低成本浪湧保護裝置和方法
2023-06-02 21:20:06
專利名稱：低成本浪湧保護裝置和方法
技術領域：
本發明涉及家用電器電機驅動裝置，更具體地說，涉及包含低成本浪湧保護的家用電器電機驅動裝置。
背景技術：
諸如洗碗機、洗衣機、乾衣機之類的家用電器通常由電機來驅動。電機驅動裝置從諸如家用電源插座之類的電源為電機供電。家用電源插座通常在線電壓(例如115V)和電網頻率(例如60Hz)提供交流電。
由於雷擊和其他原因可能會引起線電壓瞬變或浪湧。電壓浪湧最高可達6000V。家用電器被設計成可以經受這些電壓浪湧。某些電機驅動裝置包含了浪湧保護電路，其可以限制由於功率波動引起的損壞。一種浪湧保護電路在電機驅動裝置電路系統中包括了與中性金屬氧化物變阻器(MOV)相連的導線以及與接地MOV相連的中性線。MOV可以鉗位浪湧電壓。
家用電器通常要經受絕緣測試，這需要通過電機驅動裝置對電機施加1200V至1800V的電壓。這種高電壓致使在電機驅動裝置中包含的傳統MOV型浪湧保護器導通，這會妨礙進行令人滿意的測試。因此，在絕緣測試期間使用跳線電路以斷開浪湧保護電路。連接和斷開該跳線電路的需要使製造過程增加了額外的成本和時間。
另一種浪湧保護電路在電機驅動裝置的電路板中採用火花隙。但是，汙垢和溼度變化會對火花隙的擊穿電壓產生不利影響。火花隙還易於積碳並使金屬從電極移動到火花隙區，這會限制火花隙的使用壽命。
發明內容
根據本發明的用於電機的電機驅動裝置包括帶電線、第二線以及地線。浪湧保護器包括第一變阻器以及在低於觸發電壓時不導通而在高於該觸發電壓時導通的氣體放電管(GDT)。所述第一變阻器與所述GDT串聯且被連接在所述帶電線與所述第二線之間以及所述第二線與所述地線之間中的一個位置。
在其他特點方面，所述第一變阻器具有小於高壓測試電壓以及所述觸發電壓的電壓閾值。所述高壓測試電壓小於所述觸發電壓。所述觸發電壓小於浪湧電壓。
仍在其他特點方面，所述浪湧保護器進一步包括連接在所述帶電線與所述第二線之間以及所述第二線與所述地線之間中的另一位置的第二變阻器。當所述帶電線上的電壓超過所述觸發電壓時，所述第一變阻器、所述第二變阻器以及所述GDT便發揮作用以限制電壓。
仍在其他特點方面，所述浪湧保護器進一步包括與所述帶電線串聯的熔斷器，並且當流過所述熔斷器的電流超過所述熔斷器的電流閾值時，所述熔斷器產生開路。
仍在其他特點方面，整流器與所述帶電線、所述第二線以及所述地線相連並將交流電輸入轉換為直流電輸出。第一電容器的一端與所述整流器的第一輸出端相連並且相對端與所述第二線相連。第二電容器的一端與所述整流器的第二輸出端相連並且相對端與所述第二線相連。第一電阻器與所述第一電容器並聯。第二電阻器與所述第二電容器並聯。
仍在其他特點方面，所述第一和第二變阻器是金屬氧化物變阻器(MOV)。
從下文提供的詳細說明，本發明的更多應用領域將變得顯而易見。應該理解，當簡要地說明本發明的優選實施例時，詳細說明和具體實例僅為示例目的且並非旨在限制本發明的範圍。
從詳細說明和附圖，可以更加完整地理解本發明，這些附圖是
圖1示出了從電機驅動裝置接收電能的電機；以及圖2是根據本發明的原理的電機驅動裝置的電氣示意圖。
具體實施例方式
以下對優選實施例的說明本質上只是示例性的並且決非旨在限制本發明、其應用或使用。為了清晰起見，將在附圖中使用相同的標號來標識相同的元件。
現在參考圖1，其中示意地示出了電機10。在一個實施例中，電機10是直流(DC)或交流(AC)的分數馬力(Hp)電機。電機10由電壓信號(交流或直流)供電並產生低於1馬力的功率。雖然示出和描述了分數馬力電機，但也可使用其他類型的電機。到電機10的電壓信號由電機驅動裝置12提供。與電機驅動裝置12相聯繫的電機驅動裝置連接器14被連接到與電機10相聯繫的電機連接器16。交流(AC)電源18通過電源輸入端20將交流電壓信號提供給電機驅動裝置12。電機驅動裝置12將該交流電壓信號轉換為直流電壓信號以便為電機10供電(在直流電機的情況下)。
現在參考圖2，其中示出了電機驅動裝置12的電氣示意圖。電機驅動裝置12包括電源輸入端20和電源輸出端或電壓總線22。電源輸入端20包括帶電線24、第二線26以及地線28。在115V應用的情況下，第二線26是中性線。在230V應用的情況下，第二線26是第二帶電線。電能通過帶電線24和第二線26提供給電壓總線22。地線28被連接到安全接地30。電壓整流器32將來自電源輸入端20的交流電壓信號轉換為直流電壓信號。在某些應用中，電壓整流器32可以是倍壓型(doubler-type)電壓整流器或者是標準的全波型電壓整流器。
所述直流電壓信號被提供給電壓總線22。電壓總線22包括電壓輸出端34和公共回流端36。電壓總線22與電機驅動裝置連接器14相連，以便通過電機連接器16將直流電壓信號提供給電機10。電容器38和40存儲電荷。電阻器42、44、46以及48平衡電容器38和40中存儲的電荷。雖然示出了四個電阻器，但也可使用額外的或更少的電阻器。
電機殼體端50通過連接器14和16與電機10的電機殼體(未示出)相連。電容器52使得來自電機殼體的電壓能夠旁路電壓總線22而到達公共回流端36。以這種方式，限制了來自電機殼體的電磁幹擾(EMI)。在實現到地30的直流通路的同時，電阻器54和56允許電機殼體不接地。以這種方式，電荷不會在電機殼體中隨時間而積累。
電機驅動裝置12包括浪湧保護器58，其可防止過高的電壓損壞電機驅動裝置12和電機10的組件。浪湧保護器58包括位於帶電線24中的熔斷器60以及橋接帶電線24與第二線26的金屬氧化物變阻器(MOV)62。浪湧保護器58還包括串聯並且橋接第二線26與地線28的MOV64和氣體放電管(GDT)66。在保護電機驅動裝置12和電機10免於電壓浪湧的同時，浪湧保護器58使得能夠進行絕緣測試而不修改電機驅動裝置12，這將在下面進一步詳細討論。
如將描述的那樣，MOV62和64通過鉗位浪湧電壓來對其進行限制。MOV62和64提供基於跨各自的電壓的可變電阻。MOV62和64均具有相應的電壓閾值或轉折電壓(break-over voltage)。MOV62和64的典型轉折電壓大約在600V與800V之間。當跨MOV的電壓小於其轉折電壓時，MOV具有限制電流的高電阻。當跨MOV的電壓高於其轉折電壓時，MOV具有限制電壓的相對較低的電阻。
GDT66也可以限制電壓。GDT66包含置於由電極封蓋的陶瓷外殼內的惰性氣體(未示出)。GDT66具有觸發電壓，在高於該電壓時，GDT66將變成導通。典型的觸發電壓在3000V與3500V之間。例如，當跨GDT66的電壓低於觸發電壓時，GDT66不導通(即，沒有電流從中流過)。當跨GDT66的電壓高於觸發電壓時，GDT66導通並且電流從中流過。一旦GDT66被觸發，它會變得極易導通。這進一步限制了電壓並減小了遭受電壓浪湧損壞的可能性。
熔斷器60也提供浪湧保護。當電流超過熔斷器的額定電流時，熔斷器會熔斷並產生開路。開路阻止了能量流過電機驅動裝置12並阻止電機10的運行。如果在第二線26上出現正常的持續電壓，則串聯的MOV64允許正常的電壓而不進行鉗位。
在正常狀態下工作時，來自電源18的交流電壓信號通過帶電線24和第二線26被提供給電壓整流器32。電壓整流器32將交流電壓信號轉換為提供給電壓總線22的直流電壓信號。來自電壓總線的直流信號通過連接器14和16驅動電機10。
在進入市場之前，電機驅動裝置12可能經過絕緣測試或高壓(hi-pot)測試以確保組件完整性。高壓測試通常需要將大約為線電壓的兩倍再加上1000V的交流電壓信號施加到電源輸入端20。線電壓可以為115V或其他電壓級別。在包含倍壓型電壓整流器的應用中，線電壓通常為115V。因此，在高壓測試期間，可以通過電機驅動裝置12提供1230V(2*115V+1000V)到高達1460V(2*230V+1000V)的電壓。
在某一測試中，高壓測試包括通過電機驅動裝置12施加時間達60秒的放大的電壓。但是，在高壓測試中，可以通過增加所施加的電壓來縮短測試時間。更具體地說，電壓增加大約20％，可以使測試時間縮短到大約1秒。因此，在最輕度的情況下，通過電機驅動裝置12施加1230V的電壓(115V的應用使用60秒的測試時間)。在最重度的情況下，通過電機驅動裝置12施加最高約1800V的電壓(230V的應用使用1秒的測試時間)。
當進行高壓測試時，通過跳線(未示出)使帶電線24與第二線26相互連接。在相連的帶電線24與第二線26以及地30之間施加放大的交流電壓。如以上討論的那樣，取決於應用類型和測試時間，該放大的電壓的範圍在大約1230V與1800V之間。該放大的電壓信號通過相連的帶電線24與第二線26提供給電壓整流器32。
在高壓測試期間，MOV62或串聯的MOV64與GDT66都不會影響放大電壓的施加。因為帶電線24與第二線26相連，MOV62的相對端處於相同的電勢並且沒有跨MOV62的壓降。因此，不會達到MOV62的轉折電壓。儘管在高壓測試期間將達到MOV64的轉折電壓，但是不會達到GDT66的觸發電壓。因此，GDT66保持不導通並且沒有到地30的通路。
來自電源18的電壓浪湧導致電機驅動裝置12在浪湧狀態下工作。雷擊或其他事件可以感應最高約6000V的電壓浪湧。此外，浪湧可以以兩種模式之一發生共通模式和差分模式。在共通模式中，經由帶電線24和第二線26兩者(即，帶電線和第二線相連)施加通過電機驅動裝置12的電壓浪湧。在差分模式中，如正常運行期間將發生的那樣，經由帶電線24施加通過電機驅動裝置12的電壓浪湧。
在共通模式浪湧期間，MOV64和GDT66限制了通過電機驅動裝置12的電壓並將過量電壓轉向地30。更具體地說，當電壓浪湧時，跨MOV64的電壓超過轉折電壓，並且跨GDT66的電壓超過觸發電壓。結果，GDT66導通並將過量電壓轉向地30。在差分模式浪湧期間，MOV62限制了到電機驅動裝置12的電壓，如前面所述的那樣鉗位過量電壓。更具體地說，當電壓浪湧時，跨MOV62的電壓達到其轉折電壓。
雖然本說明和附圖示出了MOV64與GDT66串聯在第二線26與地線28之間，但可以預見MOV64與GDT66也可以串聯在帶電線24與第二線26之間。使用此結構，MOV62連接在第二線26與地線28之間。在此替代結構中，浪湧保護器58為電機驅動裝置12提供相同的浪湧保護。
從以上說明，本領域的技術人員現在可以理解，可以以各種形式實施本發明的廣泛教導。因此，雖然接合本發明的特定實例對本發明進行了描述，但本發明的真正範圍不應僅限於此，因為通過對附圖、說明書以及以下權利要求書的研究，其他修改對於本領域的技術人員將變得顯而易見。
權利要求
1.一種用於電機的電機驅動裝置，所述電機驅動裝置包括帶電線；第二線；地線；以及浪湧保護器，所述浪湧保護器包括第一變阻器；以及氣體放電管(GDT)，所述氣體放電管(GDT)在低於觸發電壓時不導通而在高於所述觸發電壓時導通，其中所述第一變阻器與所述GDT串聯且被連接在所述帶電線與所述第二線之間以及所述第二線與所述地線之間中的一個位置。
2權利要求1的電機驅動裝置，其中所述第一變阻器具有小於高壓測試電壓以及所述觸發電壓的電壓閾值，其中所述高壓測試電壓小於所述觸發電壓，並且其中所述觸發電壓小於浪湧電壓。
3.權利要求1的電機驅動裝置，其中所述浪湧保護器進一步包括連接在所述帶電線與所述第二線之間以及所述第二線與所述地線之間中的另一位置的第二變阻器。
4.權利要求3的電機驅動裝置，其中當所述帶電線上的電壓超過所述觸發電壓時，所述第一變阻器、所述第二變阻器以及所述GDT鉗位所述帶電線與所述第二線之間的過量電壓，並且鉗位所述第二線與所述地線之間的過量電壓。
5.權利要求1的電機驅動裝置，其中所述浪湧保護器進一步包括與所述帶電線串聯的熔斷器，並且當流過所述熔斷器的電流超過所述熔斷器的電流閾值時，所述熔斷器產生開路。
6.權利要求1的電機驅動裝置，進一步包括與所述帶電線、所述第二線以及所述地線相連並且將交流電源輸入轉換為直流電源輸出的整流器。
7.權利要求6的電機驅動裝置，其中所述整流器是倍壓型整流器。
8.權利要求1的電機驅動裝置，其中所述第二線是中性線。
9.權利要求1的電機驅動裝置，其中所述第二線是第二帶電線。
10.權利要求6的電機驅動裝置，進一步包括第一電容器，所述第一電容器一端與所述整流器的第一輸出端相連，並且相對端與所述第二線相連；以及第二電容器，所述第二電容器一端與所述整流器的第二輸出端相連，並且相對端與所述第二線相連。
11.權利要求10的電機驅動裝置，進一步包括與所述第一電容器並聯的第一電阻器；與所述第二電容器並聯的第二電阻器。
12.權利要求3的電機驅動裝置，其中所述第一和第二變阻器是金屬氧化物變阻器(MOV)。
13.一種用於電機的電機驅動裝置，所述電機驅動裝置包括帶電線；第二線；地線；以及浪湧保護器，所述浪湧保護器包括第一變阻器；氣體放電管(GDT)，所述氣體放電管(GDT)在低於觸發電壓時不導通而在高於所述觸發電壓時導通，其中所述第一變阻器與所述GDT串聯且被連接在所述帶電線與所述第二線之間以及所述第二線與所述地線之間中的一個位置；以及第二變阻器，所述第二變阻器連接在所述帶電線與所述第二線之間以及所述第二線與所述地線之間中的另一位置。
14.權利要求13的電機驅動裝置，其中所述第一和第二變阻器具有小於高壓測試電壓以及所述觸發電壓的電壓閾值，其中所述高壓測試電壓小於所述觸發電壓，並且其中所述觸發電壓小於浪湧電壓。
15.權利要求13的電機驅動裝置，其中當所述帶電線上的電壓超過所述觸發電壓時，所述第一變阻器、所述第二變阻器以及所述GDT鉗位所述帶電線與所述第二線之間的過量電壓，並且鉗位所述第二線與所述地線之間的過量電壓。
16.權利要求13的電機驅動裝置，其中所述浪湧保護器進一步包括與所述帶電線串聯的熔斷器，並且當流過所述熔斷器的電流超過所述熔斷器的電流閾值時，所述熔斷器產生開路。
17.權利要求13的電機驅動裝置，進一步包括與所述帶電線、所述第二線以及所述地線相連並且將交流電源輸入轉換為直流電源輸出的整流器。
18.權利要求17的電機驅動裝置，其中所述整流器是倍壓型整流器。
19.權利要求18的電機驅動裝置，進一步包括第一電容器，所述第一電容器一端與所述整流器的第一輸出端相連，並且相對端與所述第二線相連；以及第二電容器，所述第二電容器一端與所述整流器的第二輸出端相連，並且相對端與所述第二線相連。
20.權利要求19的電機驅動裝置，進一步包括一端與所述第一電容器並聯的第一電阻器；與所述第二電容器並聯的第二電阻器。
21.權利要求13的電機驅動裝置，其中所述第一和第二變阻器是金屬氧化物變阻器(MOV)。
22.權利要求13的電機驅動裝置，其中所述第二線是中性線。
23.權利要求13的電機驅動裝置，其中所述第二線是第二帶電線。
24.一種用於對帶有浪湧保護電路的電機進行絕緣測試的方法，在所述絕緣測試期間不使用跳線電路來斷開所述浪湧保護電路，所述方法包括提供具有帶電線、地線以及第二線的電機；將第一變阻器與氣體放電管(GDT)串聯並將其連接在帶電線與第二線之間以及所述第二線與所述地線之間中的一個位置；以及執行所述絕緣測試。
25.權利要求24的方法，進一步包括設置所述GDT的觸發電壓，其中所述GDT在高於所述觸發電壓時導通而在低於所述觸發電壓時不導通。
26.權利要求25的方法，進一步包括將所述第一變阻器的電壓閾值設置為小於高壓測試電壓以及所述觸發電壓，所述高壓測試電壓小於所述觸發電壓，並且所述觸發電壓小於浪湧電壓。
27.權利要求26的方法，其中所述浪湧保護器進一步包括連接在所述帶電線與所述第二線之間以及所述第二線與所述地線之間中的另一位置的第二變阻器。
28.權利要求27的方法，進一步包括當所述帶電線上的電壓超過所述觸發電壓時，使用所述第一變阻器、所述第二變阻器以及所述GDT來鉗位所述帶電線與所述第二線之間以及所述第二線與所述地線之間的過量電壓。
全文摘要
一種用於電機的電機驅動裝置，包括帶電線、第二線以及地線。浪湧保護器包括第一變阻器以及在低於觸發電壓時不導通而在高於觸發電壓時導通的氣體放電管(GDT)。所述第一變阻器與所述GDT串聯且被連接在所述帶電線與所述第二線之間以及所述第二線與所述地線之間中的一個位置。所述第二變阻器連接在所述帶電線與所述第二線之間以及所述第二線與所述地線之間中的另一位置。當所述帶電線上的電壓超過所述觸發電壓時，所述第一變阻器、所述第二變阻器以及所述GDT將限制輸出到所述電機的電壓並將過量電壓傳送到所述地線。
文檔編號H02H9/06GK1638225SQ20051000030
公開日2005年7月13日 申請日期2005年1月6日 優先權日2004年1月9日
發明者J·L·斯金納 申請人:美國艾默生電氣公司