電壓控制式電子繼電器的製作方法
2023-06-14 20:40:56 1
專利名稱：電壓控制式電子繼電器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種單相感應電動機起動用的電壓控制式電子繼電器，特別是一種對基於電晶體雪崩現象的單相電動機起動用電子繼電器作出改進後的靜態電子繼電器。
單相感應電動機的起動，從來是利用離心斷路開關以及其它機械類型的電壓控制式、電流控制式繼電器的。本申請人的前一個專利申請(南朝鮮專利19176號，即美國專利4，605，888號)，揭示了一種代替上述機械類型繼電器的電子繼電器，這種電子繼電器是利用電晶體雪崩現象實現的。然而，這種利用電晶體雪崩現象而實現的電子繼電器，具有以下缺點由於每一批生產的電晶體的放大倍數以及雪崩電壓均各不相同，因而每次必須重新設定時間常數，殊為不便。另外，確定繼電器的通斷電壓的磁滯回線的幅度約為30伏，要使該幅度達30伏以上，十分困難。再者，當電源電壓過低或過高時，不能實現電壓補償。因此造成起動特性劣化，從而產生一系列問題。
本發明的目的是提供一種具有自動電壓補償作用的，且磁滯回線幅度高達75伏的改進型的電子繼電器。
本發明所述的電壓控制式電子繼電器，適用於單相感應電動機的起動。電動機的起動繞組經由起動電容及一個三端雙向可控矽開關元件而和市電接通。由一個整流電路供電的觸發電路，包括一個晶體三極體和串接於所述三極體集電極的感應線圈初級繞組，該感應線圈次級繞阻並接於前述雙向可控矽之柵極和陰極之間。另外，電動機起動繞阻兩端的交流電壓信號，被送入一電壓檢測迴路進行檢波、分壓後，再將檢波所得直流信號送入一個包括兩個與非門的磁滯調整電路，加於第一個與非門的輸入端。從與第一個與非門串接的第二個與非門的輸出端引出正反饋信號，回授至第一個與非門的輸入端。復從第一個與非門的輸出端取出信號，饋送至一個振蕩迴路。所述振蕩迴路亦由兩個串接的與非門構成，且設有負反饋迴路。其中第二個與非門的輸出端，和前述觸發電路中的晶體三極體的基極連接。
在電動機起動時，市電被加到串接在一起的起動電容和起動繞阻上。起動繞阻兩端的分壓，被送至電壓檢測迴路，檢波後所得半波直流信號，經電容濾波後，被饋送至磁滯調整電路，經由一個可變電阻而加於該電路中第一個與非門的輸入端。所述可變電阻起到了調節磁滯幅度的作用。由於起動時由電動機起動繞阻所獲得的電壓信號為低電平信號，故磁滯調整電路的輸入端亦為低電平信號，它和振蕩迴路相連的輸出端為高電平，因而振蕩電路起振，在感應線圈中產生脈衝信號，觸發可控矽使之導通。於是，使得電動機起動繞阻中的電流增加，電動機轉速上升。當電動機達一定轉速時，前述磁滯調整電路輸入端呈高電位，因而使得可控矽截止，起動繞阻即被切離，使電動機投入正常運行。
正常運行時，磁滯調整電路中的正反饋起到了電氣自鎖的作用。如果電動機因為過荷以致轉子停止轉動，則起動繞阻又恢復到初始狀態，其低電平輸出信號將解除磁滯調整電路的自鎖，因而可控矽又被觸發而導通，再次起動電動機。
此外，各門電路的電源供電迴路中，接有一個限制過電壓的齊納二極體。由於該供電迴路是從前述整流電路獲得直流半波電壓的，因此，當電動機的電源電壓波動時，各門電路的電源供電亦隨之波動，使得磁滯調整電路輸入端的電平亦隨之增減，因此起到了電壓補償作用。
本發明所述電壓控制式電子繼電器，由於在磁滯調整電路中採用了正反饋，增強了輸入信號，因此使得磁滯回線幅度增寬至75伏，相當於電源電壓-(110伏)的一半以上，這是機械類型的離心開關所不能實現的。這樣，就大大改善了電動機的起動特性，使得電動機在波動很大的惡劣供電條件下亦能正常運行。另外，由於無電弧花產生，不受安裝地點條件的限制，使得本電子繼電器成為一種具有半永久性壽命的單相感應電動機起動用的繼電產品。
如下圖1為本發明所述電子繼電器的原理電路圖;圖2為本發明的另一實施例，其中採用了非門;圖3為本發明的又一實施例，其中採用了與非門及光隔離器;圖4為本發明的又一個實施例。
圖中T1-T4為引出端子;TRIAC為三端雙向可控矽開關元件;PC為感應線圈;BD為二極體橋式整流器;SCR為可控矽;PHC為光隔離器;M1-M4以及N1-N4為與非門;G1-G4為施密特非門;TR為晶體三極體;R1-R12為電阻;SC為起動電容器;W1和W2為電動機的工作繞阻;W3為起動繞阻;MT為電動機;①-⑥為電動機的引出端子;L1和L2為電源端子。
以下結合諸附圖，詳細說明本發明所述電壓控制式電子繼電器的電路結構及工作原理。
見圖1，電源電壓是加在引出端子T1和T4之間的。該電壓由二極體D2整流，由容器C4濾波，變為直流電壓。在端子T1和T2之間接有一個三端雙向可控矽開關元件。上述直流電壓，一方面經由電阻R9而向所述雙向可控矽的門觸發器用的感應線圈PC之初級繞阻供電，另一方面經分壓電阻R7、R8分壓，獲得予定的直流電壓後，復經電容器C2濾波，產生各與非門M1-M4的供電電壓。此外，還設有齊納二極體ZD，以防止過電壓。由端子T2引線串接一個起動電容器SC後，復接至單相感應電動機的起動繞阻W3，繞阻W3的另一端和端子T4以及電源端子L2相接。起動繞阻W3兩端的兩個端子T3和T4之間，串接著一個二極體D1和兩個電阻R1、R2，二電阻中間復接一電容器C1，對信號電壓進行濾波。由R2兩端所取得的信號電壓，經由磁滯幅度調節用的串接電阻R3而加至與非門M1的輸入端。與非門M2的輸出端，經由一個串接電阻R4而接至與非門M1的輸入端，形成正反饋，從而增加了磁滯的幅度。
另外，與非門M1的輸出端又和與非門M3的輸入端相接。串接在一起的與非門M3及M4，由電容器C3和電阻R5引起負反饋，構成振蕩迴路，其輸出端串接限流電阻R6後，和晶體三極體TR之基極相接。
圖2所示實施例，其構成完全和圖1的實施例一樣，差別只在於其中採用的門元件是磁滯幅度較大的施密特非門元件;其振蕩迴路中增加了二極體D3和電容器C3，而倒相器G3具有負反饋電阻R5。
圖3所示實施例，其電源供電迴路以及磁滯調整電路均與圖1的實施例相同，唯有三端雙向可控矽元件的觸發方式不同。其中採用了二極體橋式整流器BD，將交流觸發信號輸入雙向可控矽的柵極，復於柵陰迴路中接有限流電阻R10。而在橋式整流器BD的直流側，並接有一個可控矽SCR和一個串接有電阻R12的光隔離器PHC，所述光隔離器的發光二極體和與非門N4的輸出端連接，與非門N4和N3串接在一起，而N3的輸入端是和N2的輸出端相連的。
圖4所示實施例中，電源供電迴路、電壓檢測迴路以及磁滯調整電路均與第1圖的實施例一樣，其不同之處在於三端雙向可控矽元件的柵極和陰極之間，接有並聯在一起的電阻R10和電容器C6，其上還並接有感應線圈PC的次級繞阻，感應線圈的初級繞組一端接地，另一端經電容器C5而接至與非門M4的輸出端，藉此傳遞M4的輸出信號，來對雙向可控矽TRIAC進行控制。
結合以上電路結構的說明，現在來說明本發明所述電子繼電器的動作原理。
單相感應電動機有兩個工作繞阻W1、W2以及一個起動繞阻W3，其中起動繞阻W3隻是在電動機起動的瞬間通電，提供起動力矩，起動完畢進入正常運轉後，該繞阻W3即切離，這是眾所周知的。我們把起動前接通繞阻W3而起動後切斷流入起動繞阻W3的電流的裝置，稱作為離心斷路開關或者叫起動繼電器。
在這種裝置中，依靠和電動機的速度成比例而動作的離心力裝置來接通並切斷起動繞阻的電流的開關，叫作離心力開關或調速開關;利用起動繞阻的端壓隨電動機轉速的增加而增加這一特性，取起動繞阻兩端的感應電壓作為信號電壓，來接通或切斷起動繞阻電流的裝置，則稱為電壓控制式電子繼電器。
圖1所示實施例，是經常使用的110伏/220伏通用單相感應電動機的配線圖。其中W1、W2為工作繞阻，①-④為工作繞阻引線端子，而⑤及⑥為起動繞阻W3的引線端子。加於端子L1和L2的電源電壓，經端子T1和三端雙向可控矽元件TRIAC，以及接於端子T2的起動電容器SC而加在起動繞阻W3上，起動繞阻的引線端子⑥和端子T4及L2相連。
這樣，接通電源後，電源電壓就加在串接於端子T1和T4之間的起動電容器SC和起動繞阻W3上，並按照電抗比例而形成分壓。起動繞阻W3兩端的分壓，由端子T3、T4取出，經二極體D1整流，加在分壓電阻R1、R2上，於是在電阻R2兩端形成了半波直流電壓，復由電容器C1進行濾波後，經由串接的磁滯幅度調節電阻R3而加至與非門M1的輸入端。為了使電阻R2的端壓為予定值，電阻R1採用可變電阻。在起動前，由於電阻R2的端壓很低，與非門M1的輸入端呈低電平狀態，因此其輸出端呈高電平。這使得由與非門M3、M4以及電容器C3和電阻R5構成的振蕩迴路進入動作狀態，振蕩迴路的輸出端經電阻R6而接至晶體三極體TR的基極，使該三極體不斷地導通及截止，於是在雙向可控矽TRIAC的觸發用感應線圈PC中產生一系列脈衝信號，使得所述雙向可控矽TRIAC導通，起動電流即流入起動繞阻W3中，電動機即起動，並越轉越快。
當電動機的轉速達到額定轉速的70%左右時，在電源電壓為110伏的場合下，起動繞阻兩端的感應電壓即上升到約125伏。這時，由於與非門M1的輸入端變為高電平，其輸出端就變為低電平。振蕩迴路的輸入端既然變成低電平，它就停止振蕩，因此雙向可控矽TRIAC也截止，流入起動繞阻的起動電流即被切斷，電動機進入正常運行狀態。
在電動機正常運行狀態下，與非門M1的輸出端呈低電平，因此與非門M2的輸入端亦為低電平，而其輸出端呈高電平，該高電平信號經由串接電阻R4而反饋至與非門M1的輸入端，形成電氣自鎖狀態。
然而，一旦電動機的負荷過重，以致轉子無法轉動時，起動繞阻W3兩端的電壓又恢復為原狀，亦即僅僅取決於電源電壓本身，下降為約50伏左右。這時，電阻R2上的分壓亦下降，使得與非門M1的輸入端亦變為低電平，解除了磁滯調整電路的自鎖狀態，使得與非門M1的輸出端再度變成高電平，使振蕩迴路起振，雙向可控矽TRIAC再次導通，電動機再次起動。
如上所述，本電子繼電器的磁滯幅度是由50伏至125伏，約為75伏，幅度甚寬。因此，即使在電源電壓過低或過高的場合，亦即在電壓波動率甚大的惡性電源設備的場合下，起動裝置亦能正常起動，實現安全運轉。這一特徵使得本電子繼電器成為一種幾乎可以說是完美的起動繼電器。
此外，電源供電迴路是從由二極體D2及電容器C4構成的整流濾波電路獲得半波直流電壓的，該電壓一方面作為脈衝發生電源向雙向可控矽觸發用感應線圈供電，另一方面由電阻R7、R8分壓，並由電容器C2濾波後，送入各門元件的電源供電迴路。供電迴路中的齊納二極體ZD起到了限制過電壓的作用，使得市電電源電壓異常時，各門元件的電源電壓被限制於15伏。在正常情況下，分壓電阻R7、R8的電阻值取為這樣，使得門元件的電源電壓為6伏左右。當電動機的電源電壓變動時，各門元件的電源電壓也一起成比例地變化，使得磁滯調整電路中的與非門M1的基準輸入電壓亦隨之增減，因而本電子繼電器具有自動電壓補償的特性。
圖2所示實施例，在磁滯調整電路和振蕩迴路中採用了施密特非門元件。除此以外，圖1和圖2所示電壓控制式繼電器，在起動繞阻的電壓輸入迴路、電壓檢測迴路、磁滯幅度調整電路以及其動作狀態保持電路、振蕩迴路、以及雙向可控矽的開關觸發電路等部分均完全相同。
圖3所示實施例中，在信號的檢測、鑑別以及反饋迴路、磁滯調整電路等方面，均與圖1所示實施例相同。當電動機起動完畢，起動繞阻中的感應電壓上升時，與非門N1的輸入端變成高電平，而其輸出端變為低電平，因而與非門N2的輸入端變為低電平，而其輸出端呈高電平。復經與非門N3和N4的放大及倒相，使得N4的輸出端亦呈高電平，因而使得光隔離器PHC動作，可控矽SCR截止，從而使得雙向可控矽TRIAC亦截止，切斷起動繞阻的電流，進入正常運行狀態。
其中可控矽SCR的陰極上串接著兩個二極體，目的是為了改善可控矽SCR的截止特性。在與非門N3和N4之間設置的接地電阻，當門元件輸出電平變換時，起到了增加穩定性的作用。在二極體D1和電阻R1之間設置的接地電容，能防止電動機起動時從外界侵入的幹擾信號引起誤動作。與非門N1與N2之間設置的接地電容，具有濾波作用，能穩定信號輸入電壓。
圖4的實施例中，與非門M4的高頻輸出信號，經由耦合電容C5而直接加到感應線圈PC的初級繞阻上，而在其次級繞阻上形成的低壓高頻信號，用來觸發雙向可控矽TRIAC，其中與次級繞阻並聯的保護電容器C6以及電阻R10，起到了保護雙向可控矽的柵極的作用。該實施例所示電路的特徵在於雙向可控矽的觸發方法，其中除去了圖1中的晶體三極體TR、電阻R9和電容器C4，使得電路得到了簡化。
權利要求
1.一種採用三端雙向可控矽元件的、單相電動機起動用電壓控制式電子繼電器，其中雙向可控矽經由串接的起動電容而和所述電動機的起動繞阻相接，其特徵在於，所述電子繼電器包括有-一個由二極體D2及電容器C4所構成的整流電路，所述整流電路的輸出端，一方面經由觸發用感應線圈PC而接至一個晶體三極體TR之集電極，另一方面經由分壓電阻R7、R8而接至-一個具有電壓補償作用的門電路電源供電迴路，所述供電迴路包括一個齊納二極體ZD以及與之並接的濾波電容器C2，所述齊納二極體的端壓用作為各與非門元件之電源電壓，-一個信號電壓檢測迴路，所述檢測迴路的輸入端跨接在前述電動機起動繞阻兩端，它包括一個檢波用的二極體D1、與所述二極體串接的分壓電阻R1與R2，以及由所述電阻R1與R2中間引出的接地濾波電容C1，-一個磁滯調整電路，所述磁滯調整電路包括由上述分壓電阻R1、R2中間接出的磁滯幅度調整用可變電阻R3，串接於所述電阻R3後面的與非門M1、M2，以及正反饋電阻R4，-一個振蕩迴路，所述振蕩迴路之觸發輸入端由前述與非門M1、M2之間接出，並同樣包括兩個串接的與非門M3及M4，還包括產生負反饋作用的電阻R5和電容C3，-一個觸發電路，所述觸發電路包括前述晶體三極體TR，所述三極體之基極經由阻R6而接至上述振蕩迴路中與非門M4之輸出端，其射極接地，其集電極和前述整流電路輸出端之間接有感應線圈PC之初級繞阻，而所述感應線圈PC之次級繞阻則跨接在前述雙向可控矽之柵極與陰極之間，當所述電動機起動時，前述電壓檢測迴路之輸入端呈低電平，振蕩器起振，感應線圈PC產生脈衝信號，觸發雙向可控矽使之導通，電動機起動繞阻內通入電流，當電動機達一定轉速時，前述電壓檢測迴路之輸入端呈高電平，所述雙向可控矽就截止，將起動繞阻切離。
2.如權利要求1所述電壓控制式電子繼電器，其特徵在於，其中磁滯調整電路以及振蕩迴路中採用了圖2中的施密特非門元件。
3.如權利要求1所述電壓控制式電子繼電器，其特徵在於，所述雙向可控矽的觸發電路包括圖3實施例中的二極體橋式整流器BD，其中雙向可控矽的柵極接至橋式整流器BD之交流側，而在雙向可控矽的柵極和陰極之間跨接有電阻R10，在橋式整器BD之直流側接有可控矽SCR，在所述可控矽SCR兩端跨接有光隔離器PHC以及與之串接之觸發電阻R12，電阻R12與光隔離器PHC之間的引線接至可控矽SCR之柵極，而在所述磁滯調整電路中，與非門N2之輸出端接至互相串接之與非門N3、N4中的N3之輸入端，與非門N4之輸出端接至光隔離器之輸入端，光隔離器之輸出信號則加於所述可控矽SCR之柵極與陰極之間。
4.如權利要求1所述電壓控制式電子繼電器，其特徵在於，在所述雙向可控矽的柵極與陰極之間，並接著圖4實施例所示的電阻R10、電容C6以及感應線圈PC的次級繞組，所述感應線圈PC的初級繞組，一端接地，另一端經由電容C5而接至與非門M4之輸出端。
全文摘要
本發明涉及一種單相感應電動機起動用的電子繼電器。由於在其中的與非門電路中採用了正反饋，加強了輸入信號，使得這種繼電器的磁滯幅度可以在75伏的範圍內加以調整，從而使得這種繼電器能適應各種市電波動而正常地工作。這種繼電器是利用起動繞阻兩端的感應電壓信號來起動電動機並保持電動機穩定運轉的。
文檔編號H03K17/725GK1040465SQ8910646
公開日1990年3月14日 申請日期1989年8月14日 優先權日1988年8月16日
發明者金仁錫 申請人:金仁錫