专利名称：负载和速度灵敏电动机起动电路及方法
技术领域：
本发明通常涉及交流(AC)电动机以及用于与AC电动机一起使用的断开开关和电路。更具体地说，本发明涉及与AC电动机的起动，或辅助绕组一起使用的电路和方法，其中，当从静止起动电动机时，激励辅助绕组，然后以指定电动机速度断开。本发明还涉及用于与分相和电容器起动电动机一起使用的电路和方法。
背景技术：
单相AC电动机产生交变磁场，一个首先在一个方向中牵引，然后当磁场的极性改变时，在相反方向中牵引是非常公知的。这是因为由一交流电源激励单相AC电动机。不同类型的单相AC电动机间的主要区别是在特定方向中，它们如何开始起动电动机。通常由在电动机轴，或转子的一侧引入移相磁场的一些设备或电路来实现电动机起动。
分相电动机通过具有在电动机定子中缠绕的两个单独的绕组实现它们的起动能力。分开两个绕组以便一个绕组用于起动。用具有比主绕组更高电阻的更小导线尺寸绕组起动或辅助绕组。当起动电动机时，激励两个绕组。起动绕组产生看来旋转的场。该旋转导致电动机起动。然后，当电动机达到预定速度时，离心式开关断开起动绕组。
电容器起动电动机的绕组和离心式开关配置与用在分相电动机中的类似。在电容器起动电动机中，与起动绕组串联使用电容器以便产生相移和出现旋转场。同样，当电动机达到预定运转速度时，从而起动开关打开，断开起动绕组，以及电动机继续运转。用于与该类型的电动机一起使用的一个起动电路在U.S.专利No.4,622,506中公开。本发明的该方法和装置是那个起动电路的改进。
在现有的电气领域中，有各种用于控制的开关。包括安装在电机转子上的机械开关和离心激励器(centrifugal actuator)，就像之前间接提到的一样。离心型的机械开关存在诸如寿命限制、老损、摩擦、震动、安装位置、接触磨损的问题。同样，离心开关包括阻挡通过电机的轴向气流的径向件，这可能会削弱冷却。该径向件在电机外壳中也需要额外的空间，这可能会在各种的应用中产生麻烦。
在已知的另外一个启动绕组断开系统中，霍尔效应传感器或者拾取线圈(pick-up coil)用来检测电机转速以激励断开开关。这种方法因为需要在电机轴上以及拾取线圈上添加额外的诸如的磁铁的部件而存在问题。这些额外的部分和组建可能会引起问题。
在另一已知断开系统中，在电动机的初始激励后，起动定时器。当定时器超时时，起动断开开关以便断开辅助绕组。该方法不是负载或速度灵敏的，但相反，仅在预定时间后，断开辅助绕组，而与电动机速度无关和与负载无关。该方法限于专业应用，其中预先已知电动机上的负载，以及由此设置延迟时间。如果增加电动机上的负载，电动机速度将不会在所提到的断流时间达到所需阈值。另一，如果降低电动机上的负载，电动机将更快加速，以及在电容器的两端施加满电压达比所需更长的时间，反过来，会损坏电动机和/或电容器。当降低计时断开系统中的电动机的载荷时，电容器烧断是显著的问题。
另一已知方法是通过主绕组，检测电流，然后，以指定状态，起动断开开关。这要求电流检测器与主绕组串联，以及起动由于额外部件的成本和修改电路以及在电路中串联插入这些部件的组装成本，许多制造商不会采用的辅助绕组。该方法由于额外瓦特数和热也是不能采用的，因为在起动后，电流仍然正流过在运转模式中的传感器。
发明内容
本发明在用于辅助绕组断开开关的特别简单和有效电子控制系统中，解决和解释上述提到的和其他的问题。本发明是负载和速度灵敏，以及是AC线电压波动不灵敏。本发明消除电动机轴上、绕轴以及电动机电路中串联的额外部件的需要。不需要物理改进电动机部件或绕组。
本发明提供用于测量主电动机绕组处的电压以及检测该电压“交叉”零的电磁波周期中的点的新和有用电路以及方法。换句话说，检测主电动机绕组电压瞬间从正转变成负和反之亦然的点。该方法和电路还测量辅助电动机绕组处的电压。通过作为用于起动和重启辅助绕组的装置的电路，分别比较在主绕组和辅助绕组中测量的电压。该电路和方法还检测辅助绕组中的电流“交叉”零的电磁波周期中的点，以及将这些电流零交叉点的相位与当主电压交叉零时生成的窗脉冲比较。当零电流交叉点落在窗脉冲中时，这表示辅助绕组达到适当操作速度以及由起动电路断开辅助绕组。如果主电动机绕组上的负载增加，从而块至电动机转子速度减少到低于某一预定速度，辅助绕组将再次转变回该电路以便提高主电动机绕组的速度。
如前所提到的，本发明提供在U.S.专利No.4,622,506公开和所述的电路的改进。在那一实施例的电路中，总是测量辅助绕组两端的电压。在本发明的电路中，总是测量辅助绕组中的电流零交叉点。更具体地说，当闭合辅助绕组的开关时，辅助绕组的电压将没有意义，因为它不包含有关电动机速度或RPM的信息。这是因为在该条件下测量辅助电流。当断开开关时，没有电流流过辅助绕组，以及没有可用的电流信息。这是因为基于可用RPM信息，在该条件下测量辅助绕组电压。
新和有用电路和方法的其他方面和优点对本领域的技术人员来说，在再看附图和下述详细描述后将是显而易见的。
图1示意性表示使用本发明的优选实施例的典型环境。
图2是示例说明根据本发明的电动机起动电路的示意框图。
图3是图2的电路的详细电路图。
图4是示例说明图2和3的电路的操作的时序图。
图5是示例说明当涉及RPM信息时，图2和3的电路的操作的另一时序图。
具体实施例方式
现在，详细地参考附图，其中相同编号元件始终表示相同的元件，图1表示分别连接到AC电源3的AC电动机的主绕组1和辅助绕组2。当电动机达到指定阈值速度时，断开与辅助绕组2连接的开关5以便将辅助绕组2与电源3断开。还提供电流检测装置6，用于检测和测量当激励辅助绕组2时，流过它的电流。电流检测装置6为本发明的电路提供检测辅助绕组2的电流“交叉”零点的正弦AC电流波形中的点的能力。这也将称为辅助绕组2的“电流零交叉”。其意义在稍后的详细描述中将变得更显而易见。
图2表示通常标识为10的控制电路，包括主电压检测装置7，用于检测主绕组1两端的电压的大小，以及辅助电压检测装置8，用于检测辅助绕组2两端的电压的大小。提供电压比较装置13，分别响应主和辅助电压检测器7和8，以及响应主和辅助绕组电压的大小间的指定关系。提供主电压零交叉装置9，检测主绕组电压的正弦AC电压小型以及主绕组电压“交叉”零或转变极性的点。窗脉冲装置11响应主电压零交叉装置9以及生成窗脉冲。所生成的窗脉冲的宽度不是本发明的限定。提供辅助绕组电流零交叉装置12，检测流过辅助绕组2的电流以及辅助绕组电流也“交叉”零或转变流动方向的点，如前所述。提供相位比较装置14，检测与已经生成的主电压窗脉冲有关的辅助电流零交叉点。电压比较装置13生成脉冲波形15以及相位比较装置14也生成脉冲波形16。提供逻辑装置17以便响应脉冲波形15、16来断开或导通开关5。这能通过例如三端双向可控硅开关驱动器18分别分别断开或重新连接辅助绕组2和AC电源3来实现。实际上，通过负电压接通或断开三端双向可控硅开关驱动器18，这在稍后的详细描述中将变得显而易见。
图3表示用于图2所示的示意图的示意电路，以及使用相同标记来便于清楚。存在对应于图2所示的各种功能的详细电路的各个部分。例如，图2所示的示意图的最终逻辑17对应于图3所示的NAND门86。与其他电路部件一起使用门86以便触发三端双向可控硅开关90以及导通和断开辅助绕组2。一对绕组91和92是有效地提供用于辅助绕组2的电流检测装置的变压器绕组。
再参考图3，电路的电源部分包括连接到包括一对齐纳二极管78、79、电阻器44和电容器67的其他部件的一对晶体管55、56。主绕组1两端的电压与通过电阻器43、电容器69和二极管77的电势相同。该电路的主电压检测7部分包括其他电阻器36、37、38、电容器64和二极管73。该电路的辅助电压检测8部分包括电阻器39、40、41、42、电容器、二极管74和晶体管53。通过使用比较器81，实现电压比较13。实际上，比较器81是提供访问其他比较器80、82、83的石英比较器芯片，或或其他集成电路的1/4。特别地，比较器81的输入引脚6检测主绕组电压7，以及同一比较器81的输入引脚7检测辅助绕组电压8。比较器81的输出引脚1馈送到电阻器45以及NAND门85的输入引脚6中。根据门85的输入引脚5处的输入，在门85的输出引脚4处生成脉冲波形15。其意义将在稍后的详细描述中论述。
现在，参考电路10的主电压零交叉9和辅助电流零交叉12部分，将看到主电动机绕组1两端的电压与图3所示的电路的电阻器20、21两端的电压的电势相同。在电路的主电压零交叉9部分中，还包括两个晶体管50、51、电阻器22和电容器60。还通过电阻器23、24、25、26、二极管70、晶体管52和电容器61提供该电路的延迟部分。如前所述，提供另一比较器80。其输出引脚2馈送到该电路的脉冲波形生成器11部分。该电路的脉冲波形生成器11包括晶体管27、46和电容器68。
该电路的辅助绕组电流零交叉12部分包括剩余对比较器82、83、多个电阻器28、29、30、31、32、33、34、35、一对电容器62、63以及一对二极管71、72。如所示，比较器82、83的输出引脚13、14分别馈送到相位比较器门84的输入引脚2的一个中。相位比较器门84的输出引脚3通过电阻器47、电容器66和二极管75，在该电路的“停止”端上生成脉冲16。该输出馈送到最终逻辑门86的输入门8中。用这种方式，根据需要，使用脉冲波形15、16来接受和断开三端双向可控硅开关驱动器18。根据逻辑门86的输入引脚10处的电阻器48、49和晶体管57，提供三端双向可控硅开关电路。通过使用该结构，由负电压接通和断开三端双向可控硅开关驱动器18。见图2。
通过电压比较13，启动线电压3的应用上的电动机的初始起动。电压比较13相对于主绕组电压，检测低辅助绕组电压，以及通过逻辑17，初始化三端双向可控硅开关导通。在第一导通后，由相位比较14立即继续激励辅助绕组2。电压比较13不能用来维持起动状态，因为在第一激励辅助绕组2后，辅助绕组2上的电压是线电压源3的电压，以及不通过转子，来自主绕组1的感应电压表示电动机速度。在下述段落中，说明通过绕组电流相位控制维持辅助激励。
现在，参考图4，将论述本发明的电路中的主电压检测装置7如何预览主绕组电压的大小，如在上图中表示为正弦波形。其下的图表示主绕组电压交叉零的点V1、V2和V3。即，瞬间倒转电压极性的点。下一图示例说明在这些电压零交叉点V1、V2和V3的每一个处，分别由窗脉冲装置11生成窗脉冲P1、P2和P3。当电动机的速度“上升”或增加时，辅助绕组电流零交叉装置12检测流过辅助绕组2的电流以及辅助绕组电流“交叉”零或转变流动方向的点I1、I2和I3。提供相位比较装置14以便检测与主电压窗脉冲P1、P2和P3有关的辅助绕组电流零交叉点I1、I2、I3。当辅助电流零交叉点I3例如落在窗脉冲P3中时，相位比较器14生成将由逻辑控制17接收的脉冲波形16以及截止三端双向可控硅开关驱动器18。如果因为负载增加导致降低电动机速度，需要重新激励辅助绕组2，启动电压比较装置13以便重启与初始电动机起动状态相同的状态。由此重新启动起动顺序以便连接辅助绕组2。顺序是通过检测相对于主绕组电压1的低辅助绕组电压2，启动电压比较13。该检测用于初始接通三端双向可控硅开关，在此之后，使用相位比较装置来维持辅助绕组2重新激励直到电动机速度增加到所需辅助绕组去激励速度为止。
现在，参考图1和5，将看出由电动机的RPM信息的可存取性，导出该电路的函数。例如，当断开开关5时，辅助电压提供RPM信息，以及没有可用辅助电流。即，辅助绕组电压实际上是主绕组1两端的电压和电动机PRM的函数。辅助绕组2两端的电压与电动机RPM具有直接关系。当闭合开关5时，辅助电压与线电压相同以及不包含RPM信息。另一方面，辅助电流零交叉的确具有RPM信息。这如在表示开关5“接通”和“断开”位置的最上图中所示转换。当初始闭合开关5时，电动机的速度“上升”到辅助绕组2能“断路”电路以及开关5打开的点。在该时间期间，由电路确定辅助电流零交叉。在开关5打开后，没有电流流过辅助绕组2以及辅助绕组2两端的电压是主绕组1两端的电压和电动机RPM的函数。当由于强加在电动机上的负载，电动机继续和RPM减少时，再次需要闭合开关5以便增加电动机转矩来尝试和再获得速度。该开关5闭合“推动”电动机以致RPM增加到不同需要激励辅助绕组1的点。这在电动机的整个操作周期继续。
因此，已经提供用于测量主电动机绕组处的电压以及检测主绕组电压“交叉”零的电磁波周期中的点的新的和有用的电路和方法。该方法和电路还测量辅助电动机绕组处的电压。在主绕组和辅助绕组中测量的电压分别由用作用于起动和重启辅助绕组的电路比较。该电路和方法还检测辅助绕组中的电流“交叉”零的电磁波周期中的点，以及将这些电流零交叉点的相位与当主绕组电压交叉零时生成的窗脉冲比较。当零电流交叉点落在窗脉冲中时，辅助绕组上升到适当操作速度以及由开关电路断开辅助绕组。如果电动机上的负载增加，导致电动机速度下降到低于某一电平，辅助绕组将再次转变回该电路以便提高主电动机绕组的速度。
本发明的范围是包括基于电流相位变化和主绕组的电动机速度和/或辅助绕组电流，去激励辅助绕组。随着激励辅助绕组，在电动机起动或减速期间，主绕组和辅助绕组电流相位随电动机速度改变。所公开的电路相对于线电压相位，在辅助绕组的移相上起作用。随电动机速度改变的主绕组电流移相是在与用于辅助电流相反的方向中。已经使从辅助绕组到主绕组的电流传感器的逻辑和电路位置中的变化启动相对于线电压，主绕组电流的移相上的辅助绕组的去激励。另外，通过两个电流传感器，通过相对于主绕组，比较辅助绕组的相位，启动去激励。先前详细所述的电路是基于最小化实现所需控制的成本的尝试的实施例。应理解到该公开内容和附加权利要求的范围不限于在此所述的具体实施例。
权利要求
1.在具有均可连接到AC电源的主绕组和辅助绕组，以及具有用于从所述AC电源断开所述辅助绕组的开关的AC电动机中，一种用于所述开关的改进控制电路包括主电压检测装置，用于检测AC主绕组电压的大小，主电压零交叉检测装置，用于检测瞬间倒转主绕组电压极性的点，窗脉冲生成装置，用于在倒转主绕组电压极性的点处，生成脉冲，辅助电压检测装置，用于检测AC辅助绕组电压的大小，电压比较装置，用于检测主绕组和辅助绕组间的电压大小的差值，辅助电流零交叉检测装置，用于检测辅助电流改变方向处的点，以及相位比较装置，用于检测主电压零交叉点和辅助电流零交叉点间的相移，其中，所述相位比较装置用来当根据电动机速度的函数，辅助绕组电流零交叉的相移落在主电压脉冲内时，断开所述辅助绕组。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述电压比较装置用来当根据电动机负载和电动机速度的函数，相对于主绕组的电压的大小，辅助绕组的电压的大小降低到预定值以下时，连接或重新连接所述辅助绕组。
3.如权利要求2所述的控制电路，其中，所述电压比较器包括脉冲波形生成装置，用于生成第一逻辑脉冲，以及所述相位比较器包括脉冲波形生成装置，用于生成第二逻辑脉冲。
4.如权利要求3所述的控制电路，其中，所述第一和第二逻辑脉冲由逻辑控制器使用来接通和断开所述开关。
5.如权利要求4所述的控制电路，其中，所述开关包括由负电压值触发的三端双向可控硅开关设备。
6.在具有均可连接到AC电源的主绕组和辅助绕组，以及具有用于将所述辅助绕组与所述AC电源断开的开关的AC电动机中，一种用于控制所述开关的改进方法包括步骤检测AC主绕组电压的大小，检测瞬间倒转主绕组电压极性的点，在倒转主绕组电压极性的点处，生成脉冲，检测AC辅助绕组电压的大小，检测主绕组和辅助绕组间的电压大小的差值，检测辅助电流改变方向处的点，以及检测主电压零交叉点和辅助电流零交叉点间的相移，其中，所述相移用来当根据电动机速度的函数，辅助绕组电流零交叉的相移落在主电压脉冲内时，断开所述辅助绕组。
7.如权利要求6所述的方法，包括当根据电动机负载和电动机速度的函数，相对于主绕组的电压的大小，辅助绕组的电压的大小降低到预定值以下时，连接或重新连接所述辅助绕组的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，包括根据电压比较的结果，生成第一逻辑脉冲以及根据相位比较的结果，生成第二逻辑脉冲的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一和第二逻辑脉冲由逻辑控制器使用来接通和断开所述开关。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括将由负电压值触发的三端双向可控硅开关设备提供为开关的步骤。
11.在具有均可连接到AC电源的主绕组和辅助绕组，以及具有用于将所述辅助绕组从所述AC电源断开的开关的AC电动机中，一种用于所述开关的改进控制电路，包括主电压检测装置，用于检测AC主绕组电压的大小，主电压相位检测装置，用于提供用于主绕组电流相位检测的相位比较的参考，辅助电压检测装置，用于检测AC辅助绕组电压的大小，电压比较装置，用于检测主绕组和辅助绕组间的电压大小的差值，辅助电流相位检测装置，用于测量主绕组相移，以及相位比较装置，用于检测主电压和主绕组电流间的相移，其中，所述相位比较装置用来当根据电动机速度的函数，相对于主电压，主绕组的相移落在相位的预定值中时，断开所述辅助绕组。
12.如权利要求11所述的控制电路，其中，所述电压比较装置用来当根据电动机速度的函数，相对于主绕组的电压的大小，辅助绕组的电压的大小降低到预定值以下时，连接或重新连接所述辅助绕组。
13.如权利要求12所述的控制电路，其中，所述电压比较器包括脉冲波形生成装置，用于生成第一逻辑脉冲，以及所述相位比较器包括脉冲波形生成装置，用于生成第二逻辑脉冲。
14.如权利要求13所述的控制电路，其中，所述第一和第二逻辑脉冲由逻辑控制器使用来接通和断开所述开关。
15.如权利要求14所述的控制电路，其中，所述开关包括三端双向可控硅开关。
16.在具有均可连接到AC电源的主绕组和辅助绕组，以及具有用于将所述辅助绕组从所述AC电源断开的开关的AC电动机中，一种用于所述开关的改进方法包括步骤检测AC主绕组电压的大小，检测瞬间倒转主绕组电压极性的点，在倒转主绕组电压极性的点处，生成脉冲，检测AC辅助绕组电压的大小，检测主绕组和辅助绕组间的电压大小的差值，检测主电流改变方向的点；以及检测主电压零交叉和主电流零交叉点间的相移，其中，所述相移用来当根据电动机速度的函数，主绕组电流零交叉的相移落在主电压脉冲外时，断开所述辅助绕组。
17.如权利要求16所述的方法，包括当根据电动机速度的函数，相对于主绕组的电压的大小，辅助绕组的电压的大小降低到预定值以下时，连接或重新连接所述辅助绕组的步骤。
18.如权利要求17所述的方法，包括根据电压比较的结果，生成第一逻辑脉冲以及根据相位比较的结果，生成第二逻辑脉冲的步骤。
19.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一和第二逻辑脉冲由逻辑控制器使用来接通和断开所述开关。
20.如权利要求9所述的方法，进一步包括将由负电压值触发的三端双向可控硅开关设备提供为开关的步骤。
21.在具有均可连接到AC电源的主绕组和辅助绕组，以及具有用于将所述辅助绕组从所述AC电源断开的开关的AC电动机中，一种用于所述开关的改进控制电路，包括主电压检测装置，用于检测AC主绕组电压的大小，主电压相位检测装置，用于提供用于辅助电流相位检测的相位比较的参考，辅助电压检测装置，用于检测AC辅助绕组电压的大小，电压比较装置，用于检测主绕组和辅助绕组间的电压大小的差值，辅助电流相位检测装置，用于测量辅助绕组相移，以及相位比较装置，用于检测主电流和辅助电流间的相移，其中，所述相位比较装置用来当根据电动机速度的函数，相对于主绕组电流，辅助绕组电流的相移落在相位的预定值中时，断开所述辅助绕组。
22.如权利要求21所述的控制电路，其中，所述电压比较装置用来当根据电动机速度的函数，相对于主绕组的电压的大小，辅助绕组的电压的大小降低到预定值以下时，连接或重新连接所述辅助绕组。
23.如权利要求22所述的控制电路，其中，所述电压比较器包括脉冲波形生成装置，用于生成第一逻辑脉冲，以及所述相位比较器包括脉冲波形生成装置，用于生成第二逻辑脉冲。
24.如权利要求23所述的控制电路，其中，所述第一和第二逻辑脉冲由逻辑控制器使用来接通和断开所述开关。
25.如权利要求24所述的控制电路，其中，所述开关包括三端双向可控硅开关。
26.在具有均可连接到AC电源的主绕组和辅助绕组，以及具有用于将所述辅助绕组从所述AC电源断开的开关的AC电动机中，一种用于所述开关的改进方法包括步骤检测AC主绕组电压的大小，检测瞬间倒转主绕组电压极性的点，在倒转主绕组电压极性的点处，生成脉冲，检测AC辅助绕组电压的大小，检测主绕组和辅助绕组间的电压大小的差值，检测主电流改变方向的点，检测辅助电流改变方向的点，以及检测主电压零交叉和主电流零交叉点间的相移，其中，所述相移用来当根据电动机速度的函数，相对于主电流零交叉，辅助绕组电流零交叉的相移在预定时间内时，断开所述辅助绕组。
27.如权利要求26所述的方法，包括当根据电动机速度的函数，相对于主绕组的电压的大小，辅助绕组的电压的大小降低到预定值以下时，连接或重新连接所述辅助绕组的步骤。
28.如权利要求27所述的方法，包括根据电压比较的结果，生成第一逻辑脉冲以及根据相位比较的结果，生成第二逻辑脉冲的步骤。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述第一和第二逻辑脉冲由逻辑控制器使用来接通和断开所述开关。
30.如权利要求29所述的方法，进一步包括将由负电压值触发的三端双向可控硅开关设备提供为开关的步骤。
全文摘要
电路和方法检测主电动机绕组(1)的电压以及检测该电压“穿过”零的电磁波周期中的点。该方法和电路还测量辅助电动机绕组(2)的电压。在主绕组(1)和辅助绕组(2)中测量的电压由作为用于起动和重启辅助绕组(2)的电路(13)比较。该电路和方法还检测辅助绕组中的电流“穿过”零的电磁波周期中的点以及将这些电流零交叉点的相位与当主电压交叉零时生成的窗脉冲(11)进行比较。当零电流交叉点落在窗脉冲中时，辅助绕组(2)上升到适当操作速度以及由起动电路断开辅助绕组(2)。如果主电动机绕组(1)上的负载减少到低于某一预定速度，使辅助绕组(2)转变回电路以便提高主电动机绕组(1)的速度。
文档编号H02P25/18GK1723605SQ02829790
公开日2006年1月18日 申请日期2002年10月22日 优先权日2002年10月22日
发明者闵勇基 申请人:闵勇基