CN1212700C - 电力电子电路驱动的家用电动洗衣机 - Google Patents

Abstract

本发明《电力电子电路驱动的洗衣机》涉及一种电力电子电路驱动的家用电动洗衣机。在该洗衣机中，来自电网的电源经电力电子电路控制或调制，驱动电动机；其特征在于：所述电动机是空间相差π/2电角度的二相对称电动机；来自电网的电源分为二个支路，一个支路经双向可控硅电路控制，向电动机的一相绕组提供电压；另一个支路经调制电路调制为与双向可控硅电路提供的电压有1/4周期相位差，波形、频率和振幅相同的电压，提供电动机的另一相绕组。电动机因而实现对称运行，比使用单相电容电动机的传统产品明显降低电磁振动噪声和提高效率与转矩，并可以双向可控硅电路和调制电路代替成本较高的三相变频调速，获得所需调速性能。

Description

电力电子电路驱动的家用电动洗衣机

技术领域

本发明涉及一种电力电子电路驱动的洗衣机，尤其是电力电子电路驱动的家用电动洗衣机。

背景技术

在传统的电力电子电路驱动的家用电动洗衣机中，来自电网的电源经电力电子电路控制或调制，驱动电动机。其中，双向可控硅电路由于简单可靠和价格低廉最先得到使用，并沿用至今。它驱动单相电容电动机，在代替以往的有触点开关电路方面，显示了电子开关电路的优点，但未能改善电动机的驱动性能，尤其是噪声、效率和调速性能。变频驱动是品质较佳的电动机调速方法。为提高性能，近年来，洗衣机由以往固定频率驱动单相电动机发展至变频驱动三相电动机。中国发明专利申请公开说明书《CN1191909A；洗衣机及其控制方法》，对洗衣机提出建立单相的变频电源驱动传统的单相电容电动机。该方法虽简单，但由于单相电容电动机的相电路状态在移相电容器的影响下，不能总是保持对称，特别是会随电源频率产生不良的偏移，对改善电动机的驱动性能作用不太大，至今未见在实际产品中使用。以历史悠久的三相电动机为代表的多相对称电动机的良好性能是众所周知的。由于近年发展起来的三相电子变频电源已有成熟技术，并在工业设备上广泛使用，洗衣机产品上出现了三相变频驱动系统。其最新情况可见发表于《家用电器科技》2000年第9期“变频技术”专栏的《波轮洗衣机变频控制系统开发与应用》和《节能洗衣机控制系统——DSP微控制器》等文章，其特征有：

1.在该洗衣机中，来自电网的电源经过通常是桥式6单元的逆变电路被转换成变频的三相对称电源。

2.洗衣机电动机为三相电动机，包括感应电动机或永磁无刷电动机。

作为工业设备上广泛使用的这样的典型的三相变频驱动系统，用于功率相对小得多的洗衣机，尤其是家用电动洗衣机，即有以下方面值得改进：

1.桥式6单元的逆变电路明显复杂，是系统的薄弱环节，通常需选用比较优秀的单元元件或设置较复杂的保护电路，以至使用价格较高的智能功率模块(IPM)等，对于洗衣机，明显影响成本。

2.对于感应电动机，三相电动机相对以往的单相电动机，定子需多一相的槽数，开槽显得偏多；绕组多一个相平面，嵌线变复杂；以往用于制造洗衣机的电动机的二相式自动嵌线设备不能使用，影响成本。永磁无刷电动机则是适应电力电子电路驱动引入的新型电动机，结构和工艺均比感应电动机复杂，成本也高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对洗衣机功率小的特点，提出一种电力电子电路驱动的洗衣机，其具有一个与现有技术比较，既有对称多相电动机的优良性能，但结构简化和成本降低的电力电子电路驱动系统；包括：

1.使用更廉价可靠的电力电子元件或减少数量；

2.可以使用以往的单相电容电动机结构；

本发明的技术方案是一种电力电子电路驱动的家用电动洗衣机，包括：供给来自电网的电源的电源装置；对电源进行控制或调制的电力电子电路连接于电源装置输出端；二相绕组电动机连接在电力电子电路输出端；二相绕组电动机是空间相差π/2电角度的二相对称电动机；电力电子电路包括在控制机构的控制下的二个控制支路：一个控制支路是双向可控硅电路，双向可控硅电路由双向可控硅及其触发电路组成；触发电路接受控制机构给以的信号，使双向可控硅在规定的时间并按规定的导通角导通；二相绕组电动机的一个相绕组连接在双向可控硅电路输出端；另一个控制支路是输入控制机构的电压型脉宽调制(PWM)信号，产生与双向可控硅电路的输出电压有1/4周期相位差，波形、频率和振幅相同的电压的调制电路；二相绕组电动机的另一个相绕组连接在调制电路输出端。

本发明的技术方案的进一步设计是：二相绕组电动机是异步电动机，双向可控硅电路是包括对所述电源进行导通角控制的双向可控硅电路。

按照本发明的技术方案，在所述洗衣机中，所述电力电子电路是对空间相差π/2电角度的二相对称电动机，提供二个有1/4周期相位差对称的交流电压的二相电源。对称多相电动机的基波性能与相数无关。其中，三相制对于大功率电力系统优点突出，并成为供电网除单相电源外唯一的多相电源，但对称二相制对于小功率电力系统则较为简单，以往只因缺乏方便的电源不便使用。为建立和使用对称二相电源，本发明对于传统产品使用双向可控硅和单相电容电动机的情况有以下改进：

——仍然使用所述单相电容电动机的通常所已有的二相对称电磁结构；

——为控制电动机顺逆转而设置的轮流导通的二只双向可控硅电路，保留其中的一只双向可控硅电路，用以控制向所述二相对称电动机的一个相绕组提供电压，提供所述电动机的一个相绕组；另一只双向可控硅电路和移相电容器，以所述调制电路代替，把所述来自电网的电源调制为与所述双向可控硅电路提供的电压有1/4周期相位差，波形、频率和振幅相同的电压，提供所述电动机的另一个相绕组；并可通过控制该电压比所述双向可控硅电路提供的电压超前1/4周期或滞后1/4周期，以变换所述电动机的转向。

这样的结果是：电动机实现了对称运行，明显提高效率和转矩，可节省电动机的电磁材料；其旋转磁场由椭圆形变为圆形，明显降低电磁振动噪声；与三相电动机相比，定子少一相的槽数，对小直径铁心，开槽显得更适宜；绕组少一个相平面，嵌线简化，以至制造传统的洗衣机电动机的二相式自动嵌线设备可以继续使用。

由于只需对电动机的一个相绕组设置逆变电路，按照现有技术，调制电路的逆变电路可以只需2个单元，比变频三相电路少用4个单元；调制电路的电源电路的设计容量也可减少为变频三相电路所需的1/2，成本可明显降低，可靠性相应提高。

同样的二相对称异步电动机在以二相对称电源供电后，和单相电容驱动相比，其起动转矩成倍提高，并呈现从起动点开始的单调向下的机械特性(N-T)。这就可以使用简单可靠和价格低得多的双向可控硅导通角控制的调压电路代替变频电路，足以达到洗衣机所需的、和工业设备相比无需过高的调速性能要求，尤其是解决以往单相电容驱动调压调速范围过窄，难以低速运转进行柔和洗涤的问题。这是本发明技术方案的进一步设计的效果。

附图说明

以下附图用于说明本发明的实施例：

图1是本实施例电力电子电路驱动系统的电气框图；

图2是本实施例洗衣机的系统构成图。

具体实施方式

本发明实施例洗衣机如图2中所示，盛水桶1旋转自如地设有在内底部旋转自如地设有波轮2的洗涤桶兼脱水桶3，靠悬挂件4吊挂在洗衣机主体5中。减速机构6设在盛水桶1的底部，把动力传递到波轮2和洗涤桶兼脱水桶3。减速机构6的下部设有电动机7。供水系统8向洗涤桶兼脱水桶3内供水，排水阀系统9把洗涤兼脱水桶3内的洗涤水等排出。此是一种波轮式洗衣机的典型构成。但是并不限定是波轮式洗衣机，也可以是搅拌式洗衣机或滚筒式洗衣机。此外也并不限定于需要减速机构或/和图示电动机与各旋转体的同轴传动的结构，例如可以采用靠皮带把电动机7的动力传递到减速机构6的结构，或/和不设减速机构6而在洗涤过程中把动力直接传递到波轮的直接驱动结构。

图1是表示本发明实施例中电动机7及其控制装置10的电路图。图中：

——向洗衣机各部分供给来自电网的例如220V50HZ的单相交流电源的电源装置11输出二个支路：一个支路经双向可控硅电路12，连接电动机7的一相绕组a；另一个支路经由整流滤波电路14和逆变电路15组成的调制电路13，连接电动机7的另一相绕组b；

——双向可控硅电路12由现有技术的双向可控硅Va及其触发电路Ka组成；触发电路Ka接往控制机构17；

——整流滤波电路14包括：由二极管D1和电容器Cl组成的正电源的整流滤波电路，和由二极管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输出接往逆变电路15，其零电位点与电源装置11的一输出线(通常为中性线)相连；此为本发明实施例提出的双半波整流滤波电路；但不限定于此，也可使用全波和/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；二组电源的整流滤波电路的零电位点和电动机7的相绕组a与相绕组b的公共联结点相连；

——逆变电路15备有由开关元件Vb1与其输入连接着的驱动电路Kb1组成的高电位侧单元，和由开关元件Vb2与其输入连接着的驱动电路Kb2组成的低电位侧单元；开关元件Vb1和Vb2的发射极和集电极各并联有续流二极管Db1和Db2；但不限定于此，也可以是并联或/和串联适当的电阻、电容、电感和半导体器件组成的保护电路；上述开关元件可以使用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；这些均属于现有技术；驱动电路Kb1和驱动电路Kb2接往控制机构17。

以上整流滤波电路14和逆变电路15组成的是现有技术典型的AC-DC-AC间接变换方式的调制电路。但并不限定于此，也可以是不设整流滤波电路的AC-AC直接变换方式的调制电路。

在控制机构17的控制下：

——按照双向可控硅电子交流开关或调压的现有技术，触发电路Ka接受控制机构17给以的信号，使双向可控硅Va在规定的时间并按规定的导通角导通；按照双向可控硅的控制特点，提供电动机7的相绕组a的只能是与来自电源装置11的电网电源无相位差的频率相同的电压，但随着对双向可控硅控制的不同导通角，会是不同有效值的交流电压：当以导通角π全导通输出时，是所述电网电源的完整正弦波电压；当以小于π的导通角输出时，是以上述正弦波电压为基础，但在每个周期从过零点开始的一段时间(相位)瞬时值为零的缺损正弦波电压；前者可以作电子交流开关，后者可以进行交流降压调压；

——按照现有技术，逆变电路15在控制机构17的控制下，把整流滤波电路14提供的直流电源调制为与所述双向可控硅电路12提供的电压有1/4周期相位差，波形、频率和振幅相同的电压，输往电动机7的相绕组b；关于调制的方式，本实施例为目前现有技术最常用的电压型脉宽调制(PWM)方式：调制参考信号按照所述双向可控硅电路12提供的电压波形——所述电网电源电压的完整正弦波(此时即SPWM调制)或缺损正弦波，但有1/4周期相位差。该相位差可以是超前1/4周期或滞后1/4周期，以变换电动机转向。

控制机构17在微计算机内构成，按照洗衣机运转特性所需的固有设定和动态调整的要求，控制双向可控硅电路12和逆变电路15输出一定波形的二相对称电压。对所述双向可控硅导通角的移相控制方式和所述调制参考信号完整正弦波或缺损正弦波波形可以固化在微计算机的存储器内。所述调制参考信号也可以通过并联于所述双向可控硅电路12提供的电压的输出电路上的电阻分压电路，进行实时检测，输入微计算机得到。除上述情况外，微计算机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和元件。此外，微计算机还会包括本实施例的洗衣机进行工作所需的洗涤、漂洗和脱水的程序和对相关的传感和控制功能的处理。这些均属于现有技术。

本实施例电动机7直接选用符合中华人民共和国行业标准JB/T3758-1996《家用洗衣机电动机通用技术条件》要求的单相电容运转异步电动机，视洗衣机的负载容量选择适当的功率等级。该类电动机通常已是空间相差π/2电角度的二相对称电磁结构：磁路基本对称，绕组实际匝数完全相等，只因用于单相电源，其中称为副相的一相是串联移相电容器后再与主相并联接往电源，因而工作于非对称状态。在本实施例，该电动机由双向可控硅电路12和逆变电路15提供有1/4周期相位差，波形、频率和振幅相同的二相电压，即实现了对称运行。对称运行的结果是效率提高，该电动机相对于传统产品，所选功率等级至少可降低一档；噪声要求也可以有所降低。该电动机如有磁路欠对称，二相绕组实际匝数欠一致等情况，最好通过计算或实验，调整双向可控硅电路12和逆变电路15输出的二相电流

和 以配合电动机二相绕组的有效匝数(绕组系数×实际匝数)K_dpaW_a和K_dpbW_b，使之完全符合以下公式表示的二相电动机对称运行的圆形旋转磁势条件：

${\stackrel{\·}{I}}_a{K}_{\mathrm{dpa}}{W}_a=\±j{\stackrel{\·}{I}}_b{K}_{\mathrm{dpb}}{W}_b$

本发明关于对称运行的技术方案，除可适用于改进传统产品单相电容运转异步电动机的驱动外，也适用于驱动永磁、磁滞或磁阻同步电动机等类型的二相对称电动机。

本发明达到了改进传统产品单相电容电动机驱动的噪声、效率和调速性能，并可简化现有技术的变频驱动系统的结构和降低成本的目的。

Claims (2)

1、一种电力电子电路驱动的家用电动洗衣机，包括：

——供给来自电网的电源的电源装置(11)；

——对所述电源进行控制或调制的电力电子电路(16)，连接于电源装置(11)的输出端；

——二相绕组电动机(7)，连接在电力电子电路(16)的输出端；其特征在于，所述二相绕组电动机(7)是空间相差π/2电角度的二相对称电动机；并且，所述电力电子电路(16)包括在控制机构(17)的控制下的二个控制支路：

——一个控制支路是双向可控硅电路(12)，双向可控硅电路(12)由双向可控硅(Va)及其触发电路(Ka)组成；触发电路(Ka)接受控制机构(17)给以的信号，使双向可控硅(Va)在规定的时间并按规定的导通角导通；二相绕组电动机的一个相绕组(a)连接在双向可控硅电路(12)的输出端；

——另一个控制支路是输入控制机构(17)的电压型脉宽调制(PWM)信号，产生与所述双向可控硅电路(12)的输出电压有1/4周期相位差，波形、频率和振幅相同的电压的调制电路(13)；二相绕组电动机(7)的另一个相绕组(b)连接在调制电路(13)的输出端。

2、按照权利要求1所述电力电子电路驱动的家用电动洗衣机，其特征在于：

——所述二相绕组电动机(7)是异步电动机；

——所述双向可控硅电路(12)是包括对所述电源进行导通角控制的双向可控硅电路。

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