CN1094197A - 单相感应电动机的安全控制器 - Google Patents

Abstract

一种电子控制装置，它操作交流感应电动机(10) 并保护其免受电源线路中断、降低电压造成危害、并 且提供自调节、线性的、非阶梯的符合工作负荷的减 低的电压输出，以便提高效率，从而降低电动机所消 耗的功率。本装置可用于冰箱、空调器或几乎任何家 用电器，以便产生实质上的节电。

Description

本发明涉及电动机的控制系统，更具体讲涉及交流感应电动机。

虽然通常利用各种脉冲宽度调制电动机控制系统来控制单相电动机及其波动的负荷，但是为了适应各种变化的应用，这种系统要求现场调节。此外，由于现有的电动机控制器所用的阶梯函数门控制导致的不稳定运行，连同超过现场调节能力的负荷漂动，会降低系统的性能，并能损坏电动机及其毗连机械设备。对于任何的电动机控制主要还应考虑到检测现有的电力线路状态和负荷端特性并对其作出反应的装置，以保护电动机免受严重损害以及延长其寿命。此外，电动机控制器应当保护空调和冰箱电动机，它们在短时供电中断时造成压缩机处于高的前置压力下，这会造成损坏和减低电动机寿命。

在先有专利技术中包括有下述关于电动机控制装置的专利：

美国专利号    本发明人    公告日

月日年

4,052,649    Nola    10/04/77

3,307,084    Ogla    02/28/67

4,788,485    Kawagishi    11/29/88

3,124,734    Sampietro    03/10/64

3,105,180    Burnett    09/24/63

3,775,652    Bowler    11/27/73

4,186,334    Hirata    01/29/80

3,758,836    Shibata    09/11/73

3,763,417    Johnston    10/02/73

虽然Nola专利提供一种电动机控制，但是Nola装置必须在每个电动机应用的现场进行手动调节，和先有技术领域中的一样，因为这些装置对交流电动机不能自动调节，而本发明为自动调节。现场调节需要一个安培表，用于这种先有技术装置每次在现场进行调节。

此外，Nola专利设备操作的不同点在于，它利用阶梯函数法来控制该电动机，而本发明为实时地进行线性操作。另外，上述专利中没有一个能对电动机在降低电压状态下提供保护，这会使电动机产生跳动并因此而工作不正常。另一方面，本发明在电压低于电动机要求的电压情况下关断电动机;此外，本发明在电源恢复后延迟起动电动机。

因此可见，没有一个先有的专利发明象本发明一样对电动机提供全范围的自动调节控制。

本发明的主要目的是对单相感应电动机提供自动调节输入功率的一种电子装置。

本发明的目的还在于提供高效率的装置来调节与各不同输入电压和负荷有关的电力输入。

另一个目的提供在断电状态或开始起动时延迟投入全功率。

进一步目的是提供电动机在电压降低状态下关断电源的装置。

更进一步的目的是提供一种过电流检测装置，它取代降低的电压运行而对电动机提供全电压源。

本发明的一个附加目的在于提供一个辅助电路装置，它被作为关断延时装置（off    delay），以停止给电动机的电力，避免冰箱或空调器应用中在高前置压力下起动。

本发明实现上述和其它目的，是通过对交流感应电动机提供一个电子控制装置来完成的，它提供了用于对从电源送到电动机的电压和电流输入进行取样的装置，所述的装置被接于输入线路上，取样电压经整流并与由一调节器提供的基准电压进行比较。同时，取样电流也与预置基准电流比较以确定该电流是否适于该电动机运行。如果电压和电流在可接受的限度之内，则其被提供给电动机。在电动机投入运行后，电动机的负荷要求被持续地监测，电压和电流按该电动机的负荷要求连续受到调节，藉此电动机可利用较低的平均电压和电流，从而消耗较少的电力。本发明还设置了选择装置，用于在电源电压降到预置电压以下而造成电压中断后延迟并重新开始由该电源取得电力。后者由本发明所建立的一个辅助延时电路来完成。

通过结合附图而详细描述的一个最佳实施例，对本发明的上述目的和优点的理解将会变得更为容易明了。

用于详述实施例的各附图是为了对本发明和其优点完全理解而用的，各图如下：

图1是本发明系统的方框图;

图2是本发明的电子接线图;

图3说明示于图1和2的本发明所产生的各种不同信号如下：

图3a表示供本发明用的交流正弦电压波;

图3b表示图2上点3b处出现的全波整流信号;

图3c表示图2上点3c处呈现的过零电压检测器的输出;

图3d表示用于本发明控制的电动机的电流;

图3e表示过零检测输入和输出到图2点3e处的单稳电路的电流;和图2点3f处非稳定的输出;

图3g表示当图2的三端双向可控硅开关（TRIAC）导通时的信号，该信号也输入到图2的光耦合器23和图2的点3g处;

图3h表示当TRIAC门正导通时的时间周期;

图3i表示图2的辅助时间继电器50，它与其图2的信号预置3h阻断图2的“或”门24;

图3j表示电流冲击检测电路的动作，它具有叠加的高电流波形，它结合了图2的一个冲击2b;图4表示与一台冰箱或其它设备一起应用的装置;

图5表示该装置被连接到各不同用途的感应电动机上的硬布线方案（hard-wired    version），例如连接到空调器、压缩机、泵和工业应用。

参照附图1和2，一台变流感应电动机10通过一个三端双向可控硅开关（TRIAC）12由输入电压11供电。或者，该电动机也可通过背对连接的可控硅整流器（SCR）供电，而不用TRIAC12供电。用一台阶梯降压型变压器20将线电压降低到约8伏（均方根值），然后由全波桥式整流器21提供约11伏（峰值）全波整流信号给5伏直流调节器22的输入端和电压输入比较器14的一个输入端并供给两个可变的输入端，即过电压比较器16的输入端15和过电流比较器40的输入端37。直流调节器22还提供调节的+5伏直流给其余的电子部件。该+5伏直流还被分压，以分别提供基准电压17、18、33和34给比较器16、14、31和32。

当无论何时输入线电压11降低到电阻器15预置的电平以下或当比较器16的输出适合于辅助时间延迟电路50通过输出51时，该低电压比较器16和辅助时间延迟电路50将使光耦合器23的输入保持关断。后者是通过对“或”门24提供一个逻辑高电平以阻止其输出变高来实现的。

然后，全波桥式整流器21的整流输出在比较器14的输入处与基准电压18进行比较，比较器14的输出是每半周期输入电压的脉冲，该脉冲的中心在输入电压11的过零处左右。这些脉冲用于置位双稳25并阻止“或非”电路24的输出。

单击（one-shot）非稳态26的功率和具有预置电阻37的过电流比较器40在约45秒时间间隔内向光耦合器23的输入端发送一个逻辑高电平。这使TRIAC12在这个周期中保持完全导通以提供全功率，并允许电动机10以所施加的全功率加速。电动机10可以是冰箱、空调器或其它设备中用的交流电动机。

跨在TRIAC12上的电压取样代表通过它和电动机10上的电流，它是通过双比较器31和32传送，以监测两者的电流极性。这些比较器起到确定电流过零点的作用。当电流波形过零点时，从“或”门电路35输出一个脉冲，对于60赫芝的输入电压，它出现8.33毫秒。

然后，这些脉冲用于触发一个单稳或单击电路36，单冲击信号输出的持续时间在制造该系统时给出，但正常情况下被置于1-3毫秒的宽度。这个输出脉冲（一个逻辑高电平）复置该双稳25并对“或非”电路24提供一个逻辑高电平。这个输出高电平即使其它两个输出处于逻辑低电平时也对光耦合器23输出一个逻辑低，这就意味该TRIAC12不被这个持续时间（正常为2毫秒）所导通。其结果是导致从电动机电流降到零（并且TRIAC截止）以及TRIAC12导通和加电压到电动机10时起的一个2毫秒延迟。这意味着降低了平均电压和电流并且减少了电动机的功率消耗。

如图3a-h所示，当电动机负荷增大时，电流的过零点接近于电压的过零点;并且延迟具有越来越小的效果，因为2毫秒的延迟现在所代表的在TRIAC12导通之前被损失的电压越来越小。

在实际应用和运行中，此前所描述的电路是结合到一个紧凑的电动机控制插接装置52中，如图4所示，该装置52可以插在一个普通的家用墙壁插座中，靠近被使用的该装置的设备处。例如在图4中，示出了一台冰箱58所应用的装置52。从冰箱引出的电缆57被插到该装置52的底部或侧面，在这个具体应用中，该装置52还包括一个在其背部以用于冷却目的的散热器53。在硬布线方案中，散热器可以设在该装置的侧面，在其表面54上，装置52可包含一个指示灯55，当该单元被接入或出现故障时灯55点亮。在表面上也可装上一个附加的灯56，用来指示何时该单元实际上在节电运行。一个接通/关断或过载开关41也可以有选择地设置，以在不想使用该单元时关断该单元，这具体地表示在图5的硬布线方案中。

虽然该装置52是在与冰箱58结合应用时作为独立单元来阐明的，如图4所示，但在某些电动机的应用中，例如在空调器中，配合该电路的装置52的电路可以在进入市场之前或之后以硬布线结合到该设备中，而不是被插装到图4所示的一个电气插座中。图5示出本发明的硬布线方案。一条屏蔽带66经过交流输入电压线11连接控制器电路67和电动机62。电动机62经一条电线61从外部电源59连到原始交流输入上，并连接在61线上。强电输入线59也在68处连接到屏蔽带66上。原始的中性线63与电动机断开，并且中性电线64在65处连接到中性输入线和屏蔽带69。电动机62在70处直接连到屏蔽带上，该电动机在70处接收从控制器电路67来的输入。可有选择地设置一个过负荷开关41用于关断该电路，屏蔽带66被接到TRIAC12，该TRIAC12连接到控制器电路67。

从本发明上述最佳实施例的阐述中可以看到，本发明提供了一个新颖并且是非显而易见的交流感应电动机控制装置，该装置有许多优点和好处。本发明所提供的优点和好处在于它连续地调节一台具体电动机运行所需的最低电流而不丧失电动机的功能，从而得到最大的电力节约。试验已证明其节省的程度为10%到40%，这具体取决于应用本发明的具体设备。同样，因为电动机只要求最低电压运行，所以电动机工作于较冷却的状态，从而延长了电动机的寿命。进一步的优点在于，该装置使电动机获得了降低电压状态下的保护，消除了电动机由于低输入电压造成的损坏。应用本发明的各种空调器单元、冰箱和其它设备因此而以更高的效率运行。进一步的优点在于这些装置提供了冲击和雷电保护，从而延长了设备的寿命。更进一步的优越特征在于，该电动机控制器对交流感应电动机提供了过电流保护。还有一个特征在于，该装置包括一个起动延迟器，从而保证最大的起动转矩和在电压中断后最小的冲击。这项软起动（soft-start）特性提高了设备的寿命。

虽然上述仅对本装置的一个最佳实施例进行了阐述，但是本发明包括在权利要求范围内和等价于权利要求的任一和所有的修改。

符号说明

10.交流感应电动机

11.交流输入电压

12.三端双向可控硅开关（TRIAC）

14.电压输入比较器

15.过压比较器（16）可变输入端（电阻器）

16.过压比较器

17.比较器（16）的基准电压

18.比较器（14）的基准电压

20.变压器

21.整流器

22.直流调节器

23.光耦合器TRIAC驱动器

24.或非电路

25.双稳电路

26.单击非稳态电路

30.过流检测器电路

31.比较器

32.比较器

33.比较器（31）参考电压

34.比较器（32）参考电压

35.或门电路

36.单稳或单击电路

37.过流比较器（40）的可变输入端（电阻器）

39.地

40.过电流比较器

41.接通/关断或过载开关

50.辅助延时电路

51.辅助延时电路50的输出

52.电动机控制装置

53.散热器

54.装置表面

55.指示灯

56.节电灯

57.设备的电缆

58.电冰箱

59.来自外部电源的交流输入

60.至交流输入59的连接点

61.至电动机的电线

62.电动机

63.至电动机的原始电线

64.中性电线

65.至中性线连接点

66.屏蔽带

67.控制器电路

68.至屏蔽带的热输入电线

69.至屏蔽带的中性输入电线

70.输出控制器

71.辅助触头

72.接地

Claims (13)

1、一种用于一台交流感应电动机的电子控制装置，它包括：

一个电压输入取样装置，该电压是由一个电源向电动机提供的，所述的装置与从电源来的一条输入线相连；

一个取样电压输入整流装置，该电压输入取自电源，该装置产生整流输出电压；

一个比较装置，用于将该整流电压与由一个调节器提供的基准电压进行比较。

2、如权利要求1的电子控制装置，还包括：

一个用于对电流输入取样和检测过电流状态的装置，所述电流是由一个电源对电动机提供的;所述的装置还被连接到从电源来的一条输入线上。

3、如权利要求2的电子控制装置，还包括：

一个用于将电流输入取样与从电源来的预置基准电流进行比较的装置。

4、如权利要求3的电子控制装置，还包括：

一个装置，用于连续地监测该电动机的电压和电流负荷，所述的装置连接到电动机的输入线上，从而使电动机应用较低的平均电压和电流，从而使电动机消耗较小的功率。

5、如权利要求4的电子控制装置，还包括一个装置，用于当从电源来的电压下降到一预定值以下而造成电压中断以后，延迟再开始电源供电。

6、如权利要求1或5的电子控制装置，其中用于电压输入取样的装置包括一个变压器，该变压器通过利用一个全波形范围的整流器来降低线电压，从而提供一个整流的全波信号给直流电流调节器。

7、如权利要求5的电子控制装置，其中用于取样电流输入和检测过电流状态的装置包括一个比较器，它连接在电动机和电源之间，用来将该电流输入与由一变阻器预置的基准电流进行比较。

8、如权利要求7的电子控制装置，其中用于整流所取样的电压输入的装置包括一台变压器，它降低线电压以提供该电压到一个全波整流器以产生一个整流全波信号。

9、如权利要求8的电子控制装置，其中用于比较该整流电压输出的装置包括一个比较器，它将从整流器来的电压输出与一个基准电压进行比较。

10、如权利要求9的电子控制装置，其中用于比较电流输入和预置的基准电流的装置包括一个比较器，用于将该电流输入与由一个电阻器网络提供的预置电流进行比较。

11、如权利要求4的电子控制装置，其中用于连续地监测该电动机的电流和电压负荷的装置包括置于电动机的输入线路上的一组比较器，当电压降低到设定值以下时，它触发一预置的单稳态触发器从而复置一双稳态触发器并关断一个三端双向可控硅开关，切断电源对电动机的供电。

12、如权利要求5的电子控制装置，其中用于延迟再开始电源供电的装置包括一个时间延迟电路，它连接在一个低电压检测器和逻辑电路之间。

13、一种连续监测一台交流电动机所需的最低电压和电流以及提供这些要求给电动机的方法，包括：

对电源对电动机所提供的输入电压和电流进行取样;

通过与预置的基准电压和电流进行比较来确定输入的电压和电流是否在电动机允许的极限以内;

若电压和电流被确认是在极限以内，则提供所述电压和电流到该电动机;

在提供该电压和电流后，在电动机运行期间自动连续地校验其上的负荷;

根据电动机运行期间在电动机上的负荷自动连续地复置供给该电动机的电压和电流。

Images