本申请是非临时的并要求在2011年9月6日提交的美国临时专利申请第61/531,610号的权益，该专利申请通过引用以其全文结合在此。
版权声明
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技术领域
本申请涉及电机起动器领域，并且具体地，涉及对具有为多个离散操作速度和/或模式配置的可分离绕组的电机提供控制和保护的起动器。
背景技术：
在建筑物自动化系统、暖通（HVAC）安装、泵送系统和其他工业实施方式中，使用起动器或者起动器机制来控制和保护电机是公知的。用于电机和类似物的起动器在本领域中是熟知的。典型的起动器包括热跳闸元件和接触器从而在发生不希望的操作状态时将电机从线路功率上断开。国家电气规范（NEC）将组合起动器分类为提供热过载保护和电机断开功能的设备。
传统起动器的关键部件包括一个电磁接触器和一个过载继电器。此类传统起动器的电路系统经由一个单一设备提供电机控制和电机保护功能两者，该单一设备理想地具体地被选择或者被校准用于被控制的特定电机。可以通过接触器的调制来控制电机的操作（例如，起动和停止电机等），该接触器包括通过一个通电或断电线圈机电地/电磁地操作的多个可分离触头。闭合这些触头允许线路功率来激励电机，而打开这些触头将功率从电机上切断。
如上所述，起动器还能够向电机提供热保护（即过载保护）从而保护其免受不利操作状态影响。传统起动器通常包括一个为此目的提供的过载继电器。当在一个电力未损坏电路超过正常满载额定电流（例如，导线携带超过额定安培数的电流）中操作设备时过载状态发生。通过过载继电器参照可适用电流跳闸点（表示为跳闸曲线，该跳闸曲线将跳闸点指定为一个给定电机分类的电流和时间的函数）来检测过载。持续足够长时间量的过载状态会损坏电机、导线或其他设备。术语“过载”、“过载保护”和“过载继电器”是由国家电气制造商协会（NEMA）标准ICS2定义的，其全部内容通过引用结合在此。在过去，使用加热器/探测器元件（如使用双金属继电器或热加热器元件）来实现典型过载继电器。然而，最近已经越来越多的使用电子过载。电子过载可以包括一个电流互感器或电流传感器来检测和监控提供给电机的电流。
对于具有在施加恒定负载时以一个单一预期速度驱动电机的单一绕组的简单机电电机而言，一个具有控制和过载保护功能的传统起动器装置就足够了。然而，对于包括多个能够以多个离散速度或以多种离散操作模式（例如，如起动模式/速度和/或运行模式/速度等）来操作电机的绕组的电机而言，一个具有单一过载继电器的起动器将是不够的。对于可分离绕组电机而言，每个电机绕组具有其自身可适用的过载特性。因此，为了确保对用于每个具体绕组和电机的每个单独离散操作速度/模式的电机给予适当水平的热保护，要求操作具有可分离绕组的电机的起动器对每个单独绕组采用过载继电器和相应的过载跳闸电路。此类系统需要笨重的和/或繁琐的安装并且导致在设备购置、安装和维护方面增加复杂度和成本。
技术实现要素：
尽管起动器在本领域中熟知，本实施例提供了新颖和非显而易见的改进来解决申请人已经发现的伴随常规产品提供和传统安装的问题。本实施例可以提供合并到一个单一起动器外壳内的整合的新颖和非显而易见功能，从而提供超越传统起动器的显著成本节约、便利安装/操作以及其他优势和/或改进。可以采用符合本申请的起动器用于保护和控制多种多样的可分离绕组电机或可商购的可配置绕组电机。一些此类电机是三角形-Y形电机，一些是双速电机（或者作为两个运行速度，或者一个起动速度和一个运行速度）等。然而，符合本申请，本起动器实施例基本上是用于任何此类多样化的可配置绕组电机类型的。
本起动器装置的一个有利方面是其不要求用于每个电机绕组的多个过载继电器和单独过载跳闸电路。本实施例可以通过利用一个知道可适用过载状态并且能够适当地独立地控制多个离散接触器的可编程微计算机/微控制器来适当地采用一个过载设备。例如，可以提供两个或更多个接触器用于一个高的或低的运行速度或者用于替代状态（如起动状态和运行状态），作为适用于具有多个绕组的电机。微处理器能够跟踪和控制电机在对于每个单独电机绕组的每个速度或操作状态的特定要求内操作，包括每个所需的相应过载保护水平。实施例可以根据适用的过载保护要求知道每个操作状态所需的适当过载保护水平并且适当地控制一个相应的接触器。
符合本申请，根据给定的安装，起动器实施例还可以包括附加地和/或替代地期望功能。例如，体现在一个可分离绕组电机起动器中的此类功能可以包括通用电压输入、感测状态输出/通告的真实功率特性、集成阻尼器控制和基本上自动的跳闸点选择和/或基于（至少部分地）起动器状态和/或指定系统参数（例如，满载安培数（FLA）、电机分类等）的实现。
本发明的附加方面和优势将从下面参考附图对优选实施例的详细描述变得明显。
附图说明
图1展示了一个符合所要求保护的主题的起动器装置的实施例。
图2展示了一个符合所要求保护的主题的起动器实施例的系统原理图的实施例。
图3描绘了一个符合所要求保护的主题的操作方法的实施例。
具体实施方式
以下说明披露了各种实施例和符合用于在应用，如建筑物自动化、工业系统自动化、暖通（HVAC）安装以及包括电机和由电机驱动的电子机械设备（如泵、风扇、输送带等）的控制和保护的应用中使用（至少部分地使用）的启动器装置、系统和方法的功能，仅举所提出的系统的几个示意性示例用于说明而非限制的目的。
具体地，本申请的主题和在此描述的详细起动器实施例优选地适用于现在已知的或随后开发的可分离绕组电机或可配置绕组电机的若干变化中的一个或多个。相关领域中的技术人员将认识到本主题是可适用的，不管被控制和/或保护的可分离绕组电机的特定类型如何。作为但只是两个例子，三角形-Y形电机和/或双速电机（或者具有两个运行速度，或者一个起动速度和一个运行速度）将同样非常适合于通过符合本主题的起动器实施例进行控制和/或保护。
在一个方面，符合本主题，可以通过一个起动器控制模块（SCM）实施例的一个或多个实施例和相关技术来启用（至少部分地启用）起动器功能。SCM可以包括多个部件，如电度表底座和自定义界面印制电路板组件，从而协作性地促进电机控制和/或保护。可以进一步采用、选择和/或配置包括该SCM的特定电子设备，从而促进对特定预期的操作环境/应用的优化，如基本上表示能量管理起动器（例如，用于HVAC实施方式等）、建筑物自动化起动器（例如，用于工业控制应用等）或智能泵送起动器（例如，用于泵送控制应用等）。如在此使用的，术语“起动器控制模块”或“SCM”指的是实际印制电路板和相关控制板电子设备和机械接口，而不是整个集成起动器控制器。例如，可以将一个SCM实施例连同集成过载继电器和任何所需的电磁接触器集成到一个单一整体式外壳内以包括一个电机起动器。然而，也可以模块化地提供和/或采用一个SCM实施例，这样使得可以将其作为与第三方提供的接触器、过载继电器和/或外部电流传感器等一起工作的独立部件来使用。
图1展示了一个符合本主题的起动器控制模块的实施例。特别参见图1，起动器控制模块100被描绘为包括控制板102和电度表底座104。图1的电度表底座104包括三个电流传感器实施例106a至106c。控制板102包括与存储器110功能地耦合的微处理器108，该存储器可以包括固件指令和/或可编程存储器存储。控制板102还可以包括用户界面组件112。图1所示的用户界面组件实施例112包括两个用户可选择开关114a至114b，也包括适用于向用户指示起动器控制模块100的当前操作模式的指示灯指示器116。起动器控制模块100还被描绘为具有接线端子板118，仅展示了输入/输出接线界面的一个示例。本领域技术人员很容易认识到也可以采用符合本主题的附加的、替代的或者比图1中所示的部件更少的部件。
为了进一步说明，并且为了便于讨论，图2展示了一个符合所要求保护的主题的起动器实施例的原理图。用于这样一个起动器实施例的基于微处理器的印制电路板可以采用独特定制的固件来（至少部分地）提供所期望的有利功能。可以将其体现为一个能够适应建筑物自动化控制逻辑和通信的起动器控制板。特别参见图2，三相双速双绕组电机200在三相电力线224上运行。图2的起动器实施例包括类似于图1中所描绘的以及先前所描述的控制板102和电度表底座104。如图2所示，电度表底座104可以包括一个电压传感器和一个电流传感器。在一个这样的实施例中，该电流传感器可以是监控线路电流的电流互感器（然而，本领域技术人员将认识到也可以实施符合所要求保护的主题的替代电流感测机制）。电流传感器106提供一个电流测量信号、电压或适用于计量和/或过载保护目的其他输出222。虽然图2展示了一个电流传感器106，应当理解的是可以从三相电力线224的一个或多个中测量电流。图2的电度表底座104还包括一个用于监控线电压的电压传感器232。类似地，可以从三相电力线224的一个或多个中测量电压。这样一个实施例可以基本上容纳宽量程电源和宽量程电压感测。测量电流和电压两者也给予符合本主题的实施例计算实际功耗的能力。
继续图2中所示的起动器实施例，控制板102还可以包括用户界面控件，如手动断开自动控制源开关208和低断高电机速度开关210。控制源开关208允许用户在通过手动命令（如通过使用电机速度开关210）或者来自远程控制器驱动的命令来操作该起动器实施例之间进行选择，如可以在一个建筑物自动化系统中实施。因此，控制板102被配置成用于接收多个控制输入，如自动低命令212、自动高命令214和关断命令216。也可以通过控制板102产生适当的输出信号，如运行状态信号218或故障信号220。
如在图2中所示的起动器实施例的一个特别有利的方面包括单一控制板102以速度/模式之一和/或两者来控制/操作和保护双速电机200的能力。符合本主题，可以采用电机控制板102经由高速接触器202（包括可分离触头228）和/或低速接触器204（包括可分离触头230）的协同操作来控制和保护电机200。此类实施例的一个实质性好处是避免不得不使用多个过载继电器（一个用于每个接触器202、204）的能力。如在图2的起动器实施例中所展示的，可以与电度表底座104集成用来使用电流测量222的单一过载继电器可以经由两个接触器202、204对电机200提供过载保护。控制板102通过输入信号212、214、216和/或用户界面开关208、210依照指示监控操作状态并且适当地控制这两个接触器。
符合本主题的一个或多个多绕组电机起动器实施例基本上能够存储和/或实现两个跳闸点，一个点用于每个被供电的电压电路。优选地，协作地然而独立地操作这些接触器，这样使得其能够基本上避免被同时激励。在一个实施例中，通过机械互锁206将低速接触器204和高速接触器202分离，这样使得控制板102将避免同时向两个接触器202、204提供控制信号输出。本实施例在激活任何接触器之前也可以实现一个时间延迟（例如，0.3秒钟等），从而帮助防止互锁机构206中的机械堵塞。当然，该0.3秒钟延迟示例仅仅是出于示例性的目的。本领域技术人员很容易认识到也可以采用符合本主题的更长或更短的延迟。另外，该时间延迟可能会或可能不会被制成为由最终用户可调节/可配置和/或可移动。
继续图2，控制板102可以包括一个状态输出继电器从而提供运行状态指示218作为一个内置特征。此类实施例可以使用相同的传感器用于替代功能的多个方面。例如，可以使用电流传感器106来提供过载保护和运行状态指示218。在应用中（如HVAC控制和保护），如果一个不希望的情况发生（如断带和电流相应地下降），可以提供状态输出用于指示该情况。在给定或不给定一个相应的跳闸命令时会发生这种情况。控制板102也可以提供能量管理功能。经由电流传感器106监控的电流222和经由电压传感器232监控的电压能够基本上允许在电度表底座104处进行功率计量。由于可以经由电压传感器232监控电压，运行状态指示222也可以基于实际功率（不仅仅是电流）。通过监控电压和电流两者，可以实现功率的更真实感测。这允许更精确地控制更严格的容差并且能够在检测不期望的事故（如在电机驱动上的皮带损耗等）方面做得更好。对于一个额外的有利方面，一个或多个起动器实施例可以采用手动和/或自校准过载在一个组合设备中提供状态指示和过载保护两者。此类实施例的功能还可以包括基于所监控的电流222（该电流为满载安培数（FLA）的至少一个预先指定的百分比）自动感测状态通告。该FLA可以被初步地提供给为每个电机绕组操作存储器的控制板102或者经由一个自校准过载电路/继电器自动地确定。
以下描述示出了一种用于双速电机起动器实施例的操作方法的一个实施例（如图2所示的，作为但只是一个示例）。在这样一个实施例中，基于一个或多个先前讨论的控制板特征来设计该双速双绕组起动器。具体地，本起动器实施例具有两个单独的电机满载电流/安培数设置（一个设置用于每个绕组），两个自动起动输入（自动降低和自动升高）和一个减速定时器设置，从而在使接触器以低于先前操作该电机的速度来驱动该电机之前，允许该电机充分的减速。
图3展示了可以被包括在符合本主题的起动器方法中的步骤的一个实施例。特别参见图3，通过确定哪个控制源是由控制开关300指示开始该过程。如果HOA开关在手动位置302并且起动器不在关断模式304（在这种情况下，该起动器会等待一个交替控制命令340）并且速度开关306被设置在低速310或高速308位置，该起动器实施例会提供输出用于相应地操作低速接触器312或高速接触器314，并且相应的操作过载电流设置会被改变为对应于所选择的绕组设置的值（316用于低速绕组以及318用于高速绕组）。实施例可以采用一个冷却定时器，其被采用（至少部分地）用于帮助确保一个充足的时间量经过被操作的切换接触器之间（帮助避免堵塞、信号冲突等）。一旦实现了适当的接触器和跳闸点设置，可以重置冷却定时器320。在一个实施例中，如果速度开关位置从高变化到切断然后变化到低，减速定时器342在接合低速接触器之前可以提供一个从高速开关输入被禁用时测量的时间延迟。如果高速再次被起动，该减速定时器可以被重置。由于每个设置和接触器可以作为一个单独的、独立的电路操作，如果起动器在一个速度设置中在一个过载状态跳闸，可以用其自身的过载设置来实现其他速度设置。
继续图3，如果HOA开关300在自动位置322并且起动器不在关断模式324，该起动器确定哪个自动输入正在被接收326。如果自动低速输入330或自动高速输入328被激活，起动器操作用于分别向低速接触器334或高速接触器332提供输出，并且采用适当的相应负载电流设置（336用于高速绕组以及338用于低速绕组）。在选择/激励一个接触器之后，冷却定时器320可以被重置。类似于在手动设置中操作，在自动设置中，如果自动高速输入被禁用，可以采用（至少部分地）一个减速定时器346在操作低速接触器334之前来帮助提供一个从自动高速开关输入328被禁用时测量的充分时间延迟。如果高速接触器332再次被起动，该减速定时器可以被重置。如果该起动器实施例在任何选定的速度下在过载上跳闸，可以用其自身相应的过载设置来起动另一个速度。当操作自动模式322时，起动器实施例可以采用一种方法，其中如果HOA开关在自动位置322并且两个自动输入328、330都被激活/接收，该起动器会激活高速接触器332并且如果/当自动高速输入被禁用，减速定时器346将被激活。
根据（至少部分地）起动器在其中被采用的操作环境或实现方式，起动器实施例可以包括用于附加有利特征的附加步骤。例如，可以基于被计算的有效功耗水平（该水平为被激活的绕组的FLA设置的至少一个预定百分比）来激活一个运行状态输出。同样，符合本主题的起动器可以包括由控制板控制的（至少部分地）附加的有利功能。一个这样的示例可以包括AC或DC阻尼器控制功能，作为但只是一个示例。
对本领域技术人员来说明显的是可以对上面所描述的实施例的细节做出许多改变而不脱离本发明的基础原理。因此，应当仅通过以下权利要求来确定本发明的范围。