感应马达的起动及保护的制作方法

专利名称:感应马达的起动及保护的制作方法
技术领域：
本发明是关于感应马达起动技术的改进，并保护三相马达免受电流过高或过低电压、相损失、严重超载(包括转子锁定情形等)的损害。上述情形都是在马达起动时，或起动后接着发生的。本发明大致上是关于感应马达的电力输入控制的，特别是关于马达电流解调式电源节能控制器，并提供利用降低输入电压的控制电流起动，使定子绕组免受起动相位损失，及不使马达长时间在由于转子锁定或电源异常情形所引起的电流高于额定满载电流的情况下操作。
发明背景目前，已有许多种现有技术的装置被发展出来降低感应马达全电压起动时所产生的电源涌动。通常，先供应一个减小的定子电压，再以一系列的手动步骤或自动地逐渐由该减小的起始电压增加至全电压，调整的时间长度选定为最佳，亦即“电压增加对时间斜坡”的技术形式。美国专利第4，404，511号(具有减低电压起动器的马达功率因素控制器)即为“电压斜坡式”马达起动器的一例，这种设计也包括有一个负载减小时的电能节约装置，可在任何手动起动时间间隔之后开始作用，而在该时间间隔中，最后将电力线的全电压施加于定子绕组上(不论真正的起动要求如何)。像在一般的采用减小的电压起动马达的装置的现有技术中所常见的，该专利无法提供对于电源发生异常状态时的保护，也无法在马达起动时(或起动后)发生转子锁定现象时候为定子绕组提供过电流保护。
美国专利第4，086，406号是另一个时间任定的“斜坡式”降压马达起动器的例子，该起动器包括有定子过流保护装置和AC(交流)电源异常保护装置，但并不包括有起动后根据负载需要而调整输入电压以提高马达操作效率的装置。其马达保护的功能非常复杂，其基本原理和电路与本发明所采用的完全不同。
综合地说，上面所举的现有技术代表了目前电子马达起动及定子过流保护装置所采用的基本概念及技术。就马达起动控制而言，这些现有技术的特性是随时间缓慢地将定子输入电压由一个减小的电压逐渐增大至全电压，其中时间的调整是任意选定的，或是预先设计选定的。但是，在任何情况下，它的时间控制都不是对应于真正受到控制的马达及其真正负载的电机特性而控制的。就定子过流保护而言，这些现有技术的特性是，在预定或手动选定的时间间隔内反应于流入定子绕组的均方根电流的变化电流峰值或者平均值，和或者随着它的温度上升而受到控制。现有技术的电源异常保护一般都是利用许多的电子比较器和复杂的电路装置来达成的。
时间因素任意控制的“定子电压斜坡式”起动控制装置中通常只能达到不可靠的起动控制，并且造成马达系统的不稳定不必要的电力浪费和在过度慢的加速时的马达发热、或者在马达起动时间中的某一段时间内的显著振动。同样地，这些现有技术装置时常容许过度的定子电流浪费了可观的电力，因为马达起动负载(通常是较小的)是很少必须要AC电源的全电压的，而在马达起动时间过后这全电压最后还是要接给马达的。由于变化峰值因素及电源，及和所产生的切换部份正弦波相关的相位相关暂态定子涌入电流的关系，反应于高于一特定值的变化峰值而动作的有效定子均方根电流过流保护装置很少真能制成。
在本发明者的美国专利第4，297，628号“感应马达能源节约器”中，公开了采用对应转子机械负载大小及电能转换为机械能效率的具有马达性能某些特性的AC电源节约装置，以使感应马达在由零至最大额定负载的范围中以最小输入电力操作。这一前述美国专利(4，297，628)描述了适用于单相感应马达采用波修正装置的节能定子电力控制系统的定子电流解调装置。该前述专利也参考了本发明者的美国专利第4，242，625号“多相感应马达节能器”，其中公开了采用了两个可反应于电流调解式马达负载探测装置以产生、输入至一三相马达AC电源的负载/效率相关控制的一种与波修正器大致相同型式的装置。
前述本发明者的前发明之目的是要提供可反应于一感应马达的具有与负载效率相关的特性而动作的AC电源控制装置，以使该特性利用正比于工作负载变化的定子输入功率而以低于正常或高电源电压在由零至最大额定机械负载的范围内保持最高的马达效率。不过，这些先有发明并不具有马达起动的节能，起动涌入电流的减低，电源异常的保护、或在马达起动时或起动后发生转子锁定情形时定子绕组的过流保护等特性。由于已知在以电力线全电压起动马达时，定子涌入电流为正常操作电流的五至八倍，从而使马达受到严重的电机应力，这甚至在马达可以正常自由起动时也是一种电力的浪费，况且如果(马达)驱动机构在起动时被阻停或在起动后任何时刻停止转动，都会很快地使定子绕组受到永久性的损伤。另外，热动式的断路通常可以避免灾难性的、暂即性的马达故障，但在转子锁定事件或电源异常发生时却不能避免某些程度的永久性绕组损伤发生，这样便缩短了马达的使用寿命。
发明概述本发明采用定子输入电源控制及首先在本发明者的美国专利第4，297，628号中公开的供监控与性能有关的定子起始涌入电流特性的新颖电路装置的基本概念来消除现有技术中感应马达及保护装置所具有的各种困难、限制、能源浪费等令人讨厌的问题。如同后面所将说明的那样，定子电源的控制系统依赖短时间(数微秒)电压脉冲的处理及控制应用，这些脉冲的特性与转子速度(转差)、马达负载、功率转换效率及每次电源反向时定子电流的峰值符有关。
标准的AC感应马达的定子是利用通过一波修正器，或为三相马达时通过两个波修正器由一正弦波电源供应电能，这些波修正器的操作可以改变正弦波每一周期的各个部份，而正弦波则由电源供给定子绕组。波修正器可为海德杰(Hedge)的美国专利第4，242，625号中所讨论的型式，或为这里将讨论的，本发明实施例所采用的节能技术集成电路(EnergyEconomizerTechnologyIntegratedCircuit-EET-IC)的型式。根据本发明，波修正器是根据增加的电路装置、手动调整、及监控代表马达状态(即充能或去能)的定子起始涌入电流特性所产生电信号而动作。这些附加的电路装置和一节能式定子电流监控装置，及该EET-IC共同组合成一种具有节能的两种“操作状态”及两种“保护状态”的感应马达电源控制系统。
两种操作状态为马达起动及马达运转。每一状态有一相关的保护状态，故可避免定子绕组受到马达起动及以后运转时潜在的损失状况所导致的损害。更确切地说，在马达起动时，EET-IC内的定子电流解调器装置的节能器控制电路部份被中止操作，而局部源电压交换的相位角延迟藕合因较佳的最大均方根起动电流的手动选择而产生一个均方根定子电压值。如果转子轴可自由开始旋转，马达即在该较佳(减低)的电压及受控制的电流之下开始加速。根据定子电流特性的电路装置使本发明的控制系统保持在前述起动状态中直到该特性指出马达已被加速到接近同步的速度。在这个速度，电路装置根据该速度的指示而将控制系统转换至运转状态，在运转状态中定子电压的大小是由转子负载转矩的需求所控制。这样，根据本发明，马达起动模式所需的时间及接至定子的电压大小即由真正需要的情况所控制，而不是通过人为方式以随意决定的时间长短来控制，这种控制方式不管马达真正负载的情形如何都逐渐地最后供给马达全电压。更确切地说，当转子可自由旋转时，本发明之起动模式持续时间长短及所供应的起动电压大小主要由下面所列的因素决定的1.操作者所选定的起动电流大小。
2.马达所驱动机构的机构因素。
3.所控制马达的特别电机械特性，和4.当马达到达近于同步速度时马达真正的工作负载需求。
不过，在转子被夹死(转子锁定状态)而无法开始转动或在起动状态中无法继续转动时，在一个手动的选定时间长度之后，本发明的“起动状态保护”装置即利用中止该波修正器而结束正进行中的“马达起动状态”。直到主(电源)开关被关掉之前，控制系统会维持在一个“AC电源中止状态”中。当再度供应AC电源时，又会开始一个新的“起动状态”。这样，就算马达是以被限定于接近全额定负载的受控输入电流起动，并且如果马达无法正常加速，“起动状态”会在前述选定的时间长度之后自动地转移到“AC电源中止状态”。换句话说，根据本发明，马达如果在一个特定的时间长度内以全负载或更高的电流加速至近于同步的速度即被认为是一个潜在的发生损害的状况，就算定子绕组尚未因过高的电流而过热也足以造成AC输入电源的中止。
在马达起动完成，且该控制系统已被转移至“运转状态”后，“运转状态保护”装置便被开启，但在定子输入电源以前述海德杰(Hedge)发明的定子电流解调式装置而与负载相匹配时仍不动作。因此，在额定负载范围内操作时，可以保持近乎最佳的马达操作效率。不过，在转子锁定的情况下，该“运转状态保护”装置会几乎即刻地利用中止该波修正器而停止先前的“运转状态”并执行“AC电源中止模式”直到该主(电源)开关被关闭为止。当主开关再被打开时，该控制器会采取一个电流受控的“起动状态”。如果转子锁定状态仍然持续，则“起动模式”会再如前述地再度中止;如果转子可自由转动，该控制器会在转子加速到近同步速度时自动地转移至其节省能源的“运转状态”。
输入至本发明的三相电源输入电压一直受到监视以提防潜在的损害性电压变动或相损失。如果一输入电源线变成“开路”(亦即“相损失”)，定子电源会在一个电源周期之内中止。若电源电压之上升或下降幅度超过了，例如，正常额定值的正百分之二十或负百分之六十五，定子输入电流也会被中止。
如下面所述，本发明包括有在基本概念上，实际上，及实行上和已知技术完全不同的感应马达起动控制器及定子绕组保护器。
附图的简单说明图1为本发明的系统方框图;
图2为应用于本发明中的一集成电路的简化方框图;
图3为信号处理电路的电路图;
图4为利用取样变压器组件6、7和8所发展出来的典型操作波形;
图5为固态开关组件9或10的电路图;
图6为一感应马达的简化等效电路;
图7A和7B描绘定子涌入电流的负载/效率相关特性;和图8为三相DC电源供应16的电路图。
较佳实施例的说明为了帮助了解本发明，首先讨论由在一个正弦波AC电源及一感应马达定子之间的自然电流特性发展出一个和负载成比例的电源控制信号的基础。
特定的负载/效率相关曲线描绘在图7A和7B之中。为了说明起见，由零值上升的电流(图7A以虚线圈起来的部份)被称为“定子涌入电流”(记作“Isic”)，而Isic的时间约为四百微秒(图7B)。
图6为一感应马达的简化等效电路，其中显示定子电流的大小在任何时刻都是等于由于马达的电感及转子机械负载所分别引起的电感及电阻分量的向量和。这些电流分量显示在图7A中Isic时间内的特别特性。这些特性是由掌管电流及感应马达的自然性质所决定的。
图7A显示在不同的转子负载下的定子电流变化，并显示当定子输入电压被调整至较高的马达效率时，定子电流大小和转子负载需要成比例，也就是当负载增加时，电流也增加，反之亦然。检查发生于图7A中虚线圈起部份的情形即可发现，Isic的上升时间及大小是稍后定子电流峰值的函数;Isic的情形在图7B中显示得更为清楚，该图是图7A中虚线圈起部份的放大图。
在Isic时间内，定子电流分量以一个特别的方式增加。更特定地说，电感分量的大小在定子电流反向开始时以指数曲线上升(不论其稍后的峰值有多大)，而电阻分量的大小则可直接和转子的负载力矩成正比地自由变化。这样，当输入电压开始被接至马达定子时，或者在马达正以高效率在近于同步速度的转速下运转而负载改变时，定子电流的电阻分量是决定Isic特性的主要变化因素。当马达在任何负载情形下以高效率运转时产生特别的Isic特性。当马达被过渡驱动或驱动不足时该特性立即改变。
基于上述原因，可以从Isic特性导出一个效率参考信号并用来随著转子负载需求的改变而指挥一个闭环路定子输入电压控制装置。
海德杰(Hedge)的美国专利第4，297，628号中之能源节约装置就是采用上述Isic的负载/效率相关特性。具体地说，利用使定子电流通过一个变压器的主线圈，Isic特性可被转换为一个短时间(微秒)脉冲的相关特性，其中，变压器的铁心在比零负载电流还小的电流下即已饱和。利用这种装置，变压器的次线圈即产生一个电压脉冲输出，其上升时间长度及大小和Isic特性相关。
如前面已经知道的，Isic在马达以最高效率操作时会显示其特别的特性。该特性是由感应马达转子转差特性所产生的定子电流的电感及电阻分量之间的一个转矩负载及速度关系所获得的。相应于这些特性，当马达转子机械负载增加或定子绕组驱动不足时，该电阻分量会增加，反之亦然。
在海德杰(Hedge)的第4，297，268号美国专利案中，Isic特性包括有“正负载”反馈，并被用来作为一个闭环路定子电源控制系统的控制元素，该特性可能要参考一个最高马达效率的手动调整方式。这样，当对转差产生反应的Isic特性改变时，定子输入电源也一样改变，而马达效率的该(参考)情况则保持不变。
更特定地说，如果该闭环路控制装置最初先参考反应于最高马达效率的Isic特性，便会随著接续的定子电流的电阻(转子负载)分量的改变而自动地改变定子电压大小，而该分量(如前已说明)是Isic的主要变化因素。这种定子电压与负载成比例的改变可使定子绕组免于被过渡驱动或驱动不足;因此，马达在零负载时以最小输入功率运转，而在额定负载时则以最高效率操作。
由前面的讨论可以了解，定子涌入电流是以马达转差特性和转子速度相关。因此，Isic特性同时包括有自然的信号方式可以指示转子是否被停止了，或者缓慢地在转动，或者在接近同步的速度运转。本发明利用该一和速度有关的Isic特性来1.维持相关的定子电源控制装置于“起动模式”直到转子加速至接近同步速度为止。
2.如果转子不能在该“起动模式”中于合理(较佳)的时间内加速至接近同步的速度则开启AC电源中断装置。
3.如果在马达“起动”之后的马达“运转模式”中发生转子锁定的情形则在电源的数次反向时间内开启AC电源中止装置。
参考图1至3，其中相同的数码代表相同的元件，一个标准三相AC感应马达11设有定子绕组13、14和15，并有一转子，具有一转轴12可连接负载。三相AC电源300通常是分别经由实线19和19A及虚线301和301A;实线18、18A及18B和虚线302及302A;实线17及17A和虚线303而直接接到定子绕组13、14和15，根据本发明，这种通常的电源接线方式被打断了，电源300不被直接地接至定子绕组13、14和15，而以线19连接至一个电流取样变压器组件6的主端，其另一端再以19A线连接到一个固态电源开关组件10的一端，其另一端再以线19B接至定子绕组13;线18连接至电源取样变压器组件7的主端;其另一端被经过一线18A连接至一个固态电源开关组件9的一端，其另端则经由线18B连接至定子绕组14;线17连接至电流取样变压器组件8的主端，其另一端被连接经过线17A至定子绕组15。开关组件9和10可包括有，例如三极晶体组件或硅控整流子组件，和图5中所示的各闸触发放大器及触发藕合变压器电路。这些闸晶体电源开关组件可反应于包括在集成电路1(EET-IC)中的各波修正器组件的输出脉冲串列而动作。这些波修正器可以是柏克(Parker)等人的美国专利第4，190，793号中的形式，或包括有本发明的EET-IC中的集成电路。在两种情况中，这些波修正器的动作可由首先出现在线46A上接着出现在500及501，即射极跟随器50和52的输出之上的一个DC(直流)控制电压所控制，在一种情况之下，它由线46A的共同输入可以是马达11上的负载或马达11的操作效率的函数，而在另一种情况之下，可由起动电流ADJ电位器211的手动调整而决定。如后面将要说明的，在某些情况之下，波修正器的操作也可反应于连接至EET-IC1的脚6上的一个DC电压而动作，或被中止，直到AC电源先被移除然后再回复，利用暂时地供给一个DC电压给EET-IC1的脚而提供马达保护。
更特定地说，如上面已有提及，电流取样变压器组件6，7及8的主端与图4中的定子输入电源线如19A，18A和17A之一串联连接。显示在图4中的电流取样变压器组件包括有一个饱和铁心变压器，具有一个主线圈和一个中央抽头的次线圈，以常见的全波整流方式连接至两个二极管861和862。由通过该主线圈的定子绕组开始涌入电流上获得的一个相当短时间(微秒)的电压脉冲在该饱和铁心变压器的次线圈上，在该涌入电流反向时产生出来(换句话说，在定子电流首先由先前的一个零值上升时)。这些整流二极管的输出因此便包括了正的脉冲而不论定子涌入电流的方向如何。该电压脉冲的各种个别特性，例如其上升时间、振幅、时间长度及发生的绝对时间，均随着所施加的电压的波形及大小，马达的暂时性负载和马达特别的本质电机械性质，例如转矩负载速度特性而改变。
当马达在负载且在零及最大额定运转时本发明的能源节约性能和上面大略讨论过的海德杰(Hedge)之美国专利第4，297，628号相当。
图1及3中所包含的马达负载脉冲处理器2，起动模式处理器3和DC控制电压处理器5等各方框和EET-IC1的内部电路以及起动电流ADJ211互相合作以便在AC电源300的输出首先被切换到本发明的电源输入端时，指挥一个电流受控，电压降低的“起动模式”的操作，并在马达11达到近于同步的速度之后指挥一个“运转模式”的操作，保护处理器4反应于由马达负载脉冲处理器2送来的信号输入，并和EET-IC1的内部电路合作而提供不同的“起动模式”及“运转模式”AC电源中止(马达保护)作用。“起动模式”，“运转模式”及其相关的保护模式的操作将在下面多次参考图1本发明的系统方框图、图3的EET-IC1(集成电路)之外的信号处理电路的电路图，和图4的显示由取样变压器组件6、7及8所获得的典型操作波形图而加以说明。
为了帮助了解本发明的整体系统操作，首先概略介绍EET-IC1之内部操作。参考图2，能源节约器技术集成电路(EET-IC1)的简化方框图显示其六个功能元件。
方框600，电流解调放大器，当马达在接近于同步的速度运转时将由ST＃1，ST＃2和DC电源供应16送来的输入的“总和偏压”转换成为其宽度正比于转子机械负载的常定振幅脉冲。方框601起动模式开关，当AC电源一被接上时通过脚5利用起动模式处理器3的电容器203的放电作用而起动开始动作。该一起动(脚5的正电压)使方框601的输出脚7被拉低，此动作经由线606中止方框600的动作，并加速经由线607至脚6的指令信号输入。方框601的起动指挥EET-IC1和相关的电路进入一个“起动模式”。方框602，DC电压调节器，由一藕合至脚20的一个外接电压获得一个经过调节的正7及负14伏电源供内部EET-IC1使用，并藕合正14伏至脚4以供外部电路使用。方框603，AC电源中止闩锁，当正电压(中止指令)被送至脚8并藕合一个正电压输出至脚17(当被指令至中止情况时)的时候，阻止由方框604和605(波修正器1和2)送出闸流晶体触发信号。方框603的电路包括有一个正反馈装置，脚18上的一暂时性的正电压将方框603转入一个中止的状态直到脚20上的DC输入被移除为止。当在中止状态时，方框603避免了闸晶体触发信号的产生，因此阻止了AC电源通过相关之闸流晶体而接通至马达11。方框604和606，波修正器1和2，为相同的电路，可分别反应于接至脚16和15的正输入电压而造成闸流晶体的触发。此种触发的发生更可由通过DC电源供应16而送至零交叉偏压脚14和19的电源300电压反向偏压和施加至加速脚6的正电压而控制。
下面参考图1、2、3和4说明起动模式中系统的操作情形。
当三相电源300首先被接至线17，18和19时，随着DC电源供应16端“A”上升至其大约27伏的正常值，电容器203由EET-IC1的脚5取得充电电流。此一动作使起动模式开关601(图2)导通，并因而使EET-IC1的内部线606和607及外脚7被拉至低电位，也就是接近于接地电位，该电容器203的充电作用是由送至EET-IC1的脚5的一个起动模式指令所构成。因此，EET-IC1及相关的电路即采取下面七种起动模式之一1.电流解调器600被线606所中止，此动作将EET-IC1的脚11经过一内部电阻而接至正14VDC。
2.出现在EET-IC1的脚6的波修正器604和605的加速指令被线607所中止。
3.当起动模式保持开关204的基极经由电阻208被拉至低电位时，在线802上至EET-IC1的脚5的信号导通，从而使二极管209，线400及EET-IC1的脚7被断绝连通。
4.当电阻102及绝缘二极管103的接点经由绝缘二极管106，线902和EET-IC1的脚7而被降至低电位时，运转模式转子锁定保护则被中止。
5.当起动电流ADJ电位器211的211A端经由绝缘二极管212，线504和EET-IC1的脚7而被降至低电位时，ADJ电位器的控制功能被开启。
6.当起动电流平衡电位器49的49A端经由电阻214，绝缘二极管213，线504和EET-IC1的脚7而被提供一接地参考时，电位器49的功能被开启。
7.电容器43之负端经由绝缘二极管213，线504和EET-IC1的脚7而被降至低电位，因此，可使经由起动电流平衡电位器49B端而供应至射极跟随器电晶体52的DC控制电压的上升时间延迟。
为了帮助了解在起动模式中系统的操作，下面将讨论由EET-IC1(脚3及13)送出固态开关闸触发输出的电路装置，EET-IC1(图2)包含有两个相同的波修正器604和605，它们各具有五种可能的输入1.经过外脚＃16(15)的DC控制电压。
2.经过脚14(19)的(电源)零交叉偏压。
3.由脚＃6经过共线609的一加速指令。
4.经过共线608的一中止指令。和5.经过脚＃1(12)的触发时间信号。
图3显示脚＃1及＃12的触发时间信号分别由电容1E和1H所提供，这些电容器和波修正器604和605内的元件合作而建立闸触发脉冲的宽度及重覆频率。当DC控制电压在脚＃16和＃15超过一个特定的临界值时则产生闸触发信号，但在被DC电源16供应一个合适的相位零交叉偏压至脚＃14和＃19而使三相AC电源电压零交叉线18和19之时间稍为前后即被中止。电阻53、57和电容56和58在DC控制电压处理器中和EET-IC1中的元件及在脚14及19上的该零交叉偏压合作而使供应于线50A和52A上的DC控制电压在图3中的线500和501，脚＃16和＃15上采取锯齿(斜坡式)波形。
参考图1上侧的波形，注意到在DC控制电压斜波达到临界值(如虚线505所示)，闸被触发之前，时间延迟(在AC电源300零交叉之后)随DC控制电压的增大而减少，且反之亦然。因此可以看出，在闸触发出现于脚＃3及＃13时，即电压零交叉时，其相位角之延迟是与线50A及52A(图3)上的DC控制电压的大小，及该闸触发产生临界值505有关。
在马达稳定运转或负载缓慢地增加时的运转模式操作中，该DC控制电压的大小是转子转差的一个负载/效率相关函数，且该闸触发产生临界值是由EET-IC1的内部电路设置所固定。不过，在某些负载增加的情况之下，在加速脚＃6会出现一个相关的类比电压，其理由后面将有说明。这里只要注意到，在一特定值之下，施加于脚＃6的正DC电压可成比例地降低该闸触发产生的临界值(图1中线505)，因而产生该触发信号时降低相位角之延迟。在该特定值以上时，脚＃6采取一个优先状态，且这些闸触发信号是被连续地产生(甚至在电压零交叉时也是一样)。
波形修正器输入脚＃14，经过两修正器共通的线608(图2)定为AC电源中止闩锁603(EET-IC1之内)的一个内部正电压输出，它是反应于施加于EET-IC1的脚＃18的中止指令而产生的。线608上的该正电压不论至EET-IC1的脚＃6(加速)及＃15、＃16(DC控制电压)的电压输入如何都使修正器604和605停止产生闸触发信号。当该波修正器如所描述地被中止时，固态开关9和10接收不到闸触发信号，因此便不藕合AC电源至马达11的定子绕组13和14。
接着回覆说明本发明在起动模式中系统的操作，参考图1和3，如前所述，电容203的充电作用指令EET-IC1建立一个“起动模式”，因而建立了七种特别电路状态。先说明状态1、5、6和7所建立的起动模式操作情形。
参考图3，起动模式1使DC控制电压处理器5的电容42和46开始通过EET-IC1的脚＃11充电至一个最大正电压，这电压受到固定电阻210及起动电流ADJ(可变电阻)211的电压分压作用，而ADS211的端211A已被起动状态5参考于接地电压。换句话说，经由线46A而藕合至起动电流平衡电位器49的可动臂49B的该最大正电压变成了任何操作员所可选择的最佳大小的“DC控制电压”。由于电位器49(被起动以利用状态6的接地参考电压提供电压分压)，由线46A经过射极跟随器50和52(经过其射极的相关元件)而藕合至EET-IC1的脚15(波修正器＃1)及＃16(波修正器＃2)的该DC控制电压可加以调整以使相等的起动电流流入定子绕组13和14。电容48(永久地由射极跟随器50的基极连接至接地点)和43(在起动模式操作情况7时由射极跟随器52的基极连接至接地点)在该操作者所选定的值中加入一个延迟于DC控制电压上升时间之中。总和起来，电容42、46、43和48的充电延迟产生一个逐渐的增加，亦即“斜坡式”的DC控制电压，其上升的速率及最后的振幅是由起动电流ADJ211所设定。由于前述原因，固态开关9和10起初藕合一个减小的电流至定子绕组13和14，并随着时间而逐渐增加其大小至一个最佳的大小，而马达11之力矩亦因而以相同的方式相对地增加。如果操作者所选定的电流受控最大力矩已是可以克服惯性负载的起动要求，马达11便开始转动并加速至一个接近于同步转速的速度，在此速度下起动模式处理器3自动地将EET-IC1转入一个运转模式。在该运转模式中，该DC控制电压的大小变成了转子负载需求的一个函数。
在操作者所选定的起动电流不足以将马达11加速至近乎同步速度，或马达起动时发生转子锁定的情形时，保护处理器4会在一个手动选定的延迟时间之后，经过EET-IC1的脚＃18而起动“AC电源中止闩锁”603(图2)。之后，固态开关9和10立即停止将电流导通至定子绕组13和14。稍后将会讨论保护处理器4的“双模式)操作。这里只要注意到，马达11若无法在合理的时间内加速至近于同步的转速，由于操作者不恰当的起动电流选定或由于转子锁定的情形的缘故，则会开启一个“起动模式保护”动作，使先前的“起动模式”中止。
这里可以总结一下上述本发明的“起动模式”的“受控电流”要点。参考图3，当AC电源300首先被藕合(开启)时，“起动模式处理器”3的电容203的充电作用会指挥EET-IC1及相关之外部电路进入一组特别的状态。其中的四种状态合作而在线46A产生一个“DC控制电压”1.获得一个操作者可以利用“起动电流ADJ”211选择的最大振幅。
2.利用一种“斜坡式”而非“步进函数”特性而上升至该最大振幅。
3.可在制造厂中调整“起动电流平衡”电位器49以在起动模式中经由固态开关9和10以及定子绕组13和14提供相等的电流。
由于所施加的定子功率是相关于线49A的该“DC控制电压”，马达11首先被该操作者所选定的降低的电压及电流所控制而起动，直至马达11到达一个近于同步的速度为止，在此速度之下，该定子电流大小(及施加电压)受到利用前述的能源节约器技术(EET)的控制从而受到电源节约器负载/效率的控制。
为了要帮助了解所叙述的“起动模式处理器”3及“保护处理器”4的动作，先说明被线802所藕合由“马达负载脉冲处理器”2输出的共同输入信号。参考图4中所描绘的波形，实线波形803是当马达11在零负载操作时由流过取样变压器6、7和8之主线圈的定子电流利用二极管861和862加以全波整流之后所获得的。在AC电源300的反向之间的电压脉冲指数型放电是设置于如图3所示马达负载脉冲处理器2之内的元件连接至线17B、18C和19C的结果。显示于图4中的电压波形具有代表性，并可反映元件的选定及设计方便，也就是，它们并非本质上的限定。它们只是本发明的一个原型在操作时所测得的。在马达11的典型负载范围内操作时，波形803的峰值振幅根据转子对一力矩的负载所产生的定子电流的电阻分量而在线805和806之间变化。但当转子的转差比马达11有效地运转时的转差要显著地大时，在马达11起动加速期间波形803的振幅峰值增加将超过了线800，并正比于该转差的增加。在转子锁定时，如虚线波形804所示，该峰值振幅比正常操作时上升得还要高。换句话说，取样变压器6、7和8的波形输出的振幅可视为一信号方式，它是由感应马达的转差特性所正确地产生出来的，可以本质地显示马达11是在1.以可以达到高效率的近乎同步速度运转。
2.以低于该高效率速度运转，或3.停止状态，也就是，不在运转，但正承受定子电流(例如“转子锁定”的状态)。
当输入电源首先被施加在感应马达上以起动马达时，其转子是停止的。因此，直到转动真正开始之前，都存在有一个转子锁定的情况。在之后起动加速之中，转子的转差持续地减小直到达到负载额定的近乎同步转速为止。
现在参考图3，为了上述的原因，被线17B连接至“马达负载脉冲处理器”2内电路的波形峰值振幅一直在显示马达11的动态状况。例如，当局部正弦波电压一开始经由固态开关9被接至定子绕组14和15时，电流便开始流过“ST＃3ASSY”8，“ST＃2ASSY”7及该定子绕组，结果在线17B和18C上的波形峰值振幅开始时显示一个转子锁定的状态。假定转子开始加速，该峰值振幅稳定地随着马达11接近同步转速而减小。
仍然参考图3，注意到47伏齐纳二极管(ZennerDiode)20及21之阴极分别接到线17B和18C，且其阳极被接至射极跟随器25的基极。参考图4，注意到47伏齐纳之导通临界值注明为线800，在马达11的典型负载范围内(线805和806)操作时比波形803的峰值振幅变化要高。这样，在一般的负载范围操作时，齐纳二极管20和21不将波形803的任何部份藕合至射极跟随器25。不过，如前所述，在转子锁定的状态时(例如马达起动的一刻)，波形803的峰值振幅实质地上升至高于齐纳二极管20和21的导通临界值(线800)。因此，在马达起动时，直到马达11加速到近于同步的速度之前，波形803的峰值振幅在线800以上的部份被藕合至射极跟随器25的基极，并至线802。波形803的该部份电容24的作用由数十微秒增加至数百微秒并变成输入至“马达负载脉冲处理器”2的控制信号。
下面参考图3继续说明本发明在起动模式中系统的操作。记得当AC电源刚被接通时，电容203的充电作用将正电压藕合到脚＃5，指示EET-IC1进入一个“起动模式”并使脚＃7降至接地电位，并建立前述七种特别的状况。下面继续讨论状态3所建立的“起动模式处理”要点，是根据状态1、5、6及7所产生的情形而定(受控电流指令)。
参考图3，状态3可使“起动模式保持开关”电晶体204在线802上利用经由电阻208将其基极接至接地点而将信号接至EET-IC1的脚＃5，将二极管209绝缘并使EET-IC1的元件内部导通连接至脚＃7。下面将说明起动模式处理器3的电路元件。连接在“起动模式保持开关”电晶体204的基极和发射极之间的反向偏压电阻201可在EET-IC1不在起动模式中时确保电晶体204的关闭。电阻205提供电容203的放电通路，连接在DC电源供应“A”端及电晶体204的集极和EET-IC1的脚＃5间的接点之间，而电容207，连接在接地及电晶体204的集电极和EET-IC1的脚＃5间的接点之间。如前已有注意到的，当AC电源首先被接通时，电容203将DC电源“A”端的上升正电压藕合至EET-IC1的脚＃5，此种动作是由一个系统“起动模式”指令构成。电容207具有下面的多种功能1.它为DC电源16由电容203从AC电源300藕合过来的涟波或无关杂音提供一个低电阻AC滤波通路。
2.它为起动模式操作期间经由电晶体204由线802藕合过来的转子转差所产生的信号脉冲提供集积，因此在EET-IC1的脚5提供一个相当稳定的DC电压(保持EET-IC1于“起动模式”之中)。
3.由于电晶体204的导通，只有在起动模式中，电容207的该集积作用才相同地出现在线802上，因此保护处理器4的电容101被藕合经过AC电源中止延迟(可变电阻)100的DC电压位准而非短时间的脉冲所充电。
参考图3，现在考虑在AC电源300一被切换至线17、18和19之后所发生的一系列情形1.EET-IC1及其相关电路利用电容203的充电作用被指示进入特别的起动模式状况;其中该一状态可将起动模式保持开关204开启，此动作可将马达负载脉冲处理器2输出线802连接至电容207及EET-IC1的脚＃5之共同接点。
2.DC控制电压处理器5如前述地指示EET-IC1产生固态开关闸触发信号，这个作用可将局部的正弦波电压及电流，亦即减低的起动功率藕合至马达11。
3.流过ST＃3ASSY8、ST＃2ASSY7，和定子绕组14和15的AC电源300初时由马达负载脉冲处理器2在线802上产生一个控制信号输出，其特性相当于一个转子锁定状态(亦即直到马达11开始加速为止)开始时的特性。
4.该线802上的脉冲被开启的电晶体204连接至集积电容207和EET-IC1的脚＃5并提供一个持续的正DC电压起动模式指令。因此，甚至当电容203不再由DC电源16的“A”端抽取充电电流时系统也可以维持在起动模式中。
5.直到马达11加速至近于同步的速度之前，信号脉冲持续地出现在线802上(其理由如前述)，并因此，系统维持在“受控电流起动模式”中。
6.随着马达接近同步转速，起动模式指令信号脉冲(实际由转子转差所产生)停止被马达负载脉冲处理器2藕合至线802，也就是，波形803不再有任何一部份达到或超过线800，即齐纳二极管20及21的导通临界值。
7.由于不再接受新的脉冲，电容203及207快速地经由电阻205和EET-IC1的脚＃5放电。
8.因此，EET-IC1的脚＃5的电压降至起动指令临界值以下，EET-IC1切换到运转模式中，其中a.脚＃7停止内部接地。
b.电流解调器放大器600停止被内部中止动作(图2)。
c.内部加速指令线609由外部脚＃6停止中止(图2)。
9.由于在线46A(图3)上的DC控制电压的决定已经由操作员所选定的起动电流ADJ211的减小的起动电力设定转换到电流解调放大器600的负载/效率比例输出(EET-IC1的脚＃1)，马达11定子输入因此变成了转子机械负载需求的函数，没有全正弦波电源由AC电源300被藕合过去(除非真正负载有需要)。
下面可以总结本发明的“起动模式处理”要点。
参考图3，当AC电源300被接至线17，18和19时，起动模式处理器3开始动作。更特定地说，电容203将AC电源16“A”端的上升正电压藕合至起动模式保持开关电晶体204的集电极、电阻205和电容207(其各另一端被接地)及EET-IC1的脚＃5的接点。EET-IC1将电容203所藕合过来的正电压认做是起动模式“开启”的指令，因此，在内及外部建立一组特别的起动模式状态。该起动状态之一开动了起动模式保持开关204。出现在线802上的转子转差所产生的控制脉冲(由马达11的“受控电流”起动所产生)被藕合到起动模式保持开关204，被电容207集积至一个连续的正DC电压，由平行连接施加至EET-IC1的脚＃5。当该转子转差脉冲不再出现在线802上时，这种情形通常代表马达11已加速到了接近同步转速，电容207放电至EET-IC1的脚＃5的起初模式指令临界值以下。在这时，EET-IC1则采取一个“运转模式”，起动模式开关电晶体204的基极不再经由EET-IC1的脚＃7而接地，电晶体204被关闭，有效地将线802由起动模式处理器3电路的其余部分断开。这样，接着可能在某些运转情况中短暂地出现在线802上的转子转差所产生的脉冲便不被电容207所集积，也不会被藕合至EET-IC1的脚＃5，因此，不会再重新指示EET-IC1进入起动模式。
如果由于转子锁定的情形使马达不起动，当EET-IC1的波修正器被保护处理器4的作用中止时线802上的起动模式保持信号脉冲即消失，其作用方式稍后将予说明。
下面讨论状态4及状态3(起动模式处理开启指令)，及状态1、5、6和7(受控电流指令)等一起合作所建立的“起动模式保护”的要点。
记得在转子转差所产生的控制信号脉冲开始出现在线802上时，指令信号便在AC电源被接入线17、18和19(由AC电源300)之后短时间内输入至保护处理器4和起动模式处理器3。再记得起动模式处理器3的电容207是由(只有起动模式)起动模式保持电晶体204的导通而连接至线802之上。这样，在“起动模式”操作中，这些控制信号脉冲被电容207所集积，而线802的指令信号变成了一个相当的DC电压位准。检查保护处理器4之电路，注意到从指令信号线802至AC电源中止延迟电容101有两个充电通路。从线802经过电阻102和二极管103至电容101的通路构成了“运转模式”AC电源中止指令通路，而通过AC电源中止延迟(可变电阻)100的通路是为“起动模式”中止指令通路。最后，记得“起动模式”状况4利用通过二极管106，线902和连接至脚＃7的EET-IC1的内部元件的内部导通而将电阻102及二极管103的阳极端接点降至低电位而中止“运转模式”充电通路至AC电源中止延迟电容101的通路。从前面所说明的，可以看出电容101充电至EET-ID1的脚＃18启动AC电源中止闩锁603(如图2所示是在EET-IC1的内部)的临界位准的延迟，具有双重功效，即线802上转子转差所产产生的信号指令的DC电压位准，和AC电源中止延迟电阻100的手动可选择电阻。该中止指令时间延迟因此可以被调整到使马达11有充足的时间可以将其典型的起动负载平滑地以高效率的方式加速至接近同步转速的速度，但如果马达11不或不能恰当地起动便终止起动模式，例如，如果操作员所选定的“受控电流”只提供不适当的起动力矩，或当企图起动时却发生转子锁定情形，或在起动加速时马达所驱动的负载机构咬死了，电容101上的充电荷会上升至中止指令临界值，并利用关闭至固态开关9和10的闸触发指令而终止起动模式的操作。
换句话说，本发明之“起动模式保护”装置可总结地说，能避免由下列因素而引起的送至马达11的过度输入电流1.在一个“合理”(由操作者所选定)的时间内无法加速到接近同步的转速。
2.在起动加速时或前发生转子锁定情形。
在说明“运转模式保护”操作之前，先要讨论并再检查某些情形之下在线802上出现的转子转差相关的电压脉冲的特性及处置。参考图4的定子电流取样变压器输出波形。最后出现在线802上的控制信号脉冲的振幅及宽度都要正比于波形804上升超过齐纳二极管20的导通临界值(线800)的部份，并正比于当时转子转差。换句话说，当马达11运转时所发生的转子锁定情形会在线802上造成比，例如，若较重(或过重)的负载在马达以节约能源的降低的电压在零负载运转，如在“离合器藕合的负载”用途下运转时，突然加到马达上所产生的更高的振幅，和较宽的脉冲。
在转子锁定的情形下，为了保护的目的，可能需要立刻将马达上的负载立刻除去。不过，如果突然加上一个额定的负载，或中等的过荷，造成马达11(先前以降低的电压在怠转以节约能源)承受过度的转子转差，可能必须要很快地升高所施加的定子电压并使马达11重新加速至一个新负载相关的最高效率的速度。在本发明中，转子转差所产生的信号输出在“运转模式”中操作时同时地通过线802指挥EET-IC1经由“马达负载脉冲处理器”2和“保护处理器”4执行恰当的所需动作。参考图3并注意到线802将射极跟随器25(其信号输入是转子转差由ST＃2ASSY7和ST＃3ASSY8所产生的脉冲)的控制输出经由电阻30接至EET-IC1的“加速”脚＃6，并经由保护处理器4的电路而接至“AC电源中止”脚＃18。
出现在线802上的控制信号的性质在起动模式处理器3电路和EET-IC1的内部元件合作动作之下的“起动”及“运转”模式中是不同的。特定地说，在“起动模式”操作中，出现在线802上的转子转差所产生的脉冲集积(集积为一相关之DC电压位准)在起动模式保持电晶体204的射极导通而将电容207未接地的一端接至线802时先被设定。不过，如前已述及，电晶体204在“运转模式”操作中被反向偏压的电阻201保持在不导通的状态，这样，在“运转模式”中，线802上的控制信号，当出现的时候是由在每一电源电流反向时振幅及宽度和当时的感应马达相关于转子转差的特性有关的脉冲所构成。
接续前面有关在“运转模式”操作中出现在线802上的控制信号的描述之后，继续说明马达负载脉冲处理器2及保护处理器4对这些信号的反应。假设一种情况，即马达11在能源节约器，本发明的电流解调部份，减低定子电压控制作用下以接近于同步的转速及最小输入电源空转(无负载)，现在假定一个中等过荷突然加在转轴12上的极限性能要求情形发生了。由于马达11的定子电压比发出甚至全负载力矩的百分之五所需的电压要低得多，转子转差会随着电源300的顺序反向而开始增加。在加上了负载后的最初时刻，在线18C(ST＃2ASSY7的输出)上输入至马达负载脉冲处理器2的负载/效率相关控制信号的振幅的增加会使EET-IC1内的电流解调器放大器开始增加出现在DC控制电压处理器5的线46A上的DC控制电压。因此，闸触发产生的相位角延迟被减少了，而马达11定子电压开始上升。但是，在EET-IC1的脚＃11和线46A之间电路元件的比较起来较长的集极时间常数(最佳的系统稳定性所必须的)避免DC控制电压的极快上升情形。这样，在“步进函数”下，为了讨论目的之重负载需求，DC控制电压的上升并不适切，故转子转差继续增加。这样，在相同的数个电源反向期间，转子转差所产生的控制脉冲出现在射极跟随器25的输出端，并经由线802被藕合至马达负载脉冲处理器2内的一电阻30(保护处理器4和起动模式处理器3内的元件的反应将在后面说明)。
这些随着转子转差增加而增加振幅及宽度的脉冲被藕合至电阻30的一端，连接于接地点和电阻30的另一端与EET-IC1加速脚＃6的接点之间的一个电容31。记得在前面EET-IC1的波形修正器的说明时有注意到，在一特定值以下，脚＃6上的正电压将该波修正器的闸触发产生临界值(图1中的505线)降低，并减少该触发产生的相位延迟。该作用可将固态开关9和10所藕合至马达11的定子电压的增加率加快至超过EET-IC1内的电流解调放大器600所指挥的由DC控制电压在线46A上的上升率的增加。换句话说，在假定的负载需求下，当DC控制电压在线46A上升时，增加脚＃6上的正电压(由线802上转子转差控制脉冲将电容31充电所产生者)会同时使闸触发产生临界值下降，而这使得加至马达11的定子电压的增加率加速了。定子电压增加，即线802控制脉冲振幅及宽度也成比例增加，更加速了闸触发相位角延迟的减低率，也就是，在脚＃6的正电压的增加是作为转子转差的正反馈。在其后的数个电源反向时间之内，马达11定子电压上升到足以发出新负载需求所要求的较大力矩。随着马达11的加速，转子转差迅速减小，而该过高转差所产生的控制脉冲即不再出现在线802上。因此电容31即行放电，而EET-IC1的电流解调放大器600则继续其对马达定子电压的与负载成比例的控制。
本发明在以能源节约器降低的定子电压运转时对于藕合至马达11的一假定极端负载要求的反应可以总结如下。
首先，注意到当保护处理器4电路也在共同线802上接收到转子转差所产生的信号时，不产生对EET-IC1的中止指令，虽然所假定的突然发生负载的情形是相当极端，但并仍不需要对马达11的保护动作。对这时保护处理器4的电路反应将加以详细说明，而对转子锁定的保护则稍后再进行说明。马达负载脉冲处理器2对上面所假定情形的反应是两方面的1.EET-IC1的脚＃10(至电流解调放大器600之总和偏压输入)被指令要正比于新的负载要求而增加DC电压输出(脚＃11)。
2.齐纳二极管20和21、电容24、电阻22和射极跟随器25所处理的转子转差控制脉冲经由线802通过RC时间常数元件被藕接至EET-IC1的(加速)脚＃6。
EET-IC1对上述从马达负载脉冲处理器2送出的控制输入的反应快速地将马达11定子电压上升至以步进函数方式所施加的负载增加作为中等过荷所需的全正弦波电力。
下面说明运转模式保护。参考图3，保护处理器4持续地对被感应马达转子转差性质所引起而出现在线802上的控制信号脉冲产生反应。注意到该控制脉冲将AC电源中止延迟电容101充电至EET-1C1的脚＃18的中止指令临界值的通路有平行的两条。运转模式通路，通过电阻102和二极管103，在马达11起动加速时被中止。但是，当马达11到达接近同步的转速时，EET-IC1转换至运转模式的操作，两条通路被开启，电容101可经过可变电阻100直接充电或通过电阻102及二极管103，电阻102所选定的阻值比可变电阻100的最大阻值要低，在运转模式时将电容101的充电时间减少。
在运转模式操作时，(起动模式处理器3的)电容207未被起动模式保持开关204接至线802上，因此在运转模式中线802的控制脉冲未被集积成为一等量的DC电压。为了这个原因，电容101在转子转差产生控制脉冲并出现于线802上接续的反向周期中是以任务周期的方式充电。也就是，电容101在一个电源电流反向周期开始时依线802根据可变控制脉冲振幅及宽度而充电，而到了下一个电流反向周期开始时放电。再注意到电阻22(在射极跟随器25的集电极中)和集积电容207(被起动模式保持开关204所开启)的充电时间常数使线802上的相对短时间的控制脉冲避免快速上升，或在起动模式操作中使线802的集积DC电压上升至其最大可能的振幅。但在运转模式中，该控制脉冲并非如此受限制的，它快速地上升至比起动模式中还高的峰值振幅。再注意到，与转差成比例的该控制脉冲的脉冲宽度的微小变化是由电容207的该集电作用所引起的，这在电容101的起动模式保护充电时只具有微小的重要性，而在运转模式中，该控制脉冲的宽度本质地影响其充电/放电任务周期，也就是，升至EET-IC1的脚＃18的中止临界值的上升速率。更特定地说，转子锁定状态所产生的连续性的控制脉冲振幅及宽度会在数个反向之间将电容101充电至AC电源中止指令位准(主要经过电阻102和二极管103)，但中等程度的过度转子转差的情形则不会。
现在考虑在前面所假定的突然加重负载的情况中保护处理器4的反应，当转子转差在该负载加上之后一开始增加时，电容101依据线802上的该控制脉冲的振幅及宽度而开始充电。虽然过度的转子转差会暂时发生，但转子并不真正停止，因此，这些脉冲甚至在一个周期内都不达到转子锁定的振幅及宽度。这样，在加上负载的最坏情形之下，保护处理器5都不会发出一个AC电源中止指令。
现在假定一个情形，其中马达11是以空载的马达转轴12在运转，并以离合器连接至一个咬死的负载机构上。换句话说，假定正在运转的马达11几乎是瞬时地发生一个转子锁定的情形。在这状况发生之后的第一个时刻，本发明的电路以前述方式产生反应，也就是，它开始增加马达11之定子电压至一个新的负载需求值。但是，在后面这种情况下，随着定子电压反应于前述的“加速指令”作用而快速增加，转子转差也持续增加。这样，在电流的数次反向之内，线802上的控制脉冲即采取一个相应于转子锁定情况的大小及形式。在马达11转子停止转动之后的数个电源反向周期之内，电容101充电到足够指示EET-IC1的脚＃18进入一个AC电源闸触发中止模式。直到接到EET-IC1的脚＃20的DC电压输入被移除，并在接上之前，EET-IC1会维持在该中止模式之内，而固态开关9和10即不会将定子电压接至马达11上。
前述本发明在“起动”及“运转”模式中的操作是假定三相AC电源300在图1的线17、18和19是以名牌上的额定输入电压供给马达11。不过，在一工业三相马达的长时间寿命期中，三种一般的AC电源异常情形可能导致严重或甚至破坏性的感应马达损坏，它们是1.AC输入“相位损失”，亦即，线17、18和19在AC电源300及马达11之间变成了开路。
2.AC电源300的电压比正常马达额定值高出很多。
3.AD电源300的电压比在马达起动时或在起动后以最大额定负载的75%(或更高)运转时的正常额定值要低。当这些异常现象只是短时间的事件时，定子绕组不太会受损。不过，若这种情形时常发生或持续太长的时间，则过大的定子电流便浪费能源并时常导致永久性的马达损害。如后面说明的，本发明三相DC电源的装置设计可监控AC电源线输入电压的特性并指示EET-IC1在某些不利的情况下进入一个AC电源的中止状态，从而保护马达11，免受特别的AC输入电压的异常之损害。
如图8中所示，三相DC电源16利用变压器藕合装置由AC电源300经线17、18和19输入而发出各种系统之低功率(例如50mV)偏压。特定地说，全波，未整流之负电源电压是利用一般的变压器/二极管整流器组件715而由线17、18和19上产生出来的，并被用作为a.经由线750、751和752至电源处理器6的信号输入。
b.经由输出端8和10而至电流解调放大器600(图2)的至EET-IC1的具适切相位的“反向偏压”输入。
该电源16亦利用电容藕合装置由AC电源输入线17、18和19发出全波整流的DC电压，更与其他电路元件合作而同时提供
1.经调节的DC电压以供分离式及集成电路元件操作之用。
2.供该输入电源线的无线电频率干扰滤波(RFI杂音压抑)。
3.在该输入电源线上某一程度的电容性功率因素修正。
4.固态元件开关用的低DC电压及低电流控制装置，也就是，至一个具任何马力(大小)或输入电压额定值的马达11(在固态开关技术范围之内所能处理的功率能力)的无接触AC电源切换之用。
更特定地说，电容700、701和702由该输入线将三相AC电压藕合至三相全波二极管桥703。桥703的正DC电压输出利用线717被接至1.经由RC解藕合网路A+分别通过“Z”及“Y”端至固态开关组件9和10之内的闸触发放大器。
2.经由“A”至起动模式处理器3。
3.至一第一调节器齐纳二极管704的阴极，其阳极通过一个电阻705被接地。
4.通过一个电阻707至一第二调节器齐纳二极管708的阴极，其阳极被接地。
5.至一滤波电容709之正端，其负端被接地。
6.经过“R”端及线714至一马达AC电源开关713。前述的电容性藕合的装置可满足本发明的分离式及集成电路的DC电压需求并具有额外的有效功能。
例如，该装置同时提供一个由线17，18和19经过电容700，701，702，二极管桥703和电容709而接地的低阻抗AC信号通道。这样，由固态开关9和10的相位角延迟AC电源切换所产生的高频杂音(RFI)被道通接地，此种作用实质地减少了由线17，18和19上所产生出来的RFI，或者藕合向AC电源300，也就是，沿著进入的AC电源线。再注意到电容700，701和702是平行连接至接地的，并经由AC输入电源线17，18和19而接至马达11，这马达由于其本质的缘故，是由一会降低该输入线功率因素的一个电感性负载所构成。该平行电容连接装置这样便亦提供某种程度的功率因素修正，可局部地将马达11的电感本质加以间离，这在分数马力马达中变得特别地重要。
最后，与“A”平行的一端“R”经过线717被连接至桥703的正端。如前已述，所有的正DC系统操作电压都是由桥703所产生。因此，如果线717(桥703的正DC输出)被接至接地，例如在“R”端经由一线714至SPST(单刀单掷)开关的一端(其另一端为接地)，则该系统DC操作电压实际上即已关闭。在该“关闭”状态中，固态开关9和10的开启触发信号无法产生，因此，AC电源300在线18和19上的电压就无法被藕合至马达11的定子绕组13和14。
这样，单只是将线717接地(“R”端)就可切断，也就是关闭AC电源至马达11的电力，反之亦然。
再者，将“R”端接地即已将三相二极管桥703所馈送电源的其他电路元件的电源消耗关闭。但电容700，701和702的功率因素修正功能则仍持续下去，因为它们现在是经过桥703利用直接通过开关713接地，而不通过经由电容709的AC接地通路。
换句话说，本发明采用电容藕合桥式整流组件703的安排方式与本发明的其余部分合作而执行数种有用而必要(如马达开关控制及RFI的压抑)的功能，而不只是供应DC操作电压而已。
下面讨论DC电压调节及AC电源300高电压情形的补偿装置。仍参考图8，注意到由桥703出来的线717是经由一个25V的齐纳二极管704和电阻705而接地。实质上比所需还高的AC电源被无损失地利用数种电路元件和齐纳二极管704的导通而在电容700，701和702的AC阻抗上切除。利用元件值在设计上的选择，一较低的电压(例如2伏)可在AC电源300供应正常额定电压时在电阻705两端利用曾纳二极体704的导通而获得。当AC电源300变化时，该较低的电压也成比例地变化。因此，该较低的电压可作为AC电源电压大小反应偏压而经由线716通过E端而藕合至EET-IC1的波修正部分。这样，当AC电源电压上升，且变压器组件715的未调节的反向偏压输出亦上升时，E端的正偏压电压输出也同样地上升，这个作用可将至EET-IC1的负偏压增加加以偏离，反之亦然，该偏压补偿可使本发明在AC输入电压实质上比马达11的额定电压要高的情形下的“起动”及“运转”模式操作中增进能源的节约。
现在参考图8说明三相DC电源16的一电源处理器6的AC电源300的监视作用及马达保护作用。变压器组件715的反向偏压输出经由线750，751和752而提供信号输入至电源处理器6的相同电阻710的一端，其另一端共接在一起并经由一拉起电阻711而接至齐纳电压调节二极管708的阴极并通过绝缘二极管712和“P”端而接至EET-IC1的AC电源中止脚＃18。利用元件值的选定，当所有三相的AC电源300都供应额定(正常)输入电压的65%或更多至线17、18和19时，该共同连接点可以采取一个特别的负值。若该AC电源电压降至该65%值以下，则电阻710，711和二极管712的共同接点会被拉起电阻711升至一个正电压位准。二极管712，在此情形下为正偏压，将该接点正电压导通至EET-IC1的脚＃18，此作用包括有一个至EET-IC1的AC电源中止指令。这样，在AC电源300的电压降至正常的65%时，在这种情形之下马达11严重地驱动不足，并受到起动困难或因中等或更高的额定负载而过热，这时电源处理器6即发出一个AC电源中止指令(正电压)至EET-IC1，固态开关9及10则不再接收到由EET-IC1送来的开启触发信号，停止再将低的输入电压由AC电源300藕合至马达11的定子绕组13和14。
接着再考虑一个在输入电源线17，18和19之任一线上的相位损失情形，当所有相位皆在时，电阻710的共同接点承受连续的负DC电压。但是，若损失任何一相则在其余的两电源线之间造成“单相”的情形。在该单相AC电源输入的情形之下，电阻710的共同接点即承受一个单相全波的整流波形。也就是，上升至零值的负半波正弦波，而非前述的三相输入电源所产生的连续负DC电压。这样，随着该第一单相负交变上升至零，拉起电阻711会使电阻710，711和二极体712的共同接点上升至一正电压。如在前述低AC输入电压的情况一样，该接点正电压构成了至EET-IC1脚＃18的一个AC电源中止指令，AC电源即停止由固态开关9和10藕合至马达11的定子绕组13和14。
本发明在“起动”及“运转”模式中的独特能源节约及马达保护操作在下列的马达11的情况下总结如下1.不要求保护作用的起动及接续运转。
2.一AC电源输入相遗失，亦即，在起动时或接续运转时相位的损失。
3.当马达企图起动时，机械性转子锁定的情形存在。
4.在运转模式中，亦即正常起动之后发生转子锁定的情形。
5.过度低(65%或以下)的AC电源300电压。
6.过度高(125%或以上)的AC电源300电压。
下面的是适合于上述情况＃1，＃2，＃3，＃5和＃6。当马达电源300刚被激励的一开始，图1显示a.线17将第三相(若存在)由AC电源300藕合至DC电源16，并经过ST＃3ASSY8通过线17A接至马达11的定子绕组15。
b.线18将第二相(若存在)由AC电源300藕合至DC电源16，并经过ST＃2ASSY7通过线18A至第二相固态开关组件9的输入，其输出再经由线18B接至马达11的定子绕组14。
c.线19第一相(若存在)由AC电源300藕合至DC电源16，并经过ST＃1ASSY6通过线19A至第一相固态开关组件10的输入，其输出再经由线19B接至马达11的定子绕组13。
在该一开始的时刻，及以后的数个AC电源反向周期之内，由于固态开关9和10处于关闭状态，EET-IC1尚未产生闸触发信号所以没有电流在马达11的定子绕组中流过。
在电源开启后的时刻，假定上面的情况＃1并参考图3。系统反向偏压立刻由DC电源16经由810“F”和“D”端而藕合至EET-IC1，并经由“A”、“C”和“E”端而使正DC电压上升，DC电源16的上升电压构成了一个系统起动信号，因此，EET-IC1指挥内部电路，起动模式处理器3保护处理器4和DC控制电压处理器5外部电路进入一组互相合作而建立后面称为起动模式操作的特别情况。简单而言，这些情况a.起动模式处理器3开始作用将EET-IC1保持在该起动模式操作之中直至马达11加速至接近同步转速为止。
b.使保护处理器4的AC电源中止起动延迟作用开始进行。和c.将固态开关9和10对定子绕组的电流控制由EET-IC1的负载/效率反应部分(电流解调器)转移至经由起动电流ADJ(一可变电阻)的起动模式手动控制。
上面C项可让操作员(手动地)利用定子电流的受控电流选定马达11所发出的起动模式最大力矩。假定该选定的起动模式力矩足够马达11起动负载所需，转子即在没有过高电流涌入的情况下开始加速，这些过高涌入电流通常是在电力线全电压起动或现有技术中采用降低起动电压但仍出现比所需电流大的涌入电流的情形中发生。若操作员所选定的起动力矩不足以符合真正的要求，也就是，无法在操作员所选定的AC电源中止延迟时间之内加速至接近同步的转速，保护处理器4即指挥EET-IC1停止再开动固态开关9和10，因此，直到AC电源300被关闭并再开启之前禁止定子电流继续流入马达11。操作员对未知负载的起动需求的选定不需要测量仪器而可以简单地决定，只要渐次地增加起动电流ADJ控制211之量直至AC电源300开启而马达在操作员选定的加速时间之内成功地起动为止。
这样调整的时候，马达11的转动会随着转子力矩逐渐增加而慢慢地开始，接着在转子负载需求和马达11的自有特性所决定的时间之内以近乎最小的功率消耗而平稳地加速至接近同步的转速。在这速度下，起动模式处理器3会由EET-IC1将系统控制转移至运转模式的操作。在该运转模式中，由固态开关9和10藕合至马达11之定子绕组的降低的定子电压的大小会反应于EET-IC1的电流解调器部分的负载脉冲而和负载需求成比例。这样，在受控制电流起动时电源线的全电压便不会被接到马达11上，除非转子负载真正有需要，在起动模式操作完成之时也不接上全电压。
现在假定在马达11正要起动之前，一AC输入电源线17，18和19被开路(上面状况＃2)，或在稍后运转模式操作中发生此情形。此状况被称为“相损失”。在这情形之下，三相DC电源16的电源处理器(图8)会指示EET-IC1在AC电源300的一个周期之内停止固态开关9和10的开动。这样，在此情形下若企图起动马达11，在起动模式操作可以开始之前EET-IC1即已转入了一个AC电源中止状态之中，避免转子锁定起动电流在任何定子绕组中流动。若当本发明在运转模式中才发生相损失，在剩下的两个功率绕组中流动的定子电流在AC电源300的一个电流反向周期内即已被中断。换句话说，本发明在任何操作状态下于AC电源300的一个周期或更少的时间之内对马达11提供输入相损失保护。
现在假设一个当马达11正要起动时发生的转子锁定状态(上述状态＃3)。反应于相对于比全负载还大的定子电流取样控制脉冲特性，保护处理器4起动模式操作指令EET-IC1在一个操作员所选定的起动时间延迟区间结束时进入AC电源中止状态，因为马达11无法加速至接近同步的转速。但是，若操作员所选定的受控电流比全负载额定值还小，马达11虽不运转，但亦不会受损，EET-IC1也就不会被指令进入AC电源中止状态。换句话说，马达11被保护不受长时间高值的正常降压起动电流或转子锁定状态的过大电流的损坏。
现在假设在马达11正常运转时发生转子锁定的情形(上述状态＃4)。反应于当快速增加的AC电压被藕合至马达11定子绕组时只相对于转子锁定情形的定子电流取样控制脉冲特性，保护处理器4运转模式操作(操作员不能调整)在转子转动停止后的数次电源反向时间之内指令EET-IC1进入一个AC电源中止状态。
现在假设AC电源300的电压比马达11的额定(名牌上所开列的)输入电压为小(上述状态＃5)。在大约电源正常电压额定值的65%以下，电源处理器6(图8之三相电源16)会指令EET-IC1进入一个AC电源中止状态，以避免马达11起动或持续其运转模式的操作。不过，若马达11是以接近最大的额定负载运转，而电源300显著地减低(使马达11失速进入转子锁定状态)，则保护处理器4或电源处理器6会在AC电源300电压降至正常额定值的65%(或以下)之前指令EET-IC1进入一个AC电源中止的状态。
现在假设AC电源300的电压比马达11之额定(名牌上所开列的)输入电压为高(上述状态＃6)。再假设固态开关9和10的崩溃电压额定值并非一个性能的限制因素，也就是，这些组件在比所讨论的AC电源300的正常还高的电压下也可正常操作。
本发明可在AC电源300之电压超过正常20%(亦即120%正常值)的情形在起动及运转模式中提供上述的能源节约，和马达保护的功能。不过，随著过高电压的上升超过大约20%，三相DC电源16的高电压偏压补偿电路即变得较不具作用，而由马达负载脉冲处理器2藕合至保护处理器4的转子转差所产生的控制信号脉冲振幅亦开始随著AC电源300电压的增加而增加，也就是，该控制脉冲特性变成对电源电压具反应性(而不只是在“起动”模式中对“手动选择”反应或在“运转”模式中对“负载控制者”反应)，特定而言，在起动及运转两种模式操作中，该控制脉冲振幅的该电源电压反应减少了保护处理器4的AC电源中止延迟。这样，在超过了AC电源电压300的某些百分比的增加时(超过正常的120%)，保护处理器4会在企图起动马达11时指令EET-IC1进入中止状态，也就是，在马达11加速时间中，起动模式操作会被中止。换句话说，固态开关9和10在起动模式中若AC电源300供应的电压比名牌所开列的额定电压要大很多(即超过了125%)时便被中止其动作，因此保护马达免受起动时定子电流的潜在危害。
保护处理器4的AC电源中止作用在某些情况下，如AC电源300电压在马达起动之后，亦即当本发明进入了运转模式操作时，若电压上升超过正常额定值的20%以上，同样亦会产生。记得前面已有说明，转子转差所产生的控制脉冲的振幅会随电源电压的实质增加而增加。因此，在上面说明的起动模式操作中，保护处理器4的AC电源中止作用变得对过高的电源电压振幅、负载需求、特别是负载需求的突然增加的情形等具有控制反应性。特别地说，在某些超过了正常电源电压120%的场合，该控制脉冲振幅会上升到足以使保护处理器指示EET-IC1进入中止状态，以中止固态开关9和10的导通，这个作用中止了电流继续流入马达11的定子绕组。由极轻变为至极重(或超过)的负载突然增加的负载需求会使保护处理器4在比例如以稳定负载在运转模式操作还低的过高电压值来中止指令动作。
总结系统在高于额定AC电源300电压下的性能，受控电流起动(降低的电压)及随后的能源节约运转模式操作会持续直到该源电压超过正常的大约120%为止。在大于这一值的某一特定电压时，被固态开关9和10藕合至马达11的定子绕组的AC电源会被保护处理器4的指令所中止。
虽然以上已说明了依据本发明所建造的一个操作实施例，但对于熟习本科技的人士而言实行起来仍可有许多变化。例如，在此所说明的实施例几乎完全依赖类比电路及信号脉冲处理装置，但几乎所有的类比装置的等效电路亦可以利用微处理机的技术，依据本发明的概念，利用相关之硬件及软件装置来完成。其例子例如，在起动模式操作中，保护处理器4的由操作员所选定的AC电源中止延迟时间，利用信号脉冲所获得，以经由一个手控可变电阻100将一电容充电至一特定的电压临界值，可以利用对该脉冲进行数位式的计数，并手动程式规划，亦即选择一特定的脉冲计数，在该读数达到时使AC电源中止作用发生。
因此，必须要了解，前述说明仅是用来解说本发明，而非用来限定本发明，且所有依据本发明之原理所达成的改变及修改皆应包括于本发明的请求专利范围之中。
权利要求
1.在包括有一具有一转子及一定子绕组AC感应马达的一电子控制系统中，一个为该定子绕组激能以使转子转动的正弦波电源，一个藕合至定子绕组以便在每一次定子绕组内的电流由零开始增加时监视涌入定子绕组的电流的操作效率有关参数的马达电流解调器，该马达电流解调器可操作而产生一输出控制信号，其大小与和效率相关的涌入电流参数有关，和一控制电路，可反应于由马达电流解调器送来的输出控制信号，而利用变化由电源藕合至定子绕组的每一正弦波各部分而控制由该电源所供应的激能，其改良包括有手动可设定之装置以供在一起动模式操作中选定马达起动力矩的最大值，在该起动模式中停止该控制电路动作的装置，反应于该手动可设定装置以限定最大电流的装置，该最大电流是在该起动模式中由该电源供应至该定子绕组以确保在该起动模式中马达力距不会超过该选定的马达起动力矩最大值，和反应于接近于同步转速的马达速度而使该控制装置动作以将该电源控制系统由该起动模式切换至一运转模式的装置。
2.权利要求
第1项所述的电力控制系统，其中该感应马达为一三相马达，具有三个定子绕组，该电源为一三相电源，其三相被分别连接至该三定子绕组，在每一该电源相及其个别的定子绕组之间的连接包括有一个别的该马达电流解调器及一个别的该控制电路。
3.权利要求
第1项所述的控制系统包括有在该起动模式中反应于转子锁定状态的发生而中止电流由该电源供应至该定子绕组的装置。
4.权利要求
第1项所述的电力控制系统包括有在该运转模式中反应于转子锁定状态的发生而中止电流由该电源供应至该定子绕组的装置。
5.权利要求
第1项所述的电力控制系统包括有在该起动模式中反应于该马达在一预定的时间之内无法加速至接近同步转速的情形而中止电流由该电源供应至该定子绕组的装置。
6.权利要求
第2项所述的电力控制系统包括有以电容方式将每一该电源相藕合至一三相全波二极管桥以动作而产生一个被该控制电路所利用的DC操作电位的装置，和以电容方式将该桥的输出藕合至接地点的装置。
7.权利要求
第2项所述的电力控制系统包括有三相变压器，具有个别连接至该电源之三相的主绕组，三整流器个别地连接至该些三相变压器之次绕组，平行馈送该三个次绕组的经过整流的输出至一个其接点的装置，监视在该其接点的电位的装置以供探测在该电源各相中的至少一个发生开路的情形，和反应于该开路情形的发生而中止电流由该电源供应至这些定子绕组的装置。
8.权利要求
第1项所述的电力控制系统包括有供监视该电源的输出电位大小的装置，和反应于该输出电位的增加超过一预定限制值而中止该电源对该定子绕组激能的装置。
9.权利要求
第1项所述的电力控制系统，包括有供监视该电源的输出电位大小的装置，和反应于该输出电位的减低超过一预定限制值而中止该电源对该定子绕组激能的装置。
10.在包括有一具有一转子及一定子绕组的AC感应马达的一电子控制系统之中，一个为该定子绕组激能以使转子转动的正弦波电源，一个藕合至定子绕组以在每一次定子绕组内的电流由零开始增加时监视涌入定子绕组的电流的操作效率有关参数的马达电流解调器，电流解调器可操作而产生一个输出控制信号，其大小和效率相关的涌入电流参数有关，一控制电路可反应于由马达电流解调器送来的输出控制信号而控制由该电源供应至定子绕组的激能，供在马达操作的起动模式中停止该控制电路功能的装置，和反应于该马达在完成该起动模式之后达到接近同步转速的情形而停止该控制电路的功能以将该控制系统由该起动模式切换至马达操作的一运转模式的装置。
11.权利要求
第10项所述的控制系统，包括有在该起动模式中反应于转子锁定情形的发生而中止电流由该电源供应至该定子绕组的装置。
12.权利要求
第10项所述的控制系统，包括有在该运转模式中反应于转子锁定情形的发生而中止电流由该电源供应至该定子绕组的装置。
13.权利要求
第10项所述的控制系统，包括有反应于该马达在一预定的时间之内无法到达接近同步转速的情形而中止由该电源对该定子绕组的激能的装置。
14.权利要求
第13项所述的控制系统，包括有手动可调整的装置以选定性地变化所说时间的长度。
15.权利要求
第10项所述的控制系统，其中该马达为一三相感应马达，该电源为一三相电源，其各相被分别连接至该马达的定子绕组。
16.权利要求
第15项所述的控制系统，包括有可反应于在该电源中的至少一相的开路情形的发生而中止由该电源对该马达定子绕组的激能的装置。
17.权利要求
第10项所述的控制系统，包括有手动可调整的装置以限制在该起动模式中可能由该电源供应至该定子绕组的最大电流。
18.权利要求
第10项所述的控制系统，包括有可反应于所说电源超出于一预定值之外的电压变化而中止该电源对该定子绕组的激能的装置。
19.一具有一转子及一定子绕组的AC感应马达的电力控制系统，包括有一马达电源，一起动模式控制电路将该电源藕合至该定子绕组，该起动模式控制电路包括有手动可调整装置以供设定一个在起动模式的操作中要加给该马达的最大起动力矩，该起动模式控制电路可操作以设定一个该定子绕组内所可以在该起动模式中上升到达的最大值，不论在该起动模式中加在该转子上的真实负载如何，一运转模式控制电路可将该电源藕合至该定子绕组以控制由该电源作为加在该转子上负载的函数而供应至该定子绕组的电流的大小而与该手动可设定装置的设定值无关，该运转模式控制电路在该起动模式操作其中无作用，和电路装置当该转子的转速到达近于同步的转速时停止该起动模式控制电路的作用并开启该运转模式控制电路的动作。
20.权利要求
第19项所述的电力控制系统，包括有可反应于该马达无法在一预定时间之内达到近于同步转速的情形而中止该电源对该定子绕组的激能。
21.权利要求
第19项所述的电力控制系统，包括有可反应于转子锁定情况而中止该电源对该定子绕组的激能。
22.权利要求
第19项所述的电力控制系统，其中该感应马达为一三相马达而该电源系为一三相电源，包括有监控该电源之内的三相中的电流的装置，和可反应于一相损失的情况而中止该电源对该定子绕组的激能的装置。
23.权利要求
第19项所述的控制系统，包括有可反应于该电源的超出于一预定限量的电压变化而中止该电源对该定子绕组的激能的装置。
专利摘要
一感应马达以减小的输入电流，能源消耗及机械应力的情况起动，它的定子在由一正弦波源激能而起动或起动之后运转时再受到保护，而避免AC电源的相损失、过低或过高的电压、或转子锁定等情况的发生，并在起动及之后的较小负载运转时达成近乎最佳的马达操作效率，且相连的马达保护装置在马达准备起动或起动之后运转发生锁定转子的情况，或AC电源发生异常而造成起动失速，过高的马达运转电流或额定负载或马达逆转时禁止该波形修正器装置对该定子绕组进行供能。
文档编号H02H7/09GK85105328SQ85105328
公开日1987年1月7日 申请日期1985年7月12日
发明者赫奇斯 申请人:路易斯·W·帕克