一種空調壓縮機控制電路及變頻空調的製作方法
2023-06-21 05:13:41
一種空調壓縮機控制電路及變頻空調的製作方法
【專利摘要】本發明屬於空調壓縮機控制【技術領域】，提供了一種空調壓縮機控制電路及變頻空調。本發明由三電平PFC轉換器對交流電源輸出的交流電進行交直轉換產生直流電，並根據控制模塊所輸出的校正控制信號對該直流電進行功率因數校正處理後，通過直流母線輸出正電平和負電平至三電平逆變器，三電平逆變器根據控制模塊所輸出的逆變控制信號對正電平、負電平及零電平進行調製，並分別從其U相輸出端、V相輸出端及W相輸出端輸出U相交流電、V相交流電及W相交流電至空調壓縮機的電機，減小了直流母線電壓紋波，減小了輸出電壓的跳變範圍，減小了空調壓縮機的電機電流中的諧波，且降低了電機轉矩脈動，進而達到降低空調的噪聲水平和提高空調整機效率的目的。
【專利說明】一種空調壓縮機控制電路及變頻空調
【技術領域】
[0001] 本發明屬於空調壓縮機控制【技術領域】，尤其涉及一種空調壓縮機控制電路及變頻 空調。
【背景技術】
[0002] 目前，空調已經廣泛應用於各種領域和場合，工作效率和噪聲水平是衡量其性能 的重要指標。現有技術通常採用兩電平電路拓撲結構(包括兩電平PFC轉換器和兩電平逆 變器）對空調壓縮機進行控制，其具有簡單可靠和控制成熟的優點，但其同時又存在內部的 開關器件的電壓應力大、高壓開關器件的開關損耗大、直流母線的電壓紋波較大、逆變器的 輸出電壓跳變範圍較大、對壓縮機所輸出的電機電流中的諧波含量較大、對壓縮機控制時 的電機轉矩脈動較大以及電磁幹擾較大的缺陷，由於存在這些缺陷，會進一步導致空調在 工作過程中存在噪聲大且整機效率低的問題。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在於提供一種空調壓縮機控制電路，旨在通過降低內部開關器件的 電壓應力和開關損耗、減小直流母線的電壓紋波、減小逆變器的輸出電壓跳變範圍、減小電 機電流中的諧波和電機轉矩脈動，並降低電磁幹擾，進而達到降低空調的噪聲水平和提高 空調整機效率的目的。
[0004] 本發明是這樣實現的，一種空調壓縮機控制電路，與交流電源及空調壓縮機的電 機連接，所述空調壓縮機控制電路包括：
[0005] 三電平PFC轉換器、三電平逆變器及控制模塊；
[0006] 所述三電平PFC轉換器的正電源端和負電源端分別連接所述交流電源的正輸出 端和負輸出端，所述三電平PFC轉換器的正輸出端和負輸出端通過直流母線分別與所述三 電平逆變器的正輸入端和負輸入端連接，所述三電平逆變器的U相輸出端、V相輸出端及W 相輸出端分別連接所述空調壓縮機的電機的U相輸入端、V相輸入端及W相輸入端，所述三 電平PFC轉換器的輸入電壓反饋端、輸入電流反饋端、輸出電壓反饋端及控制端均連接所 述控制模塊，所述控制模塊還與所述三電平逆變器的控制端及反饋端連接；
[0007] 所述三電平PFC轉換器對所述交流電源輸出的交流電進行交直轉換產生直流電， 並根據所述控制模塊所輸出的校正控制信號對所述直流電進行功率因數校正處理後，通過 所述直流母線輸出正電平和負電平至所述三電平逆變器，所述三電平逆變器根據所述控制 模塊所輸出的逆變控制信號對所述正電平、所述負電平及零電平進行調製，並分別從所述U 相輸出端、所述V相輸出端及所述W相輸出端輸出U相交流電、V相交流電及W相交流電至 所述空調壓縮機的電機。
[0008] 本發明還提供了一種變頻空調，其包括空調壓縮機和上述的空調壓縮機控制電 路。
[0009] 本發明通過採用包括三電平PFC轉換器、三電平逆變器及控制模塊的空調壓縮機 控制電路，由三電平PFC轉換器對交流電源輸出的交流電進行交直轉換產生直流電，並根 據控制模塊所輸出的校正控制信號對該直流電進行功率因數校正處理後，通過直流母線輸 出正電平和負電平至三電平逆變器，三電平逆變器根據控制模塊所輸出的逆變控制信號對 正電平、負電平及零電平進行調製，並分別從其U相輸出端、V相輸出端及W相輸出端輸出U 相交流電、V相交流電及W相交流電至空調壓縮機的電機，減小了輸出至直流母線的直流電 中的電壓紋波，減小了輸出至空調壓縮機電機的交流電電壓的跳變範圍，減小了空調壓縮 機的電機電流中的諧波，且降低了電機轉矩脈動，進而達到降低空調的噪聲水平和提高空 調整機效率的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發明實施例提供的空調壓縮機控制電路的模塊結構圖；
[0011] 圖2是本發明實施例提供的空調壓縮機控制電路的示例電路結構圖。
【具體實施方式】
[0012] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並 不用於限定本發明。
[0013] 本發明實施例通過採用包括三電平PFC轉換器、三電平逆變器及控制模塊的空調 壓縮機控制電路，減小了輸出至直流母線的直流電中的電壓紋波，減小了輸出至空調壓縮 機電機的交流電電壓的跳變範圍，減小了空調壓縮機的電機電流中的諧波，且降低了電機 轉矩脈動，進而達到降低空調的噪聲水平和提高空調整機效率的目的。
[0014] 圖1示出了本發明實施例提供的空調壓縮機控制電路的模塊結構，為了便於說 明，僅示出了與本發明相關的部分，詳述如下：
[0015] 空調壓縮機控制電路100與交流電源200及空調壓縮機的電機300連接，空調壓 縮機控制電路100包括三電平PFC轉換器101、三電平逆變器102及控制模塊103。
[0016] 三電平PFC轉換器101的正電源端和負電源端分別連接交流電源200的正輸出端 +和負輸出端_，三電平PFC轉換器101的正輸出端和負輸出端通過直流母線104分別與三 電平逆變器101的正輸入端和負輸入端連接，三電平逆變器102的U相輸出端、V相輸出端 及W相輸出端分別連接空調壓縮機的電機300的U相輸入端、V相輸入端及W相輸入端，三 電平PFC轉換器101的輸入電壓反饋端、輸入電流反饋端、輸出電壓反饋端及控制端均連接 控制模塊103,控制模塊103還與三電平逆變器101的控制端和反饋端連接。
[0017] 三電平PFC轉換器101對交流電源200輸出的交流電進行交直轉換產生直流電， 並根據控制模塊103所輸出的校正控制信號對該直流電進行功率因數校正處理後，通過直 流母線104輸出正電平和負電平至三電平逆變器102,三電平逆變器102根據控制模塊103 所輸出的逆變控制信號對所述正電平、所述負電平及零電平進行調製，並分別從其U相輸 出端、V相輸出端及W相輸出端輸出U相交流電、V相交流電及W相交流電至空調壓縮機的 電機300。
[0018] 其中，交流電源200可以是市電電網，也可以是其他能夠提供交流電的電源。
[0019] 圖2示出了本發明實施例提供的空調壓縮機控制電路的示例電路結構，為了便於 說明，僅示出了與本發明相關的部分，詳述如下：
[0020] 作為本發明一實施例，三電平PFC轉換器101包括：
[0021] 整流橋BD1、電感L1、二極體D1、第一開關管1015、第二開關管1016、電容C1、電容 C2、電阻R1、電阻R2、二極體D2、輸入電壓檢測電路1011、輸入電流檢測電路1012、輸出電壓 檢測電路1013以及第一驅動電路1014 ;
[0022] 整流橋BD1的正端1和負端2分別為三電平PFC轉換器101的正電源端和負電源 端，整流橋BD1的輸出端3與輸入電壓檢測電路1011的輸入端共接於電感L1的第一端， 電感L1的第二端與第一開關管1015的高電位端共接於二極體D1的陽極，二極體D1的陰 極為三電平PFC轉換器101的正輸出端，電容C1的正極與電阻R1的第一端及輸出電壓檢 測電路1013的輸入端共接於二極體D1的陰極，整流橋BD1的地端4與輸入電壓檢測電路 1011的地端共接於輸入電流檢測電路1012的輸出端，輸入電流檢測電路1012的輸入端與 第二開關管1016的低電位端共接於二極體D2的陰極，二極體D2的陽極為三電平PFC轉換 器101的負輸出端，電容C2的負極與電阻R2的第一端及輸出電壓檢測電路1013的地端共 接於二極體D2的陽極，第一驅動電路1014的第一輸出端和第二輸出端分別連接第一開關 管1015的控制端和第二開關管1016的控制端，第一開關管1015的低電位端與第二開關管 1016的高電位端、電容C1的負極、電容C2的正極、電阻R1的第二端及電阻R2的第二端連 接，輸入電壓檢測電路1011的輸出端、輸入電流檢測電路1012的信號輸出端、輸出電壓檢 測電路1013的輸出端以及第一驅動電路1014的輸入端分別為三電平PFC轉換器101的輸 入電壓反饋端、輸入電流反饋端、輸出電壓反饋端及控制端。
[0023] 其中，第一開關管1015和第二開關管1016可以是三極體、M0S管、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體）或者其他具備開關特性的半導體開關器 件；輸入電壓檢測電路1011為常用的電壓檢測電路，其用於對整流橋BD1的輸出電壓進行 檢測；輸入電流檢測電路1012為常用的電流檢測電路，其用於對三電平PFC轉換器101的 輸入級電流進行檢測；輸出電壓檢測電路1013為常用的電壓檢測電路，其用於對三電平 PFC轉換器101的輸出級電壓進行檢測；第一驅動電路1014為開關管驅動電路，其用戶根 據控制模塊103所輸出的校正控制信號相應地控制第一開關管1015和第二開關管1016的 通斷。
[0024] 在上述的三電平PFC轉換器101中，交流電源200所輸出的交流電通過整流橋BD1 整流成直流電，並由第一驅動電路1014根據控制模塊103所輸出的校正控制信號控制第一 開關管1015和第二開關管1016的通斷以實現功率因數校正，且第一開關管1015和第二開 關管1016分別只承受輸出電壓的一半，進而能夠減少第一開關管1015和第二開關管1016 的電壓應力，降低開關損耗，所以第一開關管1015和第二開關管1016可以採用價格低廉、 開關速度快且頻率高的半導體開關器件。另外，三電平PFC轉換器101的輸出電壓跳變小， 輸入電流的紋波小，進而減小了電感L1的高頻電流諧波損耗，提升了三電平PFC轉換器101 的效率。
[0025] 作為本發明一實施例，三電平逆變器102包括：
[0026] 電容C3、電容C4、第三開關管1022、第四開關管1023、第五開關管1024、第六開關 管1025、第七開關管1026、第八開關管1027、第九開關管1028、第十開關管1029、第十一開 關管1030、第十二開關管1031、第十三開關管1032、第十四開關管1033、二極體D3、二極體 D4、二極體D5、二極體D6、二極體D7、二極體D8以及第二驅動電路1021 ;
[0027] 電容C3的正極為三電平逆變器102的正輸入端，第三開關管1022的高電位端、第 七開關管1026的高電位端及第^^一開關管1030的高電位端共接於電容C3的正極，電容C3 的負極與電容C4的正極共接以接入零電平，二極體D3的陽極與二極體D4的陰極、二極體 D5的陽極、二極體D6的陰極、二極體D7的陽極以及二極體D8的陰極共接於電容C3的負 極與電容C4的正極的共接點，電容C4的負極為三電平逆變器102的負輸入端，第六開關管 1025的低電位端、第十開關管1029的低電位端及第十四開關管1033的低電位端共接於電 容C4的正極，第三開關管1022的低電位端與二極體D3的陰極共接於第四開關管1023的 高電位端，第四開關管1023的低電位端與第五開關管1024的高電位端的共接點作為三電 平逆變器102的U相輸出端，第五開關管1024的低電位端與二極體D4的陽極共接於第六 開關管1025的高電位端，第七開關管1026的低電位端與二極體D5的陰極共接於第八開關 管1027的高電位端，第八開關管1027的低電位端與第九開關管1028的高電位端的共接點 作為三電平逆變器102的V相輸出端，第九開關管1028的低電位端與二極體D6的陽極共 接於第十開關管1029的高電位端，第十一開關管1030的低電位端與二極體D7的陰極共接 於第十二開關管1031的高電位端，第十二開關管1031的低電位端與第十三開關管1032的 高電位端的共接點作為三電平逆變器102的W相輸出端，第十三開關管1032的低電位端與 二極體D8的陽極共接於第十四開關管10154的高電位端，第三開關管1022的控制端與第 四開關管1023的控制端、第五開關管1024的控制端及第六開關管1025的控制端共接於第 二驅動電路1021的第一輸出端，第七開關管1026的控制端與第八開關管1027的控制端、 第九開關管1028的控制端及第十開關管1029的控制端共接於第二驅動電路1021的第二 輸出端，第十一開關管1030的控制端與第十二開關管1031的控制端、第十三開關管1032 的控制端及第十四開關管1033的控制端共接於第二驅動電路1021的第三輸出端，第二驅 動電路1021的控制端和信號輸出端分別作為三電平逆變器101的控制端和反饋端。
[0028] 其中，第三開關管1022、第四開關管1023、第五開關管1024、第六開關管1025、第 七開關管1026、第八開關管1027、第九開關管1028、第十開關管1029、第十一開關管1030、 第十二開關管1031、第十三開關管1032以及第十四開關管1033可以是三極體、M0S管、 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體）或者其他具備開關特 性的半導體器件；二極體D3、二極體D4、二極體D5、二極體D6、二極體D7以及二極體D8在 三電平逆變器102中起電壓鉗位的作用，所以三電平逆變器102是二極體鉗位型逆變器；在 第二驅動電路1021是具備過流檢測和溫度檢測功能的開關管驅動電路，其將過流檢測或 溫度檢測所得到的檢測信號通過信號輸出端輸出至控制模塊103,且其根據控制模塊103 所輸出的逆變控制信號相應地控制第三開關管1022、第四開關管1023、第五開關管1024、 第六開關管1025、第七開關管1026、第八開關管1027、第九開關管1028、第十開關管1029、 第i^一開關管1030、第十二開關管1031、第十三開關管1032以及第十四開關管1033的通 斷。
[0029] 在上述三電平逆變器102中，正電平、負電平及零電平這三個電平的電壓跳變幅 度為直流母線104的電壓的一半，進而使三電平逆變器102內部的電路線電壓比現有的兩 電平逆變器中的電路線電壓減小了一半，所以使得三電平逆變器102中的上述多個開關管 所承受的電壓應力減小，便於採用電壓等級較低、效率更高的半導體開關器件以使三電平 逆變器102的電壓等級更高，進而提高三電平逆變器102的整體效率。同時，三電平逆變器 102通過對上述的三個電平進行調製以得到更好的正弦波電流波形（即U相交流電、V相交 流電及W相交流電的波形)，從而減小了空調壓縮機的電機電流中的諧波，降低了電機轉矩 脈動，進而有效地降低空調的噪聲水平。
[0030] 作為本發明一實施例，控制模塊103可以是包括單片機、ARM處理器或者其他具備 信號處理能力的可編程控制器的控制電路。
[0031] 本發明實施例還提供了一種變頻空調，其包括空調壓縮機和上述的空調壓縮機控 制電路100。
[0032] 本發明實施例通過採用包括三電平PFC轉換器、三電平逆變器及控制模塊的空調 壓縮機控制電路，由三電平PFC轉換器對交流電源輸出的交流電進行交直轉換產生直流 電，並根據控制模塊所輸出的校正控制信號對該直流電進行功率因數校正處理後，通過直 流母線輸出正電平和負電平至三電平逆變器，三電平逆變器根據控制模塊所輸出的逆變控 制信號對正電平、負電平及零電平進行調製，並分別從其U相輸出端、V相輸出端及W相輸 出端輸出U相交流電、V相交流電及W相交流電至空調壓縮機的電機，減小了輸出至直流母 線的直流電中的電壓紋波，減小了輸出至空調壓縮機電機的交流電電壓的跳變範圍，減小 了空調壓縮機的電機電流中的諧波，且降低了電機轉矩脈動，進而達到降低空調的噪聲水 平和提高空調整機效率的目的。
[0033] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種空調壓縮機控制電路，與交流電源及空調壓縮機的電機連接，其特徵在於，所述 空調壓縮機控制電路包括： 三電平PFC轉換器、三電平逆變器及控制模塊； 所述三電平PFC轉換器的正電源端和負電源端分別連接所述交流電源的正輸出端和 負輸出端，所述三電平PFC轉換器的正輸出端和負輸出端通過直流母線分別與所述三電平 逆變器的正輸入端和負輸入端連接，所述三電平逆變器的U相輸出端、V相輸出端及W相輸 出端分別連接所述空調壓縮機的電機的U相輸入端、V相輸入端及W相輸入端，所述三電平 PFC轉換器的輸入電壓反饋端、輸入電流反饋端、輸出電壓反饋端及控制端均連接所述控制 模塊，所述控制模塊還與所述三電平逆變器的控制端及反饋端連接； 所述三電平PFC轉換器對所述交流電源輸出的交流電進行交直轉換產生直流電，並根 據所述控制模塊所輸出的校正控制信號對所述直流電進行功率因數校正處理後，通過所述 直流母線輸出正電平和負電平至所述三電平逆變器，所述三電平逆變器根據所述控制模塊 所輸出的逆變控制信號對所述正電平、所述負電平及零電平進行調製，並分別從所述U相 輸出端、所述V相輸出端及所述W相輸出端輸出U相交流電、V相交流電及W相交流電至所 述空調壓縮機的電機。
2. 如權利要求1所述的空調壓縮機控制電路，其特徵在於，所述三電平PFC轉換器包 括： 整流橋BD1、電感L1、二極體D1、第一開關管、第二開關管、電容C1、電容C2、電阻R1、電 阻R2、二極體D2、輸入電壓檢測電路、輸入電流檢測電路、輸出電壓檢測電路以及第一驅動 電路； 所述整流橋BD1的正端和負端分別為所述三電平PFC轉換器的正電源端和負電源端， 所述整流橋BD1的輸出端與所述輸入電壓檢測電路的輸入端共接於所述電感L1的第一端， 所述電感L1的第二端與所述第一開關管的高電位端共接於所述二極體D1的陽極，所述二 極管D1的陰極為所述三電平PFC轉換器的正輸出端，所述電容C1的正極與所述電阻R1的 第一端及所述輸出電壓檢測電路的輸入端共接於所述二極體D1的陰極，所述整流橋BD1的 地端與所述輸入電壓檢測電路的地端共接於所述輸入電流檢測電路的輸出端，所述輸入電 流檢測電路的輸入端與所述第二開關管的低電位端共接於所述二極體D2的陰極，所述二 極管D2的陽極為所述三電平PFC轉換器的負輸出端，所述電容C2的負極與所述電阻R2的 第一端及所述輸出電壓檢測電路的地端共接於所述二極體D2的陽極，所述第一驅動電路 的第一輸出端和第二輸出端分別連接所述第一開關管的控制端和所述第二開關管的控制 端，所述第一開關管的低電位端與所述第二開關管的高電位端、所述電容C1的負極、所述 電容C2的正極、所述電阻R1的第二端及所述電阻R2的第二端連接，所述輸入電壓檢測電 路的輸出端、所述輸入電流檢測電路的信號輸出端、所述輸出電壓檢測電路的輸出端以及 所述第一驅動電路的輸入端分別為所述三電平PFC轉換器的輸入電壓反饋端、輸入電流反 饋端、輸出電壓反饋端及控制端。
3. 如權利要求1所述的空調壓縮機控制電路，其特徵在於，所述三電平逆變器包括： 電容C3、電容C4、第三開關管、第四開關管、第五開關管、第六開關管、第七開關管、第 八開關管、第九開關管、第十開關管、第i^一開關管、第十二開關管、第十三開關管、第十四 開關管、二極體D3、二極體D4、二極體D5、二極體D6、二極體D7、二極體D8以及第二驅動電 路； 所述電容C3的正極為所述三電平逆變器的正輸入端，所述第三開關管的高電位端、所 述第七開關管的高電位端及所述第十一開關管的高電位端共接於所述電容C3的正極，所 述電容C3的負極與所述電容C4的正極共接以接入零電平，所述二極體D3的陽極與所述二 極管D4的陰極、所述二極體D5的陽極、所述二極體D6的陰極、所述二極體D7的陽極以及 所述二極體D8的陰極共接於所述電容C3的負極與所述電容C4的正極的共接點，所述電容 C4的負極為所述三電平逆變器的負輸入端，所述第六開關管的低電位端、所述第十開關管 的低電位端及所述第十四開關管的低電位端共接於所述電容C4的正極，所述第三開關管 的低電位端與所述二極體D3的陰極共接於所述第四開關管的高電位端，所述第四開關管 的低電位端與所述第五開關管的高電位端的共接點作為所述三電平逆變器的U相輸出端， 所述第五開關管的低電位端與所述二極體D4的陽極共接於所述第六開關管的高電位端， 所述第七開關管的低電位端與所述二極體D5的陰極共接於所述第八開關管的高電位端， 所述第八開關管的低電位端與所述第九開關管的高電位端的共接點作為所述三電平逆變 器的V相輸出端，所述第九開關管的低電位端與所述二極體D6的陽極共接於所述第十開關 管的高電位端，所述第十一開關管的低電位端與所述二極體D7的陰極共接於所述第十二 開關管的高電位端，所述第十二開關管的低電位端與所述第十三開關管的高電位端的共接 點作為所述三電平逆變器的W相輸出端，所述第十三開關管的低電位端與所述二極體D8的 陽極共接於所述第十四開關管的高電位端，所述第三開關管的控制端與所述第四開關管的 控制端、所述第五開關管的控制端及所述第六開關管的控制端共接於所述第二驅動電路的 第一輸出端，所述第七開關管的控制端與所述第八開關管的控制端、所述第九開關管的控 制端及所述第十開關管的控制端共接於所述第二驅動電路的第二輸出端，所述第十一開關 管的控制端與所述第十二開關管的控制端、所述第十三開關管的控制端及所述第十四開關 管的控制端共接於所述第二驅動電路的第三輸出端，所述第二驅動電路的控制端和信號輸 出端分別作為所述三電平逆變器的控制端和反饋端。
4. 如權利要求2所述的空調壓縮機控制電路，其特徵在於，所述第一開關管和所述第 二開關管是三極體、MOS管或絕緣柵雙極型電晶體。
5. 如權利要求3所述的空調壓縮機控制電路，其特徵在於，所述第三開關管、所述第四 開關管、所述第五開關管、所述第六開關管、所述第七開關管、所述第八開關管、所述第九開 關管、所述第十開關管、所述第十一開關管、所述第十二開關管、所述第十三開關管以及所 述第十四開關管是三極體、MOS管或絕緣柵雙極型電晶體。
6. -種變頻空調，包括空調壓縮機，其特徵在於，所述變頻空調還包括如權利要求1-5 任一項所述的空調壓縮機控制電路。
【文檔編號】H02M5/44GK104113261SQ201310323714
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年7月29日 優先權日:2013年7月29日
【發明者】韓軍良 申請人:廣東美的製冷設備有限公司