专利名称：针对单相电动机过压保护的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机控制器，更具体地涉及一种针对单相电动机过压保护的系统和方法。
背景技术：
固态启动器/控制器已被广泛地用于控制将电源应用于AC感应电动机。该传统的启动器/控制器(在下文中简单地称为启动器或控制器)使用固态开关来控制将AC线电压应用于电动机。该开关可是诸如可控硅整流器(SCR)或三端双向可控硅开关元件的半导体闸流管。
一种公知的升降机启动器形式的电动机控制器提供过载和电流不平衡故障形式的电动机保护。该电流不平衡故障被记录为单相故障。故障出现，经验迫使最低电流与最高电流比被减小30％。迫使该比例到低水平的情况之一是输入相位中的一个或者两个被严重加载的系统上的电压不平衡。在这些情况下，电力公司试图保持所加载的相位在额定值。这可以导致在无负载的相位中的额外电压。如果电动机正在运行，那么这些额外电压将引起轻度加载的一个或多个相位上的高电流。在电动机上的负载是轻的情况下，使得电动机电流小于过载设置，那么该不平衡完全被启动器忽略。在输入相位的一个或两个上的电压足够高的情况下，那么该电流足够高以超过过载设置并引起对电动机的损害。依赖于该电压的幅值，与电动机绕组相关的铁芯可以饱和，其导致很高的电流。允许启动器在这三种情况下运行可以引起绕组中的过热和减少电动机的寿命。然而，在这些情况下关闭电动机控制器可引起升降机停止和导致服务调用。
其他电动机控制器监视线电压并限制高电压情况期间的所有三个相位上的电压。在电压极度高的情况下处理所有三个电压的系统上，减小针对所有三个相位的SCR的点火角。当电动机的电压在具有额外电压的相位上降低时，在其它一个或多个相位上该电压也被减小。这可能导致不平衡的电流并可能引起电动机进入失速情况。
本发明以新颖和简单的方式解决以上讨论的一个或多个问题。
发明内容
根据本发明，提供一种针对单相电动机过压保护的系统和方法。
根据本发明的一个方面，广泛公开一个电动机控制器，其包含多个固态开关，每个固态开关用于在AC线和电动机绕组端之间的连接以控制将AC电源应用于电动机。多个电压传感器感应相关的电动机绕组的电压，每个电压传感器与固态开关之一相关。控制电路控制固态开关的工作。如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压开始变化一个选定量，则该控制电路调节固态开关之一的开启(firing)。
本发明的特征是，如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压开始变化选定量，则该控制电路连续调节固态开关之一的开启。
本发明的另外的特征是，如果针对相关绕组的所感应的电压不是从阈值电压开始变化选定量，则该控制电路逐渐将固态开关之一的开启返回到全部接通的情况。
本发明的仍然另一个特征是，选择量被选择为在额定电动机电压上的选择值。
本发明的进一步的特征是，如果针对相关绕组的所感应的电压超过额定电动机电压约20％，则控制电路调节固态开关之一的开启。
根据本发明的另一个方面公开一种具有单相过压保护的电动机控制器，该电动机控制器包含多个固态开关。每个开关用于与AC线相位和相关电动机绕组端之间的相关电动机绕组串联以控制将AC电源应用于电动机。多个电压传感器感应线电压和电动机端电压，每个电压传感器与固态开关之一相关。控制电路被连接到固态开关和电压传感器以控制固态开关的工作。该控制电路响应于所感应的线电压和电动机端电压来确定每个电动机绕组上的电压，而且如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压变化选定量，则调节固态开关中的单个开关的开启。
根据本发明的一个方面，电动机控制器包含一个升降机启动器以供电给升降机驱动电动机。
根据本发明的进一步的方面公开一种具有单相过压保护的电动机控制器，其包含多个固态开关装置，每一个固态开关装置用于与AC线相位和相关电动机绕组端之间的相关电动机绕组串联以控制将AC电源应用于电动机。电压感应装置感应线电压和电动机端电压。控制电路装置与固态开关和电压感应装置连接以控制固态开关装置的工作，该控制电路装置包含用于响应于所感应的线和电动机端电压来确定每个电动机绕组上的电压的确定装置，以及装置，该装置用于如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压开始变化选定量，则调节固态开关装置中的单个装置的开启。
根据本发明的进一步的方面公开一种针对单相电动机保护的方法，该方法包括提供用于在AC线和电动机端之间的连接以控制将AC电源应用于电动机的固态开关；感应线电压和电动机端电压；以及控制固态开关的工作，其包含响应于所感应的线电压和电动机端电压来确定每个电动机绕组上的电压，并且如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压开始变化选定量，则调节固态开关中的单个开关的开启。
本发明的进一步的特征和优点将从说明书和附图中变得显而易见。
图1是根据本发明的电动机控制器的透视图；图2是图1的电动机控制器的框图；图3是连接到德耳塔配置的电动机的图1的电动机控制器的接线图；图4是电动机控制器的SCR的曲线示例控制；以及图5A和5B是流程图，说明由图2的处理器执行的电动机过压模块。
具体实施例方式
首先参考图1，固态电动机启动器/控制器20(下文简称为启动器或控制器)被示出。控制器20的一个应用是作为升降机启动器。针对液压升降机，该电动机控制器20可被用于驱动泵。升降机车厢的每次运动被命令，然后电动机控制器20必须启动升降电动机直到它达到工作速度并工作在运行模式。这样的电动机控制器20可只被用于向上方向，因为重力可以被用于向下方向。
该电动机控制器20包含外壳22，其包括外壳基座24、散热器26和盖28。该电动机控制器20包括多个半导体闸流管形式的固态开关32、诸如背对背连接的可控硅整流器(SCR)对，参看图2。在此为了简化，SCR对32被简称为SCR。三端双向可控硅开关元件也可以被使用。SCR32控制将三相AC线电压应用于三相电动机。明显的，不同数量的SCR32可以被用于控制不同数量的相位，如对于本领域的技术人员显而易见的那样。
SCR32被安装在外壳20内的散热器26上。也参考图2，控制电路34也被包围在外壳20中。该控制电路34控制SCR32的工作。特别地，控制电路34包含一个用于命令SCR32的工作的可编程处理器36、诸如数字信号处理器。存储器38被连接到该处理器36并存储关于SCR32的工作的程序和配置信息，如下所述。
该处理器36被连接到三个接口电路40，每一个接口电路用于连接到SCR32中的一个。特别地，该接口电路40包括用于驱动SCR32的缓冲电路和用于感应线电压和电动机端电压的电压感应电路，表示SCR32上的电压。电流变压器42感应每个SCR32的电流并被连接到电流感应电路44。其他类型的电流传感器可以被使用。该电流感应电路44也被连接到处理器36。
盖22上的LCD显示器44(参见图1)被连接到处理器36。该显示器44被用于指示配置设置、工作值、故障情况等等。用户可操纵开关46被电气连接到处理器36。用户可操纵开关46通过外壳盖22上的调节器元件48来操纵，参看图1。特别地，该开关46被用于局部选择所存储的配置信息的参数。
参考图3，电气示意图示出图2的SCR32连接到德耳塔配置的电动机绕组W1、W2和W3。如上所述，绕组W1-W3可以是升降电动机的绕组。例如，SCR32中的一个被连接在第一相位线电压L1和第一电动机绕组端T1之间。第一电动机绕组W1与在电动机端T1和另一个电动机端T4之间的SCR32串联。该电流变压器42感应流过绕组W1的电流。故障触点FC1也串联连接。德耳塔配置的其他管脚通常是类似的而且实际上是传统的。显而易见的，其他电动机配置可与所公开的系统和方法结合使用。
图2的处理器36根据用于控制SCR32的工作的控制程序来工作。特别地，每个SCR32按照惯例被控制以满足电压和电流的要求。这通过改变SCR32的点火角来完成。图4示出图形说明，其包括表示输入电流的曲线50。垂直的箭头52代表SCR32的点火角。通常，点火角52由处理器36来控制以满足工作需要。为了降低电流，点火角52被移到图4中的右侧以减少导通时间。相反，众所周知，为了减少电流，点火角52被移到左侧以增加导通时间。在启动模式期间，该处理器36通过在被指定以满足预选的加速时间和加速转矩值的时间中逐渐提高点火角52来使电流倾斜上升直至选择启动电流限制设置值。通过调节在开启SCR32中的延时，处理器36可以保持这个水平。当电动机速度增加时，电流开始减小。处理器36连续增加电压以补偿电流的减小。假如当电动机达到速度时，电动机的电压以大于电动机转差率电阻减小的速率增加，则这保持恒定的电流在启动电流限制开关的设置上。随后在运行模式期间，控制电路34将整个电压施加到电动机。
根据本发明，控制电路34利用过压保护模块54(参看图2)以监控每个绕组W1-W3上的实际的RMS电压并不依赖于其他相位来调节每个相位上的电压以单独保护绕组。
如上所述，该电压感应电路40监控三个线电压L1、L2和L3(参看图3)和三个电动机端电压T1、T2和T3。因此，电动机控制器20可以包含单相电动机过压保护模式，该单相电动机过压保护模式将电压限制在仅仅具有额外线电压的一个或多个相位中。该电压将基于200、230、400、460或575VAC的额定电动机电压。如果一个或多个电动机绕组W1-W3上的电压超过额定电压例如20％，则启动器调整相位返回具有额外电压的相位的点火角以限制每个单个电动机绕组电压到额定电动机电压之上20％。利用这个方法，具有较低电压的相位上的绕组接收整个电压，而具有较高电压的一个或多个绕组接收部分电压。这导致电流不平衡被最小化并防止电动机停止。特别地，该负载、例如升降机可在高电压的情况下连续工作而不会长期损害电动机。通过监控实际的电动机绕组电压，由于过压，启动器可以消除损害并个别调节每个绕组的电压以允许电动机连续运行。
参考图5A和5B，过压模块54的软件的流程图被示出。当控制电路34将整个电压施加到电动机绕组W1-W3时，这个模块通常在运行模式期间使用。该例行程序在框60开始以更新在端T1和T4之间的第一绕组W1的RMS电压。使用第二线L2和第一端T1的所感应的电压来确定这一点，参考图3。判定框62确定是否第一绕组W1上的电压大于等于最大电动机绕组电压。这通过比较所更新的电压和可能例如大约高于额定电压20％的阈值量来确定，如上所述。显而易见的，其他阈值量也可被使用。如果是，则框64减小在相位1上的点火角XX度，其中XX是预选的数量。然后控制进行到交叉点66。如果电动机绕组电压不大于最大电动机绕组电压，如在判定框62中所确定的那样，则判定框68确定第一相位是否开启为全部接通。如果是，则控制进行到交叉点66。如果不是，则框70增加第一相位上的点火角XX度。从那开始，控制进行到交叉点66。
从交叉点66开始，控制进行到框72，该框将第二绕组W2上的电压作为电动机端T2和线电压L3的所感应的电压的函数更新。判定框74确定电动机绕组电压是否大于最大电动机绕组电压。如果是，则框76减少第二相位上的点火角XX度。然后控制前进到交叉点78。如果不是，则判定框80确定相位2是否开启为全部接通。如果是，则控制前进到交叉点78。如果不是，则框82增加相位2上的点火角XX度。
从交叉点78开始，控制经由节点A前进到图5B和框80，该框80将第三绕组W3的RMS电压作为所感应的线电压L1和电动机端电压T3的函数更新。判定框82确定是否第三绕组电压大于等于最大电动机绕组电压。如果是，则框84减小第三相位上的点火角XX度而控制前进到交叉点86。如果不是，则判定框88确定第三相位是否开启为全部接通。如果是，则控制前进到交叉点86。如果不是，则框90增加第三相位上的点火角XX度。然后控制前进到交叉点86。从交叉点86开始，该控制返回到在框92的主程序。
显而易见的，图5A和5B的流程图包括相对三个绕组W1-W3中的每一个执行的相似程序。这个程序监控每个绕组W1-W3上的实际的RMS电压并调节独立于其他相位的每个相位上的电压以单独保护绕组。
因此，可注意，已经说明一种针对电动机控制器中的单相电动机过压保护的新的和新颖的系统和方法。本领域的技术人员应注意，在此给出的教义、多个替换方案和等效方案将被认为存在，其包含所公开的本发明。因此，本发明不限于前述示例性的实施例，而仅由所附的权利要求来限制。
权利要求
1.电动机控制器包括多个固态开关，每个固态开关用于在AC线和电动机绕组端之间的连接以控制将AC电源应用于电动机；多个电压传感器，每个电压传感器与固态开关之一相关，用于感应针对相关电动机绕组的电压；以及一种用于控制固态开关的工作的控制电路，如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压开始变化一个选定量，则该控制电路调节固态开关之一的开启。
2.如权利要求1所述的电动机控制器，其中如果针对相关绕组的所感应的电压连续从阈值电压开始变化所述选定量，则所述控制电路连续调节固态开关之一的开启。
3.如权利要求1所述的电动机控制器，其中如果针对相关绕组的所感应的电压不是从阈值电压开始变化所述选定量，则所述控制电路逐渐地将固态开关之一的开启返回到全部接通的情况。
4.如权利要求1所述的电动机控制器，其中如果针对相关绕组的所感应的电压不是从阈值电压开始变化所述选定量，则所述控制电路将固态开关之一的开启返回到全部接通的情况。
5.如权利要求1所述的电动机控制器，其中所述选定量被选择为额定电动机电压之上的一个选定值。
6.如权利要求1所述的电动机控制器，其中如果针对相关绕组的所感应的电压超过额定电动机电压约20％，则所述控制电路调节固态开关之一的开启。
7.具有单相过压保护的电动机控制器，其包括多个固态开关，每个固态开关用于与在AC线相位和相关电动机绕组端之间的相关电动机绕组串联以控制将AC电源应用于电动机；多个电压传感器，每个电压传感器与固态开关之一相关，用于感应线电压和电动机端电压；以及一种控制电路，其被连接到固态开关和电压传感器以控制固态开关的工作，该控制电路响应于所感应的线电压和电动机端电压来确定每个电动机绕组上的电压，而且如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压开始变化一个选定量，则调节固态开关的单个开关的开启。
8.如权利要求7所述的电动机控制器，其中如果针对相关绕组的所感应的电压连续从阈值电压开始变化所述选定量，则所述控制电路连续调节固态开关之一的开启。
9.如权利要求7所述的电动机控制器，其中如果针对相关绕组的所感应的电压不是从阈值电压开始变化所述选定量，则所述控制电路逐渐地将固态开关之一的开启返回到全部接通的情况。
10.如权利要求7所述的电动机控制器，其中如果针对相关绕组的所感应的电压不是从阈值电压开始变化所述选定量，则所述控制电路将固态开关之一的开启返回到全部接通的情况。
11.如权利权要7所述的电动机控制器，其中所述选定量被选择为额定电动机电压之上的一个选定值。
12.如权利要求7所述的电动机控制器，其中如果针对相关绕组的所感应的电压超过额定电动机电压约20％，则所述控制电路调节固态开关之一的开启。
13.如权利要求7所述的电动机控制器，其中所述固态开关包含可控硅整流管。
14.具有单相过压保护的升降机启动器，其包括多个固态开关，每个固态开关与在AC线相位和相关电动机绕组端之间的相关电动机绕组串联以控制将AC电源应用于升降机驱动电动机；多个电压传感器，每个电压传感器与固态开关之一相关，用于感应线电压和电动机端电压；以及一种控制电路，其被连接到固态开关和电压传感器以控制固态开关的工作，该控制电路响应于所感应的线电压和电动机端电压来确定每个电动机绕组上的电压，而且如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压开始变化一个选定量，则调节固态开关的单个开关的开启。
15.具有单相过压保护的电动机控制器，其包括，多个固态开关装置，每个固态开关装置用于与在AC线相位和相关电动机绕组端之间的相关电动机绕组串联以控制将AC电源应用于电动机；电压感应装置，用于感应线电压和电动机端电压；以及控制电路装置，其被连接到固态开关装置和电压感应装置以控制固态开关装置的工作，该控制电路装置包含用于响应于所感应的线电压和电动机端电压来确定每个电动机绕组上的电压的确定装置，和装置，该装置用于如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压开始变化一个选定量，则调节固态开关装置的单个开关的开启。
16.如权利要求7所述的电动机控制器，其中，如果针对相关绕组的所确定的电压连续从阈值电压开始变化所述选定量，则所述调节装置连续调节固态开关之一的开启；并且如果针对相关绕组的所感应的电压不是从阈值电压开始变化所述选定量，则所述调节装置将固态开关之一的开启返回到全部接通的情况。
17.一种用于单相电动机保护的方法，其包括提供固态开关，用于在AC线和电动机端之间的连接以控制将AC电源应用于电动机；感应线电压和电动机端电压；以及控制固态开关的工作，其包含响应于所感应的线电压和电动机端电压来确定每个电动机绕组上的电压，而且如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压开始变化一个选定量，则调节固态开关的单个开关的开启。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包含，如果针对相关绕组的所感应的电压连续从阈值电压开始变化所述选定量，则连续调节固态开关之一的开启。
19.如权利要求17所述的方法，进一步包含，如果针对相关绕组的所感应的电压不是从阈值电压开始变化所述选定量，则逐渐地将固态开关之一的开启返回到全部接通的情况。
20.如权利要求17所述的方法，其中，调节固态开关的单个开关的开启包含如果针对相关绕组的所感应的电压超过额定电动机电压约20％，则调节固态开关之一的开启。
全文摘要
电动机控制器包含多个固态开关，每个固态开关用于连接在AC线和电动机绕组端之间以控制将AC电源应用于电动机。多个电压传感器感应针对相关电动机绕组的电压，每个电压传感器与固态开关之一相关。一种控制电路控制固态开关的工作。如果针对相关绕组的所感应的电压从阈值电压开始变化选定量，则该控制电路调节固态开关之一的开启。
文档编号H02H7/08GK1685602SQ03822573
公开日2005年10月19日 申请日期2003年8月12日 优先权日2002年9月23日
发明者S·梅休, D·祖祖利, S·瓦克菲尔德 申请人:西门子能量及自动化公司