專利名稱：針對單相電動機過壓保護的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種電動機控制器，更具體地涉及一種針對單相電動機過壓保護的系統和方法。
背景技術：
固態啟動器/控制器已被廣泛地用于控制將電源應用于AC感應電動機。該傳統的啟動器/控制器(在下文中簡單地稱為啟動器或控制器)使用固態開關來控制將AC線電壓應用于電動機。該開關可是諸如可控硅整流器(SCR)或三端雙向可控硅開關元件的半導體閘流管。
一種公知的升降機啟動器形式的電動機控制器提供過載和電流不平衡故障形式的電動機保護。該電流不平衡故障被記錄為單相故障。故障出現，經驗迫使最低電流與最高電流比被減小30％。迫使該比例到低水平的情況之一是輸入相位中的一個或者兩個被嚴重加載的系統上的電壓不平衡。在這些情況下，電力公司試圖保持所加載的相位在額定值。這可以導致在無負載的相位中的額外電壓。如果電動機正在運行，那么這些額外電壓將引起輕度加載的一個或多個相位上的高電流。在電動機上的負載是輕的情況下，使得電動機電流小于過載設置，那么該不平衡完全被啟動器忽略。在輸入相位的一個或兩個上的電壓足夠高的情況下，那么該電流足夠高以超過過載設置并引起對電動機的損害。依賴于該電壓的幅值，與電動機繞組相關的鐵芯可以飽和，其導致很高的電流。允許啟動器在這三種情況下運行可以引起繞組中的過熱和減少電動機的壽命。然而，在這些情況下關閉電動機控制器可引起升降機停止和導致服務調用。
其他電動機控制器監視線電壓并限制高電壓情況期間的所有三個相位上的電壓。在電壓極度高的情況下處理所有三個電壓的系統上，減小針對所有三個相位的SCR的點火角。當電動機的電壓在具有額外電壓的相位上降低時，在其它一個或多個相位上該電壓也被減小。這可能導致不平衡的電流并可能引起電動機進入失速情況。
本發明以新穎和簡單的方式解決以上討論的一個或多個問題。
發明內容
根據本發明，提供一種針對單相電動機過壓保護的系統和方法。
根據本發明的一個方面，廣泛公開一個電動機控制器，其包含多個固態開關，每個固態開關用于在AC線和電動機繞組端之間的連接以控制將AC電源應用于電動機。多個電壓傳感器感應相關的電動機繞組的電壓，每個電壓傳感器與固態開關之一相關。控制電路控制固態開關的工作。如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓開始變化一個選定量，則該控制電路調節固態開關之一的開啟(firing)。
本發明的特征是，如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓開始變化選定量，則該控制電路連續調節固態開關之一的開啟。
本發明的另外的特征是，如果針對相關繞組的所感應的電壓不是從閾值電壓開始變化選定量，則該控制電路逐漸將固態開關之一的開啟返回到全部接通的情況。
本發明的仍然另一個特征是，選擇量被選擇為在額定電動機電壓上的選擇值。
本發明的進一步的特征是，如果針對相關繞組的所感應的電壓超過額定電動機電壓約20％，則控制電路調節固態開關之一的開啟。
根據本發明的另一個方面公開一種具有單相過壓保護的電動機控制器，該電動機控制器包含多個固態開關。每個開關用于與AC線相位和相關電動機繞組端之間的相關電動機繞組串聯以控制將AC電源應用于電動機。多個電壓傳感器感應線電壓和電動機端電壓，每個電壓傳感器與固態開關之一相關。控制電路被連接到固態開關和電壓傳感器以控制固態開關的工作。該控制電路響應于所感應的線電壓和電動機端電壓來確定每個電動機繞組上的電壓，而且如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓變化選定量，則調節固態開關中的單個開關的開啟。
根據本發明的一個方面，電動機控制器包含一個升降機啟動器以供電給升降機驅動電動機。
根據本發明的進一步的方面公開一種具有單相過壓保護的電動機控制器，其包含多個固態開關裝置，每一個固態開關裝置用于與AC線相位和相關電動機繞組端之間的相關電動機繞組串聯以控制將AC電源應用于電動機。電壓感應裝置感應線電壓和電動機端電壓。控制電路裝置與固態開關和電壓感應裝置連接以控制固態開關裝置的工作，該控制電路裝置包含用于響應于所感應的線和電動機端電壓來確定每個電動機繞組上的電壓的確定裝置，以及裝置，該裝置用于如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓開始變化選定量，則調節固態開關裝置中的單個裝置的開啟。
根據本發明的進一步的方面公開一種針對單相電動機保護的方法，該方法包括提供用于在AC線和電動機端之間的連接以控制將AC電源應用于電動機的固態開關；感應線電壓和電動機端電壓；以及控制固態開關的工作，其包含響應于所感應的線電壓和電動機端電壓來確定每個電動機繞組上的電壓，并且如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓開始變化選定量，則調節固態開關中的單個開關的開啟。
本發明的進一步的特征和優點將從說明書和附圖中變得顯而易見。
圖1是根據本發明的電動機控制器的透視圖；圖2是圖1的電動機控制器的框圖；圖3是連接到德耳塔配置的電動機的圖1的電動機控制器的接線圖；圖4是電動機控制器的SCR的曲線示例控制；以及圖5A和5B是流程圖，說明由圖2的處理器執行的電動機過壓模塊。
具體實施例方式
首先參考圖1，固態電動機啟動器/控制器20(下文簡稱為啟動器或控制器)被示出。控制器20的一個應用是作為升降機啟動器。針對液壓升降機，該電動機控制器20可被用于驅動泵。升降機車廂的每次運動被命令，然后電動機控制器20必須啟動升降電動機直到它達到工作速度并工作在運行模式。這樣的電動機控制器20可只被用于向上方向，因為重力可以被用于向下方向。
該電動機控制器20包含外殼22，其包括外殼基座24、散熱器26和蓋28。該電動機控制器20包括多個半導體閘流管形式的固態開關32、諸如背對背連接的可控硅整流器(SCR)對，參看圖2。在此為了簡化，SCR對32被簡稱為SCR。三端雙向可控硅開關元件也可以被使用。SCR32控制將三相AC線電壓應用于三相電動機。明顯的，不同數量的SCR32可以被用于控制不同數量的相位，如對于本領域的技術人員顯而易見的那樣。
SCR32被安裝在外殼20內的散熱器26上。也參考圖2，控制電路34也被包圍在外殼20中。該控制電路34控制SCR32的工作。特別地，控制電路34包含一個用于命令SCR32的工作的可編程處理器36、諸如數字信號處理器。存儲器38被連接到該處理器36并存儲關于SCR32的工作的程序和配置信息，如下所述。
該處理器36被連接到三個接口電路40，每一個接口電路用于連接到SCR32中的一個。特別地，該接口電路40包括用于驅動SCR32的緩沖電路和用于感應線電壓和電動機端電壓的電壓感應電路，表示SCR32上的電壓。電流變壓器42感應每個SCR32的電流并被連接到電流感應電路44。其他類型的電流傳感器可以被使用。該電流感應電路44也被連接到處理器36。
蓋22上的LCD顯示器44(參見圖1)被連接到處理器36。該顯示器44被用于指示配置設置、工作值、故障情況等等。用戶可操縱開關46被電氣連接到處理器36。用戶可操縱開關46通過外殼蓋22上的調節器元件48來操縱，參看圖1。特別地，該開關46被用于局部選擇所存儲的配置信息的參數。
參考圖3，電氣示意圖示出圖2的SCR32連接到德耳塔配置的電動機繞組W1、W2和W3。如上所述，繞組W1-W3可以是升降電動機的繞組。例如，SCR32中的一個被連接在第一相位線電壓L1和第一電動機繞組端T1之間。第一電動機繞組W1與在電動機端T1和另一個電動機端T4之間的SCR32串聯。該電流變壓器42感應流過繞組W1的電流。故障觸點FC1也串聯連接。德耳塔配置的其他管腳通常是類似的而且實際上是傳統的。顯而易見的，其他電動機配置可與所公開的系統和方法結合使用。
圖2的處理器36根據用于控制SCR32的工作的控制程序來工作。特別地，每個SCR32按照慣例被控制以滿足電壓和電流的要求。這通過改變SCR32的點火角來完成。圖4示出圖形說明，其包括表示輸入電流的曲線50。垂直的箭頭52代表SCR32的點火角。通常，點火角52由處理器36來控制以滿足工作需要。為了降低電流，點火角52被移到圖4中的右側以減少導通時間。相反，眾所周知，為了減少電流，點火角52被移到左側以增加導通時間。在啟動模式期間，該處理器36通過在被指定以滿足預選的加速時間和加速轉矩值的時間中逐漸提高點火角52來使電流傾斜上升直至選擇啟動電流限制設置值。通過調節在開啟SCR32中的延時，處理器36可以保持這個水平。當電動機速度增加時，電流開始減小。處理器36連續增加電壓以補償電流的減小。假如當電動機達到速度時，電動機的電壓以大于電動機轉差率電阻減小的速率增加，則這保持恒定的電流在啟動電流限制開關的設置上。隨后在運行模式期間，控制電路34將整個電壓施加到電動機。
根據本發明，控制電路34利用過壓保護模塊54(參看圖2)以監控每個繞組W1-W3上的實際的RMS電壓并不依賴于其他相位來調節每個相位上的電壓以單獨保護繞組。
如上所述，該電壓感應電路40監控三個線電壓L1、L2和L3(參看圖3)和三個電動機端電壓T1、T2和T3。因此，電動機控制器20可以包含單相電動機過壓保護模式，該單相電動機過壓保護模式將電壓限制在僅僅具有額外線電壓的一個或多個相位中。該電壓將基于200、230、400、460或575VAC的額定電動機電壓。如果一個或多個電動機繞組W1-W3上的電壓超過額定電壓例如20％，則啟動器調整相位返回具有額外電壓的相位的點火角以限制每個單個電動機繞組電壓到額定電動機電壓之上20％。利用這個方法，具有較低電壓的相位上的繞組接收整個電壓，而具有較高電壓的一個或多個繞組接收部分電壓。這導致電流不平衡被最小化并防止電動機停止。特別地，該負載、例如升降機可在高電壓的情況下連續工作而不會長期損害電動機。通過監控實際的電動機繞組電壓，由于過壓，啟動器可以消除損害并個別調節每個繞組的電壓以允許電動機連續運行。
參考圖5A和5B，過壓模塊54的軟件的流程圖被示出。當控制電路34將整個電壓施加到電動機繞組W1-W3時，這個模塊通常在運行模式期間使用。該例行程序在框60開始以更新在端T1和T4之間的第一繞組W1的RMS電壓。使用第二線L2和第一端T1的所感應的電壓來確定這一點，參考圖3。判定框62確定是否第一繞組W1上的電壓大于等于最大電動機繞組電壓。這通過比較所更新的電壓和可能例如大約高于額定電壓20％的閾值量來確定，如上所述。顯而易見的，其他閾值量也可被使用。如果是，則框64減小在相位1上的點火角XX度，其中XX是預選的數量。然后控制進行到交叉點66。如果電動機繞組電壓不大于最大電動機繞組電壓，如在判定框62中所確定的那樣，則判定框68確定第一相位是否開啟為全部接通。如果是，則控制進行到交叉點66。如果不是，則框70增加第一相位上的點火角XX度。從那開始，控制進行到交叉點66。
從交叉點66開始，控制進行到框72，該框將第二繞組W2上的電壓作為電動機端T2和線電壓L3的所感應的電壓的函數更新。判定框74確定電動機繞組電壓是否大于最大電動機繞組電壓。如果是，則框76減少第二相位上的點火角XX度。然后控制前進到交叉點78。如果不是，則判定框80確定相位2是否開啟為全部接通。如果是，則控制前進到交叉點78。如果不是，則框82增加相位2上的點火角XX度。
從交叉點78開始，控制經由節點A前進到圖5B和框80，該框80將第三繞組W3的RMS電壓作為所感應的線電壓L1和電動機端電壓T3的函數更新。判定框82確定是否第三繞組電壓大于等于最大電動機繞組電壓。如果是，則框84減小第三相位上的點火角XX度而控制前進到交叉點86。如果不是，則判定框88確定第三相位是否開啟為全部接通。如果是，則控制前進到交叉點86。如果不是，則框90增加第三相位上的點火角XX度。然后控制前進到交叉點86。從交叉點86開始，該控制返回到在框92的主程序。
顯而易見的，圖5A和5B的流程圖包括相對三個繞組W1-W3中的每一個執行的相似程序。這個程序監控每個繞組W1-W3上的實際的RMS電壓并調節獨立于其他相位的每個相位上的電壓以單獨保護繞組。
因此，可注意，已經說明一種針對電動機控制器中的單相電動機過壓保護的新的和新穎的系統和方法。本領域的技術人員應注意，在此給出的教義、多個替換方案和等效方案將被認為存在，其包含所公開的本發明。因此，本發明不限于前述示例性的實施例，而僅由所附的權利要求來限制。
權利要求
1.電動機控制器包括多個固態開關，每個固態開關用于在AC線和電動機繞組端之間的連接以控制將AC電源應用于電動機；多個電壓傳感器，每個電壓傳感器與固態開關之一相關，用于感應針對相關電動機繞組的電壓；以及一種用于控制固態開關的工作的控制電路，如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓開始變化一個選定量，則該控制電路調節固態開關之一的開啟。
2.如權利要求1所述的電動機控制器，其中如果針對相關繞組的所感應的電壓連續從閾值電壓開始變化所述選定量，則所述控制電路連續調節固態開關之一的開啟。
3.如權利要求1所述的電動機控制器，其中如果針對相關繞組的所感應的電壓不是從閾值電壓開始變化所述選定量，則所述控制電路逐漸地將固態開關之一的開啟返回到全部接通的情況。
4.如權利要求1所述的電動機控制器，其中如果針對相關繞組的所感應的電壓不是從閾值電壓開始變化所述選定量，則所述控制電路將固態開關之一的開啟返回到全部接通的情況。
5.如權利要求1所述的電動機控制器，其中所述選定量被選擇為額定電動機電壓之上的一個選定值。
6.如權利要求1所述的電動機控制器，其中如果針對相關繞組的所感應的電壓超過額定電動機電壓約20％，則所述控制電路調節固態開關之一的開啟。
7.具有單相過壓保護的電動機控制器，其包括多個固態開關，每個固態開關用于與在AC線相位和相關電動機繞組端之間的相關電動機繞組串聯以控制將AC電源應用于電動機；多個電壓傳感器，每個電壓傳感器與固態開關之一相關，用于感應線電壓和電動機端電壓；以及一種控制電路，其被連接到固態開關和電壓傳感器以控制固態開關的工作，該控制電路響應于所感應的線電壓和電動機端電壓來確定每個電動機繞組上的電壓，而且如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓開始變化一個選定量，則調節固態開關的單個開關的開啟。
8.如權利要求7所述的電動機控制器，其中如果針對相關繞組的所感應的電壓連續從閾值電壓開始變化所述選定量，則所述控制電路連續調節固態開關之一的開啟。
9.如權利要求7所述的電動機控制器，其中如果針對相關繞組的所感應的電壓不是從閾值電壓開始變化所述選定量，則所述控制電路逐漸地將固態開關之一的開啟返回到全部接通的情況。
10.如權利要求7所述的電動機控制器，其中如果針對相關繞組的所感應的電壓不是從閾值電壓開始變化所述選定量，則所述控制電路將固態開關之一的開啟返回到全部接通的情況。
11.如權利權要7所述的電動機控制器，其中所述選定量被選擇為額定電動機電壓之上的一個選定值。
12.如權利要求7所述的電動機控制器，其中如果針對相關繞組的所感應的電壓超過額定電動機電壓約20％，則所述控制電路調節固態開關之一的開啟。
13.如權利要求7所述的電動機控制器，其中所述固態開關包含可控硅整流管。
14.具有單相過壓保護的升降機啟動器，其包括多個固態開關，每個固態開關與在AC線相位和相關電動機繞組端之間的相關電動機繞組串聯以控制將AC電源應用于升降機驅動電動機；多個電壓傳感器，每個電壓傳感器與固態開關之一相關，用于感應線電壓和電動機端電壓；以及一種控制電路，其被連接到固態開關和電壓傳感器以控制固態開關的工作，該控制電路響應于所感應的線電壓和電動機端電壓來確定每個電動機繞組上的電壓，而且如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓開始變化一個選定量，則調節固態開關的單個開關的開啟。
15.具有單相過壓保護的電動機控制器，其包括，多個固態開關裝置，每個固態開關裝置用于與在AC線相位和相關電動機繞組端之間的相關電動機繞組串聯以控制將AC電源應用于電動機；電壓感應裝置，用于感應線電壓和電動機端電壓；以及控制電路裝置，其被連接到固態開關裝置和電壓感應裝置以控制固態開關裝置的工作，該控制電路裝置包含用于響應于所感應的線電壓和電動機端電壓來確定每個電動機繞組上的電壓的確定裝置，和裝置，該裝置用于如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓開始變化一個選定量，則調節固態開關裝置的單個開關的開啟。
16.如權利要求7所述的電動機控制器，其中，如果針對相關繞組的所確定的電壓連續從閾值電壓開始變化所述選定量，則所述調節裝置連續調節固態開關之一的開啟；并且如果針對相關繞組的所感應的電壓不是從閾值電壓開始變化所述選定量，則所述調節裝置將固態開關之一的開啟返回到全部接通的情況。
17.一種用于單相電動機保護的方法，其包括提供固態開關，用于在AC線和電動機端之間的連接以控制將AC電源應用于電動機；感應線電壓和電動機端電壓；以及控制固態開關的工作，其包含響應于所感應的線電壓和電動機端電壓來確定每個電動機繞組上的電壓，而且如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓開始變化一個選定量，則調節固態開關的單個開關的開啟。
18.如權利要求17所述的方法，進一步包含，如果針對相關繞組的所感應的電壓連續從閾值電壓開始變化所述選定量，則連續調節固態開關之一的開啟。
19.如權利要求17所述的方法，進一步包含，如果針對相關繞組的所感應的電壓不是從閾值電壓開始變化所述選定量，則逐漸地將固態開關之一的開啟返回到全部接通的情況。
20.如權利要求17所述的方法，其中，調節固態開關的單個開關的開啟包含如果針對相關繞組的所感應的電壓超過額定電動機電壓約20％，則調節固態開關之一的開啟。
全文摘要
電動機控制器包含多個固態開關，每個固態開關用于連接在AC線和電動機繞組端之間以控制將AC電源應用于電動機。多個電壓傳感器感應針對相關電動機繞組的電壓，每個電壓傳感器與固態開關之一相關。一種控制電路控制固態開關的工作。如果針對相關繞組的所感應的電壓從閾值電壓開始變化選定量，則該控制電路調節固態開關之一的開啟。
文檔編號H02H7/08GK1685602SQ03822573
公開日2005年10月19日 申請日期2003年8月12日 優先權日2002年9月23日
發明者S·梅休, D·祖祖利, S·瓦克菲爾德 申請人:西門子能量及自動化公司