CN100477478C - 变频式压缩机的预热装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了当室外温度较低的状态下用于预热变频式压缩机的一种预热装置及其方法。本发明包含控制电路，该控制电路输出为了预热压缩机而将上流侧开关元件以高频转换的控制信号及将所述下流侧开关元件以低频转换的控制信号，并使导通所述电机电流的相每按预定的单位区间进行交替。依据本发明由于交替变换流入于电机的电流相，因而可以控制为防止电机线圈的劣化并高效加热。而且，上流侧开关元件始终以高频脉宽调制信号进行转换，从而可以稳定地执行自举电路中的充电动作，并且通过较低的电机电流执行转子的置位后增加电机电流而进行预热，从而有益于实现低噪音化。

Description

变频式压缩机的预热装置及其方法
技术领域
本发明涉及当室外温度较低的状态下用于预热变频式压缩机的一种预热装置及其方法，尤其涉及防止线圈劣化并执行高效的加热控制的同时有益于降低噪音的一种变频式压缩机的预热装置及其方法。
背景技术
用于热泵式空调机的压缩机，是由变频电路来控制三相电机的预热。而压缩机的预热控制，则以改进制热性能及提高低温下的压缩机可靠性为其目的。用于预热压缩机的方法，通常包含利用压缩机“曲柄-壳体-加热器”的方法以及向电机线圈导通电流而加热的方法。当采用向电机线圈导通电流的方式时，需要留意如何实现线圈劣化的防止、高效的加热控制以及低噪音化。
通常采用的防止电机线圈劣化的方法，是将导通电流的电机线圈的相按一定时间进行交替；而通常采用的有效地控制加热压缩机的方法，是间歇地导通电机线圈上的电流。作为这种传统的案例，如日本专利公报“第2804796号”所揭示的“电机控制装置”。
所述的“电机控制装置”为：包含电机及由多个开关元件构成的变频电路的电机控制装置，该多个开关元件上分别并联二极管，与此同时选择其中的位于一个线圈的电流路径上流侧的开关元件将其控制为接通/断开(参见图1的54)，并将其余的开关元件为接通(参见图1的55、56)，从而当上述的上流侧开关元件为断开时，用于释放电机线圈电磁能的续流电流通过二极管供应于电机；而且，具有将这些连续导通的电流由电机的一个线圈分流到其他线圈的第一模式以及根据该第一模式向电机导通电流的同时控制其他开关元件以低频接通/断开的第二模式，并通过该第一模式与第二模式的反复交替而控制电机电流(参见图2的91、92、93)。
如上所述的“电机控制装置”由于电机电流被间歇地导通，因而可以实现高效的预热控制。
在图1中，示出了间歇地导通电机电流的方法。虽然在T3期间开关元件为接通状态而导通电机电流，但在T3至T4期间所有的开关元件为断开状态而截断电机电流。通过间歇地导通电机电流而增加电机电流的峰值，其理由在于以增加电机相对于开关元件的电能消耗之比来增强电机的加热效果。由此可见，即使处于低温环境也可以有效地缩短启动压缩机时因加热所需的电机控制装置的加热时间，如热泵式空调机等。
此外，所述的电机控制装置由于按顺序交替所加热的电机线圈，因而可以均匀加热各电机线圈。与此相关的如图2所示，按顺序交替所加热的电机线圈。即，在T3区间因开关元件为接通而导通电机电流，而在该T3区间将各开关元件控制为反复交替接通、断开状态。据此，不仅可以使各电机线圈的加热量均匀、缩短加热时间，而且还可以避免向特定的相(phase)持续地导通电流而有效地防止了电机线圈的劣化。
因此，这种现有的“电机控制装置”是以间歇地控制电机电流，可以实现高效的预热控制，并且为了间歇控制电机电流将电机电流设定为以低频接通、断开交替的模式。
但是，现有的电机控制装置却存在着如下几方面的不足之处。
如果将电机电流均设定为断开状态(图1中T3～T4区间)，则因没有停止力矩而不能使电机的转子固定于所定的位置上，并此时，如果再导通电机电流时，由于电机会产生驱动力矩而使压缩机产生振动。
并且，该“电机控制装置”为将所加热的电机线圈按序交替，以使各电机线圈被控制为加热均匀。然而，随着所加热的电机线圈按序交替，相应的驱动力矩也随之发生，从而使压缩机产生振动。
有关这类压缩机的振动如前面引用的文献中指出：虽然可能出现因电机力矩而导致的电机的齿槽转矩(cogging)，但如果将电机电流的间歇控制频率或者将所加热的电机线圈按序交替的频率减小，则在实际应用中不成问题。
但是，就算频率变小，如果由压缩机振动所引起的噪音增大，也将成为问题。例如，为了有效地控制预热而增加电机电流的峰值，则驱动力矩也随之成比地增加，并且由齿槽转矩(cogging)引起的压缩机噪音也随之增加。
并且，如果将电机电流的间歇控制频率或者将所加热的电机线圈按序交替的频率减小，则会存在难以控制电机电流的问题。例如，内置变频驱动用开关元件的功率模块，为了供应用于控制上流侧开关元件(通常由三个开关元件组成，并对应于下流侧开关元件)的电源，通常采用利用自举电路(bootstrap)进行充电的方法。采用该方法可以将变频开关元件的控制电源组成为单一电源，从而具有降低成本的优势。如果采用这种自举电路的方式，必须要使接通到上流侧开关元件的电机端子电压与上述的控制电源的接地电压大致相同方可进行正常充电。受其制约，当长时间不导通下流侧开关元件或者分别并联于该下流侧开关元件的续流二极管时，就会降低上流侧开关元件的控制电源并使开关元件的动作不稳定，最终发生无法控制电机电流的现象。而此时，也必然存在发生压缩机噪音的现象。
发明内容
本发明为考虑到如上所述的现有技术中所存在的不足而提出的，其目的在于提供当预热压缩机时不仅可以防止线圈劣化并执行高效的加热控制、同时有益于降低压缩机噪音的一种变频式压缩机的预热装置及其方法。
为了达到上述目的本发明所提供的用于预热内置三相电机的压缩机的一种压缩机预热装置，其特征在于包含：用于向所述三相电机供应电流的变频电路，该电路由上流侧开关元件及下流侧开关元件组成；控制电路，以用于输出为了预热所述压缩机而将所述上流侧开关元件以高频转换的控制信号以及将所述下流侧开关元件以低频转换的控制信号，并使导通所述电机电流的相每按预定的单位区间进行交替；并且，所述控制电路为了将所述上流侧开关元件以高频转换而进行脉宽调制控制；所述控制电路将所述单位区间划分为至少两个区间，并将适用于所划分的至少两个区间的脉宽调制占空比设定为互不相同。
所述的控制电路，包含：输出栅极信号的驱动器，以用于驱动所述开关元件；电源电路，以用于向所述驱动器供应控制电源。
当所述单位区间被划分为前半区间和后半区间时，所述驱动器设定为适用于所述前半区间的脉宽调制占空比小于适用于所述后半区间的脉宽调制占空比。
当所述下流侧开关元件上并联续流二极管、并由所述上流侧开关元件进行高频转换时，续流电流通过所述续流二极管导通。
根据所述续流电流使所述上流侧开关元件与所述下流侧开关元件连接点的电压几乎等于接地电平时，所述电源电路执行充电动作。
为了达到上述目的本发明所提供的一种压缩机预热方法，利用具有多个开关元件的变频电路将电机电流供给三相电机而预热压缩机，其特征在于：给所述变频电路的上流侧开关元件输出控制信号进行高频转换，同时给所述变频电路的下流侧开关元件输出控制信号而进行低频转换；使导通所述电机电流的相每按预定的单位区间依据所定顺序进行交替；并且，为了将所述上流侧开关元件以高频转换而进行脉宽调制控制；所述单位区间至少划分为两个区间，并将适用于所划分的至少两个区间的脉宽调制占空比设定为互不相同。
当所述单位区间被划分为前半区间和后半区间时，适用于所述前半区间的脉宽调制占空比设定为小于适用于所述后半区间的脉宽调制占空比。
所述前半区间所述电机的感应电流峰值小于所述后半区间所述电机的感应电流峰值。
在所述前半区间置位所述电机的转子，而在所述后半区间通过所述电机线圈的致热进行预热。
附图说明
图1为依据现有压缩机预热方法的向开关元件输出的控制信号示意图；
图2为依据现有压缩机预热方法的变换导通于电机的电流相时的控制信号示意图；
图3为适用于本发明的变频电路结构示意图；
图4为依据本发明所提供的向上流侧开关元件施加控制电源的控制电路结构图；
图5为对于组成变频电路的上流侧开关元件及下流侧开关元件进行两侧交替断续时的通电模式；
图6为针对于图5的依据本发明所提供的对组成变频电路的上流侧开关元件进行断续时的通电模式；
图7为按图6的通电模式分别施加于上流侧开关元件及下流侧开关元件的控制信号示意图；
图8a至图8f为分别对应图7中变换导通于电机的电流相的各种情况的电机电流路径示意图；
图9为分别对应图7中变换导通于电机的电流相的各种情况的电机感应电流示意图。
具体实施方式
以下，将详细描述依据本发明所提供的实施方式。
依据本发明所提供的变频式压缩机的预热装置如图3所示，为了控制导通于三相电机110电机线圈S1、S2、S3的电流，具有由开关元件组成的变频电路100。
图3示出了普通的电机与变频电路控制装置的结构。其中，电机由三相线圈S1、S2、S3组成，而所述变频电路由6个开关元件u+、v+、w+、u-、v-、w-组成。上流侧开关元件u+、v+、w+与下流侧开关元件u-、v-、w-相互对应而连接，其连接处分别与电机的三相线圈S1、S2、S3相连。并在上流侧开关元件u+、v+、w+及下流侧开关元件u-、v-、w-上分别并联续流二极管D1、D3、D5、D2、D4、D6。
本发明具有以高频脉宽调制(PWM)控制上流侧开关元件u+、v+、w+的控制电路。例如，图4所示的控制电路200表示在上流侧开关元件u+、v+、w+中对开关元件u+进行控制的情形。控制电路200具有为了驱动开关元件u+而发生栅极信号的驱动器201及用于给驱动器供应电源的自举电路。
驱动器201发生驱动开关元件u+的栅极信号，该驱动器201上供应控制电源Vcc。控制电源Vcc由构成自举电路的直流电源Vdc、二极管D7、电容器C1而产生。导通下流侧开关元件u-或者导通下流侧开关元件u-的续流二极管D2，则上流侧开关元件u+与下流侧开关元件u-的接通(COM)点电压与接地电压几乎相同，从而导通充电电流(current3)。据此，电容器C1被充电为与直流电源Vdc相同的电压，而该充电电压作为控制电源(Vcc)供应于驱动器201。
其他上流侧开关元件v+、w+同样接收根据如上所述的控制电路所提供的控制电源。
下面将描述电容器C1充电电流(current3)的导通时间。图5示出了变频电路中开关元件的通电模式。该模式中，阴影部分表示为开关元件由脉宽调制(PWM)信号而断续(Chopping)的状态，空白部分表示为开关元件被导通的状态。利用矩形波控制信号的变频电路中，通常对上流侧开关元件和下流侧开关元件进行两侧交替断续。可以向电容器C1上充电直流电源(Vdc)的时间为，如图4中的导通下流侧开关元件u-或者导通下流侧开关元件u-的续流二极管D2的情形。在图5的通电模式中，U-的空白部分由于开关元件u-被导通，因而可以充电电容器C1；而U+的阴影部分由于开关元件u+被断续，因而通过导通下流侧开关元件的续流二极管D2可以使电容器C1充电。如图3所示，当上流侧开关元件u+根据脉宽调制(PWM)信号断续(Chopping)时，电机驱动电流(current1)流入于电机线圈，而在脉宽调制(PWM)的断开区间虽然不导通电机驱动电流(current1)，但根据电机感应系数的因素而连续流入感应电流(current4)，从而由于流入续流电流(current2)而使续流二极管D2导通。续流二极管D2一旦被导通，则上流侧开关元件与下流侧开关元件连接点(COM)的电势几乎与接地电平相同，从而使电容器C1充电。
但是，如上所述当利用按照图5所示的通电模式时，在部分区间a、b、c不能向电容器C1充电。
当正常运行压缩机时，由于这种不能充电的区间a、b、c是在数毫秒左右的暂短时间，因而可以不予考虑电容器C1充电电压的下降；但是，如同预热压缩机的情形，在启动运行压缩机时势必要把不能充电区间a、b、c设定为较长时间(数秒至数十秒)方可避免发生噪音，若如此将不能充电的区间变长，则不能向电容器C1充电的时间也相应变长，其结果给压缩机的预热运行带来不良影响。
有鉴于此，本发明为了稳定地给电容器C1充电，采用如图6所示的通电模式。即，当上流侧开关元件u+断续时，下流侧开关元件的续流二极管D2被导通，从而可以向电容器C1充电。在(b-1)区间及(c-1)区间，由于上流侧开关元件u+没被导通，因而电容器C1不充电。由于这些(b-1)、(c-1)区间不导通上流侧开关元件u+，因而电容器C1电荷消耗缓慢，并且如果适当地设定电容器的容量，则可以留住充分的驱动开关元件所需的电荷。
若按图6的通电模式预热压缩机，则可以避免电容器C1充电电压降低的问题。
图7为按图6的通电模式分别施加于上流侧开关元件及下流侧开关元件的控制信号示意图，图8a至图8f为分别对应图7中变换导通于电机的电流相的各种情况的电机电流路径的示意图。
对上流侧开关元件进行转换的脉宽调制(PWM)占空比(duty)在交替导通于电机的电流相之前将区间(T-3)区分为前半区间(T-1)及后半区间(T-2)。
适用于前半区间(T-1)及后半区间(T-2)的脉宽调制占空比被设定为互不相同。前半区间(T-1)的脉宽调制占空比相对于后半区间(T-2)的脉宽调制占空比被设定为较小。
一般而言，为了有效的预热控制而增加电机电流的峰值时，与其相应地随之增加驱动力矩，致使因齿槽转矩(cogging)引起的压缩机噪音随之增加。然而，如本发明所述将前半区间(T-1)的脉宽调制占空比设定为较小，从而使电机上流入低电流(low current)而置位转子。由于电机上流入的电流较小，致使因转子的置位而发生的噪音变小。而后，在后半区间(T-2)将脉宽调制占空比设定为较大，从而增加电机电流。如此执行转子置位之后增加电机电流，就可以降低因齿槽转矩而发生的压缩机噪音。
当流入于电机的电流相进行交替而执行转流时，相被变换后的前半区间执行转子置位，随后的后半区间增加电机电流。
图9为可以在前半区间及后半区间变化的图3中感应电流(current4)的波形示意图。
在前半区间(T-1)通过导通较小电流(X1)执行转子的置位，而较小电流(X1)的设定按照转子置位所必要的最小值。在后半区间(T-2)通过导通较大电流(X2)致热而使电机预热，而该较大电流(X2)的设定按照可以获得预热电机所需热量的电流值。
如上所述被控制为均匀加热各电机线圈，不仅可以提高预热效率，而且还可以降低压缩机因齿槽转矩(cogging)而发生的噪音。
由此可见，本发明可以执行启动热泵式空调机所必要的压缩机预热控制。
依据本发明由于交替变换流入于电机的电流相，因而可以控制为防止电机线圈的劣化并高效加热。而且，上流侧开关元件始终以高频脉宽调制信号进行转换，从而可以稳定地执行自举电路中的充电动作，并且通过较低的电机电流执行转子的置位后增加电机电流而进行预热，从而有益于实现低噪音化。

Claims (9)

1、对内置三相电机的压缩机进行预热的一种变频式压缩机的预热装置，其特征在于包含：
用于向所述三相电机供应电流的变频电路，该电路由上流侧开关元件及下流侧开关元件组成；及
控制电路，以用于输出为了预热所述压缩机而将所述上流侧开关元件以高频转换的控制信号以及将所述下流侧开关元件以低频转换的控制信号，并使导通所述电机电流的相每按预定的单位区间进行交替；并且，
所述控制电路为了将所述上流侧开关元件以高频转换而进行脉宽调制控制；
所述控制电路将所述单位区间划分为至少两个区间，并将适用于所划分的至少两个区间的脉宽调制占空比设定为互不相同。
2、按照权利要求1所述的变频式压缩机的预热装置，其特征在于所述的控制电路包含：输出栅极信号的驱动器，以用于驱动所述开关元件；电源电路，以用于向所述驱动器供应控制电源。
3、按照权利要求2所述的变频式压缩机的预热装置，其特征在于当所述单位区间被划分为前半区间和后半区间时，所述驱动器设定为适用于所述前半区间的脉宽调制占空比小于适用于所述后半区间的脉宽调制占空比。
4、按照权利要求3所述的变频式压缩机的预热装置，其特征在于当所述下流侧开关元件上并联续流二极管、并由所述上流侧开关元件进行高频转换时，续流电流通过所述续流二极管导通。
5、按照权利要求4所述的变频式压缩机的预热装置，其特征在于根据所述续流电流使所述上流侧开关元件与所述下流侧开关元件连接点的电压几乎等于接地电平时，所述电源电路执行充电动作。
6、利用具有多个开关元件的变频电路将电机电流供给三相电机而预热压缩机的一种变频式压缩机的预热方法，其特征在于：
给所述变频电路的上流侧开关元件输出控制信号进行高频转换，同时给所述变频电路的下流侧开关元件输出控制信号而进行低频转换；及
使导通所述电机电流的相每按预定的单位区间依据所定顺序进行交替；并且，
为了将所述上流侧开关元件以高频转换而进行脉宽调制控制；
所述单位区间至少划分为两个区间，并将适用于所划分的至少两个区间的脉宽调制占空比设定为互不相同。
7、按照权利要求6所述的变频式压缩机的预热方法，其特征在于当所述单位区间被划分为前半区间和后半区间时，适用于所述前半区间的脉宽调制占空比设定为小于适用于所述后半区间的脉宽调制占空比。
8、按照权利要求7所述的变频式压缩机的预热方法，其特征在于所述前半区间所述电机的感应电流峰值小于所述后半区间所述电机的感应电流峰值。
9、按照权利要求8所述的变频式压缩机的预热方法，其特征在于在所述前半区间置位所述电机的转子，而在所述后半区间通过所述电机线圈的致热进行预热。
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