CN2583878Y - 家用洗衣机的电动机电子驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型——家用洗衣机的电动机电子驱动系统，涉及一种应用于家用电动洗衣机的电动机电子驱动系统；包括：控制一单相电源的双向可控硅电路，联结以1/6周期相位差参照双向可控硅电路的输出产生另一单相电源的调制电路，驱动三相电动机；或者控制一单相电源的双向可控硅电路，联结参照双向可控硅电路的输出产生关于电动机对称的另一单相电源的调制电路，驱动二相电动机。本实用新型实现电动机对称运行，用于改进传统产品可降低振动噪声、提高效率及改善调速，但比变频驱动的现有技术节省逆变单元，因而降低成本和提高可靠性，适用于家用电动洗衣机等小功率的及非长期运行的电动设备。

Description

家用洗衣机的电动机电子驱动系统

技术领域

本实用新型属于一种电动机电子驱动系统，应用于小功率电动设备，尤其是应用于家用电动洗衣机。

背景技术

在传统的电子电路驱动的家用电动洗衣机中，来自电网的单相电源经电力电子电路控制或调制，驱动电动机。双向可控硅电路简单可靠和价格低廉，最先得到使用。它代替以往的有触点电路，显示了电子开关电路的优点，但未能改善所驱动的单相电动机由于非对称运行在效率、振动噪声和调速性能方面的不足。历史悠久的三相电动机的良好性能众所周知。近年发展起来的三相电子变频电源已经成熟，其驱动的三相电动机系统广泛应用于工业设备。洗衣机产品上也出现了三相变频驱动系统，有关情况可见中国《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。其特征是：在该洗衣机中，来自电网的电源经过桥式6单元的逆变电路被转换成变频的三相对称电源，驱动三相电动机，包括感应电动机或永磁无刷电动机。作为工业设备使用的这样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，逆变电路显得单元数偏多而元件容量利用不足。复杂的电路也成为系统的薄弱环节，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和控制程序，以至使用价格较高的智能功率模块(IPM)和16位单片机等，明显影响成本。另一方面，目前这样的系统用于洗衣机的实际效果，主要是达到了电动机对称运行，因而提高效率，改善调速，尤其是降低振动噪声；但对于洗衣机频繁启动和非长期运行的工况，变频驱动最优越的调速性能利用意义不太大。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对洗衣机功率小及其运行特点，提出一种与现有技术比较，既有所需电动机对称运行的优良性能，但使用更廉价可靠的电力电子元件或减少数量，因而结构简化和成本降低的家用洗衣机的电动机电子驱动系统。

本实用新型的技术方案之一是一种家用洗衣机的电动机电子驱动系统，包括：提供电网电源的电源装置；对所述电源进行控制或调制的电力电子电路，连接于电源装置的输出端；驱动机械系统的电动机，连接在电力电子电路的输出端。其特征在于，所述电动机为三相电动机，所述电力电子电路包括：一双向可控硅电路，所控制的单相电源，于其二个输出端子输出；一调制电路，产生与双向可控硅电路的输出的基波频率及振幅相同，但有1/6周期相位差的另一单相电源，于其二个输出端子输出。并且，三相电动机的第1相端子连接于双向可控硅电路的一输出端子；三相电动机的第2相端子连接于调制电路的一输出端子；三相电动机的第3相端子连接于联结双向可控硅电路的另一输出端子和调制电路的另一输出端子的公共输出端子。

本实用新型的技术方案之二是一种家用洗衣机的电动机电子驱动系统，包括：提供电网电源的电源装置；对所述电源进行控制或调制的电力电子电路，连接于电源装置的输出端；驱动机械系统的电动机，连接在电力电子电路的输出端；其特征在于，所述电动机为二相电动机，所述电力电子电路包括：一双向可控硅电路，所控制的单相电源，于其二个输出端子输出；一调制电路，产生关于二相电动机和双向可控硅电路的输出的基波对称的另一单相电源，于其二个输出端子输出；并且，二相电动机的一个相绕组的一个端子连接于双向可控硅电路的一输出端子；二相电动机的另一个相绕组的一个端子连接调制电路的一输出端子；所述二相电动机的二个相绕组的另一个端子均连接于联结双向可控硅电路的另一输出端子和调制电路的另一个输出端子的公共输出端子。

本实用新型的技术方案之二的典型设计是：所述家用洗衣机的电动机电子驱动系统的特征在于，所述二相电动机是空间相差π/2电角度的二相绕组对称电动机；所述调制电路是产生与双向可控硅电路的输出的基波频率及振幅相同，但有1/4周期相位差的另一单相电源的调制电路。

本实用新型的技术方案的一典型设计是：所述家用洗衣机的电动机电子驱动系统的特征在于，所述电动机是异步电动机；所述双向可控硅电路是对所述电源进行导通角控制或以完整正弦波数为单位的通断比控制的双向可控硅电路。

本实用新型的技术方案的另一进一步设计是：所述家用洗衣机的电动机电子驱动系统的特征在于，所述调制电路包括一正半波整流滤波电路、一负半波整流滤波电路和一双半波二单元逆变电路，并且，所述双向可控硅电路中的双向可控硅的一主电极与所述正半波整流滤波电路输入端的一极和所述负半波整流滤波电路输入端的一极连接在一起，接电源装置的输出端的一极；所述正半波整流滤波电路输入端的另一极和输出端的负极、所述负半波整流滤波电路输入端的另一极和输出端的正极，与电源装置的输出端的另一极连接在一起，作为所述公共输出端子；所述双向可控硅的另一主电极为所述双向可控硅电路的一输出端；所述双半波二单元逆变电路的二个单元串联后，跨接于所述正半波整流滤波电路输出端的正极和所述负半波整流滤波电路的输出端的负极之间，所述串联的公共端为所述调制电路的一输出端子。该调制电路元件少，利于抑制桥臂短路。

按照本实用新型的技术方案，电力电子电路的调制电路的一个基本作用是移相：

本实用新型的技术方案之一是，调制电路与双向可控硅电路产生有一个公共输出端、基波频率和振幅相同而时滞等于1/6周期的二相电源。其公共输出端(标记为“C”)至另二个输出端子(标记为“A”和“B”)的基波电压u_CA和u_CB可表达为：

                        u_CA＝U_msinωt

                        u_CB＝U_msin(ωt+π/3)二个输出端子之间的基波电压u_AB为该二电压之差：

                        u_AB＝u_CB-u_CA

                           ＝U_msin(ωt+π/3)-U_msinωt

                           ＝U_msin(ωt+2π/3)此外，u_BC为u_CB之反向，即：  u_BC＝-u_CB

                           ＝-U_msin(ωt+π/3)

                           ＝U_msin(ωt-2π/3)因此，二个输出端子A和B及公共输出端C所输出的基波电压，依端子的顺序为：

                        u_AB＝U_msin(ωt+2π/3)

                        u_BC＝U_msin(ωt-2π/3)

                        u_CA＝U_msinωt显然，这是三相对称电压，可以驱动三相电动机。

本实用新型的技术方案之二是，调制电路与双向可控硅电路是对二相电动机直接提供对称运行的二相电源，尤其是对空间相差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，本实用新型的技术方案均实现其对称运行，与传统洗衣机单相电容驱动相比，明显提高效率和转矩，因而节省电动机的电磁材料，尤其是降低电磁振动噪声。三相电动机可消除对运行特性危害最大的三次谐波，有利于减轻可控硅移相调压的谐波影响；对于常用的24槽的定子还可采用集中绕组，因而提高绕组系数，改善性能和节省材料。二相电动机的定子少一相的槽数，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。

调制电路的另一基本作用是使其输出对双向可控硅电路的输出跟随，因而和双向可控硅电路组成了可变参数的对称电源系统，可对所驱动的三相或二相电动机调速。对称运行的异步电动机以同样的转子电阻更容易形成从起动点开始的单调软特性，驱动叶轮负载作稳定的转差率调速运行。作为典型设计，使用异步电动机进行导通角控制或以完整正弦波数为单位的通断比控制的双向可控硅电路，均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，解决了以往单相驱动调压调速范围过窄，难以低速运转进行柔和洗涤和稳定地降低脱水转速的问题。

本实用新型和现有技术三相变频相比，逆变单元数减少2/3，控制电路和微计算机控制的电子电路所需程序内存、计算量及控制要求也相应减少，可继续使用传统洗衣机单相驱动控制器的8位单片机，因而明显降低成本，并可提高可靠性。

附图说明

以下附图用于说明本实用新型的实施例：

图1是本实用新型实施例1电子驱动系统的电气框图；

图2是本实用新型实施例适用的洗衣机系统构成图；

图3是本实用新型实施例2电子驱动系统的电气框图。

具体实施方式

实施例1

本实用新型实施例1适用的洗衣机系统构成如图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和排水阀系统9。洗衣机的上部设有供水系统8和控制装置10。控制装置10控制电动机7运转、供水系统8向洗涤桶兼脱水桶3内供水和排水阀系统9把洗涤兼脱水桶3内的洗涤水排出，使洗衣机具有多种洗涤和脱水运行方式。此是一种全自动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。电动机7为三相鼠笼式电动机。鼠笼式电动机价廉且可靠，于本实用新型最适宜；也可以使用其它可通过电源控制进行调速的交流电动机。

图1是表示本实用新型实施例1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的输出连接由二个支路组成的电力电子电路16：一个支路是双向可控硅电路12，其输出连接电动机7的第一相端子于A；另一个支路是整流滤波电路14和逆变电路15组成的调制电路13，其输出连接电动机7的第二相端子于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C1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；此为本实用新型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的第3相端子于C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1个2单元的IGBT的模块，或者2个分立的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组成的是现有技术的典型的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。

控制机构17由微计算机构成，按如下设计控制程序：

——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的第1相端子于A的只能是与来自电源装置11的电网电源同相同频的电压，但其波形或有效值会随着对双向可控硅控制的导通角的不同而改变：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；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，有效值降低；前者用作电子交流开关，后者用于进行交流降压调速。

——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的输出电压的基波有1/6周期相位差、频率和振幅相同的电压，输往电动机7的第2相端子于B。调制方式为现有技术目前最常用的SPWM电压型脉宽调制方式。其调制参考信号是双向可控硅电路12的输出电压的基波移相1/6周期的50HZ标准正弦波，在控制机构17的微计算机控制程序中，由跟随双向可控硅电路12的控制而设定的程序所发生；也可以通过检测可控硅电路12的输出电压滤波和移相1/6周期得到。所述1/6周期相位差，可以是超前1/6周期或滞后1/6周期，以变换电动机7的转向。也可以双向可控硅电路12的输出电压完全相同的波形(包括缺损正弦波)作为调制参考信号，逆变电路15即输出与双向可控硅电路12的输出电压完全相同的波形(包括缺损正弦波)、有1/6周期相位差、频率和振幅相同的电压，其基波和各次谐波电压的相位差、频率和振幅均对应相同，其中基波电压仍是1/6周期相位差。这时，逆变电路15的输出电压的基波和双向可控硅电路12的输出电压的基波也构成频率和振幅相同而时滞等于1/6周期的二相电源，但可能增加谐波对转矩和电流的不利影响。

双向可控硅电路12和逆变电路15的共同输出，第1，仍是传统的静止交流开关，对电动机7的运行进行开关控制；第2，是其基波在电动机7的3个相端子于A、B和C产生如下的三相对称电压：

以双向可控硅电路12输出电压的基波为参考正弦量，当逆变电路15的输出基波超前1/6周期时，有：

                         u_AB＝U_msin(ωt+2π/3)

                         u_BC＝U_msin(ωt-2π/3)

                         u_CA＝U_msinωt此时，电动机7顺向旋转；或者，当逆变电路15的基波输出滞后1/6周期时，有：

                         n_AB＝U_msin(ωt-2π/3)

                         u_BC＝U_msin(ωt+2π/3)

                         u_CA＝U_msinωt此时，电动机7逆向旋转；第3，可改变上述三相对称电压的参数，例如：在洗衣机需要以较低转速作脱水运转时，作为电子交流开关进行以完整正弦波数为单位的通断比控制，例如通5个波，断1个波，转速大约可降低1/5；在洗衣机处于柔和洗涤方式时，进行移相交流降压调速，例如以π/2的导通角输出时，转速约为普通洗涤转速的1/4。

控制机构17除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输出三相对称电压外，其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。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。这些均为传统洗衣机的单相驱动控制器上已使用的现有技术。

本实施例可在使用双向可控硅和单相电容电动机的传统洗衣机上改造实施：

——电动机7以原有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4极单相电容运转异步电动机的定子24槽铁心改绕三相绕组；

——原为控制电动机顺逆转而设置的二只双向可控硅电路，保留其中的一只，另一只和移相电容器，以调制电路13代替。

——控制双向可控硅电路12和逆变电路15的程序所需内存、计算量及控制要求不多，可在原单相驱动控制器的8位单片机上修改实现；相对于原单相驱动控制器，控制装置10中控制机构17和调制电路13增加的元件不多，均可在原单相驱动控制器的一块印刷电路板上调整设置。

这样的驱动系统和原单相电容驱动相比，除效率和振动噪声明显改善外，由于电动机起动转矩成倍提高，因而可减少电动机电磁材料1/4～1/5；尤其是电动机呈现了从起动点开始的单调软特性，无论是进行导通角控制或以完整正弦波数为单位的通断比控制，均可达到稳定的转差率调速运行。这样，简单可靠和价格低得多的本实施例就代替了三相变频系统，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，解决了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和降低脱水转速的问题。

实施例2

本实施例2适用的洗衣机系统构成也类似如图2，只是电动机7直接使用上述传统洗衣机4极单相电容运转异步电动机，除取消电容器外，可无须改造。该电动机通常是空间相差π/2电角度的二相对称电磁结构——磁路基本对称和绕组实际匝数完全相等，以往只因用于单相电源，其中的副相需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。

图3是本实施例2电子驱动系统的电气框图，上述电动机为图中的7’。该电路与实施例1电子驱动系统的电气框图(图1)的差异在于电动机7’的绕组及其与电力电子电路16的连接：

双向可控硅电路12的输出连接电动机7’的相绕组a于A；调制电路13的输出连接电动机7’的相绕组b于B；双向可控硅电路12的输出和调制电路13的输出的公共端与电动机7’的相绕组a和相绕组b的公共端相连于C。

有关控制与实施例1的差异仅在于，使调制电路13的输出跟随双向可控硅电路12的输出的相位差由1/6周期改为1/4周期。

本实施例因而实现二相对称运行，也有类似实施例1的效果。电动机7’由于对称运行，相对于传统产品，所选功率等级至少还可降低一档；噪声要求也可以有所降低。

空间相差π/2电角度的电动机如有二相磁路或绕组欠一致等情况，可通过计算或实验，调整双向可控硅电路12和调制电路13输出的二相电流 和 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： ${\stackrel{\·}{I}}_a{K}_{\mathrm{dpa}}{W}_a=\±{j\stackrel{\·}{I}}_b{K}_{\mathrm{dpb}}{W}_b$ 对于空间电角度θ为任意值的非正交轴的二相绕组电动机，该条件的公式是： ${\stackrel{\·}{I}}_a{K}_{\mathrm{dpa}}{W}_a={\stackrel{\·}{I}}_b{K}_{\mathrm{dpb}}{W}_b{e}^{j(\mathrm{\π}+\mathrm{\θ})}$ 这也是本实用新型技术方案二调制电路产生关于二相电动机和双向可控硅电路的输出的基波对称的另一单相电压，使二相电动机对称运行的意义所在。本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，也可以适当地用于驱动永磁电动机、磁滞电动机和磁阻电动机等类型的二相电动机。

本实用新型改进了传统产品的效率、噪声和调速性能，但相对于作同样改进的现有技术的变频驱动系统，简化了结构，因而降低成本并提高可靠性。

本实用新型作为一种电动机电子驱动系统，也适用于与家用电动洗衣机类似的其它小功率电动设备，即其类似系统属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1、一种家用洗衣机的电动机电子驱动系统，包括：

——供给电网电源的电源装置(11)；

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

——驱动机械系统的电动机，连接于所述电力电子电路(16)的输出端；

其特征在于，所述电动机为三相电动机(7)，所述电力电子电路(16)包括：

——控制一单相电源于其二个输出端子输出的一双向可控硅电路(12)；

——产生与所述双向可控硅电路(12)的输出的基波频率及振幅相同，但有1/6周期相位差的另一单相电源，于其二个输出端子输出的一调制电路(13)；

并且，

——所述三相电动机(7)的第1相端子连接于所述双向可控硅电路(12)的一输出端子(A)；

——所述三相电动机(7)的第2相端子连接于所述调制电路(13)的一输出端子(B)；

——所述三相电动机(7)的第3相端子连接于联结所述双向可控硅电路(12)的另一输出端子和所述调制电路(13)的另一输出端子的公共输出端子(C)。

2、一种家用洗衣机的电动机电子驱动系统，包括：

——供给电网电源的电源装置(11)；

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

——驱动机械系统的电动机，连接于所述电力电子电路(16)的输出端；

其特征在于，所述电动机为二相电动机(7’)，所述电力电子电路(16)包括：

——控制一单相电源于其二个输出端子输出的一双向可控硅电路(12)；

——产生关于所述二相电动机(7’)和所述双向可控硅电路(12)的输出的基波对称的另一单相电源，于其二个输出端子输出的一调制电路(13)；

并且，

——所述二相电动机(7’)的一个相绕组(a)的一个端子连接于所述双向可控硅电路(12)的一输出端子(A)；

——所述二相电动机(7’)的另一个相绕组(b)的一个端子连接于所述调制电路(13)的一输出端子(B)；

——所述二相电动机(7’)的二个相绕组(a，b)的另一个端子连接于联结所述双向可控硅电路(12)的另一输出端子和所述调制电路(13)的另一输出端子的公共输出端子(C)。

3、按照权利要求2所述家用洗衣机的电动机电子驱动系统，其特征在于：

——所述二相电动机(7’)是空间相差π/2电角度的二相绕组对称电动机；

——所述调制电路(13)是产生与所述双向可控硅电路(12)的输出的基波频率及振幅相同，但有1/4周期相位差的另一单相电源的调制电路。

4、按照权利要求1至3中任何一项所述家用洗衣机的电动机电子驱动系统，其特征在于：

——所述电动机是异步电动机；

——所述双向可控硅电路(12)是对所述电源进行导通角控制或以完整正弦波数为单位的通断比控制的双向可控硅电路。

5、按照权利要求1至3中任何一项所述家用洗衣机的电动机电子驱动系统，其特征在于：所述调制电路(13)包括一正半波整流滤波电路、一负半波整流滤波电路和一双半波二单元逆变电路(15)，并且，

——所述双向可控硅电路(12)中的双向可控硅(Va)的一主电极与所述正半波整流滤波电路输入端的一极和所述负半波整流滤波电路输入端的一极连接在一起，接所述电源装置(11)的输出端的一极；所述正半波整流滤波电路输入端的另一极和输出端的负极、所述负半波整流滤波电路输入端的另一极和输出端的正极，与所述电源装置(11)的输出端的另一极连接在一起，作为所述公共输出端子(C)；

——所述双向可控硅(Va)的另一主电极为所述双向可控硅电路(12)的一输出端子(A)；

——所述双半波二单元逆变电路(15)的二个单元串联后，跨接于所述正半波整流滤波电路输出端的正极和所述负半波整流滤波电路的输出端的负极之间，所述串联的公共端为所述调制电路(13)的一输出端子(B)。

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