
图5部分示出了图3中装置的另一种变型；和 
图6非常简明地以框图形式示出了图3中控制装置的功能。 
具体实施方式
在不同的图中用了相同的参考标号来表示相同的部件。为了清楚起见，在图中也仅仅表示出了那些对于理解本发明有用的部分并将在下文中进行说明。特别是没有详述由根据本发明装置控制的异步电机的应用，例如与任何多极异步电机的控制一致的应用。 
图1非常简明地示出了用于控制例如由供电系统2的交流电压Vac供电的异步电机1(M)的当前结构例子的框图。其是能够在两个方向上(吸-吹)运行的多速风扇电机。在所示的例子中，该电机定子具有四个电极。 
定子的第一绕组的两个端子11和12分别连接到电压Vac的施加端21和速度选择电路3(速度，SPEED)的第一终端31，该速度选择电路具有连接到电压Vac的另一施加端22的其另一终端。定子的第二绕组  的两个端子13和14连接到在终端21和终端31之间提供的用于翻转转动方向的电路4(DIR)。速度选择电路3从通过直流低压Vcc驱动的控制单元5(例如，微控制器MCU)接收多个参考值(与可能存在的速度一样多)。单元5通常还控制用于翻转转动方向的系统(用点划线55连接)。出于从下面图2相关的论述中更便于理解的电压参考的原因，终端22对应于正电压Vcc的施加终端。 
图2示出用于控制图1结构所示的电机1的装置的当前电路图的例子。两个定子绕组15和16用电感表示。绕组15的一个端部11，具有经在绕组供电(supplies)之间设置偏移量的电容部件C17连接到终端21，其另一端部12连接到速度设定电路3的终端31。电路3由分别和存在或多或少改变的单元331、332和333串联的三端双向可控硅T1、T2和T3构成，根据哪个三端双向可控硅导通，由与电机绕组串联的阻抗改变其转速。每个单元33包括电阻R33i(此处i的范围在1和3之间)以及与之并联的串联电容部件C33i和电阻R′33i。主要由电容部件来确保阻抗变化，其中电阻可以在各个单元中是相同的。电阻R′33i主要用于限 制在通电时的突入电流。电阻R33i用于当不再使用单元的电容部件时使其放电。电阻R33i具有比电阻R′33i更大的值(至少是5倍)。该单元一方面连接到终端31，另一方面连接到相应的三端双向可控硅Ti的阳极Ai。每个三端双向可控硅Ti的阴极Ki直接连接到终端22，同时还连接到正电压Vcc的施加终端。此外，每个三端双向可控硅的阳极Ai可以通过与R34i串联的电容器C34i连接到其阴极以限制在相关三端双向可控硅关断时的电压阶跃。最后，每个三端双向可控硅的栅极一方面通过电压-电流转换电阻R36i连接到微控制器5的输出Oi，另一方面通过电阻R35i连接到其阴极(进而连接到终端21)。 
通过由微控制器5控制选择三端双向可控硅T1、T2或T3来执行速度选择控制。为了激活栅电流的流动和控制三端双向可控硅，在其阴极上施加电压Vcc以提供正电压参考，而可选择的电阻R35i确保栅-阴极电势差对于该栅极控制不敏感。 
用于削减速度选择电路3上电压的部件(例如，可变电阻R38)可以连接终端31和22。 
在用于翻转电机转动方向的电路4的一侧，另一个定子绕组16将其端部13和14分别跨接到具有连接到终端21的第一终端41和连接到终端31的第二终端42的双极开关上。在第一位置上，该开关将终端41连接到该绕组的端部13，将终端42连接到该绕组16的端部14。在第二位置上，将端部14连接到终端21，同时将端部13连接到终端31以翻转在该绕组中的电流，并由此翻转该电机的转动方向。在终端13和14之间串联的电阻R43和电容器C43限制在开关上的过电压。该开关是继电器型并且由具有例如从微控制器5供电的具有两个端部的线圈44控制。 
图3示出了根据本发明实施例的用于控制异步电机装置的等效电路图。 
定子的两个绕组15和16通过相位转换能够控制该电机在一个方向上或在另一方向上，并且通过例如三端双向可控硅的双向开关实现速度变换。 
根据本发明的实施例，电机1定子绕组15和16各自的第一端部12和14连接到用于选择该电机转动方向的电路7的三端双向可控硅T′4或T′5的阳极。三端双向可控硅T′4和T′5的各自栅极例如通过电阻R74和R75连接到微控制器(MCU)5的输出终端O4和O5或提供适合的电压信号的另一控制电路。端部12和14还通过电容性相位变换部件C17相互连接。 
三端双向可控硅T′4和T′5的各自阴极连接到该控制装置的公共参考终端6。终端6接收直流电压Vcc(通常地，直流电压Vcc的最低负电位，优选地，与供电单元5的相同)并直接连接到速度选择电路3′的三端双向可控硅T1、T2和T3的阴极。用于该速度控制的三端双向可控硅数量随意设为3。该数量可以根据所需的不同速度数量来改变。三端双向可控硅T1、T2和T3的各自阳极分别通过单元331、332和333连接到施加交流电压Vac的终端22，以改变与该绕组串联的阻抗。每个单元33i(在本例中i的范围在1到3之间)例如由单元复位(放电)电阻R33i和串联连接的电容部件C33i与突入电流限制电阻R′33i并联而成。三端双向可控硅T1、T2和T3的各自栅极通过电压-电流转换电阻R361、R362和R363连接到微控制器5的输出终端O1、O2和O3。 
该电机定子的两个绕组15和16各自的第二端部11和13一同连接到施加交流电压Vac的另一终端21。 
当三端双向可控硅T′4或T′5通过微控制器5导通时，电机供电电流运行通过该定子的一个或另一个绕组15或16，其调节该电机的转动速度。 
至于速度变化，除了翻转该三端双向可控硅的情况(它们的阴极现在处于电路7的一侧以使得三端双向可控硅T′4或T′5的阴极一样)以外，该控制还可采用图2中电路3的操作原理。 
在图3中未示出的电阻器(图2中的R34i)和电容器(图2中的C34i)可以并联提供给每个三端双向可控硅T1、T2和T3以限制关断时的电压阶跃。 
还可以在三端双向可控硅Ti的阴极和栅极之间提供施加电势差的电 阻(图2中的R35i)。 
类似地，可以提供用于削减电路3′上电压的部件(图2中的R38)。 
图4示出了可选实施例的局部电路图。省去了单元33i之一(在本例中，省去了331)，相应的三端双向可控硅Ti则用于在电机最大转速情况下控制该电机。至于在电路中提供的电阻R34i和电容C34i，没有给带有直接连接到终端22的阳极的三端双向可控硅(T1)提供。调节其他转动速度的阻抗Zi已经由方框33i标出。该装置的其他部件与图3相关的描述中的相类似。 
作为一种具体实施例，图4中所示的控制装置由以下元件构成： 
R361、R362、R363、R74和R75＝130欧姆 
R33i＝100千欧 
R′33i＝47欧姆 
C332＝5微法 
C333＝6微法 
C331＝R331＝R′331＝0(没有单元331)；和 
C17＝4.5微法。 
图5示出了另一变型的局部电路图。三端双向可控硅Ti之一(例如，图3中的T3)被短路替换，相应的单元33i被保持并设置了该电机的默认转动速度。然后例如通过另外两个三端双向可控硅支路调整该速度。 
图4和图5的变化可以相结合(在图5中用点划线的方框表示块单元331的缺省)。 
图6非常简明地以框图形式示出了图3中装置的功能结构。 
在带有用于选择电机转动方向的双向开关的第一电路7(DIR)和带有用于控制电机转动速度的双向开关的第二电路3′(SPEED)之间提供公共参考点6。因而，电路7和3′串联连接。电路7由源自控制单元5(MCU)的两个低电压信号(连接56)控制，而电路3′由根据可能的速度数量源自单元5的n个信号控制。参考点6连接到直流电压Vcc。 
由此，方向选择电路和速度选择电路的双向开关串联，它们的阴极相互连接。 
本发明的优点之一在于控制单元的输出可以是统一的。此外，由于这种公共阴极结构使得该装置的整合更加容易。 
本发明的另一优点在于避免了继电器线圈的功耗。此外，电磁控制继电器的缺省减少了干扰和电磁噪声。 
在本发明的控制电路的可行实施例中，应当涉及风扇电机、洗衣机或烘干电机、空调风扇电机、真空泵或真空吸尘器电机。 
当然，本发明可能有对于本领域技术人员而言显而易见的各种变化、修改和改进。特别地，尽管已经用有关使用三端双向可控硅的例子对本发明进行了更具体说明，但是，在上文给出的功能教导的基础上，基于任何双向开关结构实施方式的变换都落在本领域技术人员能力范围内。例如，对于每个开关，可以使用两个并联的半导体闸流管的组合，两者之一与控制部件(光耦、脉冲变压器等)结合能够通过单独的信号进行控制。但是三端双向可控硅仍然是优选的。还可以使用双向电源开关，例如商标名称为ACS的开关，它们与电源电极相关的控制终端位于与支持控制电极的终端相对的表面上。 
此外，向不同元件提供的值取决于电机特性、所需的转动速度等，并且在此还要根据应用可调整。 
而且，尽管本发明更具体地应用于在不连续的值之间的速度选择，但是其还可以在单元33i中的至少一个中提供例如由用户可改变的部分(例如，电阻或可变电容)以在至少在一可变速度范围上获得连续的变化。 
最后，在本领域技术人员能力范围内使用工具，例如由微控制器产生不同双向开关的控制信号。 

Claims (10)

1.一种用于控制异步电机(1)的速度和转动方向的装置，包括：
具有两个可独立控制的双向开关(T′4、T′5)的第一电路(7)，所述双向开关具有连接到施加直流电压(Vcc)的公共端(6)的第一传导端和能够分别连接到电机定子绕组(15、16)的第一端(12、14)的第二传导端；和
具有至少两个可独立控制的并联双向开关(T1、T2、T3)的第二电路(3′)，所述第二电路的双向开关(T1、T2、T3)具有各自的连接到所述公共端的第一传导端(Ki)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二电路的所述双向开关之一(T1)具有直接连接到交流电压(Vac)的施加端的第二传导端(A1)，所述第二电路的其他双向开关(T2、T3)具有通过阻抗(332、333)连接到所述交流电压施加端的它们各自的第二传导端(A2、A3)。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二电路(3′)的所述双向开关(T1、T2、T3)具有通过阻抗(33i)连接到交流电压(Vac)的施加端(22)的它们各自的第二传导端(Ai)。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二电路的双向开关(T1、T2)的数量等于所述电机(1)想要的不同转速的数量减一，阻抗(333)将所述公共端(6)直接连接到交流电压(Vac)的施加端(22)。
5.根据权利要求2或3所述的装置，其中所述第二电路(3′)的双向开关(T1、T2、T3)的数量等于所述电机(1)想要的不同转速的数量。
6.根据权利要求2或3所述的装置，其中所述电机定子绕组(15、16)各自的第二端(11、13)能够一起连接到所述交流电压(Vac)的另一施加端(21)，电容性部件(C17)的两端分别连接到所述电机定子绕组(15、16)的第一端。
7.根据权利要求2或3所述的装置，其中每个阻抗(33i)包括至少一与电阻部件(R′33i)并联的电容部件(C33i)。
8.根据权利要求2或3所述的装置，其中所述第一电路的双向开关(T′4、T′5)和所述第二电路的双向开关(T1、T2、T3)是具有其阴极(Ki)直接连接到所述公共端(6)的三端双向可控硅(T1、T2、T3、T′4、T′5)。
9.根据权利要求2或3所述的装置，其中所述第一电路的双向开关(T′4、T′5)和所述第二电路的双向开关(T1、T2、T3)各自的控制端能够连接到提供双状态信号的控制电路(5)的输出端(O)。
10.一种包括异步电机(1)和根据权利要求1至9中任一项所述的用于控制异步电机的速度和转动方向的装置(3′、5、7)的系统，所述异步电机(1)由交流电压(Vac)供电，其中所述电机定子绕组(15、16)各自的第一端(12、14)连接到所述第一电路(7)的所述双向开关各自的所述第一传导端。
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