CN103797705A - Pm马达的反转制动 - Google Patents

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Abstract

一种操作压缩机的系统。系统包括马达、逆变桥、电压检测电路和控制器。马达具有定子和转子。逆变桥配置成将电压提供至定子，并包括以串联型关系与第二开关连接的第一开关、跨接至第一开关的第一二极管以及跨接至第二开关的第二二极管。电压检测电路配置为检测绕组内的反EMF电压。控制器耦合至逆变桥和电压检测电路。控制器配置成控制第一开关和第二开关以驱动马达，以及从电压检测电路接收绕组内的反EMF电压的指示。控制器还配置成确定故障已经发生，并在故障发生时驱动第一开关和第二开关中的一个。

Description

PM马达的反转制动
技术领域
本发明涉及制冷系统中使用的马达驱动型压缩机。具体地，本发明涉及在故障工况发生时防止驱动压缩机的马达反转。
背景技术
许多压缩机通过永磁（PM）马达驱动。当PM马达的转子被外力驱动而不是被其定子驱动时，PM马达用作发电机。在故障发生时，制冷系统内的制冷剂压力会引起压缩机沿反向转动。这种压缩机的反转导致PM马达变成发电机。如果反转足够大，则PM马达会产生量级足以损坏马达和/或控制系统部件的电压和电流。
发明内容
在一种构造中，本发明提供了一种用于操作压缩机的系统。本系统包括马达、逆变桥、电压检测电路和控制器。马达具有定子和转子。逆变桥配置成将电压提供至定子，并包括以串联型关系与第二开关连接的第一开关、跨接至第一开关的第一二极管以及跨接至第二开关的第二二极管。电压检测电路配置为检测绕组内的反EMF电压。控制器耦合至逆变桥和电压检测电路。控制器配置成控制第一开关和第二开关以驱动马达，以及从电压检测电路接收绕组内的反EMF电压的指示。控制器还配置成确定故障已发生，并在故障发生时驱动第一开关或第二开关。
在另一构造中，本发明提供了一种减少驱动压缩机的马达反转的方法。本发明包括检测马达绕组的电压，基于被检测电压确定故障已经发生，以及在检测到故障后连续地驱动第一开关或第二开关。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1是制冷单元的示意图，该制冷单元包括由PM马达驱动的压缩机。
图2是制冷单元的示意图，该制冷单元包括由PM马达驱动的多个压缩机。
图3是系统示意图，该系统用于制动驱动压缩机的马达。
图4是示出用于制动驱动压缩机的马达所采取的过程和步骤的流程图。
具体实施方式
在详细说明本发明的任何构造之前，应理解本发明应用不被限制于以下描述所阐述的或以下附图所示的部件构造和布置的细节。本发明能够有其它构造，并且能够以各种方式实践或实施。
图1是冷却系统100（例如，家用空调）的方框图。系统100包括压缩机105、冷凝器110、控制器115、膨胀阀120、蒸发器125和恒温器130。
控制器115从恒温器130接收是否需要冷却（例如，环境温度高于温度设定值）的指示。如果需要冷却，则控制器115基于设计成减少压缩机105磨损的循环方案确定是否可启动压缩机105。
当控制器115启动压缩机105时，压缩机105压缩冷却系统100中的制冷剂，从而为系统100提供冷却能力。该制冷剂通过管系流向冷凝器110，该冷凝器使制冷剂冷凝成液体。制冷剂继续流向膨胀阀120。膨胀阀120使制冷剂膨胀并转换为气体。该过程随着制冷剂通过蒸发器125而发生。当这种情况发生时，蒸发器125中的制冷剂从蒸发器125周围的空气中去除热量，导致空气被冷却。制冷剂然后继续返回到压缩机105。
图2是示例性大型冷却系统200（例如，用于冷却商业建筑、用于冷却多个冷藏陈列柜等）的方框图。冷却系统200包括至少一个压缩机205、冷凝器210、接收器215、控制器220、压力传感器225、吸入集管230、多个膨胀阀235、多个蒸发器240和多个压力调节器245。一个或多个温度传感器可用于检测蒸发器240所冷却的区域（例如，陈列柜）的温度。控制器220从传感器接收该区域温度的指示，并基于该温度控制系统200的部件（例如，压力调节器245）。
在所示构造中，控制器220从压力传感器225接收吸入压力的指示。控制器220包括用于控制压缩器225的一个或多个输出。控制器220输出可以是用于控制一个或多个定速压缩机205的数字输出（即，开或关）和/或可以是用于控制一个或多个变速压缩机205的模拟输出（即，0%至100%）。
压缩机205压缩冷却系统200中的制冷剂，从而为系统提供冷却能力。在具有多于一个压缩机205的冷却系统200中，压缩机205可在相同或不同时间启动和关闭以满足系统所需的要求。在一些构造中，所有压缩机20具有一个或多个固定容量，控制器220按需要将压缩机205分阶段或加载至系统内。在其它构造中，一个或多个压缩机205具有可变容量。随着系统需求的变化，可修正可变压缩机205的输出以满足要求。当可变压缩机205在其容量的预定阈值（例如，85%或15%）下运行时，另一压缩机205可以分阶段进入或离开系统，并修正可变压缩机205的输出，以满足要求。
在冷却系统200中，制冷剂通过公用管系流向吸入集管230。吸入集管230将系统中的制冷剂返回到在系统中运行的压缩机205。在冷却系统中，可使用压力和温度之间的关系控制冷却系统的冷却能力。不同的操作工况使基于个别被感测温度来控制压缩机205是不切实际的。相反，吸入集管230处的制冷剂压力可指示系统200的最大制冷能力并且可被用于控制压缩机205的操作。
制冷剂的压力通过相应的压力调节器245进行控制。压力调节器245通过调节蒸发器240中的制冷剂压力为每个膨胀阀235/蒸发器240组合维持冷却能力。为了增加温度，可部分或完全地关闭压力调节器245以增加蒸发器240中的制冷剂压力。为了降低温度，打开压力调节器245以减小蒸发器240中的制冷剂压力。如果系统200的冷却能力不足以实现所需的温度，则可完全地打开压力调节器245，但温度将仅下降至商用制冷系统的冷却能力。
压力传感器225位于通向吸入集管230的公用管，并在制冷剂进入吸入集管之前感测其压力。如上所述，制冷剂的压力与温度直接相关。因此，所感测的压力指示商用制冷系统200的最大制冷能力。通过运行压缩机205，使得所感测的吸入压力为或低于对应于系统中最低温度设定值的压力，系统200可确保存在足够的冷却能力以满足冷却系统200的要求。
随着需要更多冷却，启动额外的压缩机205。当需要较少的冷却时，卸载压缩机205。由于压缩机205以及启动和关闭压缩机205的接触器的磨损，已开发出循环方案以减少磨损量，并将磨损分配至所有的压缩机205上。作为这些方案的一部分，当启动压缩机205时，其在预定的最小时间周期（例如，三分钟）内继续保持。这样，在时间周期到期之前应需要较少的冷却，压缩机205继续运行，并降低了系统200的效率。同样，应该关闭压缩机205循环，其在预定的最小时间周期（例如，三分钟）内中断。至少在时间周期到期之前，压缩机205保持关闭，即使系统需求额外冷却，从而降低了系统性能。
图3示出用于操作PM马达305（例如，PM同步马达、无刷直流马达等）以驱动压缩机105/205的系统300的示意图。系统300包括控制器310、电压传感器315、第一相逆变器桥臂320、第二相逆变器桥臂325、第三相逆变器桥臂330、第一DC总线335和第二DC总线340。第一相逆变器桥臂320具有上元件345和下元件350，两元件在第一DC总线335和第二DC总线340之间以“串联型”关系电气连接。第二相逆变器桥臂325具有上元件355和下元件360，两元件在第一DC总线335和第二DC总线340之间以串联型关系电气连接。第三相逆变器桥臂330具有上元件365和下元件370，两元件在第一DC总线335和第二DC总线340之间以串联型关系电气连接。上述逆变器桥臂320、325和330也被称为逆变器分支。在其它构造中，使用其它逆变器构造。
系统300还包含以Y形配置连接的三相PM马达。其它结构（例如，三角形配置）也是可行的。第一相绕组375连接在上元件345和下元件350之间。第二相绕组380连接在上元件365和下元件370之间。第三相绕组385连接在上元件355和下元件360之间。
每个下元件350、360和370均包括相应开关390。在所示构造中，开关390是具有集电极和发射极的绝缘栅双极晶体管（IGBT），其中集电极耦合到相应上元件345、355或365，发射极耦合到第二DC总线340。每个下元件350、360和370还包括具有阳极和阴极的二极管395，其中阳极耦合到相应上元件345、355和365，阴极耦合到第二DC总线340。
上元件345、355和365各自包括具有阳极和阴极的相应二极管400，其中阳极耦合到相应下元件350、360和370，阴极耦合到第一DC总线335。每个上元件345、355和365包括具有发射极和集电极的开关405（例如，IGBT），其中发射极连接到相应下元件350、360和370，集电极耦合到DC总线335。
元件345、350、355、360、365和370由控制器310以已知方式控制，以转动马达305。在所示构造中，电压传感器315感应穿过绕组375、380、385中每个的电压并为控制器310提供所感测到的电压的指示。
控制器310给绕组375、380和385供给动力以转动PM马达。控制器310基于由电压感应器所感测的电压读数选择为哪几个相绕组供给动力。开关的连续启动和关闭使马达沿向前方向转动，导致马达305驱动压缩机105。在某些情况下，当故障发生时，制冷系统100中的制冷剂压力可使压缩机105迅速降低其速度并开始沿反向转动。这使马达305也沿反向转动。马达305沿反向转动使马达305变为发电机。发电机可产生大得足以损坏马达305或控制器300部件的电流和电压。另外，反转可造成系统300的一个或多个部件的物理损坏。
图4示出在发生故障的情况下用于防止制冷系统100/200中的背压沿反向转动马达205/305的过程。
电压传感器315检测三相绕组375、380和385中的每个绕组上的反EMF（步骤400），并且向控制器310提供反EMF的指示（步骤410）。在所示构造中，电压传感器315将该数据串行通讯至控制器310。在其它构造中，电压传感器315经由其它方法（例如，单独模拟信号）向控制器310提供指示。当系统100/200经历故障时，现有的冷凝器压力会导使压缩器105/205减缓并最终停止。此时，绕组375、380和380中无反EMF产生，并且电压传感器310感测该情况并将数据发送到控制器315。
控制器310检测是否所有相绕组375、380和385中的反EMF电压均为零（步骤415）。如果没有反EMF，则控制器310确定已发生故障。控制器310于是启动所有下开关390或所有上开关405（步骤420）。启动所有下开关390或所有上开关405造成整个绕组375、380和385短路。如果马达由于背压而转动，则在定子绕组中产生电压，导致短路电流流动。短路电流将制动力施加在马达305的转子上，并限制马达305的反转。在因主功率损失造成故障的情况中，控制器310和开关390/405的门A-F需要单独电源。
在启动下开关390或上开关405后，控制器310执行警报（步骤425）。该警报可以是音频指示器、可视指示器或其组合。
系统300在通过控制器310检测到故障或错误的情况下手动重置，并包括关闭被启动的警报（步骤430）。本发明防止马达305反向转动并产生足以损坏马达305或控制系统300部件的电流和电压。因此，纠正故障后，在无需因替换马达305或系统300部件而产生时间和成本的情况下，能够再次操作系统300。
以下权利要求中将阐述本发明的各种特征和优点。

Claims (18)

1.一种用于操作压缩机的系统，所述系统包括：
具有绕组和转子的马达；
逆变桥，配置成为所述绕组提供电压，所述逆变桥包括以串联型关系与第二开关连接的第一开关、跨接至所述第一开关的第一二极管以及跨接至所述第二开关的第二二极管；
电压检测电路，配置成检测所述绕组内的反EMF电压；以及
控制器，耦合至所述逆变桥和所述电压检测电路，所述控制器配置成控制所述第一开关和所述第二开关以驱动所述马达，从所述电压检测电路接收所述绕组内的反EMF电压的指示，以及确定故障已发生，并在故障发生时驱动所述第一开关或所述第二开关中的一个。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当期望背EMF电压时，所述控制器在所述背EMF电压约等于零时确定故障已经发生。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在将制动力施加至所述转子时，驱动所述第一开关和所述第二开关中的一个。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述制动力降低了所述转子转动的速率，并防止所述转子产生足以损坏所述系统部件的电压和电流。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述制动力使所述转子停止转动。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述马达包括第二绕组，所述系统还包括第二逆变桥，配置成将电压提供至所述第二绕组，所述第二逆变桥包括以串联型关系与第四开关连接的第三开关、跨接至所述第三开关的第三二极管以及跨接至所述第四开关的第四二极管。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器还配置成在故障已经发生时驱动所述第一开关和所述第三开关或所述第二开关或第四开关。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述马达包括第三绕组，所述系统还包括第三逆变桥，配置成将电压提供至所述第三绕组，所述第三逆变桥包括以串联型关系与第六开关连接的第五开关、跨接至所述第五开关的第五二极管以及跨接至所述第六开关的第六二极管。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制器还配置成在故障已经发生时驱动所述第一开关、所述第三开关以及所述第五开关或第二开关、所述第四开关以及所述第六开关。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。
11.一种减少驱动压缩机的马达反转的方法，所述方法包括：
检测所述马达绕组的电压；
基于被检测电压确定故障已经发生；以及
在检测到故障时连续地驱动所述第一开关或所述第二开关中的一个。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述电压是背EMF电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，当期望背EMF电压时，所述控制器在所述背EMF电压约等于零时确定故障已经发生。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在将制动力施加至所述转子时，驱动所述第一开关和所述第二开关中的一个。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述制动力降低了所述转子转动时的速率，并防止所述转子产生足以损坏所述系统部件的电压和电流。
16.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述制动力使所述转子停止转动。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括当连续地驱动所述第一开关时连续地驱动第三开关，或当连续地驱动所述第二开关时连续地驱动所述第四开关。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括当连续地驱动所述第一开关和所述第三开关时连续地驱动第五开关，或当连续地驱动所述第二开关和所述第四开关时连续地驱动所述第六开关。
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