CN1023277C - 电压控制式电子继电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单相感应电动机起动用的电子继电器。由于在其中的与非门电路中采用了正反馈，加强了输入信号，使得这种继电器的磁滞幅度可以在75伏的范围内加以调整，从而使得这种继电器能适应各种市电波动而正常地工作。这种继电器是利用起动绕阻两端的感应电压信号来起动电动机并保持电动机稳定运转的。

Description

本发明涉及一种单相感应电动机起动用的电压控制式电子继电器，特别是一种对基于晶体管雪崩现象的单相电动机起动用电子继电器作出改进后的静态电子继电器。
单相感应电动机的起动，从来是利用离心断路开关以及其它机械类型的电压控制式、电流控制式继电器的。本申请人的前一个专利申请（南朝鲜专利19176号，即美国专利4，605，888号），揭示了一种代替上述机械类型继电器的电子继电器，这种电子继电器是利用晶体管雪崩现象实现的。然而，这种利用晶体管雪崩现象而实现的电子继电器，具有以下缺点：由于每一批生产的晶体管的放大倍数以及雪崩电压均各不相同，因而每次必须重新设定时间常数，殊为不便。另外，确定继电器的通断电压的磁滞回线的幅度约为30伏，要使该幅度达30伏以上，十分困难。再者，当电源电压过低或过高时，不能实现电压补偿。因此造成起动特性劣化，从而产生一系列问题。
本发明的目的是提供一种具有自动电压补偿作用的，且磁滞回线幅度高达75伏的改进型的电子继电器。
本发明所述的电压控制式电子继电器，适用于单相感应电动机的起动。电动机的起动绕阻经由起动电容及一个三端双向可控硅开关元件而和市电接通。由一个整流电路供电的触发电路，包括一个晶体三极管和串接于所述三极管集电极的脉冲变压器初级绕阻，该变压器次级绕阻并接于前述双向可控硅之栅极和阳极之间。另外，电动机起动绕阻两端的交流电压信号，被送入一电压检测回路进行检波、分压后，再将检波所得直流信号送入一个包括两个与非门的磁滞调整电路，加于第一个与非门的输入端。从与第一个与非门串接的第二个与非门的输出端引出正反馈信号，回授至第一个与非门的输入端。复从第一个与非门的输出端取出信号，馈送至一个振荡回路。所述振荡回路亦由两个串接的与非门构成，且设有负反馈回路。其中第二个与非门的输出端，和前述触发电 路中的晶体三极管的基极连接。
在电动机起动时，市电被加到串接在一起的起动电容和起动绕阻上。起动绕阻两端的分压，被送至电压检测回路，检波后所得半波直流信号，经电容滤波后，被馈送至磁滞调整电路，经由一个可变电阻而加于该电路中第一个与非门的输入端。所述可变电阻起到了调节磁滞幅度的作用。由于起动时由电动机起动绕阻所获得的电压信号为低电平信号，故磁滞调整电路的输入端亦为低电平信号，它和振荡回路相连的输出端为高电平，因而振荡电路起振，在脉冲变压器中产生脉冲信号，触发可控硅使之导通。于是，使得电动机起动绕阻中的电流增加，电动机转速上升。当电动机达一定转速时，前述磁滞调整电路输入端呈高电位，因而使得可控硅截止，起动绕阻即被切离，使电动机投入正常运行。
正常运行时，磁滞调整电路中的正反馈起到了电气自锁的作用。如果电动机因为过荷以致转子停止转动，则起动绕阻又恢复到初始状态，其低电平输出信号将解除磁滞调整电路的自锁，因而可控硅又被触发而导通，再次起动电动机。
此外，各门电路的电源供电回路中，接有一个限制过电压的齐纳二极管。由于该供电回路是从前述整流电路获得直流半波电压的，因此，当电动机的电源电压波动时，各门电路的电源供电亦随之波动，使得磁滞调整电路输入端的电平亦随之增减，因此起到了电压补偿作用。
本发明所述电压控制式电子继电器，由于在磁滞调整电路中采用了正反馈，增强了输入信号，因此使得磁滞回线幅度增宽至75伏，相当于电源电压（110伏）的一半以上，这是机械类型的离心开关所不能实现的。这样，就大大改善了电动机的起动特性，使得电动机在波动很大的恶劣供电条件下亦能正常运行。另外，由于
Figure 891064613_IMG2
电弧花产生，不受安装地点条件的限制，使得本电子继电器成为一种具有半永久性寿命的单相感应电动机起动用的继电产品。
以下将按照诸附图，详细说明本发明所述电子继电器的结构及工作原理。
图1为本发明所述电子继电器的原理电路图;
图2为本发明的另一实施例，其中采用了非门;
图3为本发明的又一实施例，其中采用了与非门及光耦合器;
图4为本发明的又一个实施例。
图中：T1-T4为引出端子;TRIAC为三端双向可控硅开关元件;PC为脉冲变压器;BD为二极管桥式整流回路;SCR为可控硅;PHC为光耦合器;M1-M4以及N1-N4为与非门;G1-G4为施密特非门;TR为晶体三极管;D1-D3为晶体二极管;ZD为齐纳二极管;C1-C6为电容器;R1-R12为电阻;SC为起动电容器;W1和W2为电动机的工作绕阻;W3为起动绕阻;MT为电动机;①-⑥为电动机的引出端子;L1和L2为电源端子。
见图1，电源电压是加在引出端子T1和T4之间的。该电压经由二极管D2、滤波容器C4组成的整流电路（7）整流，变为直流电压。在端子T1和T2之间接有一个三端双向可控硅开关元件，上述直流电压，一方面经由电阻R9而向所述双向可控硅的门触发器用脉冲变压器PC之初级绕阻供电，另一方面经分压电阻R7、R8分压，获得预定的直流电压后，复经电容器C2滤波，产生各与非门M1-M4的供电电压。此外，还设有齐纳二极管ZD，以防止过电压。分压电阻R7、R8，电容C2以及齐纳二极管ZD构成一电源供电回路（8）。由端子T2引线串接一个起动电容器SC后，复接至单相感应电动机的起动绕阻W3，绕阻W3的另一端和端子T4以及电源端子L2相接。起动绕阻W3两端的两个端子T3和T4之间，串接着一个二极管D1和两个电阻R1、R2，二电阻中间复接一电容器C1，对信号电压进行滤波。二极管D1和分压器R1R2构成一个信号电压检测电路（9）。由R1R2的中点取得的信号电压，经由磁滞幅度调节用的串接电阻R3而加至与非门M1的输入端。与非门M2的输出端，经由一个串接电阻R4而接至与非门M1的 输入端，形成正反馈，从而增加了磁滞的幅度。电阻R3、与非门M1M2以及和二与非门并联的反馈电阻R4构成一磁滞调整电路（10）。
另外，与非门M1的输出端又和与非门M3的输入端相接。串接在一起的与非门M3及M4，由电容器C3和电阻R5引起负反馈，构成振荡回路（11），其输出端串接限流电阻R6后，和晶体三极管TR之基极相接。所述电阻R6、R9，晶体管TR以及脉冲变压器PC之初级，构成一触发电路（12）。
图2所示实施例，其构成完全和图1的实施例一样，差别只在于：其中采用的门元件是磁滞幅度较大的施密特非门元件;其振荡回路中增加了二极管D3和电容器C3，而倒相器G3具有负反馈电阻R5。
图3所示实施例，其电源供电回路以及磁滞调整电路均与图1的实施例相同，唯有三端双向可控硅元件的触发方式不同。其中采用了二极管桥式整流器BD，将交流触发信号输入双向可控硅的栅极，复于栅阴回路中接有限流电阻R10。而在桥式整流器BD的直流侧，并接有一个可控硅SCR和一个串接有电阻R12的光耦合器PHC，所述光耦合器的发光二极管和与非门N4的输出端连接，与非门N4和N3串接在一起，而N3的输入端是和N2的输出端相连的。
图4所示实施例中，电源供电回路、电压检测回路以及磁滞调整电路均与第1图的实施例一样，其不同之处在于：三端双向可控硅元件的栅极和阳极之间，接有并联在一起的电阻R10和电容器C6，其上还并接有脉冲变压器PC的次级绕阻，脉冲变压器的初级绕组一端接地，另一端经电容器C5而接至与非门M4的输出端，藉此传递M4的输出信号，来对双向可控硅TRIAC进行控制。
结合以上电路结构的说明，现在来说明本发明所述电子继电器的动作原理。
单相感应电动机有两个工作绕阻W1、W2以及一个起动绕阻W3，其中起动绕阻W3只是在电动机起动的瞬间通电，提供起动力矩，起动完毕进入正 常运转后，该绕阻W3即切离，这是众所周知的。我们把起动前接通绕阻W3而起动后切断流入起动绕阻W3的电流的装置，称作为离心断路开关或者叫起动继电器。
在这种装置中，依靠和电动机的速度成比例而动作的离心力装置来接通并切断起动绕阻的电流的开关，叫作离心力开关或调速开关;利用起动绕阻的端压随电动机转速的增加而增加这一特性，取起动绕阻两端的感应电压作为信号电压，来接通或切断起动绕阻电流的装置，则称为电压控制式电子继电器。
图1所示实施例，是经常使用的110伏/220伏通用单相感应电动机的配线图。其中W1、W2为工作绕阻，①-④为工作绕阻引线端子，而⑤及⑥为起动绕阻W3的引线端子。加于端子L1和L2的电源电压，经端子T1和三端双向可控硅元件TRIAC，以及接于端子T2的起动电容器SC而加在起动绕阻W3上，起动绕阻的引线端子⑥和端子T4及L2相连。
这样，接通电源后，电源电压就加在串接于端子T1和T4之间的起动电容器SC和起动绕阻W3上，并按照电抗比例而形成分压。起动绕阻W3两端的分压，由端子T3、T4取出，经二极管D1整流，加在分压电阻R1、R2上，於是在电阻R2两端形成了半波直流电压，复由电容器C1进行滤波后，经由串接的磁滞幅度调节电阻R3而加至与非门M1的输入端。为了使电阻R2的端压为予定值，电阻R1采用可变电阻。在起动前，由于电阻R2的端压很低，与非门M1的输入端呈低电平状态，因此其输出端呈高电平。这使得由与非门M3、M4以及电容器C3和电阻R5构成的振荡回路进入动作状态，振荡回路的输出端经电阻R6而接至晶体三极管TR的基极，使该三极管不断地导通及截止，于是在双向可控硅TRIAC触发用脉冲变压器PC中产生一系列脉冲信号，使得所述双向可控硅TRIAC导通，起动电流即流入起动绕阻W3中，电动机即起动，并越转越快。
当电动机的转速达到额定转速的70%左右时，在电源电压为110伏的场合下，起动绕阻两端的感应电压即上升到约125伏。这时，由于与非门M1 的输入端变为高电平，其输出端就变为低电平。振荡回路的输入端既然变成低电平，它就停止振荡，因此双向可控硅TRIAC也截止，流入起动绕阻的起动电流即被切断，电动机进入正常运行状态。
在电动机正常运行状态下，与非门M1的输出端呈低电平，因此与非门M2的输入端亦为低电平，而其输出端呈高电平，该高电平信号经由串接电阻R4而反馈至与非门M1的输入端，形成电气自锁状态。
然而，一旦电动机的负荷过重，以致转子无法转动时，起动绕阻W3两端的电压又恢复为原状，亦即仅仅取决于电源电压本身，下降为约50伏左右。这时，电阻R2上的分压亦下降，使得与非门M1的输入端亦变为低电平，解除了磁滞调整电路的自锁状态，使得与非门M1的输出端再度变成高电平，使振荡回路起振，双向可控硅TRIAC再次导通，电动机再次起动。
如上所述，本电子继电器的磁滞幅度是由50伏至125伏，约为75伏，幅度甚宽。因此，即使在电源电压过低或过高的场合，亦即在电压波动率甚大的恶性电源设备的场合下，起动装置亦能正常起动，实现安全运转。这一特征使得本电子继电器成为一种几乎可以说是完美的起动继电器。
此外，电源供电回路是从由二极管D2及电容器C4构成的整流滤波电路获得半波直流电压的，该电压一方面作为脉冲发生电源向双向可控硅触发用脉冲变压器供电，另一方面由电阻R7、R8分压，并由电容器C2滤波后，送入各门元件的电源供电回路。供电回路中的齐纳二极管ZD起到了限制过电压的作用，使得市电电源电压异常时，各门元件的电源电压被限制於15伏。在正常情况下，分压电阻R7、R8的电阻值取为这样，使得门元件的电源电压为6伏左右。当电动机的电源电压变动时，各门元件的电源电压也一起成比例地变化，使得磁滞调整电路中的与非门M1的基准输入电压亦随之增减，因而本电子继电器具有自动压补偿的特性。
图2所示实施例，在磁滞调整电路和振荡回路中采用了施密特非门元件。除此以外，图1和图2所示电压控制式继电器，在起动绕阻的电压输入回路、 电压检波回路、磁滞幅度调整电路以及其动作状态保持电路、振荡回路、以及双向可控硅的开关触发电路等部分均完全相同。
图3所示实施例中，在信号的检测、鉴别以及反馈回路、磁滞调整电路等方面，均与图1所示实施例相同。当电动机起动完毕，起动绕阻中的感应电压上升时，与非门N1的输入端变成高电平，而其输出端变为低电平，因而与非门N2的输入端变为低电平，而其输出端呈高电平。复经与非门N3和N4的放大及倒相，使得N4的输出端亦呈高电平，因而使得光耦合器PHC动作，可控硅SCR截止，从而使得双向可控硅TRIAC亦截止，切断起动绕阻的电流，进入正常运行状态。
其中可控硅SCR的阳极上串接着两个二极管，目的是为了改善可控硅SCR的截止特性。在与非门N3和N4之间设置的接地电阻，当门元件输出电平变换时，起到了增加稳定性的作用。在二极管D1和电阻R1之间设置的接地电容，能防止电动机起动时从外界侵入的干扰信号引起误动作。与非门N1与N2之间设置的接地电容，具有滤波作用，能稳定信号输入电压。
图4的实施例中，与非门M4的高频输出信号，经由耦合电容C5而直接加到脉冲变压器PC的初级绕阻上，而在其次级绕阻上形成的低压高频信号，用来触发双向可控硅TRIAC，其中与次级绕阻并联的保护电容器C6以及电阻R10，起到了保护双向可控硅的栅极的作用。该实施例所示电路的特征在于双向可控硅的触发方法，其中除去了图1中的晶体三极管TR、电阻R9和电容器C4，使得电路得到了简化。

Claims (4)

1、一种采用三端双向可控元件的、单相电动机动用电压控制式电子继电器，带有一个起动绕组(W3)，所述绕组(W3)与一个双向可控硅相串联，向所述电动机馈送的交流电源加在其串联支路上；带有一加在所述流电源上的辅助电源(7、8)，包括由二极管D2及电容器C4所构成的整流电路(7)，以及由为了向起动电路提供一个稳定的电源而设的分压器(R7、R8)、一个齐纳二极管(ZD)和一个滤波电容C2所组成的供电回路(8)；带有一个信号电压检测电路(9)，它包括与所述起动绕组(W3)并联的、由一二极管(D1)和一电压分压器(R1R2)构成的一个串联电路；带有一个双向可控硅的触发电路(12)；其特征在于：在所述检测电路(9)的分压器(R1R2)的分压处联接一个滤波电容(C1)和一个磁滞调整电路(10)，该电路(10)包括一个可调电阻R3、两个串接的与非门(M1、M2)，以及一个和所述二串接与非门并联的反馈电阻(R4)；所述二与非门(M1、M2)的连接处，又接有一个振荡电路(11)，该电路(11)由两个串接的与非门(M3、M4)以及一电容(C3)和一电阻(R5)构成；所述振荡电路(11)的输出端和所述触发电路(12)的输入端相联，所述触发电路(12)由电阻(R6)(R9)、晶体管(TR)以及脉冲变压器(PC)的初级绕阻所组成，所述电阻(R9)和前述整流电路(7)相联；所述脉冲变压器(PC)的次级绕阻和所述双向可控硅相联。
2、一种采用三端双向可控元件的、单相电动机动用电压控制式电子继电器，带有一个起动绕组（W3），所述绕组（W3）与一个双向可控硅相串联，向所述电动机馈送的交流电源加在其串联支路上;带有一加在所述流电源上的辅助电源，包括由二极管D2及电容器C4所构成的整流电路，以及由为了向起动电路提供一个稳定的电源而设的分压器（R7、R8）、一个齐纳二极管（ZD）和一个滤波电容C2所组成的供电回路;带有一个信号电压检测电路，它包括与所述起动绕组（W3）并联的、由一二极管（D1）和一电压分压器（R1R2）构成的一个串联电路;带有一个双向可控硅的触发电路;其特征在于：在所述信号电压检测电路的分压器（R1R2）的分压处联接一滤波电容（C1）和一个磁滞调整电路，该电路包括一个可调电阻R3、两个串接的施密特非门元件（G1、G2），以及一个和所述二串接非门并联的反馈电阻（R4）;所述二非门（G1、G2）的连接处，又接有一个振荡电路，该电路由两个串接的施密特非门元件（G3、G4）以及一电容（C3）和一电阻（R5）构成，所述振荡电路的输出端和所述触发电路的输入端相联，所述触发电路由电阻（R6）、晶体管（TR）以及脉冲变压器（PC）的初级绕阻所组成，所述脉冲变压器（PC）的次级绕阻和所述双向可控硅相联。
3、一种采用三端双向可控元件的、单相电动机动用电压控制式电子继电器，带有一个起动绕组（W3），所述绕组（W3）与一个双向可控硅相串联，向所述电动机馈送的交流电源加在其串联支路上;带有一加在所述流电源上的辅助电源，包括由二极管D2及电容器C4所构成的整流电路，以及由为了向起动电路提供一个稳定的电源而设的分压器（R7、R8）、一个齐纳二极管（ZD）和一个滤波电容C2所组成的供电回路;带有一个信号电压检测电路，它包括与所述起动绕组（W3）并联的、由一二极管（D1）和一电压分压器（R1R2）构成的一个串联电路;带有一个双向可控硅的触发电路;其特征在于：所述信号电压检测电路的输出端接至与非门（N1）输入端，与非门（N1）又和与非门（N2）串接，而与非门（N2）的输出端又接至一振荡电路所包括的二串接与非门（N3、N4）中（N3）的输入端，所述与非门（N4）输出端接至一光耦合器（PHC），所述光耦合器（PHC）经一可控硅（SCR）而控制所述双向可控硅TRIAC，所述可控硅（SCR）的阴极上串接有两个二极管，在与非门（N3、N4）之间设置有一接地电阻，与非门（N1、N2）之间设置有一接地电容，而在所述信号电压检测电路的二极管（D1）和电阻（R1）之间设置有一个接地电容;所述三端双向可控硅的栅极接受来自一二极管整流器BD的交流触发信号，且于所述双向可控硅的栅阴回路中接有一限流电阻R10，所述可控硅SCR并接于所述整流器BD之直流侧，且其阳极经一电阻R12而接至所述光耦合器PHC。
4、一种采用三端双向可控元件的、单相电动机动用电压控制式电子继电器，带有一个起动绕组（W3），所述绕组（W3）与一个双向可控硅相串联，向所述电动机馈送的交流电源加在其串联支路上;带有一加在所述流电源上的辅助电源，包括由二极管D2所构成的整流电路，以及由为了向起动电路提供一个稳定的电源而设的分压器（R7、R8）、一个齐纳二极管（ZD）和一个滤波电容C2所组成的供电回路;带有一个信号电压检测电路，它包括与所述起动绕组（W3）并联的、由一二极管（D1）和一电压分压器（R1R2）构成的一个串联电路;带有一个双向可控硅的触发电路;其特征在于：在所述信号电压检测电路的分压器（R1R2）的分压处联接一滤波电容（C1）和一个磁滞调整电路，该电路包括一个可调电阻R3、两个串接的与非门元件（M1、M2），以及一个和所述二串接与非门并联的反馈电阻（R4）;所述二与非门（M1、M2）的连接处，又接有一个振荡电路，该电路由两个串接的与非门（M3、M4）以及一电容（C3）和一电阻（R5）构成;所述振荡电路中的与非门（M4）的输出端，经一电容（C5）而耦合至所述脉冲变压器（PC）的初级绕阻上，而其次级绕阻上并接有并联保护电容（C6）及电阻（R10），次级绕阻同时并接至所述双向可控硅（TRIAC）的栅极与阴极之间。
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