具体实施方式

现在参考附图，特别是图1，示出了连接到AC电网12的电动机10的示意图。尽管电动机10可以提供有单相功率，但是图1中的电动机10被示出为连接到具有三相功率14的电网12。如图所示，电网12与电机10之间的每条电力线路14设置有开关16，该开关16中断和连接电网12与电机10之间的电源。尽管图1示出了单个开关16被用于每条电力线路14，但是应当理解，每个开关16可以表示多个开关(例如开关组)，以执行AC电网12与电动机10之间的所需的切换。

在优选的实施例中，开关16是区别于电磁开关的固态开关16。开关16可以被称为电动机接触器16，因为开关16必须能够处理从电网12或其他AC电源提供到电动机10的全部电力负载。如所理解的，固态开关16通常具有源极S和漏极D。施加到每个开关16的栅极G的控制信号24连接和断开流过源极S和漏极D的功率。开关控制器18被提供用于为开关16的栅极G提供控制信号24。此外，通/断控制器20被提供用于接通和关断电动机10。即，当需要接通电动机10时，通/断控制器20向开关控制器18发送第一控制信号22。然后开关控制器18通过向开关16的栅极G发送第二控制信号24来响应于通/断控制器20，以连接相应的源极S和漏极D，从而允许电力流向电动机10。当需要关断电动机10时，通/断控制器20向开关控制器18发送对应的第一控制信号22，开关控制器18以类似的方式与第二控制信号24相对应以断开源极S和漏极D。在传统的电动机10中，如果开关16旨在直接响应于通/断控制器20而不需要附加的开关控制，那么可以排除开关控制器18。尽管通/断控制器20可以采取各种形式，但是在最简单的版本中通/断控制器20可以是由操作人员执行的手动开关。然而，如果需要，通/断控制器20还可以是计算机控制器或其他电气控制器。

转到图2A，示出了当开关16闭合以接通电动机10时通过开关16的电流。如图所示，通过开关16的电流可以被表征为三个阶段26A、28、30。第一阶段26A涉及进入电动机10的初始电流涌入。电流涌入26A提供了电动机10的初始磁化。如图所示，电流中的涌入尖峰26A可能持续与第一AC周期一样短的时间并在此后不久减小，甚至可能在第二AC周期中。如图2A所示，初始电流涌入26A的幅度可以高达电动机10的标称电流(In)30的18倍。在这种特定的情况下，涌入电流26A代表了效率等级至少为百分之85的电动机10。由于较少的电阻抗和其他因素，涌入电流26A中的初始尖峰在高效电动机10中特别突出。通过比较，在效率较低的AC电动机中，初始涌入电流26A可能只有电动机10的标称电流(In)30的12倍。

在初始电流涌入26A完成后，流过开关16的电流28保持升高但是处于较低的幅度。该阶段28涉及将电动机10从静止加速到额定速度。因此，需要更大的电流28来克服电动机10的惯性并将转子加速到所需的速度。如图2A所示，启动电流28的幅度通常在标称电流(In)30的7.2倍至8倍的范围内。此外，启动电流28通常比涌入电流26持续的时间长，并且可以持续四个或更多AC周期。一旦电动机10达到额定或所需的速度，那么电流转换到标称电流30(即标称电流(In)的1倍)。

在图2B中，示出了启动AC电动机10的改进的方法的电流。如图所示，初始涌入电流26B基本上可以从图2A的涌入电流26A被最小化。优选地，改进的涌入电流26B被最小化到不超过标称电流(In)30的10倍(更优选为8倍)。因此，涌入电流26B基本上不大于需要将电动机10加速到额定速度的启动电流28。尽管涌入电流26的长度可能非常短(例如，单个AC周期)，但是这种改进可以显著提高固态开关16的鲁棒性，即使是流过该固态开关16的电流中的短尖峰也会对其产生负面影响。

图3A至图3C示出了如图2A中更一般地示出的传统电动机启动方法中的电压32、电流34A和转子磁通36A。图3A示出了来自AC电网12的三相电力的电压波形32。图3B示出了在电动机10已经接通并且开关16已经闭合后立即流过开关16的三相电流34A。如圈出的峰值26C所示，相电流中的一个相电流达到峰值26C，该峰值26C的幅度基本上高于剩余的电流峰值。如上所述，这表示较高的涌入电流26C可以持续短至一个AC周期。如进一步所示，在三相电动机10中，较高的涌入电流26C可能只影响其中一相，其他两相没有经历特别高的涌入电流。因此，高涌入电流26C可能只影响三相电动机10中的开关16中的一个开关。然而，通常不可能预测哪个开关16会受高涌入电流26C的影响，并且经历高涌入电流26C的开关16可能会随电动机10的不同启动而随机变化。

图3C中示出了与图3B相对应的转子磁通矢量36A。在图上绘制了设计圆38，图示了设计磁通38的100％的边界。因此，在图中，实际磁通矢量36A在设计圆38外部的区域表示饱和转子磁通的状态。这通常是不需要的，因为电流将在特定的电压下继续流过电动机线圈而不会生成附加的磁通。然而，如图3C所示，所图示的电流34A导致了饱和转子磁通的基本状态。

转到图4A至图4C，示出了如图2B中更一般示出的改进的电动机启动方法的类似的电压32、电流34B和转子磁通36B。与图3A类似，图4A示出了来自AC电网12的三相电力的电压波形32。图4B示出了在电动机10已经由开关16接通后立即流过开关16的三相电流34B。与图3B类似，在图4B中圈出峰值涌入电流26D作为参考。如图所示，图4B中的峰值涌入电流26D小于图3B中的峰值涌入电流26C。尽管图4B中的峰值涌入电流26D仍然大于剩余的电流峰值，但是峰值涌入电流26D与剩余的峰值之间的差异已被减小。因此，固态开关16的尺寸可以减小，开关16的寿命增加，或者形成其他优点。同样地，转子磁通矢量36B也被改善。特别地，在图4C中，实际转子磁通36B几乎完全保持在100％设计圆38内，这意味着磁通过饱和度最小化。

转到图5，示出了启动AC电动机10以最小化涌入电流26的方法的流程图。在该方法中，电动机10开始处于关断状态，其中电动机10与AC电源12断开。即，通/断控制器20已向开关控制器18发送第一控制信号22以关断电动机10(40)。作为响应，开关控制器18向开关16发送第二控制信号24以断开开关16(42)。因此，到电动机10的电力线路14被断开连接并且电动机10的转动停止。

此后，当需要接通电动机10以使其转动时，通/断控制器向开关控制器18发送第一控制信号22以接通电动机10(44)。然后开关控制器18监测AC电源12的波形并等待波形达到预定状态(46)，而不是立即闭合开关16。因此，开关控制器18在从通/断控制器20接收到第一控制信号22之后延迟闭合开关16。

尽管可以针对特定应用选择延迟时间段和预定状态，但是在优选的实施例中，开关控制器18监测正弦AC波形达到零电压的过零(即，从正电压到负电压交叉，反之亦然)的电源电压波形(46)。在标识电压波形的过零之后，然后开关控制器18优选地在向开关发送第二控制信号24以闭合之前等待特定的时间延迟(48)。特别地，在波形的半个周期的25％至75％之间的时间延迟可以是所需的时间延迟。然后开关控制器18向开关16发送第二控制信号24以闭合，开关16将电源12连接到电动机10并使电动机10开始转动(50)。

因此，开关控制器18防止第一完全波形通过开关16。因此，基于通/断控制器20的定时能够通过开关16的第一波形仅部分地通过开关16。因此，可以限制流过开关16的初始电流。在三相电力被提供到如图1所示的电动机10的情况下，开关控制器18优选地监测相波形中的每个相波形。在监测涉及过零的监测并且预定状态涉及过零后的时间延迟的情况下，优选的是这些条件独立地应用于相和开关16中的每个相和开关。即，因为这些相中的每个相在不同时间过零，因此每个相的开关16也可以在不同时间闭合。因此，在每个相的波形通过特定比率或定时彼此偏移的情况下，开关16将会通过相同的相偏移定时由开关控制器18闭合。因此，与当接收到接通电动机的控制信号时所有开关立即同时闭合的传统控制不同，所述的方法涉及在不同的时间闭合开关16(例如，如通过相偏移所确定的)并延迟每个开关16以防止完全的第一波形通过开关16。

如果需要进一步缓和涌入电流，还有可能在多个初始波形上使用所述的方法。例如，在开关16遵循时间延迟闭合后，在第二波形通过开关16之前开关16可以重新断开。这可以在过零处发生。然后在第二波形期间在再次闭合开关16之前，开关控制器18可以以上述类似的方式监测第二波形，以防止第二完全波形通过开关16。还可能期望的是闭合开关16的时间延迟在第一波形期间较多，并且在随后的波形中较少。例如，在第一波形期间时间延迟可以是75％；在第二波形期间时间延迟可以是50％；在第三波形期间时间延迟可以是25％；并且此后开关16可以保持闭合。因此，每个随后的波形使更多的电流通过开关16。优选地，开关16的重新断开、延迟和闭合在10个或更少的波形内被完成，使得此后开关16在随后的波形期间保持闭合。

尽管已经描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，本发明不限于此，并且可以在不背离本文的发明的情况下进行修改。尽管本文描述的每个实施例可能只参考了某些特征并且可能没有具体参考关于其他实施例描述的每个特征，但是应当认识到，除非另外描述，否则本文描述的特征是可互换的，即使没有参考特定的特征。还应当理解，上述优点不一定是本发明的唯一优点，并且不一定需要所有所述优点都通过本发明的每个实施例实现。本发明的范围由所附权利要求限定，并且包含在权利要求的意义中的所有设备和方法，无论是字面上还是等效，都旨在被包含在其中。