CN1168022A - 电动机启动电路 - Google Patents

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Abstract

一种组装在电动机驱动电路的电动机启动电路，驱动电路具有在电动机启动期间工作的辅助线圈和用于电动机稳态工作的主线圈。一种形式的启动电路含有正温度特性的启动热敏电阻和与辅助线圈串联Triac开关以及与启动热敏电阻并联连的正温度特性的triac控制热敏电阻，triac控制热敏电阻的一个端子与Triac开关的栅极相连。triac控制热敏电阻在25℃下的电阻为300-3000Ω，体积为30-60mm3，并且在70-125℃之间的电阻为25℃下电阻的二倍。

Description

电动机启动电路
本发明涉及一种电动机启动电路，尤其涉及用在这种电路中具有正温度特征的热敏电阻的特性和技术参数。
图9描述了一种现有技术用于电动机1(比如用在制冷机压缩机中的单相感应电动机)的电动机驱动电路，它包含在电动机1启动时起作用的辅助线圈2和用在稳态运行时的主线圈3。配用于这种电动机驱动电路的电动机启动电路通常包括具有正温度特性(PTC)的热敏电阻4，热敏电阻4与电动机启动的辅助线圈2串联在一起。
电源6通过开关5与电动机1连接。在开关5闭合并且电源6的电力开始提供给电动机1以后的电动机早期启动期间内，有相当大的电流通过PTC热敏电阻4流到辅助线圈2，启动电动机1。过了一段时间以后，由于产生热，PTC热敏电阻4的电阻增大，从而流过辅助线圈2的电流减小。
但是，热敏电阻的电阻并不会无限增大。结果，即使在电动机1启动以后，某些不需要的电流继续通过PTC热敏电阻4流到辅助线圈2，浪费了一定瓦数的电能。
日本出版的Tokkai 6-339291号专利申请揭示了在一定程度上解决这一问题的方法。按照这一方法，如图1所示，为了方便，图中采用如图9中所示相同的标号来表示相同或等效的元件，辅助线圈2不仅与用作启动的PTC热敏电阻4(“启动PTC热敏电阻”)串联，而且还与Triac开关7(以下简称为“triac”)串联。另一个具有正温度特性的热敏电阻(“triac控制PTC热敏电阻”)8与启动PTC热敏电阻4并联，该triac控制PTC热敏电阻8的一端与triac7的栅极G连接。
在电动机启动时当电源6的电力提供给电动机1的时候，触发信号通过triac控制PTC热敏电阻8提供到triac7的栅极G，使triac7处于通电流状态，并使电动机启动电流通过启动PTC热敏电阻4流过辅助线圈2。在电动机1启动以后一段时间内，由于PTC热敏电阻自身发热而使电阻增大，从而减小了通过辅助线圈2的电流。同时，由于自身的热辐射而使triac控制PTC热敏电阻8的电阻也增大，从而使流过triac7栅极G的电流减小并断开triac7。
随后，很小的电流继续流过triac控制PTC热敏电阻。但是，由于triac控制PTC热敏电阻8的热容量可以做得比启动PTC热敏电阻4的热容量小得多，所以，使其保持在高温高电阻条件下所需的电力要比图9所示电路的情况小得多。
然而，如果图1所示的电动机启动电路真的用在制冷机压缩机的电动机启动(环境温度所允许的变化范围为-10到+100℃)，那么往往会出现在规定的短时间内(比如，约1-10秒)无法可靠地切断电流的情况。例如在冬天用在室外时，triac控制PTC热敏电阻8靠其自身发热而使电阻增大的加热时间会很长，并且由于电动机噪声和启动而浪费的电能会很大。电流甚至会无法切断。
另一方面，如果用在高温条件(例如在夏天)下，或者连接到压缩机上或用在靠近压缩机处，那么在电动机启动之前，triac控制PTC热敏电阻8可能已经处在加热条件下或达到加热条件，而无法正常启动电动机。
日本出版的Tokkai专利申请7-123759中揭示了另一种技术，可以使切断流过辅助线圈的电流的时间(“切断时间”)保持不变，而不受环境温度变化的影响。图10描述了按照这一技术而配用了电动机启动电路的电动机驱动电路。图10中，与图9中相同或等效的元件用相同的标号表示，并且不再重复说明。
如同10所示，按照这一技术，triac7与辅助线圈2串联，而triac控制PTC热敏电阻8与该triac7的栅极相连。该triac控制PTC热敏电阻8与具有正温度特性的校正热敏电阻9和校正调节电阻10并联，并且该并联电路接着与限流电阻11相连。由triac控制PTC热敏电阻8、并联电路以及限流电阻11组成的串联电路又与辅助线圈2和triac7并联。
采用这样构筑的电动机启动电路，校正热敏电阻9与校正调节电阻10组成的并联电路用来按照环境温度的变化使流过triac控制PTC热敏电阻8的电流增大或减小，从而使热辐射得到控制，并使该triac控制PTC热敏电阻8的加热时间保持恒定。所以，采用这种方法，triac保持导通(ON)状态的时间长短因而也是继续流过辅助线圈的电流可以近似保持恒定，不受环境温度变化的影响。
图10所示的电动机启动电路的缺点是它需要大量的元器件。所以，成本高，并且难以使其小型化。不言而喻，大量的元器件会产生其工作可靠性的问题。
另外，如果triac用在图1和10所示的例子中，那么在电流完全切断之前，取决于触发方式的triac的栅极灵敏度之差异会导致图11A和11B所示的所谓半波周期。如果该半波周期太长(例如超过3秒)，那么电动机会产生拍噪声(beat noise)或者开始在其旋转运动中出现波动。
所以，本发明的一个目的是提供一种解决了现有技术问题的改进的电动机启动电路。
本发明涉及一种配用于电动机驱动电路的电动机启动电路，它包括在电动机启动时间内工作的辅助线圈和用在稳态工作下的主线圈。
按照本发明的第一种实施例，启动电路含有正温度特性的启动热敏电阻以及与辅助线圈串联的triac，以及与启动热敏电阻并联的正温度特性的triac控制热敏电阻，并且triac控制热敏电阻的一个端子与triac的栅极连接。按照本发明的第二种实施例，启动电路具有与辅助线圈串联的triac，以及与辅助线圈和triac并联的正温度特性triac控制热敏电阻，并且triac控制热敏电阻的一个端子与triac的栅极连接。按照本发明的任何一个这类实施例，triac控制热敏电阻在25℃下和30-60mm3的体积下具有300-3000Ω的电阻，并且在70-125℃下电阻加倍。在上述实施例的电路中还可以引入一个附加电阻，将triac的栅极与triac栅极同一侧的另一个端子连接起来。具体地说，triac控制热敏电阻在25℃和30-50mm3的体积下，应当具有1000-2000Ω的电阻，并且在85-110℃下电阻加倍。本文中，电阻在25℃下加倍的温度称作为“电阻加倍温度”，并且在图中用符号CP表示。
同样构成本说明书一部分的附图描述了本发明的实施例，它们与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：
图1是按照本发明第一种实施例配用了电动机启动电路的电动机驱动电路图；
图2是图1所示的电路用在环境温度为100℃时，电阻加倍温度为70℃的triac控制PTC热敏电阻8的体积与断开时间之间的关系图；
图3是图1所示的电路用在环境温度为-10℃时，电阻加倍温度在70℃和125℃之间的triac控制PTC热敏电阻的体积与半波周期之间的关系图；
图4是图1所示的电路用在环境温度为100℃时，体积为30mm3的triac控制PTC热敏电阻的电阻加倍温度与断开时间之间的关系图；
图5是图1所示的电路用在环境温度为-10℃时，体积为30-60mm3的triac控制PTC热敏电阻的电阻加倍温度与半波周期之间的关系图；
图6是按照本发明第二种实施例配有另一种电动机启动电路的电动机驱动电路图；
图7是按照本发明第三种实施例配有又一种电动机启动电路的电动机驱动电路图；
图8是按照本发明第四种实施例配有又一种电动机启动电路的电动机驱动电路图；
图9是配有现有技术电动机启动电路的电动机驱动电路图；
图10是配有另一种现有技术电动机启动电路的电动机驱动电路图；
图11A和11B描述的是分别流过示于图10和图1中所示的辅助线圈的电流波形。
图中，相同或至少等效的元器件用相同的标号来表示，并且不作不必要的重复说明。
尽管图1是用来描述日本出版的专利申请6-339291中描述的配有电动机启动电路的电动机驱动电路的结构，但它也代表配有按照本发明第一种实施例的电动机启动电路的电动机驱动电路。但是，按照图1所示本发明的电路的特征不仅在于包括有与启动PTC热敏电阻4并联的triac控制PTC热敏电阻8并且其一个端子与triac7的栅极G相连，而且在于在25℃下的电阻介于300和3000Ω之间，其体积介于30和60mm3之间，并且其电阻加倍温度介于70-125℃之间。
当该电路的开关5闭合时，电流(“栅极电流”)将开始通过triac控制PTC热敏电阻8流到triac7的栅极G。triac控制PTC热敏电阻8在电动机1启动期间处在正常温度下，并且因为其电阻仍然很小，所以，栅极电流大到足以使triac7接通。结果，triac7每隔半个周期触发一次，并且启动电动机1的电流通过启动PTC热敏电阻4流到辅助线圈2。这里假定电动机1是单相感应电动机。
在电动机1已经启动以后，由于启动PTC热敏电阻4已经加热，所以流过辅助线圈2的电流减小了。同时，triac控制PTC热敏电阻8也被加热，使栅极电流很弱，从而triac7不再处于导通状态。由于在这种状态下没有电流流过启动PTC热敏电阻4，所以，不仅可以避免不希望的电力浪费，而且启动PTC热敏电阻4也被冷却，并且其温度很快下降到正常水平。
随后，很弱的电流继续流过triac控制PTC热敏电阻8，但是，因为triac控制PTC热敏电阻8的体积只有30-60mm3，这通常小于启动PTC热敏电阻4的体积的五分之一，所以，电能的浪费也可以减小到小于五分之一。此外，使电动机1可以再次启动所需的恢复时间也大大缩短。如果将25℃下triac控制PTC热敏电阻8的电阻限制在300到3000Ω的范围内，其体积限制在30-60mm3的范围内，而其电阻加倍温度限制在70-125℃的范围内，那么，只要环境温度保持在-10和+100℃的范围内，流向辅助线圈2的电流可以在1-10秒的时间内切断。
下面接着描述对triac控制PTC热敏电阻8的特性的上述限制。
按照本发明，triac控制PTC热敏电阻8的体积处在30和60mm3之间。triac控制PTC热敏电阻8的体积与其关断时间成正相关，即，体积越大，关断时间越长。图2描述了triac控制PTC热敏电阻8的体积与关断时间之间的关系，这里，当环境温度为100℃(这是使用时温度范围的上限)时，电阻加倍温度是70℃。一般情况下，温度更高，加热过程变快，加热时间变短。图2描述的是，因为断开时间变得太短并且电动机1在体积小于30mm3而无法启动时，必须在100℃下使triac控制PTC热敏电阻8的体积大于30mm3。
图3描述的是当环境温度是-10℃(使用时温度范围的下限)时，半波周期是如何随triac控制PTC热敏电阻8的电阻加倍温度在70℃和125℃的范围内变化时而变化的。因为加热所需的时间随体积的增大而增加，所以，半波周期和体积也是正相关的。半波周期随环境温度的下降而变长。在-10℃下，如果triac控制PTC热敏电阻8的体积超过60mm3，那么半波周期将变得太长，而电动机将在其旋转运动中产生拍噪声和波动。
这就是为什么triac控制PTC热敏电阻8的体积被选择在30-60mm的范围内的缘故。但是，因为电能的浪费随triac控制PTC热敏电阻8的体积增大而增加，所以较佳范围是30-50mm3。
按照本发明，triac控制PTC热敏电阻8的电阻加倍温度值在70-125℃的范围内。因为使用更高电阻加倍温度值的PTC热敏电阻8加热需要较长的时间，所以，PTC热敏电阻的电阻加倍温度与加热时间成正相关关系。图4描述的是体积为30mm3的triac控制PTC热敏电阻8在环境温度为100℃时，电阻加倍温度与关断时间之间的关系。一般说来，加热时间随环境温度的升高而变短。如图4所示，当环境温度为100℃时，关断时间变得太短，而电动机1无法启动，除非triac控制PTC热敏电阻的电阻加倍温度大于70℃。
图5描述的是当环境温度为-10℃时，体积为30mm3到60mm3的PTC热敏电阻的电阻加倍温度和半波周期之间的关系。电阻加倍温度和半波周期之间成正相关关系，但是，如图5所示，当环境温度为-10℃时，如果PTC热敏电阻的电阻加倍温度超过125℃，则半波周期变得太短，并且电动机在旋转运动中产生拍噪声和波动。
综上所述，将triac控制PTC热敏电阻8的电阻加倍温度选择在70-125℃的范围内。由于电能的浪费随电阻加倍温度的增高而变大，所以电阻加倍温度最好低于110℃。
从实践上看，不仅triac控制PTC热敏电阻8的电阻加倍温度和体积有涨落，而且环境温度和商用电源都会出现涨落。所以，如果PTC热敏电阻的电阻加倍温度是70℃，并且其体积是30mm3，图2示出了即使由于某一小的涨落，关断时间也会出现很明显的变化。这会使电动机的启动出现故障。考虑到这种可能性，triac控制PTC热敏电阻8的电阻加倍温度最好高于85℃。
下面讨论在25℃下triac控制PTC热敏电阻8的电阻处在300-3000Ω的条件。在如上所述选择了triac控制PTC热敏电阻8的体积和电阻加倍温度以后，如果在25℃下PTC热敏电阻8的电阻小于300Ω，那么当商用电源6的电压较高时，栅极电流变得太大，这样会损坏triac7。另一方面，如果大于3000Ω，那么当电源6的电压较低时，栅极电流变得太弱，triac7会无法接通，特别是在低环境温度下。
综上所述，在25℃下，选择电阻介于300Ω和3000Ω之间的PTC热敏电阻。因为在25℃下电阻会增大，电能的浪费趋于降低，所以最好选择在25℃下电阻大于1000Ω的triac控制PTC热敏电阻8。在生产具有30-60mm3体积的triac控制PTC热敏电阻时，从限制(例如电阻率和形状)的观点看，最好使其在25℃下的电阻不大于2000Ω。
这样选择了在25℃下的体积、电阻加倍温度和电阻以后，即使采用少量的元件，也能在电动机的正常启动时间内(一般为1-10秒)，可靠地切断流向辅助线圈2的电流，并且在环境温度处在-10和+100℃之间时，在所有条件下，也使半波周期减小。
图6描述的是组装有实施本实施例的另一种启动电路的电动机驱动电路，图中，采用了与图1中相同的标号来表示相同或等效的元件。图6所示的电路其特征在于triac7与辅助线圈2串联，triac控制PTC热敏电阻8与辅助线圈2和triac7组成的串联电路并联，该triac控制PTC热敏电阻8的一个端子与triac7的栅极相连。本例中所使用的triac控制PTC热敏电阻8也满足下列条件，即，在温度25℃下，电阻为300-3000Ω，体积为30-60mm3，并且其电阻加倍温度为70-125℃。图6中所示本发明第二种实施例的优点在于，可以省去图1中所示的启动PTC热敏电阻4，所以电路可以用更少数量的元件形成。
图7描述的是组装有实施本发明又一种启动电路的电动机驱动电路，图中采用了如图1所示相同的标号来表示相同或等效的元件。图7中所示的电路与图1所示的电路不同点仅在于，附加电阻13插入在triac7的栅极与该栅极一侧另一端子之间。
图8示出的是组装有实施本发明又一种启动电路的电动机驱动电路，图中采用了与图6或图7中所使用的相同标号来表示相同或等效的元件。图8中所示的电路与图6所示电路的不同点仅在于在triac7的栅极与该栅极一侧另一个端子之间插入了一个附加电阻13。
图7和图8中所示的电路的优点在于，由于一部分电流通过triac控制PTC热敏电阻8流到附加电阻13，所以减小了流到栅极G的电流。这与增加确保使triac7接通的阈值(栅极触发电流)是等效的。所以，与没有该附加电阻13的相应电路(如图1或6所示)相比，关断时间变得更短。从而半波周期也缩短。如上所述，因为附加电阻13是用来减小栅极电流的，所以当商用电源6的电压上升时，附加电阻13也用来防止triac7的损坏。
在其他电路中，triac控制PTC热敏电阻8的电阻在25℃下最好在1000-2000Ω之间，其体积为30-50mm3，并且其电阻加倍温度为85-110℃。

Claims (8)

1.一种组装在电动机驱动电路中的电动机启动电路，所述电动机驱动电路中具有一辅助线圈，所述辅助线圈的仅在电动机启动时间内起作用，所述电动机驱动电路还具有一用来执行所述电动机稳态工作的主线圈，其特征在于，所述电动机启动电路包含：
具有正温度特性的启动热敏电阻，以及与所述辅助线圈串联的Triac开关；以及
具有正温度特性并与所述启动热敏电阻并联的triac控制热敏电阻，所述triac控制热敏电阻的一个端子与所述Triac开关的栅极端子相连，所述triac控制热敏电阻在25℃下的电阻为300-3000Ω，体积为30-60mm3，并且在70-125℃之间的电阻为在25℃下电阻的二倍。
2.如权利要求1所述的电动机启动电路，其特征在于，它还包含将所述Triac开关的所述栅极端子与所述Triac开关所述栅极端同一侧的另一个端子连接起来的附加电阻。
3.如权利要求1所述的电动机启动电路，其特征在于，所述triac控制热敏电阻在25℃下的电阻为1000-2000Ω，体积为30-50mm3，并且在85-110℃之间的电阻为25℃下电阻的二倍。
4.如权利要求2所述的电动机启动电路，其特征在于，所述triac控制热敏电阻在25℃下的电阻为1000-2000Ω，体积为30-50mm3，并且在85-110℃之间的电阻为25℃下电阻的二倍。
5.一种组装在电动机驱动电路中的电动机启动电路，所述电动机驱动电路中有一辅助线圈，所述辅助线圈仅在电动机启动时间内起作用，所述电动机驱动电路还具有一用来执行所述电动机稳态工作的主线圈，其特征在于，所述电动机启动电路包含：
与所述辅助线圈串联的Triac开关；以及
具有正温度特性并与所述辅助线圈和所述Triac开关并联的triac控制热敏电阻，所述triac控制热敏电阻的一个端子与所述Triac开关的栅极端子相连，所述triac控制热敏电阻在25℃下的电阻为300-3000Ω，体积为30-60mm3，并且在70-125℃之间的电阻为25℃下电阻的二倍。
6.如权利要求5所述的电动机启动电路，其特征在于，它还包含将所述Triac开关的所述栅极端子与所述Triac开关栅极端同一侧的另一个端子连接起来的附加电阻。
7.如权利要求5所述的电动机启动电路，其特征在于，所述triac控制热敏电阻在25℃下的电阻为1000-2000Ω，体积为30-50mm3，并且在85-110℃之间的电阻为25℃下电阻的二倍。
8.如权利要求6所述的电动机启动电路，其特征在于，所述triac控制热敏电阻在25℃下的电阻为1000-2000Ω，体积为30-50mm3，并且在85-110℃之间的电阻为25℃下电阻的二倍。
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