CN103326632A - 单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器 - Google Patents

Abstract

一种单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器，属于单相异步电机起动器技术领域。包括微处理器单元模块、电源转换模块和无触点开关模块，电源转换模块的第一电源输入端与电机主绕组L1的引出端M连接，第二电源输入端与电机主、副绕组L1、L2的合并引出端Z连接，电源转换模块的电压信号输出端与微处理器单元模块的信号输入端连接，微处理器单元模块的信号输出端与无触点开关模块的控制信号输入端连接，无触点开关模块的第一主连接端与电机主绕组L1的引出端M连接，无触点开关模块的第二主连接端与电机的副绕组起动电路连接。节能效果明显；具有相当宽的适用范围和良好的通用程度，有利于进行大批量生产。

Description

单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器

技术领域

本发明属于单相异步电机起动器技术领域，具体涉及一种单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器，主要用于冰箱、冷柜等的制冷压缩机用单相异步电机的起动。

背景技术

单相异步电机是指用单相交流电源供电的小功率电机，它有主、副两个定子绕组，只有当两个定子绕组相互配合才能产生起动转矩，使电机起动。当电机起动后进行正常运行时，由于设计结构的不同，其副绕组可以参与工作也可以不参与工作。但大多数用于驱动冰箱、冷柜等的制冷压缩机的单相异步电机，在进入运行阶段时其副绕组都会参与工作，且在副绕组的运行电路中会串联一个运行电容以控制主、副绕组电流之间的相位差，从而提高电机的运行效率。在单相异步电机的起动过程中，为了获得足够的起动力矩，通常需要在副绕组电路中串联一个起动电容或起动电阻，使副绕组在获得足够大电流的同时还能保持其与主绕组电流之间有合适的相位差，确保电机的正常起动，这部分在副绕组电路中串联一个起动电容或起动电阻的电路通常被称为副绕组起动电路。当电机完成起动后，需要将副绕组起动电路断开以关闭其功能，使电机切换到正常工作状态。单相异步电机起动器的作用就是在电机起动时接通副绕组起动电路并保持一定时间，并在电机完成起动过程后断开副绕组起动电路。

一般地，单相异步电机起动器主要有两种形式，一种被称为重锤式起动器，另一种被称为正温度系数热敏电阻起动器，两者均需串联在副绕组起动电路中才能起作用。重锤式起动器利用电机起动时的电流远大于正常运行时的电流的特性，依靠电机起动时产生的较大的电流来吸合电磁继电器，使副绕组起动电路接通；电机起动后，随着其转速的逐渐提高，电流相应减小，这使得电磁继电器的吸合力也随之下降，最终在动触点部件自重的作用下回复到断开状态，由此，电机的起动过程结束。正温度系数热敏电阻起动器则利用正温度系数热敏电阻在温度达到居里点附近时，其电阻值趋向于无限增大的特性来实现电机起动，在电机开始起动时，正温度系数热敏电阻的阻值为其常温阻值，用于冰箱压缩机电机起动的正温度系数热敏电阻的常温阻值通常为几个欧姆，所述的正温度系数热敏电阻同时也被用作起动电阻。当副绕组起动电路接通电源时，电路中会产生较大的副绕组起动电流。在该电流的作用下，正温度系数热敏电阻迅速发热升温，阻值迅速增大，当其温度达到居里点附近时，阻值接近无限大，此时副绕组起动电路基本断开，电机起动过程结束。由于重锤式起动器使用了触点式继电器，因此具有所有触点式继电器共同存在的问题，如触点寿命有限、动作声音大、吸放时产生火花或电磁干扰等。相比较而言，正温度系数热敏电阻起动器在这些问题上表现优异，因此冰箱用压缩机电机更多地采用了正温度系数热敏电阻起动器。然而，正温度系数热敏电阻起动器也有其固有的问题，即能耗问题。在电机起动完成后，为了保持副绕组起动电路的断开状态，正温度系数热敏电阻起动器需要一个能维持其发热的电流以保证其温度继续维持在居里点附近。在普通冰箱压缩机的起动器上，这个电流在正温度系数热敏电阻上产生的功耗为3瓦左右，这对制冷功耗越来越低的冰箱来说，是个不小的能源浪费。

随着能源危机逐渐被世界各国所关注，行业内的专家开始关心正温度系数热敏电阻起动器的能耗问题。近年来，业界出现了不少技术性的改进尝试，采用双向可控硅作为电子开关，构建无触点低功耗起动器，以此来代替正温度系数热敏电阻起动器的发热式高阻值断开方式，从而可以节省用于维持副绕组起动电路处于接近断开状态所需要的正温度系数热敏电阻的发热功耗。这些无触点低功耗起动器从原理上可以大致分为三类：电子定时器式无触点低功耗起动器、小型化正温度系数热敏电阻式无触点低功耗起动器以及互感或电感电流检测式无触点低功耗起动器。

电子定时器式无触点低功耗起动器的典型代表是巴西恩布拉科公司的美国专利US5051681。该专利使用一个基于电容充电原理的电子定时器来控制串联在单相异步电机的副绕组起动电路中的双向可控硅，在电机起动之初，进行初始通电时，电子线路确保双向可控硅处于导通状态，当定时器中的电容充电完成时，双向可控硅的工作状态变为截止，副绕组起动电路被断开，电机起动完成。又如中国实用新型专利授权公告号CN202524344公开的“冰箱压缩机用无功耗起动器”，也属于电子定时器式无触点低功耗起动器这一类型，其原理是采用带有触发电路的双向可控硅来实现正温度系数热敏电阻在压缩机起动后的完全断开，达到无维持功耗的目的，但这类起动器要求在实现一次起动前必须充分放电，否则将一直处于起动完成状态而无法执行新的起动。然而，在目前市场上有相当一部分的冰箱由于设计和成本的限制，其化霜电路通过与压缩机电机的绕组线路串联来进行供电，换言之，在冰箱切换制冷周期和化霜周期的过程中，压缩机进行停机却没有完全失电。这使得压缩机在冰箱需要再次开始制冷时将无法起动，同时，在该过程中过载保护器反复工作，最终将导致保护器自身和压缩机的损坏。

小型化正温度系数热敏电阻式无触点低功耗起动器的原理是以小型化的正温度系数热敏电阻来取代原来较大尺寸的正温度系数热敏电阻，小型化的正温度系数热敏电阻能够以较小的能耗来维持其温度，并确保其处于高阻值状态，从而能够减小原来较大尺寸正温度系数热敏电阻起动器的损耗。为了使流过小型化的正温度系数热敏电阻的电流进一步变小，通常会在副绕组起动电路中串联一个双向可控硅，利用小型化正温度系数热敏电阻来控制双向可控硅的通断。这类起动器的典型代表有日本村田（MURATA）公司的美国专利US5952811以及丹麦丹佛斯（Danfoss）公司的美国专利US3696281，前者直接将小型化正温度系数热敏电阻串联在双向可控硅的触发电流回路中，通过断开触发电流回路来使双向可控硅关断，后者则将小型化正温度系数热敏电阻与普通电阻进行串联，由于正温度系数热敏电阻的阻值会随着发热发生变化，因此利用由此导致的不同的分压电压值，可以调整双向可控硅的触发电流，并最终实现双向可控硅的关断。又如中国实用新型专利授权公告号CN2731142Y公开的“一种用于制冷压缩机的PTC双向可控硅启动器”，其技术方案中的两个正温度系数热敏电阻PTC分别串联在双向可控硅的主电路和触发电路中，由此降低启动器自身的工作损耗。这类起动器虽然可以很好地完成单相异步电机的起动工作，但其不足之处在于仍然没有摆脱对正温度系数热敏电阻的依赖，发热功耗仍将达到原正温度系数热敏电阻起动器的20～30%或更高。

互感或电感电流检测式无触点低功耗起动器是比较新颖的一类无触点低功耗起动器，其典型例子是本公司的中国发明专利授权公告号CN1294694C公开的“互感式无触点起动器”，其原理是将利用电流互感器从单相异步电机的运行电路采样到的电流转换为串联在副绕组起动电路中的双向可控硅的触发电流，通过匹配双向可控硅的触发电流和电流互感器的初次级匝数，完美地实现单相异步电机的成功起动和几乎零功耗的运行。又如中国发明专利授权公告号CN100490298C公开的“无触点节能起动器”，其利用串联在电机运行电路中的电感将电路中的电流信号转换为电感两端的电压信号，再通过对该电压信号进行整流来驱动一个小功率光控双向可控硅，该小功率光控双向可控硅的作用是控制串联在副绕组起动电路中的主要双向可控硅的触发电路的通断，进而实现该主要双向可控硅的通断。这类起动器在运行电路中的电流变换比例和双向可控硅匹配良好的情况下，可以极好地实现单相异步电机的起动，并在起动完成后进行几乎零功耗的运行。但是，这类起动器也有其不足之处，就是对生产管理有相当严格的要求。每一种冰箱压缩机的单相异步电机的起动电流不尽相同，另外，双向可控硅即使是同一批次生产，它们的触发电流都有一定的变化范围，且该范围会随温度的变化而发生变化，有时甚至会超出单相异步电机起动的要求范围，因此，为了实现起动器的一致性，必须根据不同电机的起动电流的要求对电流变换比例和双向可控硅的触发电流进行严格的匹配处理，这给生产管理带来了很大的复杂性。

从业界的技术现状来看，单相异步电机的无触点低功耗起动器虽然在功耗降低方面取得了一定的突破，但仍然存在着一些难于解决的问题或欠缺之处，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器，既能很好地降低起动器在电机正常运行阶段的功耗，又能智能地检测到电机的起动需求，可靠地执行电机的起动任务，同时还不会给产品的生产带来管理上的复杂性，易于实现大批量生产。

    本发明的目的是这样来达到的，一种单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器，其特点是：所述的单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器包括进行智能起动控制的微处理器单元模块、提供系统工作所需的直流电源和电机供电电压的转换信号的电源转换模块和接收微处理器单元模块的控制信号并执行无触点开关导通和断开的无触点开关模块，电源转换模块的第一电源输入端与电机主绕组L1的引出端M连接，第二电源输入端与电机主、副绕组L1、L2的合并引出端Z连接，电源转换模块的电压信号输出端与微处理器单元模块的信号输入端连接，微处理器单元模块的信号输出端与无触点开关模块的控制信号输入端连接，无触点开关模块的第一主连接端与电机主绕组L1的引出端M连接，无触点开关模块的第二主连接端与电机的副绕组起动电路连接。

    本发明由于采用了上述技术结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：通过微处理器单元模块来控制串联在单相异步电机副绕组起动电路中的无触点开关模块的导通与断开，以此实现副绕组起动电路在电机起动完成后的完全断开；在该设计方案中，电机在正常运行时的额外功耗仅为维持微处理器单元模块运行所需要的功耗和所需直流电源本身的功耗，节能效果明显；此外，通过微处理器单元模块来判断电机的起动需求，可以避免在电机需要起动时起动器不执行起动的情况的发生；并且，微处理器单元模块仅将电源转换模块给出的电压信号作为是否执行电机起动的判断条件，该判断条件并不依赖于电机运行电路中电流值的大小和变换，因此可以不对无触点开关模块的控制信号和电机运行电路中的电流及其变换比例进行匹配处理，相反，本设计方案对单相异步电机的具体特性并不敏感，具有相当宽的适用范围和良好的通用程度，有利于进行大批量生产。

附图说明

图1为本发明的原理框图以及本发明与电机运行电路的电连接图。

图2为单相异步电机的运行电路的电原理图。

图3为本发明的无触点开关模块的一实施例的电原理图。

图4为本发明的无触点开关模块的另一实施例的电原理图。

图5为本发明的无触点开关模块的又一实施例的电原理图。

图6为本发明的电源转换模块的一实施例的电原理图。

图7为本发明的微处理器单元模块的一实施例的电原理图。

图8为本发明的一完整实施例的电原理图。

具体实施方式

    为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图1并结合图2，一种单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器，其串联在电机运行电路中，用于单相异步电机的起动，并在电机起动完成后完全断开副绕组起动电路。所述的单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器1，包括用于进行智能起动控制的微处理器单元模块11、用于提供起动器工作所需的直流电源和电机供电电压的转换信号的电源转换模块12以及根据微处理器单元模块11提供的控制信号来执行无触点开关的导通和断开的无触点开关模块13。电源转换模块12的第一电源输入端121与电机主绕组L1的引出端M连接，第二电源输入端122与电机主、副绕组L1、L2的合并引出端Z连接，电源转换模块12的电压信号输出端123与微处理器单元模块11的信号输入端111连接，微处理器单元模块11的信号输出端112与无触点开关模块13的控制信号输入端133连接，无触点开关模块13的第一主连接端131与电机主绕组L1的引出端M连接，无触点开关模块13的第二主连接端132与电机的副绕组起动电路连接。所述的电源转换模块12向微处理器单元模块11发送电机开机信号和电机供电电压的转换信号，微处理器单元模块11根据电源转换模块12提供的两电压信号智能地识别电机起动时机，无触点开关模块13接收微处理器单元模块11发出的控制信号，在电机启动完成后完全断开副绕组起动电路。

请继续参阅图2，常见的单相异步电机运行电路包括起动阻抗2、运行电容3、单相异步电机4、过热过载保护器5以及开关6，若单相异步电机运行时副绕组L2不参与工作，则在对应的电机运行电路中无需设置运行电容3。单相异步电机4的主、副绕组L1、L2的引出端分别为M和S，主、副绕组L1、L2的合并引出端为Z，主绕组L1的引出端M与运行电容3的一端以及开关6的一端共同连接到外部单相交流电源的一连接点A，副绕组L2的引出端S与运行电容3的另一端以及起动阻抗2的一端连接，起动阻抗2的另一端与开关6的另一端连接，主、副绕组L1、L2的合并引出端Z与过热过载保护器5的一端连接，过热过载保护器5的另一端与外部单相交流电源的另一连接点B连接。其中，串联在单相异步电机4的主、副绕组L1、L2的引出端M和S之间的起动阻抗2和开关6构成副绕组起动电路，起动阻抗2可以是电容器，开关6在起动之初处于导通状态，在起动完成后断开，从而将副绕组起动电路切断。在本设计方案中，所述的无触点开关模块13就起了该开关6的作用。

请参阅图3～5，示出了无触点开关模块13的三个具体实施例的电原理图。其中，图3示出的是最简单的一种实施方式，无触点开关模块13直接由一个双向可控硅实现，可用于电机起动电流较小、双向可控硅需要的触发电流也相应较小的场合。图中，第一双向可控硅Q21的T1极作为无触点开关模块13的第一主连接端131与电机主绕组L1的引出端M连接，T2极作为无触点开关模块13的第二主连接端132与电机的副绕组起动电路连接，G极作为无触点开关模块13的控制信号输入端133与微处理器单元模块11的信号输出端112连接。请继续参阅图4，是无触点开关模块13由两个双向可控硅构成的一种实施方式，通常用于电机起动电流较大、双向可控硅需要的触发电流也相应较大的场合，此时，为了降低无触点开关模块13导通所需要的触发电流，采用一个触发电流较小的辅助双向可控硅来控制直接串联在副绕组起动电路中的主要双向可控硅的动作，以降低整个起动器的工作损耗，图中，第二双向可控硅Q31为主要双向可控硅，第三双向可控硅Q32为辅助双向可控硅，第二双向可控硅Q31的G极与第三双向可控硅Q32的T1极连接，第二双向可控硅Q31的T1极与第三双向可控硅Q32的T2极连接，并作为无触点开关模块13的第一主连接端131与电机主绕组L1的引出端M连接，第二双向可控硅Q31的T2极作为无触点开关模块13的第二主连接端132与电机的副绕组起动电路连接，第三双向可控硅Q32的G极作为无触点开关模块13的控制信号输入端133与微处理器单元模块11的信号输出端112连接。请继续参阅图5，示出了由一主要双向可控硅和一光控双向可控硅构成的又一无触点开关模块13的实施方式，其构成形式及原理均与图4所示的实施例相似，不同之处在于辅助双向可控硅由原先的普通双向可控硅换成了光控双向可控硅。图中，第四双向可控硅Q41为主要双向可控硅，其T2极、G极分别与光控双向可控硅Q42的两输出端连接，其中，T2极还作为无触点开关模块13的第二主连接端132与电机的副绕组起动电路连接，第四双向可控硅Q41的T1极作为无触点开关模块13的第一主连接端131与电机主绕组L1的引出端M连接，光控双向可控硅Q42的一输入端作为无触点开关模块13的控制信号输入端133与微处理器单元模块11的信号输出端112连接，光控双向可控硅Q42的另一输入端与直流电源的正电压端VCC连接。

请参阅图6，所述的电源转换模块12包括第一电阻R51、第二电阻R52、第三电阻R53、第一电容C51、第二电容C52、第三电容C53、稳压二极管D51、第一二极管D52和第二二极管D53。稳压二极管D51的负极与第二电容C52的正极、第二电阻R52的一端以及第三电容C53的一端连接，并作为电源转换模块12的第一电源输入端121与电机主绕组L1的引出端M连接，同时作为直流电源的正电压端VCC，稳压二极管D51的正极与第一电阻R51的一端、第一电容C51的一端以及第一二极管D52的负极连接，第一电阻R51的另一端与第一电容C51的另一端以及第二二极管D53的负极连接，并作为电源转换模块12的第二电源输入端122与电机主、副绕组L1、L2的合并引出端Z连接，第二二极管D53的正极与第三电阻R53的一端以及第三电容C53的另一端连接，第三电阻R53的另一端与第二电阻R52的另一端连接，并作为电源转换模块12的电压信号输出端123与微处理器单元模块11的信号输入端111连接，第一二极管D52的正极和第二电容C52的负极相连接，并作为直流电源的接地端GND。其中，稳压二极管D51、第一二极管D52、第一电容C51、第二电容C52以及第一电阻R51构成一个最简单的非隔离式交流输入直流电源，稳压二极管D51的稳压值根据该直流电源的输出电压值而确定，第一二极管D52为整流二极管，具有半波整流功能，第一二极管D52的额定电流以及第一电容C51的大小都由直流电源所需要输出的电流确定，第一电阻R51为断电时第一电容C51进行放电所需要的放电电阻，其阻值由放电时间的长短来确定。电路的第一、第二电源输入端121、122分别连接到电机主绕组L1的引出端M和电机主、副绕组L1、L2的合并引出端Z，由此连接到直接驱动电机运行的单相交流电源，在对该单相交流电源进行稳压整流后输出直流电压，用作起动器整体工作所需的直流电源。此外，第二电阻R52、第三电阻R53、第二二极管D53和第三电容C53构成对电机主绕组L1的引出端M和电机主、副绕组L1、L2的合并引出端Z之间的交流电压进行整流分压的整流分压变换电路，其中，第二二极管D53为整流二极管。这一电路将单相异步电机上所加载的交流电压信号转换为便于微处理器单元模块11处理的低压直流信号，所述的微处理器单元模块11接收该低压直流信号，将其作为是否执行电机起动的依据之一。

请参阅图7，所述的微处理器单元模块11包括第四电阻R61和微处理器单元114，第四电阻R61的一端作为微处理器单元模块11的信号输出端112与无触点开关模块13的控制信号输入端133连接，第四电阻R61的另一端与微处理器单元114的输出端115连接，微处理器单元114的输入端117作为微处理器单元模块11的信号输入端111与电源转换模块12的电压信号输出端123连接，微处理器单元114的正电源连接端116接直流电源的正电压端VCC，微处理器单元114的电源地连接端118与直流电源的接地端GND连接。在本实施例中，所述的微处理器单元114包括微处理器芯片以及其必需的如电源电路、振荡器电路等的附属性电路，所述的微处理器芯片可以是单片机，也可以是DSP微处理器等。所述的第四电阻R61为限流电阻。微处理器单元模块11经信号输入端111从电源转换模块12获取由电机供电电压转换得到的低压直流信号，并经信号输出端112向无触点开关模块13输出对应的控制信号。此处，微处理器单元114既可以通过模数转换方式从电源转换模块12读取电机供电电压的转换信号的数字化值，也可以通过在电源转换模块12设置适当的变换比例，将电机供电电压信号转换为微处理器单元114的信号输入端111能够直接读取的高低电平值。 

请继续参阅图1并结合图8，对本发明的起动器的工作原理进行说明。图8示出了一个完整的单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器的电原理图，该起动器通过无触点开关模块13的第一、第二主连接端131、132串联到单相异步电机的副绕组起动电路中，又通过电源转换模块12的第二电源输入端122与电机主、副绕组L1、L2的合并引出端Z连接。本发明所述的起动器通过两起动条件来智能判断是否需要执行“使副绕组起动电路导通指定时间后断开”这一电机起动过程。其一，为通电之初，即电机系统初次通电即执行电机起动过程，所述的微处理器单元模块11控制所述的无触点开关模块13在导通固定时间T1后断开，以完成电机的起动过程；其二，为电机在不断电的情况下，如果其供电电压低于了某一指定值，而当该电压重新上升到另一较高的指定值时，即执行电机起动过程，具体而言，电机主绕组L1的引出端M和主、副绕组L1、L2的合并引出端Z之间的电压先降低到某一指定值以下，设此时的指定值为第一电压阈值V1，然后该电压再次上升到高于第一电压阈值V1且达到了需要起动电机的另一指定值，设此时的另一指定值为第二电压阈值V2，在该情况下，微处理器单元模块11控制无触点开关模块13导通固定时间T2后断开，以完成电机起动过程。所述的第一电压阈值V1和第二电压阈值V2根据单相异步电机的实际起动规格而设定，并固化在微处理器单元模块11中，所述的固定时间T1、T2通过对单相异步电机作起动试验来进行确定，并固化在微处理器单元模块11中。其中条件一为一般单相异步电机的通电起动条件，而条件二主要用于冰箱压缩机电机起动的一种特殊应用场合：当冰箱除霜电路通过压缩机线路供电时，冰箱压缩机电机将出现电压下降到一个较低值的情况，此时电机不会转动，当冰箱除霜完成，该电压将重新恢复到正常电源电压。条件二可以极好地处理这种情况下的电机起动。同时，本发明所述的单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器在电机正常运行时的额外功耗仅为维持微处理器单元模块11运行所需要的功耗和所需直流电源本身的功耗，以较常见的微处理器为例，通常可以控制在0.05瓦以内，节能效果明显。此外，本设计方案采用电压信号而不是电机电流信号作为电机起动的判断依据，因此，本设计方案具有较宽的电机适应范围，从原理上分析，只要其中的无触点开关模块13能够承受电机的副绕组起动电流，就可以适用于该电机，而无须对电机的实际起动电流和运行电流有过多的匹配管理。

Claims (1)

1.一种单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器，其特征在于所述的单相异步电机的智能式无触点低功耗起动器(1)包括进行智能起动控制的微处理器单元模块(11)、提供系统工作所需的直流电源和电机供电电压的转换信号的电源转换模块(12)以及接收微处理器单元模块(11)的控制信号并执行无触点开关导通和断开的无触点开关模块(13)，电源转换模块(12)的第一电源输入端(121)与电机主绕组L1的引出端M连接，第二电源输入端(122)与电机主、副绕组L1、L2的合并引出端Z连接，电源转换模块(12)的电压信号输出端(123)与微处理器单元模块(11)的信号输入端(111)连接，微处理器单元模块(11)的信号输出端(112)与无触点开关模块(13)的控制信号输入端(133)连接，无触点开关模块(13)的第一主连接端(131)与电机主绕组L1的引出端M连接，无触点开关模块(13)的第二主连接端(132)与电机的副绕组起动电路连接。

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