CN100440721C

CN100440721C - 一种变频交流调速驱动的洗衣机

Info

Publication number: CN100440721C
Application number: CNB2005101210510A
Authority: CN
Inventors: 区长钊; 朱健昭; 卓春光
Original assignee: JIANGMEN CITY WASHING MACHINE FACTORY
Current assignee: JIANGMEN CITY WASHING MACHINE FACTORY
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: CN1988368A

Abstract

一种变频交流调速驱动的洗衣机，包括：反复地正转—停—反转—停可逆旋转的洗涤机械系统或/和单向旋转的脱水机械系统；向洗涤机械系统或/和脱水机械系统输出旋转力的传动机构；驱动所述传动机构的异步电动机；输出频率F可调和电压U可调的可调电源向所述异步电动机供电；所述洗涤机械系统可逆旋转或/和脱水机械系统单向旋转每一自零至最高转速的启动全过程或部分过程，可调电源输出的频率F是时间T的增函数，电压U是频率F的增函数。所述频率F是时间T的增函数为如下直线函数：F＝AT+B或/和所述电压U是频率F的增函数为如下直线函数：U＝CF+D式中：A，B，C，D为常数。该设计可改善启动过程的效率，明显降低洗衣机的能耗和振动噪声。

Description

一种变频交流调速驱动的洗衣机

技术领域

本发明涉及一种变频交流调速驱动的洗衣机，尤其是这样的家用全自动洗衣机，在国际专利分类表中，可属于D06F33/02。

背景技术

为改进性能，家用电动洗衣机的洗涤机械系统或/和脱水机械系统近年来已由以往单相驱动发展至变频交流调速驱动，即把原固定频率的单相交流电源直接驱动单相电容运转异步电动机，改为控制一个逆变电路把所述电源转换成可变压变频的对称多相电源，驱动多相交流异步电动机。但现有技术主要是把工业上通用的变频器技术直接用于洗衣机，降低了噪声，提高了效率和获得了适当的调速功能，但结合洗衣机的运行特点的改善仍不足。例如，洗涤机械系统在反复的正转-停-反转-停的可逆运转中驱动水流带动衣物运动，每一正转或反转启动时的加速过程使洗涤物在洗涤液中产生了就洗涤机理而言至关重要的翻滚，因此需要有相当的加速度，但过高的加速度容易损伤与搅拌机械接触的衣物。脱水机械系统则通常存在一个约1Hz和一个(5～10)Hz的共振点。脱水启动时，需要使脱水桶加速旋转，尽快越过该二个共振点，避免共振的发生，但过高的加速度容易使均匀分布的衣物不规则汇集导致重心不平衡，加剧振动和噪声。另一方面，洗衣机的洗涤机械系统转动惯量不大，却有较大摩擦阻转矩，且在大部分速度区间基本恒定，仅在接近最高速度时，水中衣物被充分搅动至与搅拌机械脱离接触，才进一步叠加与速度的平方成正比的流体阻转矩；脱水机械系统摩擦阻转矩不大，却有较大的转动惯量，电动机在启动过程需要适当的转矩，才能驱动所述系统在启动过程达到适当的加速度。现有技术未能适当应用变频交流调速技术处理洗衣机的启动过程，并通常是在某一固定的频率和电压下完成每一次启动，以至性能和效率尚不如人意。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种变频交流调速驱动的洗衣机，使变频交流调速技术结合洗衣机的运行特点，进一步改善性能和效率。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，一种变频交流调速驱动的洗衣机，包括：反复地正转-停-反转-停可逆旋转的洗涤机械系统或/和单向旋转的脱水机械系统；向洗涤机械系统或/和脱水机械系统输出旋转力的传动机构；驱动所述传动机构的异步电动机；输出频率F可调和电压U可调的可调电源向所述异步电动机供电；所述洗涤机械系统可逆旋转或/和脱水机械系统单向旋转每一自零至最高转速的启动全过程或部分过程，可调电源输出的频率F是时间T的增函数，电压U是频率F的增函数。

异步电动机通常在一段不太宽的转差率范围表现较高的效率，该范围与其运转的同步频率大体无关。在每一自零至最高转速的启动过程，控制供电频率F为时间T的增函数，异步电动机运转的同步频率即为时间T的增函数，异步电动机在其转速升高的同时即可运行在变动不大的转差率范围，尤其是运行在效率较高的转差率范围；同时设计输出电压U是输出频率F的增函数，使磁通不因输出频率F的增大而减少，以保持比较恒定的转矩，因而获得适当的启动性能，尤其是在启动过程提高了电动机的效率。由于洗衣机的启动过程占整个运行时间很大的比例，巧妙地应用本设计，可显著地节能和改善噪声振动。

本技术方案还包括，所述频率F是时间T的增函数为如下直线函数：

F＝AT+B

所述电压U是频率F的增函数为如下直线函数：

U＝CF+D

式中：A，B，C，D为常数。

该直线函数的设计可以使电动机保持较恒定的磁通，即输出较恒定的转矩，其作用于洗衣机的洗涤机械系统一定的阻转矩或/和脱水机械系统一定的转动惯量，将可以产生比较适当的匀加速过程。

还可以设计在启动的部分过程，常数A为零同时B不为零或者A不为零同时B为零，或/和常数C为零同时D不为零或者C不为零同时D为零，因而实现性能更好的多段升速。

对于具有不平衡检测功能的洗衣机，在脱水机械系统启动时，通常首先C取较小的值，使之以较小的加速度运转，避免使原来比较均匀分布的衣物不规则地汇集导致重心不平衡，以致加剧洗衣机的振动和噪声。若在该启动过程中不平衡检测装置动作并导致停机，重新启动时，C即改为取较大的值，使脱水桶加速旋转，尽快越过所述二个共振点，避免共振的发生。

本发明的技术方案和具体设计挖掘变频洗衣机固有的可调电源的能力，且均可通过调整现有技术的软件实现，在无需增加成本的情况下，获得了意想不到的结果。

附图说明

以下附图用于说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明实施例全自动洗衣机的整机的结构示意图；

图2是本发明实施例全自动洗衣机的电路框图；

图3是本发明实施例全自动洗衣机的电动机驱动系统电路框图；

图4是本发明实施例全自动洗衣机的洗涤运转电压频率控制流程图；

图5是本发明实施例全自动洗衣机的脱水运转电压频率控制流程图。

具体实施方式

本发明实施例全自动洗衣机的整机结构如图1所示。在设置于底座上的外箱体1内通过吊杆2可自由摆动地吊置有盛水桶3，在盛水桶3内可自由回转地设置有底部带回转搅拌器4的洗涤脱水槽5，在盛水桶3的底部安装有经减速离合器7驱动搅拌器4或脱水槽5的电动机6和牵引器排水阀13，外箱体1和盛水桶3的上方安装有顶盖9，顶盖9上装有可自由开闭的机盖10，水位传感器14、接收传感信号并对电动机6等电器进行控制的程序控制器12和进水电磁阀8安装于洗衣机顶盖9之内。外箱体1内设置安全开关11，其驱动杠杆位于外箱体1与盛水桶3之间。盛水桶3偏斜至一定程度时可以使安全开关11的触点接通。借助与驱动杠杆联动的结构，安全开关11同时监控机盖10的启闭状态。洗涤脱水槽带动衣物旋转产生的离心力进行脱水，运转时间约4min，加速时间约20s，稳定转速约900转/分；搅拌器4反复地进行正转3s-停1s-反转3s-停1s的可逆运转，正转或反转的加速时间约0.9s，稳定转速约150转/分。以上描述为现有技术波轮式全自动洗衣机的典型结构和工作情况。现有技术搅拌式全自动洗衣机的典型结构也类同，只是可逆运转的节拍时间更快。

图2是对图1所示洗衣机设计为变频驱动的洗衣机的电路框图。程序控制器12包括一单片机15(型号为TMP86C846)及驱动电路16。驱动电路16包括一由单片机15的一组I/O口控制的逆变电路和由单片机15的2个I/O口触发控制的2路双向晶闸管。逆变电路控制驱动电动机6，如图3所示。第1路双向晶闸管的输出连接进水电磁阀8，第2路双向晶闸管的输出连接牵引器排水阀13。洗涤、漂洗和脱水等方式选择开关17，水位传感器14与安全开关11等的输出连接单片机15的3个I/O口。

如图3所示，来自电网的220V50HZ的交流电源111和连接于其输出端并把交流整流变换成直流电压的整流滤波电路112构成直流电源113；在直流电源的输出端连接逆变电路114。在逆变电路114的输出端连接着电动机6。逆变电路114连接单片机15，并受其控制。此为典型的AC-DC-AC间接变换方式的控制装置，但并不限定于此，也可以是不设整流滤波电路的AC-AC直接变换方式的控制装置。整流滤波电路112包括：由二极管D1和电容器C1组成的正电源的整流滤波电路；由二极管D2和电容器C2组成的负电源的整流滤波电路。二组电源的整流滤波电路的零电位点与电源111的一输出线(通常为中性线)相连。此为双半波整流滤波电路。但不限定于此，当需要最高为2倍或0.5倍电网电压的变频电源时，可使用全波和/或倍压整流，以及单电容滤波电路或双电容串联中心点输出的正负双电源滤波电路。逆变电路114备有二个高电位侧单元(开关元件V1a、V1b各与其输入连接着的驱动电路K1a、K1b的组合)，和二个低电位侧单元(开关元件V2a、V2b各与其输入连接着的驱动电路K2a、K2b的组合)。开关元件V1a、V1b、V2a和V2b的发射极和集电极各并联有续流二极管D1a、D1b、D2a和D2b；但不限定于此，也可以是并联或/和串联适当的电阻、电容、电感和半导体器件或其它压敏元件组成的保护电路。上述开关元件可以使用包含4个或2个IGBT的模块，或者分立的IGBT元件；也可以使用除了IGBT之外的功率元件，例如功率型MOSFET、GTR(BJT)和GTO等。此外，也可以是上述所有单元加上保护电路封装一体的集成功率模块，如IPM等。逆变电路114为双半波4单元，每二个单元为一组，在单片机15的控制下，把直流电源调制为有一个公共端、时滞1/6周期和振幅相同的二相电源：开关元件V1a、V2a组成一组双半波逆变电路，形成公共端C至输出端子A的电压

u_CA＝U_msinωt；

开关元件V1b、V2b组成另一组双半波逆变电路，形成公共端C至输出端子B的电压

u_CB＝U_msin(ωt+π/3)。

结果，输出端子A和B及公共端C依端子的顺序输出三相对称电压：

u_AB＝U_msin(ωt+2π/3)；

u_BC＝U_msin(ωt-2π/3)；

u_CA＝U_msinωt。

电动机6为三相异步电动机，在该三相对称电压驱动下运转。该三相电压产生的方式还可见于本申请人的中国发明专利申请说明书CN1332287A《变频三相驱动的洗衣机》，当然也可以是传统的6单元的逆变电路的三相电压产生方式，或者驱动的是二相对称异步电动机，可见于本申请人的中国发明专利申请说明书CN1325178A《变频驱动的洗衣机》；此外，本实施例的变频调制为现有技术SVPWM或SPWM等的电压型脉宽调制方式，当然也可以是电流型或/和脉幅调制等方式。

按照采用现有技术交流变频调速系统的变频洗衣机的设计，本实施例单片机15内的软件设计了SVPWM或其它优化的SPWM的生成程序，按照洗衣机运转特性所需的固有设定和动态调整的要求，控制逆变电路114输出的频率、电压和相位；单片机15内部和外围会设有为本实施例电路保护、控制和电磁兼容所需的外围电路与元件；单片机15的软件还包括本实施例按照传统洗衣机进行的洗涤、漂洗和脱水等程序和对相关的传感和控制功能的处理。本实施例单片机15内的软件相对于现有技术变频洗衣机的改进主要是：

(1)在洗涤和漂洗程序中每一正转或反转，逆变电路114输出的频率F和电压U由单一电压220V和50Hz设定改变为按时间T自每一正转或反转开始以下函数设定：

当0≤T≤0.1 F＝100T， U＝5F；

当0.1≤T≤0.9 F＝50T+5， U＝4F+20；

当0.9≤T≤3 F＝50， U＝220；

式中各变量的单位：T-s，F-Hz，U-V；下同。

可以看出，逆变电路114的输出在函数第1段(0≤T≤0.1)，频率F和电压U各按照一斜率较大的直线函数快速上升至一较低的值(F＝10，U＝50)；然后在函数第2段(0.1≤T≤0.9)，频率F和电压U各按照一斜率较小的直线函数上升至设定值(F＝50，U＝220)，完成启动过程；然后在函数第3段(0.9≤T≤3)，频率F和电压保持为设定值(F＝50，U＝220)，系统恒速运转，直至该正转或反转时间结束。

以上控制流程参见图4。该子程序开始即进入步骤101对T置零并开始计时，在步骤102对T计时的情况进行处理：结果依次在步骤103～104，实施上述函数第1段，在步骤105～106，实施上述函数第2段，在步骤107～108，实施上述函数第3段，子程序结束返回。

(2)在脱水程序的每一次持续通电，逆变电路114输出的频率F和电压U由单一电压220V，50Hz设定改变为按时间T自启动开始以下第1方式的函数设定：

当0≤T≤20 F＝2T+10， U＝4F+20；

当20≤T≤240 F＝50， U＝220。

可以看出，逆变电路114的输出频率F和电压U在函数第1段(0≤T≤20)按照一定斜率的直线上升至至额定值(F＝50，U＝220)，系统的转速也以一定的加速度上升至额定值，完成启动过程；在函数第2段(20≤T≤240)，频率F和电压保持为额定值(F＝50，U＝220)，使系统以额定值恒速运转，直至脱水时间结束。

如果在上述脱水启动过程，安全开关11动作，则改为按以下第2方式的函数设定：

当0≤T≤1 F＝2T+10， U＝5F+2；

当1≤T≤8 F＝2T+10， U＝4F+14；

当8≤T≤11 F＝2T+10， U＝5F-12；

当11≤T≤20 F＝2T+10， U＝4F+20；

当20≤T≤240 F＝50， U＝220。

可以看出，逆变电路114的输出频率F在函数第1段至第4段均按照同样斜率的直线上升，直至最后达到额定值(F＝50)，电压U在函数第1段(0≤T≤1)按照一斜率较大的直线快速上升至一较低的值(U＝62)，使系统的转速以较高的加速度上升，快速越过第1共振点；电压U在函数第2段(1≤T≤8)按照一斜率较小的直线上升至约额定值的一半(U＝118)，使系统的转速以较低的加速度上升，接近第2共振点；电压U在函数第3段(8≤T≤11)按照与函数第1段同样斜率的直线上升至约额定值的2/3(U＝148)，使系统的转速以较高的加速度上升，快速越过第2共振点；电压U在函数第4段(11≤T≤20)按照与函数第2段同样斜率的直线上升至额定值(U＝220)，系统的转速以较低的加速度上升至额定值，完成启动过程；在函数第5段(20≤T≤240)，频率F和电压保持为额定值(F＝50，U＝220)，使系统以额定值恒速运转，直至脱水时间结束。

如果在上述脱水启动过程，安全开关11仍动作，改为按以下第3方式的函数设定：

当0≤T≤12 F＝4T+2， U＝5F；

当12＜T≤240 F＝45， U＝180；

可以看出，逆变电路114的输出频率F和电压U在函数第1段均按照一斜率较大的直线快速上升至较高的设定值，使系统的转速以较高的加速度上升，快速达到较高的转速；在函数第2段，频率F和电压U保持为一个有所降低的值，使系统以一个有所降低的转速恒速运转，以便降低未能纠正的系统不平衡导致的震动，直至脱水时间结束。该设计有利于避免未能纠正的系统不平衡导致的加速过程中安全开关11动作。

以上控制流程参见图5。该子程序开始即进入步骤201，随时对记录安全开关11动作的变量K情况进行处理。程序开始，安全开关11未动作过，K置零，故首先沿步骤210～215实施上述第1方式的函数，直至结束返回。若其间安全开关11动作，K记为1，立即改为沿步骤220～231实施上述第2方式的函数，直至结束返回。若其间安全开关11再次动作，K记为2，立即改为沿步骤240～245实施上述第3方式的函数，直至结束返回。各方式的步骤中，均首先对T置零并开始计时，然后对T计时的情况进行处理：结果依次在随后步骤实施函数的各段(可参考图4的说明)。

此外，还可以设计在启动过程的中途有一段斜率为零的直线函数，使脱水旋转系统以较低速度恒速运转一段时间，以适当降低洗涤液的排除速度，避免产生泡沫粘连的问题，也有利于降低震动和噪声，甚至可以替代传统的在连续脱水之前设置的间脱程序。例如，所述函数按如下分为3段：

当0≤T≤T1 F＝A1*T+B1， U＝C1*F+D1；

当T1≤T≤T2 F＝B2， U＝D2；

当T2≤T≤T3 F＝A3*T+B3， U＝C3*F+D3；

或者，按如下分为4段：

当0≤T≤T1 F＝A1*T， U＝C1*F；

当T1≤T≤T2 F＝A2*T+B2， U＝C2*F+D2；

当T2≤T≤T3 F＝B3， U＝D3；

当T3≤T≤T4 F＝A4*T+B4， U＝C4*F+D4；

后一例增加了开始的一段截距为零的直线函数，是针对一些专用单片机固有程序的特殊设计。

又所述恒速运转一段时间的速度设计值应介于脱水机械系统单向旋转的共振速度n1(约60r/m)和n2(约300～600r/m)，以避免共振。可按照异步电动机的极对数p(皮带传动时通常为2，直接传动时通常为3)和最高效率时的转差率s(150～250W的电动机通常为0.1～0.2)和电动机轴至洗涤脱水槽的传动比i(皮带传动时约3/2，直接传动时为1)，对于前一例设计所述常数为如下关系：

n1＜(A1×T1+B1)(1-s)/p/i＜n2

对于后一例设计所述常数为如下关系：

n1＜(A2×T2+B2)(1-s)/p/i＜n2

为了脱水更平稳，以进一步改善性能和效率，所述恒速运转即斜率为零的直线函数还可以参照上述办法再增设1～3段，例如在n1和n2之间再增加1段，和在n2与最高速度之间增加一段。

本实施例中的电压、频率和时间的设计参数是基于中等容量的家用波轮式全自动洗衣机。对于不同容量和型式的洗衣机，其设计参数可通过对异步电动机的电磁计算(参见第1机械工业部上海电器科学研究所1971年编制的《中小型三相电动机电磁计算程序》和广州电器科学研究所1982年编制的《微型三相单相电动机电磁设计程序》)以及洗衣机机械系统的动力学和/或流体力学特性计算或实验得到(参见清华大学工程硕士专业学位论文《一种变频驱动洗衣机控制器的设计》，张建明，2004年6月)。

本实施例中的各函数的系数在各段为固定值，其实也可以设计为动态的、逐渐过渡的，包括连续过渡或分段过渡，以满足相应控制曲线的要求。可通过实验获得具体控制数值，编制在单片机15的软件中。

Claims

1、一种变频交流调速驱动的洗衣机，包括：反复地正转-停-反转-停可逆旋转的洗涤机械系统或/和单向旋转的脱水机械系统；向洗涤机械系统或/和脱水机械系统输出旋转力的传动机构；驱动所述传动机构的异步电动机；输出频率F可调和电压U可调的可调电源向所述异步电动机供电；所述洗涤机械系统可逆旋转或/和脱水机械系统单向旋转每一自零至最高转速的启动的全过程或部分过程，可调电源输出的频率F是时间T的增函数，或/和电压U是频率F的增函数；所述频率F是时间T的增函数为如下直线函数：

F＝AT+B

或/和所述电压U是频率F的增函数为如下直线函数：

U＝CF+D

式中：A，B，C，D为常数。

2、按照权利要求1所述洗衣机，其特征在于：还包括脱水不平衡检测装置；在所述脱水机械系统启动全过程，若不平衡检测装置动作并导致停机，重新启动时，使启动全过程或部分过程的C值增大。

3、按照权利要求1所述洗衣机，其特征在于：所述脱水机械系统单向旋转每一自零至最高转速的启动的全过程，可调电源输出的频率F是时间T的函数，电压U是频率F的函数，按如下分为3段：

当0≤T≤T1 F＝A1×T+B1， U＝C1×F+D1；

当T1≤T≤T2 F＝B2， U＝D2；

当T2≤T≤T3 F＝A3×T+B3， U＝C3×F+D3；

式中：T1，T2，T3，A1，A3，B1，B2，B3，C1，C3，D1，D2，D3为常数。

4、按照权利要求3所述洗衣机，其特征在于：所述脱水机械系统单向旋转具有共振速度n1和n2，所述异步电动机具有极对数p和最高效率时的转差率s，所述传动机构具有传动比i，与所述常数有如下关系：

n1＜(A1×T1+B1)(1-s)/p/i＜n2。

5、按照权利要求4所述洗衣机，其特征在于：还包括脱水不平衡检测装置；在所述脱水机械系统启动全过程，若不平衡检测装置动作并导致停机，重新启动时，使C1或/和C3增大。

6、按照权利要求1所述洗衣机，其特征在于：所述脱水机械系统单向旋转每一自零至最高转速的启动的全过程，可调电源输出的频率F是时间T的函数，电压U是频率F的函数，按如下分为4段：

当0≤T≤T1 F＝A1×T， U＝C1×F；

当T1≤T≤T2 F＝A2×T+B2， U＝C2×F+D2；

当T2≤T≤T3 F＝B3， U＝D3；

当T3≤T≤T4 F＝A4×T+B4， U＝C4×F+D4；

式中：T1，T2，T3，T4，A1，A2，A4，B2，B3，B4，C1，C2，C4，D2，D3，D4为常数。

7、按照权利要求6所述洗衣机，其特征在于：所述脱水机械系统单向旋转具有共振速度n1和n2，所述异步电动机具有极对数p和最高效率时的转差率s，所述传动机构具有传动比i，与所述常数有如下关系：

n1＜(A2×T2+B2)(1-s)/p/i＜n2。

8、按照权利要求6所述洗衣机，其特征在于：还包括脱水不平衡检测装置；在所述脱水机械系统启动全过程，若不平衡检测装置动作并导致停机，重新启动时，使C2或/和C4增大。