CN102811020A - 用于控制用于压缩机的电动机的控制器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于控制电动机(4)的控制器和方法，具体地用于控制压缩机电动机(4)的控制器和方法。所述控制器包括逆变器(3)和功率因数校正器(PFC)(2)，所述功率因数校正器(2)包括降压转换器(5)，并且所述功率因数校正器(2)被设置成将功率供应到逆变器(3)。所述控制器与现有技术的控制器相比能够减小能量消耗，并且与现有技术的控制器相比能够增加电动机(4)的效率。此外，所述控制器与现有技术的控制器相比能够提高电动机(4)的电磁干扰(EMI)性能。

Description

用于控制用于压缩机的电动机的控制器和方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制电动机的控制器和方法，具体地用于控制用于压缩机的电动机的控制器和方法。通过本发明的控制器和方法可以增加电动机的效率并提高电动机的电磁干扰(EMI)性能。
背景技术
牵拉(draw)功率的AC电气系统通过其流动到负载中的有功功率(系统进行操作的能力)和视在功率(在特定时间时电压和电流的产物)之间的比率-‘功率因数’而被特征化。以这种方式限定的功率因数位于0和1之间，并且是无因次数。由于视在功率大于有功功率，所以存储在系统中的能量或在电流波形中由非线性负载引起的失真可以降低功率因数。在很多情况下，由于在功率因数低时涉及的较高电流导致能量损失增加并因此降低效率，所以这种情形是不适当的。
虽然无源部件可以用于提高特定AC电气系统的功率因数，但是无源部件也可以动态有效地改变功率因数。所述电路和由这种电路使用的控制方法已知为功率因数校正(PFC)站。PFC站能够以可以改变所述系统的功率因数的方式控制通过负载牵拉的功率。即，PFC站控制电流或电压波形，使得他们尽可能彼此保持成比例，并因此提供与实际一样接近为一的功率因数。
通常压缩机的电动机通过脉冲宽度调制(PWM)控制。在这种情况下，输入电压被整流，并且已整流的电压被供应到例如为升压转换器形式的功率因数校正(PFC)站。在PFC站中，电压逐渐增加，并且增加的电压被供应到电动机控制装置，电压在电动机控制装置处通过逆变器而逐渐下降。
特别是由于在电压逐渐下降期间布置在电动机控制装置中的开关的快速切换，使电压逐渐增加和随后使电压逐渐下降在所述系统中产生明显的能量损失。
发明内容
本发明的实施例的一个目的是提供一种用于控制电动机的控制器，所述控制器与现有技术的控制器相比能够减小能量消耗。
本发明的实施例的另一目的是提供一种用于控制电动机的控制器，所述控制器与现有技术的控制器相比能够增加电动机的效率。
本发明的实施例的又一目的是提供一种用于控制电动机的控制器，所述控制器与现有技术的控制器相比能够提高电动机的电磁干扰(EMI)性能。
本发明的实施例的又一目的是提供一种用于控制电动机的方法，所述方法与现有技术的方法相比可增加电动机的效率。
本发明的实施例的又一目的是提供一种用于控制电动机的方法，所述方法与现有技术的方法相比可提高电动机的电磁干扰(EMI)性能。
根据本发明的第一方面提供一种用于控制电动机的控制器，所述控制器包括逆变器和功率因数校正器，所述功率因数校正器包括降压转换器，并且所述功率因数校正器被设置成将功率供应到所述逆变器。
本发明的第一方面涉及一种用于控制电动机的控制器，即，适于控制电动机的操作的装置。这可以例如包括控制电动机的速度。
所述控制器包括逆变器和以使PFC将功率供应到逆变器的方式设置的功率因数校正器(PFC)。逆变器通常以将逆变器直接连接到电动机的方式布置，即，逆变器将功率供应到所述电动机。
功率因数校正器能够以可以改变所述系统的功率因数的方式控制通过负载牵拉的功率。即，功率因数校正器控制电流或电压波形，使得电流和电压波形在没有功率因数校正器的情况下互相更成比例，并因此提供与实际一样接近为一的功率因数。这具有很大的优势：其降低了由于在功率因数小于一时发生的无功电流而导致的损失。因此效率被提高。
PFC包括降压转换器。降压转换器是递降式DC到DC转换器，并且已知在能量损失方面非常有效。降压转换器通常包括可控开关、二极管、电感器和电容器。
由于功率因数校正器(PFC)包括降压转换器，因此电压在PFC站期间不会逐渐增加而是只是逐渐下降。因此，在电压初始逐渐增加并随后逐渐降低时，在现有技术的控制器中引起的能量损失被避免。因此，与现有技术的控制器相比提高了控制器的效率。此外，降压转换器的使用允许通过脉冲幅度调制(PAM)控制电动机。这具有以下优势：主要由于在通过脉冲宽度调制(PWM)控制电动机时所需要的快速切换被避免，所以控制器的效率被最大化。由此，切换中的能量损失被最小化。此外，通过PAM控制电动机提高了电动机的EMI性能。因此，通过提供包括降压转换器的PFC，控制器的效率被增加并且能量损失被最小化。
总之，其非常大的优势在于PFC包括降压转换器。
降压转换器可以是多相降压转换器，即，降压转换器可以包括两个或更多个相位。在这种情况下，两个或更多个基本降压转换器电路并联地放置在输入部和负载之间，在这种情况下，电动机将被控制。多相降压转换器能够非常快速地响应于负载变化而不增加切换损失。此外，与单相降压转换器结构相比，在切换波动(switching ripple)方面获得显著减少。
多相降压转换器可以例如为双降压转换器的形式，例如双交错式降压转换器。在这种情况下，降压转换器包括两个相位。
可选地，降压转换器可以是单相降压转换器。
降压转换器可以包括N个相位，N为整数并且N≥2，每一个相位都包括至少一个可控开关，并且可控开关可以设置成以可控开关的接通相位在降压转换器的切换周期中以360°/N的间隔移动的方式被控制。根据该实施例，多相降压转换器被同步操作。这允许降压转换器像相应的单相降压转换器切换N次一样快地快速响应负载变化。然而，避免了这种情况将出现的切换损失。此外，负载电流在N个相位中被分开，从而允许每一个切换上的热量损失遍布更多部件。
所述相位中的至少一个可以包括至少一个附加的可控开关。通常，多相降压转换器的每一个相位都包括可控开关、二极管、电感器和电容器。然而，根据该实施例，相位中的至少一个的二极管由可控开关替代，并且所述的相位由此包括两个可控开关、电感器和电容器。这更进一步降低在降压转换器中产生的损失，从而更进一步提高控制器的效率。
降压转换器可以进一步包括至少一个桥式整流器。所述(一个或多个)桥式整流器可以有利地被设置在输入部和降压转换器的(一个或多个)相位之间。
(一个或多个)桥式整流器中的每一个都可以包括设置在桥结构中的四个二极管。可选地，(一个或多个)桥式整流器中的至少一个可以包括至少一个可控开关。根据该实施例，至少一个整流器电桥的一个或多个二极管已经被可控开关替代。这使其更容易控制降压转换器并且降低降压转换器中产生的损失。
本发明进一步提供一种压缩机，所述压缩机包括用于控制压缩机的电动机的控制系统，所述控制系统包括根据本发明的第一方面的控制器。所述压缩机可以有利地为变速压缩机。例如，所述压缩机可以被在最小速度和最大速度之间进行控制。在必须能够以诸如1∶5、1∶3、1∶2等比率的1∶x的比率控制供应到电动机的电压时，最大速度可以是最小速度的x倍。在最大速度为最小速度的两倍时，压缩机可以被例如从2000rpm到4000rpm进行控制。
可选地，压缩机可以是定速压缩机。
根据本发明的第二方面提供了一种用于控制电动机的方法，所述方法包括以下步骤：
-将输入电压供应到控制器，所述控制器包括功率因数校正器；
-利用形成所述控制器的一部分的降压转换器使输入电压逐渐下降，从而获得输出电压；和
-将输出电压供应到电动机，从而控制电动机的速度。
在根据本发明的第二方面的方法中，输入电压被初始供应给控制器，控制器包括功率因数校正器(PFC)和降压转换器。降压转换器可以有利地形成所述PFC的一部分。输入电压接着通过所述降压转换器而逐渐下降，由此获得输出电压，并且因此获得的输出电压被供应给所述电动机。电动机的速度由此通过逐渐下降的输出电压被控制。
功率因数校正器能够以可以改变所述系统的功率因数的方式控制通过负载牵拉的功率。即，功率因数校正器控制电流或电压波形，使得电流和电压波形与没有功率因数校正器的情况下相比互相更成比例，并因此提供与实际一样接近为一的功率因数。这具有很大的优势：其降低了由于在功率因数小于一时发生的无功电流而导致的损失。因此效率被提高。
如上所述，优点是使用降压转换器，这是因为仅需要使电压逐渐下降，即，不需要例如通过升压转换器初始逐渐增加电压并且随后使电压逐渐下降。因此，系统效率增加并且损失被最小化。这已经在上面被详细地说明。
将输出电压供应到电动机的步骤可以包括通过脉冲幅度调制(PAM)控制电动机的速度。如上所述，这具有以下优势：主要由于在通过脉冲宽度调制(PWM)控制电动机时不需要快速切换，控制器的效率被最大化。因此，切换中的能量损失被最小化。此外，通过PAM控制电动机提高了所述电动机的EMI性能。
所述方法可以有利地使用根据本发明的第一方面的控制器执行。
将输出电压供应到电动机的步骤可以包括将输出电压供应到压缩机的电动机。
附图说明
现将参照附图更详细地说明本发明，其中：
图1是显示根据本发明的实施例的控制器的方框图；
图2显示了示出根据本发明的第一实施例的控制器中使用的降压转换器的电路图；
图3a-3c显示了图示出在根据本发明的第二实施例的控制器中使用的降压转换器的电路图；
图4显示了示出根据本发明的第三实施例的控制器中使用的降压转换器的电路图；
图5显示了图示出根据本发明的第四实施例的控制器中使用的降压转换器的电路图；和
图6显示了示出根据本发明的第五实施例的控制器中使用的降压转换器的电路图。
具体实施方式
图1是显示根据本发明的实施例的控制器的方框图。AC输入电压被供应到整流器1，并且整流电压被供应到包括降压转换器的功率因数校正器(PFC)2。在降压转换器中，电压逐渐下降并随后供应到逆变器3。逆变器3通常包括多个可控开关，例如六个场效应晶体管(FET)，例如为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形式。所述逆变器3的可控开关用于控制从逆变器3供应到电动机4的电压。在图1中示出的控制器中，电动机4是压缩电动机。
图2显示图示出在根据本发明的第一实施例的控制器中使用的降压转换器5的电路图。图示在图2中的降压转换器5是双交错式降压转换器，即，该降压转换器包括并联连接在输入端子8和连接到负载的输出端子9之间的两个相位6，7，在这种情况下所述负载为逆变器(图1中的3)。
每一个相位6，7都包括可控开关10，11、二极器12，13和电感器14，15。可控开关10，11为FET形式，并且所述可控开关以开关10，11中的一个被打开同时开关11，10中的另一个关闭的方式被同步控制，每一个开关都持续关闭降压转换器5的切换周期的一半。因此，可控开关10，11的接通相位在降压转换器5的切换周期中以180°移动，并且每一个相位都以50％的工作周期操作。
降压转换器5还包括桥式整流器16，桥式整流器16包括四个二极管。桥式整流器16对AC输入电压进行整流并将DC电压供应到相位6，7。
在开关10关闭而开关11打开时，电感器14连接到电源电压，因此能量被存储在电感器14中，同时电感器15排放能量到负载中，在这种情况下，负载为逆变器(在图1中的3)。类似地，在开关11关闭而开关10打开时，电感器15连接到电源电压，因此能量被存储在电感器15中，同时电感器14排放能量到负载中。
应该注意的是，虽然图2显示具有两个相位6，7的降压转换器5，但是不排除降压转换器5可以包括三个或更多个相位。在这种情况下，各个相位的可控开关应该以可控开关的接通相位在降压转换器5的切换周期中以360°/N的间隔移动的方式被控制。
图3a-3c显示了图示出在根据本发明的第二实施例的控制器中使用的降压转换器。与图2a-2c中图示的第一实施例相似，图3a-3c的降压转换器5包括桥式整流器16和并联连接在输入端子8和输出端子9之间的两个相位6，7。相位6，7中的每一个都包括可控开关10，11、二极管12，13和电感器14，15。可控开关10，11如上所述参照图2被同步控制。
在图3a-3c的电路图中，可控开关10，11两个都直接连接到负输入端子8，同时正输入端子直接连接到正输出端子。在3a-3c中显示的降压转换器5相对于在图2中显示的降压转换器5更容易控制。这是因为由于可控开关10，11表示地电势，所以不需要高端驱动器。
在图3a中，电路图简单地显示有电路部件之间的全部布线。图3b显示可控开关11关闭同时可控开关10打开的情况。因此，能量被存储在电感器15中，同时先前存储在电感器14中的能量被排放到负载中，在这种情况下，负载为逆变器(在图1中的3)。实线指示电路图的其中电流运行的部分，而虚线指示电路图的其中电流不运行的部分。
类似地，图3c显示可控开关10关闭同时可控开关11打开的情况。因此能量被存储在电感器14中，同时先前存储在电感器15中的能量被排放到负载中。如上所述，实线指示电路图的其中电流运行的部分，而虚线指示电路图的其中电流不运行的部分。
图4显示了示出在根据本发明的第三实施例的控制器中使用的降压转换器5的电路图。降压转换器5包括并联连接在输入端子8和输出端子9之间的两个相位6，7和包括四个二极管的桥式整流器16。每一个相位6，7都包括可控开关10，11和电感器14，15，并且可控开关10，11如上所述被同步控制。相位6，7以在图2中显示的相同的方式连接在输入端子8和输出端子9之间。然而，在图4中所示的电路图中，图2的降压转换器5的二极管12，13已经被为FET形式的可控开关17，18替代。附加的可控开关17，18确保在降压转换器5中产生的能量损失与图2中显示的降压转换器5相比减小，这是因为可控开关中的能量损失低于二极管中的能量损失。图4的降压转换器5特别适用于设计用于短工作周期操作的系统。
图5显示了图示出在根据本发明的第四实施例的控制器中使用的降压转换器5。图5的降压转换器5非常类似于图4的降压转换器5。然而，在图5的降压转换器5中，桥式整流器16的两个二极管已经被为FET形式的可控开关替代。由于在FET中产生的功率损失明显低于二极管中产生的功率损失，因此图5的降压转换器5中的功率损失必须应该低于图4的降压转换器5中产生的功率损失。因此，增加了降压转换器5的效率。此外，在图5中，只有连接到地电势的二极管被FET替代，这是因为这些FET如以上参照图3a所述容易控制。
图6显示了图示出在根据本发明的第五实施例的控制器中使用的降压转换器5。图6的降压转换器5非常类似于图4和5的降压转换器。然而，在图6的降压转换器5中，桥式整流器16的所有四个二极管都被可控开关替代。因此，在降压转换器5中产生的功率损失被更进一步减少，因此更进一步增加了降压转换器的效率。此外，降压转换器5只包括一个相位6。

Claims (12)

1.一种用于控制电动机(4)的控制器，所述控制器包括逆变器(3)和功率因数校正器(2)，所述功率因数校正器(2)包括降压转换器(5)，并且所述功率因数校正器(2)被设置成将功率供应到所述逆变器(3)。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述降压转换器(5)是多相降压转换器。
3.根据权利要求2所述的控制器，其中，所述降压转换器(5)包括N个相位(6，7)，N是整数并且N≥2，每一个相位(6，7)都包括至少一个可控开关(10，11)，所述可控开关(10，11)被设置成以使所述可控开关(10，11)的接通相位在所述降压转换器(5)的切换周期中以360°/N的间隔移动的方式被控制。
4.根据权利要求3所述的控制器，其中，所述相位(6，7)中的至少一个包括至少一个附加的可控开关(17，18)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的控制器，其中，所述降压转换器(5)还包括至少一个桥式整流器(16)。
6.根据权利要求5所述的控制器，其中，所述桥式整流器(16)中的至少一个包括至少一个可控开关。
7.一种压缩机，所述压缩机包括用于控制该压缩机的电动机(4)的控制系统，所述控制系统包括根据前述权利要求中任一项所述的控制器。
8.根据权利要求7所述的压缩机，其中，所述压缩机是变速压缩机。
9.一种用于控制电动机(4)的方法，所述方法包括以下步骤：
-将输入电压供应到控制器，所述控制器包括功率因数校正器(2)；
-利用形成所述控制器的一部分的降压转换器(5)使所述输入电压逐渐下降，从而获得输出电压；和
-将所述输出电压供应到所述电动机(4)，从而控制所述电动机(4)的速度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述输出电压供应到所述电动机(4)的所述步骤包括通过脉冲幅度调制控制所述电动机(4)的速度。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述方法利用根据权利要求1-6中任一项所述的控制器来执行。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中，将所述输出电压供应到所述电动机(4)的所述步骤包括将所述输出电压供应到压缩机的电动机(4)。
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