专利名称：软启动器设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于控制电动机的启动的软启动器设备，其中通过所述软启动器 设备将来自电力输配线的电功率传送到电动机，所述软启动设备包括-针对至少一相的晶闸管对，用于控制在电动机的启动期间通过该相传送到电动 机的电功率，-用于测量线电压的装置，-用于测量电动机电压的装置，以及-用于基于所述线电压和电动机电压的测量确定通过所述晶闸管对的电流的过零 的装置。软启动器所连接到的电动机可以是单相、两相或三相电动机。可据此对所述软启 动器进行设计。可以针对每相或是仅仅一相或是两相提供晶间管对。针对一相进行的线电 压和电动机电压的测量可以仅用于控制与该相相关联的晶闸管对，或是可替代地，同样用 于控制任何其它 相的晶闸管对。相应地，对于线电压和电动机电压的测量以及对于晶闸管 电流的确定可以仅提供用于一相或一些相或是用于所有相。
背景技术：
许多用于工业和商业的过程和建筑中使用的电动机都是通过软启动器设备来控 制的。在这种情况下，软启动器设备是适用于在电动机操作的启动阶段和停止阶段用于 控制电动机的电动机控制器。软启动器设备被用以按照希望的方式来启动和停止电动机， 从而消除电功率供应中的电涌和/或电动机中的过热。软启动器设备同样用以消除或是最 小化可能在启动/停止状态下在电动机中发生的机械冲击或是震动，所述机械冲击或是震 动可能导致由电动机驱动的例如泵或是风扇等的磨损和损坏。软启动器设备通常测量电动 机的输入电流和/或电压，并且调节所述电动机接收到的输入电压，从而达到所希望的启 动或停止性能。所述软启动设备通常包括半导体开关等以及用于控制所述开关的逻辑单兀。所述软启动设备通常要求适合各个应用环境的配置。软启动器设备的参数配置可 以被分组为描述当前电动机的电动机数据以及描述启动和停止过程的启动-停止参数。在 配置期间，根据电动机所要求的启动和停止类型和/或其所驱动的设备的类型来在软启动 器设备中选择或设置特别是影响着启动电流以及例如速度、启动时间和最大输入电流等因 素的参数。通常，软启动器设备利用晶闸管作为用于控制通过软启动器设备传送到电动机的 电压和电流的半导体元件。软启动器设备可以针对每一电相或是针对多个相中的一些相配 备有晶间管。相应地，有这样的软启动器设计，其中在多相电动机中并不是所有的而仅仅是 一些相在启动以及停止序列期间由软启动器控制。对于每个相，其电流和电压由晶闸管进 行控制，晶闸管安排为成对的、所谓的反向并联晶闸管，其为比较完善的技术。还可以为软启动器设备配备旁路装置，通过该旁路装置在电动机持续操作期间，即，当软启动器不在操 作中时，旁路晶闸管。在电动机的启动期间，由软启动器对线电压和电动机电压进行测量， 并且基于所述测量，所述软启动器决定何时有经过特定相的晶闸管的电流的过零。所讨论 的相的晶闸管在检测到的过零发生时被触发。现有技术利用了第一电路和第二电路，其中 在第一电路中对作为重要的电动机控制参数的线电压进行模拟地测量，在第二电路中对线 电压和电动机电压进行测量从而提供通过晶间管的电流过零的数字检测。所述第一电路利 用高压电阻器作为其操作的重要高压组件而第二电路利用高压电阻器以及一对光耦合器 作为其操作的重要高压组件。
一般而言，软启动器设备包括多个互连的并且形成一个物理实体的模块，所述物 理实体被附接到任何基底上，通常是一面墙或类似物。在典型的软启动器设计中，这种模块 包括第一模块、第二模块、连接母线以及第三模块，其中所述第一模块包括例如晶间管、散 热凸缘等的电力电子设备，第二模块包括用于上述的晶闸管旁路的旁路继电器，连接母线 用于将软启动器连接到电动机，并且第三模块包括控制电子设备和用户接口。控制电子设备又被划分为功率供应模块、控制模块、用于电动机控制的高压部分 以及通信端口。相应地，控制电子设备包括高压组件以及低压组件。该电子设备可以安排 在一个或多个印刷电路板上。还提供多个用于将外部功率线连接到控制电子设备的不同组 件的端子。所述功率供应模块以及控制模块利用了不同的电压(例如对于功率供应模块为 220V而对于控制模块为24V)。与相应模块相关联的端子具有相同的类型，但是对其进行了 标记以防止用户错误连接从而可能损坏低压组件，即，控制模块的组件。出于节约成本和空间的原因，总是希望能够得到更为廉价并且紧凑的软启动器设 备，同时优选地具有保有的可靠功能性。一般地，高压组件的成本和大小都高于/大于低压 组件的成本和大小。因此，减少高压组件的数量而同时具有保有的软启动器的功能性的设 计可以是获得节约的成本和空间的途径。
实用新型内容本实用新型的目的在于提出一种软启动器设备，其设计促进了更为紧凑、成本更 低然而仍然有用且可靠的软启动器设备。本实用新型的目的通过最初定义的软启动器设备来实现，其特征在于所述用于测 量电动机电压和线电压的装置为分别用于对电动机电压和线电压进行模拟测量和特征表 示的装置，并且所述用于确定晶闸管电流的过零的装置为对用于测量的装置所接收到的电 动机电压和线电压的模拟值进行比较的装置。所述用于对于测量到的值进行比较的装置由 低压组件构成。对于线电压和电动机电压两者进行模拟测量相对于现有技术中的模拟测量 和数字测量的组合而言具有明显的优势。仅通过模拟测量，可以获得对于电动机控制而言 非常重要的线电压的模拟表示，并且可以利用较少的高压组件来进行通过晶闸管的电流的 过零的检测。特别地，可以排除现有技术所使用的光耦合器。从而实现了空间以及成本的 节约。尽管现有技术使用了至少两个高压电阻器和两个光耦合器用于过零的检测，以及又 一个高压电阻器用于所需要的线电压的模拟测量，而本软启动器仅利用了两个高压电阻器 分别用于线电压和电动机电压的模拟测量。虽然本实用新型可能导致些微增加的对于由低 压组件实现的估算能力的需求，然而这种些微的增加也被高压组件的更为实质性的减少从而引起软启动器设备的制造成本和其所占用的空间上的总的减少而大大弥补了。所述用于测量电动机电压和线电压的装置是一个并且相同的电路的部分。因此， 软启动器设备可以利用更少的空间以及更少的组件。所述用于确定晶闸管电流的过零的装置是不同于第一电路的第二电路的一部分， 所述用于测量电动机电压和线电压的装置属于第一电路，并且所述第二电路较之于所述第 一电路而言经受更低的电压。所述第二电路定义了差分测量电路，其中对接受自所述第一电路的电动机电压和 线电压的模拟值之间的差进行寄存和估算，其中所述第二电路被安排从而在检测到电动机 电压和线电压之间的最大差时确定过零的发生。 所述软启动器设备包括控制电子设备模块，其中所述用于测量电动机电压的装 置、所述用于测量线电压的装置以及所述用于确定晶闸管的过零的发生的装置形成了所述 控制电子设备模块的部分。 所述控制电子设备模块包括用于将外部功率供应连接到控制电子设备模块的端 子，其中不同的端子被连接到所述需要不同的电压的模块的不同组件，其中所述不同端子 的大小适于其准备接收的电压，使得较低压的端子做得比较高压的端子小。这样，端子占用 了较少的空间，增进了空间节约，并且由于用户将过于高的电压连接到较低压组件的风险 降低了从而可以获得增加的可靠性，因为到较低压组件的端子的大小在视觉上小于到较高 压组件的端子的大小。相应地，本实用新型还涉及一种用于通过软启动器设备来控制电动机的方法，其 中通过所述软启动器设备将来自电力输配线的电功率传送到电动机，所述软启动设备包 括针对至少一相的晶闸管对，用于控制在电动机的启动期间通过该相传送到电动机的电功 率，根据通过所述晶闸管对的电流过零的发生的时刻来控制所述晶闸管对的操作，并且对 线电压和电动机电压进行测量以用于确定通过晶闸管对的电流的过零。将所述线电压和电 动机电压测量为模拟电压信号，从中提取晶闸管电流的过零的发生时刻。通过对测量到的电动机电压和测量到的线电压进行比较来执行所述过零的发生 的时刻的提取，其中所述晶闸管电流过零的发生对应于所述电动机电压和线电压之间的最 大差的发生。所测量到的电动机电压和测量到的线电压由各自的模拟曲线来表示，对所述模拟 曲线进行互相比较从而确立晶闸管电流的过零的发生。针对多个相中的一相来测量所述电动机电压和线电压，并除了所述多个相中的任 何其它一相，将其用作提取所述相的晶闸管过零的时刻的基础。针对各个相来测量所述电动机电压和线电压，所述各个相都具有相关联的晶闸管 对，并且在所述特定相上执行的电动机电压和线电压测量的基础上提取所述每个相的过零。本实用新型的进一步特征和优势将在稍后的对其优选实施方式的详细描述中提
出ο
参考附图将作为示例而提出本实用新型的一个实施方式，其中[0028]图1是根据本实用新型的软启动器设备的示意性的侧视图，示意性地示出了其主 要模块；图2是从上方查看的控制电子设备模块的示意性表示，并且示出了其细分为进一 步的子模块或部分；图3是示出了根据本实用新型的软启动器设备的重要电路的重要部分的电路图；图4是示出了通过其对来自图3电路的测量进行比较的比较器电路的图解；以及图5是示出了根据现有技术的软启动器设备的重要电路的电路图。
具体实施方式图1示意性地示出了软启动器设备1，该软启动设备一方面连接到电力输配线而 另一方面连接到电动机(未示出)，并且被安排为控制在电动机的启动和停止期间供应到 电动机的电压和电流。连接到软启动器设备的电动机可以是单相、两相或是三相的电动机。到电动机的 AC供应通常为50Hz或60Hz的频率，并且操作电流和操作电压的范围非常广阔且取决于所 使用的具体的电动机。所述软启动器设备串联连接到所述电动机并且因此供应给软启动器 设备的电流为供应给电动机的电流。如果软启动器为三相软启动器，则连接为外接式(in line)连接或内接式(inside delta)连接。如果软启动器为两相启动器，则仅使用线上连 接。软启动器1包括形成半导体元件的晶闸管(在图1和图2中未示出但是在图3中 用参考标号12示意性地表示)，通过其对在启动和停止期间供应给电动机的电流和电压进 行实际的调节。此外，还提供有冷却元件(未示出)用于在晶闸管的操作期间对其进行冷 却。所述晶闸管安排成对(所谓的反向并联晶闸管)，针对每个相一对晶闸管。在一个优选 的实施方式中，三个相中仅有两个相被配备了晶闸管，因此剩下的一相缺乏这种晶闸管。这 是一种降低软启动器的成本而仍然达到对于电动机的大范围的控制的足够的功能性的方 式。在电动机的持续操作期间，S卩，在其启动之后，软启动器设备被去激活，并且通过 例如形成软启动器设备1的一部分的旁路继电器(未示出)的旁路装置而旁路晶闸管。连 接到所述旁路继电器的是用于电连接到所述电动机的连接母线(未示出)。所有的这些特 征都被视为现有技术并且为本领域的技术人员所公知。因此在将上述部分适当地布置在软 启动器设备中时本领域的技术人员不会面临问题。本软启动器还包括用于控制软启动器设备的操作的控制电子设备，以及用户可以 通过其与控制电子设备进行通信的用户接口。还可以提供通信端口，通过所述通信端口任 何另外的例如计算机或类似的技术装置能够与控制电子设备进行通信。通常所述控制电子 设备被安排在一个或多个印刷电路板上。图1示出了软启动器设备1的主要结构，包括形成将被附接在类似墙面或类似物 的任何基底表面上的底部模块的第一模块2。所述第一模块2优选地包括上述的晶间管和 冷却元件。在所述第一模块2的顶部提供有第二模块3，其优选地包括上述的旁路继电器以 及将被连接到所述电动机的连接母线。在所述第二模块3的顶部提供有第三模块4，其优选 地包括控制电子设备和用户接口。所述软启动器设备1的模块式安排允许不同模块的不同组合。优选地，同种类型的控制电子设备模块，即，第三模块4被用于不同类型(不同的操 作功率等级)的第一模块2和第二模块3。在这种情况下可以在第二模块中提供适合的额 外电路，从而使得所述控制电子设备完全适于第一模块和第二模块的特定类型。 在图2中示出了控制电子设备模块的主要布置。所述控制电子设备模块，即，第三 模块4，由功率供应部分5、控制部分6、高压部分7和通信端口部分8组成。控制电子设备 的上述部分形成了印刷电路板PCB 11的部分。这是软启动器1的主要PCB。除了该主要 PCB还有两个附加的PCB，即显示PCB和旁路/SCR保护PCB。可以理解的是用户接口放置在 上述部分的顶部并且所述用户接口包括显示器以及用于允许用户通过该用户接口与控制 电子设备进行通信的可触摸元件。还有连接到功率供应部分5的端子集合9，以及连接到控 制部分6的端子集合10。所述各自的端子集合的介电强度适于将被供应给功率供应部分5 和控制部分6的电压。通过其各自的相关联的端子集合(9，10)，所述功率供应模块5将被 供应100V-240V的电压并且所述控制部分将被供应24V的电压。相应地，到控制部分6的 端子10的大小小于功率供应部分5的端子9，使得用户很难错误地将过于高的电压连接到 该部分。端子集合10的较小的大小还对更为紧凑的设计做出了贡献，而同时保有了功能 性。出于简明的原因，在图2中没有示出用户接口。控制部分6包括微控制器、存储器、A/D转换、显示器控制、数字和模拟I/O。电压 电平低于24V，并且由于爬电距离的要求最小因此组件可以以较小的距离进行安装。高压部分7包括所有与到主电动机电压的连接接触的组件。这是处理晶闸管的触 发的功能性和在晶闸管之上的测量的地方。高压部分7利用变压器和其它隔离组件而与 PCB 11的其它部分相分离。这是本实用新型之所以能够被应用从而大幅度地降低占用面 积、成本和组件数量而同时增加高压部分的可靠性的原因。功率供应部分5获取进入的100V-240V并且对该电压进行变压降至向控制部分6、 通信部分7以及高压部分8提供正确的电压电平而需要的较低电平。通过降低内部功耗， PCB 11的功率供应部分5就组件数量以及占用面积而言被最小化了。通信部分8邻近地链接到控制部分6并且使得来自微控制器的信息在不同的通信 链路上是可以获得的。当使用额外的附件，FBPA时，首先建立ABB内部FBP协议。其次通 过RJ45触点使得在USB协议上同样可以获得信息。需要专用的PC软件来提取并且阅读信 肩、ο为了在所连接的电动机的启动期间控制软启动器设备1的晶闸管的操作，需要通 过软启动器设备来检测通过晶间管对的电流的过零从而精确地确定晶间管何时激发，即激 活。传统地，这通过对于线电压和电动机电压的数字测量而实现。换句话说，现有技术利用 通过晶闸管的电流的过零的数字测量。同样可以利用对于线电压的模拟测量从而将其用作 重要的电动机控制参数。图3示出了包括在软启动器1的控制电子设备的HV-部分7中的电路，其中，根据 本实用新型的教导，该电路形成分别对电动机电压和线电压进行模拟测量从而提供用于提 取一相的晶闸管电流过零的基础的装置。图4示出了比较器电路13，其在较低电压下进行 操作并且形成用于从通过图3所示的电路得到的测量来提取晶闸管电流过零的装置。在图 3中，电阻器分压器串联(Rl和rl)以及(R2和r2)将被指代为“晶闸管”的晶闸管对12的线侧上和电动机侧的电压进行分压。Ll_测量和11_测量是包括了在线侧和电动机侧上的 高压的分数表示的信号，通常为所测量高压的1/100-1/10000。这些信号接着相减以产生代 表着跨越“晶闸管”的电压的信号。将该信号与参考值进行比较从而产生跨越“晶闸管”的 电压的数字表示。由于通过“晶闸管”的电流与跨越其的电压成反比(当导通时晶闸管具有 很低的电阻而当阻断时其具有很高的电阻)，在电压超过一个很低的阈值(通常几伏特)时 电流可以被认为是零。差分测量和比较可以在图4所示的硬件或软件中完成。Rl和R2为 高压电阻器以便能够耐受在晶闸管对的线侧和电动机侧上的高压，而rl和r2为常规的普 通低压电阻器。根据本实用新型的教导，在图4中示出的第二电路13定义了差分测量电路， 其中对从所述第一电路接收的电动机电压和线电压的模拟值之间的差进行寄存和估算，其 中所述第二电路13被安排为在检测到电动机电压和线电压之间的特定的差之后确定过零 的发生。作为对图4所示的第二电路13的代替，所述用于确定晶闸管相的过零的装置可以 包括带有软件的处理器元件(例如MCU、CPU、FPGA、CPLD、ASIC等)，其中线电压和电动机电 压的测量值被读入所述处理器元件中并且通过其中的合适的软件进行处理。图5示出了根据现有技术的用于确定(针对各相之一的)晶闸管电流的过零的发 生的电路。电阻器分压器串联(R’ 1和r’ 1)将被指代为“晶闸管”的晶闸管对的线侧上的 电压进行分压。Ll_测量是包括了在线侧上的高压的分数表示的信号，通常为所测量的高 压的1/100-1/10000。为了产生跨越晶闸管对“晶闸管”的电流的数字表示，利用包括四个 二极管(D1-D4)的全波整流桥对该电压进行整流。高压电阻器R’ 2被用来将通过电路的 电流限制到合适的水平。高电势的信号接着通过光耦合器被馈送从而产生晶间管电流的数 字表示。所述光耦合器在通过二极管电路的电流超过特定的阈值(该阈值依赖于组件并且 随着温度等发生变化)因此在跨越晶闸管的电压超过特定的限制时导通。这在通过“晶闸 管”的电流接近零时发生，R’ 1和R’ 2为高压电阻器从而能够耐受晶闸管对的线侧和电动 机侧上的高压，而r’ 1通常为普通的低压电阻器。可以从图3-图5中看出，本实用新型使得昂贵并且大的高压组件的总数减少，因 此使得空间和成本都得到节约。
权利要求1.一种软启动器设备，用于控制电动机的启动，其中通过所述软启动器设备将来自电 力输配线的电功率传送到电动机，所述软启动器设备包括针对至少一相的晶闸管对，用于控制在电动机的启动期间通过该相传送到电动机的电 功率，用于测量线电压的装置(Rl，rl)，用于测量电动机电压的装置(R2，r2)，用于基于所述线电压和电动机电压的测量来确定通过所述晶闸管对的电流的过零的 装置(13)，其特征在于所述用于测量电动机电压的装置(R2，r2)和用于测量线电压的装置(Rl，rl)分别为用 于对电动机电压进行模拟测量和特征表示的装置和用于对线电压进行模拟测量和特征表 示的装置，并且所述用于确定晶闸管电流的过零的装置(13)为用于对由用于测量的装置 所接收到的电动机电压和线电压的模拟值进行比较的装置。
2.根据权利要求1所述的软启动器设备，其特征在于所述用于测量电动机电压和线电 压的装置(Rl，rl，R2，r2)为一个并且相同的电路的部分。
3.根据权利要求2所述的软启动器设备，其特征在于所述用于确定晶闸管电流的过零 的装置(13)除了第一电路外还包括第二电路(13)，所述用于测量电动机电压和线电压的 装置(Rl，rl, R2，r2)属于所述第一电路，并且所述第二电路(13)较之所述第一电路而言 经受较低的电压。
4.根据权利要求3所述的软启动器设备，其特征在于所述第二电路(1 定义了差分测 量电路，其中对接收自所述第一电路的电动机电压和线电压的模拟值之间的差进行寄存和 估算，其中所述第二电路(1 被安排从而在检测到电动机电压和线电压之间的特定差时 确定过零的发生。
5.根据权利要求1-4的任一项所述的软启动器设备，其特征在于所述软启动器设备包 括控制电子设备模块G)，其中所述用于测量电动机电压的装置(Rl，rl)、所述用于测量线 电压的装置(R2，r2)以及所述用于确定晶闸管(12)的过零的发生的装置(13)形成了所述 控制电子设备模块的部分。
6.根据权利要求5所述的软启动器设备，其特征在于所述控制电子设备模块(4)包括 用于将外部功率供应连接到所述控制电子设备模块的端子，其中不同的端子被连接到 所述需要不同的电压的模块的不同组件，其中所述不同的端子的大小适于其准备接收的电 压，使得所述不同的端子中较低压的端子(10)做得比所述不同的端子中较高压的端子(9)
专利摘要本实用新型涉及一种用于控制电动机的启动的软启动器设备，其中通过所述软启动器设备将来自电力输配线的电功率传送到电动机，所述软启动器设备包括针对至少一相的晶闸管对，用于控制在电动机的启动期间通过该相传送到电动机的电功率，用于测量线电压的装置，用于测量电动机电压的装置，用于基于所述线电压和电动机电压的测量来确定通过所述晶闸管对的电流的过零的装置。所述用于测量电动机电压和线电压的装置为分别用于对电动机电压和线电压进行模拟测量和特征表示的装置，并且所述用于确定晶闸管电流的过零的装置为用于对由用于测量的装置所接收到的电动机电压和线电压的模拟值进行比较的装置。
文档编号H02P1/26GK201928213SQ201020204929
公开日2011年8月10日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者J·克里斯滕森, J·卡尔森, M·奥尔奥夫森, S·克林, T·佩尔森 申请人:Abb公司