CN1201477C - 两台电动机的电动机控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

在电气设备中的负载由两台电动机(M1、M2)驱动。切换装置(R1、R2)在串联结构和并联结构之间切换电动机(M1、M2)，在串联结构中电动机(M1、M2)连接成串联形式跨接在电源上并由dc电源驱动，而在并联结构中电动机(M1、M2)连接成并联形式跨接在电源上并由ac电源驱动。在串联结构中，桥式整流器BR用于切换跨接的ac电源来为电动机(M1、M2)提供dc电源，而在并联结构中，整流器BR被从电路中切除。这种装置可以用来驱动洗衣机的滚筒或一些其它设备中的负载。

Description

两台电动机的电动机控制装置及方法

技术领域

本发明涉及驱动电气设备中负载的驱动器，以及结合了这种驱动器的电气设备。它能用在洗衣设备如洗衣机或洗衣机-干洗机中，但是并不局限于使用在这样的设备中。

背景技术

电动机被广泛地应用在各种目的的设备中。在洗衣设备如洗衣机、洗衣机-干洗机和干洗机中，使用电动机来旋转装有衣物的滚筒。滚筒要求在一定速度范围内旋转，从洗衣期间大约50rpm的相对较低旋转速度到甩干期间1600rpm或更高的较快旋转速度。在家用机器中，滚筒内的洗衣负载可以是11kg或更重的负载。清楚地说，要求旋转滚筒的电动机运行在较宽范围的条件下。典型地，电动机是由主电源供电的ac电动机。在欧洲，ac电动机常常是通用电动机。

众所周知，在车用牵引电动机领域，根据特定时间车辆的速度和转矩要求，采用在驱动串联电动机并联电动机之间切换的方式来驱动两台dc电动机。在串联和并联的两种装置中，电动机都是由dc电源供电驱动的。在英国专利No.1,422,161中示出了这种装置的例子。

在低速时，如果采用并联连接，则由于需要从电源吸收大电流，与绝对电流对应的谐波也很大，同时，由于电流大，触发角大，从而归一化的谐波含量大，且功率因数差。此外，由于电动机两个电刷在直流时磨损的不平衡，大大缩短了电动机的寿命。在高速时电刷磨损最厉害，进一步缩短电机寿命。

因此，需要一种控制方案来解决上述现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明寻求提供一种改进的操作包括两台电动机的电气设备的方法。

因此，本发明的第一个方面是提供一种驱动电气设备中负载的驱动器，该驱动器包括连接电源的、其输出被用于驱动负载的第一台和第二台电动机，以及用于在下列两种结构之间切换电动机的切换装置，这两种结构是：

串联结构，其中电动机连接成串联形式跨接在电源上，并由dc电源供电驱动；以及

并联结构，其中电动机连接成并联形式跨接在电源上，并由ac电源供电驱动。

在本发明的一个优选实施例中，当所述负载需要以第一速度驱动时，所述切换装置以串联结构连接所述电动机，当所述负载需要以高于所述第一速度的第二速度驱动时，所述切换装置以并联结构连接所述电动机。

在本发明的另一优选实施例中，所述切换装置还包括连接在每台电动机的电枢和转子之间的切换装置，该切换装置可以在电流以第一个方向流过所述电动机的第一个结构和电流以第二个方向流过所述电动机的第二个结构之间运行。

最好地，在串联结构中电源是ac电源，切换装置切换跨接在ac电源上的整流器以提供dc电源。在功率开关器件(三端双向可控硅开关)被关断期间，通过桥式整流器的空载电流在桥式整流器的dc侧给出了比ac侧更高的r.m.s.电流，并因此给出比正常能从给定的ac输入电流中得到的转矩更大的电动机转矩。这就具有这样的优点，在低速时，与使用ac供电并给出相同输出转矩的电动机所要求的相比，可以指定更小叠片的电动机。还有，桥式整流器和相关元件的额定电流只需要等于电动机被串联连接时的电流就行，从而减少了元件成本和尺寸。更进一步，由于桥式整流器只在低速运行期间散热，所以需要较小的散热片。在高速时从电路中切除桥式整流器意谓着，在这些条件下从电源侧看是感性负载，并且触发角被减小，这些一起减少了电源电流的谐波含量。

所说明的实施例表示了一种洗衣设备，其中电动机被用来旋转装有衣物的滚筒，但是本发明也可以应用到其它形式的电气设备中。

本发明的另一个方面是提供一种操作用于驱动电气设备中的负载的驱动器的方法。

这种装置具有这样的优点，即在低速时吸收的电流是电动机并联连接时所要求电流的一半，绝对电流谐波也相应地减少。更进一步，在低速时，串联连接电动机总的端电压是并联连接电动机的两倍，使得触发角较小(即较大的开启周期)，这就减小了归一化的谐波含量并改善了功率因数。电动机两个电刷在直流时磨损的不平衡，大大缩短了电动机的寿命。在高速时电刷磨损最厉害，此时切换到ac使得电刷磨损更平衡，因而延长了电动机寿命。

附图说明

以下将参考附图对本发明的实施例进行说明，其中：

图1是具有两台电动机的洗衣机的后视图；

图2表示穿过图1所示机器的剖面的部分示意图；

图3A表示用于控制图1机器中电动机的设备，该设备被安排来驱动dc供电的串联电动机；

图3B表示用于在第一个方向上驱动负载的串联电动机，图3C表示用于在相反方向上驱动负载的串联电动机；

图4A表示安排来驱动ac供电的并联电动机的电动机控制设备；

图4B表示在电路中有全部定子绕组的并联电动机，图4C表示在电路中有部分定子绕组的并联电动机；

图5表示在安全、无电源状态下的电动机控制设备；

图6表示图3A桥式整流器和电动机设备的等效电路图；

图7A-7D表示当安排来驱动如图3A所示的串联方式的电动机时，在控制设备中的各种量的波形；

图8表示在图3A、4A和图5的电动机控制器内部的功能框图。

具体实施方式

下述的实施例说明本发明如何可以应用到洗衣机中。图1和2表示洗衣机10，它包括在其中安置有静止桶40的外壳12。滚筒50安装在桶40内部以便可以沿着轴80绕轴线85旋转。桶40还由悬挂支柱90支撑在外壳12内部。除了进口21和出口22外，桶40是密封的。洗衣机10包括能以熟知的方式接收清洁剂的肥皂托盘20。至少一个水源进口23与肥皂托盘20连通，并在洗衣机10使用环境中提供连接水源的合适装置。在肥皂托盘20和桶40之间提供有导管21以引导水通过进口23进入桶40中。桶40具有安装在滚筒50下面的集水池26。排水管28与集水池26连通，并将水引到出口30，通过出口30可以将水从洗衣机10中排出。提供泵42以使在洗衣机10完成洗衣循环的适当阶段将水从集水池26抽到出口30。

滚筒50是通过轴80安装的，它可以绕轴线85旋转。轴80以熟知的方式安装在轴承81内，使得桶40保持静止而筒50可以绕轴80旋转。两台电动机M1、M2被安装在桶40较低的外表面上，每台电动机具有输出驱动轴33。将两台电动机的输出功率组合起来驱动滚筒50。提供两台电动机而不是单台高额定和重载的电动机具有这样的优点，即能在机器底座更均匀地分配电动机的重量。桶的轴80与变速箱(未表示出)连接，变速箱又与能绕轴线85旋转的轮36(图1中所示)连接。轮36的圆周表面具有能接受驱动皮带38的深槽。驱动皮带38环绕带槽的轮36的上部表面和电动机M1、M2的被驱动输出轴33，并且其长度在拉紧状态下，牢固地绕着轴33和轮36。电动机驱动轴33具有脊形圆周表面，与驱动皮带38内表面上的相似脊形配合以便使驱动皮带38相对于电动机驱动轴33的滑动减到最小。在使用中，电动机驱动轴33以相同的方向旋转以使驱动皮带38移动，引起轮36旋转。轮36的旋转通过变速箱被转换成滚筒50的旋转运动。门66安装在外壳12的前面板12a以便进入滚筒50内部。在洗衣周期开始前，通过门66可以将洗衣负载放入到滚筒50内，而在清洗周期结束时，通过门66可以从滚筒50中将洗衣负载取出。

滚筒50可以是如图2所示的单个滚筒，或者可以包含两个这样安装的部分，即一个可以绕另一个旋转。这种类型滚筒在国际专利申请WO99/58753中有更全面的说明。这些滚筒部分互相以相反的方向旋转，即一个部分是顺时针，另一个部分是反时针，但是它们还能以相同的方向旋转。这就增加了滚筒内衣物的搅拌。滚筒50以悬臂方式安装在远离门66的桶40的桶壁上。在滚筒50的大小以可以基本上填充桶40的内部。更具体地说，滚筒50具有从轴80向桶40延伸的圆柱形桶壁63的基本圆形的后壁63、从后壁63伸向桶40的前壁并基本平行于桶40的圆柱壁的基本呈圆柱形的壁61、以及从圆柱壁61伸向门66的基本呈环形的前面板64。在桶壁61、63、64与桶40之间允许有足够的距离以防止当滚筒50旋转时，滚筒50与桶40之间接触。

现在将参考图3A-5对控制电动机的设备进行说明。控制设备的主要元件是电动机M1和M2，桥式整流器BR，继电器R1、R2、R3、R4，三端双向可控硅开关TR和电动机控制器150。电动机M1和M2是普通的电动机并且具有相似的类型和额定值。电动机M1包括绕组110和电枢120，电动机M2包括绕组115和电枢125。如前面所述，这两台电动机的输出驱动轴驱动皮带，该皮带通过变速箱，使洗衣机10的滚筒50根据洗衣周期的阶段以适当的速度和方向旋转。ac主电源与接线端101、102连接。当两台电动机M1、M2以相同的速度运行时，电动机控制器150可以监视电动机M1、M2中任一台的速度。电动机控制器150从转速计T接收电动机M2指示速度的输入，并发出控制信号来控制每个继电器R1-R4的操作以及三端双向可控硅开关TR。图8表示了控制器150的内部功能框图。处理器180接收指示电动机实际速度的转速计T的输入，以及从机器上的其它传感器如水温传感器来的输入，以及从设备控制面板上操作控制的输入。该处理器执行由控制软件185规定的控制程序。电动机控制器最好以微控制器的形式实现，该微控制器带有存储在其内部或外部非易失存储器器件中的程序。控制器可以以其它的方式实现，如全部用硬件，这些对于读者是很明显的而且往往在本发明的范围内。虽然这里表示了三端双向可控硅开关，但是，任何其它类型的ac功率开关器件，如可控硅桥组合也可以代替三端双向可控硅开关。

继电器R1-R4具有以下目的：

●继电器1连接/断开ac电源到两台电动机M1、M2的一端，并断开两台电动机M1、M2周围的电路以阻断任何再生电流。

●继电器2正常情况下同时起到继电器1的作用，在桥式整流器BR中切换并将电动机M1、M2串联连接。在故障情况下继电器2将不动作，阻止再生电流通过桥式整流器。

●继电器3与电动机场绕组110、115的全场位置111、116或抽头场位置112、117任何一个相连接，以改变电动机M1、M2运行速度。

●继电器4通过将经过两台电动机电枢绕组的电流反向来改变电动机的旋转方向。

ac接线端101通过扼流圈105与桥式整流器BR连接，并且还与继电器R1的接线端R12连接。桥式整流器BR的正输出与继电器R2的接线端R21连接。桥式整流器的负端与继电器R2的接线端R23连接。桥式整流器BR另一个ac边与继电器R2的接线端R22、继电器R1的接线端R11连接，并且还通过三端双向可控硅开关TR和电动机保护器P与第二个ac接线端102连接。继电器R1和R2可以在图3A中所示的用于电动机M1、M2串联运行的在位置与图4A中所示的用于电动机M1、M2并联运行的位置之间切换。

在低速时，要求较高的转矩来旋转滚筒，为了使从主电源吸收的电流减到最小，将电动机串联连接。此时，通过桥式整流器向电动机提供dc电流。这样还有一个好处是，可能获得比给定叠片尺寸的电动机以ac电源供电时可能获得的转矩更大的电动机转矩。在高速时，桥式整流器被从电路中切除，以便向电动机提供ac电流，并且将电动机并联连接。这种方案带来的优点是：

●在低速时吸收的电流是电动机并联连接时所要求的一半。

●在低速时，由于减小了吸收电流，使绝对电流谐波也减小。

●在低速时，串联连接的电动机具有并联连接电动机两倍的接线端电压，这样给出较小的触发角(即较大的开启周期)，还能减少与总电流成比例的谐波含量，从而改善功率因数。

●在三端双向可控硅开关关断期间，流过桥式整流器的空载电流使桥式整流器的dc边具有比ac边更高的r.m.s.电流，因此，将获得比正常情况从给定的ac输入电流中期望得到的转矩更大的电动机转矩。

●在低速时，与使用ac供电并要求给出相同输出转矩的电动机相比，可以指定更小叠片的电动机。

●由于在dc中电流流动方向是恒定的，所以从一个电刷转移到换向器的碳比从其它电刷转移的要多，结果使电刷磨损不平衡而使电动机过早出现故障，切换到ac的高速时，在该速度下产生更多的电刷磨损，由于两个方向的电流流动会给出更平衡的电刷磨损，因而延长了电动机寿命。

●桥式整流器和相关的元件的额定电流只需要电动机被串联连接时的电流，于是，减少了元件成本和尺寸。

●在一次循环中，桥式整流器散发的热量大大减小，于是需要较小的散热功率的散热片。

●在高速时从电路中切除桥式整流器意谓着，在这些条件下从电源侧看是感性负载，并且触发角减小，这些一起减少了电源电流的谐波含量。

图3B表示电动机串联连接的效果。对于串联运行，在继电器R2中，接线端R21与R25连接，而接线端R23与R26连接。还有，在继电器R1中，接线端R11与R14连接，而接线端R12与R16连接。图3C表示电动机被连接成反方向运行。为了实现这个目的，电动机控制器150发出控制信号使继电器R4从它的第一个位置切换到第二个位置，从而使电流以相反方向流过串联连接电动机的电枢绕组120、125。

图4B表示全部定子绕组在电路中的电动机并联连接的效果，而图4C表示只有一部分定子绕组在电路中的电动机并联连接的效果。对于并联运行，在继电器R2中，接线端R22与R25连接，而接线端R24与R26连接。还有，在继电器R1中，接线端R11与R13连接，而接线端R12与R15连接。继电器R2的接线端R24直接与继电器R1的接线端R13连接。

电机控制器150控制三端双向可控硅开关TR在ac波形中特定点导通，即过零点后的一个相位角，称为触发角。一旦导通，三端双向可控硅开关保持导通状态直到电流变为零。通过改变三端双向可控硅开关的触发角，电动机控制器控制提供给电动机M1、M2的电功率。每个电动机保护器P都是热断器，在物理上位于电动机M1、M2内，并且是ac接线端之间串联连接的电气组成部分。当电动机M1、M2过热时，相应的电动机保护器P通过开路来切断为电动机提供的电源而起作用。并不是所有设备都要求这样的保护器。

继电器R3将电源与电动机的定子绕组110、115的全磁场位置或抽头磁场位置连接，以为电动机提供两种不同的速度范围。继电器R3直接与继电器R2连接。

洗衣机10执行洗衣周期，其间滚筒50在大约为50rpm的低速时交替地以顺时针和逆时针方向旋转。这要求低转速和高转矩，并且电动机使用串联结构。在高速旋转期间，当需要滚筒以很高的速度在500-1600rpm的范围内旋转时，电动机控制器150发出控制信号操作继电器R1-R4动作以改为并联结构。这出现在由电动机的特性决定的速度下；典型的是在500rpm左右。首先使用抽头磁场并联结构，当要求电动机运行在提供满磁场的较高速度范围时，电动机控制器150发出控制信号操作继电器R3动作。电动机控制器150通过控制三端双向可控硅开关TR的触发角，确保在串联运行和并联运行之间平滑转换。简单地将继电器切换到它们的新位置而不改变三端双向可控硅开关的触发角将导致施加到电动机M1、M2上的电压突然加倍。因此，当从串联运行切换到并联运行时，电动机控制器150增大触发角以向每台电动机提供继电器R1-R4操作之前和之后相似的有效电压。由控制器150运行的控制程序具体说明该设备应该执行什么步骤来执行一个洗衣循环。控制软件185的部分是对于继电器R1-R4和三端双向可控硅开关TR是两套控制设置：串联运行的第一套160以及并联运行的第二套170。

在这个方案中，桥式整流器BR在低速运行时被连接到电路中，而在高速运行时被从电路中切除。已经发现当电路中有整流桥时比没有时的电刷磨损高得多(大约是两倍)。由于主要的电刷磨损出现在高速运行期间，这样，在高速运行期间将整流桥从电路中切除对电动机的寿命来说是很有好处的。在低速时，由于有空载电流流过整流桥，所以，对于给定的输出转矩，所要求的触发角由于电路中有整流桥而增加很多。这是低速时的很大优点。但是，整流桥电路的空载电流的优点在高速时并不需要，而且较大的触发角反而增大了谐波含量。因此，在高速时从电路中切断整流桥改善了机器产生的谐波并降低了对功率因数矫正的要求。整流桥占由散热片所散发热量的相当大的部分。当电流加倍时，由于电动机并联连接使得在高速时产生的热量是最多的。切断整流桥能消除该发热影响，并减小所要求的散热片尺寸和额定值。

图5表示继电器R1-R4的默认状态。这种状态保证设备不被供电，整流桥被从电路中切断，于是防止通过整流桥的再生制动。这也提供了针对三端双向可控硅开关故障条件的保护，从而阻止了发生电源消失时对电动机的损坏。如果当电动机运行在高速时出现电源消失，那么在磁场绕组110、115中的剩磁将在电枢中产生emf，如果桥式整流器在电路中，则产生的emf将在电动机回路中产生电流，从而使磁场加强，更进一步地增加电流，结果雪崩效应将危害电动机、继电器和整流桥。

为了更全面地说明该设备的运行，图6表示了桥式整流器BR和一台电动机M1的表示，用电阻R、电感L和电压源M来简化表示电动机。跨接在电动机上的电压(Vm)包括跨接在电动机上的反emf(E)、跨接在电阻Rim上的电压、和与电流的变化率成比例的跨接在电感(Ldim/dt)的电压。

图7A-7D表示在dc串联运行期间，四种不同量(三端双向可控硅开关的输出电压Vs和电流Is，电动机电压Vm和电流Im)的波形。图7A表示了ac主电源电压200和作用到整流桥的三端双向可控硅开关输出电压210。三端双向可控硅开关TR在主电源的每个半周期的触发角α之后的时刻215被导通。图7B表示在相应的时间周期得到的电源电流Is，图7C表示电动机的电压Vm。图7D表示电动机的电流Im。通过整流桥的空载电流以阴影区域220表示。这是由于跨接在电动机电压上的电压维持电动机中电流的电感L所引起的。

在本发明的范围内技术人员可作各种变化，这些变化将落在本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种用于驱动电气设备中的负载的驱动器，所述驱动器包括：连接到电源的第一台和第二台电动机，该电动机的输出用于驱动负载；以及用于在下列结构之间切换所述电动机的切换装置：

串联结构，在其中所述电动机被连接成串联形式跨接在所述电源上，并由dc电源驱动；以及

并联结构，在其中所述电动机被连接成并联形式跨接在所述电源上，并由ac电源驱动。

2.依据权利要求1的驱动器，其中，当所述负载需要以第一速度驱动时，所述切换装置以串联结构连接所述电动机，当所述负载需要以高于所述第一速度的第二速度驱动时，所述切换装置以并联结构连接所述电动机。

3.依据权利要求1的驱动器，其中所述电源是ac电源，并且在串联结构时，所述切换装置切换跨接在ac电源上的整流器以提供dc电源。

4.依据权利要求2的驱动器，其中所述电源是ac电源，并且在串联结构时，所述切换装置切换跨接在ac电源上的整流器以提供dc电源。

5.依据权利要求3的驱动器，在并联结构时，所述切换装置从电路中切断整流器。

6.依据前面任何一项权利要求的驱动器，还包括用于在ac周期中将所述电源接通的电源切换装置，以及用于控制功率开关器件触发角的控制器，该控制器被安排来当在串联和并联结构之间切换时，改变功率开关器件接通时间。

7.依据权利要求1-4中任一项的驱动器，还包括当所述电动机是串联结构时，用于使流过所述电动机的电流反向的装置。

8.依据权利要求6的驱动器，其中所述切换装置还包括连接在每台电动机的电枢和转子之间的切换装置，该切换装置可以在电流以第一个方向流过所述电动机的第一个结构和电流以第二个方向流过所述电动机的第二个结构之间运行。

9.电气设备，包括依据前面任何一项权利要求的驱动器。

10.依据权利要求9的电气设备，其形式是洗衣设备，其中，所述负载是用于容纳待洗涤的物品的可旋转的滚筒。

11.依据权利要求10的电气设备，其形式是洗衣机。

12.一种用于操作驱动电气设备中的负载的驱动器的操作方法，该方法包括操作切换装置以便在下述两种结构之间切换耦合到一个电源的第一和第二电动机：

串联结构，在其中所述电动机被接成串联形式跨接在所述电源上，并由dc电源驱动；和

并联结构，在其中所述电动机被接成并联形式跨接在所述电源上，并由ac电源驱动；

该方法进一步包括使用所述电动机的输出来驱动所述负载。

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