专利名称：单相异步电动机电子起动开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单相异步电动机的电子起动开关。
背景技术：
起动转矩较高的单相异步电动机带有起动开关。电机刚起动时，起动开关闭合，将电机的辅助绕组L2通过起动元件或者直接与电源接通。电机起动过程结束后，起动开关应及时断开，切除起动元件，或者切除电机的辅助绕组L2与电源的连接，否则会损坏起动元件及电机。电机的辅助绕组也称电机的副绕组。
起动开关有起动继电器、离心开关等几种。起动继电器为电磁式继电器，动作不大可靠。目前使用最广的起动开关是离心开关。离心开关虽然技术成熟，价格低廉，但因为它是安装在电机机壳内部，有安装、维修不便等缺点。因此有人提出将电子技术应用到这一领域，以装有电子装置的起动继电器即电子起动开关取代离心开关，如中国专利文献“单相分相电机电子起动开关”(专利号86206797)，“单相电机启动器”(专利号00206576.2)等。这种单相异步电动机的电子起动开关包括电源部分，控制部分和输出部分。其输出部分可采用双向可控硅或者电磁式的继电器等作为输出元件，用以在电机起动时接通和切除电机的起动元件或辅助绕组与电源的连接。
单相异步电动机起动时，在起动元件或电机辅助绕组上要流过较大的起动电流。尤其是对于电容起动电容运转的单相双值电容异步电动机，在电机起动时，随着起动元件即起动电容器接入瞬间交流电相位的不同，流经起动电容器的瞬时充电电流可能很大。在电子起动开关中，当采用电磁式的继电器作为输出元件时，通过起动元件或电机辅助绕组的起动电流由继电器的触头接通和分断，这时可能会产生较大的电弧，将触头烧损，甚至使其熔焊。所以这种继电器的触头负荷较重。如选用现有通用的继电器，其触头容量要满足接通和分断上述流经起动元件或电机辅助绕组上的起动电流的要求，所选继电器的体积将会很大，这对于本身功率不大的单相异步电动机来说将无法接受。单相异步电动机电子起动开关应有专用的继电器，但至今未见有关的报道。比如上面提到的两个专利文献中，所列举的继电器的型号有JQX-30F(T91)-12，JQX-100等，均为通用的小型电磁继电器，如果将它们用于单相双值电容异步电动机，其寿命达不到要求。
此外，以继电器作为输出元件的单相异步电动机电子起动开关一般要用电源变压器降压，从而增大了起动开关的体积和成本。另外有的方案采用在电动机绕组上抽头或者在电机定子上增设辅助绕组以取得低压电源，但是这种方法实行起来也非常麻烦。
发明内容为了克服已有技术的单相异步电动机电子起动开关的体积大、使用寿命短、动作可靠性差等不足，本发明提供一种体积小，寿命长，动作可靠的单相异步电动机的电子起动开关。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是一种单相异步电动机电子起动开关，包括电磁式继电器、用于控制继电器吸合与分断的电子控制电路，所述继电器的动合触头连接在电动机的辅助绕组与电源之间，其特征在于所述继电器的额定工作制是通电时间和不通电时间循环交替、且在通电时间内继电器不能达到热平衡的工作制。
当电动机的起动操作较频繁，所述继电器线圈在不通电的时间内不能达到热平衡，所述继电器按断续周期工作制设计。当电动机的起动操作频率为n次/小时，电动机一次起动过程所持续的时间为t秒时，所述继电器的额定工作制为通电持续率为q的断续周期工作制，其中q＝t/(3600/n)×100％ (1)，并且q≤15％。
当电动机起动操作不频繁，所述继电器在相邻两次因电动机起动而通电的时间之间有一较长的不通电的时间间隔，在此时间间隔内足以使所述继电器的温升因散热而降至接近于零，所述继电器按短时工作制设计。当电动机一次起动过程所持续的时间为t，继电器的热时间常数为T时，继电器的功率过载系数P满足下式P＝1/(1-e-t/T) (2)当t＜＜T时，有P≈T/t (3)，并且P≥10。
作为优选，所述继电器线圈的额定工作电压约等于市电电压，所述继电器是交流型继电器，所述的继电器线圈与市电电源连接；或者约等于市电电压经全波或半波整流后的电压，市电电源通过整流电路连接所述继电器的线圈；或者约等于市电电压经全波或半波整流并经滤波电容器滤波后的电压，市电电源通过整流电路连接滤波电容器、所述继电器的线圈。所述滤波电容器的容量可以较小，使继电器线圈的工作电压为脉动电压，脉动电压的波谷值可为其直流分量的1/2～1/3.
对于大多数以电容器为起动元件的单相异步电动机，其起动时间是很短的，一般在1秒以下；目前起动电容器多采用CD60型电解电容器，这种电容器充许的每次持续通电时间一般只有数秒，电容器的耐久性也不过数万次；另一方面，单相异步电动机的起动电流约为其额定电流的5～7倍，从发热的角度看，普通连续工作制的单相异步电动机本身也不充许起动操作过于频繁，或每次起动持续的时间过长。而单相异步电动机电子起动开关的继电器带有动合触头，其线圈只在电动机处于起动过程中的短时间内通电，在电动机运行时是不通电的。根据以上几点可以得出，单相异步电动机电子起动开关的继电器，当按断续周期工作制设计时，其通电持续率可以取得很低。设电机一次起动过程的持续时间为t秒，电机的起动操作的频率为n次/小时，则在设计继电器时，可选继电器的通电持续率q为q＝t/(3600/n)×100％(1)比如设电动机一次起动过程的持续时间为2秒，电动机起动操作的最高频率为120次/小时，则据(1)式可选继电器的通电持续qq＝[2/(3600/120)]×100％≈6.7％即继电器的通电持续率最小可取6.7％。继电器的其余参数可按公知的方法确定。由电器学可知，在设计电磁式的继电器时，当通电持续率低，导体的电流密度可取得高，这样设计出来的继电器其体积一定会小。粗略地说，两个同样体积的继电器，一个按不间断工作制设计，一个按通电持续率为q的断续周期工作制设计，当q很小时，后者的功率可为前者的1/q.比如在上面的例子中，当q＝6.7％，两继电器的功率之比可为1/q＝1/(6.7％)≈15。
另一方面，所述单相异步电动机电子起动开关的固有特点可以保证这样设计的继电器的安全运行。这是由于单相异步电动机电子起动开关可以具有定时保护的功能，当电机遇到不正常的情况，如因负荷过重或电压过低不能在规定的数秒的时间内完成起动，这时单相异步电动机电子起动开关的控制部分的电路会及时将继电器断电，从而在保护了电机的起动元件及电机的辅助绕组的同时也保护了电子起动开关的继电器避免因过热而损坏。比如上面提及的两个专利文献所提供的单相异步电动机电子起动开关，本身就是采用定时的方式。所以，本发明提出的单相异步电动机电子起动开关的继电器在运行中也是安全的，不会因通电时间过长而造成继电器过热而损坏。
本发明提出的单相异步电动机电子起动开关的继电器，虽然体积小，但瞬时功率却大，电磁吸力也大，这样就能保证继电器的寿命不低。
在电动机起动不频繁的情况下，继电器在相邻两次因电动机起动而通电的时间之间有一较长的不通电的时间间隔，在此时间间隔内足以使继电器的温升因散热而降至接近于零，这时，所述单相异步电动机电子起动开关用继电器可按短时工作制设计。设电机起动过程的持续时间为t，继电器的热时间常数为T，由电器学，当t＜＜T，在设计继电器时，可取继电器的功率过载系数约为P＝T/t (2)这时继电器的体积甚至可设计得更小。
为了使单相异步电动机电子起动开关省去电源变压器，将所述单相异步电动机电子起动开关的继电器的线圈的额定工作电压设计成高电压。所述继电器的通断可由所述电子控制电路中的高压的半导体开关来控制，如选用可控硅、双向可控硅等。作为优选，根据继电器的型式及电路原理，可使继电器线圈的额定工作电压等于或接近于市电电压，其接线可如图2所示；或者等于或接近于市电电压经整流后的电压，其接线可如图3所示；或者等于或接近于市电电压经整流并滤波后的电压，其接线可如图1所示。当继电器的型式为直流型时，只能采用最后一种方式的电压。这样，单相异步电动机电子起动开关的继电器回路可由市电直接供电，或市电经浪涌吸收电路后供电，不需电源变压器降压。至于单相异步电动机电子起动开关的电子控制部分的工作电源，因其功率甚小，可由市电经电阻或电容降压后取得。这样，整个单相异步电动机电子起动开关就可省去电源变压器。
当单相异步电动机电子起动开关的继电器的功率较小时，由于不设电源变压器，继电器线圈的工作电压较高，继电器线圈的线径就会很小，于是会给制造带来不便。作为优选，在继电器的工作电压为由市电电源经整流并经滤波电容器滤波所得的电压时，可将滤波电容器的容量取得较小，这时继电器线圈的工作电压为脉动电压，如图4所示，其有效值比其波峰值小许多，相当于其工作电压得到了降压，继电器线圈的线径也就可选得较大。要是所述的滤波电容器的容量很大，所述脉动电压的有效值就会接近其峰值，此峰值约为市电交流电压的峰值。这里应当指出，在这种脉动工作电压下，对于某一指定的继电器，其吸合性能并非完全由其线圈的电压或电流的波谷值所决定。因为继电器一经吸合后，由于此时继电器磁路的气隙已经很小，即使继电器线圈的工作电流处于波谷，这一瞬间电磁吸力也还是较大。具体数值可通过电学和力学的计算得到。
此外，继电器较之双向可控硅，有价格低，电压过载能力高等优点，虽然在正常使用下寿命有不及，但根据本发明提出的方法设计的继电器，其寿命在大多场合下是可以满足使用要求的。
由于可以没有电源变压器，本发明的电子控制电路可以做成集成电路，这样本发明的的体积就会更小。
本发明的有益效果是1、继电器瞬时功率大，寿命长，使用可靠，它本身体积非常小；2、还可以使单相异步电动机电子起动开关省去电源变压器，这样，就可使整个单相异步电动机电子起动开关的体积做得很小，并使其在价格上可以和离心开关竞争；3、也不需要在电动机绕组上抽头或者在电机定子上增设辅助绕组。
图1为本发明的一种电路连接图。
图2为本发明的又一种电路连接图。
图3为本发明的又一种电路连接图。
图4为实施例1、实施例2中继电器线圈两端的电压波形图。
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1参照图1、图4，一种单相异步电动机电子起动开关，包括电磁式继电器2、用于控制继电器吸合与分断的电子控制电路1，所述继电器K的动合触头连接在电机的辅助绕组L2与电源之间；所述继电器K的额定工作制是通电时间和不通电时间循环交替、且在通电时间内继电器不能达到热平衡的工作制；所述继电器K的线圈与高压半导体开关V1串联，所述的高压半导体开关V1连接市电电源，继电器K线圈的额定工作电压的峰值与市电电源电压的峰值两者绝对值约相等。
在电子控制电路1中，市电电源经降压电容C4，整流二极管V4、V5，滤波电容C5，稳压二极管V7及放电电阻R1组成的降压整流稳压电路后，接至集成电路IC1时基电路555的电源端，集成电路IC1，电阻R2，电容C6、C7，整流二极管V6组成定时电路。电源刚接通时，IC1的3脚输出高电平，通过电阻R3使可控硅V1导通，继电器K的线圈得到工作电压，继电器K吸合，使起动电容C2和电源接通。经过一设定的时间后，电容C6两端电压上升，使IC1的3脚输出低电平，可控硅V1截止，继电器K释放，起动电容C2和电源断开，电动机起动过程结束。C3为并联于继电器线圈的滤波电容器。当可控硅V1导通时，继电器K线圈两端的电压约为市电电源经整流并经电容器滤波后的电压。
原有一继电器，其型号为SLA-48VDC-SL-A，原继电器线圈额定工作电压直流48V，在20℃时线圈电阻2480Ω.在48V工作电压下，线圈的功率约为0.93W。继电器的外形尺寸为31.8mm×27.4mm×19.8mm，重量约为24克。将这原有的继电器依照本发明提供的方法进行改造，用于本实施方案。
原继电器的线圈仍利用，但其实际工作电压改为由市电交流220V电压经半波整流并经电容器C3滤波后提供，C3的容量为4.7μf。继电器线圈通电时，线圈两端实际工作电压的平均值为210V，有效值为220V.
将经过改造后的继电器按图1的电路组成单相异步电动机的电子起动开关，用于起动型号为YL8024，功率为0.75KW，起动电容器容量为150μf的单相双值电容异步电动机，起动操作的频率为72次/小时，每次起动过程持续的时间约为0.3秒，运行结果实测继电器寿命超过20万次，达到国家标准对于离心开关的寿命要求。
实施例2参照图1、图4，按照实施例1中原有继电器的使用说明书，原有继电器在不间断工作制下线圈的最高工作电压为V1＝48×1.2＝57.6(V).由电器学原理可估计继电器在有效值为V2＝220V的工作电压下，其允许的通电持续率约为q≤(V1/V2)2×100％＝(57.6/220)2×100％≈6.9％.这里假设两种工作制下继电器线圈工作时的温度相同。
当实施例1中经过改造的继电器的工作条件改为电动机起动操作的频率为n＝120次/小时，每次起动过程持续的时间为t＝2秒，继电器线圈工作电压仍为市电交流220V电压经半波整流并经4.7μf电容滤波后所得的脉动电压，通过实际运行，实测继电器在周围空气温度为31℃时的稳定温升为50℃，这时继电器的实际通电持续率q由(1)式为q＝t/(3600/n)×100％＝2/(3600/120)×100％≈6.7％.
实施例3仍采用实施例1中的继电器，将该继电器从冷态开始，在线圈上施加市电交流220V电压经半波整流并经4.7μf电容滤波后所得的脉动电压。经过12秒后，继电器线圈温升达到50℃，周围环境的温度为35℃。这是短时工作制的例子。说明在短时工作制中，同样的继电器，其允许电动机起动过程经历的时间比断续周期工作制要长。
或者说，较之断续周期工作制，同样的电动机起动时间，同样的继电器功率，短时工作制的继电器其体积可以做得更小。
以上的实施方案是通过将原有继电器进行改造而实现的，当然不是最佳的方案，但它已经能够满足起动单相双值电容异步电动机的需要，并且体积小，造价低，寿命长，可靠性高。
根据继电器的型式及电路原理，可使继电器线圈的额定工作电压等于或接近于市电电压，其接线可如图2所示；或者等于或接近于市电电压经整流后的电压，其接线可如图3所示；或者等于或接近于市电电压经整流并滤波后的电压，其接线可如图1所示。
权利要求
1.一种单相异步电动机电子起动开关，包括电磁式继电器、用于控制继电器吸合与分断的电子控制电路，所述继电器的动合触头连接在电动机的辅助绕组与电源之间，其特征在于所述继电器的额定工作制是通电时间和不通电时间循环交替、且在通电时间内继电器不能达到热平衡的工作制。
2.根据权利要求1所述的单相异步电动机电子起动开关，其特征在于所述继电器的线圈与所述电子控制电路中的高压半导体开关串联，所述高压半导体开关连接市电电源，所述继电器线圈的额定工作电压的峰值与市电电源电压的峰值两者绝对值约相等。
3.根据权利要求2所述的单相异步电动机电子起动开关，其特征在于所述继电器的额定工作制为断续周期工作制。
4.根据权利要求2所述的单相异步电动机电子起动开关，其特征在于所述继电器的额定工作制为短时工作制。
5.如权利要求3所述的单相异步电动机电子起动开关，其特征在于电动机的起动操作频率为n次/小时，电动机一次起动过程所持续的时间为t秒，所述继电器的额定工作制为通电持续率为q的断续周期工作制，其中q＝t/(3600/n)×100％(1)。
6.如权利要求4所述的单相异步电动机电子起动开关，其特征在于电动机一次起动过程所持续的时间为t，继电器的热时间常数为T，继电器的功率过载系数P满足下式(2)P＝1/(1-e-t/T) (2)。
7.根据权利要求1-6之一所述的单相异步电动机电子起动开关，其特征在于所述继电器线圈的额定工作电压约等于市电电源电压，所述继电器是交流型继电器，所述的继电器线圈与市电电源连接。
8.根据权利要求1-6之一所述的单相异步电动机电子起动开关，其特征在于所述继电器线圈的额定工作电压约等于市电电源电压经整流后的电压，市电电源通过整流电路连接所述继电器的线圈。
9.根据权利要求1-6之一所述的单相异步电动机电子起动开关，其特征在于所述继电器线圈的额定工作电压约等于市电电源电压经整流并经滤波电容器滤波后的电压，市电电源通过整流电路连接滤波电容器、所述继电器的线圈。
10.如权利要求9所述的单相异步电动机电子起动开关，其特征在于所述滤波电容器是小容量电容器，所述继电器线圈的额定工作电压为脉动电压，所述脉动电压的波谷值约为其直流分量的1/2～1/3。
全文摘要
一种单相异步电动机电子起动开关，包括电磁式继电器、用于控制所述继电器的吸合与分断的电子控制电路。本发明主要根据单相异步电动机电子起动开关的继电器在使用时通电持续率很低的特殊工作性质，提出了一种为单相异步电动机电子起动开关专门设计的，其额定工作制为断续周期工作制或短时工作制的继电器，同时继电器的额定工作电压可为高压，由市电电压供电，不需电源变压器降压，其有益效果是继电器瞬时功率大，寿命长，体积小。本发明提出的单相异步电动机电子起动开关使用可靠，造价低，安装维修方便，可以代替离心开关。
文档编号H02P1/44GK1941602SQ200510061008
公开日2007年4月4日 申请日期2005年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者蔡宗法 申请人:蔡宗法