DE102015101043A1

DE102015101043A1 - Frequency converter for an electric motor, mechatronic system and washing machine

Info

Publication number: DE102015101043A1
Application number: DE102015101043.7A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gessat; Hubert Volkmer
Original assignee: Miele und Cie KG
Current assignee: Miele und Cie KG
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter (4) zum Betreiben eines 2-phasigen oder mehrphasigen elektrischen Motors (3) mit einem Stator mit Stator-Wicklungssträngen (16u, 16v, 16w) und einem Rotor (18), der geeignet ist zum Antreiben einer Trommel (30) in einer Waschmaschine (1) oder in einem Trockner, ferner umfassend einen Wechselrichter (14) mit gesteuerten Halbbrücken (14u, 14v, 14w), die aus einem Gleichspannungszwischenkreis (7) gespeist werden können und einer Mikroprozessorsteuerung (11), die dazu ausgebildet ist, die Halbbrücken (14u, 14v, 14w) anzusteuern, um die einzelnen Wicklungen (16u, 16v, 16w) für den Betrieb des Motors (3) zu bestromen und dadurch ein Drehfeld im Stator zum Bewirken einer Drehbewegung des Rotors (18) zu erzeugen. Um für alle auftretenden Betriebsfälle einen optimalen und insgesamt effektiven Betrieb bereitzustellen, umfasst der Frequenzumrichter ferner – einen weiteren Wechselrichter (23) mit diesem Wechselrichter (23) zugeordneten Halbbrücken (23u, 23v, 24w); – eine Umschalteinrichtung (19) zur Breitstellung der elektrischen Verbindung entweder von den Ausgängen der Halbbrücken (14u, 14v, 14w) des ersten Wechselrichters (14) zu den einzelnen Wicklungen (16u, 16v, 16w) des Motors () oder den Ausgängen der Halbbrücken (23u, 23v, 23w) des zweiten Wechselrichters (23) zu den einzelnen Wicklungen (16u, 16v, 16w) des Motors (3). Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes mechatronisches System sowie eine Waschmaschine mit einem solchen mechatronischen System zum Drehantrieb der Trommel.The invention relates to a frequency converter (4) for operating a 2-phase or polyphase electric motor (3) with a stator with stator winding strands (16u, 16v, 16w) and a rotor (18) suitable for driving a drum (3). 30) in a washing machine (1) or in a dryer, further comprising an inverter (14) with controlled half bridges (14u, 14v, 14w), which can be fed from a DC intermediate circuit (7) and a microprocessor control (11), the is configured to drive the half-bridges (14u, 14v, 14w) in order to energize the individual windings (16u, 16v, 16w) for the operation of the motor (3) and thereby produce a rotating field in the stator for effecting a rotational movement of the rotor (18). to create. In order to provide optimal and overall effective operation for all operating cases occurring, the frequency converter further comprises - a further inverter (23) with half bridges (23u, 23v, 24w) associated with this inverter (23); A switching means (19) for providing the electrical connection either from the outputs of the half bridges (14u, 14v, 14w) of the first inverter (14) to the individual windings (16u, 16v, 16w) of the motor (12) or the outputs of the half bridges (23u, 23v, 23w) of the second inverter (23) to the individual windings (16u, 16v, 16w) of the motor (3). The invention further relates to a corresponding mechatronic system and a washing machine with such a mechatronic system for rotary drive of the drum.

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zum Betreiben eines 2-phasigen oder mehrphasigen elektrischen Motors mit einem Stator () mit Stator-Wicklungssträngen und einem Rotor, der geeignet ist zum Antreiben einer Trommel in einer Waschmaschine oder in einem Trockner, ferner umfassend einen Wechselrichter mit gesteuerten Halbbrücken, die aus einem Gleichspannungszwischenkreis gespeist werden können und einer Mikroprozessorsteuerung, die dazu ausgebildet ist, die Halbbrücken anzusteuern, um die einzelnen Wicklungen für den Betrieb des Motors zu bestromen und dadurch ein Drehfeld im Stator zum Bewirken einer Drehbewegung des Rotors zu erzeugen. The invention relates to a frequency converter for operating a 2-phase or polyphase electric motor having a stator (10) with stator winding strands and a rotor suitable for driving a drum in a washing machine or in a dryer, further comprising an inverter with controlled half-bridges which can be fed from a DC link and a microprocessor controller adapted to drive the half-bridges to energize the individual windings for operation of the motor and thereby to produce a rotating field in the stator for effecting rotational movement of the rotor.

Bei motorischen Antrieben in Haushaltgeräten oder gewerblich eingesetzten Waschmaschinen, Trocknern oder Spülmaschinen werden zunehmend Frequenzumrichter verwendet, um die Leistung der Motoren optimal zu steuern. Ferner können die von den Geräten durchzuführenden Prozesse durch die Verwendung von Frequenzumrichtern zur Bestromung bzw. Steuerung der Motoren immer filigraner und optimaler gestaltet werden. Als Antriebe haben sich neben Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer zunehmend Synchronmotoren mit Permanentmagnet-bestückten Rotoren verbreitet, die bei kompaktem und einfachem Aufbau eine hohe Leistung bereitstellen. Diese Motoren können als ein-, zwei, oder dreiphasige Motoren konzipiert sein, je nach Anforderungen. Bei Pumpen haben sich ein-, oder zwei- oder dreiphasige Motoren als vorteilhaft erwiesen, da sie bei einfachen Aufbau eine hinreichende Leistungsspektrum für den Verwendungszweck bieten. Für jede Phase eines dreiphasigen Motors ist dabei jeweils eine Halbbrücke mit jeweils zwei Leistungsschaltern notwendig; für jede Phase eines ein- oder zweiphasigen Motors ist für jede Phase eine sogenannte H-Brücke mit jeweils vier Leistungsschaltern vorgesehen. In motor drives in household appliances or commercially used washing machines, dryers or dishwashers increasingly frequency converters are used to optimally control the performance of the engines. Furthermore, the processes to be carried out by the devices by the use of frequency converters for energizing or controlling the motors can be made ever more filigree and optimal. As drives, in addition to asynchronous machines with squirrel-cage rotors, synchronous motors with permanent-magnet-equipped rotors have increasingly spread, providing high performance in a compact and simple design. These motors can be designed as one-, two- or three-phase motors, depending on requirements. In pumps, one-, two- or three-phase motors have proven to be advantageous, since they offer a sufficient performance spectrum for the intended use with a simple structure. For each phase of a three-phase motor in each case a half-bridge with two circuit breakers is necessary; For each phase of a single- or two-phase motor, a so-called H-bridge with four circuit breakers is provided for each phase.

Aus der EP 0 960 231 B1 ist ein Waschmaschinenantrieb bekannt, der mit einem Umrichter betrieben wird. Hierbei muss die Endstufe des Umrichters auf alle Lastfälle, also geringe Drehzahl im lang andauernden Waschbetrieb und hohe Drehzahlen im Schleuderbetrieb ausgelegt sein. Insbesondere die einzelnen elektronischen Schalter der Endstufe müssen für einen großen Leistungsbereich, hohen Spannungsbereich und für einen großen Bereich für die Schaltfrequenzen geeignet sein. From the EP 0 960 231 B1 is a washing machine drive known, which is operated with a converter. Here, the output stage of the inverter must be designed for all load cases, ie low speed in the long-lasting washing operation and high speeds in the spin mode. In particular, the individual electronic switches of the power amplifier must be suitable for a large power range, high voltage range and a wide range for the switching frequencies.

In einer Ausführung ist in der DE 10 2007 030 072 A1 eine kompakte Steueranordnung mit einem Umrichter zum Bestromen eines 3-phasigen Drehstrommotors und zum Ein- oder Ausschalten von weiteren Gleichstrommotoren offenbart. In one embodiment is in the DE 10 2007 030 072 A1 discloses a compact control arrangement with a converter for powering a three-phase three-phase motor and for switching on or off of further DC motors.

Die EP 2 744 095 A1 offenbart einen Frequenzumrichter mit einer Mehrzahl von Endstufen, um zumindest zwei separate Motoren zu betreiben, wobei für jeweils einen Motor je eine Endstufe vorgesehen ist. The EP 2 744 095 A1 discloses a frequency converter having a plurality of output stages for operating at least two separate motors, one output stage being provided for each motor.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, einen elektrischen, umrichtergesteuerten Antrieb bereitzustellen, der hinsichtlich den Anforderungen des Drehzahl- und Lastbandbreite optimale Resultate hinsichtlich Schaltvermögen und Energieeffizienz bietet. The invention is therefore based on the object to provide an electric inverter-controlled drive, which offers optimum results in terms of switching capacity and energy efficiency in terms of the requirements of the speed and load bandwidth.

Erfindungsgemäß wird unter anderem diese Aufgabe durch einen Frequenzumrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch ein mechatronisches System gemäß Anspruch 13 bzw. einer Waschmaschine gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweils nachfolgenden abhängigen Ansprüchen.According to the invention, inter alia, this object is achieved by a frequency converter with the features of the independent claim 1, by a mechatronic system according to claim 13 or a washing machine according to claim 14. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the respective following dependent claims.

Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen darin, dass der Umrichter für alle Betriebsanforderungen des Motors optimal betrieben wird und insgesamt geringe Verlustleitungen bzw. Abwärme verursacht. Damit wird insgesamt die Effektivität des Umrichters verbessert. Ferner können Maßnahmen zur Ableitung von Wärme von den elektronischen Bauteilen sehr einfach gehalten werden, da großvolumige Kühlkörper oder komplizierte Gebläse nicht notwendig sind. The achievable with the invention advantages are that the inverter is optimally operated for all operating requirements of the engine and causes low overall loss of heat or waste heat. This overall improves the efficiency of the converter. Further, measures for dissipating heat from the electronic components can be kept very simple because large-volume heat sinks or complicated blowers are not necessary.

Hierzu umfasst der Frequenzumrichter

– einen weiteren Wechselrichter mit diesem Wechselrichter zugeordneten Halbbrücken
– eine Umschalteinrichtung zur Breitstellung der elektrischen Verbindung entweder von den Ausgängen der Halbbrücken des ersten Wechselrichters zu den einzelnen Wicklungen des Motors oder den Ausgängen der Halbbrücken des zweiten Wechselrichters zu den einzelnen Wicklungen des Motors. Für den Betrieb eines Trommelantriebs in einer Waschmaschine kann der Vorteil wie folgt verdeutlicht werden.

This includes the frequency converter

- Another inverter with half-bridges associated with this inverter
- Switching means for providing the electrical connection either from the outputs of the half-bridges of the first inverter to the individual windings of the motor or the outputs of the half-bridges of the second inverter to the individual windings of the motor. For the operation of a drum drive in a washing machine, the advantage can be illustrated as follows.

Der Frequenzumrichter zur Motorsteuerung gliedert sich in 2 Teile: Den Hauptwechselrichter bzw. ersten Wechselrichter und den Hilfswechselrichterrichter. Der Hauptwechselrichter ist auf hohe Spannungen, beispielsweise im Bereich von 200V bis 400V, spezialisiert bzw. für diese ausgebildet und eignet sich daher besser für hohe Drehzahlen (Schleudern). Der Hilfswechselrichterrichter bzw. der zweite Wechselrichter hingegen umfasst Niederspannungs-Bauelemente und eignet sich daher besser für niedrige Drehzahlen, wie sie beim länger andauernden Waschen auftreten oder gefordert sind.The frequency converter for motor control is divided into 2 parts: the main inverter or first inverter and the auxiliary inverter. The main inverter is specialized in or designed for high voltages, for example in the range of 200V to 400V, and is therefore better suited for high speeds (spinning). The auxiliary inverter or the second inverter, however, includes low-voltage components and is therefore better suited for low speeds, such as occur or required for longer-lasting washing.

Über ein mehrphasiges, beispielsweise 3-phasiges Umschaltrelais wird der Motor entweder mit dem Hilfs- oder mit dem Hauptwechselrichter verbunden. Bei hohen Drehzahlen wird der Motor -wie beim Wettbewerb und auch bei Miele bekannt- über den auf hohe Spannungen optimierten Hauptwechselrichter betrieben. The motor is connected to either the auxiliary or the main inverter via a multi-phase, for example 3-phase change-over relay. At high speeds, the engine is - as in the competition and also known at Miele - operated on the optimized for high voltages main inverter.

Bei niedrigen Drehzahlen benötigt der Motor nur kleine Spannungen. Hier kann der Hilfswechselrichterrichter seine Vorteile ausspielen. Dieser ist mit Bauelementen niedriger Spannungsfestigkeit (z.B. MOSFETs) bestückt, deren Schalt und Durchlassverluste sehr gering sind. At low speeds, the motor needs only small voltages. Here, the auxiliary inverter judge can play its advantages. This is equipped with low-voltage devices (e.g., MOSFETs) whose switching and on-state losses are very low.

Die gesamte Verlustleistung im Schleudern entspricht den bekannten Lösungen. Bei großer Drehzahlspreizung ist die gesamte Verlustleistung im Waschen erheblich geringer als bei den bekannten Lösungen mit nur einem einzigen Wechselrichter, der die gesamte Drehzahlbandbreite abdeckt. The total power loss in spin corresponds to the known solutions. At high speed spread, the total power loss in washing is significantly lower than in the known solutions with only a single inverter covering the entire speed range.

In einer zweckmäßigen Ausführung sind die Wechselrichter so ausgebildet und verschaltet, dass die Betriebsspannung des ersten Wechselrichters höher ist, als die Betriebsspannung des zweiten Wechselrichters (), wobei die Betriebsspannung des ersten Wechselrichters um einen Faktor im Bereich von 5 bis 40, vorzugsweise 5 bis 20, höher ist, als die Betriebsspannung des zweiten Wechselrichters. Dabei beträgt in einer insgesamt bevorzugten Ausführung die erste Betriebsspannung einen Wert im Bereich von 200V bis 400V und die zweite, niedrigere Betriebsspannung einen Wert im Bereich von 10V bis 40V aufweist. Bauteile, also elektronische Schalter, die für diese Werte ausgelegt sind, sind preisgünstig und einfach zu beschaffen, sodass sich der Aufbau des Frequenzumrichters trotz des zusätzlichen Wechselrichters recht einfach gestaltet. Ferner kann für den zweiten Wechselrichter eine integrierte Leistungsstufe mit drei Halbbrücken aus sechs elektronischen Schaltern verwendet werden, die ebenfalls kostengünstig zu beschaffen ist und als kompaktes Bauteil platzsparend in den Umrichter eingesetzt werden kann. In an expedient embodiment, the inverters are designed and wired such that the operating voltage of the first inverter is higher than the operating voltage of the second inverter (), wherein the operating voltage of the first inverter by a factor in the range of 5 to 40, preferably 5 to 20 , is higher than the operating voltage of the second inverter. In an overall preferred embodiment, the first operating voltage has a value in the range of 200V to 400V and the second, lower operating voltage has a value in the range of 10V to 40V. Components, ie electronic switches designed for these values, are inexpensive and easy to procure, so that the design of the frequency converter is quite simple despite the additional inverter. Furthermore, an integrated power stage with three half bridges of six electronic switches can be used for the second inverter, which is also inexpensive to procure and can be used as a compact component to save space in the inverter.

In einer insgesamt vorteilhaften Ausführung umfasst der Frequenzumrichter einen Spannungswandler zum Bereitstellen bzw. transformieren der zweiten, niedrigeren Betriebsspannung (UH+, UH–), wobei der Spannungswandler an seinem Primäreingang zumindest mittelbar mit der getakteten, ersten Betriebsspannung versorgt ist. In an overall advantageous embodiment, the frequency converter comprises a voltage converter for providing or transforming the second, lower operating voltage (UH +, UH-), wherein the voltage converter is supplied at its primary input at least indirectly with the clocked, first operating voltage.

In einer vorteilhaften Ausführung umfasst der Frequenzumrichter einen Transformator zum Bereitstellen bzw. transformieren der zweiten, niedrigeren Betriebsspannung, wobei der Transformator an seinem Primäreingang mit der getakteten, ersten, Betriebsspannung versorgt ist. Damit werden keine weiteren, externen Vorrichtungen zur Bereitstellung von zwei unterschiedlichen Betriebsspannungen zum Betreiben des erfindungsgemäßen Umrichters benötigt. Insgesamt ist es damit möglich, den Umrichter als kompakte, modulare Einheit auszubilden. In an advantageous embodiment, the frequency converter comprises a transformer for providing or transforming the second, lower operating voltage, wherein the transformer is supplied at its primary input with the clocked, first, operating voltage. Thus, no further, external devices are required for the provision of two different operating voltages for operating the converter according to the invention. Overall, it is thus possible to design the inverter as a compact, modular unit.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Transformator als Hochfrequenztransformator konzipiert, der zum Betrieb für einen Frequenzwert im Bereich von 10 kHz bis 20 kHz für die Eingangsspannung ausgelegt bzw. geeignet ist. Der Hilfswechselrichterrichter wird somit über einen Hochfrequenz-Transformator vom Hauptumrichter mit Spannung versorgt. Dabei ist die Strombelastung des Hauptumrichters um Größenordnungen geringer als im direkten Motorbetrieb, wodurch sich die Verluste hinsichtlich der elektrischen Leistung im Gesamtsystem Umrichter-Motor stark vermindern, gegenüber einem herkömmlichen Umrichter-Motor-System. In an advantageous development of the transformer is designed as a high-frequency transformer, which is designed for operation for a frequency value in the range of 10 kHz to 20 kHz for the input voltage or suitable. The auxiliary inverter converter is thus supplied with voltage from the main converter via a high-frequency transformer. The current load of the main converter is orders of magnitude lower than in direct motor operation, which greatly reduces the losses in terms of electrical power in the overall system converter motor compared to a conventional converter-motor system.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Transformator sekundärseitig eine Mittelanzapfung und einen nachgeschaltetem Gleichrichter. Mit Hilfe der Mittelanzapfung kann der nachgeschaltete Gleichrichter sehr einfach, beispielsweise mit nur zwei Dioden aufgebaut sein, um den Effekt und die Wirkung eines Brückengleichrichters zu erreichen. In an advantageous development of the transformer secondary side comprises a center tap and a downstream rectifier. With the help of the center tap, the downstream rectifier can be constructed very simply, for example with only two diodes, in order to achieve the effect and the effect of a bridge rectifier.

In einer alternativen Ausführung des Umrichters umfasst der Spannungswandler dieser anstelle des Transformators eine getaktete Drossel. Damit lässt sich mit extrem einfachen Mitteln eine niedrigere Betriebsspannung für den zweiten Wechselrichter bereitstellen, wobei beide Wechselrichter das gleiche Bezugspotential haben. Bei Spannungsverhältnissen im Bereich von 1/2 bis 1/5 bietet diese vereinfachte Schaltung gute Ergebnisse. In an alternative embodiment of the converter, the voltage converter comprises a clocked throttle instead of the transformer. This can be provided with extremely simple means a lower operating voltage for the second inverter, both inverters have the same reference potential. With voltage ratios in the range of 1/2 to 1/5, this simplified circuit offers good results.

In einer insgesamt vorteilhaften Weiterbildung sind zumindest zwei Halbbrücken des ersten Wechselrichters dazu eingerichtet und entsprechend verschaltet, die Wechselspannung als Eingangsspannung für den Transformator zu erzeugen. Somit sind keine zusätzlichen elektronischen Schalter zur Erzeugung der Hochfrequenz-Eingangsspannung für den Transformator notwendig, wodurch sich der Aufbau insgesamt einfach gestaltet. In an overall advantageous refinement, at least two half-bridges of the first inverter are set up and connected accordingly to generate the alternating voltage as input voltage for the transformer. Thus, no additional electronic switches for generating the high-frequency input voltage for the transformer are necessary, making the structure as a whole simple.

In einer insgesamt zweckmäßigen Ausführung umfassen die Schalter der Halbbrücken des ersten Wechselrichters IGBTs oder Bipolartransistoren und die des zweiten Wechselrichters Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOS-FETs. Insbesondere die Auswahl der Bauteile für den zweiten Wechselrichter weisen aufgrund der geringen Umschaltverluste einen guten Wirkungsgrad bzw. einen effizienten Betrieb auf. In an overall expedient embodiment, the switches of the half bridges of the first inverter comprise IGBTs or bipolar transistors and those of the second inverter field-effect transistors, preferably MOS-FETs. In particular, the selection of components for the second inverter have due to the low switching losses good efficiency and efficient operation.

In einer weiteren, insgesamt vorteilhaften Ausführung ist die Mikroprozessorsteuerung dazu eingerichtet, in Abhängigkeit der vorgegebenen Parameter, wie Drehzahl, selbständig oder automatisch den entsprechend für den vorgegebenen Parameter oder Betriebsart geeigneten Wechselrichter auszuwählen und zu aktivieren. In a further, generally advantageous embodiment, the microprocessor control is to set up depending on the predetermined parameters, such as speed, independently or automatically select the appropriate for the given parameter or operating mode inverter and activate.

Die Erfindung betrifft ferner ein mechatronisches System, umfassend einen Frequenzumrichter wie vorstehend beschrieben und einen mit dem besagten Frequenzumrichter in Verbindung stehenden und von diesem angesteuerten 2-phasigen oder mehrphasigen elektrischen Motor mit einem Stator mit Stator-Wicklungssträngen und einem Rotor. Vorzugsweise ist in dem mechatronischen System ein dreiphasiger Synchronmotor mit Permanentmagnet-Rotor eingesetzt, wobei der erste Wechselrichter jeweils eine Halbbrücke und der zweite Wechselrichter ebenfalls jeweils eine Halbbrücke für jeweils eine Phase der Motorwicklung aufweist. The invention further relates to a mechatronic system comprising a frequency converter as described above and a two-phase or multi-phase electric motor in connection with said frequency converter and having a stator with stator winding phases and a rotor. Preferably, in the mechatronic system, a three-phase synchronous motor is used with permanent magnet rotor, wherein the first inverter each having a half-bridge and the second inverter also each having a half-bridge for each phase of the motor winding.

Die Erfindung betrifft ferner eine Waschmaschine mit einer drehbaren Trommel, einem mechatronischen System wie vorstehend genannt, ferner umfassend eine Gerätesteuerung, die mit der Mikroprozessorsteuerung eine Kommunikations- oder Signalverbindung aufweist zur Steuerung des Frequenzumrichters bzw. des Motors zur Durchführung eines Behandlungsprogramms, wie Waschprogramm. The invention further relates to a washing machine with a rotatable drum, a mechatronic system as mentioned above, further comprising a device control having a communication or signal connection with the microprocessor control for controlling the frequency converter or the motor for performing a treatment program, such as washing program.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigenAn embodiment of the invention is shown purely schematically in the drawings and will be described in more detail below. Show it

1 eine skizzierte Waschmaschine in einer Schnittdarstellung; 1 a sketched washing machine in a sectional view;

2: eine Skizze des Frequenzumrichters und 2 : a sketch of the frequency converter and

3: eine Skizze einer vereinfachten Ausführung des Frequenzumrichters. 3 : a sketch of a simplified version of the frequency converter.

In 1 ist eine Waschmaschine 1 in einer Schnittdarstellung in der betriebsgemäßen Lage aufskizziert. Die Waschmaschine 1 umfasst einen Laugenbehälter 31, in dem eine im Wesentlichen horizontal drehende Trommel 30 angeordnet ist. Die Trommel 30, wird mit Hilfe eines Motors 3 und eines Antriebssystems 2 angetrieben. Der Motor 3 wird durch einen Frequenzumrichter 4, angesteuert und ist mittels eines Kabels 35 an dem Frequenzumrichter 4 angeschlossen. In diesem Beispiel wird ein bürstenloser Synchronmotor, hier ein sogenannter bürstenloser Motor 3 mit permanentmagneterregtem Rotor 18 (BLPM) verwendet, wobei der Frequenzumrichter 4 die Leistung oder Bestromung für den Motor 3 bereitstellt. Die Steuerbefehle erhält der Frequenzumrichter 4 von der Programmsteuerung bzw. Gerätesteuerung 10, die mittels einer Datenleitung 10a mit dem Frequenzumrichter 4 verbunden ist. Die elektrische Versorgung der Maschine 1 erfolgt mit Hilfe des Netz-Anschlusskabels 36. In 1 is a washing machine 1 sketched in a sectional view in the operating position. The washing machine 1 includes a tub 31 in which a substantially horizontally rotating drum 30 is arranged. The drum 30 , is with the help of a motor 3 and a drive system 2 driven. The motor 3 is through a frequency converter 4 , is activated and is by means of a cable 35 at the frequency converter 4 connected. In this example, a brushless synchronous motor, here a so-called brushless motor 3 with permanent magnet excited rotor 18 (BLPM), where the frequency converter 4 the power or current for the motor 3 provides. The control commands are given to the frequency inverter 4 from the program control or device control 10 by means of a data line 10a with the frequency converter 4 connected is. The electrical supply of the machine 1 is done with the help of the mains connection cable 36 ,

In der 2 ist die Anordnung des Frequenzumrichters 4 zur Bestromung des Motors 3 aufskizziert. Die angelegte Versorgungsspannung 5 (beispielsweise 230V~) wird mit einem Gleichrichter 6 in eine Gleichspannung UDC mit einem Pluspol UDC+ und einem Minuspol UDC– gleichgerichtet. Die Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis 7 für den ersten Wechselrichter liegt hierbei vorzugsweise im Bereich von 230 V bis 325 V. Bei anderen Werten für die zugeführte Versorgungsspannung 5 würden sich entsprechend andere Werte für die gleichgerichtete Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 7 einstellen. An dem Gleichspannungszwischenkreis 7 ist der erste Wechselrichter 14 angeschlossen, der für jede Phase bzw. Wicklungsstrang 16U, 16V, 16W der Statorwicklung jeweils eine sogenannte Halbbrücke 14u, 14v, 14w besitzt. Die Halbbrücken 14u, 14v, 14w schalten mit Hilfe der skizzierten Transistoren den Motorstrom in den Wicklungssträngen oder Phasen 16U, 16V, 16W, wobei eine vorzugsweise Pulsweitenmodulation verwendet wird, die zur Bereitstellung von sinusförmigen Strömen oder Gleichströmen in den Phasen 16U, 16V, 16W W dient. Als Motor 3 wird in diesem Beispiel ein 3-Phasen Motor mit einer 3-strängigen Statorwicklung 16u, 16v, 16w verwendet, die sternförmig ausgeführt ist mit einem Permanentmagnet-Rotor 18. Die Mikroprozessorsteuerung 11 ist dazu ausgebildet, die Halbbrücken 14u, 14v, 14w abhängig von vorgegebenen Parametern oder Signalen anzusteuern, um die einzelnen Wicklungen 16u, 16v, 16w für den Betrieb des Motors 3 zu bestromen. Dies ist hierbei für den Betriebsfall vorgesehen, bei dem der Motor 3 mit hohen Spannungen, wie sie bei hohen Drehzahlen im Schleuderbetrieb der Waschmaschine 1 benötigt werden, bestromt wird. In the 2 is the arrangement of the frequency converter 4 for energizing the motor 3 aufskizziert. The applied supply voltage 5 (for example, 230V ~) comes with a rectifier 6 in a DC voltage UDC with a positive pole UDC + and a negative pole UDC rectified. The DC voltage in the DC voltage intermediate circuit 7 for the first inverter is preferably in the range of 230 V to 325 V. For other values for the supplied supply voltage 5 would be correspondingly different values for the rectified voltage in the DC link 7 to adjust. At the DC voltage intermediate circuit 7 is the first inverter 14 connected, for each phase or winding phase 16U . 16V . 16W the stator winding in each case a so-called half-bridge 14u . 14v . 14w has. The half bridges 14u . 14v . 14w Switch the motor current in the winding phases or phases with the help of the outlined transistors 16U . 16V . 16W , wherein preferably a pulse width modulation is used, which is to provide sinusoidal currents or direct currents in the phases 16U . 16V . 16W W serves. As an engine 3 In this example, this is a 3-phase motor with a 3-strand stator winding 16u . 16v . 16w used, which is star-shaped with a permanent magnet rotor 18 , The microprocessor control 11 is designed to be the half bridges 14u . 14v . 14w depending on given parameters or signals to control the individual windings 16u . 16v . 16w for the operation of the engine 3 to energize. This is intended for the case of operation in which the engine 3 with high voltages, such as those at high speeds in the spin mode of the washing machine 1 be needed, is energized.

In 2 ist ferner der zweite Wechselrichter 23 zu erkennen, für den ein Niederspannungszwischenkreis 21 vorgesehen ist. An dem Niederspannungszwischenkreis 21 ist der zweite Wechselrichter 23 angeschlossen, der für jede Phase bzw. Wicklungsstrang 16U, 16V, 16W der Statorwicklung jeweils eine sogenannte Halbbrücke 23u, 23v, 23w besitzt. Die Halbbrücken 23u, 23v, 23w schalten mit Hilfe der skizzierten Transistoren, in diesem Beispiel sind es MOSFETs, den Motorstrom in den Wicklungssträngen oder Phasen 16U, 16V, 16W, wobei eine vorzugsweise Pulsweitenmodulation verwendet wird, die zur Bereitstellung von sinusförmigen Strömen oder Gleichströmen in den Phasen 16U, 16V, 16W dient. Die Mikroprozessorsteuerung 11 ist dazu ausgebildet, auch die Halbbrücken 23u, 23v, 23w abhängig von vorgegebenen Parametern oder Signalen anzusteuern, um die einzelnen Wicklungen 16u, 16v, 16w für den Betrieb des Motors 3 zu bestromen. Dies ist hierbei für den Betriebsfall vorgesehen, bei dem der Motor 3 mit niedrigen Spannungen, wie sie bei niedrigen Drehzahlen im normalen Waschbetrieb beim Hin- und Herdrehen der Trommel 30 benötigt werden, bestromt wird. In 2 is also the second inverter 23 for which a low-voltage intermediate circuit 21 is provided. At the low voltage intermediate circuit 21 is the second inverter 23 connected, for each phase or winding phase 16U . 16V . 16W the stator winding in each case a so-called half-bridge 23u . 23v . 23w has. The half bridges 23u . 23v . 23w switch using the outlined transistors, in this example, MOSFETs, the motor current in the winding strands or phases 16U . 16V . 16W , wherein preferably a pulse width modulation is used, which is to provide sinusoidal currents or direct currents in the phases 16U . 16V . 16W serves. The microprocessor control 11 is trained, even the half bridges 23u . 23v . 23w depending on given parameters or signals to control the individual windings 16u . 16v . 16w for the operation of the engine 3 to energize. This is intended for the case of operation in which the engine 3 with low voltages, as at low speeds in normal washing operation when turning back and forth of the drum 30 be needed, is energized.

Zwischen den Ausgangsleitungen des ersten Umrichters und den Motorsträngen 16U, 16V, 16W ist ein Umschalter 19 geschaltet, mit dem wahlweise entweder die Ausgangsleitungen des zweiten Wechselrichters 23 mit den Motorsträngen 16u, 16v, 16w oder die Ausgangsleitungen des ersten Wechselrichters 14 mit den Motorsträngen 16u, 16v, 16w verbunden werden können. Die Umschaltung wird hierbei auch von der Mikroprozessorsteuerung 11 vorgenommen. Between the output leads of the first inverter and the motor strings 16U . 16V . 16W is a switcher 19 switched, with either the output lines of the second inverter either 23 with the motor strands 16u . 16v . 16w or the output lines of the first inverter 14 with the motor strands 16u . 16v . 16w can be connected. Switching is also done by the microprocessor control 11 performed.

Der Umrichter 4 umfasst in einer besonders bevorzugten Ausführung einen Transformator 24, der keine separate, von außen angeschlossene Spannungsversorgung benötigt. Die Eingangswechselspannung UHF wird mit Hilfe von zwei Halbbrücken 14u, 14v des ersten Wechselrichters generiert, wobei diese eine höhere Frequenz aufweist, als die Eingangsspannung 5 für den Umrichter 4. Sekundärseitig ist der Transformator 24 mit einer Mittelanzapfung versehen, die den Minuspol UH– der niedrigen Zwischenkreisspannung bildet. Die beiden anderen Abgänge des Trafos 24 werden einem Gleichrichter 26 zugeführt und bilden dann den Pluspol UH+ der sogenannten niedrigen Zwischenkreisspannung für den zweiten Wechselrichter. Mit Hilfe des zweiten Umschalters 25 wird die Verbindung zwischen den beiden Halbbrücken 14u, 14v und dem Transformatoreingang bedarfsweise hergestellt oder getrennt. Der zweite Wechselrichter 23 mit seiner niedrigen Spannung 21 wird also dadurch aktiviert, in dem mit dem zweiten Umschalter 25 die Verbindung von den beiden Halbbrücken 14u, 14v mit dem Eingang des Transformators 24 hergestellt wird. Ferner wird mit dem Umschalter 19 die Verbindung der Motorstränge 16u, 16v, 16w zu den Ausgängen des zweiten Wechselrichters 23 hergestellt. Nun wird der zweite Wechselrichter 23 mittels der Mikroprozessorsteuerung 11 so betrieben, dass sich im Stator des Motors 3 ein Drehfeld einstellt, um den Rotor 18 in Drehung zu versetzen. Die beiden Halbbrücken 14u und 14v werden hierbei ebenfalls aktiviert, derart, dass sich eine Wechselspannung UHF am Eingang des Transformators 24 einstellt. Sowohl die Transistoren oder Schalter der Halbbrücken 14u, 14v, 14w, 23u, 23v, 23w als auch die Umschalter 19, 25 werden von der Mikroprozessorsteuerung 11 des Umrichters 4 gesteuert, also aktiviert und deaktiviert. The inverter 4 in a particularly preferred embodiment comprises a transformer 24 that does not require a separate, externally connected power supply. The input AC voltage UHF is using two half-bridges 14u . 14v of the first inverter, which has a higher frequency than the input voltage 5 for the inverter 4 , Secondary side is the transformer 24 provided with a center tap, which forms the negative pole UH- the low DC link voltage. The other two outlets of the transformer 24 become a rectifier 26 supplied and then form the positive pole UH + the so-called low DC link voltage for the second inverter. With the help of the second switch 25 will be the connection between the two half bridges 14u . 14v and the transformer input, if necessary, manufactured or separated. The second inverter 23 with its low voltage 21 is thus activated by the second switch 25 the connection of the two half-bridges 14u . 14v with the input of the transformer 24 will be produced. Further, with the switch 19 the connection of the motor strands 16u . 16v . 16w to the outputs of the second inverter 23 produced. Now, the second inverter 23 by means of the microprocessor control 11 so operated that in the stator of the engine 3 a rotating field adjusts to the rotor 18 to turn. The two half bridges 14u and 14v are also activated, such that an alternating voltage UHF at the input of the transformer 24 established. Both the transistors or switches of the half bridges 14u . 14v . 14w . 23u . 23v . 23w as well as the switches 19 . 25 be from the microprocessor control 11 of the inverter 4 controlled, so activated and deactivated.

Die Ausführung gemäß 3 ist im Wesentlichen so aufgebaut wie zuvor beschrieben, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass der Transformator bzw. Übertrager weggelassen wird. Um die hohe Spannung UDC+ auf die geringere Spannung UH+ herunterzustellen, ist eine Drossel DR1 dem Gleichspannungszwischenkreis, der durch die Pole oder Potentiale UH+ und UDC– definiert ist, für den zweiten Wechselrichter 23 oder Hilfswechselrichter vorgeschaltet, dem die getaktete Spannung UDC1 zugeführt wird. Zur Ansteuerung ist dann nur noch eine Halbbrücke 14u erforderlich. Die Schaltung verhält sich dann wie ein Tiefsetzsteller, wobei der zusätzliche Gleichrichter 26 (2) und der zweite Relaiskontakt des Umschalters 25 für den Minuspol der zugeführten Primärspannung UHF entfallen kann. Die Minusanschlüsse der beiden Wechselrichter UDC– und UH– sind in der hier beschriebenen Ausführung miteinander verbunden bzw. besitzen das gleiche Potential. The execution according to 3 is essentially constructed as described above, but differs in that the transformer or transformer is omitted. To downshift the high voltage UDC + to the lower voltage UH +, a choke DR1 is the DC link defined by the poles or potentials UH + and UDC- for the second inverter 23 or auxiliary inverter upstream of which the clocked voltage UDC1 is supplied. To control is then only a half-bridge 14u required. The circuit then behaves like a buck converter, with the additional rectifier 26 ( 2 ) and the second relay contact of the switch 25 can be omitted for the negative pole of the supplied primary voltage UHF. The negative terminals of the two inverters UDC- and UH- are connected together in the version described here or have the same potential.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0960231 B1 [0003]
DE 102007030072 A1 [0004]
EP 2744095 A1 [0005]

Claims

Frequency converter ( 4 ) for operating a 2-phase or multi-phase electric motor ( 3 ) with a stator with stator winding strands ( 16u . 16v . 16w ) and a rotor ( 18 ) suitable for driving a drum ( 30 ) in a washing machine ( 1 ) or in a dryer, further comprising an inverter ( 14 ) with controlled half bridges ( 14u . 14v . 14w ), which consists of a DC voltage intermediate circuit ( 7 ) and a microprocessor control ( 11 ), which is adapted to the half-bridges ( 14u . 14v . 14w ) to control the individual windings ( 16u . 16v . 16w ) for the operation of the engine ( 3 ) and thereby a rotating field in the stator for effecting a rotational movement of the rotor ( 18 ), characterized by - another inverter ( 23 ) with this inverter ( 23 ) associated half bridges ( 23u . 23v . 24w ); A switching device ( 19 ) for providing the electrical connection either from the outputs of the half-bridges ( 14u . 14v . 14w ) of the first inverter ( 14 ) to the individual windings ( 16u . 16v . 16w ) of the motor (12) or the outputs of the half-bridges ( 23u . 23v . 23w ) of the second inverter ( 23 ) to the individual windings ( 16u . 16v . 16w ) of the motor ( 3 ).

Frequency converter ( 4 ) according to claim 1, characterized in that the operating voltage (UDC) of the first inverter ( 14 ) higher than the operating voltage (UH +, UH-) of the second inverter ( 23 ), wherein the operating voltage (UDC) of the first inverter ( 14 ) by a factor in the range of 2 to 40, preferably 5 to 20, higher than the operating voltage (UH +, UH-) of the second inverter ( 23 ).

Frequency converter ( 4 ) according to claim 2, characterized in that the first operating voltage (UDC) has a value in the range of 200V to 400V and the second, lower operating voltage (UH +, UH-) has a value in the range of 10V to 100V.

Frequency converter ( 4 ) according to one of claims 1 to 3, characterized by a voltage converter ( 24 , DR1) for providing or transforming the second, lower operating voltage (UH +, UH-), wherein the voltage converter ( 24 , DR1) is supplied at its primary input at least indirectly with the first operating voltage (UDC, UDC +, UDC-).

Frequency converter ( 4 ) according to one of claims 1 to 3, characterized by a transformer ( 24 ) for providing the second, lower operating voltage (UH +, UH-), wherein the transformer ( 24 ) is supplied at its primary input at least indirectly with the first operating voltage (UDC).

Frequency converter ( 4 ) according to claim 5, characterized in that the transformer ( 24 ) Is high frequency transformer designed to operate for a frequency value in the range of 10 kHz to 20 kHz for the input voltage (UHF).

Frequency converter ( 4 ) according to claim 5 or 6, characterized in that transformer ( 24 ) on the secondary side a center tap and a downstream rectifier ( 26 ).

Frequency converter ( 4 ) according to one of claims 5 to 7, characterized in that at least two half-bridges ( 14u . 14v ) of the first inverter ( 14 ) are set up and appropriately wired, an AC voltage as input voltage (UHF) for the transformer ( 24 ) to create.

Frequency converter ( 4 ) according to claim 4, characterized in that the voltage converter comprises a clocked throttle (DR1) or consists of a clocked throttle (DR1).

Frequency converter ( 4 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the switches of the half-bridges ( 14u . 14v . 14w ) of the first inverter ( 14 ) IGBTs or bipolar transistors.

Frequency converter ( 4 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the switches of the half-bridges ( 23u . 23v . 23w ) of the second inverter ( 23 ) Comprise field effect transistors, preferably MOS-FETs.

Frequency converter ( 4 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the microprocessor control ( 11 ) is set up, depending on the predetermined parameters, such as speed, the appropriate for the given parameter or mode inverter ( 14 . 23 ) and activate.

Mechatronic system comprising a frequency converter ( 4 ) according to one of claims 1 to 12 and one with said frequency converter ( 4 ) in connection and controlled by this 2-phase or polyphase electric motor ( 3 ) with a stator with stator winding strands ( 16u . 16v . 16w ) and a rotor ( 18 ).

Washing machine ( 1 ) with a rotatable drum ( 30 ), a mechatronic system according to claim 13, further comprising a device controller ( 10 ) with the microprocessor control ( 11 ) a communication or signal connection ( 10a ) for controlling the frequency converter ( 4 ) or the engine ( 3 ) to carry out a treatment program, such as washing program.