CN1052228A - 用于启动单相感应电机的电子电路 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于启动单相感应电机的电子电 路，包括：一个三端双向可控硅开关，其第一端与交流 电源的第一端相连，第二端与启动绕组和永久电容器 相连，还有一个控制极端；一个与第二端以及三端双 向可控硅开关的控制极端相连的三端双向可控硅开 关触发器电路；一个双向开关，它具有控制端并与上 述的控制极端及三端双向可控硅开关的第一端相连； 一个计时电路，该电路与上述双向开关的控制端、上 述交流电源的第一和第二端相连。

Description

本发明涉及一种单相感应电机，具体地说，是涉及一种单相感应电机的电子启动装置。

单相电机由于其结构简单、性能优异而且稳定而被广泛使用在工作在较低电压下的许多家用电器如电冰箱的真空压缩机、洗衣机马达、电扇以及一些工业电器中。

单相电机主要由一个鼠笼形定子和一个绕有线圈的转子构成;一般有二个绕组，一个为主绕组，另一个为启动绕组。

当一个交流电压只加到单相感应电机的主绕组上时，只在固定的空间内产生一个幅度交变的磁场，而这个磁场却不会产生使转子转动的任何转矩。

因此，必须产生一个旋转磁场使转子以上述的静止状态开始转动，从而实现启动。这样的旋转磁场可以通过往启动绕组中输入一个与主绕组中的电流时间上尽可能相差90°相位的电流的方法来产生。启动绕组相对于主绕组的电流相位角可以通过给启动绕组指定一个高于主绕组的功率因数或者通过它装一个与启动绕组串联连接的外阻抗（该阻抗通常为一个电阻器或一个电容器）的方法来实现。

因此，有必要安装一个与启动绕组电路串联的、使之与电源瞬时接通直至转子达到一个与电源接近同步的速度为止的装置来实现启动。

在效益要求很高的那些电机中，启动绕组在启动之后并不与电压源完全断开，而是由一个电容器保持与电源串联;这个运行电容器或者叫永久电容器此时只允许一个与启动期间的电流小得多的电流流动，使电机处于一种双相位馈入状态，这样能增大电机的最大转矩，从而提高它的效益。

在具有上述结构的电机中使用一个永久电容器，这在专利文献PI201、210中已得到描述，该文献中还包括一个具有正温度系数PTC的电阻器。这个装置与启动绕组串联连接，在室温下具有很小的电阻，因此在启动期间能允许较大的电流流过;过了一段预定时间后，由于其自身的热效应，该装置的电阻将变得很大，实际上相当于开路。电机运行正常时，在PTC上的电压很高，该电阻保持在热状态，因此将消耗1.5至5瓦或者更高一些的功率，具体数值取决于结构形式及室温高低。这样，在整个电机运行期间由PTC扩充的功率将使效率下降，这是人们所不希望的。

另一种已知的启动装置是电流继电式装置，该装置在主绕组中的电流很高时才使启动绕组电路接通。虽然这是一个非常简单的装置，在电机正常工作期间也不消耗任何电力，但是，它还是不理想，理由是在具有一个永久电容器的结构中它不能使用。造成这一事实的原因是中继所固看的延迟会使触点在电机加电之后马上闭合，而此刻这个永久电容器已经积累了相当多的电力，而且这些电力在继电器闭合时会损耗掉同时很快地使继电器损坏。

美国专利4，605，888中描述了另一种启动装置，其中包括一个使用TRIAC的电子电路。虽然在电机正常运行时它只消耗少量的电力，但是也不能与永久电容器一起使用。

本发明的总目标是提供一种启动单相感应电机的电子电路。

本发明的另一个目的是提供一种能与永久电容器一起使用的用于启动单相感应电机的电子电路。

本发明还有一个目的是提供一种在额定运行状态下不消耗大量电能的启动单相感应电机的电子电路。

本发明的另一个目的是提供一种可以与永久电容器、启动电容器或者任何的其他与启动绕组串联的阻抗一起使用的启动单相感应电机的电子电路。

本发明还有一个目的是提供一个通过使用一个简单且成本很低的电路来克服先有技术中的上述缺点的启动单相感应电机的电子电路。

本发明的上述目的由一种用于启动单相感应电机的电子电路来实现，上述的电机包括：一个鼠笼形转子和一个具有至少一个主绕组和一个启动绕组的定子，一个与上述的启动绕组串联连接的永久电容器，具有第一、第二二个端子的交流电源，上述的主绕组与上述的交流电源的端子串联相连，永久电容器和启动绕组并联连至上述端子。根据本发明的电子电路包括：一个TRIAC（三端双向可控硅开关），其第一端与交流电源的第一端相连，第二端与启动绕组和永久电容器相连，还有一个GATE端（G）;一个与第二端以及TRIAC的GATE端相连的TRIAC触发器电路（C₁，R₁）;一个双向开关，它具有控制端并与上述的GATE端及TRIAC的第一端相连;一个计时电路，该电路与上述双向开关的控制端、上述交流电源的第一和第二端相连;上述的计时电路通过使双向开关导通来确定从电机加电至TRIAC导通中断的时间，当双向开关被上述计时器电路（TP）保持在截止状态时TRIAC触发电路在每个电流半周期开始时都将重复地触发TRIAC，使之处于导通状态。

与现有的启动装置不同的是，这样描述的电路能使启动绕组与交流电流源进行瞬时连接，直至电机开始加速为止，在持续的额定运行状态下又不消耗任何功率。这个电路的另一优点是和永久电容器一起工作，或者和一个启动电容及永久电容器一起工作。

本电路相当简单，其元件数量又很少。

下面结合附图来描述本发明。附图中，

图1.示出了本发明的电子电路，

图2.以简化的形式示出了在启动电路中使用一个外接阻抗和永久电容器的结构中启动电路的连接情况。

参照图1，交流电压源F向单相感应电机M中送入交流电压，该电机M具有一个主绕组B1和一个启动绕组B2。电源F加在端子1和2上的电压直接加在主绕组B1上，同时也加到包括一个启动绕组B2的启动电路DP上。启动绕组B2通过一个与启动电路DP并联的永久电容器也与电压源F相连。电源F给电机M加电之后，TRIAC（三端双向可控硅开关）S的端子A1和A2之间的电压马上开始上升。这种电压的变化将引起电流IG流过由第一电容器C1和第一电阻器R1构成的TRIAC触发电路，该电流IG在由一对第一和第二晶体管构成的双向开关处于截止时会流至TRIACS的GATE端G。在半周内的大部分时间内都将保持这种连接状态，直至TRIAC中的电流变为零，相反的半周开始时为止。

TRIAC  S的端子A1和A2两端在相反方向上的电压变化将使电流IG以相反的方向流过由第一电容器C1和第一电阻器R1构成的电路。假定第一、第二晶体管T1和T2还处于截止状态，电流IG将流至TRIAC  S的GATE端，从而使这个TRIAC再次导通。

这种反向的TRIAC  S的导通状态将保持半个周期的大部分。因此，每次开始半周期时，TRIAC  S都会被新触发一次，只要第一和第二晶体管T1和T2保持截止状态，这种现象就象重复发生。

由第一电容器C1和第一电阻器R1构成的TRIAC  S触发电路的特点是允许电流IG流至TRIAC的GATE端，该电流IG在每个半周期开始时达到其最大值，从而在端子A1和A2间的电压为最小值时触发TRIAC  S。这样，当TRIAC  S导通时永久电容器Dp中存贮的电能非常少，从而保证了永久电容器Cp通过TRIAC  S的放电电流脉冲的强度也非常低，避免了对TRIAC的任何损害。

第一电容C1的值应当这样确定，即端子A1和A2二端间的电压的时间变化率能产生一个足以触发TRIAC  S的电流IG。计算第一电阻R1时应把第一电容器C1通过TRIAC  S的栅端G的放电电流的脉冲强度限制在破坏其持续性的电平上。启动期间TRIAC  S的总导通周期由一个计时器设定，该计时器在一段预定时间之后会把加到第三和第四电阻器R3和R4上的电压突然从零变到一个足以使第一和第二晶体管T1和T2饱和的值，这将使电流IP发生变化从而防止TRIAC  S跳闸。

计时器由一个馈入电源和一个触发器构成，其工作过程如下：电路加电之后，第二电容器C2马上开始充电。在正的半周期间，第二二极管D2被直接极化，从而产生一个电流It从电源F流至第二电容C2，使其两端的电压增加。在负半周期间，电流It被第三二极管D3改变方向，流至电源F，从而使电容器C3充电。

在后读的正半周期间，又会有一个电流It流过第三电容器C3和第二二极管D2，使第二电容器C2上的电压再次上升。第二电容器C2上的电压因在正半周期间电荷从第三电容C3转换到C2上造成的连续充电而逐渐上升。

在这个电路中，第二电容器C2上的电压（该电压也加到第八和第七电阻R8和R7构成的分压器上）将不断增加，直至第三晶体管T3的基极-发射极结被正向偏置从而产生一个流过第三晶体管T3的集电极的电流为止。该电流的一部分流过第二电阻R2，另一部分流向第四晶体管T4的基极;这样也使这个第四晶体管T4的基极-发射极结处于正向偏置，从而该晶体管的集电极也吸取一个电流。这个电流将加到已在电阻R7中流动的电流之上，从而更加强了第三晶体管T3的偏置。这种链式反应将使第三和第四晶体管T3和T4突然饱和，从而使第三晶体管T3的集电极和第四晶体管T4的发射极上的电压增加到非常接近于端点5上的电压，这将使第一和第二晶体管T1和T2也饱和。发生跳闸时，端点5上的电压由第八和第七电阻器R8和R7间的关系以及第三晶体管T3的基极-发射极结的导通电压（典型情况下为0.6V）决定。第二电阻器R2与第四晶体管T4的基极相连可以避免流至第三晶体管T3集电极的漏电电流造成计时器误触发。由第七和第八电阻器R7和R8组成的分压器还在电机停转时使第二电容C2放电，使电路重新回到原始状态，准备另一次启动。

从马达加电至TRIAC  S导通中断为至的时间基本上由第二电容器C2和第三电容器C3的值所决定。负责限制上述电流It的第三电容器C3的值应这样计算，即必须提供一个在第二、第三电阻R2、R3和第七、第八电阻R7、R8永久连接之下被吸取的一个电路消耗电流。

使用电容器C3代替电阻器作为电流限制器能把电路损耗降至一个可以忽略不计的最低水平。

计算电容器C2时，应通过启动装置的工作时间使启动期间端点5上的电压上升滞后。

与电容器C2相连的电阻器R6起到一个保护装置的作用，它能在电压源所加的电压发生随机波动时限制送入电路中的电流It。

图2以简化图的方式示出了上面描述的在利用外部阻抗Ze和永久电容器Cp的电机结构中的用于启动单相感应电机的电子电路的连接情况。在这种结构中，外部阻抗Ze（可以是一个启动电阻或者启动电容）插在启动电路的端点3和启动绕阻与永久电容器Cp的连接点之间。电机启动之后，与TRIAC  S相串联的外部阻抗Ze将与电路断开，只有永久电容器Cp仍与启动绕组B2相连。

如上所述，图1中的电路在启动单相感应电机时只消耗很少量的功率，并能与永久电容器或永久电阻器和一个启动电容器一起使用，或者被分别与启动绕组瞬时连接。

Claims (13)

1、一种用于启动单相感应电机的电子电路，上述的电机包括：一个鼠笼形转子和一个具有至少一个主绕组和一个启动绕组的定子，一个与上述的启动绕组串联连接的永久电容器，具有第一、第二二个端子的交流电源，上述的主绕组与上述的交流电源的端子串联相连，永久电容器和启动绕组串联连至上述端子，其特征在于上述电路包括：一个TRIAC(S)，其第一端(A1)与交流电源(F)的第一端(1)相连，第二端(A2)与启动绕组(B2)和永久电容器(Cp)相连，还有一个GATE端(G)；一个与第二端(A2)以及TRIAC(S)的GATE端相连的TRIAC触发器电路(C1，R1)；一个双向开关(T1，T2)，它具有控制端并与上述的GATE端及TRIAC(S)的第一端(A1)相连；一个计时电路(TP)，该电路与上述双向开关的控制端、上述交流电源(F)的第一和第二端(A1)、(A2)相连；上述的计时电路通过使双向开关(T1，T2)导通来确定从电机加电至TRIAC导通中断的时间，当双向开关(T1，T2)被上述计时器电路(TP)保持在截止状态时TRIAC触发电路(C1，R1)在每个电流半周期开始时都将重复地触发TRIAC，使之处于导通状态。

2、根据权利要求1的电子电路，其中的TRIAC触发电路包括一个第一电容器（C1），该电容器的一端与TRIAC的第二端（A2）相连，另一端通过一个第一电阻器与TRIAC（S）的栅极端相连。

3、根据权利要求1的电子电路，其中的第一电容器的值（C1）能使得TRIAC（S）的第一和第二端（A1，A2）间的电压的时间变化率产生一个足以触发TRIAC的电流（IG）流向TRIAC的栅极端。

4、根据权利要求2的电子电路，其中的第一电阻器（R1）第一电容器（C1）流经TRIAC（S）的栅极端（G）的放电电流的脉冲强度限制到一个与TRIAC有关的安全水平上。

5、根据权利要求1的电子电路，其中的双向开关包括第一、第二二个双极型NPN晶体管（T1，T2），第一晶体管（T1）的发射极与TRIAC的第一端（A1）相连，其集电极与TRIAC的栅极端（G）相连;第二晶体管（T2）的结电极与TRIAC（S）的第一端（A1）相连，其发射极与TRIAC（S）的栅极端（G）相连;第一和第二晶体管（T1，T2）的基极通过第二和第三电阻（R2）和（R3）与计时电路（TP）相连。

6、根据权利要求1的电子电路，其中的计时电路（TP）包括一个连接在交流源（F）的第二端（A2）和整流电路（D2，D3）的输入端之间的电流限制器R6，C3）;定时电容（C2）接在上述交流源（F）的输出端之间;电压触发电路（T3，T4，R7，R8）具有一个与连接整流器输出端和定时器（C2）的第一端的点（5）相连的输入端，一个与交流电源（F）的第一端（1）相连的参考端和与上述的第二、第三电阻器（R2，R3）相连的输出端。

7、根据权利要求6的电子电路，其中的电流限制电路一个第三电容器（C3），该电容器（C3）的一端与交流电源（F）的第二端（2）相连，另一端通过第六电阻（R6）与整流电路输入端相连。

8、根据权利要求6的电子电路，其中的整流电路包括一个第一整流二极管（D1）和一个第二二极管（D2），第一二极管（D1）的正极与电流限制电路（C3，R6）相连，负极与定时电容（C2）的第一端（5）相连;第二二极管（D2）的负极与第一二极管（D1）的正极相连，正极与交流电源（F）的第一端（1）相连。

9、根据权利要求6的电子电路，其中的电压触发电路包括一个PNP型的第三双极晶体管（T3），其发射极与定时电容（2）的第一端（5）相连，集电极与上述的第二电阻（R2）相连;电阻（R7）使上述的第三晶体管（T3）的基极和发射极实现互连;一个第四双极型NPN晶体管的基极与上述的第三晶体管（T3）的集电极相连，集电极与上述的第三晶体管（T3）的基极相连，发射极与上述的第三电阻器（R3）相连;电阻（R8）使上述的第四晶体管（T4）的集电极和交流电源（F）的端一端（1）实现互连。

10、根据权利要求7的电子电路，其中的电流（It）限制作用基本上是由上述的第三电容器（C3）提供的。

11、根据权利要求7的电子电路，其中的第六电阻（R6）在交流电源（F）提供的电压发生随机变化时限制电流（It）的大小。

12、根据权利要求1的电子电路，其中在TRIAC（S）的第二端（A2）和与永久电容器（Cp）相连的启动绕组端子（B2）之间装有一个外部阻抗（Ze）。

13、根据权利要求12的电子电路，其中的外部阻抗可以是一个电阻器或者是一个启动电容器。

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