CN103856117B

CN103856117B - 控制电动机启动信号的方法

Info

Publication number: CN103856117B
Application number: CN201310636751.8A
Authority: CN
Inventors: 克尔德·克里斯滕森; 鲁内·汤姆森
Original assignee: Secop GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2017-10-13
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: DE102013224427A1; DK177685B1; CN103856117A

Abstract

本发明描述了一种电动机启动的方法，其中电容器根据流过驱动电动机的逆变器的电流是否高于参考电流而充电或放电。当电动机处于启动状态时，电动机在电容器上的电压升高至高于第一(上)电压阈值时停止。类似地，在电动机处于停止状态时，电动机在电容器上的电压下降至低于第二(下)电压阈值时启动。

Description

控制电动机启动信号的方法

技术领域

本发明涉及用于控制电动机启动信号的方法和电路。更特别地，但不排除地，本发明涉及用于停用电动机(如用于压缩机的电动机)以防止大电流状态下的损坏的方法。

背景技术

其中电动机通过由逆变器提供的交流源驱动的电动机控制电路是公知的。在这种电路中，在某些工作状态下，电动机会经历大的电流电平。例如，电动机的转子可能在正常使用期间意外地或在测试期间有意地被阻止转动。这将导致电动机吸取大的电流，产生过多热量和损坏电动机的风险。

通过举例的方式，可以在用于压缩机的一些鉴定试验中使用本发明，在所述鉴定试验中，压缩机电动机的转子被故意地阻挡，并且压缩机温度被监测以确定它在测试期间是否超过阈值水平。

防止电动机过热的一种方法是测量电动机的温度并在该温度超过阈值时使电动机停止。这需要设置温度传感器，这引入了附加成本和附加的电路配置问题。

附加的问题在于，在一些场合中(包括，但不限于，测试场合)，电动机的转子可以在一时间周期内被阻挡并且随后被释放。希望存在一种系统，其中在转子被阻挡时可以使电动机停止，并且当转子不再被阻挡时，电动机将重新启动。

本发明试图解决上述问题中的至少一些。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种方法，包括下述步骤：将表示流过用来驱动电动机的逆变器的电流的第一电压信号与参考电压进行比较，以确定流过逆变器的电流是否高于参考电流；在确定流过逆变器的电流高于参考电流时对电容器进行充电，以及在确定流过逆变器的电流低于参考电流时允许电容器放电；当选择电动机的启动状态时，在电容器上的电压高于第一(上)电压阈值的情况中将所选择的状态改变为停止状态；当选择电动机的停止状态时，在电容器上的电压低于比第一电压阈值低的第二(下)电压阈值的情况中将所选择的状态改变为启动状态；以及提供指示是选择电动机的启动状态还是停止状态的电动机控制信号。

根据本发明的另一个方面，提供了一种电路，包括：比较电路，被配置成将表示流过用来驱动电动机的逆变器的电流的第一电压信号与参考电压进行比较，以确定流过逆变器的电流是否高于参考电流；电容器，在比较电路确定流过逆变器的电流高于参考电流时对电容器进行充电，以及在比较电路确定流过逆变器的电流低于参考电流时允许电容器放电；和输出电路，被配置成在逆变器处于启动状态并且电容器上的电压高于第一电压阈值的情况中选择停止状态，并且在逆变器处于停止状态并且电容器上的电压低于壁第一电压阈值低的第二电压阈值的情况中选择启动状态。

由于电动机控制信号依赖于电容器上的电压，并且电容器将在驱动电动机的电流低于参考电流时放电，因此逆变器仅在逆变器电流已经在相当大比例的最近时间内高于参考电流时进入停止状态。因此基于电动机在时间周期内的操作，而不是基于瞬时逆变器电流，来控制逆变器。这在逆变器电流包括多个尖峰信号使得电流电平有时高于参考电流且有时低于参考电流时可能是重要的。由于驱动电动机的电流在正常使用状态下容易经历大的但不是短暂的变化，因此控制逆变器的该方法不影响电动机在正常状态下的操作。

进一步，由于在逆变器处于停止状态时将电容器上的电压与较低的第二电压阈值进行比较，而不是与在逆变器处于启动状态时使用的较高的第一电压阈值进行比较，因此在改变为停止状态之后，逆变器将在一时间周期内保持为停止状态，与驱动电动机的电流将立即变为零的情况无关(由于逆变器停止，因此电动机将不再运转)。这意味着电动机将在一时间周期内保持停止，允许由之前高的逆变器电流引起的过多热量消散。当该时间周期已经过去时，电动机将启动，不需要(例如)手动复位逆变器。

本发明可以包括获得或产生第一电压信号。例如，逆变器电流可以通过测量电阻器，该电阻器上的电压提供第一电压信号。

在本发明的一种形式中，在启动状态中，逆变器的开关启用，并且在停止状态中，逆变器的开关停用。可替换地或此外，在启动状态中，逆变器控制器可以提供开关指令至逆变器的开关，并且在停止状态中，逆变器控制器可以不提供开关指令至逆变器的开关。这防止电动机和逆变器开关二者过热和被大电流电平损坏。

因此，在启动状态中，逆变器能够驱动电动机，并且在停止状态中，逆变器不能够驱动电动机。启动信号可以被提供至逆变器(以启用/停用逆变器开关)。可替换地或此外，启动信号可以被提供至提供开关信号至逆变器的微处理器(或某种其它控制器)。在本发明的一种形式中，设置两个控制电路–一个控制电路将提供启动信号至逆变器，另一个控制电路将提供启动信号至微处理器/控制器。这提供了用于附加安全的冗余。

可以由晶体管和第二电子部件(大体上除测量电阻器之外，如上所述)根据逆变器电流产生表示流过逆变器的电流的第一电压信号。晶体管的由温度变化引起的工作特性的变化可以由第二电子部件的由温度变化引起的对应的工作特性的变化补偿。所述工作特性可以是晶体管(如，PNP双极晶体管)和第二电子部件的二极管电压降。第二电子部件可以是晶体管(如，NPN双极晶体管)。

在本发明的一种形式中，第一电压阈值由被连接以形成分压器的第一电阻器和第二电阻器提供。可以通过拉低分压器的中点提供第二电压阈值。通过举例的方式，分压器的中点可以通过在选择停止状态时导通的晶体管拉低。设置可以提供两种电压阈值的单个电路简化了电路结构，因为不需要单独的第一和第二电压阈值生成器和比较器。

本发明可以用来选择性地启动/停止压缩机，虽然它也能够应用于其它电动机应用。

当然将会认识到，与本发明的一个方面描述的特征可以结合到本发明的其它方面中。例如，本发明的方法可以结合参照本发明的设备描述的任何特征，反之亦然。

附图说明

现在将参照附图，并通过举例的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出根据本发明的第一实施例的电动机控制电路；

图2是图1的启动控制电路的电路图；

图3是说明本发明的电动机控制电路的一个方面的曲线图；

图4示出本发明的电路的示例性使用期间的测量；以及

图5示出本发明的电路的示例性使用期间的测量，其中测试中的电动机的转子被阻挡。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明的第一实施例的电动机控制电路。电路1由直流链接电压2供电。由微处理器4控制的逆变器3将直流链接电压转换成用于电动机5的三相交流源。当然，如本领域公知的那样，可以采用整流器从交流电压源产生直流链接电压。

启动控制电路6提供启动信号至逆变器3和/或微处理器4，如下文详细描述的那样。

启动控制电路6(例如)通过给逆变器3和/或微处理器4发信号以停止电动机5而防止电动机过热。因此，启动信号可以被提供至逆变器3以指示逆变器是否应当提供驱动电动机所需要的信号。可替换地或此外，控制信号可以被提供至微处理器4以指示微处理器是否应当提供驱动逆变器的开关所需要的信号。

在本发明的一种形式中，设置两个单独的(并且几乎相同的)启动控制电路6，一个启动控制电路提供启动信号至逆变器3，另一个启动控制电路提供启动信号至微处理器4。这种冗余水平提供了安全方案。然而，将会明白，可以提供其中设置单个启动控制电路6的可替换形式。该单个控制电路可以提供启动信号至逆变器3和微处理器4二者。可替换地，启动信号可以仅被提供至逆变器3和微处理器4中的一个。

在图2中更详细地示出启动控制电路6的一个例子。电路6采用正5V电压源(以下称为“正干线”)和对应的信号接地(以下简称为“接地”)。

流过逆变器3的电流(IGND)经由小的测量电阻器R-cur连接至接地。以这种方式，产生表示在逆变器中流动的电流的电压信号。如下所述，该电压信号用来确定电动机是否应当处于启动状态或停止状态。

如图2所示，PNP晶体管TR1具有经由电阻器R01连接至表示逆变器电流的电压信号的基极。晶体管TR1的发射极经由电阻器R02连接至正干线，晶体管TR1的集电极直接连接至接地。NPN晶体管TR2具有连接至晶体管TR1的发射极的基极、经由电阻器R04连接至接地的发射极、和经由电阻器R03连接至正干线的集电极。

PNP电阻器TR3具有连接至晶体管TR2的集电极的基极。晶体管TR3的发射极经由电阻器R07连接至正干线，并经由电阻器R08连接至接地。晶体管TR3的集电极连接至电阻器R06，电阻器R06经由电容器C1连接至接地。电阻器R05还将电阻器R06连接至接地，使得电阻器R05与电容器C1并联。

NPN晶体管TR4具有经由电阻器R09连接至电阻器R06和电容器C1之间的连接的基极。晶体管TR4的发射极经由电阻器R10连接至正干线，经由电阻器R11连接至接地，并经由电容器C2连接至晶体管TR4的基极。晶体管TR4的发射极还连接至NPN晶体管TR5的集电极，NPN晶体管TR5的发射极连接至接地。晶体管TR4的集电极连接至PNP晶体管TR6的基极。晶体管TR6的集电极连接至晶体管TR5的基极，并经由电阻器R14连接至接地。晶体管TR6的发射极还经由电阻器R12连接至晶体管TR4的集电极，并经由电阻器R13连接至正干线。晶体管TR6的发射极还提供该电路的启动信号MCES，如上所述，该启动信号MCES被提供至逆变器3和/或微处理器4。

在使用中，逆变器电流IGND由电阻器R-cur转换成电压输入，如上所述。该电压信号提供输入至用作二极管的晶体管TR1的基极，因此允许晶体管TR2与电阻器R03和R04组合用作反相放大器。电阻器R03和R04分别具有1.3kΩ和100Ω的电阻，并且因此晶体管TR2的集电极向晶体管TR3的基极提供输入电压信号的具有约-13的增益的放大值。电流信号IGND可以非常小，并且因此晶体管TR1的基极处的电压信号可以非常小。因此，需要提供具有高的输入阻抗和合适的电压增益的放大器电路。

如上所述，其中使用启动控制电路6的情况是使得大幅温度变化不罕见，这导致该电路中的部件的运行参数的变化，特别是在晶体管的偏置中。足以使晶体管TR1导通的输入电压信号将倾向于关断晶体管TR2(反之亦然)。电压降(Vbe)在相应的晶体管导通时将出现在晶体管TR1和TR2二者的基极-发射极结上。这些基极-发射极结电压与温度相关，但可以被预期以彼此类似的方式变化。因而，温度对晶体管TR1和TR2的基极-发射极电压的影响倾向于彼此抵消，使得反相放大器的输出处(即，晶体管TR2的集电极处)的电压信号不会受到温度的大的影响。测试已经表明，在与简单的运算放大器基反相放大器相比，图2中示出的反相放大器关于变化的温度具有更优的性能。

电阻器R07(1.5kΩ)和R08(12kΩ)形成分压器，使得晶体管TR3的发射极处的电压被保持为约4.4伏(以下称为“参考电压”)。晶体管TR3将仅在用作电压输入的反相放大器的晶体管TR2的集电极处的电压电平低于参考电压时导通。如下文详细地描述的那样，当晶体管TR3导通时，电容器C1被充电：当晶体管TR3断开时，电容器C1放电。因而，电容器C1上的电压取决于晶体管TR3导通的时间比例。

当晶体管TR1的基极处的电压小时，晶体管TR3的基极处的电压(其在反相放大器的输出处)将接近正干线电压。因此，晶体管TR3将关断。反过来，当晶体管TR1的基极处的电压较高时，晶体管TR3将接通。

在电动机5的正常操作中，通过逆变器的电流将相对小。这在晶体管TR1的输入处产生小的电压，该电压在被晶体管TR1和TR2放大时高于参考电压，使得晶体管TR3将关断。在该状态中，电容器C1放电，并且因此电容器上的电压降低。这意味着晶体管TR4的基极将是低压，并且因此晶体管TR4将关断，晶体管TR6的基极将因此(通过借助于电阻器R12和R13至正干线的连接)被拉高，并且因此晶体管TR6将关断。晶体管TR5的基极将(通过借助于R14至接地的连接)被拉低，并且因此晶体管TR5将关断。结果，输出信号MCES将是高的，根据需要向逆变器3和/或微处理器4指示可以使用电动机5(启动信号)。

当电动机5的转子被阻挡时(例如，在测试期间)，逆变器电流升高，并且逆变器电流中的尖峰信号将引起至晶体管TR3的基极的电压电平重复地降低到参考电压以下，使得晶体管TR3导通并电容器C1充电。如果逆变器电流尖峰信号足够强，则电容器在逆变器电流低于参考电流时的放电将会由于尖峰信号而不足以放掉施加至电容器C1的电荷。结果，电容器C1上的电压将升高。当然，当电动机5的转子不再被阻挡时，电容器将放电，并且电容器上的电压将降低。

电容器上的电压取决于晶体管TR3导通的时间比例。电容器上的电压因此表示逆变器电流高于参考电流的时间比例。

当晶体管TR4、TR5和TR6都关断时，电阻器R10和R11用作分压器。如图2所示，这些电阻器分别具有8.2kΩ和18kΩ的电阻，使得该分压器的中点处的电压约为3.7伏。该电压(3.7V)被提供在晶体管TR4的发射极处。因此，当晶体管TR4关断时，它将在晶体管TR4的基极电压升高到高于约4.4伏(假设基极-发射极电压是0.7伏–当然，实际电压在不同的实施方案中可能不同)时接通。因此，如果电容器C1上的电压升高到高于4.4伏(以下称为上电压阈值)，则晶体管TR4将导通，这又使晶体管TR5和TR6导通。在这种新的状态中，输出信号MCES经由晶体管TR5和晶体管TR6连接至接地，因此提供低的输出信号，该低的输出信号(酌情)向逆变器3和/或微处理器4指示不应当使用电动机5(停止信号)。

当晶体管TR4导通时，晶体管TR5也将导通，经由晶体管TR5将电阻器R10和R11的结连接至接地。这会将晶体管TR4的发射极处的电压电平拉至等于晶体管TR5的集电极-发射极电压降的电压，其可能是0.1伏的量级。因此，当输出信号低时，晶体管TR4将仅在电容器C1上的电压降低到低于约0.8伏(比晶体管TR4的基极-发射极电压高0.1伏)(以下称为下电压阈值)时关断。

图3是说明电路6的使用的一个方面的曲线图。该曲线图针对控制输出电压MCES绘制电容器C1上的电压。

假设最开始，电容器C1上的电压是零，并且晶体管TR4、TR5和TR6都关断。在这种状态中，信号MCES由电阻器R13拉至正干线电压。

如上所述，在该状态中，信号MCES保持为高，直到电容器电压升高高于上电压阈值(在图3中被标记为v_upper)。当电容器电压升高高于上电压阈值时，晶体管TR4、TR5和TR6都导通，并且控制信号MCES被晶体管TR5拉低(至可能0.7伏的电压)。信号MCES保持为低，直到电容器电压下降低于下电压阈值(在图3中被标记为v_lower)。因而，如在图3中清楚地示出的那样，控制信号MCES呈现滞后。该滞后确保当停止电动机时，它在最小时间周期内保持停止，以允许消散过多的热量。

返回参照图1。当启动控制电路6正提供(向逆变器3和/或微处理器4指示不应当使用电动机5的)停止信号时，没有任何电力将被供给至电动机5。逆变器电流将因此变为零。这意味着晶体管TR3将关断，并且及时地，电容器C1将放电，直到电容器上的电压降低低于下电压阈值。当这种情况发生时，启动控制电路将提供启动信号至逆变器3和/或微处理器4，使得可以再次使用电动机5。

在电动机5的正常操作下，逆变器电流通常将足够低，使得电容器上的电压将不能达到上电压阈值。因而，电动机将很少被停止。

图4示出在本发明的电路的示例性使用期间被记录的、大致由附图标记10指示的电流数据。电流数据10包括由逆变器3的三相中的每一相输出的电流的曲线12。电流数据10还包括逆变器总电流的曲线14。逆变器电流14是流过测量电阻器R-cur的电流IGND。

电流数据10表示高负载情况，其中逆变器电流为高，但不是太高而使得应当停用电动机。逆变器电流14变化，但不包括明显的电流尖峰信号。逆变器电流14在电流数据10的大部分或全部持续时间内低于参考电流。

图5示出在本发明的电路的示例性使用期间被记录的、大致由附图标记20指示的电流数据，其中测试中的电动机的转子被阻挡。电流数据20包括由逆变器3的三相中的每一相输出的电流的曲线22。电流数据20还包括逆变器总电流的曲线24。逆变器电流24是流过测量电阻器R-cur的电流IGND。

当电动机5的转子被阻挡时，逆变器电流24明显地升高并且包括大量明显的电流尖峰信号。因此，逆变器电流在相当高的时间比例内都高于参考电流。结果，电容器C1被充电，并且随着时间的过去，电容器上的电压增加。

在图4中。电容器电压从未超过上电压阈值，并且因此电动机保持启动。在图5中，电容器电压将随着时间升高，直到该电压超过上电压阈值并且电动机停止。电动机将保持停止，直到电容器电压下降低于下电压阈值。

图4和5包括在该曲线的持续时间期间测量电阻器R-cur上的最大电压和最小电压的测量值(分别标记为“P5：max(C4)”和“P6：min(C4))。在图4中，最大电压和最小电压是232mV和-312mV：在图5中，最大电压和最小电压是957mV和-659mV。因此，明显的是，当电动机的转子被阻挡时，电压尖峰信号相当高。这种电压差在本发明中用来在转子被阻挡时停止电动机。

如上所述，当电容器上的电压C1超过上电压阈值时，电动机将停止。在电动机停止的情况下，逆变器电流将降低至零，并且电容器C1将放电。当电容器电压下降低于下阈值电压时，电动机将启动并且将重新开始。如果转子仍被阻挡，逆变器电流将再次为高，并且电动机不久将再次停止。然而，如果转子未被阻挡，电动机将重新启动并将正常运行。因而，控制电路6不仅提供用于停止电动机5的机制，还提供用于例如在转子的阻挡被去除时重新启动电动机的机制。

虽然已经参照特定实施例描述和说明了本发明，但本领域技术人员将会认识到，本发明本身适于本文中未明确说明的多种不同变型。例如，仅通过举例的方式提供了在本文中描述的特定的阈值水平。类似地，仅通过举例的方式提供了电路图，并且可以容易地修改该电路图(例如，双极晶体管的使用在本发明的所有实施例中不是必需的)。

Claims

1.一种电动机控制方法，包括下述步骤：

将表示流过用来驱动电动机的逆变器的电流的第一电压信号与参考电压进行比较，以确定流过逆变器的电流是否高于参考电流；

在确定流过逆变器的电流高于参考电流时对电容器进行充电，以及在确定流过逆变器的电流低于参考电流时允许电容器放电；

当选择电动机的启动状态时，在电容器上的电压高于第一电压阈值的情况中将所选择的状态改变为停止状态；

当选择电动机的停止状态时，在电容器上的电压低于比第一电压阈值低的第二电压阈值的情况中将所选择的状态改变为启动状态；以及

提供指示是选择电动机的启动状态还是停止状态的电动机控制信号。

2.根据权利要求1所述的电动机控制方法，其中，在启动状态中，逆变器的开关启用，而在停止状态中，逆变器的开关停用。

3.根据权利要求1或2所述的电动机控制方法，其中，在启动状态中，逆变器控制器提供开关指令至逆变器的开关，而在停止状态中，逆变器控制器不提供开关指令至逆变器的开关。

4.根据权利要求l所述的电动机控制方法，其中，采用晶体管和第二电子部件产生表示流过逆变器的电流的第一电压信号，并且其中，晶体管的由温度变化引起的工作特性的变化由第二电子部件的由温度变化引起的工作特性的对应的变化补偿。

5.根据权利要求1所述的电动机控制方法，其中，第一电压阈值由被连接以形成分压器的第一电阻器和第二电阻器提供。

6.根据权利要求5所述的电动机控制方法，其中，通过拉低分压器的中点提供第二电压阈值。

7.根据权利要求6所述的电动机控制方法，其中，分压器的中点通过在选择停止状态时导通的晶体管拉低。

8.一种电动机控制电路，包括：

比较电路，被配置成将表示流过用来驱动电动机的逆变器的电流的第一电压信号与参考电压进行比较，以确定流过逆变器的电流是否高于参考电流；

电容器，在比较电路确定流过逆变器的电流高于参考电流时对电容器进行充电，以及在比较电路确定流过逆变器的电流低于参考电流时允许电容器放电；和

输出电路，被配置成在逆变器处于启动状态而电容器上的电压高于第一电压阈值的情况中选择停止状态，并且在逆变器处于停止状态而电容器上的电压低于小于第一电压阈值的第二电压阈值的情况中选择启动状态。

9.根据权利要求8所述的电动机控制电路，还包括逆变器控制器，其中逆变器控制器被配置成在所述启动状态中提供开关指令至逆变器的开关，并且在所述停止状态中不提供开关指令至逆变器的开关。

10.根据权利要求8或9所述的电动机控制电路，还包括用于将表示逆变器电流的电压信号提供至比较电路的输入电路，其中输入电路包括晶体管和第二电子部件，使得晶体管的由温度变化引起的工作特性的变化由第二电子部件的由温度变化引起的对应的工作特性的变化补偿。

11.根据权利要求10所述的电动机控制电路，其中所述工作特性是晶体管和第二电子部件的二极管电压降。

12.根据权利要求10所述的电动机控制电路，其中第二电子部件是晶体管。

13.根据权利要求8所述的电动机控制电路，还包括被串联连接以形成分压器的第一电阻器和第二电阻器，其中第一电压阈值是由分压器的中点提供的。

14.根据权利要求13所述的电动机控制电路，其中第二电压阈值是通过拉低分压器的中点提供的。

15.根据权利要求14所述的电动机控制电路，其中分压器的中点通过在选择停止状态时导通的晶体管拉低。