[发明专利]基于微处理器的相位差检测电动机控制系统

说明书

本发明涉及电动机控制系统，更具体地说，涉及在电动机启动和正常工作期间，对具有主绕组和辅助绕组的电动机进行功率控制的系统。

单相感应电动机通常包括鼠笼式转子和一组位于定子上的主绕组和辅助绕组。这种类型的电动机由于其结构简单和可靠性高而被广泛地用于低功率范围的场合，包括致冷压缩机，洗衣机电动机，和各种泵。

在电动机工作期间，加在定子主绕组上的电力产生空间上固定、而幅度变化的磁场。这种脉动磁场将转动运动中的转子。然而，这种定子磁通量不能产生启动转矩来转动静止的转子，因此，在电动机启动时，必须提供旋转磁场。

在单相交流感应电动机中产生旋转磁场的一种方法是在定子上装备主绕组和辅助绕组，而主绕组和辅助绕组上的电流相位是不同的。辅助绕组一般比主绕组具有更高的电阻电抗比以保证两种电流具有不同相位。不同相位的两种电流的组合产生提供启动转矩的旋转定子磁场。一旦电动机被启动，该电动机将继续转动并且可以去掉辅助绕组上的励磁电流。

理想的情况是将在辅助绕组上施加启动电流的时间减至最小。辅助绕组的直径通常比主绕组的直径小得多，并且，延长对辅助绕组的激励可加重辅助绕组的负担，使其过热并损坏。

因此，有必要在辅助绕组电路中串联一个装置，该装置可临时将辅助绕组与电源连接，直到转子达到足够的转速为止。如果在一定时间间隔内转子达到足够的转速，则可去掉辅助绕组中的励磁电流，而保持主绕组中的励磁电流，并继续正常的运行。然而，如果转子不能达到足够的转速或检测到转子被卡死的状态，则由于转子卡死状态可使得线圈过热并损坏电动机，所以必须除去各电动机绕组中的励磁电流。另外，需要有监视和控制电路来监视转子的状态，并且在正常运行期间检测到卡死和过热状态时采取保护措施。如果由于转子卡死或过热而去掉电动机的励磁电流，则该控制电路的结构将允许对电动机进行变速的再启动。

有多种方法在电动机启动期间将电源与辅助绕组连接和断开。

连接和断开辅助绕组的方法之一是使用一个继电器电路，该电路串联在辅助绕组和电源之间，临时将电源与辅助绕组连接，直到电动机电压或电流的变化导致继电器断开，或直到某一时刻继电器已到断开时间。这种电路具有多个缺点。第一，基于时间延迟的继电器电路不能确定电动机是否已经启动并且不能设法再启动电动机。第二，对于不同的电动机，这种电路需要不同规格的继电器，并且各继电器将受到线电压波动的影响。第三，继电器易于受到机械磨损，也可受到灰尘，化学品和其他环境因素的影响，由于可能在触点之间产生电弧，因此，继电器不能用于某些危险场合。

连接和断开辅助绕组的另外一种方法是采用离心断路器，当转子转速达到全速的某一百分比时，该断路器断开。这种电路也存在与线电压波动所产生的变化相关的缺点。同样，在压缩机电动机保护电路中使用机械式继电器有物理上的问题。例如，在高温条件下继电器的金属触点可能熔化，并且由于超过压缩机的温度而永久闭合。另外，继电器的物理触点易遭受来自反复磨损，腐蚀，金属疲劳或其它物理性能降低的损害。

另外一种连接和断开辅助绕组的方法是在辅助绕组和电源之间安装正温度系数的电阻(PTC)。PTC电阻的阻值随热量的上升而增加。低初始电阻允许电流流过辅助绕组，但随着温度的上升和PTC电阻阻值的增加，将切断辅助绕组中的励磁电流。使用PTC电阻的电路具有许多缺点。第一，PTC电阻的特性将随热量而改变并且在PTC电阻回到它的初始阻值之间需要一段恢复时间。第二，由于PTC电阻不能用来确定电动机是否启动成功，所以这种电路需要附加过载保护和再启动控制。

最后，另外一种方法是利用电动机电压和电流之间的相位角关系来控制串联在电源和辅助绕组之间的装置。在理想的空载状态下，电流滞后电压90度，而随着电动机负载的增加，电压和电流之间的相位差趋于零。通过测量电压和电流过零点之间的时间差可测得相位角关系。可以利用电流过零点检测器和电压过零点检测器来在电流或电压经过零点时提供脉冲。微处理器被用来确定两个脉冲之间的时间差并由此来确定电压和电流之间的相位差。微处理器利用相位差来确定转子运动状态，并且如果转子被卡住或电动机过栽，它将去掉电动机的励磁电流。

另外一种控制电动机电源的装置是连续地调整把线电压连接到各电动机绕组的固态开关的导通角，而不是仅仅只操作串联在电源和辅助绕组之间的开关。可以监视电压和电流之间的相位差，以便根据电动机的负载有选择地为固态开关提供导通角。一个与上述系统有关的问题是它们需要昂贵的电流互感器和/或精密电阻。