CN104660055A - 一种三相矩阵变频器和空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种三相变频器和空调系统，包括：控制电路模块、矩阵变换主电路模块以及驱动电路模块；所述控制电路模块用于接收复位信号及三相电流方向检测信号，产生18路脉冲宽度调制信号；所述驱动电路模块与所述控制电路模块连接，用于接收所述脉冲宽度调制信号并进行放大；所述矩阵变换主电路模块与所述驱动电路模块连接，用于接收放大后的脉冲宽度调制信号，输出调幅、调频的电压和电流；取消了传统变频器的整流器件以及储能器件和智能功率模块逆变环节，降低了无功功率和谐波污染，提高了功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及交流电网下电机压缩机调压调频领域，尤其涉及一种三相矩阵变频器和空调系统。
背景技术
为了在交流电网条件下实现交流调速的目的，需把电网提供的恒压恒频交流电源变换为电机压缩机所需的变压变频交流电，这一过程需要通过变频器实现交流/交流的电能变换。
传统的变频器结构原理如图1所示，采用二极管或晶闸管作为前端整流器件1，采用大容量电容作为储能器件2。
但是，采用二极管或晶闸管作为前端整流器件1会产生无功功率及谐波污染；采用大容量电容作为储能器件2会降低变频器功率密度及使用寿命。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，提出一种三相矩阵变频器和空调系统，以降低无功功率和谐波污染，提高功率密度。
本发明提出的一种三相矩阵变频器和空调系统，包括：控制电路模块、矩阵变换主电路模块以及驱动电路模块；
所述控制电路模块用于接收复位及三相电流方向检测信号，产生18路脉冲宽度调制信号；
所述驱动电路模块与所述控制电路模块连接，用于接收所述脉冲宽度调制信号并进行放大；
所述矩阵变换主电路模块与所述驱动电路模块连接，用于接收放大后的脉冲宽度调制信号，输出调幅、调频的电压和电流。
进一步的,所述控制电路模块包括DSP单元及FPGA单元；
其中，所述DSP单元用于生成时钟信号和9路脉冲调制信号，并将所述时钟信号和9路脉冲调制信号发送给所述FPGA单元；
所述FPGA单元用于将所述时钟信号分频后，以所述分频得到的分频信号的频率为工作频率，通过接收复位、三路电流方向检测信号及所述9路脉冲调制信号扩展至18路脉冲宽度调制信号并实现四步换流。
所述DSP单元还用于生成所述矩阵变换主电路模块的控制算法，并通过所述FPGA单元发送给所述矩阵变换主电路模块；所述FPGA单元通过所述驱动电路模块与所述矩阵变换主电路模块相连；
所述DSP单元以及所述FPGA单元之间通过SPI总线结构串行进行通信。
进一步的,所述矩阵变换主电路模块包括：交流电源单元、双向开关单元以及压缩机单元；其中所述交流电源单元与所述双向开关单元相连，所述双向开关单元与所述压缩机单元相连。
进一步的，所述交流电源单元包括交流电源、第一电容、第二电容以及第三电容、第一电感、第二电感及第三电感；所述交流电源第一输出端与所述第一电感的第一端相连，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端相连；所述交流电源第二输出端与所述第二电感的第一端相连，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端相连；交流电源第三输出端与所述第三电感的第一端相连，所述第三电感的第二端与所述第二电容的第一端相连，所述第一电容的第二端、第二电容的第二端以及第三电容的第二端相连。
进一步的,所述双向开关单元包括：第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元、第八开关单元和第九开关单元；
其中，所述第一开关单元第一端、第四开关单元第一端和第七开关单元第一端分别与所述交流电源第一输出端相连；
所述第二开关单元第一端、第五开关单元第一端和第八开关单元第一端分别与所述交流电源第二输出端相连；
所述第三开关单元第一端、第六开关单元第一端和第九开关单元第一端分别与所述交流电源第三输出端相连；
所述第一开关单元第二端、第二开关单元第二端和第三开关单元第二端分别与所述压缩机单元第一端相连；
所述第四开关单元第二端、第五开关单元第二端和第六开关单元第二端分别与所述压缩机单元第二端相连；
所述第七开关单元第二端、第八开关单元第二端和第九开关单元第二端分别与所述压缩机单元第三端相连。
进一步的，所述第一开关单元包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第一二极管以及第二二极管，所述第一绝缘栅双极型晶体管门极和所述第二绝缘栅双极型晶体管门极接收驱动电路模块的脉冲宽度调制信号，以驱动绝缘栅双极型晶体管正常工作，所述第一绝缘栅双极型晶体管发射极和所述第二绝缘栅双极型晶体管发射极分别与所述第一二极管正极以及所述第二二极管正极相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管集电极为所述第一开关单元第一端，所述第二绝缘栅双极型晶体管集电极为所述第一开关单元第二端。
进一步的,所述第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元、第八开关单元以及第九开关单元与所述第一开关单元电路组成和连接关系相同。
进一步的，所述第一开关单元第一端与所述交流电源第一输出端相连，输出端与所述压缩机单元第一端相连；
所述第二开关单元第一端与所述交流电源第二输出端相连，第二端与所述压缩机单元第一端相连；
所述第三开关单元第一端与所述交流电源第三输出端相连，第二端与所述压缩机单元第一端相连；
所述第四开关单元第一端与所述交流电源第一输出端相连，第二端与所述压缩机单元第二端相连；
所述第五开关单元第一端与所述交流电源第二输出端相连，第二端与所述压缩机单元第二端相连；
所述第六开关单元第一端与所述交流电源第三输出端相连，第二端与所述压缩机单元第二端相连；
所述第七开关单元第一端与所述交流电源第一输出端相连，第二端与所述压缩机单元第三端相连；
所述第八开关单元第一端与所述交流电源第二输出端相连，第二端与所述压缩机单元第三端相连；
所述第九开关单元第一端与所述交流电源第三输出端相连，第二端与所述压缩机单元第三端相连。
进一步的，所述压缩机单元为所述三相矩阵变频器所属的空调系统负载，所述压缩机单元同一端所连接的三个开关单元中有一个导通；
进一步的，所述矩阵变换主电路模块采用四步换流。
进一步的，所述三相矩阵变频器与所述压缩机相连，用于对电网供电进行变频处理后提供给所述压缩机。
本发明提供的一种三相矩阵变频器和空调系统取消了直流环节储能元件、整流环节以及智能功率模块逆变环节，通过所述9个双向开关单元进行单级变换合成得到期望输出电压与输入电流，进而降低无功功率和谐波污染，提高功率密度。
附图说明
图1是传统变频器结构原理图。
图2是本发明实施例中提供的一种三相矩阵变频器和空调系统结构示意图。
图3是本发明实施例中提供的一种三相矩阵变频器和空调系统中控制电路模块结构图。
图4是本发明实施例中提供的一种三相矩阵变频器和空调系统中矩阵变换主电路模块结构图。
图5是本发明实施例中提供的一种三相矩阵变频器和空调系统中四步换流示意图及波形图。
图6是本发明实施例中提供的一种三相矩阵变频器和空调系统驱动信号及电流实验波形图。
图7a是本发明实施例中提供的所述矩阵变换主电路模块输入电压电流波形图。
图7b本发明实施例中提供的所述矩阵变换主电路模块输出电压电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图2是本发明实施例中提供的一种三相矩阵变频器和空调系统结构示意图。其中包括：控制电路模块100、矩阵变换主电路模块200以及驱动电路模块300；
所述控制电路模块100用于接收复位及三相电流方向检测信号，产生18路脉冲宽度调制信号；
所述驱动电路模块300与所述控制电路模块100连接，用于接收所述脉冲宽度调制信号并进行放大；
所述矩阵变换主电路模块200与所述驱动电路模块300连接，用于接收放大后的脉冲宽度调制信号，输出调幅、调频的电压和电流；
图3是本发明实施例中提供的一种三相矩阵变频器和空调系统控制电路模块100结构图。
进一步的,所述控制电路模块包括DSP单元101及FPGA单元102；
其中，所述DSP单元101用于生成时钟信号和9路脉冲调制信号，并将所述时钟信号和9路脉冲调制信号发送给所述FPGA单元102；
所述FPGA单元102用于将所述时钟信号分频后，以所述分频得到的分频信号的频率为工作频率,通过接收复位、三路电流方向检测信号及所述9路脉冲调制信号扩展至18路脉冲宽度调制信号并实现四步换流。
所述DSP单元101还用于生成所述矩阵变换主电路模块的控制算法，并通过所述FPGA单元102发送给所述矩阵变换主电路模块；所述FPGA单元102通过所述驱动电路模块300与所述矩阵变换主电路模块200相连；
所述DSP单元101与所述FPGA单元102之间通过SPI总线进行串行通信。其中，所述DSP单元101为TI公司的F28035定点处理器，所述FPGA单元102为Xilinx公司的Spartan-3A系列的XC3S50A处理器。
所述DSP单元101将时钟信号传送至所述FPGA单元102时钟管理模块DCM；并将9路DSP输出脉冲宽度调制PWM信号传送至所述FPGA单元102数据接收端。
此外，所述FPGA单元102还接收所述三相矩阵变频器复位信号以及三路电流方向检测信号；其中，所述复位信号来自于所述三相矩阵变频器外接系统全局复位管脚提供，所述三路电流方向检测信号来自于所述三相矩阵变频器外接系统采样电路的霍尔传感器得到。
所述FPGA单元102时钟管理模块DCM主要由以下四个部分组成：延迟锁相环，数字频率合成器，数字移相器和数字频谱扩展器。可用于消除时钟的延迟，频率的合成以及时钟相位的调整。本发明中利用所述FPGA单元102时钟管理模块DCM将所述DSP单元101提供的频率为15MHz的时钟信号分频为FPGA所需6MHz的时钟信号。
图4是本发明实施例中提供的一种三相矩阵变频器和空调系统矩阵变换主电路模块200结构图。进一步的,所述矩阵变换主电路模块200包括：交流电源单元210、双向开关单元220以及压缩机单元230；所述交流电源单元210与所述双向开关单元220相连，所述双向开关单元与所述压缩机单元230相连。
其中，所述交流电源单元210包括交流电源、第一电容、第二电容以及第三电容、第一电感、第二电感及第三电感；所述交流电源第一输出端与所述第一电感的第一端相连，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端相连；所述交流电源第二输出端与所述第二电感的第一端相连，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端相连；交流电源第三输出端与所述第三电感的第一端相连，所述第三电感的第二端与所述第二电容的第一端相连，所述第一电容的第二端、第二电容的第二端以及第三电容的第二端相连。
进一步的,所述双向开关单元220包括：第一开关单元221、第二开关单元222、第三开关单元223、第四开关单元224、第五开关单元225、第六开关单元226、第七开关单元227、第八开关单元228、第九开关单元229；
其中，所述第一开关单元221第一端、第四开关单元224第一端和第七开关单元227第一端分别与所述交流电源210第一输出端相连；
所述第二开关单元222第一端、第五开关单元225第一端和第八开关单元228第一端分别与所述交流电源210第二输出端相连；
所述第三开关223单元第一端、第六开关单元226第一端和第九开关单元229第一端分别与所述交流电源210第三输出端相连；
所述第一开关单元221第二端、第二开关单元222第二端和第三开关单元223第二端分别与所述压缩机单元230第一端相连；
所述第四开关单元224第二端、第五开关单元225第二端和第六开关单元226第二端分别与所述压缩机单元230第二端相连；
所述第七开关单元227第二端、第八开关单元228第二端和第九开关单元229第二端分别与所述压缩机单元230第三端相连。
进一步的，所述第一开关单元221包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第一二极管以及第二二极管，所述第一绝缘栅双极型晶体管门极和所述第二绝缘栅双极型晶体管门极接收所述驱动电路模块300的脉冲宽度调制信号，以驱动所述绝缘栅双极型晶体管正常工作，所述第一绝缘栅双极型晶体管发射极和所述第二绝缘栅双极型晶体管发射极分别与所述第一二极管正极以所述及第二二极管正极相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管集电极为所述第一开关单元221第一端，所述第二绝缘栅双极型晶体管集电极为所述第一开关单元221第二端。
采取此类连接方式，具有分立元件少、可靠性高，电压传输比损失较小等特点。每个绝缘栅双极型晶体管、二极管均工作在两象限方式，易于分别控制两个方向电压电流，便于解决四象限换流问题。
对于电机压缩机而言，所述四象限是指其运行机械特性曲线在数学轴上的四个象限都可运行。第一象限正转电动状态，第二象限回馈制动状态，第三象限反转电动状态，第四象限反制动状态。
进一步的,所述第二开关单元222、第三开关单元223、第四开关单元224、第五开关单元225、第六开关单元226、第七开关单元227、第八开关单元228以及第九开关单元229与所述第一开关单元221结构相同。具备相同的解决四象限换流问题的能力。
进一步的，其特征在于,所述第一开关单元221第一端与所述交流电源单元210第一输出端相连，输出端与所述压缩机单元230第一端相连；
所述第二开关单元222第一端与所述交流电源单元210第二输出端相连，第二端与所述压缩机单元230第一端相连；
所述第三开关单元223第一端与所述交流电源单元210第三输出端相连，第二端与所述压缩机单元230第一端相连；
所述第四开关单元第一端224与所述交流电源单元210第一输出端相连，第二端与所述压缩机单元230第二端相连；
所述第五开关单元第一端225与所述交流电源单元210第二输出端相连，第二端与所述压缩机单元230第二端相连；
所述第六开关单元第一端226与所述交流电源单元210第三输出端相连，第二端与所述压缩机单元230第二端相连；
所述第七开关单元227第一端与所述交流电源单元210第一输出端相连，第二端与所述压缩机单元230第三端相连；
所述第八开关单元228第一端与所述交流电源单元210第二输出端相连，第二端与所述压缩机单元230第三端相连；
所述第九开关单元第一端229与所述交流电源单元210第三输出端相连，第二端与所述压缩机单元230第三端相连。
进一步的，其特征在于,所述压缩机单元230为所述三相矩阵变频器空调系统负载，可等效为三相电流源，进而所述压缩机单元230同一端口所连接的三个开关单元中有一个导通；且所有开关单元均不可断路。
进一步的，其特征在于，所述矩阵变换主电路模块200采用四步换流。
其中，所述四步换流通过所述FPGA单元进行控制，所述双向开关单元220进行实现，其具体过程及波形如附图5所示。
根据输入电压不能短路，输出电压不能开路的原则，以所述交流电源单元210第一输出端以及所述第一开关单元221作为第一输出端，所述交流电源第二输出端以及所述第二开关单元222作为第二输出端为例，形成闭合回路。
如附图5所示，初始状态时，假定所述第一输出端处于导通状态，所述第二输出端处于断开状态。首先断开S1n，电路中便没有电流通过，其中S1n为所述第二绝缘栅双极型晶体管以及所述第二二极管；
第二步，开通S2p，电路中不存在电流，其中S2p为第三绝缘栅双极型晶体管以及第三二极管；
第三步，断开S1p，电路中不存在电流，其中S1p为所述第一绝缘栅双极型晶体管以及第一二极管；
第四步，开通S2n，完成正常换流，其中S2n为第四绝缘栅双极型晶体管以及第四二极管。
整个换流过程通过所述FPGA单元102实现，最终获得所述矩阵变换主电路模块200的18路脉冲宽度调制信号。
附图6为本发明所述三相变频器开发样机驱动信号及电流实验波形图。附图7a为所述矩阵变换主电路模块200输入电压电流波形图，附图7b为所述矩阵变换主电路模块200输出电压电流波形图。
通过对比可以发现，所述三相变频器开发样机输出的脉冲宽度调制信号以及电流波形与所述附图7b的理想值较为相符；
同时，通过附图7a与附图7b对比可得到，所述三相矩阵变频器可实现把电网提供的恒压恒频交流电源变换为电机压缩机所需的变压变频交流电的目的。
上所述仅为本发明实施例的优选实施例，并不用于限制本发明实施例，对于本领域技术人员而言，本发明实施例可以有各种改动和变化。凡在本发明实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种三相矩阵变频器和空调系统，其特征在于,包括：控制电路模块、矩阵变换主电路模块以及驱动电路模块；
所述控制电路模块用于接收三相电流方向检测信号，产生18路脉冲宽度调制信号；
所述驱动电路模块与所述控制电路模块连接，用于接收所述脉冲宽度调制信号并进行放大；
所述矩阵变换主电路模块与所述驱动电路模块连接，用于接收放大后的脉冲宽度调制信号，输出调幅、调频的电压和电流。
2.根据权利要求1所述的三相矩阵变频器，其特征在于,所述控制电路模块包括DSP单元及FPGA单元；
其中，所述DSP单元用于生成时钟信号和9路脉冲调制信号，并将所述时钟信号和9路脉冲调制信号发送给所述FPGA单元；
所述FPGA单元用于将所述时钟信号分频后，以所述分频得到的分频信号的频率作为工作频率，通过接收复位、三路电流方向检测信号及所述9路脉冲调制信号扩展至18路脉冲宽度调制信号并实现四步换流。
所述DSP单元还用于生成所述矩阵变换主电路模块的控制算法，并通过所述FPGA单元发送给所述矩阵变换主电路模块；
所述FPGA单元通过所述驱动电路模块与所述矩阵变换主电路模块相连；
所述DSP单元与所述FPGA单元之间通过SPI总线进行串行通信。
3.根据权利要求1所述的三相矩阵变频器，其特征在于,所述矩阵变换主电路模块包括：交流电源单元、双向开关单元以及压缩机单元；其中所述交流电源单元与所述双向开关单元相连，所述双向开关单元与所述压缩机单元相连。
4.根据权利要求3所述的三相矩阵变频器，其特征在于,所述交流电源单元包括交流电源、第一电容、第二电容以及第三电容、第一电感、第二电感及第三电感；所述交流电源第一输出端与所述第一电感的第一端相连，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端相连；所述交流电源第二输出端与所述第二电感的第一端相连，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端相连；交流电源第三输出端与所述第三电感的第一端相连，所述第三电感的第二端与所述第二电容的第一端相连，所述第一电容的第二端、第二电容的第二端以及第三电容的第二端相连。
5.根据权利要求3所述的三相矩阵变频器，其特征在于,所述双向开关单元包括：第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元、第八开关单元和第九开关单元；
其中，所述第一开关单元第一端、第四开关单元第一端和第七开关单元第一端分别与所述交流电源第一输出端相连；
所述第二开关单元第一端、第五开关单元第一端和第八开关单元第一端分别与所述交流电源第二输出端相连；
所述第三开关单元第一端、第六开关单元第一端和第九开关单元第一端分别与所述交流电源第三输出端相连；
所述第一开关单元第二端、第二开关单元第二端和第三开关单元第二端分别与所述压缩机单元第一端相连；
所述第四开关单元第二端、第五开关单元第二端和第六开关单元第二端与所述压缩机单元第二端相连；
所述第七开关单元第二端、第八开关单元第二端和第九开关单元第二端分别与所述压缩机单元第三端相连。
6.根据权利要求5所述的三相矩阵变频器，其特征在于,所述第一开关单元包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第一二极管以及第二二极管，所述第一绝缘栅双极型晶体管门极和所述第二绝缘栅双极型晶体管门极接收驱动电路模块的脉冲宽度调制信号以驱动缘栅双极型晶体管正常工作，所述第一绝缘栅双极型晶体管发射极和所述第二绝缘栅双极型晶体管发射极分别与所述第一二极管正极以及所述第二二极管正极相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管集电极为所述第一开关单元第一端，所述第二绝缘栅双极型晶体管集电极为所述第一开关单元第二端。
7.根据权利要求5或6所述的三相矩阵变频器，其特征在于,所述第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元、第八开关单元以及第九开关单元与所述第一开关单元电路组成和连接关系相同。
8.根据权利要求5或6所述的三相矩阵变频器，其特征在于,所述第一开关单元第一端与所述交流电源单元第一输出端相连，输出端与所述压缩机单元第一端相连；
所述第二开关单元第一端与所述交流电源单元第二输出端相连，第二端与所述压缩机单元第一端相连；
所述第三开关单元第一端与所述交流电源单元第三输出端相连，第二端与所述压缩机单元第一端相连；
所述第四开关单元第一端与所述交流电源单元第一输出端相连，第二端与所述压缩机单元第二端相连；
所述第五开关单元第一端与所述交流电源单元第二输出端相连，第二端与所述压缩机单元第二端相连；
所述第六开关单元第一端与所述交流电源单元第三输出端相连，第二端与所述压缩机单元第二端相连；
所述第七开关单元第一端与所述交流电源单元第一输出端相连，第二端与所述压缩机单元第三端相连；
所述第八开关单元第一端与所述交流电源单元第二输出端相连，第二端与所述压缩机单元第三端相连；
所述第九开关单元第一端与所述交流电源单元第三输出端相连，第二端与所述压缩机单元第三端相连。
9.根据权利要求8所述的三相矩阵变频器，其特征在于,所述压缩机单元为所述三相矩阵变频器所属的空调系统的负载，所述压缩机单元同一端所连接的三个开关单元中有一个导通。
10.根据权利要求1-6任一项所述的三相矩阵变频器，其特征在于，所述矩阵变换主电路模块采用四步换流。
11.一种空调系统，其特征在于，包括压缩机和上述权利要求1-10任一项所述的三相矩阵变频器，所述三相矩阵变频器与所述压缩机相连，用于对电网供电进行变频处理后提供给所述压缩机。
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