CN115898898A - 控制流体机械的旋转方向的方法和配置为执行该方法的处理单元 - Google Patents

控制流体机械的旋转方向的方法和配置为执行该方法的处理单元 Download PDF

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Abstract

控制具有定向叶片叶轮的流体机械的旋转方向的方法，其包括以下步骤：启动(100)同步电动机，所述同步电动机操作所述流体机械，直到达到同步状态；通过施加相位切割在稳态下驱动(200)所述同步电动机；施加(300)与参考功率对应的相位切割，其中所述参考功率在保持螺旋桨在正确方向旋转所需的第一功率和保持螺旋桨在与正确方向相反的错误方向旋转所需的第二功率之间。

Description

控制流体机械的旋转方向的方法和配置为执行该方法的处理单元
申请领域
本发明在其更一般的方面涉及控制流体机械的旋转方向的方法以及具体布置为用于实施所述方法的处理单元。
在优选的方式中，该方法涉及控制配备有使用同步电动机驱动的定向叶轮的家用电器的洗涤泵或排水泵。
本发明的技术领域涉及流体机械领域，具体地泵的领域；具体地，本发明找到其在大型家用电器的工业领域中优选的用途，例如用于控制洗衣机或洗碗机中的洗涤或排水泵。
更一般地，本发明可以应用于需要区分同步电动机的旋转方向的所有领域，例如通风领域。
现有技术
同步电动机，特别是具有永磁体的同步电动机，在本领域中是已知的，并且目前用于包括家用电器领域中的部件和泵的运行在内的多种应用。实际上，除了相对低的生产成本之外，这些电动机还受益于稳态下的高能效和优异的速率稳定性。
另一方面，同步电动机，尤其是单相类型的同步电动机，具有与其启动相位相关的已知缺点。特别地，对于本发明，应当注意，这些机器是双向的，即他们能在一个或另一个旋转方向上以无差别的方式启动。如果这在备有在两个旋转方向上确保相同性能的径向叶片叶轮的电动泵上不产生问题，那么当使用具有较高效率但必须在正确的方向启动的定向叶片叶轮时，必须引入机械和/或电子措施。
在大型家用电器的同步电动泵中使用的方向控制装置可以使用位置传感器，绝对确定地确保满足所需条件。
然而，还有不使用位置传感器而执行电机控制的装置，从而获得较低的生产成本并避免元件故障的风险。对于这种类型的泵，以及对于具有减少的液压回路和具有低或可变载荷的某些应用，不总是获得在正确方向上的启动。实际上，在与期望方向相反的方向上存在剩余次数的电动机的启动，大约等于总启动次数的约2％。在这些情况下，除了操作噪声令人烦恼的增加之外，泵的液压性能显著地降低。
在该领域目前的知识状态下，提高正确启动的百分比需要使用位置传感器。然而，控制电子设备不总是配备所述传感器，因为如前所述，它具有需要考虑的额外成本。
对于家用电器的泵的上述公开的考虑因素同样适用于由使用定向叶片叶轮的同步电动机控制的其他流体机械，例如在通风领域中发生的那样。
因此，本发明的技术问题是提供用于控制流体机械的旋转方向的方法，该方法确保了更好的结果而不发生生产成本的显著增加。
发明概述
上述技术问题通过控制具有定向叶片叶轮的流体机械的旋转方向的方法来解决，该方法包括以下步骤：
启动操作所述流体机械的同步电动机，直到达到同步状态；
通过施加相位切割在稳态下驱动所述同步电动机；
施加与参考功率对应的相位切割，其中所述参考功率在保持所述流体机械的叶轮在正确方向旋转所需的第一功率和保持所述流体机械的所述叶轮在与正确方向相反的错误方向旋转所需的第二功率之间。
基本上，本发明表明相对于现有技术系统的观点的变化，其仍然能与现有技术系统组合。事实上，如果在现有技术中试图总是确保电动机在期望的方向启动，则本发明相反地表明在启动之后立即应用的实际旋转方向的验证。
使用在这种类型的电动机中已经存在的相位切割是特别有利的，因为其允许通过在短时间内以预定义的值强加切割来执行旋转方向的验证。
优选地，实际上将与参考功率对应的相位切割施加有限的时间段，唯一的目的是验证电机的正确旋转，并且如果不是，则导致同步丢失。
具体地，与参考功率对应的相位切割可以是使用参考相位角的恒定相位切割。
所述预定相位角可以从理论插值法或优选地从实验结果得出。
注意到，为了评估叶轮的旋转方向，电机吸收的功率的验证将涉及使用通常不存在于家用电器的泵的控制板上的功率表。
然而，考虑到供电电压的范围和构成流体机械的部件的公差，相电流的测定也可能会不太精确，并且将冒无法得出可靠结果的风险。
优选地，在本发明的方法中使用的电机是由TRIAC控制的单相或两相同步电动机。
更优选地，所使用的同步电动机是永磁类型的。
优选地，在通过施加相位切割在稳态下驱动所述同步电动机的阶段，反馈控制相位角以在最佳能量状态下工作。
已经在申请人的其他专利中，例如并入本申请作为参考的第EP2410653号和第EP2439840号欧洲授权专利中公开的优化相位切割的方法可以提供诸如所述相位角的反馈控制，以便消除在向电动机提供的相电流函数的零电流平稳段的中点和与相同相位相关的反电动势信号的过零点之间的相位移。
优选地，流体机械是例如洗衣机或洗碗机的家用电器的洗涤泵或排水泵。在任何情况下，注意到本发明可以类似地应用于另一流体机械，只要他们使用同步电动机并且移动定向叶片叶轮；例如，其能用于通风领域。
如前所述，当流体机械在错误的方向旋转时，施加与参考功率对应的相位切割的阶段导致电动机缺乏同步性；在这种情况下，该方法提供重新启动电动机的阶段。
还通过控制流体机械的处理单元来解决前述技术问题，所述处理单元布置为通过实施前述控制方法来控制同步电动机的至少一电源开关，所述同步电动机操作所述流体机械。在单相电动机的情况下，该单元以本身已知的方式控制单个开关，但是在两相电动机的情况下，该单元控制两个开关。
参照附图以非限制性示例的方式给出的示例性优选实施方案的以下描述，使本发明的其他特征和优点将变得显而易见。
附图简要说明
图1示意性地表示与马达清洗泵组件相关的电子装置，所述电子装置包括本发明的处理单元；
图2表示简要说明本发明的方法的若干阶段的框图；
图3表示在定向叶片叶轮的正确旋转方向的情况下以及在错误旋转方向的情况下，图1的马达-泵组件的泵的流速-扬程曲线和功率曲线；
图4再现了图3的曲线，进一步显示本发明的方法中使用的参考功率，以便区分叶轮的正向旋转或反向旋转；
图5显示了与参考曲线相比在旋转方向验证测试期间作为施加到图1中的电机-泵组件的电源电压的函数的切割时间的实验数据。
详述
参考附图1，标号50表示家用电器的洗涤泵，具体地是洗衣机或洗碗机(未在附图中示出)的洗涤泵。泵50以本身已知的方式允许洗涤水在洗涤室内的供应和/或再循环。
应当以举例的方式来理解本申请的优选实施方案，并且不排除本发明在不同类型和/或具有不同功能的其他流体机械上使用。
本发明中使用的泵50具有定向叶片叶轮。定向叶片叶轮本身在本领域中是已知的，其具有相对于叶轮自身半径的叶片的曲率。因此，在叶轮叶片的凸面方向上限定了叶轮的优选旋转方向。该优选方向确保了叶轮显著更好的液压性能。在本申请中，优选的旋转方向称为正确方向，而将相反方向认为是错误方向。
通过同步型的电动机1操作泵50；优选地，在本发明中，使用单相永磁同步电动机。
优选地采用控制板形式的电子装置20与电动机1相关联，并且布置为通过相位切割来驱动电动机1。
所述电子装置20包括静态开关21，在该特定情况下是TRIAC开关，其布置为用于切断由电网22以交流形式提供的并被引导到电动机1的电源线圈的电流。
TRIAC开关21与处理单元30的输出端33连接，该处理单元优选地采用微处理器的形式。
电子设备20可以具有带有网络35的同步部分，其向处理单元30发送网络同步信号25；输出端33的控制可以与所述网络同步信号同步。
此外，电子设备20具有处理单元的电源部分36，其也被布置为向所述单元提供电压的参考信号。
处理单元30具有接收电源电压信号23的第一输入端31以及接收通过开关24的电压信号的第二输入端32。
通过处理所述信号，处理单元30能够在电流为零时，间接测量由同步电动机1产生的反电动势，该反电动势作为电源电压信号23和开关24上的电压信号之间的差获得。处理单元30检测所述零电流条件，仍然评估通过开关24的电压信号，并且具体地确保该信号充分偏离零值。
在驱动单相同步电动机1的特定情况下，在图1中示出的电子装置20可以被不同地布置以驱动两相同步电动机，在这种情况下，显然将存在两个开关以调制两相电源。
在单相电机和两相电机的情况下，可以以相同的方式实施本发明的方法，其在下文中在其优选实施方案中详细描述。
上述电子装置20能够以本身已知的方式启动电动机1，使其达到同步速度率。该启动阶段在图2的流程图中用标号100表示。
注意到可以实施机械和电子类型的已知措施来使电机尽可能多地启动，使得在大多数时间叶轮在正确的旋转方向上启动。
一旦已经达到同步速率，就将电子装置20布置为通过相位切割，即通过改变相位角α来驱动电动机1，该相位角α确定TRIAC开关相对于馈路电流符号改变的接通延迟。
在图2中用标号200表示的该驱动阶段中，反馈控制相位角α，以优化电动机1的能量性能。
具体地，通过将通过闭合TRIAC开关21施加的零电流平稳段的中点处的电动势函数的过零点识别为电机的理想操作条件，反馈控制发生。显然，零电流平稳段的延伸及其中点的相对位置取决于电流的每一半周期的相位角α的值。
众所周知，追寻的条件对应于消除线圈的电源电流和同步电动机1产生的反电动势之间的相位移，以确保同步电动机本身能效的优化(忽略铁中的损耗)。
由于根据上述模态在其中处理的反电动势信号，处理单元30能够评估电机的行为相对于理想操作条件如何偏离，从而对TRIAC开关21的相位角α进行反馈校正。
根据本发明，通过施加恒定的切割或参考相位角α0，在启动之后不久，使根据上述模态的具有相位切割的泵50的驱动发生。基于下文讨论的实验结果，有利地选择所述相位角α0，以便在叶轮在错误的旋转方向上旋转时使电动机1失去同步性；相反地，提供的功率仍然足以维持叶轮在正确的旋转方向上旋转。因此，在图2中用标号300标识的该阶段在旋转方向上进行测试，并在错误启动的情况下使电机停止。
当电动机1在错误启动的情况下失去同步性时，执行新的启动阶段100。相反地，如果电动机1没有失去同步性，这表示正确的旋转方向，则恢复正常相位切割200，并且在下次启动之前不再执行旋转方向的测试。
由于叶轮的液压性能在两个旋转方向上显著不同，因此可以识别允许区分在正确方向上旋转和在错误方向上旋转的参考相位角α0。
在图3和4中，示出了描述泵50工作的液压回路的流速-扬程曲线：曲线hrd涉及叶轮在正确的旋转方向上的运行，而曲线hwd涉及叶轮在错误的旋转方向上的运行。在图中，还绘出了具有正确prd旋转方向和错误pwd旋转方向的泵50所吸收的功率。
如能够立即看到的，当泵在错误方向上工作时，泵50的液压性能显著恶化：实际上，工作点Wwd对应于比在正确方向上旋转的工作点Wrd的流速显著更低的流速。此外，在错误方向上工作的泵吸收的功率Pwd显著高于在正确方向上工作的泵吸收的功率Prd。
如图4所示，因此可以识别参考功率P0，其高于在正确配置中由泵50吸收的功率，但是低于在错误配置中由泵50吸收的功率。在所提出的图表涉及的示例性实施方案中，具有正确旋转的泵吸收的功率Prd等于约42W，具有错误旋转的泵吸收的功率Pwd等于约53W，并且所选择的参考功率P0保持在47W。
如先前所表明的，可以通过施加恒定的和预定的切割来提供上述参考功率P0，特别是基于上述参考相位角α0，取决于向家用电器供电的电源电压(在本文中考虑的示例中为100V)，上述参考相位角α0将对应于期望功率。
通过使用例如上述具有可变切割的驱动算法，并且通过验证应用于不同电源电压的切割百分比，可以通过实验性测试来确定参考相位角α0的值。这样的实验数据d在图5中示出，其中与在标称情况下和具有低温水和高温水的非常差的情况下的某些参考曲线ref比较来绘制他们。
前面描述的方法和处理单元具有允许使用当前存在于洗涤泵/排水泵或其他流体机械上的部件来识别叶轮在非最佳方向上启动的优点，而没有额外的生产成本。
由于实施了本领域已知的机械和电子措施，该方法的应用允许立即避免已经减少了次数的错误方向上的启动。
另一优点源于该方法可以在无传感器模式下执行的事实。
注意到，为了区分叶轮的两个旋转方向，通过功率表直接测量功率将是替代地可能的，但应注意，该部件通常不存在于洗涤泵/排水泵的控制板中，因此将代表生产成本中要考虑的额外负担。
然而，考虑到供电电压的范围和构成流体机械的部件的公差，相电流的测定也可能会不太精确，并且将冒无法得出可靠结果的风险。
显然，技术人员能对方法和处理单元进行若干改变和变型以满足可能的和特定的需要，所有这些改变和变型包含在由所附权利要求书限定的本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.控制具有定向叶片叶轮的流体机械(50)的旋转方向的方法，其包括以下步骤：
启动(100)同步电动机(1)，所述同步电动机(1)操作所述流体机械(50)，直到达到同步状态；
通过施加相位切割在稳态下驱动(200)所述同步电动机(1)；
施加(300)与参考功率(P0)对应的相位切割，其中所述参考功率(P0)在保持所述流体机械(50)在正确方向旋转所需的第一功率(Prd)和保持所述流体机械(50)在与所述正确方向相反的错误方向旋转所需的第二功率(Pwd)之间；
其中，当所述流体机械(50)的所述叶轮在所述错误方向旋转时，施加(300)与所述参考功率(P0)对应的相位切割的步骤导致所述电动机(1)失去同步性，所述方法因此提供重新启动所述电动机(1)的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其中，与所述参考功率(P0)对应的所述相位切割是使用参考相位角(α0)的连续相位切割。
3.如权利要求2所述的方法，其中，从实验结果得出所述参考相位角(α0)。
4.如前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中，在有限的时间段内施加与所述参考功率(P0)对应的所述相位切割。
5.如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其中，所述电动机(1)是单相或两相永磁同步电动机。
6.如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其中，在通过施加相位切割在稳态下驱动(200)所述同步电动机(1)的所述步骤中，反馈控制相位角(α)以在最佳能量状态下工作。
7.如权利要求6所述的方法，其中，在通过施加相位切割在稳态下驱动(200)所述同步电动机(1)的所述步骤中，反馈控制所述相位角(α)，以便消除在向所述电动机(1)提供的相电流函数的零电流平稳段的中点和与相同相位相关的反电动势(fcem)信号的过零点之间的相位移。
8.如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其中，所述流体机械(50)是诸如洗衣机或洗碗机的家用电器的洗涤泵或排水泵，或者是通风系统的风扇。
9.用于控制流体机械(50)的处理单元(30)，所述处理单元(30)布置为通过实施权利要求1至3中任一权利要求所述的控制方法来控制同步电动机(1)的至少一电源开关(21)，所述同步电动机(1)操作所述流体机械(50)。
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