CN1169620A - 电动机控制器与控制方法 - Google Patents

Abstract

一种单相感应电动机(SPIM)的电动机控制器,其特征在是以高于或低于额定频率的方波驱动SPIM。可通过引入一个或多个陷波成型方波,以消除或抑制不要的谐波,降低基波分量的幅值,提供期望的电压控制或电压/频率控制。控制结构可包括开关、主绕组抽头与可切换电容器,以适应线路驱动与方波驱动的选择、电容量瞬时增大等。

Description

电动机控制器与控制方法

本发明一般涉及控制电动机转速和/或转矩的装置与方法。具体地说，本发明涉及控制单相感应电动机转速和/或转矩的装置与方法。

单相感应电动机(SPIM)构成了当今家用电器中的大多数电动机。SPIM包括固定分相单相电容式(PSC)电动机、分相电动机、家磁同步电动机与屏蔽极电动机。众所周知，这类电动机本来都是单速电动机，通常应用于洗衣机、干衣机、洗碟机、密封压缩机、风扇、泵、排风叶轮等等。

SPIM一般由50或60Hz、120或230V的交流公用线路供电，功率额定值通常约在5～1500瓦之间。

如上所述，当由交流公用线路供电时，这类电动机以恒速工作。当需要多速时，一般采用不同极数的多重绕组或抽头绕组之类的技术。在某些应用中，像风扇、吹风器或泵等，可通过降低施加给电动机的电压来降低电动机转速。

在工业应用中，通常以三相感应电动机取代SPIM，原因是便于应用三相电源，而且三相电动机具有更高的输出能力、更大的转矩产生、更高的效率和更小的冲流。通常运用控制器来提供多转速与多转矩，即控制器以执行变速和/或变转矩的方式向电动机提供三相电源。然而，在居民使用的家用电器中宁可采用SPIM，因为使用单相电源更为便利。

迄今为止，工业电动机控制器的设计在很大程度上影响了SPIM控制器的设计，其影响范围包括功率电路的开发、电动机设计和控制论。在这方面，工业领域中常常使用由硬开关三相逆变器驱动的变速电动机，特别是感应电动机。然而，诚如上面提到的，低成本、高效率、小尺寸和高产量并非是工业电动机控制器设计的主要推动力，所以，大多数工业电动机控制方法并不适合或匹配于家电行业。

SPIM控制系统经常把固定频率的交流电(例如120V、60Hz)先转换成直流电，再把该直流电逆变为合适的交流频率电源。

下面作为参考的一些专利，揭示了各种各样驱动SPIM的装置与方法：美国专利号4,446,706；5,252,905；4,467,257；4,566,289；5,214,367；5,241,257；3,588,650；4,281,276；4,243,927；4,099,108；4,488,102；4,767,976；5,179,336和5,276,392。尽管这些专利揭示了以各种速度驱动SPIM的各种方案，但是美国专利5,252,905号却揭示了一种操作SPIM的变频源，其中向SPIM施加了脉宽调制(PWM)的正弦波。控制电路包括若干开关，在希望用60Hz线路电源操作电动机时用于旁通电子开关电路。另外，美国专利4,566,289号揭示的一种冷冻机控制系统，包括一个逆变器和若干开关，前者以变速操作压缩机电动机，后者在需要时把压缩机电动机直接接至线路电压源、最后，美国专利3,588,650号揭示了一种变频变幅源，以变速操作SPIM。

迄今为止，那种先把固定频率交流电转换成直流电再把该直流电逆变为变幅变频电压来操作单相感应电动机的控制系统，并不能在全量程操作条件下对电动机特性实现最优控制，且常常会使控制限制操作条件，从而让电动机不发出听得见的噪声或不使控制电路元件过热。这些控制方法常会限制其对线路频率信号的操作。

本发明提供的新装置和新方法用于控制单相感应电动机的转速和/或转矩。为此，本发明提供了以额定频率、低于和高于额定频率操作SPIM的装置和方法。因此，本发明还为家用电器提供一种结构简单、零件数少的电动机控制器。

特别是，业已发现，可用方波信号有效地驱动SPIM，且SPIM能容忍方波信号所固有的特种谐波。根据期望的操作特性，可通过抑制或消除一个或多个谐波分量来形成方波。另外，电动机拓扑结构可以包括可变电容量、选用交流线路电源或方波、分相或抽头绕组。再者，整个系统可包括上述特点的任意组合形式。

在一实施例中，本发明提供的电动机控制系统包括单相感应电动机和电动机驱动电路，后者配置成用方波电动机驱动信号以其额定频率以外的频率驱动该电动机。

在一实施例中，本发明提供的电动机驱动电路包括可控电源开关电路和耦接于该电源开关电路的控制器，控制器控制电源开关电路中诸开关的开关动作以产生方波电动机驱动信号。

在一实施例中，本发明提供的控制器是一种可编程控制器。

在一实施例中，本发明提供的控制器有效地产生方波电动机驱动信号，从而抑制和/或消除了一个或多个谐波。

在一实施例中，本发明提供的控制器配置成按预定的电压/频率比控制方波电动机驱动信号的电压。

在一实施例中，本发明提供的控制器配置成控制方波电动机驱动信号的电压/频率比，从而使该比值不固定。

在一实施例中，本发明提供的电动机驱动电路有选择地耦接至电动机。

在一实施例中，本发明提供的电动机是多极电动机。

在一实施例中，本发明提供的电动机是固定分相单相电容式电动机。

在一实施例中，本发明提供的控制器配置成至少部分地抑制方波的某一频率分量。

在一实施例中，本发明提供的控制器配置成以高于和低于额定的频率驱动电动机。

在一实施例中，本发明提供的冷冻系统，用上述任意一种系统驱动其压缩机。

在一实施例中，本发明提供的洗衣机，用上述任意一种系统驱动其洗衣桶。

在一实施例中，本发明提供一种控制单相感应电动机的方法，其步骤包括：

a)把电动机连接至电动机驱动电路；

b)用电动机驱动电路产生方波驱动信号；

c)把电动机驱动信号施加给电动机以不同于额定的频率操作电动机。

在一实施例中，本发明还提供了进一步的操作步骤，通过控制驱动信号的产生来抑制方波电动机驱动信号中的一个或多个谐波。

在一实施例中，本发明提供了降低方波电动机驱动信号基波分量幅值的步骤。

在一实施例中，本发明提供了在电动机驱动信号中保持非恒定电压/频率比的步骤。

在一实施例中，本发明对单相感应电动机提供的电动机控制器包括：

产生方波电功率信号的装置；及

控制方波电功率信号的成形并把成形控制的方波电功率信号施加给电动机。

在一实施例中，本发明提供的控制方波成形的装置包括控制方波频率的装置。

在一实施例中，本发明提供的控制方波成形的装置包括控制方波幅值的装置。

在一实施例中，本发明提供的控制方波的装置包括抑制方波选定频率分量的装置。

在一实施例中，本发明还包括有选择地把方波或其它电源加到电动机的开关。

在一实施例中，本发明提供的另一种电源是一种交流电源，用于向方波发生装置供电。

在一实施例中，本发明还包括以施加频率为函数有选择地切换绕组电容器，以改善电动机的高转速性能。

在一实施例中，本发明进一步包括以施加频率为函数有选择地切换绕组抽头，以改善电动机的高转速性能。

在一实施例中，本发明还包括选用把电动机振动、声响噪声减至最小的合适的电压波形，并控制过热。

在一实施例中，本发明还以高于额定的频率向电动机施加方波，以增大电动机的转矩。

下面通过参照附图详细描述本发明较佳实施例来说明本发明的上述和其它特性。附图中：

图1是洗衣机的透视图，部分作了截取。

图2是图1洗衣机部分的立视图，露出了单相电动机。

图3是单相感应电动机处于静态操作时的等效电路模型。

图4是单相运行(即无起动或运行电容器)时SPIM的转矩/转速特性曲线。

图5是作为60Hz或更高电源频率函数的SPIM的转矩/转速特性曲线。

图6是作为60Hz或更低电源频率函数的SPIM的转矩/转速特性曲线。

图7是一般的分段线性电压与频率的关系曲线，通常用于产生图6的转矩/转速特性曲线。

图8是SPIM在非恒定V/F比控制下工作于60Hz或更低电源频率时的转矩/转速特性曲线。

图9表示根据本发明原理适于驱动SPIM的方波信号。

图10表示根据本发明原理适于驱动SPIM且抑制了谐波的方波信号。

图11是根据本发明原理适于驱动/控制SPIM的基本电子线路。

图12～15是软件流程图，用于控制图11一类驱动电路。

图16表示适于驱动SPIM且抑制了谐波的方波信号及产生方波信号的门逻辑信号。

图17是能高于额定转速操作的SPIM控制电路。

图18是包括交流线路起动和全变速操作的SPIM控制电路。

图19是包括电子控制起动和全变速操作的SPIM控制电路。

图20是以3000rpm转速处于稳态操作时SPIM相电流曲线。

图21是以1800rpm转速处于稳态操作时SPIM相电流曲线。

图22是起动瞬时的SPIM相电流曲线。

图23是一种SPIM控制电路，用于驱动冷冻系统密封压缩机的PSC SPIM。

图24是另一种电路，用于驱动用额定电容器以高频作PSC操作的PSC SPIM。

图25是另一种电路，用于驱动以高频作分相操作的PSC SPIM。

图26是又一种电路，用于驱动以高频作抽头绕组操作的PSC SPIM。

图27是另一种电路，用于驱动用额外电容器以高频作PSC操作的PSC SPIM。

图28是另一种电路，用于驱动电动机固定连接至SPIM驱动电路的PSCSPIM。

图1示出的洗衣机1，里面可采用根据本发明原理的SPIM。图2是洗衣机的侧视图，为了露出SPIM2，作了局部截取。揭示的主要内容就是SPIM2的驱动电路的结构及其与SPIM2的互连结构。这类洗衣机的其余元件是众所周知的，故不再特地描述。尽管本发明以洗衣机作为描述对象，但是本发明适用于任何SPIM的应用。

本发明一般用于指导SPIM控制及其操作，允许把普通的单速SPIM用作变速电动机或多速电动机，尤其在高于额定转速的转速时，无需包括额外的极在内的特殊电动机配置。而且，本发明还利用了这一发现，即能用方波驱动信号以高于或低于额定的速度有效地驱动SPIM，而方波驱动信号的基频分别高于或低于电动机的额定频率。

用方波驱动SPIM，尤其在高于额定速度时，比正弦或成型波形有许多优点：最主要的理由之一在于，方波的基波分量里比其它波形具有更多的有效电压，尤其在高于额定的转速操作时，可导致更大的电动机断损转矩。方波的应用保证了可能的最大电压。

由于存在声响噪声、发热和振动等负面效应，以前一直不用非成形的方波驱动SPIM。为在低于额定的转速情况下应用方波，一直运用脉宽调制法来成形方波使之更像正弦波形，旨在对付或避免在电动机操作中可能产生的声响噪声与振动一类的负面效应。然而，利用PWM降低波形基波分量的最大幅值会导致更低的电压而减小断损断转矩，这在高于额定转速时尤其是个问题。与在低于额定的转速时应用方波的结果恰恰相反，已发现SIPM具备足够的内在滤波功能而允许在高于额定的频率时用方波信号作驱动，无须作PWM控制。

图3是单相感应电动机在稳态工作期间的等效电路10。注明的电动机参数是：定子电阻r₁，定子漏电抗x₁，磁化电抗x_m，转子漏电抗x₂，转子电阻r₂，及滑移s。施加的电动机电压V_s分成三个分量：E_f，E_b和定子阻抗(r₁，x₁)两端的压降。可以理解，SPIM并非是个纯电感性电路。

电动机产生的平均稳态转矩是滑移值S的函数，如图4的转矩/转速曲线16所示。

SPIM的转矩通过两个相对的磁场分量(这里称为正向与反向磁场分量)的互作用产生。图3的上并联支路12模拟正向分量，而下并联支路14模拟反向分量。当电流通过磁化电感和转子电路循环流动时，就产生转矩。内部电压E_f与E_b建立了正反向分量的磁化通量，显然，这些电压(色度与相位)是电动机操作状态的函数。正向或反向分量中占支配地位的一个分量确立了电动机的转向。在额定的频率与电压时，电压E_f的幅值比电压E_b的幅值更大，正向磁场支配着反向磁场。

滑移值大时，两条支路的阻抗相等，像E_f与E_b相等那样，由此导致不产生转矩的状态。然而，随着应用频率的降低，两并联支路的阻抗以转子电阻为主，因而对一给定的滑移值，由于电压E_f相对于电压E_b降低了，电动机产生的转矩也小了。

若滑移S为零，由于转子电路是开路，即Z_rf＝00，所以正向分量为零。然而，对于S＝0，产生一个反向转矩分量(负值)，因为反向转子电路阻抗Z_rb变为： $Z_{\mathrm{rb}}=\frac{0.5r_2}{2}+j0.5x_2=\frac{r_2}{4}+\frac{j{x}_2}{2}$ 滑移值为1时，正反向两电路都呈现同一阻抗，以数学式表示为：Z_rf＝Z_rb＝0.5r₂+j0.5x₂

这表示两转矩分量大小相等而符号相反。在S＝1条件下，总合成转矩为零。

要着重指出的是随着滑移由0变为1而由反向磁场分量对转矩产生的影响。对于小的滑移值，电动机的运行主要受控于正向磁场，这表示电动机在小数值滑移时的运行状况接近于三相感应电动机的运行状况，因而SPIM的转速与电源频率、滑移成函数关系。

图5是在电源频率范围为额定的60Hz～90Hz情况下SPIM工作于单相(即不用运行电容器)的转矩/转速曲线。随着频率的升高，电动机电压幅值保持在其额定值上不变(在60Hz时规定)。可以看出，对一给定的转矩，电动机转速是电源频率的函数。还可以看出，对一不变的负载转矩，滑移将随着电源频率升高而增大。

现在参照图6，这是SPIM工作于单相的另一条转矩/转速曲线，电源频率范围为额定的60Hz降至20Hz。施加的电压幅值的降低与频率成比例关系，因而电压/Hz比保持不变，以防磁饱和并避免电动机的过量损耗与性能劣化。电压随着电源频率下降而减低的作用是保持恒定的磁通量。在本发明中，最好让施加的电动机电压遵循分段线性函数，其中的每一段函数由常量V/F限定(图7)。每个线性段用两个常量限定，可表示为：V＝K1^*频率+K2，例如频率值在0和f₁之间。

如图5所示，最大有效转矩(即断损转矩)随着频率升高而减小。三相感应电动机里也能见到断损转矩有较少的减小，原因在于定子阻抗的压降。但在单相电动机情况下，除了定子阻抗的压降之外，反向分量也感应出反电压，结果正向分量的有效电压小了，因而转矩也小了。所以问题在于随着电源频率升高要提供合适的转矩。为此，考虑到上述的E_p相对于E_b因电源频率升高而相对减小的情况，根据本发明原理提供了非恒定的施加电压对电源频率的控制，以保持E_f不变，并使有效的最大电动机转矩尽量高些。

图8的转矩/转速曲线表示SPIM在非恒定电压/频率控制下工作于额定的或更低频率时的特性，其额定频率为60Hz。

在此情况下，电压是频率的函数：V_s＝0.67f+80，电压以V_vms测得，频率以Hz测量。一般而言，当SPIM工作于低于额定转速时，为补偿正向磁场的减弱，必须应用这种函数类型：V＝K₁ ^*f+K₂。常量K₁与K₂的值取决于电动机设计与性能要求。例如像图8那样，可调节(选择)这些值，以保持作为转速的函数的断损转矩不变。调节(选择)这些常数的另一些判据可以是保持作为应用频率函数的磁化电流或损耗不变。由于精密的模型难以分析SPIM，所以可用计算机模型与仿真来求出这些常量。实践中，常把这些常量存入计算机存储器里，然后求解作为频率的函数的上述电压方程。

通常可采用若干已知的正弦脉宽调制技术(如前面的专利所揭示的)之一来实施加给电动机的电压作为频率的函数的控制。然而，根据本发明的原理，若工作于低于额定转速，则可用带方波的谐波抑制技术取代PWM正弦技术。这种谐波抑制技术允许作简单的电压控制，而控制电路或微机软硬件无须作过量的内务操作。

所考虑的谐波抑制技术，可通过在波形中引入合适的陷波来控制(即减小甚至消除)给定时基的波形。如上所述，准备加给电动机的方波(纯方波或者陷波)总是由下述的SPIM驱动电路产生的。如上所述，电动机电流是电动机阻抗与内部电压的函数。

方波电压波形可用已知幅值与相位的频率谐波的无穷级数来表示： $V_m\left(t\right)=\frac{4}{\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{dc}}(\sin \mathrm{wot}+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{wot}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{wot}+\…\…)$

方波如图9所示。给出一个电压幅值为V_dc的方波，可以认为，基波分量的幅值大于V_dc(约是V_dc的127％)，其余诸谐波所占的百分比较小，最终相加而构成该方波。

当如图10那样在方波中引入宽度为α₂-α₁的陷波时，由于所有谐波分量的能量作了重新分布，所以其幅值将被改变。

注意，方波的波形仍保持着对称。第n次谐波新的幅值A(n)变为： $A\left(n\right)=\frac{4}{\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{dc}}\left(\frac{1-2\cos \left(n{\mathrm{\α}}_1\right)+2\cos \left(n{\mathrm{\α}}_2\right)}{n}\right)$

在引入了由两个角度限定的一个陷波后，就可以控制两个谐波分量的幅值了。例如，在n＝3和5时使上式强制为零，可减小三次和五次谐波。此时，

A(3)＝1-2cos(3α₁)+2cos(3α₂)＝0

A(5)＝1-2cos(5α₁)+2cos(5α₂)＝0这两个方程的系统之解为α₁＝23.62°及α₁＝33.30°。

为了有选择地消除更高次谐波，可在方波中引入多个陷波。这种处理方法可消除能激发电动机和/或家用电器自然振动模式的特定分量。应认识到，对一特定应用而言，并非要求减小所有的谐波，这一点很重要。例如，若某种应用对振动或声响噪声很敏感，就只需减小与此有关的谐波。而且，还可通过减小谐波来改进电动机与功率电路的性能。例如，可以减小基波和消除三次谐波而不消除三次和五次谐波，此时五次谐波就不会减小。

在低于额定频率工作时控制电压/频率比的设计方案中，只作参照抑制而并不消除基频分量的做法起着特殊的作用。

图11是驱动SPIM102的电路100。功率晶体管S1与S2用于控制电动机电流，其栅极由栅驱动电路104供电。该电路在低压微机电路106和功率晶体管S1与S2的栅极之间充当一个接口，即对功率晶体管S1与S2提供合适的选通波形并作必要的电压电平偏置。微机06对栅极驱动电路104提供方波或谐波抑制波形。采用的微机106的逻辑输出有两个，即功率晶体管S1与S2的栅极各用一个输出。微机106执行贮存于其存储器里的软件，操作条件由用户接口电路108确定。该接口108可以是模拟的(如电位器)，或者是数字的(如键板输入、旋转开关等等)，它通过选用贮存在微机存储器里的有关查找表，命令微机软件产生具有期望频率与电压的输出波形。

过流保持电路110提供过流保护，当测出的电动机电流高于基准值时，就中断微机106。低压电源112用来向所有这些电路提供合适的电源。

当然，本领域的熟练人员可考虑用许多不同的元件构制像电路100那样的电路。然而，motorloa的微机MC68HC705P9已成功地被用作微机106，而栅极驱动器芯片IR2112正成功地被用作栅极驱动电路104。

图12～15所示的简化流程图是这类SPIM驱动电路的软件，由这种流程图代表的软件已同供给电动机的电压输出波形样式一起贮存于微机存储器里。控制软件的主要目的是根据预定的电压波形向功率晶体管S1与S2产生选通信号。期望的输出波形以小间隔呈离散状，其值被归一化为1或0，这样就能被贮存于微机存储器。

例如，应用图10所示的谐波抑制波形，产生此类波形所需的选通信号如图16所示。

此时可按下述的选通信号的逻辑状态来限定贮存于微机的表格：

选通S1	选通S2
		1	0
0	0
		1	0
0	0

1	0
		0	1
0	0
		0	1
0	0
		0	1

参见图12～15流程图第一部分，当输入复位时，微机开始执行软件控制，即把系统和控制变量初始化到预定值，同时清除微机输出。接着，软件等待用户接口电路输入开始命令。微机的内部定时器产生的中断(溢出和定时器比较)就是软件主控任务。在流程图的A点，执行一次检查以验证出现的是定时器比较还是定时器溢出中断。该软件被设计成以比定时器比较更低的速率出现定时器溢出中断。若检测出是定时器比较中断，则把控制移到E点。若不是这样，则读出用户接口，并执行检查以验证系统开始是否结束。用户接口输入微机产生并送给功率晶体管栅极的电压波形期望电压输出频率值fe。通过测试验证选择的频率值fe位于哪一频段或范围。此时，流程图示出由任意频率值f₁～f₅限定的五个频段，根据频率范围选择包含输出电压波形的有关表格的位置。从D点开始的流程表示频率值fe是怎样达到其最大值与最小值的。为避免电动机工作于不希望的频率上，这一流程是必需的。在从E点开始的流程图部分，读出含输出波形的表格。定时器比较寄存器里载有频率值fe的倒数，因而定时器的中断速率随着频率而增大，所以波形表是高速读出的。由表读出的值被载入用硬线接至栅极驱动器的微机数字输出里。接着，软件由中断返回主回路。

这里应用了两个术语，在此作一说明。这些术语是：全SPIM驱动和减SPIM驱动。前一术语有关具体实施这里确立的本发明原理的SPIM驱动，其特征是SPIM总是连接至SPIM驱动电路，即电动机永不通过直接接交流电源而驱动。后一术语参照的结构特点是有选择地把电动机直接耦接至交流电源或SPIM驱动电路。图11是全SPIM驱动结构，下面介绍的图17是减SPIM结构。

图17中示出了实施本发明原理的单相感应电动机控制方案。图17示出了SPIM200。电动机200拥有4极主绕组202、6极主绕组204和辅助绕组206。然而，应该理解，本发明原理适用于任意极数和极组合的任何一种SPIM。

如上所述，耦接在电动机200与60Hz 120V电源之间的是这里所称的SPIM驱动转换开关208。SPIM驱动转换开关208用于根据本发明原理对电动机200提供功率信号。为此，开关208包括适当耦接的功率晶体管S1与S2、二极管DS1与DS2。电容器C1与C2及二极管D1与D2，用于提供方波输出信号并把它提供给电动机200。开关SW1、SW2和SW3分别适当地耦接在SPIM驱动转换开关208和绕组202、204、206之间，从而能有选择地把输出信号施加给诸绕组，可以理解，在示例结构中，辅助绕组206只用于起动目的，在电动机200达到临界转速后用开关SW2(最好是种离心断路开关)断开。再者，示例控制系统将以例如应用某种起动或起动/运转电容器结构的任一其它起动方式操作。还要指出，可以使用任何一种适应该环境的开关实现本发明目的。再次参照SPIM驱动转换开关208，输入级包括二极管D1与D2及电容器C1与C2并构成一倍压器，使SPIM驱动转换开关208施加给电动机200的有效电压相当于交流线路供电电压的有效电压。这样，额定为120V、60Hz(或230V、50Hz)交流线路的电动机可配用SPIM驱动转换开关208。如上所述(提出了栅极驱动器、微机等等)，功率晶体管S1与S2由低压电子线路210选通、接通和关闭。

如图17所示，把电动机定子绕组某一公共点接至交流线路的输入端之一，定子绕组的另一边经开关SW3由开关SW1接至交流线路。此时，开关SW3起着极选择开关的作用。当开关SW1处于示出的A位置时，电动机200直接用交流线路工作，在此特定场合下，根据极切换开关SW3可产生两种操作速度。当开关SW1处于B位置时，把定子接至电子切换电路208，对电动机200提供可变频率、恒定电压的受控方波。

在图示控制结构中，电动机200由60Hz交流线路电源起动运转。例如，若电动机200装在洗衣机里，就以清洗循环起动。若期望高速操作，则把开关SW1切换到B位置。参照洗衣机的例子，在高速旋转循环期间会出现这一状况。在出现这种情况时，就对4极绕组202提供恒定电压可变频率的方波。所以，在图示控制结构中，电动机200在大多数清洗旋转循环中用60Hz交流线路操作，只有在期望高速旋转的少部分旋转循环期间，才把开关SW1切换成将电动机200接到SPIM驱动转换开关电路208。当然，开关SW3也能对双速操作提供4极或6极绕组的选择。

图18是实施本发明原理的另一种减SPIM驱动控制方案。如图所示，图18与17控制方案的主要差别在于，图18的电动机300只是在起动期间由交流线路供电，在电动机300达到一定转速后，开关SW2断开，开关SW1把定子接到SPIM驱动转换开关电路308，基本上同接到SPIM驱动转换开关208一样。施加给电动机300的电压具有变频与可变基波电压幅值，电动机300能以不同速度运转。接着应用谐波抑制方案控制施加给电动机300的电功率信号。在这方面，可用正弦调制法减少电流谐波，从而降低SPIM驱动转换开关308的总电流要求。应当理解，由于电动机300可作变速操作，所以在图18控制方案中不需配双速电动机。对于高速操作，像图17描述的方案一样，电动机300用等幅变频方波驱动。

图19是图18控制方案的变型。图19中取消了开关SW1，此时即便在起动期间也是完全用SPIM驱动转换开关308控制电动机300的。当电动机要高速操作时，需对变速运转采取PWM控制并提供非调制的方波。

可以看出，图17的控制方案的优越性在于其简洁性，故优点很多。由于不要求PWM，所以电子控制电路很简单。而且在起动期间系统无冲流通过SPIM驱动转换开关，从而降低了功率晶体管器件的电流要求(及成本)。再者，SPIM驱动转换开关208以短循环操作，这样可转化成更佳的热学管理和改进的可靠性，这对洗衣机、洗碟机一类特定循环的家用电器尤其如此。当然，图示控制方案的一个缺点是只能通过改变定子绕组极来实现不同的转速。

与此相同，图18和19的控制方案既能实现变速操作，又能简化电动机定子绕组结构。同图17结构要求二个或更多个绕组相比，它只需一个绕组。

参照图18方案，SPIM驱动转换开关308不提供起动电流，这样有利于降低功率晶体管的电流要求，这意味着功率晶体管可以是小功率和低成本的。当然，图18方案要求对产生谐波抑制作更复杂的控制。

图20～22示出了实施上述系统所得出的实验结果。图20的曲线A表示图17系统在稳态操作期间的电动机主绕组电流，电动机选择4极绕组202，卸载运行于约3000rpm。曲线B表示加到SPIM驱动转换开关208的功率晶体管之一的选通信号。

图21的曲线C表示以较低转速1800rpm作稳态操作期间的电动机绕组电流，而曲线D表示SPIM驱动转换开关电路的控制电路加给功率晶体管的选通信号。

图22的曲线E表示图19控制方案的电动机起动电流，采用正弦选择性谐波抑制法来控制施加到根据本发明原理的电动机的电压。

图23～27表示另一些减SPIM驱动控制方案。

图23是一密封压缩机400，其泵401由PSC单相感应电动机402驱动，电动机402连接至其运行电容器403和交流线路。当选择开关SW1 404在位置A时，直接把PSC电动机402接至交流线路，此时电动机402用正弦交流线路电源以单速运转，保证有最大电动机频率。对于这种操作，可根据期望的压缩机操作容量与排量设计一种二极或四极的PSC电动机。针对最大系统效率设计热力学系统，使压缩机操作的大部分时间直接由交流线路驱动。

当在压低(pull down)或速冻时希望压缩机高速操作时，则把选择开关404从位置A移至B。此时，根据本文所述的原理，SPIM驱动控制406必须以变频变压方式向电动机402供电。当压缩机以恒温控制器408选择的低速操作时，选择开关404移回到位置A。根据制品恒温控制的要求，加给压缩机400’的电功率可以在交流线路与SPIM驱动406输出之间交替切换，从而在压缩机400分别用交流线路或SPIM驱动电路406操作时实现最大系统效率和高能力。

还有若干其它方案可根据操作频率与速度范围把电动机绕组连接到SPIM驱动电路406和外接电动机电容器。下面对此作一介绍。

如图24所示，当用交流线路供电时，压缩机电动机402能以其额定电容器值工作于常规的PSC模式。若希望高频操作，可用开关SW1把电动机绕组接至SPIM驱动输出。工作于该模式要求有合适的SPIM驱动输出电压和频率控制，以防电容器电抗随着频率升高而减小，因而采用电压控制方案较妥当。

图25表示SPIM驱动406和PSC电动机402的另一种连接方案。当工作于高频时，用第二开关SW2断开PSC电动机辅助绕组402b，这样电动机402就对高频作为分相感应电动机而操作。为保证在电动机断损转矩极限范围内的高速操作，必须对SPIM驱动输出电压与频率作适当控制。

图26的方案可实现更宽的速度范围，除了引入另一只开关SW3外，它同图25方案极相似。高频操作时，用开关SW1把SPIM驱动转换开关406接至主绕组402a的抽头420。当SW2与SW3闭合SW1断开时，电动机402直接接至交流线路以额定转速与频率像PSC电动机那样操作。当SPIM驱动控制命令作高频(高速)操作时，则开关SW1闭合而SW2与SW3断开。

图27的方案也类似于图25的方案，只是在辅助绕组电路中增设了同电容器403与开关SW2并联的一只以上的电容器422。当开关SW2闭合时，两电容器并联，等效电容为两电容之和，即C_等效＝C₁+C₂，其中C₁是电容器422的电容，C₂是电容器403的电容。这样，该电动机就像PSC电动机那样工作，此时，SW2闭合，SW1接至交流线路。电容器403与422的值选成使其等效电容为PSC电动机402的额定电容值。若希望工作于高频，则开关SW1把SPIM驱动406接至电动机402，SW2断开，在辅助绕组电路中只剩下电容422。电容器422选用合适的值，使电动机402像PSC电动机那样以设计的性能工作于高频。运用这种接法，可实现最优电动机性能的最宽转速范围。

图28的方案把SPIM驱动506永久连接至PSC电动机502，不需要图27中的开关SW1，这是一种全SPIM驱动结构。另一种方法是包括一起动开关SW3552，它用于通过起动应用高阻辅助绕组的电动机来增大起动转矩，起动后断开开关SW3，电动机像PSC电动机那样用一只电容器(总电容为C₁+C₂)操作。希望作高速操作时，就断开开关SW2。SW2断开后，电动机总电容就减为C₁，可通过SPIM驱动转换开关对电动机施加更高的频率。

总之，如图27与28方案指出的那样，为保持电动机在高频操作时的性能，减小电动机电容器尺寸是重要的。合适的电容器尺寸由电动机设计、系统模拟或通过实验限定。为使电动机工作于板高频或极高速(4～6倍于额定频率)，可以并联两个以上的电容器。

概括地说，本发明提供的装置和方法用于使单相感应电动机工作于非额定的速度。对于高频操作(即高于额定速度)，可采用三种不同的方案。在第一种方案中，可把不作调制的方波直接施加给要驱动的SPIM，因而：(a)提供比基频更高的电压(电压约大27％)，(b)提供比基频更大的断损转矩，及(c)提供比正弦PWM调制更宽的转速范围。第二，可应用选择性的谐波抑制或消除方案。这类方案用于减少/消除不要的谐波，从而减小声响噪声或损失。这种方案可实现成本比正弦PWM技术更低的结构。另外，该方案由于提高了基频的幅值，故可提供更大的转矩。第三，对于不同的操作，可用这些方案的任意一种配置电动机。在这方面，可对电动机配备多个电容器以适应不同的操作条件，或像上述那样给绕组配抽头。最后，可以提供上述诸方案的任意组合方案。

对于低频操作，即低于额定转速，也可应用若干不同的方案。第一方案可以是选择性谐波抑制或消除方案。第二方案是控制一次谐波的幅值，以在较低速度时提供增大的转矩。第三方案是像上述那样控制电压/频率比，以达到期望的效果。最后一个方案是配置(即选择)电动机，采用上述任一种方案提供最佳操作，即选用固定分相单相电容式电动机、分相电动机或分相带抽头绕组的电动机。

尽管本领域的熟练人员可提出各种改进与变化，本发明的目的正是为了实施本发明并确保对其的所有变化与改进合理地保持在改进本技术的范围内。此外，虽然就洗衣机与冷冻系统描述了本发明，但是本发明适用于所有应用变速的产品，无论是节能、改善生产操作性能还是增加产品的变异特征、此类其它产品包括垂直轴洗衣机、水平轴洗衣机、空调器等等。

Claims (13)

1.一种用于控制单相感应电动机的电动机控制系统，所述系统的可控电动机驱动电路被配置成耦接在交流电源与单相感应电动机之间；其控制器耦接到可控电动机驱动电路，所述系统的特征在于：

可控电动机驱动电路配置成产生方波电动机驱动信号；及

控制器工作时控制可控电动机驱动电路，让它产生方波电动机驱动信号以驱动以其额定频率以外频率工作的电动机。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，控制器是一种可编程控制器。

3.如上述任一权利要求所述的系统，其特征在于，控制器有效地产生方波电动机驱动信号，从而抑制和/或消除了一个或多个谐波。

4.如上述任一权利要求所述的系统，其特征在于，控制器配置成按预定的电压/频率比控制方波电动机驱动信号的电压。

5.如上述任一权利要求所述的系统，其特征在于，预先选择方波信号驱动电动机高于其额定的转速。

6.如上述任一权利要求所述的系统，其特征在于，电动机是一种多极电动机。

7.如上述任一权利要求所述的系统，其特征在于，电动机是一种固定分相单相电容式电动机。

8.如上述任一权利要求所述的系统，其特征在于，控制器配置成至少局部抑制方波的基波分量。

9.如上述任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述控制器控制方波驱动信号的成形。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述控制器包括为控制方波成形所提供的装置，它包括用于至少控制方波的频率和幅值之一的装置。

11.如上述任一权利要求所述的系统，其特征在于所述控制器包括一只有选择地把方波或另一种电源施加给电动机的开关。

12.如上述任一权利要求所述的系统，其特征在于，可控电动机驱动电路包括一个交流/直流转换器电路和一个直流/交流逆变器电路，后者为可控地产生方波电动机驱动信号。

13.如上述任一权利要求所述的系统，其特征在于，控制器操作时配置成产生带陷波的方波电动机驱动信号，以抑制方波电动机驱动信号的谐波分量。

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