CN102025299B - 用于启动单相感应电动机和相应的电子继电器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种用于单相感应电动机的电子继电器，其通过感应电压模拟启动扭矩曲线以实现对程序设计方案的控制，并因而最小化启动失败和增加兼容性，以便于应用在基于各种标准的电动机上。用于单相感应电动机的电子继电器，包括三端双向可控硅开关元件，感生电压检测电路，窗式比较电路，微控制器(MCU)。

Description

用于启动单相感应电动机和相应的电子继电器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于启动单相感应电动机和相应的电子继电器的方法，尤其涉及一种模拟一个带有感生电压的启动扭矩曲线以在设计规划中实现控制，从而使启动失败的可能性最小，并且增加兼容性，便于将马达应用在多种标准之上的用于启动单相感应电动机和相应的电子继电器的方法。

背景技术

在单相感应电动机中，一般不会产生转子磁场，因为定子线圈为单相，但是一旦转子开始旋转，就会产生感应扭矩，从而转子根据其驻波以同步速度旋转。因此，单相感应电动机，需要一个获得启动扭矩的启动方法，因为磁场的平衡状态是到改变这种不平衡状态的初始状态开始的方法。

单相感应电动机根据用以获得启动扭矩的启动方法，分为分相电动机、电容式电动机和罩极电动机。分相电动机所使用启动方案是连接一个启动线圈用来与运行线圈并联，同时根据启动线圈和运行线圈之间阻抗差产生相位差，从而启动。电容式电动机是一种具有比分相电动机大的启动扭矩的电动机，通过在启动线圈内串联嵌入一个电容器实现。源电流的相位通过嵌入在启动线圈中的电容器转换，并且源电流具有一个转换相位流通过启动线圈，这样电磁力的平衡就被打破，从而获得启动扭矩。随后，当一个转子开始转动并且角速度增加到转动周期的某个数值时，电容器由一个离心开关分离并从而正常运行电容器电动机。

然而，机械离心开关易受震动影响，其特性是会根据随开关频繁操作而产生的电弧所引起机械/电磨损而降低。因此，通常采用一个电子继电器。一个用于单相感应电动机的电子继电器串联连接一个功率半导体开关装置，诸如三端双向可控硅开关元件(triac)，连接至启动线圈并通过一个控制电路控制半导体开关装置，从而使得电流仅能够在启动时候流入启动线圈。

传统技术中的电子继电器仅根据电压强度(由启动线圈产生)执行控制，以简单地确定启动完成时间，由于特性根据电动机布置状态和标准的改变，从而降低了兼容性并且使得启动失败率很高。此外，传统技术中的继电器，由于用于控制三端双向可控硅开关元件(triac)的栅极的控制电路被设置带有一个模拟电路，当要求大量的电流消耗时，内部电源电路的效率减少，并且需要相对高容量的栅电流。

发明内容

相应的，本发明公开了一种用于启动单相感应电动机的方法以及用于此的电子继电器，模拟带电压的启动扭矩(由启动线圈产生)用于执行在程序设计方案中的控制，使启动失败的情况尽可能减少。

本发明同时还公开了一种用于启动单相感应电动机的方法以及用于此的电子继电器，其接收启动线圈的感生电压，操作感生电压的变化率，确定其中电动机启动扭矩是最大并且当启动扭矩开始减小时关闭三端双向可控硅开关元件(triac)，从而增加兼容性，以便于应用在基于不同标准的电动机上。

本发明还公开了一种用于启动单相感应电动机的方法以及用于此的电子继电器，其通过重新启动执行比较线电压的相位与三端双向可控硅开关元件(triac)的两端电压的相位来纠正反向(由脉冲引起的)，使得在必要时进行瞬时正向/反向旋转。

本发明还公开了一种用于启动单相感应电动机的方法以及用于此的电子继电器，其形成启动电容器的放电路径，即使当放电电阻没有连接在启动电容器上时，用以保护电路。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于启动单相感应电动机的方法，包括：接通半导体开关装置用于在启动线圈内流过电流，在单相感应电动机中，运行线圈和启动线圈通过半导体开关装置并联连接；从启动线圈中检测与转子角速度成比例的感生电压；接收被检测的感生电压用以计算与加速度扭矩成比例的感生电压变化率，并存储计算的变化率；比较存储的感生电压变化率，并确定感生电压变化率最大的时间，作为启动扭矩最大的时间，感生电压变化率增加和然后减少的时间；切断半导体开关装置以完成启动，感生电压变化率在测定后开始减少。

根据本发明的另一个实施方式，提供了一种用于单相感应电动机的继电器，包括：三端双向可控硅开关元件(triac)，连接在启动线圈和单相感应电动机的启动电容器，用以控制(断开或连接)流经启动线圈的电流；感生电压探测电路检测与电动机角速度成正比的启动线圈的感生电压；窗式比较电路检测三端双向可控硅开关元件(triac)的两端电压，在启动和检测启动过程中启动线圈电流的零点电流之前，以检测电动机线电压的零点(zero-point)电压；以及一个微控制器(MCU)在电动机线电压的零点处连通三端双向可控硅开关元件用以根据窗式比较电路的信号开始启动，触发三端双向可控硅开关元件的栅极，用于在启动线圈电流的每个零点电流时间的特定延迟时间，以根据启动时窗式比较电路的信号维持三端双向可控硅开关元件的接通状态，从感生电压检测电路中接收启动线圈的感生电压，以计算启动阶段中与电动机加速度扭矩成比例的感生电压的变化率，检查其中启动扭矩最大，以及加速度扭矩最大，当加速度扭矩开始减少时，切断三端双向可控硅开关元件。

根据本发明的实施例，当负荷扭矩和惯性不变时，启动线圈的感生电压变化率(dVs/dt)与电动机启动扭矩成比例地增加。在本发明的实施例中，相应的，启动线圈W2产生的电压通过微控制器(MCU)的输入端ADC1输入，并操作感生电压的变化率，检查在电动机启动阶段中的最大扭矩的发生时间。通过确定电动机的启动扭矩减小时间作为一个启动完成时间，切断三端双向可控硅开关元件。根据本发明的具体实施例，启动失败的情况能够尽可能减少，兼容性也能大大增加，由于应用于所有类别的电动机不考虑电动机的标准和种类。此外，根据本发明的具体实施例，经由执行一个通过比较感生电压强度和比较启动完成后线电压和三端双向可控硅开关元件两端电压相位的重新启动步骤，相应地实现了更快捷和精确的重新启动，由脉冲产生反向运行被纠正了，并且能够实现瞬时正向/反向旋转。

附图说明

图1是表明根据本发明的一个实施例的应用有电子继电器的单相感应电动机驱动电路的电路图。

图2是表明根据本发明一个实施例的微控制器(MCU)控制启动操作的流程图。

图3是表明本发明的一个实施例的微控制器(MCU)比较感生电压强度以控制重新启动操作的流程图。

图4是根据本发明的一个实施例的微控制器(MCU)比较线电压和三端双向可控硅开关元件的两端电压的相位以控制重新启动操作的流程图。

图5是说明根据本发明另一个实施例的通过应用电子继电器在一个不具有电容器的分相电动机上启动和重新启动操作的流程图。

本发明的优点、特点等方面将根据下面的具体实施方式结合附图进行详细说明。然而，下面的具体实施方式仅仅是举例阐述本发明，不应当被解释为其限定于下文中对实施方式的详述内容。

具体实施方式

现参考本发明的优选实施例进行详细阐述，这些例子将参照附图进行说明。只要有可能，同样的附图标记被用于整套附图中指向同一个或相似的部件。

图1是表明根据本发明的一个实施例的应用电子继电器的单相感应电动机的的驱动电路的电路图。

参照附图1，单相感应电动机200包括一个转子和一个定子。运行线圈W1和启动线圈W2绕在转子上。对于电容式启动电动机，启动电容器Cs与启动线圈W2串联连接。

根据本发明实施例的继电器100，包括一个功率半导体开关装置110，一个微控制器(MCU)130和一个控制电路120。功率半导体开关装置110串联连接在启动线圈W2上兵控制(例如，断开和连通)流经启动线圈W2的电流。微控制器130控制根据计算得到启动扭矩的电压变化率(有启动线圈W2产生)的控制算法控制启动功能。控制电路120识别电动机线路L1和L2的电压，同时启动线圈W2的感生电压提供给微控制器130的识别电压。当启动通过向单相感应电动机200供应电源而完成时，电子继电器100与启动线圈W2从电源线路L1和L2中断开连接。在电动机运行时，继电器100识别由启动线圈W2生成的电压强度或者在线电压和半导体开关装置的两端电压之间相位差，且当必要时控制重新启动。

在本发明的一个实施例中，功率半导体开关装置110采用一个无缓冲的三端双向可控硅开关元件(traic)Q1。如图1所示，三端双向可控硅开关元件Q1的第一端口M1连接在启动电容器Cs上，三端双向可控硅开关元件Q1的第二端口M2连接在启动线圈W2上。三端双向可控硅开关元件Q1的栅极端口，连接在晶体管Q2上，该晶体管用于根据微控制器130的输出OUT1，通过电阻R7产生触发信号进行开启/关闭。

此外，控制电路120包括一个感应电压检测电路122，一个窗式比较电路124，一个放电电路126和一个电源电路128。感应电压检测电路122降低启动线圈W2引发的电压并且连接降低的电压至微控制器130的输入端ADC1。窗式比较电路124检测三端双向可控硅开关元件Q1的零点电压并提供检测到的电压和电流至微控制器130的第一输入端IN1。放电电压126提供一个用于启动电容器Cs的放电路径。电源电路128向继电器100的内部电路提供电源。

感应电压检测电路122设定为带有电压降低电阻R8和R9。如图1箭头方向所指，放电电路126设定为闭合回路，其包括与启动电容器Cs一端串联连接的运行线圈W1、与运行线圈W1串联连接的第一电阻R1、与第一电阻R1串联连接的第十电阻R10以及第二二极管D2，其中第二二极管D2的一端与第十电阻R10串联连接，并且第二二极管D2的另一端与启动电容器Cs的另一端串联连接。这样的放电电路126逐渐地对启动电容器Cs的电压进行放电和充电。由于电源电路126是一个普通电路，其详细的描述被省略了。

如图1所示，窗式比较电路124包括电压降低电阻R3和R4，电压降低电阻R5和R6，以及比较器U1。电压降低电阻R3和R4降低三端双向可控硅开关元件Q1两端的电压并将降低的电压连接至比较器U1的正极端(+)。电压减低电阻R5和R6降低电源电压VCC并将降低后的电压连接至比较器U1的负极端(-)。比较器U1比较三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压，输入至正极端(+)，负极端(-)的参考电压输出比较结果至微控制器130的第一输入端IN1。连接在比较器U1的负极端(-)的可变电阻R6，与微控制器130的第二输出端OUT2连接，从而负极端(-)的参考电压可根据微控制器130的第二输出端OUT2改变。在本发明的一个实施例中，当三端双向可控硅开关元件Q1切断时，微控制器通过第二输出端OUT2，输出一个用于检测线路L1和L2的零点电压的第一参考电压至比较器U1负极端(-)；并且当三端双向可控硅开关元件Q1连通时，其通过第二输出端OUT2，输出一个用于检测启动线圈电流零点电流的第二参考电压至比较器的负极端(-)。在这里，由于比较器U1根据微控制器130的控制使用了用于检测零点电压的第一参考电压和用于检测零点电流的第二参考电压，其设定了窗式比较电路124以及三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压的输入电路。

此外，根据本发明的一个实施例，用于执行固有算法的微控制器130包含数字输入端、数字输出端、模拟输入端、模拟输出端、电可擦可编程序只读存储器(EEPROM)，以及定时器。在本发明的一个实施例中，如下表1所列，微控制器130控制与控制电路120连接的总体操作。

表1

数字	端口名称	信号特性	功能
				1	IN1	数字输入	接收比较器U1的输出
2	IN2	数字输入	检测分相启动电动机的线电压相位
				3	ADC1	模拟输入	输入启动线圈感生电压
4	OUT1	数字输出	控制三端双向可控硅开关元件的栅极(连通/断开三端双向可控硅开关元件)
				5	OUT2	模拟输出	控制比较器U1的参考电压

参见表1，微控制器130通过第一输入端IN1接收比较器U1的输出，并且通过第二输入端IN2检测线电压相位。微控制器130通过输入端ADC1接收由启动线圈W2产生的电压，通过感应电压的变化率得到启动扭矩以确定启动完成时间。微控制器130通过第一输出端OUT1检测零点电压/电阻便于有效控制三端双向可控硅开关元件Q1的栅极。

电子继电器100通过控制电路120和微控制器130的有机连接操作，从而，为了简便起见，其操作将参照图2至5如下进行描述。

图2是说明根据本发明一个实施例的微控制器控制启动操作的操作流程图。

参见附图2，当用于驱动电动机200的线电源在最初阶段被开启，电源电路128提供电源电压VVC至继电电路，微控制器130确定电动机200是否是一个电容式启动电动机或一个分相启动电动机，根据连接有启动电容器Cs。当电动机200是一个电容式启动电动机，电动机200通过第二输出端OUT2输出第一参考电压作为比较器U1的参考电压。当三端双向可控硅开关元件Q1关闭时，第一参考电压是用于检测电动机线电压零点电压的参考电压，在操作步骤S201和S202中。

三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压通过电阻R3和R4被降低，变成比较器U1的输入电压，电源电压VVC根据微控制器130的输出端OUT2的分流电压变成第一参考电压。比较器U1的输出被输入至微控制器130的输入端IN1。

微控制器130通过输入端IN1识别比较器U1的输出信号，检查三端双向可控硅开关元件Q1两端的零点电压，一个触发脉冲信号被输出至输出端OUT1用于控制三端双向可控硅开关元件Q1的栅极G。当栅极电流通过晶体管Q2和电阻R7(其形成用于控制三端双向可控硅开关元件Q1的栅极G的控制电路)被应用在三端双向可控硅开关元件Q1的栅极G上时，三端双向可控硅开关元件Q1被在零点电压处开启。相应的，由于电流相位超前于运行线圈W1流向启动线圈W2的相位，基于因此产生的相位差的转动功率开始，在操作步骤S204和S205中。在这里，在本发明的实施例中，由于三端双向可控硅开关元件Q1在零点电压状态被开启，三端双向可控硅开关元件Q1和外围电路能够从脉冲电流中得到保护。

当高于触发电压的脉冲被施加在三端双向可控硅开关元件Q1的栅极G上，三端双向可控硅开关元件Q1被开启。当电流在端口M1和M2之间流动时，三端双向可控硅开关元件Q1连续保持开启状态。当端口M1和M2之间的电流变得低于维持电流时，三端双向可控硅开关元件Q1关闭。相应的，当交流电(AC)电流在端口M1和M2之间流动时，由于三端双向可控硅开关元件Q1是再次在零点电流位置处在操作特性电流(由交流电的没半个周期所产生)下关闭，三端双向可控硅开关元件Q1的栅极G应当再次在维持三端双向可控硅开关元件Q1开启状态的时间触发。

在电子继电器100中，相应的，当电动机200开启时，窗式比较电路124在每半个周期中改变了微控制器130的信号，其中启动线圈电流接近零点电流。因此，微控制器130通过输出端OUT1和晶体管Q2将触发电流应用在三端双向可控硅开关元件Q1的栅极G上，以维持三端双向可控硅开关元件Q1的开启状态，在操作步骤S206至S209中。在无缓冲三端双向可控硅开关元件Q1的控制中，尤其是三端双向可控硅开关元件的栅极电流强度是一个改进三端双向可控硅开关元件固有特性(dV/dt(变换))的重要因素。因此，在本发明的一个实施例中，通过预测启动线圈电流的零点电流和应用一个足够的栅极电流在三端双向可控硅开关元件Q1上，仅用于一个某一延迟时间，电子继电器100能够稳定地控制三端双向可控硅开关元件，当最小化其内部能耗时。

就是说，三端双向可控硅开关元件Q1根据元件特性和外围温度在端口M1和M2(三端双向可控硅开关元件Q1的主要接触点)之间在每半个周期时改变，其中启动线圈电流超过零点电流，在启动状态时，其中电压变化范围在1.0至1.5伏之间。相应的，电子继电器100通过三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压变化率预测启动线圈电流的零点电流时间，并且其应用一个足够的电流量在三端双向可控硅开关元件Q1的栅极G上，用于最小化延迟时间，以便于在预测时间内有效控制三端双向可控硅开关元件Q1。

在图1中，当三端双向可控硅开关元件Q1在开启状态时，三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压通过电阻R3和R4降低，变成比较器U1正极端(+)的输入电压。电阻R5和R6设定比较器U1负极端(-)的参考电压。比较器U1比较正极端(+)输入电压与负极端(-)的参考电压，易识别三端双向可控硅开关元件Q1相位变换(即，电动机启动前线电压达到零点电压所用时间，以及启动线圈电流在启动过程中达到零点电流所用时间)，通过输入端IN1提供识别结果至微控制器130。在这里，最快速地预测启动线圈电流达到零点电流所用时间和所用时间的变化段对于三端双向可控硅开关元件Q1的控制显然会更有效。在本发明的一个实施例中，通过使用电阻R6作为一个可变电阻，微控制器130根据启动线圈电流在交流电源每半个周期的相位变换，调节比较器U1负极端(-)的参考电压上限和下限。

此外，当变阻器VD，其中操作电压是与非重复性峰值关闭状态电压保持一致，当电动机200运行时，并联连接在三端双向可控硅开关元件Q1的两个端口M1和M2，三端双向可控硅开关元件Q1和外围电路能够从三端双向可控硅开关元件Q1两端的噪音(例如，浪涌电压和脉冲电压)中得到保护，并且为启动电容器电压充电。

当单相感应电动机200开始启动以及转子开始转动，在转子线圈中由电流产生磁通量，以及由磁通量在启动线圈W2中感应产生电压。感生电压与角速度成比例地增加，随后当电动机200接近启动完成的同步速度时，感生电压变成恒定。在本发明的一个实施例中，启动线圈W2的感生电压通过感生电压检测电路122中的电阻R8和R9，输入至微控制器130的模拟输入端ADC1，通过微控制器130的模拟-数字变换器转变为数字化值。数字化转换的感生电压被存储在微控制器130的闪存中。

微控制器130计算与电动机200的加速度成比例的感生电压变化率，以检查电动机启动扭矩最大的时间，当电动机200的启动扭矩开始迅速减少时，微控制器130通过电阻R7和晶体管Q2来关闭三端双向可控硅开关元件Q1而限制三端双向可控硅开关元件Q1的栅极电流，从而在操作步骤S210至S213中阻断启动线圈W2。在电动机中，一般最大启动扭矩发生在角速度达到同步速度70％至80％的时候。

根据本发明的一个实施例，电动机扭矩、负载扭矩、加速度扭矩和感生电压变化率(dVs/dt)之间的的关系将根据如下确定。下述的说明将会基于用于检测最大必要扭矩的方法，用于在单相感应电动机的启动阶段中开始控制。

在启动阶段应用在定子的运行线圈W1和启动线圈W2上的电流，产生一个转动磁场。当转动磁场通过转子时，转子中产生一个电压，以及通过转子的电压在转子中产生电流。在这里，磁场也在转子的外围产生，启动线圈W2通过磁场生成一个电压。其中，感生电压(Vs)同样被称为速度电压，由于感生电压(Vs)的强度与转子的角速度(ω)成比例。

一般的，电动机扭矩正比于负荷扭矩和加速度扭矩的总和，如下面公式(1)所表示的。

电动机扭矩＝负载扭矩+加速度扭矩

加速度扭矩＝J×(dω/dt)＝(dVs/dt)    (1)

其中，dJ/dt＝O，ω＝Vs，ω是角速度，J是惯性力矩，Vs是速度电压，以及dVs/dt时速度电压变化率。

相应的，当负载扭矩和惯性力矩恒定时，电动机的启动扭矩与加速度扭矩或电动机200的感生电压变化率成比例增加。微控制器130通过输入端口ADC1接收启动线圈W2生成的电压，以计算感生电压变化率，从而当电动机200在启动时，最大扭矩的发生时间能够被检查出。相应的，电动机200的启动扭矩减少时间也可以被正确地识别出。

定子磁场(Φ)与定子电压或电动机电压成比例地增加，如以下公式(2)所表示。

转子感生电压(E)与定子磁场强度和转子速度(N)成比例。

E＝KφN＝kVN    (2)

如上所述，如果假定启动线圈W2的感生电压(E’)与转子磁场(Φ’)和转子速度(N)以及一个基于电动机结构而固定的特定常数(k)成比例，启动线圈感生电压(E’)如下列公式(3)所表示。

E’＝kΦ’N＝kEN＝K²VN²，

N²＝(1/k²)(E’/V)    (3)

相应的，电动机的速度(N)(即转子角速度(N))与(“启动线圈感生电压/电动机线电压”)的平方根成正比，如下列公式(4)所表达。如下所述，通过监测启动线圈的感生电压，可以控制重新启动。

$N=\sqrt{E^{\′}/V}---\left(4\right)$

图3是根据本发明的实施例，微控制器比较感生电压强度以控制重新启动的操作流程图。

图4是根据本发明的实施例，微控制器比较线电压相位和三端双向可控硅开关元件的两端电压的相位用以控制重新启动的操作流程图。

参见图3，在电动机200启动完成之后，微控制器130通过输入端ADC1接收与角速度成比例的启动线圈感生电压(E’)，用以在电动机200正常运行时执行监测，在操作步骤S301和S302中。微控制器130持续检查感生电压强度(E’)。当感生电压强度更接近，锁定转子速度的感生电压时，微控制器130确定电动机200的速度变得接近于锁定转子速度，微控制器130通过上述操作步骤，控制三端双向可控硅开关元件Q1以执行重新启动，在操作步骤S303和S304中。

感生电压和电源电压的矢量和交叉穿过三端双向可控硅开关元件Q1的两端。因此，在正常运行状态中，三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压的相位落后于电源电压的相位。在电动机200的停止(即锁定)状态时，因为相位差最小化，微控制器130可以累积地存储三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压与线电压之间相位差，随后可以检查相位差的变化以执行重新启动。

参见图4，微控制器130通过输入端NI1检测三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压的相位，通过输入端IN1检测线电压的相位，因此根据三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压和线电压之间的相位差确定是否要重新启动，在操作步骤S311至S314中。例如，微控制器130持续识别到三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压和线电压之间的相位差，然后当两个电压之间的相位差减小到小于某个特定值的时候，微控制器引发三端双向可控硅开关元件Q1的栅极进行重新启动。

当三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压的相位领先于线电压的相位时，微控制器130可以确定正向/反向线路的开关或者由脉冲产生反向运行，并可以重新启动。就是说，当正向/反向线路被开关时，不产生电弧的瞬间正向/反向旋转将可被执行。当一个不期望的反向运行由于电弧产生时，微控制器130可以恢复电动机200的运行并促进运行。

图5所示是根据本发明的实施例，在不带有启动电容器的分相电动机上应用电子继电器启动和重新启动操作的流程图。

在重新启动阶段是很难检测启动线圈W2的感生电压的，因为分享电动机并不采用启动电容器，因此分相电动机难以检查启动扭矩最大的时间，在电容式电动机的方法中，预测一个启动完成时间。相应的，当电子继电器100是应用于分相电动机时，一个锁定转子电流比运行电流大5至7个数量级。当启动完成后，微控制器130控制三端双向可控硅开关元件Q1，在电流快速减小的时刻，从而电动机线电压和启动线圈电流之间的相位差快速增加。

参见附图5，在分相电动机的例子中，根据线圈方案，当三端双向可控硅开关元件Q1开启且电动机200开始启动时，在电动机线电压和启动线圈电流之间产生大约20°至30°的相位差。

当电动机200的角速度在启动阶段达到70％至80％时，启动线圈电流由于启动线圈W2产生的电压而减小，从而电动机线电压和启动线圈电流之间的相位差迅速增加。因为启动线圈电流与三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压的相位同步，启动线圈电流的相位可以由三端双向可控硅开关元件Q1的两端电压检测。

相应的，微控制器130接收到比较器U1相当于三端双向可控硅开关元件Q1两端电压的输出，通过输入端IN2用来检测启动线圈W2的电流相位，并检查当启动线圈电流和线电压之间相位差增加的时间。当相位差的变化变低时，微控制器130预测启动完成以关闭三端双向可控硅开关元件Q1在一特定的延迟时间之内，在操作步骤S401至S405中。就是说，启动线圈电流的相位变换通过作为零点电流/电压检测电路的窗式比较电路124执行，相应于线电压相位变换的零点电压，通过电流限制电阻R12被输入至微控制器130的输入端IN2。

此外，当启动阶段没有发生超过特定时间的相位差，微控制器确定其中电动机200在启动阶段处于锁定状态，并立即关闭三端双向可控硅开关元件Q1，从而保护启动线圈W2。

尽管采用了感应电压检测的电动机速度识别方案可以应用于正常运行中的电动机200的重新启动，像电容启动式电动机，廉价的电路可以通过使用下述的相位差比较方案设定，而不需要单独的模拟-数字转换器。

也就是说，当电动机200运行时，电动机线电压和感生电压的矢量和交叉穿过三端双向可控硅开关元件Q1的两端，从而产生了相对于线电压的相位差。然而，当电动机200的角速度由于诸如锁定负载的理由减少时，三端双向可控硅开关元件Q1两端电压和线电压之间的相位差减少。相应的，三端双向可控硅开关元件Q1和线电压之间的相位差被持续检出，当两点呀之间的相位差减少到低于某一特定值的时候，微控制器触发三端双向可控硅开关元件Q1的栅极以重新启动，在操作步骤S406至S409之间。

这样，就分相电动机来说，电子继电器100在启动阶段识别电动机线电压和启动线圈的相位差，并且在运行阶段中识别电动机线电压和三端双向可控硅开关元件Q1两端电压之间的相位差，从而根据需要重新启动。

对本领域的技术人员而言，基于本发明进行各种改进和变化是显而易见的。因此，根据本发明的意图对本发明所进行的各种改进和变化，均落入附加的权利要求或相等的内容的范围之内。

Claims (16)

1.一种用于启动单相感应电动机的方法，其特征在于，包括：

接通半导体开关装置使得启动线圈中流入电流，在单相感应电动机中，运行线圈和启动线圈通过半导体开关装置并联连接；

当电流流入启动线圈时，检测与启动线圈中的转子的角速度成比例的感生电压；

接收检测到的感生电压以计算与加速度扭矩成比例的感生电压变化率，并存储计算得到的变化率；

比较存储的感生电压变化率，并确定当感生电压变化率最大的时间，以作为启动扭矩最大的时间；同时确定当感生电压变化率增加的时间和随后感生电压变化率减小的时间；以及

当感生电压变化率在测定后开始减少时，断开半导体开关装置以完成启动；

半导体开关装置是三端双向可控硅开关元件，并且

三端双向可控硅开关元件的栅极端用于在启动线圈电流的每个零点电流时间触发一个特定延迟时间，以便于有效维持三端双向可控硅开关元件的开启状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括了，在启动完成之后，当感生电压减小到低于特定值或三端双向可控硅开关元件的两端电压与电动机线电压之间的相位差减小到小于特定值的时候，重新启动电动机。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括了，在启动完成之后，当三端双向可控硅开关元件的两端电压相位领先于电动机线电压的相位时，确定由于瞬间正向/反向旋转或者外部脉冲而引起的非期望的反向运行状态，并重新启动电动机。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当单相感应电动机为分相启动电动机时，

识别电动机线电压和启动线圈电流之间的相位差，以检测出电动机线电压和启动电流之间的相位差增加的时间，并预测启动完成，当电动机在启动阶段而相位差变化变小时，在特定延迟时间内关闭三端双向可控硅开关元件，以及

识别电动机线电压和三端双向可控硅开关元件两端电压之间的相位差，当电动机处于运行阶段，而两个电压之间的相位差低于特定值时，重新启动电动机。

5.一种用于单相感应电动机的电子继电器，其特征在于，所述电子继电器包括：

一个连接在启动线圈和单相感应电动机的开始电容器之间的三端双向可控硅开关元件，用于控制流经启动线圈的电流；

感应电压检测电路，检测与电动机角速度成比例的启动线圈的感应电压；

窗式比较电路，检测三端双向可控硅开关元件的两端电压以在启动之前，检测到电动机线电压的零点电压，并且在启动阶段中检测到启动线圈电流的零点电流；以及

微控制器（MCU），在电动机线电压的零点电压处，开启三端双向可控硅开关元件，以根据窗式比较电路的信号开始启动阶段，触发三端双向可控硅开关元件的栅极在启动线圈电流的每个零点电流时间的延迟时间，用以在启动阶段中根据窗式比较电路的信号维持三端双向可控硅开关元件开启状态，其中检查开启扭矩最大，以及加速度扭矩最大，并且当加速度扭矩开始减少时关闭三端双向可控硅开关元件。

6.根据权利要求5所述的用于单相感应电动机的电子继电器，其特征在于，所述三端可控硅开关元件用于断开或连接流经启动线圈的电流。

7.根据权利要求5所述的电子继电器，其特征在于：

微控制器向窗式比较电路提供第一参考电压，用于将第一参考电压和三端双向可控硅开关元件启动前的两端电压进行比较，并且当窗式比较电路检测到零点电压时，控制三端双向可控硅开关元件的栅极开启三端双向可控硅开关元件，以及

当启动线圈中流入电流，为了使窗式比较电路检测到启动线圈在交流（AC）电源每半个周期中产生的零点电流，微控制器向窗式比较电路提供具有下一个相位的第二参考电压，用于将第二参考电压与三端双向可控硅开关元件两端电压进行比较，识别作为启动线圈电流的零点时间，应用电流至三端双向可控硅开关元件的栅极的时间，其中启动电流的相位变换已完成，以有效控制三端双向可控硅开关元件的开启状态。

8.根据权利要求5所述的电子继电器，其中电子继电器提供一个放电电路用于释放启动电容器的充电电压，以通过不带有单独放电电阻的内部电源电路以给启动电容器放电。

9.根据权利要求8所述的电子继电器，其特征在于放电电路是闭合电路，

其中闭合电路包括：

运行线圈，串联连接在启动电容器的一端；

第一电阻R1，串联连接运行线圈；

第十电阻R10，串联连接第一电阻R1；以及

第二二极管D2，与第十电阻R10和启动电容器连接，其中第二二极管D2的一端与第十电阻R10串联连接，而第二二极管D2的另一端与启动电容器的另一端串联连接。

10.根据权利要求5所述的电子继电器，其特征在于，有一变阻器，并联连接在三端双向可控硅开关元件的两端，用以保护三端双向可控硅开关元件，防止充电电压和浪涌电压或脉冲。

11.一种应用在分相启动单相感应电动机的电子继电器，其中运行线圈和启动线圈并联连接，其特征在于，电子继电器包括：

三端双向可控硅开关元件，与启动线圈串联连接用于控制根据栅极信号的电流流入；

窗式比较电路，检测启动线圈电流的相位变换；

电流限制电阻R12，检测电动机线电压的相位变化；以及

微控制器（MCU）通过窗式比较电路接收三端双向可控硅开关元件两端电压，用于检测启动线圈的电流相位，通过电流限制电阻检测电动机线电压的相位变化，检查启动线圈电流和电动机线电压之间相位差增加的时间，预判为启动阶段完成，当相位差的改变变小时，在特定延迟时间内，关闭三端双向可控硅开关元件。

12.根据权利要求11所述的电子继电器，其特征在于，所述三端双向可控硅开关元件与启动线圈串联连接用于断开或连接根据栅极信号的电流流入。

13.根据权利要求11所述的电子继电器，其特征在于，检测启动线圈电流的相位变换即为检测启动线圈的零点电流。

14.根据权利要求11所述的电子继电器，其特征在于，检测电动机线电压的相位变化即为检测电动机的零点电压。

15.根据权利要求11所述的电子继电器，其特征在于，微控制器识别“启动线圈两端电压的零电压”作为“电动机线电压的电压变换”以在电动机启动阶段中初始化内部计时器，用来提取计时器的值用于计算当检测到与交流（AC）电源每半个周期发生的“启动线圈电流相位变换”同步的“三端双向可控硅开关元件的两端电压变化率”时，电动机线电压和启动线圈电流之间的相位差，持续存储相位差的变换于闪存储器中，与当电动机启动扭矩增加时电动机锁定为检查相对快速增加以及因而电动机角速度相对快地增加从而领先电流的相位差进行比较，并关闭三端双向可控硅开关元件，以在特定操作延迟时间过去之后，断开启动线圈电路。

16.根据权利要求11所述电子继电器，其特征在于，微控制器持续识别三端双向可控硅开关元件的两端电压和电动机线电压之间的相位差，并触发三端双向可控硅开关元件的栅极，用以当两电压之间相位差减少至低于特定值时重新启动。

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