交流电动机的起动方法及设备 本发明涉及交流电动机的起动方法及设备。
全压起动处于停机状态没有反电动势的鼠笼式三相感应电动机时，起动电流大，若电源容量小电源电压就下降，这样可能会对电动机本身或电源系统产生不良的影响，而且还可能使电动机在顶峰状态下加有大的机构负荷时起动不起来，例如压缩机通常是在高压状态下停车的。迄今提出的起动大容量鼠笼式三相感应电动机的方法有好多种。下面是这类现行起动方法的一些例子。
1.电动机的星形/三角形起动法：将电动机原来的三角形接法改接成星形接法，在起动电流下降之后再恢复到三角形接法。
2.电抗器起动法：用可控硅等控制导通角，将导通角从小导通角逐步增加到全导通角。
然而，上述方法原来就具有下列不便之处。具体地说，第一种方法就需要将电动机各相绕组两端引出电动机外，还要配备接线切换用的切换开关，并将引出的各绕组端彼此连接起来。因此，不但成本提高而且还需要有大的安装空间。此外，这种方法究局限于三角形连接的电动机。第二种方法根据连接的方法分别需要电抗器和短路开关，其固有的问题与第一种方法相同。第三种方法是在交流电源电压各周期的预定相角下控制象可控硅之类的半导体器件的触发过程，因而需要相当高级地触发控制装置，从而使成本提高。
除上述方法外，现行方法还有例如电阻起动法和闭路转接自耦变压器起动法，前者用电阻代替了电抗器，后者采用带抽头的自耦变压器。然而，这些方法从电动机的角度看，加上去的电压降低了，而且起动转矩不足，这与负荷有关，从而可能导致无法起动。
选择这类起动方法时，必须充分考虑下列问题：
a)防止起动时电压下降对外部设备产生不良的影响；
b)防止电压加上去时的波动对电动机和与电动机连接的负荷装置产生不良的影响；
c)确保电动机相对于负荷力矩的转矩；
d)电动机和起动设备的耐用性；
e)限制设备成本。
因此，本发明的主要目的是提供一种能在低成本的基础上软起动而无需大的安装空间的交流电动机起动的方法及设备。
为达到上述目的，按照本发明的一个方面，本发明起动交流电动机的方法包括以下两个步骤：在起动交流电动机时以正半波或负半波为单位以导通时间和截止时间重复交替的方式给处在停机状态的交流电动机加上全值电压，其中导通时间取整数倍；在起动过程中随着时间的消逝逐步增加导通时间与其和截止时间之和的比值，增加的幅度基本上从某值的几分之一到“1”。
导通时间与其后的截止时间之和可以设置成不变，导通时间与其和截止时间之和的比值还可控制成使其基本上与时间成正比地增加。
每个周期的导通时间与其和截止时间之和的比值可以随时间的推移按指数函数变化。
每个周期的截止时间可以使其基本上维持不变，导通时间还可以控制得使其随时间的推移逐渐增加。
每个周期的导通时间可以使其基本上维持不变，每个周期的截止时间还可以控制得使其随着时间的推移逐减小。
按照本发明的另一个方面，本发明的交流电动机起动设备包括：一个可控硅，串联连接在交流电源与所述交流电动机之间；一个起动时间设定机构，供设定交流电动机的起动时间；一个起动方式设定机构，供设定起动时实际将电压加到交流电动机上时的方式；和一个可控硅控制机构，供起动交流电动机用，方法是根据起动时间设定机构和起动方式设定机构的设定内容以正半波或负半波为单位以整数倍导通时间和截止时间重复交替的方式给处于停机状态的电动机提供交流电源的全值电压，并在起动过程中控制可控硅，从而使导通时间与其和截止时间之和的比值随着时间的推移逐渐增加，增加的幅度基本上从某值的几分之一到1。
图1示出了本发明交流电动机起动设备的主电路接线图和控制电路的方框图。
图2是说明图1中起动方式的曲线图。
图3是按本发明起动时工作效率时间转移的第一实例的时间图。
图4是按本发明起动时工作效率时间转移的第二实例的时间图。
图5是按本发明起动时工作效率时间转移的第三实例的时间图。
图1示出了本发明的一个实施例。待起动的交流电动机2经基本上制成模件的可控硅部分4接交流电源端子R，S，T。在此实施例中，电磁接触器5，6以保护的形式分别接可控硅部分4的电源侧和负荷侧，此外还配备有电磁接触器7桥接在可控硅部分4与电磁接触器5，6之间。在此实施例中可控硅部分4只与U相和W相串联连接，且由U相可控硅部分4U和W相可控硅部分4W构成。V相由短接导线4S构成。也可以配置可控硅部分4V(未示出)，代替短接导线4S。然而只给两相线(U相和W相)配备可控硅，就可以完成象接通/断开电流之类的预定任备的。因此，从成本的角度看，不必要给所有三相都配备可控硅。各可控硅部分4U，4W由一对反并联连接的可控硅组成，控制极端子a，b从U相可控硅部分4U的各可控硅引出，控制极端子c，d从W相可控硅部分4W的各可控硅引出。
软起动控制电路10是为通过可控硅部分4软起动交流电动机2而设的。软起动控制电路10由起动时间设定机构11、起动方式设定机构12和可控硅控制电路13组成。起动时间设定机构11设定起动时间时可能有两种情况，一种情况的起动时间是根据电源系统的配置、交流电动机2的各种特性和连接交流电动机2的机械负荷的特性预计和设定的，另一种情况的起动时间是根据实验数据凭经验设定的。起动方式设定机构12设定哪一种电压形式，以有效地在起动时间设定机构11设定的起动时间从起动过程开始到起动完毕的过程中起动电动机。可控硅控制电路13根据起动方式设定机构12和起动时间设定机构11的设定内容控制可控硅部分4中各可控硅的导通时间和截止时间，以获得理想的起动。应该指出的是，软起动控制电路10通过电磁接触器8从电源端子R，T获得控制电能。电磁接触器8可与或者可不与电磁接触器5的通/断操作联锁。
现在参阅图2至图5说明软起动控制电路10的功能。按照本发明，可控硅的触发相角不是在电源电压正半波或负半波下控制的，稍后即将说明的导通时间和截止时间是以电压的正半波或负半波为单位始终设定为其整数倍的。导通时间与在某种计时的导通时间与其后的截止时间之和的比值叫做“工作效率”，如图2所示图中示出了预先设定的各种曲线，例如，线性特性曲线P1，用这种曲线可按基本上与随时间的推移并行的方式改变工作效率；指数函数曲线P2，用这种曲线可按指数函数改变工作效率；此外还有所谓S形曲线P3。起动方式设定机构12每次选择和设定最佳起动方式，既考虑电源状态也考虑负荷特性。
图3是可控硅部分4的导通/截止操作的时间图，这对应于线性特性曲线P1。这里，起动电动机时导通时间与其随后的截止时间之和Tp是固定的(例如，在工业交流电源下约为10～25周期)，其中，第一、第二、第三、……周期Tp1、Tp2、Tp3、……具有例如Tp1＝Tp2＝Tp3＝……的关系，且导通时间ON1，ON2，ON3，……随着时间的推移成比例逐渐增加。就是说，它们之间的关系是，ON1＜ON2＜ON3＜……。因此，各周期的工作效率为ON1/Tp1＜ON2/Tp3＜ON3/Tp3＜……，且随着时间的推移逐渐增加。各个别周期和导通时间的初始值和增加宽度，确定时要考虑其与起动时间Ts的关系。在此情况下，与导通时间的情况相反，截止时间OFF1、OFF2、OFF3、……的关系为OFF1＞OFF2＞OFF3＞……。应该指出的是，这些数字是为表达概念例举的，没有必要以数学形式完全表示出来。根据起动时间和起动方式计算出的个别周期值小于半周期值时，则例如半调节法等一样将数字化整为半周期单位。简言之，大致符合图2中所示的起动曲线也就足够了。
参阅图4。图4的情况与图3的情况完全相同，即各周期的工作效率随着时间的推移而逐渐增加，例如，ON1/Tp1＜ON2/Tp2＜ON3/Tp3＜……。但当周期变化时，例如Tp1＜Tp2＜Tp3＜……，各导通时间的关系就变为ON1＜ON2＜ON3＜……，各截止时间之间的关系就变为OFF1＝OFF2＝OFF3＝……。在此情况下，也考虑了与起动时间Ts的关系确定导通时间和截止时间的初始值和增加宽度。此情况下的起动方式近似于图2中的起动曲线P2。
参阅图5，图5的情况与图3或图4所示的情况相同，即各周期的工作效率随着时间的推移逐渐增加，例如，ON1/Tp1＜ON2/Tp2＜ON3/Tp3＜……。然而，各导通时间之间的关系为ON1＝ON2＝ON3＝……，各截止时间的关系为OFF1＞OFF2＞OFF3＞……。因此，各周期不得不变，例如Tp1＞Tp2＞Tp3＞……。这种起动方式近似于图2中的起动曲线P3。
接下去，说明一下图1设备的工作过程。
当起动电动机时，开始时令电磁接触器5，6，8处于接通状态，用起动时间设定机构11设定起动时间。接着，起动方式设定机构12选择和设定起动方式。这时，电磁接触器7仍然断开。接着，可控硅控制电路13开始软起动。可控硅控制电路13控制可控硅4的导通/截止过程，以达到符合起动时间设定机构11和起动方式设定机构12所设定的内容的理想起动特性。可控硅收到可控硅控制电路13来的触发信号时就予以触发，其全值电压从交流电源加到交流电动机2上。可控硅的截止操作是通过可控硅控制电路13中断给可控硅提供的触发信号进行的，触发信号一消失，可控硅就在终止点(在负半波的情况为360度的一点，在正半波的情况为180度的一点)自动进入截止状态。于是，全值电压加到交流电动机2上。然而，如图2中所示的那样，在起动的初始阶段，工作效率低，因而在所谓的全压起动的情况下决不会发生上述不方便的情况。
起动过程终了时(这时基本上达到额定转数)，不必通过可控硅部分4供电给电动机2。可控硅部分4也可以保持等待状态直到下一次通过接通电磁接触器7将可控硅部分4旁路，同时在必要时断开电磁接触器5、6，起动电动机为止。
交流电动机2就如上述那样软起动，从而可以解除所谓全压起动时电压降对外部设备的不良影响和冲击电压对电动机和机械负荷的不良影响，而且在考虑到电动机和起动设备的负荷力矩和经久耐用性的情况下可轻易地设定起动方式。此外，按照本发明，并没有为起动配备电阻和电抗器。另外，这里并没有对可控硅进行复杂的相位控制，因而限制了设备成本。