单相交流电动机速度控制系统技术方案

一个用于单相交流感应电动机的可变速度控制系统，其中，一个可控开关同电动机主绕组串联，而电动机的辅助绕组同一个电容器串联，并被连续激励。只要通过主绕组的电流通过零点，开关就断开。当开关断开时，在主绕组中产生的反电动势被检测作为电动机速度的度量。将这个检测信号同一个所需要速度的信号相比较，并用其比较结果控制开关的闭合，使电动机即使在可变负载条件下也始终保持在这个恒定速度下运行。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及单相交流感应电动机的速度控制系统，特别是涉及在负载变化状态下能使电动机保持在所要求速度的系统。单相交流感应电动机被广泛地用于驱动各种类型的设备，从小的家用电冰箱到调节气温控制系统的通风机。在负载变化的条件下往往需要能控制电动机的速度并保持一个所要求的速度。目前已有各种类型的电动机速度控制系统，其中的一类是变频型的，这类系统是通过改变供给电动机电源的频率而控制其速度，它是借助把输入交流功率转换成直流功率后以便提供一个所需频率交流方波的中间步骤完成的。这种系统的缺点之一是设备的成本相当高和交流方波要产生比普通的正弦波大的热和噪声。另一种普通的速度控制系统采用降低电压的原理，这个系统通过降低电动机的电压使转子在其同步速度下滑行，这种控制系统虽然成本低，但这个系统在电动机上产生废热和严重的电动机噪声或轰鸣声。此外，电动机在负载发生小变化时就可能失速。因此，本专利技术的主要目的是提供一种单相交流感应电动机的速度控制系统。本专利技术的另一目的是提供一个不受上述任何不利因素影响的电动机控制系统。为了能够起动单相感应电动机或使其以不同于其同步速度地运-->行，就必须移相。为此，通常是在电动机主绕组之外提供一个辅助绕组，使主绕组的轴线同辅助绕组的轴线有一空间移位。为了使这两个绕组的电流之间产生适当的时间-相位位移通常是采用在辅助绕组上串联电容器的方式。常常使辅助绕组和主绕组相互连接后再同一个控制器相连接。而根据本专利技术的原理，辅助绕组同主绕组是分开的，以及为了维持转子的磁化状态对辅助绕组进行连续激磁，有一个可控开关同主绕组相串联。当该开关断开时，可检测到由磁化的转子在主绕组中引起的反电动势，这个反电动势是电动机速度的度量。再将这个反电动势同一个代表该电动机的所需要速度的参考信号相比较。电动机的负载确定了开关保持断开的时间用以保持速度不变，大负载时开关保持断开的时间比小负载时短。如此，在变化负载的条件下，只要向电动机提供足够的功率就可以保持电动机在所需要的速度下运行。为了更清楚地说明本专利技术，下面结合附图说明本专利技术，在不同的附图中相同的元件用同一个标号表示。图1为用于理解本专利技术的一个单相交流感应电动机的示意图。图2A和2B分别示出了通过图1中电动机的主绕组和辅助绕组的电流波形。图3是一个具体化本专利技术原理的单相交流感应电动机速度控制系统的方框图。图4是一个类似于图3的可选实施例的方框图。图5是说明图3中所示的方框图部件的详细的方框图。图6是速度检测器的另一实施例的简图。图7示出一个本专利技术的带有微处理器的实施例。-->图8A、8B和8C是为理解本专利技术操作的延迟时间同所需要的电动机速度的关系曲线。图1示出一个用标号10代表的单相交流感应电动机，该电动机由一个定子12和一个转子14构成。该定子12通常是由硅钢片形成的叠层构成，在所讨论的情况下，它由四个磁极16、18、20和22构成。转子14通常也是由硅钢片的叠层构成，它被安装在一对轴承（未示出）上以便可以自转。电动机10装有两组绕组，一个主绕组24和一个辅助绕组26，主绕组24绕在磁极18和22上，辅助绕组16绕在磁极16和20上。如图1所示，主绕组24和辅助绕组26并联并跨接在单相交流电源28上，在辅助绕组26上串联有一个电容器30。显然，如果主绕组24和辅助绕组26被顺次激励，则磁极16、18、20和22将按周围的顺序被磁化，而使转子14自转，转子14保持由这些绕组感应的磁化状态和磁极极性。通过参考2A和2B再结合图1可以更清楚地说明上述的工作原理。当在t0时刻将电源加到电动机10上，主绕组24的电流为零，而同时辅助绕组26的电流达到峰值。需要注意的是，通过主绕组24和辅助绕组26的电流的相移为90°，这是由于电容器30引起的。因此在t0时刻转子14将同辅助绕组26联合起作用，箭头32将指向磁极16，由辅助绕组26在转子14中感生的磁化状态保持在转子14中。在t1时刻，主绕组24的电流达到峰值，辅助绕组26的电流为零。转子14将同主要绕组24联合起作用，由于在转子14中保持磁化状态，转子14将转动而箭头32指向磁极18。转子14从箭头32指向磁极22的位置上被排斥开。在t2时刻，主绕组24的电流将为零，而通过辅助绕组26的电流-->将达到负峰值。转子将转动而箭头指向磁极20。在t3时刻，主绕组24的电流达到其负峰值，通过辅助绕组26的电流变为零。转子14将自转而箭头32指向磁极22。在时刻t4，通过主绕组24的电流变为零，而通过辅助绕组26的电流达到其负峰值。转子14将自转而箭头32再一次指向磁极16。可见在交流电源的一个完整的循环周期内转子14完成一个完整的转动周期。因此转子14同电源同步，每秒运转60转，即每分3600转。这是熟知的同步转动，而本专利技术则是涉及非同步转动。在一个不在同步速度下运行的交流电动机中，主绕组和辅助绕组的通电的定时是严格的。因此对主绕组24和辅助绕组26必须在正确的时间和适合极性的电流下激磁。一个最明显的例子是防止转子14被机械地转动。如果锁定状态是如图1所示，箭头32指向磁极22，并接通电源时，则主绕组24将使转子14磁化，而辅助绕组26将试图使转子14在顺时针方向移出该位置。顺时针磁能脉冲串将在每个循环发生四次。每个磁脉冲将一个顺时针方向旋转能量加到转子14上，在说明时将该能量称为“脉冲”。如果转子14处在任何位置并保持在那里，它将在交流电源的每个周期内始终接收四个脉冲。假设转子14以一给定速度转动并耦合到一个负载上，则负载消耗转子的某些能量。如果这些脉冲的幅度是可控的，以便由这些脉冲将一定的能量加到转子14上，这个能量等于负载所用的能量，则负载将以这个速度转动。如果使这些脉冲幅度减小，则这个负载速度将降低，直到进入转子的脉冲能量等于被负载消耗的转子的能量。根据本专利技术，这种脉冲的幅度是可控的。单相电动机的音频噪声的峰值频率通常为240赫（输入电源频-->率为60赫），这相应于每个循环内有四个能量脉冲不断地撞击到电动机的传声部件上。通过使输入电动机的脉冲能量的幅度限制到最小，可以降低总的噪声。现在参考图3，根据本专利技术的方案，将一个可控的开关34同主绕组24串连，以便可选择地提供交流电源28至主绕组24的传导通路，同时使电源28连续地通过辅助绕组26供电。辅助绕组26的通路上包括一个电容器30。由于电容器30的存在使通过辅助绕组26的电流的相位同交流电源28差90°。如果开关34不在闭合状态，转子14（图1）将不旋转（但是，如果转子14正在旋转而开关34断开，这个旋转的转子的惯性将使其继续旋转，尽管在负载状态下其速度在变慢。）如果磁化的转子14正在旋转，在主绕组24上将感应一个电压，这个电压通常被称为电动机反电动势。这个反电动势是被辅助绕组26储存在转子14中的磁场产生的，这个反电动势的大小正比于转子的转速。因此通过测量反电动势可以提供一种确定电动机的速度的方法。但是，如果开关34闭合，这个反电动势信号将被交流电源28的电压所掩盖住。正如下面所详细描述的那样，按照本专利技术的方案，开关34可选择地闭合，以便向电动机供电使其转动;当开关34断开时，检测跨接在主绕组24两端的反电动势，以测量电动机的速度。只要通过该主绕组24的电流为零，开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对具有一个主绕组和一个辅助绕组的单相交流感应电动机速度进行控制的系统，该系统包括：向所述的辅助绕组连续供电以便使所述电动机的转子保持在磁化状态的装置；使所述主绕组的一端同单相交流电源的第一接线端相连接的装置；一个连接于所述主 绕组的第二端同所述单相交流电源的第二接线端之间的可控开关；所述的开关具有一个断开状态和一个接通状态，当所述开关选择闭合状态时，可使交流电源和主绕组之间接通；为提供一个表示所述电动机所要求速度的第一信号的速度参考装置；速度检测装置，同 所述的开关相连接，当所述开关在断开时对所述主绕组两端感应的反电动势进行检测，并提供一个同检测的反电动势有关的第二电信号，所述的第二电信号表示所述的电动机的实际速度；以及控制装置，响应所述第一和第二电信号，对所述可控开关进行控制，以使所述 电动机以所要求的速度运行。

【技术特征摘要】
US 1993-1-6 08/000,9741、一种对具有一个主绕组和一个辅助绕组的单相交流感应电动机速度进行控制的系统，该系统包括：向所述的辅助绕组连续供电以便使所述电动机的转子保持在磁化状态的装置；使所述主绕组的一端同单相交流电源的第一接线端相连接的装置；一个连接于所述主绕组的第二端同所述单相交流电源的第二接线端之间的可控开关；所述的开关具有一个断开状态和一个接通状态，当所述开关选择闭合状态时，可使交流电源和主绕组之间接通；为提供一个表示所述电动机所要求速度的第一信号的速度参考装置；速度检测装置，同所述的开关相连接，当所述开关在断开时对所述主绕组两端感应的反电动势进行检测，并提供一个同检测的反电动势有关的第二电信号，所述的第二电信号表示所述的电动机的实际速度；以及控制装置，响应所述第一和第二电信号，对所述可控开关进行控制，以使所述电动机以所要求的速度运行。2、如权利要求1所述的系统，还包括用于检测通过主绕组的电流和当所述的主绕组电流为零时向所述的控制装置提供一个过零信号的装置，其中所述的控制装置响应所述的过零信号断开所述的开关。3、如权利要求1所述的系统，其中所述的速度检测装置跨接在所述的开关上并在所述的开关处于断开状态时检测等于从所述交流电压源的电压减去的反电动势的电压，所述的速度检测装置在所述的开关处在其闭合状态时提供在零电平下的所述第二电信号。4、如权利要求1所述的系统，其中所述的开关包括：具有一个导通状态和一个断开状态的三端双向可控硅;以及所述的控制装置包括同所述三端双向可控硅相连接的过零点检测器，所述的过零点检测器响应于所述三端双向可控硅变为断开状态而提供一过零信号，该三端双向可控硅当其电流降到维持电流之下时变为断开状态。5、如权利要求4所述的系统，其中所述的控制装置还包括：为了接收来自所述速度检测装置的所述第二电信号而连接的采样和保持装置，所述的采样和保持装置提供一个表示所述第二电信号的最大绝对值的第三电信号;为了接收所述第三电信号和所述第一电信号以便提供一个相应二者差值的第四电信号的伺服装置;为了接收所述过零点信号以便提供一个响应所述过零点信号而从预定电平开始的斜波电压而连接的斜波电压发生装置;以及为了接收所述的斜波电压和所述的第四电信号而连接的比较器，所述的比较器在所述斜波电压达到被所述的第四电信号设定的电平时使三端双向可控硅导通。6、如权利要求1所述的系统，其中所述的速度检测装置包括：用于提供指示跨接所述主绕组的检测电压的降低电压装置;以及为了接收所述的检测电压而连接的并提供作为所述检测电压绝对值的所述第二电信号的全波整流装置。7、如权利要求6所述的系统，其中，所述的开关包括一个具有一个导通状态和一个非导通状态的三端双向可控硅，当通过三端双向可控硅的电流降到一个预定的维持电流之下时，三端双向可控硅成为断开状态，所述的速度检测装置在所述三端双向可控硅处在导通状态时提供在零电平的所述的第二电信号，以及在所述三端双向可控硅处在其导通状态时提供一表示所述电动机的反电动势的波形，该控制装置包括：过零检测器，接收所述第二电信号，当所述第二电信号不处于所述零电平时提供一个处于第一预设电平的过零信号，当所述第二电信号处于所述零电平时提供一个处于第二预设电平的信号，所述的过零检测器包括一个运算放大器，该运算放大器的反向输入端同一个固定的参考电压相连，它的同相输入端同所述的速度检测装置的运算放大器的输出相连接，其输出端提供所述的过零点信号;斜波发生装置，同所述过零点检测器的运算放大器的输出端相连，以提供一输出电压，该输出电压只要所述的过零信号处在所述的第一预设电平就从一个第一电平上单调增加，所述的斜波发生装置在所述的过零点信号处在所述的第二预设电平时提供处于所述第一电平的输出电压;伺服装置，同所述的速度参考装置和所述的速度检测装置相连接，提供一个指示在所述电动机的所需要速度同所述电动机的实际速度之间差值的伺服输出信号;比较器装置，接收所述伺服输出信号和所述斜波发生装置输出电压，当所述斜波装置输出电压达到由所述伺服输出信号设定的第二电平时使...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍华德L贝克曼，
申请(专利权)人：机械创发公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]