专利名称：能均衡输入/输出伏－安额定值的固态电动机降压起动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及加热、通风和空调(HVAC)电动机用的一种起动电路，更具体地说，涉及一种旨在最大限度地减小起动电流和有选择地控制电动机在起动过程中采用变流提取的线电流的多相电动机起动电路及其控制策略。
在许多应用场合，总希望能最大限度地减小多相电动机在起动过程中提取的电流。多相电动机的起动电流或合闸电流往往达运行电流的5-6倍。如此大的电流对设备和电源以及节电应用方面都有许多有害的影向。例如，在漫长的电力线路上提取这样的正常起动电流会使电压实质上失稳，从而使电压不足以完成起动任务。此外，同一电力线路沿线的其它客户还会在该电动机起动过程中蒙受不希望有的电压波动的影响。为阻止这种情况，电力公司，特别是欧洲的电力公司对客户起动或合闸电流过量实行罚款制度。
采用自耦变压器是周知的降低电动机起动电流的方法之一。但自耦变压器与本发明相比灵活性就较差自耦变压器的匝数比是预先确定的，在设计各元件时就固定下来了的。限制起动电流的另一种方法是采用象电感器、电阻器等之类的串联元件，然而这种方法为了提供同量的转矩需要把线电流大幅提高得比自耦变压器起动装置的还要高。
因此，希望能提供多相电动机的一种能最大限度地减少和有选择地控制电动机在起动过程所提取的线电流量且比其它包括自耦变压器在内的公知的降流起动电路和起动方法更先进的起动电路。更具体地说，希望提供多相电动机的一种所需要的起动电流尽可能最低的起动电路。这种电动机起动电路旨在满足应用电动机起动电流尽可能小的的期望。
因此，本发明的目的是提供多相电动机的一种比现有技术的方法和系统更先进能减小电动机在起动过程中提取的线电流的起动电路。
本发明的其它目的和优点，一部分将在下文的说明书中加以叙述，一部分可由本技术领域的普通技术人员从说明书中体会到，要不然也可以通过本发明的实践加以体会。通过本发明尤其是在所附权利要求书中提到的各元件及其组合可以理解本发明的上述目的和优点。
为达到上述目的，按照本发明在本说明书中实施和概括地说明的用途，本发明的起动电路是与使电流正负交替变化的多相电源和多相电动机配合使用，供最大限度地减少电动机在起动过程中从电源提取的电流量。这种电动机起动电路具有一个第一开关和一对开关二极管组件，来自电源的线电流即通过第一开关提供给电动机，这对二极管组件则在电气上配置成在第一开关处于打开位置时传送电动机的电流。第一开关控制成使其在断开和闭合的位置循环动作，这对开关二极管组件则根据电流变化的极性在第一开关打开时交替传送电动机的电流，从而进行电流变换，最大限度减小电动机在起动过程中所提取电流。所提取的起动电流是从现行的线电流正比于第一开关的工作循环减小的。
本发明还包括为了最大限度地减少电动机在起动过程中从电源提取的电流量、而与使电流正负交变的多相电源和多相电动机配合使用的一种起动电路。电动机起动电路的各相有一个第一开关(最好是双向固态开关)配置在电源与电动机之间，与两者串联电连接，第一开关在打开状态和闭合状态之间循环从而给电动机提供脉宽调制电流。起动电路还有一个第二开关，与第一二极管串联电连接，两者配置在第一开关与电动机之间，与第一开关和电动机并联电连接。第三开关与第二二极管串联电连接，它们配置在第一开关与电动机之间，与第一开关和电动机并联电连接，第二二极管电连接成在第一二极管反向偏置时正向偏置，在第一二极管正向偏置时反向偏置。电动机电流正向变化时，第二开关保持闭合位置，第三开关保持打开位置，从而使第一二极管在第一开关处于打开状态时传送来自电动机的电流。在电动机电流负向变化时，第二开关保持打开位置，第三开关保持闭合位置，因而使第二二极管在第一开关处于打开状态时传送来自电动机的电流，从而进行了变流，最大限度地减小电动机在起动过程中从电力线路提取的电流，起动电流从有效线电流以正比于第一开关的工作循环降低。
此外，本发明还包括一个散能源，设在第一开关与电动机之间，且与第一开关和电动机并联电连接，供功率因数值低时使用。散能源可以是散能器件也可以是蓄能器件。
应该理解的是，上述一般说明和下面结合附图的详细说明仅仅是为说明本发明的基本原理而的例举说明而已。
图1a是现有技术的“反向变换”(Buck Converter)电路与直流(DC)电源配用的方框图。
图1b-1d分别为图1a所示的电路中工作循环为50％时电流I1，I2和I3的曲线图。
图2是本发明电动机起动电路的单相方框图。
图3a是图2电路中线电流(I1)和电动机电流(I3)的曲线图。
图3b是图2电路中线电流(I1)和二极管电流(ID1和ID2)的曲线图。
图4是本发明三相电动机起动电路配置成与星形连接的电动机配合工作的方框图。
图5是本发明三相电动机起动电路配置成与三角形连接的电动机配合工作的方框图。
图6是与图2所示起动电路配合使用、具有多个检测电动机工作参数用的传感器的控制器的简化方框图。
现在仔细参阅本发明在图2-6中所示的起动电路的一些最佳实施例。然而在说明这些实施例之前，先特地参阅图1a-1d所描述的总的原理。
现在参阅图1a，图中示出了现有技术电路与直流(DC)电源配合使用的方框图。大家知道，这种开关调节电路通常叫做“反向变换”电路，用以将直流电压从较高值变换成较低值。
通常，电感线圈(L1)和开关(S1)电互连在电源(VDC)与阻性负荷(R1)之间，如图中所示。开关S1由图中未具体示出的一个控制器控制，在“打开”和“闭合”位置之间循环工作。图1b示出了开关S1打开和闭合时从电源流经开关S1的电流。如图中所示，工作循环为50％(即ton＝toff)时，电流波形通常近似方波。但开关闭合期间，I1的值不是保持不变而是逐渐增加。开关S1闭合时，电感线圈L1和负荷R1使电路形成回路，于是电流从电源流经L1和R1。
继续参看图1a，可以看到，开关S1打开时，电流停止从电源流出。二极管D1变为正向偏置(即导通)，使电路形成回路，从而使电流流过电感线圈。图1c是电流I2在开关S1打开和闭合时流经D1的曲线图。如图中所示，电流波形I2通常近似方波，在开关打开期间幅值逐渐减小。
现在翻看图1d。可以看到，通过配备二极管D1使其在时间开关S1打开期间使电流流入电感线圈，可以使输出电流I3保持小波纹，同时输入电流交替停止流动和正比于所选取的开关速度比流动。这样就形成了与交流应用中用变压器取得的效果类似的直流电流和电压的变换。
现在参阅图2，图中总体地示出了本发明的电动机起动电路10的实施例应用在单相(即双线)场合时的方框图。此实施例中采用了象IGBT(即绝缘栅双极晶体管)之类的高速固态开关。下面即将更详细地说明，应用这些开关而不用象SCR(硅可控整流器)之类的再生(闩锁)式开关可以无需依赖线路换向来使电流截流。此外，通过在公用电力线路与电动机之间采用高速开关，可以通过在远高于电力线路频率的频率下切换各器件，同时改变“通”(开关闭合)/“断”(开关打开)时间的比值，降低加到电动机上的电压。同时控制其它并接电动机的固态开关可以使电流在接电力线路的诸开关打开时继续流动。按照这种方法控制起动电路会使电流变化，这时电动机电流因开关S1的工作循环(即ton+toff/ton)比而超过线电流。此外还应该理解的是，本发明的起动电路和控制方法还能均衡输入/输出的伏-安(VA)额定值。举例说，工作循环为50％时，输入的VA乘积等于全线电压乘以50％电动机电流，输出的VA乘积等于50％线电压乘以电动机电流。这样，VA输入等于VA输出。
所有目前公知的采用串联元件(电感线圈、电阻器、电解的和固态的)来限制起动电流的电动机起动装置提供同样的转矩所需用的电流比星形-三角形或自耦变压器起动装置所需用的大得多(即，大约73％)。本发明提供的方法可以用固态器件达到自耦变压器的性能。此外还可以用电子学的方法改变有效的变流比。这方面即使在起动过程中也能迅速而连续地完成，从而具有比现有技术方法更好的优点。
再参阅图2。电动机起动电路10包括多个固态开关S1、S2和S3，二极管D1和D2，电动机12和散能源14。电动机起动电路10与交流电源16电连接，交流电源16产生周知的以特定形式正负交替变化从而使负荷电流正负交替变化的正弦电压波形。象ECU18(包括为简明起见图中没有具体示出的微处理器等)之类的开关控制器根据控制策略控制开关S1，S2和S3的工作循环(这稍后即将更详细地说明)，且采用由微处理器执行的软件。
在此最佳实施例中，开关S1是个双向固态开关，位于电源16与电动机12之间，与两者串联电连接，如图2中所示。开关S1由ECU18控制，可分别在闭合状态与打开状态之间循环工作，在闭合状态期间，电流通过开关流向电动机12，在打开状态期间，电流不通过开关。应该理解的是，开关S1以这种方式工作，其作用是给电动机12提供脉宽调制电流。
如图2中所示，开关S2是个固态开关，与二极管D1串联电连接。同样，开关S3与二极管D2串联电连接。在一个实施例中，开关S2和S3为单向开关。这些串联连接的开关/二极管组合件安置在开关S1与电动机12之间，彼此并联电连接，且与电动机并联。二极管D1和D2的导线连接最好是使其中一个正向偏置而能传送电流时，另一个反向偏置而不能传送电流。
电动机起动电流是通过不断使开关S1打开、闭合循环工作从电源16取得的。这个开关过程最好在远高于线电流频率的频率下进行。举例说，交流线电压的频率为60赫时，开关S1可以在大约1.2千赫至大约18千赫范围的频率开关。当然也可采用其它开关频率。虽然时间开关S1的开关时间比可按特定的应用场合加以改变，但为便于讨论起见，如图3a中所示，令开关S1在电流正变化和负变化时闭合时间占整个开关时间的40％，打开时间占开关时间的60％。从图3a可以看到，各电流脉冲I1的大小在正变化和负变化时随线电压的增加而增加。
电动机电流正向变化期间，开关S2保持闭合位置，开关S3保持打开位置。起初，通过开关S1流向电动的电流(图2和图3a中以I1表示)增加，直到开关S1打开为止。直到开头S1打开为止，由于开关S3打开且二极管D1反向偏置，因而两个二极管都不传送电流。开关S1打开时，电动机12的电感提供的能量使二极管D1变为正向偏置，且流入电动机中的电流(图2和图3a中以I3表示)流过S2和D1。电流继续流过D1和电动机，直到开关S1下一次闭合为止。这时，二极管D1再次反向偏置，并停止传送电动机电流。从电源16流向电动机12的电流恢复过来，直到开关S1下一次打开为止。
继续参阅图2和图3a，在电动机电流负向变化期间，开关S2保持打开位置，开关S3保持闭合位置。当开关S1闭合时，线电流I1可以流过电动机12。由于S2打开、二极管D2反向偏置，两二极管都不传送电流。但开关S1打开时，二极管D2变为正向偏置，因而流入电动机的电流(以I3表示)流过S3和D2。电流继续流过D2和电动机，直到开关S1下一次闭合为止。这时，D2再次反向偏置，并停止传送电动机电流。从电源16流向电动机12的电流恢复过来，直到S1下一次打开为止。
现在翻到图3b，图中示出了线电流(I1)与二极管电流脉冲(图中以ID1和ID2表示)之间的关系曲线。ID1表示开关S1在电动机电流正向变化期间打开时流过二极管D1的电流。同样，ID2表示开关S3在电动机电流负向变化期间打开时流过二极管D2的电流。可以看到，只有当没有线电流时(即开关S1打开时)，电流才流过二极管D1和D2。各电流脉冲ID1和ID2在开关S1打开时值最大(约等于I1的值)，然后随着时间逐渐减小，直到S1闭合为止。
再参阅图2。本发明也考虑在功率因数低时采用散能源14来储存或散发在各电流开始换向时捕集到的无功能量，直到下一次可能导通的时间为止，即电压和电流正确极化时。大家知道，功率因数可以用有效功率(瓦)与视在功率(伏安)的比值定义。为讨论起见，散能源14一般供20％的功率因数用，这在起动过程中是可以遇到的情况。功率因数一般在大约90秒内达到最终值(约90％)。散能源在图2中表示为金属氧化物可变电阻器，但也可以采用其它能散发无功能量的器件，包括电阻器在内。应该理解的是，虽然散能源14是作为散能器件表示的，但无功能量也可以存入象电容器之类的适当蓄能器件中，并用转换器/逆变器送回电源去。这类转换器/逆变器是本技术领域众所周知的，因而不再具体说明。
现在参阅图4和图5，图中示出了分别配置成作为星形连接和三角形连接的电动机的三相(即3线)起动装置工作的本发明的起动电路的方框图。从这些图中可以看到，各线或各相重复了图2中所示的电路。为简便起见，星形连接以采用公共或接地接线表示。但在实际应用中，起动装置和电动机的公共部分无需互连。
鉴于工作循环可以通过按上述方式控制各开关的工作循环有选择地加以改变，因而可以改变起动过程中提取的线电流量从而达到最佳或任何所要求的结果。电动机提取的电流量确实可以在起动过程中逐步改变。如图6中所示，本发明也考虑采用一个或多个总的经编号20、22和24表示的传感器。由这些传感器在起动过程中检测电动机12的工作参数。虽然图中示出的是三个传感器，但也可以采用多个或少于3个的传感器。传感器20，22和24检测的电动机工作参数可包括特别是加速度、速度、转矩、电流值和电压值等。当然，应监控哪些参数在很大程度上取决于具体用途，而许多其它这里所述以外的工作中参数可以用适当的传感器监控。
来自这些传感器的信号加到象ECU26之类包括微处理器等(为简明起见图中没有具体示出)的开关控制器上，由开关控制器使用，作为检测出的参数的函数控制开关S1，S2和S3的闭合。在此实施例中，应该理解的是，微处理器经过编程，使其控制开关的闭合从而在电动机的整个起动过程中产生所要求的线电流范围。但此实施例还有这样的好处，即各开关的工作循环可以控制成无论采用哪一种类型的电动机都可以降低起动电流。
本技术领域的普通技术人员应该理解的是，通过调整续流二极管的导通从而使电动机电流可以在输入的公用电源变化的同时沿反方向流通，我们可以实现与使用自耦变压器起动装置所获得的类似的交流电压/电流变换，同时还能够连续调节匝数比。如图3a中所示，尽管提供给电动机的线电流是不连续的，但电动机电流I3通常还是连续的，带有一些波纹。还应该理解的是，在本发明的情况下，星形/三角形和自耦变压器起动装置在性能上的优点(即起动的电流极小)与固态起动装置的相同。此外，在要求低起动转矩的大多数情况下，可以通过例如在加速期间根据转矩要求和加速率改变比值达到优异的性能(在最短的加速时间降低起动电流)。
综上所述，本发明的电动机起动装置电流最小化方案能均衡输入端VA乘积和输出端VA乘积。更具体地说，如本说明书所述的那样，输入电流从峰值波动到零值，其平均值是工作循环比的函数，而输入电压保持不变。相反，二极管D1和D2在全峰值电平下维持输出电流，而在电压作为工作循环比的函数下降时不予以平均化。因此，输入端VA等于输出端VA。
所有公知的现有技术的起动装置，无论是固态的还是感应式的都没有这个特点，但自耦变压器例外。通常，的电动机起动装置没有提供电动机RMS(均方根)电流超过从电力线路提取的RMS电流的水平。由于输入电流不减小，因而输入的VA乘积超过输出的VA乘积。如本说明书中所述，本发明采用变流法来减少电动机在起动过程中从线路上提取的电流量。虽然用自耦变压器也可以取得同样的效果，但这里附带了其它缺点。例如，自耦变压器灵活性较差。自耦变压器的匝数比是预先确定好的，以后就保持不变。本发明的工作循环，因而变流的幅度，可以在电动机起动过程中加以调节。
在一个应用场合，本发明可以代替公知的用以将大型冷却压缩机电动机连接到公用电力线路并将其加速到工作转速的“降压”起动装置。在目前使用的固态起动装置中，所需要的“降压”是在电动机与电力线路之间设置多个SCR并通过缩短各SCR容许导通的时间控制加到电动机各端子的电压提供的。虽然工作时与家中和餐馆中通常使用的用以减弱灯光的灯光减弱控制器一样，但遗憾的是，所有流到负荷(即灯)的电流也必须从公用电力线路流出。
另一方面，本发明可以与PWM(脉宽调制)的工作循环成比例地变流。这样可以使负载电流远大于流入电力线路的电流。具体地说，可能的起动程序包括在开始加速时的低工作循环(例如43％)。经过特定时间(例如45秒)之后，工作循环可增加到100％，整个电力线路电压都加到电动机上。在更为复杂的起动程序中，还可以进一步降低工作循环(例如几个百分比)并在受控的速率下提高，直到电动机开始加速为止。在加速过程中，可连续调节工作循环以达到最佳的加速过程(电流最小/时间最短)。为达到这种控制水平，需要表示例如电流和转速的反馈信号。
本领域的技术人员都知道，在不脱离本发明精神实质和范围的前提下是可以对本发明的起动电路和控制策略进行各种改型和更改的。显然，本领域的技术人员还可以从本说明书及其所公开的发明实践中提出本发明的其它实施例。因此，本说明书和诸多实例应视为仅仅是举例的性质而已，本发明的真正范围和精神实质则是在下面的权利要求书中说明的。
权利要求
1.一种电动机起动电路，与使电压正负交替变化从而使电流正负交替变化的多相电源和多相电动机配用，供电最大限度地减少电动机在其起动过程中从电源所提取的电流量，所述电动机起动电路包括一个第一开关，电源来的双向线电流即通过第一开关提供给电动机；一对开关二极管组合件，电气上配置成使其在第一开关处于打开位置时传送电动机的电流；和一个控制器，用以控制第一开关在打开和闭合位置之间循环工作，且用以控制该对开关二极管组合件使其在第一开关根据电动机电流变化的极性打开时交替传送电动机的电流，从而进行变流，其中所提取的起动电流从有效的线电流正比于第一开关的工作循环降低，从而最大限度地减小电动机在起动过程中所提取的电流。
2.如权利要求1所述的电动机起动电路，其特征在于，它还包括一个散热源，配置在第一开关与电动机之间且与第一开关和电动机并联电连接，供功率因数值低时使用。
3.如权利要求2所述的电动机起动电路，其特征在于，所述散能源是个散能器件。
4.如权利要求2所述的电动机起动电路，其特征在于，所述散能源是个蓄能器件。
5.如权利要求1所述的电动机起动电路，其特征在于，它还包括至少一个传感器，供检测电动机的工作参数用，其中所述控制器根据所检测出的工作参数控制诸开关。
6.一种电动机起动电路，与使电压正负交替变化从而使电流正负交替变化的多相电源和多相电动机配用，供最大限度地减少电动机在其起动过程中从电源所提取的电流量，所述电动机起动电路的各相包括一个双向固态开关，配置在电源与电动机之间，与两者串联电连接；一个第一固态开关，与第一二极管串联电连接，两者配置在双向开关与电动机之间，且与双向开关和电动机并联电连接；一个第二固态开关，与第二二极管串联电连接，两者配置在双向开关与电动机之间，且与双向开关和电动机并联电连接，第二二极管电连接成在第一二极管反向偏置时正向偏置，在第一二极管正向偏置时反向偏置，一个控制器，经过编程，以使双向开关在打开状态和闭合状态之间循环工作，从而给电动机提供脉宽调制电流，在电动机电流正向变化时保持第一开关处于闭合位置，保持第二开关处于打开位置，从而在双向开关处于打开状态时第一二极管传送从电动机来的电流，并在电动机电流负向变化时保持第一开关处于打开位置，保持第二开关处于闭合位置，从而在双向开关处于打开状态时，第二二极管传送从电动机来的电流，从而进行变流，其中起动电流从有效的线电流正比于双向开关的工作循环降低，从而最大限度地减小电动机在起动过程中所提取的电流。
7.如权利要求6所述的电动机起动电路，其特征在于，它还包括一个散能源，配置在双向开关与电动机之间，且与双向开关和电动机并联电连接，供功率因数值低时用。
8.如权利要求7所述的电动机起动电路，其特征在于，散能源是个散热器件。
9.如权利要求7所述的电动机起动电路，其特征在于，散能源是蓄能器件。
10.如权利要求6所述的电动机起动电路，其特征在于，它还包括至少一个传感器，供检测电动机的工作参数用，其中控制器即根据所检测出的工作参数控制诸开关。
11.一种电动机起动电路，与使电压正负交替变化从而使电流正负交替变化的电源和电动机配合使用，供最大限度地减小电动机在其起动过程中从电源所提取的电流，所述电动机起动电路它包括一个双向固态开关，配置在电源与电动机之间，与两者串联电连接；一个第一固态开关，与第一二极管串联电连接，两者配置在双向开关与电动机之间，且与双向开关和电动机并联电连接；一个第二固态开关，与第二二极管串联电连接，两者配置在双向开关与电动机之间，且与双向开关和电动机并联电连接，第二二极管电连接成使其在第一二极管反向置时正向偏置，在第一二极管正向偏置时反向偏置；一个控制器，经过编程，以使双向开关在打开状态与闭合状态之间循环工作，从而给电动机提供脉冲宽度调制电流，在电动机电流正向变化期间保持第一开关处于闭位置，保持第二开关处于打开位置，从而使双向开关处于打开状态时，第一二极管传送从电动机来的电流，并在电动机电流负向变化期间保持第一开关处于打开位置，第二开关处于关闭位置，从而使双向开关处于打开状态时，第二二极管从传送电动机来的电流，从而进行变流，其中起动电流从有效的线电流正比于第一开关的工作循环降低，从而最大限度地减少电动机在起动过程中所提取的电流。
12.如权利要求11所述的电动机起动电路，其特征在于，它还包括一个散能源，配置在双向开关与电动机之间，且与双向开关和电动机并联电连接，供功率因数值低时使用。
13.如权利要求12所述的电动机起动电路，其特征在于，散能源是个散能器件。
14.如权利要求12所述的电动机起动电路，其特征在于，散能源是个蓄能器件。
15.如权利要求11所述的电动机起动电路，其特征在于，它还包括至少一个传感器，供检测电动机的工作参数用，其中控制器即根据所检测出的工作参数控制诸开关。
16.一种最大限度地减少电动机在其起动过程中从电源所取的电流量的方法，与多相电动机起动电路和使电压正负交替变化从而使电流正负交替变化的多相电源配用，所述起动电路包括一个控制器，一个双向固态开关，配置在电源与电动机之间，与两者串联电连接；一个第一固态开关，与第一二极管串联电连接，两者配置在双向开关与电动机之间，且与双向开关和电动机并联电连接；和一个第二固态开关，与第二二极管串联电连接，两者配置在双向开关与电动机之间，且与双向开关和电动机并联电连接，第二二极管电连接成使其在第一二极管反向偏置时正向偏置，在第一二极管正向偏置时反向偏置，所述方法的特征在于包括下列步骤由控制器控制双向开关，使其在打开状态和闭合状态之间循环工作，从而给电动机提供脉冲宽度调制电流；在电动机电流正向变化期间，保持第一开关处于闭合位置，第二开关处于打开位置，从而在双向开关处于打开状态时使第一二极管传送从电动机来的电流；在电动机电流负向变化期间，保持第一开关处于打开位置，第二开关处于闭合位置，从而在双向开关处于打开状态时，使第二二极管传送从电动机来的电流，从而进行变流，其中使起动电流从有效的线电流正比于双向开关的工作循环下降，从而最大限度地减小电动机起动过程中所提取的电流。
全文摘要
电动机起动电路,有选择地控制多个高速开关的动作进行的变流,最大限度地减少电动机在起动过程中从电源提取的电流量。这种电路与使电压正负交替变化的交流电源和交流电动机配用。电动机起动电路包括:第一双向开关,线电流通过开关提供给电动机;一对开关二极管组合件,电气上配置得使其在控制得使其在双向开关处于打开位置时传送电动机的电流。该对开关二极管组合件的启动根据电动机电流变化的极性控制。
文档编号H02P25/04GK1198610SQ98107989
公开日1998年11月11日 申请日期1998年5月7日 优先权日1997年5月7日
发明者F·E·维尔斯, H·R·施纳茨卡 申请人:约克国际公司