CN101753070B - 低功率电动机起动器 - Google Patents

Abstract

一种低成本电动机起动器，该起动器被示出为具有串联连接至三端双向可控硅开关14的PTC电阻器12和适于被连接至单相电动机的起动绕组的偏置电阻器。簧片继电器16具有在一个优选实施例中串联连接至主绕组、而在第二优选实施例中并联连接至主绕组和起动绕组的感应线圈16a，该感应线圈16a与簧片触点16b、16c磁耦合。簧片触点16b被连接至PTC电阻器12和三端双向可控硅开关14中间的位置，而簧片触点16c被连接至三端双向可控硅开关的栅极。包括电容器C1-R2的栅极信号移相网络也连接至簧片触点16c和栅极。

Description

低功率电动机起动器

相关申请

本申请要求于2008年12月2日提交的美国临时申请No.61/200,648的优先权。

技术领域

本发明总地涉及电动机起动器，并且更具体地涉及低功率的正温度系数电阻(PTC)电动机起动器，特别是用于冰箱压缩机电动机的起动器。

背景技术

单相AC电动机包括主绕组和用于起动电动机的辅助或起动绕组。使用了各种部件在电动机达到所选择的速度时断开起动绕组，诸如离心机制、电流继电器，并且更近来地，使用响应于时间或各种电动机操作参数的固态电子电路。

关于这样的部件，机电装置具有这样的缺点：随时间磨损影响它们的可靠性，并且固态电子电路相对昂贵并且它们的可靠性有待验证。

在1971年授权的美国专利No.3,600,656中，提到了已知将PTC电阻器与起动绕组串联的方法，PTC电阻器被流过起动绕组的电流加热，在预定的时间段内引起PTC电阻器的电阻增加并将流过起动绕组的电流减小至低电平。然而，尽管为相对低的电平，连续的电流效率低并表现功率的损耗。此外，PTC电阻器被连续加热，从而其在需要重新起动电动机的情况下引起问题，因为PTC电阻器仍将处于堵转操作模式。

美国专利No.7,061,204示出了串联地连接至起动绕组和用于去激励(de-energizing)起动绕组的三端双向可控硅开关的PTC电阻器。在该设备中，三端双向可控硅开关的栅极端子被连接至包括电流检测电路的控制电路。尽管电动机起动器对于去激励PTC电阻器是有效的，并且通过在起动之后实质上消除起动绕组来提供低功率，但使用电流互感器的该起动器相对昂贵。

还已知使用与起动绕组串联的三端双向可控硅开关的栅极电路中的簧片开关来在起动之后有效地切断起动绕组。在美国专利No.4,307,327中，三端双向可控硅开关被连接至起动绕组，并且簧片开关被连接至三端双向可控硅开关的栅极端子。簧片开关具有接收电动机的组合的起动绕组电流和主绕组电流的感应线圈。在电动机以其相伴的较低的主绕组电流接近同步速度时，簧片开关的触点打开，并关断三端双向可控硅开关，由此消除流过起动绕组的电流。然而，该起动器被设计为用于电容起动电动机，而不是典型地用于冰箱压缩机的电阻起动电动机。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种对电阻起动冰箱压缩机电动机特别有用的低成本电动机起动器，所述电动机起动器在电动机接近同步速度时消除起动绕组电流。本发明的另一个目的是提供一种通过在起动电动机时消除不必要的起动绕组电流来达到节能的低成本电动机起动器。

简要地讲，根据本发明的优选实施例，以串联关系将双向晶闸管(或三端双向可控硅开关)和PTC彼此相连接，并且将其与单相电阻起动AC电动机的起动绕组相连接。电流响应簧片开关具有第一和第二触点，其中第一触点连接至三端双向可控硅开关的栅极，第二触点连接至PTC电阻器和三端双向可控硅开关的第二主端子中间的位置。在本发明的一个优选实施例中，簧片开关具有串联连接至主绕组并与簧片开关成紧密磁耦合关系的感应线圈。在第二优选实施例中，所述线圈被连接至主绕组和起动绕组这两者。在两个实施例中，电容器被连接至三端双向可控硅开关的栅极端子，以在主绕组电流的过零间隔期间保持主电流流向栅极，并且用于如下所述产生AC偏置电压的小偏置电阻器被连接至三端双向可控硅开关的第一主端子。限流电阻器也被连接至三端双向可控硅开关的栅极和簧片开关的第二触点。连接至三端双向可控硅开关的栅极的电阻器还与电容器一起用作移相网络。

在电动机起动期间的主绕组的初始电流产生足够的磁场来闭合簧片开关，并允许起动绕组电流流动。随着电动机接近同步速度，PTC电阻器加热并且电阻增加，从而减小起动绕组电流。主绕组电流减小至其稳态全速电平，所述电平足够低，以至感应线圈中产生的磁场变得不足以致动在主绕组电流每次过零时打开的簧片开关。一旦起动绕组电流降低至三端双向可控硅开关的保持电流以下，所述三端双向可控硅开关关断，并且起动绕组电流固定为零。

优选地，限流电阻器连接至簧片开关触点以限制对电容器的冲击电流，并帮助减小簧片开关和三端双向可控硅开关栅极电流。另一个限流电阻器优选地连接至三端双向可控硅开关的栅极以特别限制在主绕组的过零间隔期间的电流，在所述过零间隔期间，栅极由电容器供电。如上所述，栅极电阻器与电容器一起对由电阻器R3产生的AC信号执行移相功能。电容器提供栅极信号的移相并在起动期间保持电流流向三端双向可控硅开关，因为在这些同相间隔期间，既没有足够的起动绕组电流也没有足够的栅极信号来保持三端双向可控硅开关接通，并且这将导致不期望的三端双向可控硅开关和簧片开关两端的电压尖峰和流过三端双向可控硅开关和簧片开关的电流尖峰。

附图说明

在附图中，其中示例了本发明的各种可能的优选实施例中的两个。

图1是本发明的第一优选实施例的示意性电路图。

图2是与图1相似的示意性电路图，示出了本发明的第二优选实施例。

图3-5是与优选实施例的电路相似的电路的电流和电压波迹(扫描＝50000点-20usec/pt)，其中某些分量被去除。

图6和7是与图3-5的波迹相似的波迹，但分别示出了第一和第二优选实施例的波迹。

附图中相应的附图标记表示相应的部件。

具体实施方式

参照图1，单相电阻起动AC电动机(该电动机可有利地使用根据本发明的第一优选实施例的电动机起动器)包括主绕组2，所述主绕组2与起动绕组4并联连接，并通过线路L1、L2连接至适当的交流电源。起动绕组4被连接至电源线L1并进而串联连接至正温度系数(PTC)电阻器12和具有两个主端子T1、T2和栅极T3的双向晶闸管或三端双向可控硅开关14。簧片开关16包括串联连接至主绕组2和线路L2的线圈16a，并且所述线圈16a被放置在常开的簧片开关触点16b、16c附近与其磁耦合，所述簧片开关触点16b、16c可移动进入或脱离彼此接合的状态。簧片开关触点16b被连接至PTC电阻器12和三端双向可控硅开关14中间的位置处。簧片开关触点16c优选地通过簧片开关电阻器R2连接至栅极端子T3。优选地，电容器C1通过电阻器R2与栅极端子T3相连接，并且电阻器R3与主端子T1相连接。如果需要的话，在AC电源的返回线路L2上，可在PTC电阻器12、三端双向可控硅开关14和电阻器R3的两端连接可选的运行电容器C2。

与三端双向可控硅开关主端子T1串联的电阻器R3通过为电容器提供充电电流的栅极电阻器R2向电容器C1提供AC偏置电压(从流过所述电阻器R3的起动绕组PTC电流产生)。这可以被认为是在高于和低于中性参考电位的AC电位改变三端双向可控硅开关栅极(三端双向可控硅开关主端子T1)的电压参考点。没有该电阻器R3，电容器电压小得多，并且与栅极和端子T1之间的三端双向可控硅开关正向电压降同相，从而由于栅极电流和电压不足，三端双向可控硅开关在每次起动绕组PTC电流过零时都切断一段时间。利用与T1端子串联的电阻器R3，由流过它的起动绕组PTC电流产生的AC偏置电压通过三端双向可控硅开关栅极电阻器R2对电容器充电。由于栅极电阻器和电容器的R-C网络，发生起动绕组PTC电压信号的移相。该异相电压和电容器上的增加的电压电平现在在当T2电流降至保持电流最小值以下时三端双向可控硅开关关断的情况下在起动绕组PTC电流过零时对三端双向可控硅开关提供充足的栅极电压/电流。现在，该增加的栅极电压/电流使三端双向可控硅开关在其关断之后立即接通，由此防止三端双向可控硅开关的延迟的接通。

在电动机起动期间主绕组中的初始电流在感应线圈16a中产生足够强的磁场，以闭合簧片开关触点16b、16c，从而允许三端双向可控硅开关14的栅极具有足够接通三端双向可控硅开关14并允许起动电流流动的电压和电流。当主绕组电流降至簧片开关触点的开断电流(drop-out current)以下时簧片开关16打开，从而使电容器C1通过电阻器R2、三端双向可控硅开关端子T1和T3和电阻器R3放电。这提供了足够的栅极电流和电压使三端双向可控硅开关在其关断之后立即接通。

当电动机达到一定速度，并且由于PTC电阻器12的自加热以及伴随的电阻增加而导致起动绕组电流减小时，主绕组电流减小至其稳态，全速电平变得足够低，使得感应线圈16a中产生的磁场太低以致不能致动簧片开关。其结果是，在起动绕组电流降至三端双向可控硅开关保持电流以下之后，三端双向可控硅开关14不再接通，并且起动绕组电流变成固定为零。

电阻器R1用来限制对电容器C1的冲击电流，并且还帮助减小簧片开关和三端双向可控硅开关栅极电流。如上所述，电阻器R2与电容器C1一起提供移相功能，并限制栅极电流，特别是在簧片开关在主绕组电流的过零时打开的间隔期间。此时，由电容器C1馈送栅极信号。电容器C1对栅极信号移相，并在起动阶段期间保持流向三端双向可控硅开关栅极的电流。这是必然的，因为在起动期间在起动绕组和主绕组电流之间出现的同相关系，因为在这些同相间隔期间，既没有足够的起动绕组也没有足够的栅极信号来保持三端双向可控硅开关接通。在没有移相栅极信号的情况下重复接通和关断地切换三端双向可控硅开关导致了三端双向可控硅开关和簧片开关中和两端的电压和电流尖峰，见图3，图1所示的类型的电动机起动器(但没有电容器C1和电阻器R3)的电压和电流的轨迹。发现电阻器R3对于恰当地对栅极信号移相和恰当的装置操作是必要的，见图4，相同的电动机起动器但具有电容器C1的轨迹，和图6，具有电容器C1和电阻器R3这两者的电压和电流的轨迹。电阻器R3是由加热线(例如，镍铬合金的一种)形成的。

根据第一优选实施例的电动机起动器具有下述元件：

R1＝680欧，1/4瓦

C1＝47微法拉，6.3伏(浸渍径向陶瓷)

R2＝100欧，1/4瓦

R3＝0.3欧，15瓦(加热线)

三端双向可控硅开关＝MAC228A8G(ON半导体)

簧片开关＝MLRR-4，17-23(Hamlin)

关于图3的轨迹，检查显示具有许多电压和电流尖峰的粗(rough)起动。图4示出了对于相同的电动机起动器但添加了电容器C1的轨迹。同样，在对于与图3中相同的电动机起动器(除了没有使用起动器电容器C1但包括了R3)的图5的轨迹中示出了许多电压和电流尖峰。同样，存在许多电压和电流尖峰。图6是图1所示类型的电动机起动器(也就是说，具有电容器C1和电阻器R3这两者)的电压和电流的轨迹。在这些轨迹中，基本上没示出电压和电流尖峰。

图2示出了在电动机起动电路中使用的与图1中相同的电动机起动器，其中，感应线圈16a接收主绕组和起动绕组的组合电流。同样，在该情况下，图7的轨迹基本上没有示出电压或电流波形中的尖峰。因为图2的电动机起动器与图1的相同，除了组合的主绕组电流和起动绕组电流被馈送至簧片继电器16以外，所以可参照上述图1的描述来描述图2起动器。

尽管已关于其某些具体优选实施例描述了本发明，但各种变形和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。例如，如果需要，将簧片开关线圈放置在电源的中性或返回分支中也在本发明的范围内。因此，旨在考虑到现有技术尽可能宽地解释所附权利要求，以包括所有这样的变形和修改。

Claims (5)

1.一种用于控制AC电动机的起动绕组的设备，所述AC电动机包括并联连接的主绕组和起动绕组、以及包括连接至所述主绕组和起动绕组这两者的中性端并适于连接至AC电源的电源线，所述设备包括：

具有第一和第二主端子和栅极端子的三端双向可控硅开关，和与一个主端子串联连接并适于与起动绕组相连接的正温度系数电阻器；

具有第一和第二端子的电流响应簧片开关和电容器，

所述簧片开关的一个端子连接至正温度系数电阻器和三端双向可控硅开关的中间，所述簧片开关的第二端子串联连接至所述电容器，三端双向可控硅开关栅极端子连接至所述簧片开关和所述电容器中间的位置；

连接在另一个三端双向可控硅开关主端子和中性端之间的偏置电阻器；以及

紧靠簧片开关放置并适于连接至主绕组的感应线圈。

2.根据权利要求1所述的设备，其中感应线圈适于与主绕组串联。

3.根据权利要求1所述的设备，其中感应线圈适于连接至主绕组和起动绕组这两者。

4.根据权利要求1所述的设备，其中连接至另一个主三端双向可控硅开关端子的偏置电阻器由加热线形成。

5.根据权利要求4所述的设备，其中加热线由镍铬合金形成。

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