CN104113261A - 一种空调压缩机控制电路及变频空调 - Google Patents

Abstract

本发明属于空调压缩机控制技术领域，提供了一种空调压缩机控制电路及变频空调。本发明由三电平PFC转换器对交流电源输出的交流电进行交直转换产生直流电，并根据控制模块所输出的校正控制信号对该直流电进行功率因数校正处理后，通过直流母线输出正电平和负电平至三电平逆变器，三电平逆变器根据控制模块所输出的逆变控制信号对正电平、负电平及零电平进行调制，并分别从其U相输出端、V相输出端及W相输出端输出U相交流电、V相交流电及W相交流电至空调压缩机的电机，减小了直流母线电压纹波，减小了输出电压的跳变范围，减小了空调压缩机的电机电流中的谐波，且降低了电机转矩脉动，进而达到降低空调的噪声水平和提高空调整机效率的目的。

Description

一种空调压缩机控制电路及变频空调

技术领域

本发明属于空调压缩机控制技术领域，尤其涉及一种空调压缩机控制电路及变频空调。

背景技术

目前，空调已经广泛应用于各种领域和场合，工作效率和噪声水平是衡量其性能的重要指标。现有技术通常采用两电平电路拓扑结构（包括两电平PFC转换器和两电平逆变器）对空调压缩机进行控制，其具有简单可靠和控制成熟的优点，但其同时又存在内部的开关器件的电压应力大、高压开关器件的开关损耗大、直流母线的电压纹波较大、逆变器的输出电压跳变范围较大、对压缩机所输出的电机电流中的谐波含量较大、对压缩机控制时的电机转矩脉动较大以及电磁干扰较大的缺陷，由于存在这些缺陷，会进一步导致空调在工作过程中存在噪声大且整机效率低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空调压缩机控制电路，旨在通过降低内部开关器件的电压应力和开关损耗、减小直流母线的电压纹波、减小逆变器的输出电压跳变范围、减小电机电流中的谐波和电机转矩脉动，并降低电磁干扰，进而达到降低空调的噪声水平和提高空调整机效率的目的。

本发明是这样实现的，一种空调压缩机控制电路，与交流电源及空调压缩机的电机连接，所述空调压缩机控制电路包括：

三电平PFC转换器、三电平逆变器及控制模块；

所述三电平PFC转换器的正电源端和负电源端分别连接所述交流电源的正输出端和负输出端，所述三电平PFC转换器的正输出端和负输出端通过直流母线分别与所述三电平逆变器的正输入端和负输入端连接，所述三电平逆变器的U相输出端、V相输出端及W相输出端分别连接所述空调压缩机的电机的U相输入端、V相输入端及W相输入端，所述三电平PFC转换器的输入电压反馈端、输入电流反馈端、输出电压反馈端及控制端均连接所述控制模块，所述控制模块还与所述三电平逆变器的控制端及反馈端连接；

所述三电平PFC转换器对所述交流电源输出的交流电进行交直转换产生直流电，并根据所述控制模块所输出的校正控制信号对所述直流电进行功率因数校正处理后，通过所述直流母线输出正电平和负电平至所述三电平逆变器，所述三电平逆变器根据所述控制模块所输出的逆变控制信号对所述正电平、所述负电平及零电平进行调制，并分别从所述U相输出端、所述V相输出端及所述W相输出端输出U相交流电、V相交流电及W相交流电至所述空调压缩机的电机。

本发明还提供了一种变频空调，其包括空调压缩机和上述的空调压缩机控制电路。

本发明通过采用包括三电平PFC转换器、三电平逆变器及控制模块的空调压缩机控制电路，由三电平PFC转换器对交流电源输出的交流电进行交直转换产生直流电，并根据控制模块所输出的校正控制信号对该直流电进行功率因数校正处理后，通过直流母线输出正电平和负电平至三电平逆变器，三电平逆变器根据控制模块所输出的逆变控制信号对正电平、负电平及零电平进行调制，并分别从其U相输出端、V相输出端及W相输出端输出U相交流电、V相交流电及W相交流电至空调压缩机的电机，减小了输出至直流母线的直流电中的电压纹波，减小了输出至空调压缩机电机的交流电电压的跳变范围，减小了空调压缩机的电机电流中的谐波，且降低了电机转矩脉动，进而达到降低空调的噪声水平和提高空调整机效率的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的空调压缩机控制电路的模块结构图；

图2是本发明实施例提供的空调压缩机控制电路的示例电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例通过采用包括三电平PFC转换器、三电平逆变器及控制模块的空调压缩机控制电路，减小了输出至直流母线的直流电中的电压纹波，减小了输出至空调压缩机电机的交流电电压的跳变范围，减小了空调压缩机的电机电流中的谐波，且降低了电机转矩脉动，进而达到降低空调的噪声水平和提高空调整机效率的目的。

图1示出了本发明实施例提供的空调压缩机控制电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

空调压缩机控制电路100与交流电源200及空调压缩机的电机300连接，空调压缩机控制电路100包括三电平PFC转换器101、三电平逆变器102及控制模块103。

三电平PFC转换器101的正电源端和负电源端分别连接交流电源200的正输出端+和负输出端-，三电平PFC转换器101的正输出端和负输出端通过直流母线104分别与三电平逆变器101的正输入端和负输入端连接，三电平逆变器102的U相输出端、V相输出端及W相输出端分别连接空调压缩机的电机300的U相输入端、V相输入端及W相输入端，三电平PFC转换器101的输入电压反馈端、输入电流反馈端、输出电压反馈端及控制端均连接控制模块103，控制模块103还与三电平逆变器101的控制端和反馈端连接。

三电平PFC转换器101对交流电源200输出的交流电进行交直转换产生直流电，并根据控制模块103所输出的校正控制信号对该直流电进行功率因数校正处理后，通过直流母线104输出正电平和负电平至三电平逆变器102，三电平逆变器102根据控制模块103所输出的逆变控制信号对所述正电平、所述负电平及零电平进行调制，并分别从其U相输出端、V相输出端及W相输出端输出U相交流电、V相交流电及W相交流电至空调压缩机的电机300。

其中，交流电源200可以是市电电网，也可以是其他能够提供交流电的电源。

图2示出了本发明实施例提供的空调压缩机控制电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

作为本发明一实施例，三电平PFC转换器101包括：

整流桥BD1、电感L1、二极管D1、第一开关管1015、第二开关管1016、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、二极管D2、输入电压检测电路1011、输入电流检测电路1012、输出电压检测电路1013以及第一驱动电路1014；

整流桥BD1的正端1和负端2分别为三电平PFC转换器101的正电源端和负电源端，整流桥BD1的输出端3与输入电压检测电路1011的输入端共接于电感L1的第一端，电感L1的第二端与第一开关管1015的高电位端共接于二极管D1的阳极，二极管D1的阴极为三电平PFC转换器101的正输出端，电容C1的正极与电阻R1的第一端及输出电压检测电路1013的输入端共接于二极管D1的阴极，整流桥BD1的地端4与输入电压检测电路1011的地端共接于输入电流检测电路1012的输出端，输入电流检测电路1012的输入端与第二开关管1016的低电位端共接于二极管D2的阴极，二极管D2的阳极为三电平PFC转换器101的负输出端，电容C2的负极与电阻R2的第一端及输出电压检测电路1013的地端共接于二极管D2的阳极，第一驱动电路1014的第一输出端和第二输出端分别连接第一开关管1015的控制端和第二开关管1016的控制端，第一开关管1015的低电位端与第二开关管1016的高电位端、电容C1的负极、电容C2的正极、电阻R1的第二端及电阻R2的第二端连接，输入电压检测电路1011的输出端、输入电流检测电路1012的信号输出端、输出电压检测电路1013的输出端以及第一驱动电路1014的输入端分别为三电平PFC转换器101的输入电压反馈端、输入电流反馈端、输出电压反馈端及控制端。

其中，第一开关管1015和第二开关管1016可以是三极管、MOS管、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）或者其他具备开关特性的半导体开关器件；输入电压检测电路1011为常用的电压检测电路，其用于对整流桥BD1的输出电压进行检测；输入电流检测电路1012为常用的电流检测电路，其用于对三电平PFC转换器101的输入级电流进行检测；输出电压检测电路1013为常用的电压检测电路，其用于对三电平PFC转换器101的输出级电压进行检测；第一驱动电路1014为开关管驱动电路，其用户根据控制模块103所输出的校正控制信号相应地控制第一开关管1015和第二开关管1016的通断。

在上述的三电平PFC转换器101中，交流电源200所输出的交流电通过整流桥BD1整流成直流电，并由第一驱动电路1014根据控制模块103所输出的校正控制信号控制第一开关管1015和第二开关管1016的通断以实现功率因数校正，且第一开关管1015和第二开关管1016分别只承受输出电压的一半，进而能够减少第一开关管1015和第二开关管1016的电压应力，降低开关损耗，所以第一开关管1015和第二开关管1016可以采用价格低廉、开关速度快且频率高的半导体开关器件。另外，三电平PFC转换器101的输出电压跳变小，输入电流的纹波小，进而减小了电感L1的高频电流谐波损耗，提升了三电平PFC转换器101的效率。

作为本发明一实施例，三电平逆变器102包括：

电容C3、电容C4、第三开关管1022、第四开关管1023、第五开关管1024、第六开关管1025、第七开关管1026、第八开关管1027、第九开关管1028、第十开关管1029、第十一开关管1030、第十二开关管1031、第十三开关管1032、第十四开关管1033、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8以及第二驱动电路1021；

电容C3的正极为三电平逆变器102的正输入端，第三开关管1022的高电位端、第七开关管1026的高电位端及第十一开关管1030的高电位端共接于电容C3的正极，电容C3的负极与电容C4的正极共接以接入零电平，二极管D3的阳极与二极管D4的阴极、二极管D5的阳极、二极管D6的阴极、二极管D7的阳极以及二极管D8的阴极共接于电容C3的负极与电容C4的正极的共接点，电容C4的负极为三电平逆变器102的负输入端，第六开关管1025的低电位端、第十开关管1029的低电位端及第十四开关管1033的低电位端共接于电容C4的正极，第三开关管1022的低电位端与二极管D3的阴极共接于第四开关管1023的高电位端，第四开关管1023的低电位端与第五开关管1024的高电位端的共接点作为三电平逆变器102的U相输出端，第五开关管1024的低电位端与二极管D4的阳极共接于第六开关管1025的高电位端，第七开关管1026的低电位端与二极管D5的阴极共接于第八开关管1027的高电位端，第八开关管1027的低电位端与第九开关管1028的高电位端的共接点作为三电平逆变器102的V相输出端，第九开关管1028的低电位端与二极管D6的阳极共接于第十开关管1029的高电位端，第十一开关管1030的低电位端与二极管D7的阴极共接于第十二开关管1031的高电位端，第十二开关管1031的低电位端与第十三开关管1032的高电位端的共接点作为三电平逆变器102的W相输出端，第十三开关管1032的低电位端与二极管D8的阳极共接于第十四开关管10154的高电位端，第三开关管1022的控制端与第四开关管1023的控制端、第五开关管1024的控制端及第六开关管1025的控制端共接于第二驱动电路1021的第一输出端，第七开关管1026的控制端与第八开关管1027的控制端、第九开关管1028的控制端及第十开关管1029的控制端共接于第二驱动电路1021的第二输出端，第十一开关管1030的控制端与第十二开关管1031的控制端、第十三开关管1032的控制端及第十四开关管1033的控制端共接于第二驱动电路1021的第三输出端，第二驱动电路1021的控制端和信号输出端分别作为三电平逆变器101的控制端和反馈端。

其中，第三开关管1022、第四开关管1023、第五开关管1024、第六开关管1025、第七开关管1026、第八开关管1027、第九开关管1028、第十开关管1029、第十一开关管1030、第十二开关管1031、第十三开关管1032以及第十四开关管1033可以是三极管、MOS管、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）或者其他具备开关特性的半导体器件；二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7以及二极管D8在三电平逆变器102中起电压钳位的作用，所以三电平逆变器102是二极管钳位型逆变器；在第二驱动电路1021是具备过流检测和温度检测功能的开关管驱动电路，其将过流检测或温度检测所得到的检测信号通过信号输出端输出至控制模块103，且其根据控制模块103所输出的逆变控制信号相应地控制第三开关管1022、第四开关管1023、第五开关管1024、第六开关管1025、第七开关管1026、第八开关管1027、第九开关管1028、第十开关管1029、第十一开关管1030、第十二开关管1031、第十三开关管1032以及第十四开关管1033的通断。

在上述三电平逆变器102中，正电平、负电平及零电平这三个电平的电压跳变幅度为直流母线104的电压的一半，进而使三电平逆变器102内部的电路线电压比现有的两电平逆变器中的电路线电压减小了一半，所以使得三电平逆变器102中的上述多个开关管所承受的电压应力减小，便于采用电压等级较低、效率更高的半导体开关器件以使三电平逆变器102的电压等级更高，进而提高三电平逆变器102的整体效率。同时，三电平逆变器102通过对上述的三个电平进行调制以得到更好的正弦波电流波形（即U相交流电、V相交流电及W相交流电的波形），从而减小了空调压缩机的电机电流中的谐波，降低了电机转矩脉动，进而有效地降低空调的噪声水平。

作为本发明一实施例，控制模块103可以是包括单片机、ARM处理器或者其他具备信号处理能力的可编程控制器的控制电路。

本发明实施例还提供了一种变频空调，其包括空调压缩机和上述的空调压缩机控制电路100。

本发明实施例通过采用包括三电平PFC转换器、三电平逆变器及控制模块的空调压缩机控制电路，由三电平PFC转换器对交流电源输出的交流电进行交直转换产生直流电，并根据控制模块所输出的校正控制信号对该直流电进行功率因数校正处理后，通过直流母线输出正电平和负电平至三电平逆变器，三电平逆变器根据控制模块所输出的逆变控制信号对正电平、负电平及零电平进行调制，并分别从其U相输出端、V相输出端及W相输出端输出U相交流电、V相交流电及W相交流电至空调压缩机的电机，减小了输出至直流母线的直流电中的电压纹波，减小了输出至空调压缩机电机的交流电电压的跳变范围，减小了空调压缩机的电机电流中的谐波，且降低了电机转矩脉动，进而达到降低空调的噪声水平和提高空调整机效率的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空调压缩机控制电路，与交流电源及空调压缩机的电机连接，其特征在于，所述空调压缩机控制电路包括：

三电平PFC转换器、三电平逆变器及控制模块；

所述三电平PFC转换器的正电源端和负电源端分别连接所述交流电源的正输出端和负输出端，所述三电平PFC转换器的正输出端和负输出端通过直流母线分别与所述三电平逆变器的正输入端和负输入端连接，所述三电平逆变器的U相输出端、V相输出端及W相输出端分别连接所述空调压缩机的电机的U相输入端、V相输入端及W相输入端，所述三电平PFC转换器的输入电压反馈端、输入电流反馈端、输出电压反馈端及控制端均连接所述控制模块，所述控制模块还与所述三电平逆变器的控制端及反馈端连接；

所述三电平PFC转换器对所述交流电源输出的交流电进行交直转换产生直流电，并根据所述控制模块所输出的校正控制信号对所述直流电进行功率因数校正处理后，通过所述直流母线输出正电平和负电平至所述三电平逆变器，所述三电平逆变器根据所述控制模块所输出的逆变控制信号对所述正电平、所述负电平及零电平进行调制，并分别从所述U相输出端、所述V相输出端及所述W相输出端输出U相交流电、V相交流电及W相交流电至所述空调压缩机的电机。

2.如权利要求1所述的空调压缩机控制电路，其特征在于，所述三电平PFC转换器包括：

整流桥BD1、电感L1、二极管D1、第一开关管、第二开关管、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、二极管D2、输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电压检测电路以及第一驱动电路；

所述整流桥BD1的正端和负端分别为所述三电平PFC转换器的正电源端和负电源端，所述整流桥BD1的输出端与所述输入电压检测电路的输入端共接于所述电感L1的第一端，所述电感L1的第二端与所述第一开关管的高电位端共接于所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极为所述三电平PFC转换器的正输出端，所述电容C1的正极与所述电阻R1的第一端及所述输出电压检测电路的输入端共接于所述二极管D1的阴极，所述整流桥BD1的地端与所述输入电压检测电路的地端共接于所述输入电流检测电路的输出端，所述输入电流检测电路的输入端与所述第二开关管的低电位端共接于所述二极管D2的阴极，所述二极管D2的阳极为所述三电平PFC转换器的负输出端，所述电容C2的负极与所述电阻R2的第一端及所述输出电压检测电路的地端共接于所述二极管D2的阳极，所述第一驱动电路的第一输出端和第二输出端分别连接所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端，所述第一开关管的低电位端与所述第二开关管的高电位端、所述电容C1的负极、所述电容C2的正极、所述电阻R1的第二端及所述电阻R2的第二端连接，所述输入电压检测电路的输出端、所述输入电流检测电路的信号输出端、所述输出电压检测电路的输出端以及所述第一驱动电路的输入端分别为所述三电平PFC转换器的输入电压反馈端、输入电流反馈端、输出电压反馈端及控制端。

3.如权利要求1所述的空调压缩机控制电路，其特征在于，所述三电平逆变器包括：

电容C3、电容C4、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第十四开关管、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8以及第二驱动电路；

所述电容C3的正极为所述三电平逆变器的正输入端，所述第三开关管的高电位端、所述第七开关管的高电位端及所述第十一开关管的高电位端共接于所述电容C3的正极，所述电容C3的负极与所述电容C4的正极共接以接入零电平，所述二极管D3的阳极与所述二极管D4的阴极、所述二极管D5的阳极、所述二极管D6的阴极、所述二极管D7的阳极以及所述二极管D8的阴极共接于所述电容C3的负极与所述电容C4的正极的共接点，所述电容C4的负极为所述三电平逆变器的负输入端，所述第六开关管的低电位端、所述第十开关管的低电位端及所述第十四开关管的低电位端共接于所述电容C4的正极，所述第三开关管的低电位端与所述二极管D3的阴极共接于所述第四开关管的高电位端，所述第四开关管的低电位端与所述第五开关管的高电位端的共接点作为所述三电平逆变器的U相输出端，所述第五开关管的低电位端与所述二极管D4的阳极共接于所述第六开关管的高电位端，所述第七开关管的低电位端与所述二极管D5的阴极共接于所述第八开关管的高电位端，所述第八开关管的低电位端与所述第九开关管的高电位端的共接点作为所述三电平逆变器的V相输出端，所述第九开关管的低电位端与所述二极管D6的阳极共接于所述第十开关管的高电位端，所述第十一开关管的低电位端与所述二极管D7的阴极共接于所述第十二开关管的高电位端，所述第十二开关管的低电位端与所述第十三开关管的高电位端的共接点作为所述三电平逆变器的W相输出端，所述第十三开关管的低电位端与所述二极管D8的阳极共接于所述第十四开关管的高电位端，所述第三开关管的控制端与所述第四开关管的控制端、所述第五开关管的控制端及所述第六开关管的控制端共接于所述第二驱动电路的第一输出端，所述第七开关管的控制端与所述第八开关管的控制端、所述第九开关管的控制端及所述第十开关管的控制端共接于所述第二驱动电路的第二输出端，所述第十一开关管的控制端与所述第十二开关管的控制端、所述第十三开关管的控制端及所述第十四开关管的控制端共接于所述第二驱动电路的第三输出端，所述第二驱动电路的控制端和信号输出端分别作为所述三电平逆变器的控制端和反馈端。

4.如权利要求2所述的空调压缩机控制电路，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管是三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管。

5.如权利要求3所述的空调压缩机控制电路，其特征在于，所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管、所述第九开关管、所述第十开关管、所述第十一开关管、所述第十二开关管、所述第十三开关管以及所述第十四开关管是三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管。

6.一种变频空调，包括空调压缩机，其特征在于，所述变频空调还包括如权利要求1-5任一项所述的空调压缩机控制电路。