带有能量回收的固态电动机起动器的制作方法

专利名称：带有能量回收的固态电动机起动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种起动器电路，该电路结合采暖、通风和空调(HVAC)感应电动机使用，更具体地说，涉及用于降低三相电动机吸收的线电流，能够回收在起动期间电动机中吸收的能量的多相电动机起动器电路和控制方案。
背景技术：
在很多应用场合中，希望在起动期间将多相感应电动机吸收的电流降到最小。多相电动机的起动电流或冲击电流往往是运行电流的5-6倍。这样大的电流对设备和电源以及电源使用的经济性具有很大的有害影响。举例来说，在长的电源线路上吸收这种通常的起动电流，可能引起电压根本性地下降，对于完成工作任务明显不足。进而，沿相同电源线路上的其它用户在电动机起动期间可能经受不希望发生的电压波动。针对这种状况，如果用户的起动电流或冲击电流超额得过多，电力公司特别是在欧洲会进行惩罚。
为了降低电动机起动电流，一种公知的技术是使用自耦变压器。然而，自耦变压器与本发明相比较不够灵活，在于自耦变压器的匝数比是先前确定的，通过设计结构部件维持不变。另一种方案是采用串联元件例如电感器、电阻器之类以限制起动电流。然而，为形成相同量值的转矩，后一种方案需要比自耦变压器起动器明显高的线电流。
最近，在开发电力电子技术时广泛利用功率半导体器件例如IGBT(即隔离栅双极型晶体管)或MCT(即MOS控制的半导体开关元件(thyristor))。这些固态器件可以用于提供一种用于在介绍现有技术中提到的通用三相感应电动机降压起动控制的改进装置。例如，以Frank Wills和Harold Schnetzka的名义于1997．5．7申请，申请号为08／852502名称为“一种能够均衡输入／输出VA额定值的降压起动电动机的固态起动器”的美国专利申请(其说明书这里引用全文可供参考)公开了和要求保护一种用于多相电动机的固态起动器电路，其对起动期间电动机吸收的线电流量值进行选择性地控制并使之降到最小。然而，该起动器电路虽然其改进超过了其它公知的降流起动器电路和方法(包含自耦变压器)，但需要利用电流吸收器(sink)的能量，在起动电动机时电流吸收器存储或耗散在每一线路工作周期(cycle)中某一阶段期间吸收的电动机绕组能量。
因此，希望提供一种能够回收能量的改进的电动机固态起动器，不需要存储或耗散能量的装置。更具体地说，希望回收在电动机绕组中吸收的能量，以便降低起动电动机时从电源线上净吸收的能量。
本发明概要本发明改进了现有技术，提供了一种电动机固态起动器电路包含受控的功率半导体器件以便在起动电动机时回收在电动机绕组中吸收的能量。这些能量按照逐个周期基本原理返回传输到电源线，使在起动期间电动机吸收的电流降到最小。
部分地通过在如下的说明中介绍，部分地通过本领域的普通技术人员根据本说明书理解，或者通过实践本发明会领会本发明的另外的要求、目的和优点。利用在本申请和所提出的权利要求中指出的各种元件及其组合达到本发明的目的和实现本发明的优点。
为了实现各目的和根据其中所体现和广义介绍的本发明的目的，提供一种结合多相电动机和提供交替正负电压形式的电源电压的多相电源使用的起动器电路，导致在电动机中产生正负交替的负载电流。该起动器电路包含第一对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机电路上串联；第二对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机电路上并联。每个开关具有断开和闭合状态。该起动器电路还包含可编程控制器，根据电源电压和负载电流的相对极性控制各开关的状态，以便在起动期间向电动机提供脉宽调制的电流和回收在电动机中吸收的能量并在电源电压和负载电流具有相反极性时将其返回传输到多相电源。
本发明还包含一种方法，结合多相电动机和提供交替正负电压形式的电源电压的多相电源使用的起动器电路使用，导致在电动机中产生正负交替的负载电流。该起动器电路包含第一对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机电路上串联；第二对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机电路上并联。该方法包含根据电源电压和负载电流的相对极性控制开关-二极管组合中各开关的状态，以便在起动期间向电动机提供脉宽调制的电流和回收在电动机中吸收的能量并在电源电压和负载电流具有相反极性时将其返回传输到多相电源。
应理解，上面的概括介绍和结合附图的下面的详细介绍二者都是对权利要求中限定的本发明的原理的示范性和说明性的介绍。
附图简要说明

图1是按照本发明构成的电动机起动器电路的单相等值电路的方块示意图；图2是描述图1中所示的电源电压(VS)和负载电流(IL)的曲线图；图3是描述在第一运行模式期间图1所示的电动机起动器电路中的工作电流路径的方块示意图；图4是描述在第二运行模式期间图1所示的电动机起动器电路中的工作电流路径的方块示意图；图5是描述在第三运行模式期间图1所示的电动机起动器电路中的工作电流路径的方块示意图；图6是描述在第四运行模式期间图1所示的电动机起动器电路中的工作电流路径的方块示意图；图7a和7b分别是描述关于图1中所示电路中的负载电流(IL)和负载电压(VL)以及输入电流(IS)和输入电压(VS)的曲线图。
本发明的详细说明下面对参照如在图1和3-6中所示的本发明的起动器电路的各优选实施例进行详细介绍。在图2和图7a和7b中所示的电压和电流波形有助于对本发明的介绍并且在这一详细介绍中始终作为参考。
首先参照图1，用标号10概括表示按照本发明构成的电动机起动器电路的单相等值电路的方块示意图。本领域的技术人员会认识到所示的电路是按照单相使用的并可将三个这样的电路相互连接按照三相电动机使用。在所示电路中，示有反向并联二极管的高速单向固态开关。通过这些开关的电流方向由这些开关上的箭头表示。这些开关可以利用IGBT、MCT、MOSFET、双极型晶体管、GTO等实现。图1a表示利用IGBT的一种可选实施方案。如下面更详细介绍的，利用这些开关而不是正反馈型或锁定型开关例如SCR(可控硅整流器)，无需依赖线路换相以终止电流流动。此外，通过在公用电源线和电动机之间利用高速开关，通过在改变导通时间(开关闭合)与关断(开关断开)时间的比的同时按照比电源线频率高得多频率的开关切换可以降低加到电动机上的电压。同时控制与电动机并联的其它固态开关(例如S3和S4)的导通，使在开关连接到电源期间电动机电流连续流过，而S1和S2断开。
如图1所示，电动机固态电路10包含如图所示与电源VS和感应电动机16(作为一个R-L电阻／电感负载，用于这种讨论)相互连接的两个4分体开关12和14。与电源VS和负载16串联的开关12包含一对单向固态开关S1和S2，以及一对分别与开关S1和S2并联的二极管D1和D2。更具体地说，如在所示的实施例中，二极管D1和D2的电连接使之对于指定的电压信号极性两个二极管中仅一个导通。应当认识到，当交替地闭合单向开关时，仅其中一个二极管导通。例如，当开关S2闭合时，二极管D1导通。
类似包含两个单向固态开关(S3和S4)，以及一对分别与开关S3和S4并联的二极管(D3和D4)的开关14与电源和负载并联。与开关12的二极管一样，二极管D3和D4与它们各自相关的开关并联并且彼此并联，所以二者不可能同时导通。因此，如果二极管D3正向偏置并能正向传输电流，二极管D4反向偏置被关断不能传输电流。依照顺序二极管D3导通，开关S4必然闭合，二极管D4导通，开关S3必然闭合。开关控制器例如ECU18(包含微处理器之类，为了简明未具体表示)根据下面将更详细讨论的和在由微处理器执行的软件中体现的控制方案控制开关S1、S2、S3和S4的周期循环。
电源VS是产生公知的(具有正负电压交替特征的)正弦电压波形的AC电源电压。图2表示这种随时间变化的电压波形(标注VS)。正如公知的，电压波形VS又导致在负载16上形成正负电压交替的电流IL，如图2所示。ECU18利用从电压方向检测器20输出的电源电压极性信息和从电流检测器22输出的负载电流极性信息，产生对于开关S1-S4控制信号或选通信号。可以由ECU18控制每个开关，或者使之处于闭合状态，在该状态期间，使电流通过该开关；或者使之处于断开状态，在该状态期间，不使电流通过该开关。应当认识到，如果在这些状态之间周期性重复地操作，可以使脉宽调制的正弦电流流过电动机16。
图3-6用于讨论图1中所示的电路在4种可能的运行模式期间的工作情况。虽然，在这些图上未特意表示ECU18，但其隐含的作用原理应是可理解的。按如图3中所示的第一运行模式，电源电压(VS)和负载电流(IL)为正(参照图2，从时间t0到t1)。按这一模式，开关S4保持在闭合状态，开关S2、S3保持在断开状态，开关S1周期性重复循环，即受PWM控制。工作电流路径用虚线表示。根据这种开关控制方案当开关S1接通时(即当开关处于闭合状态时)，电流从VS通过S1和D2提供到电动机16，如图3中所示。当该开关处于断开状态时，开关S4和二极管D3形成对于电动机电流的续流(freewheeling)路径。电动机负载的电感性质当S1断开时，将使电流通过开关-二极管组合S4／D3自然流过，或者续流。
由于负载的电感性质，在负载电流变负之前电源电压变负。当电源电压为负而负载电流保持为正(如图2中所示时间t1到t2)时，根据第二运行模式控制开关S1-S4，如图4中所示。按这种模式，开关S1保持在闭合状态，开关S2、S3保持在断开状态持续这一时间阶段，开关S4受PWM控制。利用这种开关切换方案，当S4关断(即处于断开)时，将使电流通过S1和D2从负载流向电源VS，在电动机绕组中吸引的能量转移传输到电压源。当S4闭合时，负载电流通过开关S4和二极管D3续流。因此，当输入电压和负载电流具有相反极性时，控制各开关，使之能按照开关占空比(工作周期)(duty cycle)的函数关系回收电动机绕组(电感负载)中吸收的能量，返回传输到电源。这就降低了在起动期间电动机净吸收的视在功率，并提高了功率因数，正如公知的，可以按照有功功率(瓦)与视在功率(伏安)的比确定。本领域的技术人员会认识到，利用这种电路布局和控制方案，使得在起动期间能较慢地升高加到电动机上的电压(例如对于50马力的电动机可以持续约30-40秒)，因此实现电动机软起动。
参阅图2，由时间t2到时间t3，电源电压和负载电流二者都是负的。如图5中所示，这种运行模式包含开关S3保持在闭合状态，开关S1、S4保持在断开状态，对开关S4进行脉宽调制(PWM)。这种模式与上述的按照不同的开关切换组合的第一运行模式相似(t0到t1)。根据这种开关控制方案，当开关S2保持在闭合状态时，电流通过S2和D1提供到电动机16，如图5中所示。在每次开关S2处于断开状态期间，开关S3和二极管D4形成电动机电流的续流路径。
图6表示，电路按第四运行模式工作当电压(VS)为正而负载电流仍然为负(如图2所示，时间t3到t4)时的工作电流路径。这种运行模式与上述的第二运行模式相似。按第四运行模式，ECU18控制开关S2使之处于闭合状态，而开关S1、S4保持在断开状态。对开关S3进行PWM控制。如图6中所示，当开关S3处在闭合状态时，通过S3和D4形成工作续流电流路径。然而，当开关S3断开时，随着将电流通过S2和D1返回提供到电源，回收在电动机绕组中吸收的能量。
与现有技术中的某些电动机起动器不同，按照本发明构成的电路有利之处在不需要低功率因数的能量吸收器，以便存储或耗散在电动机绕组中吸收的电抗性能量。此外，如上所述，仅当电源电压和负载电流极性相同时，能量才由电源传输到负载。因此，当通用三相感应电动机／起动器系统功率因数不良时，当功率因数低时例如电动机起动期间，仅少量的能量传输到负载。另外，按照本发明构成的起动器电路在电动机起动期间降低了从系统中吸收的电流，同时无需现有技术中的能量吸收器，提高了功率因数。在电动机起动之后，建立了电动机的电动势(emf)，电动机通常吸收额定电流，而不是与起动相关联的电流。在起动后期，开关S3和S4保持在断开状态，开关S1和S2保持在闭合状态，以利用电动机运行。
由于通过按照上述方式控制开关的周期循环，控制开关的占空比可以选择性地改变，在电动机起动期间吸收的线电流的量值可以改变，以便实现最佳或预期的效果。实际上，在电动机起动期间电动机吸收的电流的量值可以逐渐地改变。本发明还规划使用一个或多个检测器例如检测器24(如图1中所示)，这些检测器在电动机起动期间检测运行参数。检测器检测的电动机运行参数可以包含转子加速度、转子速度和转矩(仅举数例)。当然，哪些参数需监测很大程度上取决于具体的应用和可以利用适当的检测器监测这里规定的以外的大量的其它运行参数。
来自检测器24和检测器20以及22的信号可以提供到例如如上所述ECU18的开关控制器(如图1中所示)并为其利用，该控制器包含用于按照检测参数的函数关系控制开关S1、S2、S3和S4的闭合的微处理器之类(为简明未具体表示)。应当认识到，在这一实施例中，微处理器可编程以便按照一种使电动机起动期间产生预期线电流外特性曲线的方式控制开关的闭合。这个实施例的另外一个优点是可以控制开关的周期实现较低的起动电流，不管电动机类型如何。
在一般应用中，按照本发明构成的电动机起动器电路结合额定功率范围为10-1000马力的三相感应电动机使用。所使用的开关应能够在约1-20千赫的频率范围开关切换大电流(例如10A-3000A)。图7a-7b中所示负载电流和电压以及输入电流和电压波形用于说明，是根据约2千赫的开关切换频率形成的。当然，如果需要可以选择不同的开关切换频率。例如对于10马力的电动机20千赫的开关切换频率会形成十分平滑的一般无纹波的负载电流波形。然而，对于1000马力的电动机2千赫是慎重选择的，以便将与开关切换相关的功率半导体损耗降到最小。此外，应当认识到，通过改变被调制开关的占空比可以调节输出电压和电流。例如，在起动期间50％的占空比导致施加在电动机上的电压降低50％。在一种应用场合中，如果电动机直接接到电源上，压缩机电动机的工作周期从0％缓慢地增加到一个数值，该数值控制电动机电流的RMS值为正常流过电动机的电流的RMS值的25％。这就使压缩机实现“软起动”，消除了很大的冲击电流以及消除了不希望产生的与线路电压降相关的现象(例如灯光闪烁)，同时提供充足的能量以在合理的时间阶段内起动该系统。
本领域的技术人员会认识到，在不脱离本发明的构思和范围的情况下，对于这里介绍的按照本发明构成的起动器电路和控制方案可以进行各种改进和变更。根据对这里公开的说明书的分析和实践本发明，对本领域的技术人员来说，显然本发明有其它实施方式。所作的说明和实例仅是示范性的，本发明的构思和实际范围是由所提出的如下权利要求限定的。
权利要求
1．一种电动机起动器电路，结合多相电动机和提供交替正负电压形式的电源电压的多相电源使用，导致在电动机中产生正负交替的负载电流。该起动器电路包含第一对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机电路上串联，每个开关具有断开状态和闭合状态；第二对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机电路上并联，每个开关具有断开状态和闭合状态；可编程控制器，根据电源电压和负载电流的相对极性控制各开关-二极管组合中开关的状态，以便在电源电压和负载电流具有相似极性时向电动机提供脉宽调制的电流和在电源电压和负载电流具有相反极性时回收在电动机中吸收的能量并将其返回传输到多相电源。
2．根据权利要求1所述的起动器电路，其中每个开关-二极管组合包含一对开关，与一对二极管并联电连接，以及其中各二极管其电路构成使一次仅每个组合中的一个二极管导通。
3．根据权利要求1所述的起动器电路，其中该控制器可编程，以便维持两个开关-二极管组合中的各开关处于断开位置，维持其中一个开关-二极管组合中的开关处于断开位置，以及维持其中一个开关-二极管组合中的开关在断开状态和闭合状态之间的周期循环。
4．根据权利要求2所述的起动器电路，其中第二对开关-二极管组合配置在第一对开关-二极管组合和电动机之间。
5．根据权利要求1所述的起动器电路，还包含至少一个检测器，用于检测电动机的运行参数，该控制器根据检测的运行参数控制至少一个开关的状态。
6．一种电动机起动器电路，结合多相电动机和提供交替正负电压的多相电源使用，导致在电动机中产生正负交替的负载电流。该起动器电路包含第一对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机串联；第二对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机并联；可编程控制器，根据电源电压和负载电流的相对极性，维持两个开关-二极管组合中的各开关处于断开状态，维持其中一个开关-二极管组合中的开关处于闭合状态，以及维持其中一个开关-二极管组合中的开关在断开状态和闭合状态之间的周期循环，以便在起动期间向电动机提供脉宽调制的电流。
7．根据权利要求6所述的起动器电路，其中每个开关-二极管组合包含一对开关，与一对二极管并联电连接，以及其中各二极管其电路构成使一次仅每个组合中的一个二极管导通。
8．根据权利要求7所述的起动器电路，其中第二对开关-二极管组合配置在第一对开关-二极管组合和电动机之间。
9．根据权利要求7所述的起动器电路，还包含至少一个检测器用于检测电动机的运行参数，其中该控制器根据检测的运行参数控制开关。
10．根据权利要求9所述的起动器电路，其中检测的运行参数可以是转子加速度、转子速度和转矩的至少其中之一。
11．一种电动机起动器电路，结合多相电动机和提供交替正负电压形式的电源电压的多相电源使用，导致在电动机中产生正负交替的负载电流。对于每一相，该起动器电路包含第一对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机电路上串联，每个开关具有断开状态和闭合状态；第二对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机电路上并联，每个开关具有断开状态和闭合状态；可编程控制器，根据电源电压和负载电流的相对极性，控制开关-二极管组合中的开关的状态，以便在电源电压和负载电流具有相似极性时向电动机提供脉宽调制的电流和在电源电压和负载电流具有相反极性时回收在电动机中吸收的能量并将其返回传输到多相电源。
12．根据权利要求11所述的起动器电路，其中每个开关-二极管组合包含一对开关，与一对二极管并联的，以及其中各二极管其电路构成使一次仅每个组合中的一个二极管导通。
13．根据权利要求11所述的起动器电路，其中控制器可编程，以维持两个开关-二极管组合中的开关处于断开位置，维持其中一个开关-二极管组合中的开关处于闭合位置，以及维持其中一个开关-二极管组合中开关在断开状态和闭合状态之间的周期循环。
14．一种方法，结合多相电动机和提供交替正负电压形式的电源电压的多相电源使用的起动器电路使用，导致在电动机中产生正负交替的负载电流，该起动器电路包含第一对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机电路上串联；第二对开关-二极管组合，与多相电源和多相电动机电路上并联，每个开关具有断开状态和闭合状态以及控制器；该方法包含根据电源电压和负载电流的相对极性控制开关-二极管组合各开关的状态，以便在起动期间向电动机提供脉宽调制的电流和在电源电压和负载电流具有相反极性时回收在电动机中吸收的能量并将其返回传输到多相电源。
15．根据权利要求14所述的方法，其中的控制开关状态的步骤包含的子步骤有维持两个开关-二极管组合中的开关处于断开状态；维持其中一个开关-二极管组合中的开关处于闭合状态；以及使该其中一个开关-二极管组合中的开关在断开状态和闭合状态之间周期循环，以便在起动期间向电动机提供脉宽调制的电流。
16．根据权利要求15所述的方法，其中的维持开关的步骤包含的子步骤有控制开关的状态，使之当电源电压和负载电流具有相反极性时，能将电动机中吸收的能量回收到电源。
全文摘要
一种电动机起动器电路,当电源电压和电流具有相反的极性时,通过选择性地控制多个高速开关的动作,能够回收电动机绕组吸收的能量。该电路结合多相电动机和交替提供正负电压的电源使用,导致电动机中产生正负交替的负载电流,该电路包含多个的开关－二极管组合,其电路构成使得对于指定的成对出现的电源电压/负载电流的极性,每个组合中的仅一个二极管可以正向偏置。
文档编号H02P27/06GK1293832SQ99804008
公开日2001年5月2日 申请日期1999年3月17日 优先权日1998年3月20日
发明者穆罕默德·科森, 克赖格·W·博克霍斯特, 哈罗德·R·施耐茨卡 申请人:约克国际公司