专利名称：用于启动单相感应电动机和相应的电子继电器的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于启动单相感应电动机和相应的电子继电器的方法，尤其涉 及一种模拟一个带有感生电压的启动扭矩曲线以在设计规划中实现控制，从而使启动失 败的可能性最小，并且增加兼容性，便于将马达应用在多种标准之上的用于启动单相感 应电动机和相应的电子继电器的方法。
背景技术：
在单相感应电动机中，一般不会产生转子磁场，因为定子线圈为单相，但是一 旦转子开始旋转，就会产生感应扭矩，从而转子根据其驻波以同步速度旋转。因此，单 相感应电动机，需要一个获得启动扭矩的启动方法，因为磁场的平衡状态是到改变这种 不平衡状态的初始状态开始的方法。
单相感应电动机根据用以获得启动扭矩的启动方法，分为分相电动机、电容式 电动机和罩极电动机。分相电动机所使用启动方案是连接一个启动线圈用来与运行线圈 并联，同时根据启动线圈和运行线圈之间阻抗差产生相位差，从而启动。电容式电动机 是一种具有比分相电动机大的启动扭矩的电动机，通过在启动线圈内串联嵌入一个电容 器实现。源电流的相位通过嵌入在启动线圈中的电容器转换，并且源电流具有一个转换 相位流通过启动线圈，这样电磁力的平衡就被打破，从而获得启动扭矩。随后，当一个 转子开始转动并且角速度增加到转动周期的某个数值时，电容器由一个离心开关分离并 从而正常运行电容器电动机。
然而，机械离心开关易受震动影响，其特性是会根据随开关频繁操作而产生的 电弧所引起机械/电磨损而降低。因此，通常采用一个电子继电器。一个用于单相感应 电动机的电子继电器串联连接一个功率半导体开关装置，诸如三端双向可控硅开关元件 (triac),连接至启动线圈并通过一个控制电路控制半导体开关装置，从而使得电流仅能 够在启动时候流入启动线圈。
传统技术中的电子继电器仅根据电压强度(由启动线圈产生)执行控制，以简 单地确定启动完成时间，由于特性根据电动机布置状态和标准的改变，从而降低了兼容 性并且使得启动失败率很高。此外，传统技术中的继电器，由于用于控制三端双向可控 硅开关元件(triac)的栅极的控制电路被设置带有一个模拟电路，当要求大量的电流消耗 时，内部电源电路的效率减少，并且需要相对高容量的栅电流。发明内容
相应的，本发明公开了一种用于启动单相感应电动机的方法以及用于此的电子 继电器，模拟带电压的启动扭矩(由启动线圈产生)用于执行在程序设计方案中的控制， 使启动失败的情况尽可能减少。
本发明同时还公开了一种用于启动单相感应电动机的方法以及用于此的电子继 电器，其接收启动线圈的感生电压，操作感生电压的变化率，确定其中电动机启动扭矩是最大并且当启动扭矩开始减小时关闭三端双向可控硅开关元件(triac)，从而增加兼容 性，以便于应用在基于不同标准的电动机上。
本发明还公开了一种用于启动单相感应电动机的方法以及用于此的电子继电 器，其通过重新启动执行比较线电压的相位与三端双向可控硅开关元件(triac)的两端电 压的相位来纠正反向(由脉冲引起的)，使得在必要时进行瞬时正向/反向旋转。
本发明还公开了一种用于启动单相感应电动机的方法以及用于此的电子继电 器，其形成启动电容器的放电路径，即使当放电电阻没有连接在启动电容器上时，用以 保护电路。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于启动单相感应电动机的方法，包 括接通半导体开关装置用于在启动线圈内流过电流，在单相感应电动机中，运行线圈 和启动线圈通过半导体开关装置并联连接；从启动线圈中检测与转子角速度成比例的感 生电压；接收被检测的感生电压用以计算与加速度扭矩成比例的感生电压变化率，并存 储计算的变化率；比较存储的感生电压变化率，并确定感生电压变化率最大的时间，作 为启动扭矩最大的时间，感生电压变化率增加和然后减少的时间；切断半导体开关装置 以完成启动，感生电压变化率在测定后开始减少。
根据本发明的另一个实施方式，提供了一种用于单相感应电动机的继电器，包 括三端双向可控硅开关元件(triac)，连接在启动线圈和单相感应电动机的启动电容 器，用以控制(断开或连接)流经启动线圈的电流；感生电压探测电路检测与电动机角速 度成正比的启动线圈的感生电压；窗式比较电路检测三端双向可控硅开关元件(triac)的 两端电压，在启动和检测启动过程中启动线圈电流的零点电流之前，以检测电动机线电 压的零点(zero-point)电压；以及一个微控制器(MCU)在电动机线电压的零点处连通三 端双向可控硅开关元件用以根据窗式比较电路的信号开始启动，触发三端双向可控硅开 关元件的栅极，用于在启动线圈电流的每个零点电流时间的特定延迟时间，以根据启动 时窗式比较电路的信号维持三端双向可控硅开关元件的接通状态，从感生电压检测电路 中接收启动线圈的感生电压，以计算启动阶段中与电动机加速度扭矩成比例的感生电压 的变化率，检查其中启动扭矩最大，以及加速度扭矩最大，当加速度扭矩开始减少时， 切断三端双向可控硅开关元件。
根据本发明的实施例，当负荷扭矩和惯性不变时，启动线圈的感生电压变化率 (dVs/dt)与电动机启动扭矩成比例地增加。在本发明的实施例中，相应的，启动线圈W2 产生的电压通过微控制器(MCU)的输入端ADCl输入，并操作感生电压的变化率，检查 在电动机启动阶段中的最大扭矩的发生时间。通过确定电动机的启动扭矩减小时间作为 一个启动完成时间，切断三端双向可控硅开关元件。根据本发明的具体实施例，启动失 败的情况能够尽可能减少，兼容性也能大大增加，由于应用于所有类别的电动机不考虑 电动机的标准和种类。此外，根据本发明的具体实施例，经由执行一个通过比较感生电 压强度和比较启动完成后线电压和三端双向可控硅开关元件两端电压相位的重新启动步 骤，相应地实现了更快捷和精确的重新启动，由脉冲产生反向运行被纠正了，并且能够 实现瞬时正向/反向旋转。
图1是表明根据本发明的一个实施例的应用有电子继电器的单相感应电动机驱 动电路的电路图。
图2是表明根据本发明一个实施例的微控制器(MCU)控制启动操作的流程图。
图3是表明本发明的一个实施例的微控制器(MCU)比较感生电压强度以控制重 新启动操作的流程图。
图4是根据本发明的一个实施例的微控制器(MCU)比较线电压和三端双向可控 硅开关元件的两端电压的相位以控制重新启动操作的流程图。
图5是说明根据本发明另一个实施例的通过应用电子继电器在一个不具有电容 器的分相电动机上启动和重新启动操作的流程图。
本发明的优点、特点等方面将根据下面的具体实施方式
结合附图进行详细说 明。然而，下面的具体实施方式
仅仅是举例阐述本发明，不应当被解释为其限定于下文 中对实施方式的详述内容。
具体实施方式
现参考本发明的优选实施例进行详细阐述，这些例子将参照附图进行说明。只 要有可能，同样的附图标记被用于整套附图中指向同一个或相似的部件。
图1是表明根据本发明的一个实施例的应用电子继电器的单相感应电动机的的 驱动电路的电路图。
参照附图1，单相感应电动机200包括一个转子和一个定子。运行线圈Wl和启动 线圈W2绕在转子上。对于电容式启动电动机，启动电容器Cs与启动线圈W2串联连接。
根据本发明实施例的继电器100，包括一个功率半导体开关装置110，一个微控 制器(MCU) 130和一个控制电路120。功率半导体开关装置110串联连接在启动线圈W2 上兵控制(例如，断开和连通)流经启动线圈W2的电流。微控制器130控制根据计算得 到启动扭矩的电压变化率(有启动线圈W2产生)的控制算法控制启动功能。控制电路 120识别电动机线路Ll和L2的电压，同时启动线圈W2的感生电压提供给微控制器130 的识别电压。当启动通过向单相感应电动机200供应电源而完成时，电子继电器100与 启动线圈W2从电源线路Ll和L2中断开连接。在电动机运行时，继电器100识别由启 动线圈W2生成的电压强度或者在线电压和半导体开关装置的两端电压之间相位差，且当 必要时控制重新启动。
在本发明的一个实施例中，功率半导体开关装置110采用一个无缓冲的三端双 向可控硅开关元件(traiC)Ql。如图1所示，三端双向可控硅开关元件Ql的第一端口 Ml 连接在启动电容器Cs上，三端双向可控硅开关元件Ql的第二端口 M2连接在启动线圈 W2上。三端双向可控硅开关元件Ql的栅极端口，连接在晶体管Q2上，该晶体管用于 根据微控制器130的输出OUT1，通过电阻R7产生触发信号进行开启/关闭。
此外，控制电路120包括一个感应电压检测电路122，一个窗式比较电路124， 一个放电电路126和一个电源电路128。感应电压检测电路122降低启动线圈W2引发的 电压并且连接降低的电压至微控制器130的输入端ADC1。窗式比较电路IM检测三端 双向可控硅开关元件Ql的零点电压并提供检测到的电压和电流至微控制器130的第一输入端IN1。放电电压1 提供一个用于启动电容器Cs的放电路径。电源电路128向继 电器100的内部电路提供电源。
感应电压检测电路122设定为带有电压降低电阻R8和R9。如图1箭头方向 所指，放电电路126设定为闭合回路，其包括与启动电容器Cs—端串联连接的运行线圈 WU与运行线圈Wl串联连接的第一电阻R1、与第一电阻Rl串联连接的第十电阻RlO 以及第二二极管D2，其中第二二极管D2的一端与第十电阻RlO串联连接，并且第二二 极管D2的另一端与启动电容器Cs的另一端串联连接。这样的放电电路1 逐渐地对启 动电容器Cs的电压进行放电和充电。由于电源电路126是一个普通电路，其详细的描述 被省略了。
如图1所示，窗式比较电路124包括电压降低电阻R3和R4，电压降低电阻R5 和R6，以及比较器U1。电压降低电阻R3和R4降低三端双向可控硅开关元件Ql两端 的电压并将降低的电压连接至比较器Ul的正极端⑴。电压减低电阻R5和R6降低电 源电压VCC并将降低后的电压连接至比较器Ul的负极端(_)。比较器Ul比较三端双向 可控硅开关元件Ql的两端电压，输入至正极端(+)，负极端(_)的参考电压输出比较结 果至微控制器130的第一输入端IN1。连接在比较器Ul的负极端(_)的可变电阻R6， 与微控制器130的第二输出端OUT2连接，从而负极端(_)的参考电压可根据微控制器 130的第二输出端OUT2改变。在本发明的一个实施例中，当三端双向可控硅开关元件 Ql切断时，微控制器通过第二输出端OUT2，输出一个用于检测线路Ll和L2的零点电 压的第一参考电压至比较器Ul负极端(_)；并且当三端双向可控硅开关元件Ql连通时， 其通过第二输出端OUT2，输出一个用于检测启动线圈电流零点电流的第二参考电压至比 较器的负极端(_)。在这里，由于比较器Ul根据微控制器130的控制使用了用于检测零 点电压的第一参考电压和用于检测零点电流的第二参考电压，其设定了窗式比较电路1 以及三端双向可控硅开关元件Ql的两端电压的输入电路。
此外，根据本发明的一个实施例，用于执行固有算法的微控制器130包含 数字输入端、数字输出端、模拟输入端、模拟输出端、电可擦可编程序只读存储器 (EEPROM)，以及定时器。在本发明的一个实施例中，如下表1所列，微控制器130控 制与控制电路120连接的总体操作。
表 权利要求
1.一种用于启动单相感应电动机的方法，其特征在于，包括接通半导体开关装置使得启动线圈中流入电流，在单相感应电动机中，运行线圈和 启动线圈通过半导体开关装置并联连接；当电流流入启动线圈时，检测与启动线圈中的转子的角速度成比例的感生电压； 接收检测到的感生电压以计算与加速度扭矩成比例的感生电压变化率，并存储计算 得到的变化率；比较存储的感生电压变化率，并确定当感生电压变化率最大的时间，作为启动扭矩 最大的时间，感生电压变化率增加和随后减小的时间；以及当感生电压变化率在测定后开始减少时，断开半导体开关装置以完成启动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于 半导体开关装置是三端双向可控硅开关元件，并且三端双向可控硅开关元件的栅极端用于在启动线圈电流的每个零点电流时间触发一 个特定延迟时间，以便于有效维持三端双向可控硅开关元件的开启状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括了，在启动完成之后，当感 生电压减小到低于特定值或三端双向可控硅开关元件的两端电压与线电压之间的相位差 减小到小于特定值的时候，重新启动电动机。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括了，在启动完成之后，当三 端双向可控硅开关元件的两端电压相位领先于线电压的相位时，确定由于瞬间正向/反 向旋转或者外部脉冲而引起的非期望的反向运行状态，并重新启动电动机。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当单相感应电动机为分相启动电动机时，识别电动机线电压和启动线圈电流之间的相位差，以检测出电动机线电压和启动电 流之间的相位差增加的时间，并预测启动完成，当电动机在启动阶段而相位差变化变小 时，在特定延迟时间内关闭三端双向可控硅开关元件，以及识别电动机线电压和三端双向可控硅开关元件两端电压之间的相位差，当电动机处 于运行阶段，而两个电压之间的相位差低于特定值时，重新启动电动机。
6.—种用于单相感应电动机的电子继电器，其特征在于，所述电子继电器包括 一个连接在启动线圈和单相感应电动机的开始电容器之间的三端双向可控硅开关元件，用于控制(断开或连接)流经启动线圈的电流；感应电压检测电路，检测与电动机角速度成比例的启动线圈的感应电压； 窗式比较电路，检测三端双向可控硅开关元件的两端电压以在启动之前，检测到电 动机线电压的零点电压，并且在启动阶段中检测到启动线圈电流的零点电流；以及微控制器(MCU)，在电动机线电压的零点电压处，开启三端双向可控硅开关元件， 以根据窗式比较电路的信号开始启动阶段，触发三端双向可控硅开关元件的栅极在启动 线圈电流的每个零点电流时间的延迟时间，用以在启动阶段中根据窗式比较电路的信号 维持三端双向可控硅开关元件开启状态，其中检查开启扭矩最大，随即加速度扭矩最 大，并且当加速度扭矩开始减少时关闭三端双向可控硅开关元件。
7.根据权利要求6所述的电子继电器，其特征在于微控制器向窗式比较电路提供第一参考电压，用于将第一参考电压和三端双向可控硅开关元件启动前的两端电压进行比较，并且当窗式比较电路检测到零点电压时，控制 三端双向可控硅开关元件的栅极开启三端双向可控硅开关元件，以及当启动线圈中流入电流，为窗式比较电路而检测启动线圈在交流(AC)电源每半个周 期中产生的零点电流，微控制器想窗式比较电路提供具有下一个相位的第二参考电压， 用于将第二参考电压与三端双向可控硅开关元件两端电压进行比较，识别作为启动线圈 电流的零点时间，应用电流至三端双向可控硅开关元件的栅极的时间，其中启动电流的 相位变换已完成(即，零点电流的产生时间)，以有效控制三端双向可控硅开关元件的开 启状态。
8.根据权利要求6所述的电子继电器，其中电子继电器提供一个放电电路用于释放 启动电容器的充电电压，以通过不带有单独放电电阻的内部电源电路以给启动电容器放
9.根据权利要求8所述的电子继电器，其特征在于放电电路是闭合电路，其中闭合电路包括运行线圈，串联连接在启动电容器的一端；第一电阻R1，串联连接运行线圈；第十电阻R10，串联连接第一电阻R1;以及第二二极管D2，与第十电阻R10和启动电容器连接，其中第二二极管D2的一端与 第十电阻R10串联连接，而第二二极管D2的另一端与启动电容器的另一端串联连接。
10.根据权利要求6所述的电子继电器，其特征在于，有一变阻器，并联连接在三端 双向可控硅开关元件的两端，用以保护三端双向可控硅开关元件，防止充电电压和浪涌 电压或脉冲。
11.一种应用在分相启动单相感应电动机的电子继电器，其中运行线圈和启动线圈并 联连接，其特征在于，电子继电器包括三端双向可控硅开关元件，与启动线圈串联连接用于控制(断开或连接)根据栅极信 号的电流流入；窗式比较电路，检测启动线圈电流的相位变换(即零点电流)；电流限制电阻R12，检测线电压的相位变化(即零点电压)；以及微控制器(MCU) 通过窗式比较电路接收三端双向可控硅开关元件两端电压，用于检测启动线圈的电流相 位，通过电流限制电阻检测电动机线电压相位，检查启动线圈电流和线电压之间相位差 增加的时间，预判为启动阶段完成，当相位差的改变变小时，在特定延迟时间内，关闭 三端双向可控硅开关元件。
12.根据权利要求11所述的电子继电器，其特征在于，微控制器识别“启动线圈两端 电压的零电压”作为“线电压的电压变换”以在电动机启动阶段中初始化内部计时器， 用来提取计时器的值用于计算当检测到与交流(AC)电源每半个周期发生的“启动线圈 电流相位变换”同步的“三端双向可控硅开关元件的两端电压变化率”时，线电压和启 动线圈电流之间的相位差，持续存储相位差的变换于闪存储器中，与当电动机启动扭矩 增加时电动机锁定为检查相对快速增加以及因而电动机角速度相对快地增加从而领先电 流的相位差进行比较，并关闭三端双向可控硅开关元件，以在特定操作延迟时间过去之 后，断开启动线圈电路。
13.根据权利要求11所述电子继电器，其特征在于，微控制器持续识别三端双向可 控硅开关元件的两端电压和线电压之间的相位差，并触发三端双向可控硅幵关元件的栅 极，用以当两电压之间相位差减少至低于特定值时重新启动。
全文摘要
本发明设计一种用于单相感应电动机的电子继电器，其通过感应电压模拟启动扭矩曲线以实现对程序设计方案的控制，并因而最小化启动失败和增加兼容性，以便于应用在基于各种标准的电动机上。用于单相感应电动机的电子继电器，包括三端双向可控硅开关元件，感生电压检测电路，窗式比较电路，微控制器(MCU)。
文档编号G05B19/04GK102025299SQ200910175968
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月14日 优先权日2009年9月14日
发明者金荣俊 申请人:金荣俊