[发明专利]用于永磁电动机驱动的安全联锁和保护电路

说明书

相关申请

本申请要求于2005年2月14日提交的名为SAFETY DOOR LOCK ANDPROTECTION CIRCUIT FOR PM MOTOR BASED WASHER APPLICATION的美国临时申请60/652,861的优先权和利益，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于在DC-AC(直流-交流)变频器电动机控制器中驱动永磁电动机的安全联锁和保护电路，例如，驱动洗衣机的滚筒。根据本发明的电路执行门锁功能，并且在当永磁电动机仍然运转时主电动机控制器发生故障以及失控的情况下提供过压保护和电动机制动。

背景技术

永磁电动机较感应电动机具有更高的功率密度和每安培转矩。感应电动机过去通常用于洗衣机。永磁电动机用于更现代的洗衣机，并且已经成为如洗衣机、以及包括空调和冰箱在内的节能电器的重要能源。

永磁电动机通常通过以AC电源供电的DC-AC变频器电路驱动，即首先将AC主电源转换为DC电压，该DC电压保持在DC总线中，且DC总线电压之后被提供给变频器以转换为用于永磁电动机的每个相位的AC信号，所述永磁电动机通常为三相。不同于感应电动机，永磁电动机需要额外的安全电路和机械装置，特别在应用于具有以旋转模式运行的高速滚筒的洗衣机时更是如此。

微控制器和/或DSP(数字信号处理器)是用于控制变频器电源开关(通常为IGBT或者FET)，以便向永磁电动机提供期望电压的常见的控制器组件。当控制器发生故障或失控时，传统的用于解决失控的电动机的问题的方法是通过用于安全门锁和制动机械装置的独立的机械方法来实现的。此方法由分立继电器、计时器和具有用于过压保护的功率晶体管的撬杆开关组成，所述过压保护与机械制动协作运转。虽然此机械方法是可行的，但相当昂贵和复杂，并且同样容易出现机械故障。

如果发生控制器故障，永磁电动机会出现两种潜在的危险情况。一种情况为永磁电动机在惰行减速时高速旋转。在此情况下，如果洗衣机的门或盖子被打开，若人体试图接近旋转的滚筒，将会产生导致人身伤害的安全危险。因此，必要的是，在电动机运转时，门或盖子必须被锁住，且如果发生控制器故障，那么优选地，旋转速度必须尽快降至停止状态(制动)。

另一种情况为，当控制器因为控制器故障而停止供给电动机电能时，永磁电动机会在DC总线上产生过电压。这是由于电动机在顺畅运转时产生了反电动势。当电动机在弱磁控制下工作以达到很高旋转运行时，所述电压可以非常高。如果这时候发生故障，所产生的电压会相当高。所述电压与电动机转速(ω)和永磁体通过相对于线圈的运动产生的通量(Φ)的乘积成比例关系。在弱磁模式下，如果控制器发生故障且无法控制电动机，那么当电动机转速达到其运转模式转速决定的额定运转速度的三至四倍时，由于通量弱化的损失，弱化的通量变为满额通量。如果在弱磁运行中发生这种控制器故障的情况下不采取任何行动，那么对230伏AC均方根输入主电压，额定值约为310伏DC的DC总线电压，将会达到大约1000伏(为额定DC总线电压的三或四倍)。这样会导致系统中的电力设备和高压集成电路的损坏，因为对于230伏AC均方根主输入，所述电力设备和高压集成电路的电压值通常为600伏。DC总线电容器也会被损坏。一旦在电力系统中发生损坏，由于电路板上的任何电路也将可能被损坏或失效，从而将可能无法再提供安全门锁/制动机械装置。因此，有必要1)在控制器出现故障的情况下防止这种过压情况发生，2)迅速降低电动机和滚筒转速，以及3)提供安全联锁以防止人体伤害。

发明内容

本发明不需要任何用于制动的机械组件或额外的电力设备来移除或耗尽存储于旋转状态的电动机中的多余的动能。本发明提供一种通过单一或多个集成电路，或通过分立或整体组件来实现的简单电路，该简单电路可以实现上述所有目的。

根据本发明，提供一种用于防止控制器故障的电路，其中所述控制器提供控制信号，该控制信号用于控制通过DC总线供电的直流到交流变频器并驱动永磁电动机，所述电路包含第一电路，所述第一电路用于监视DC总线电压，并在DC总线电压超过由电动机产生的反电动势引起的第一阈值的情况下，用于产生信号至控制器，以便为变频器提供开关状态，从而使所述反电动势在永磁电动机的电动机电路电阻中由变频器的开关状态提供的短路情况而被充分地耗尽，由此，防止变频器的DC总线电压超过第一阈值，并导致永磁电动机转速降低。