[发明专利]交流电动机驱动系统

说明书

本发明总的说来涉及感应电动机驱动系统，更具体地说，涉及一种用以控制由两相供电电路供电的单相双绕组感应电动机的感应电动机驱动系统。

普通的分相电容器起动或电容器运行的单相感应电动机(在本技术领域中也叫做固定分相电容器式(PSC)电动机，以下也就这样命名)有两个定子绕组：一个“主”绕组和一个“起动”绕组。图1举例示出了一个PSC电动机100，该电动机有一个主绕组102和一个起动绕组104，两个绕组的一端连接在一起。主绕组102和起动绕组104都装在电动机100的定子(图中未示出)内，且在空间上彼此成一个与电动机100的额定转速有关的角度，例如，电动机为3600转/分的两极电动机时，这个角度为90度，这是本技术领域中所周知的。这类PSC电动机系设计成运行时其起动绕组104串联一个运行电容器，例如，运行电容器106。工业上电动机制造厂家一般的作法是，运行电容器不与电动机一起供应，而只规定足以使用户能采购和安装电容器所需要的电容器的参数，例如，电容值和额定功率。

PSC电动机100运行时，主绕组102以及串联连接的起动绕组104和电容器106彼此并联连接，直接跨接在单相电源110的两端。由于起动绕组104是通过电容器106励磁的，因而流经起动绕组104的电流，其相位角相对于流经主绕组102的电流偏移，从而当电动机运转时，使分别流经绕组102和104的电流之间的相位角为90度。由于绕组102和104中的电流之间具有一定的相位角，再加上这些绕组在空间上分开配置，因而产生一个旋转磁场，后者与电动机100的转子(图中未示出)感应耦合，从而给转子施加一个转动力。

电动机100的转与极力要与旋转磁场同步转动，但滞后旋转磁场一个“转差”系数，于是在转子上产生部分正比于转差值的转矩。

电动机100起动并加速到额定转速时的起动过程中，作用到电动机100的转子上的起动转矩也与流经绕组102和104的电流之间相位角的正弦成正比。因此，为使起动转矩达到最大值，在起动过程中需要达到90度的相位角。然而，由于运行电容器的指定参数只是取运行条件下而不是起动条件下的最优值，因而象电动机100这样的单相PSC电动机，其起动转矩通常是差的。因为制造厂家是根据绕组102和104在电动机100运转过程中而不是起动过程中的阻抗规定运行电容器106的电容值的。但本技术领域中都知道，电动机绕组阻抗的视在值在PSC电动机的起动过程中是变化着的，因而在起动过程中和运转过程中是不同的。由于电容器106的电容值是取运行时而不是取启动时的最优值，因而其大小在起动时是大小了。因此流经绕组102和104电流之间的相位角在起动过程中小于90度，而且起动转矩小于可能有的最大起动转矩。

本技术领域中补偿电容器106在起动过程中量不足的一个周知的解决方法是在电容器106两端接上一个起动电容器112来增加与起动绕组104串联的总电容值，从而增大流经起动绕组的电流、相位角以及电动机100的起动转矩。起动电容器112是在电动机一旦达到运行转速时借助于例如离心开关、正温度系数热敏电阻器(PTC器件)或继电器切断的。这样做的缺点是，尽管起动电容器112工作时通常提高了电动机100的起动转矩，但转矩仍然不因为使用了电容器112而在电动机100的整个起动过程中达到最大值。理想的情况下应该是，与起动绕组104串联的电容其大小在起动过程中必须不断地变化，以便在绕组102和104各自的阻抗变化时能保持所要求的相位角。

普通的单相PSC电动机通常是用于加热、通风和空调(HVAC)系统中驱动象风扇、泵和压缩机之类的系统负荷。出于各种各样的因素，例如，环境温度的日常和季节性的波动、受控环境中人们的活动以及受控环境中其它设备的间歇操作等，人们对HVAC系统各循环的要求其变化是很大的。因此，为确保受控制环境达到令人满意的温度，HVAC系统必须具有能适应“最坏情况”下各种条件的加热和/或冷却能力。因此，在比最坏情况较好的各种条件下，HVAC的超负荷能力通常是相当大的，而且必需在负荷不足的情况下运行。由于电动机(例如PSC电动机)的最高工作效率通常只是在电动机满负荷运行时获得的，HVAC系统负荷不足工作时就会使电动机在效率差的情况下运转。此外，为了满足HVAC系统负荷低于其容量的要求电动机需要开开停停，在这个意义上来说，它使电动机的工作效率大大下降。效率的这种进一步降低，包括电动机频繁起动所花的运行成本，以及这类电动机的使用寿命因起动过程中受到周知的热应力和机械应力而降低。