KR20100062931A - 저 전력 전기 모터 스타터 - Google Patents

Abstract

트라이악(14)에 직렬 연결된 PTC 저항(12)과 단상 모터의 스타트 권선에 연결되게 채용되는 바이어스 저항을 구비한 저가의 모터 스타터가 개시된다. 양호한 제1 실시예에서는 메인 권선에 직렬 연결되고,제2 실시예에서는 메인 권선 및 스타트 권선과 병렬로 연결되는 감지 코일(16a)을 구비한 리드 릴레이(16)는 리드 컨택트(16b,16c)에 자기적으로 결합된다. 리드 컨택트(16b)는 PTC 저항(12)과 트라이악(14)의 중간 위치에 연결되며 리드 컨택트(16c)는 트라이악의 게이트에 연결된다. 캐패시터를 포함하는 게이트 신호 위상 편이 회로망(C1-R2)은 또한 리드 컨택트(16c)와 게이트에 연결된다.

Description

저 전력 전기 모터 스타터{LOW POWER ELECTRIC MOTOR STARTER}

본 발명은 일반적으로 전기 모터 스타터(시동 장치)에 관한 것으로서, 특히 냉각 장치의 컴프레셔 모터에 유용한 저 전력 PTC(positive temperature coefficient) 모터 스타터에 관한 것이다.

본 출원은 2008년 12월 2일에 출원된 미국 가 특허 출원 제61/200,648호에 기초하여 우선권을 주장한다.

단상 AC 모터는 모터를 시동하기 위해 사용되는 메인 권선 및 보조 또는 스타트(시동) 권선을 구비하고 있다. 시간 또는 각종 모터 동작 파라미터들에 응답하는 원심 기구, 전류 릴레이 및 보다 최근의 반도체 전자 회로와 같이 선택된 속도에 모터가 도달할 때 스타트 권선을 연결 해제하기 위한 각종 수단이 사용되어 왔다.

이러한 수단과 관련하여 전기-기계 장치는 여러 해에 걸쳐 마모되어 장치의 신뢰성에 역영향을 주게 되는 단점이 있고 반도체 전자 회로는 비교적 고가이며 반도체 전자 회로의 의존성은 의심의 여지가 있다.

1991년에 허여된 미국 특허 제3,600,656호에 있어서, 동 특허에서는 PTC 저항을 스타트 권선과 직렬로 연결하고 있음에 주목해야 하며, PTC 저항은 스타트 권선을 흐르는 전류를에 의해서 가열되어 PTC 저항의 저항을 상승시키고 스타트 권선을 통해 흐르는 전류를 규정 기간 내에 저 레벨로 감소시킨다. 그러나 비교적 저 레벨이지만 지속되는 전류 흐름은 비효율적이며 전력의 손실을 가져온다. 더욱이 PTC 저항이 계속해서 가열되어 결과적으로 PTC 저항은 여전히 차단 동작 모드에 있어 모터의 재시동을 원하는 경우 문제가 된다.

미국 특허 제7,061,204호는 스타트 권선에 직렬 연결되고 스타트 권선을 비여자화(de-energizing)하기 위해 트라이악에 연결된 PTC 저항을 보여 주고 있다. 이 장치에서 트라이악의 게이트 단자는 전류 검출 회로를 포함하는 제어 회로에 연결된다. 모터 스타터가 PTC 저항을 비여자화하고 시동 전 스타트 권선을 필수적으로 제거함으로써 저전력을 제공하는 것이 효과적이지만, 전류 트랜스포머를 채용하는 스타터는 비교적 고가이다.

시동 전 스타트 권선을 효과적으로 단절하기 위해 스타트 권선에 직렬 연결된 트라이악의 게이트 회로에서 리드 스위치를 사용하는 것이 또한 공지되어 있다. 미국 특허 제4,307,327호에서, 트라이악은 스타트 권선에 연결되어 있고 리드 스위치는 트라이악의 게이트 단자에 연결되어 있다. 리드 스위치는 모터의 결합된 스타트 및 메인 권선 전류를 수용하는 감지 코일을 구비하고 있다. 모터가 그의 수반하는 저 메인 권선 전류와 동기 속도에 접근함에 따라 리드 스위치의 컨택트는 개방 하고 트라이악을 턴 오프함에 따라 스타트 권선을 통해 흐르는 전류 흐름을 절단한다. 그러나 이 스타터는 냉각 장치의 컴프레셔 용으로 통상 사용되는 저항 스타트 모터에 사용하기보다는 캐패시터 스타트 모터에 사용되게 설계되어 있다.

본 발명의 목적은 모터가 동기 속도에 접근할 때 스타트 권선 전류를 제거하는 저항 스타트 냉각 장치의 컴프레셔 모터용으로 특히 유용한 저가의 모터 스타터를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 모터의 시동 시 불필요한 스타트 권선 전류를 제거함으로써 전력 절감을 가져오는 저가의 모터 스타터를 제공하는 것이다.

요컨대, 본 발명의 양호한 제1 실시예에 의하면, 양방향 사이리스터, 또는 트라이악, 및 PTC 저항은 서로 직렬 연결되고 그리고 단상의 저항 스타트 AC 모터의 스타트 권선과 직렬로 연결된다. 전류 응답 리드 스위치는 제1 및 제2 컨택트를 갖고 있으며, 제1 컨택트는 트라이악의 게이트에 연결되고 제2 컨택트는 트라이악의 제2 메인 단자와 PTC 저항의 중간 위치에 연결되어 있다. 리드 스위치는 본 발명의 양호한 제1 실시예에서 메인 권선에 직렬 연결되고 리드 스위치와 밀접한 자기 결합 관계로 놓여지는 감지 코일을 구비하고 있다. 양호한 제2 실시예에 있어서 코일은 메인 권선 및 스타트 권선 둘다에 연결된다. 두 실시예에서 메인 권선 전류의 영 교차 구간 동안 전류 흐름을 게이트에 유지하도록 트라이악의 게이트 단자에는 캐패시터가 연결되고 이후 설명되는 바와 같이 AC 바이어스 전압을 발생하는 소(小) 바이어스 저항이 트라이악의 제1 메인 단자에 연결된다. 리드 스위치의 제2 컨택트와 트라이악의 게이트에는 또한 전류 제한 저항이 연결된다. 트라이악의 게이트에 연결된 전류 제한 저항은 또한 캐패시터와 함께 위상 편이 회로망으로서 기능한다.

모터의 시동 중에 메인 권선의 초기 전류는 리드 스위치를 폐쇄하기 충분한 자계를 발생하여 스타트 권선 전류를 흐르게 한다. 모터가 동기 속도에 접근함에 따라 PTC 저항은 가열하여 저항을 증가시켜 스타트 권선 전류를 감소시킨다. 메인 권선 전류는 그의 정상 상태(steady state)를 감지 코일에서 발생된 자계가 메인 권선 전류의 각각의 영 교차를 개방하는 리드 스위치를 작동하기 불충분하게 되는 충분히 낮은 풀 속도 레벨로 저감한다. 일단 스타트 권선 전류가 트라이악의 유지 전류 아래로 감소한 다음 트라이악은 턴 오프하며 스타트 권선 전류는 0에 고정된다.

양호하게 전류 제한 저항이 리드 스위치 컨택트에 연결되어 인 러쉬 전류(in-rush current)를 캐패시터에 제한하고 리드 스위치와 트라이악 게이트 전류의 저감을 돕는다. 또 다른 제한 저항은 양호하게 트라이악의 게이트에 연결되어 특히 게이트가 캐패시터에 의해서 공급되는 메인 권선의 영 교차 구간 동안 전류를 제한한다. 위에서 주지한 바와 같이 캐패시터와 함께 게이트 저항은 저항 R3에 의해서 생성된 AC 신호의 위상 편이 기능을 수행한다. 캐패시터는 게이트 신호의 위상 편이를 제공하고 시동 중에 전류 흐름을 트라이악에 유지하는데 이는 동위상 구간 동안 충분한 스타트 권선 전류 또는 충분한 게이트 신호 중 그 어느 것도 트라이악을 온 상태로 유지하기 위해 존재하지 않아 이것이 트라이악과 리드 스위치를 통해 흐르는 전류 스파이크와 트라이악과 리드 스위치 양단 간의 바람직하지 않은 전압 스파이크가 되기 때문이다.

본 발명에 의한 구성에 따른 AC 모터는 트라이악(14)에 직렬 연결된 PTC 저항(12)과 단상 모터의 스타트 권선에 연결되게 채용되는 바이어스 저항을 구비하여 저가의 모터 스타터를 실현한다

이후 본 발명의 보다 상세한 설명을 위해 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

도 1에 있어서 본 발명의 양호한 제1 실시예에 따라 제조된 모터 스타터를 유익하게 사용하는 단상 저항 스타트 AC 모터는 스타트 권선(4)과 병렬 연결되고 전원선 L1, L2을 통해 흐르는 적절한 교류 전원에 연결되는 주 권선(2)을 포함한다. 스타트 권선(4)은 전원선 L1에 연결되며 이어서 PCT 저항(12)과 2 개의 메인 단자 T1, T2 및 게이트 T3를 가진 양방향 사이리스터 또는 트라이악(14)에 직렬 연결된다. 리드 스위치(16)는 메인 권선(2)과 전원선 L2에 직렬 연결된 코일(16a)을 구비하며 서로 결합 및 결합 해제하여 가동 가능한 리드 스위치 컨택트(16b,16c)를 정상적으로 개방하기 위해 자기 결합 상태로 밀접하게 배치된다. 리드 스위치(16b)는 PTC 저항(12)과 트라이악(14)의 중간 위치에 연결된다. 리드 스위치(16c)는 리드 스위치 저항 R2을 통해 게이트 단자 T3에 바람직하게 연결된다. 바람직하게는 캐패시터 C1는 저항 R2을 통해 게이트 단자 T3에 연결되며 저항 R3은 메인 단자 T1에 연결된다. 원한다면, 옵션의 런(run) 캐패시터 C2는 AC 전원의 리턴 전원선 L2에서 PTC 저항(12), 트라이악(14), 저항 R3을 가로질러 연결 가능하다.

트라이악 메인 단자 T1와 직렬의 저항 R3은 캐패시터의 충전 전류를 제공하는 캐패시터 C1에 AC 바이어스 전압(트라이악 메인 단자를 통해 흐르는 스타트 권선 PTC 전류로부터 생성된)을 게이트 저항 R2을 통해 공급한다. 그것은 중간 기준 전위의 위 및 아래의 한 AC 전위에서 트라이악 게이트(트라이악 메인 단자 T1)에 대한 전압 기준점을 변경하는 것이라고 생각할 수가 있다. 이러한 저항 R3가 없으면, 캐패시터 전압은 훨씬 작고 트라이악과 동상(in-phase)으로 게이트와 단자 T1 간의 전압 강하를 진행함으로써 트라이악은 불충분한 게이트 전류 및 전압으로 인해 스타트 권선 PTC 전류의 각각의 영 교차 기간 동안 차단한다. T1 단자와 직렬의 저항 R3이 있으면, 저항을 통해 흐르는 스타트 권선 PTC 전류로부터 발생되는 AC 바이어스 전압은 트라이악 게이트 저항 R2을 통해 캐패시터를 충전한다. 스타트 권선 PTC 전압 신호의 위상 편이는 게이트 저항과 캐패시터의 RC 회로망으로 인해 발생한다. 캐패시터 상의 전압 증가 레벨 및 역위상 전압은 이제 T2 전류가 유지 전류 최소 아래로 강하할 때 트라이악이 차단하는 경우 스타트 권선 PCT 전류 영 교차에서 트라이악에 적절한 게이트 전압/전류를 공급한다. 이 증가된 게이트 전압/전류는 이제 트라이악을 턴 오프 후 즉시 턴 온 하게 함으로써 트라이악의 지연된 턴 온을 방지한다.

모터 시동 중에 메인 권선의 초기 전류는 리드 스위치 컨택트(16b,16c)를 폐쇄하도록 감지 코일(16a)에서 충분히 강한 자계를 발생함으로써 트라이악(14)의 게이트로 하여금 트라이악(14)을 턴 온 시켜 스타트 전류를 흐르게 하기 충분한 전압 및 전류를 갖게 한다. 리드 스위치(16)는 메인 권선 전류가 리드 스위치 컨택트의 강하 전류 아래로 강하할 때 개방한다. 따라서 캐패시터 C1로 하여금 저항 R2, 트라이악 단자 T1 및 T3, 저항 R3을 통해 방전하게 한다.

모터가 속도를 가속하고 스타트 권선 전류가 PTC 저항(12)의 자체 가열 및 그에 수반한 저항의 증가로 인해 감소함에 따라, 메인 권선 전류는 그의 정상 상태를 감지 코일(16a)에서 발생된 자계가 너무 낮아 리드 스위치를 작동할 수 없는 충분히 낮게 되는 풀 속도 레벨로 저감한다. 그 결과 트라이악(14)은 트라이악 유지 전류 및 스타트 권선 전류 아래의 스타트 권선 전류에서의 강하가 0에서 고정된 다음에 더 이상 게이트 온 되지 않는다.

저항 R1은 캐패시터 C1에 인 러쉬 전류를 제한하고 또한 리드 스위치와 트라이악 게이트 전류의 저감소을 돕는다. 저항 R2은 주지한 바와 같이 캐패시터 C1와 함께 위상 편이 기능을 제공하며 뿐만 아니라 리드 스위치가 메인 권선 전류의 영 교차 시 개방하는 구간 동안 게이트 전류를 제한한다. 이때 게이트 신호는 캐패시터 C1에 의해서 공급된다. 캐패시터 C1는 게이트 신호를 위상 편이하고 시동 위상 중에 전류 흐름을 트라이악 게이트에 유지한다. 이것은 동위상 구간 동안 충분한 스타트 권선 전류 또는 충분한 게이트 신호 어느 것도 트라이악을 온 상태로 유지하기 위해 존재하지 않기 때문에 시동 중에 스타트 권선과 메인 권선 전류 사이에서 발생하는 동위상 관계로 인해 필요하다. 위상 편이된 게이트 신호 없이 트라이악의 반복된 온, 오프 전환은 트라이악 및 리드 스위치에서 전압 및 전류 스파이크를 야기한다. 즉, 캐패시터 C1 및 저항 R3이 없는 도 1에 도시한 유형의 모터 스타터의 전압 및 전류의 궤적을 야기한다(도 3 참조). 저항 R3은 게이트 신호의 적절 한 편이 및 적절한 장치 동을 위해 필요하며, 캐패시터 C1을 구비한 동일한 모터 스타터의 궤적을 나타내고(도 4 참조), 캐패시터 C1 및 저항 R3을 구비하며 전압 및 전류의 궤적은 도 6과 같다. 저항 R3은 예컨대 니크롬과 같은 가열 선에 의해서 형성된다.

양호한 제1 실시예에 따라 제조된 모터 스타터는 다음과 같은 구성 요소를 구비한다.

R1 = 680 Ω, 1/4 watt

C1 = 47 ㎌, 6.3 V(딥형 래디얼 세라믹)

R2 = 100 Ω, 1/4 watt

R3 = 0.3 Ω, 15 watt(히터선)

트라이악 = MAC 228A8G(ON 반도체)

리드스위치 = MLRR-4, 17-23(Hamlin)

도 3의 궤적과 관련하여, 검사에 의해 전압 및 전류에서 많은 스파크와 함께 거친 스타트가 드러난다. 도 4는 동일 모터 스타터와 유사한 궤적을 도시하며 캐패시터 C1이 부가되어 있다. 많은 전압 및 전류 스파이크가 이 스타터 캐패시터 C1이 사용되지 않고 저항 R3이 포함되어 있다는 점을 제외하곤 도 3에서 사용된 것과 동일한 모터 스타터에 대한 도 5의 궤적으로 도시되고 있다. 많은 전압 및 전류 스파이크가 있다. 도 6은 도 1에 도시한 유형의 모터 스타터에 대한 전압 및 전류의 궤적이다. 즉 캐패시터 C1 및 저항 R3을 포함하고 있다. 이 궤적들에서 필수적으로 전압 및 전류 스파이크가 도시되고 있지 않다.

도 2는 모터 스타트 회로에서 사용되는 도 1의 것과 동일한 모터 스타터를 도시하고 있으며, 여기서 감지 코일(16a)은 메인 권선 및 스타트 권선의 결합 전류를 수용한다. 이 경우 도 7의 궤적은 필수적으로 전압 또는 전류 파형의 어느 것도 스파이크를 도시하고 있지 않다. 도 2의 모터 스타터는 리드 릴레이(16)에 공급되는 결합 메인 권선 및 스타트 권선 전류의 경우 도 2 스타터의 설명을 위해 도 1의 설명을 참조하고 있다는 점을 제외하곤 도 1의 것과 동일하다.

비록 본 발명이 특정의 양호한 실시예를 참조하여 설명하였지만 당업자에게 본 발명의 변형 및 수정이 가능 함을 이해할 것이다. 예컨대 원한다면 전원의 중립 또는 복귀 레그(leg)에 리드 스위치 코일을 두는 것은 본 발명의 범위 내에 있다. 그러므로 본 발명의 청구범위는 모든 변형 및 수정을 포함하는 종래 기술을 고려하여 광범위하게 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 양호한 제1 실시예의 개략 회로도.

도 2는 본 발명의 양호한 제2 실시예를 도시하는, 도 1과 유사한 개략 회로도.

도 3 내지 도 5는 양호한 실시예의 것과 유사하며 일부 구성요소가 빠진 회로에 대한 전류 및 전압 파형 궤적도(스위프=50000 포인트-20usec/pt).

도 6 및 도 7은 도 3 내지 도 5의 것과 유사한 양호한 제1 및 제2 실시예의 궤적을 도시하는 도면.

Claims (5)

1. 병렬 연결된 메인 권선과 스타트 권선, 상기 메인 권선과 스타트 권선에 연결되고 AC 전원에 연결되도록 채용된 중간 단자를 포함하는 전원선을 가진 AC 모터의 상기 스타트 권선을 제어하는 장치로서, 제1 및 제2 메인 단자와 게이트 단자를 갖고 있고 하나의 메인 단자와 직렬로 연결되어 상기 스타트 권선에 연결하기 적합한 PTC 저항을 가진 트라이악과, 제1 및 제2 단자를 가진 전류 응답 리드 스위치와, 캐패시터를 포함하며, 상기 전류 응답 리드 스위치의 제1 단자는 PTC 저항과 상기 트라이악의 중간에 연결되고, 상기 전류 응답 리드 스위치의 제2 단자는 상기 캐패시터에 연결되며, 상기 트라이악의 게이트 단자는 상기 전류 응답 리드 스위치와 상기 캐패시터의 중간 위치에 연결되고, 상기 다른 트라이악 메인 단자와 중간 단자 사이에는 바이어스 저항이 연결되며, 상기 전류 응답 리드 스위치에 근접 배치되며 상기 메인 권선에 연결하기 위해 감지 코일이 채용되는 것인 AC 모터의 스타트 권선 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 감지 코일은 상기 메인 권선과 직렬 연결하기 위해 채용되는 것인 AC 모터의 스타트 권선 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 감지 코일은 상기 메인 권선 및 상기 스타트 권선 둘다에 연결하기 위해 채용되는 것인 AC 모터의 스타트 권선 제어 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 다른 메인 트라이악 단자에 연결된 바이어스 저항은 히터선으로 형성되는 것인 AC 모터의 스타트 권선 제어 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 히터선은 니크롬으로 형성되는 것인 AC 모터의 스타트 권선 제어 장치.

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