CN107086843A - 电机驱动系统和变频空调器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机驱动系统和变频空调器，通过在电容小型化的驱动系统电路上增加过流保护模块，对电机的相电流进行过流检测，在检测到相电流过流时输出过流保护信号到控制模块，控制模块输出控制信号控制电机制动，使得电机内部绕组产生的感应电动势得到迅速泄放，避免了因电机过流时导致产生的感应电动势使得直流母线电压过高而损坏驱动电路的电阻元件。

Description

电机驱动系统和变频空调器

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电机驱动系统和变频空调器。

背景技术

随着消费者对机电产品节能性要求的提升，效率更高的变频电机驱动器得到了越来越广泛的应用。常规变频驱动器的直流母线电压处于稳定状态，逆变部分与输入交流电压相对独立，从而使逆变部分的控制无需考虑输入电压的瞬时变化，便于控制方法的实现。然而，这种设计方法需要配备容值较大的电解电容，使得驱动器体积变大，成本提升。此外，电解电容的寿命有限，其有效工作时间往往是驱动器寿命的瓶颈。

针对上述问题，相关方案提出了以小容值的薄膜电容或陶瓷电容取代电解电容的策略，与常规的交直交驱动电路相比，省去了PFC部分，而且小型化的电容既能实现降成本，又能消除电解电容引起的使用寿命瓶颈。但是，小容值的薄膜电容或陶瓷电容取代电解电容的电机驱动器，与常规变频驱动器相比，当电机发生过流故障后电机定子绕组感应电动势发电，并回馈到直流母线上，引起母线电压过高，容易引起电子元件难以承受高压而损坏。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电机驱动系统和变频空调器，目的在于解决针对电容小型化的电机驱动装置中，当电机发送过流故障引起电机定子绕组参数感应电动势时，导致直流母线电压过高电机驱动电路的电阻元件损坏问题。

为实现上述目的，本发明提供一种电机驱动系统，所述电机驱动系统包括：整流模块、滤波模块、逆变模块、电流保护模块、控制模块及电机；

所述整流模块对交流输入电压进行全波整流，所述整流模块的两输出端连接直流母线；

所述滤波模块、逆变模块依次与所述直流母线并联，所述交流输入电压通过所述整流模块、滤波模块处理后转换为脉动的直流母线电压，以为所述逆变模块提供电源；

所述逆变模块输出端连接所述电机，所述控制模块对所述逆变模块进行控制以驱动所述电机运行；

所述电流保护模块输出端连接所述控制模块，用于检测所述电机运行时的相电流值，并在所述相电流值超过预设值时输出保护信号；

所述控制模块，还用于

在检测到所述电流保护模块输出的保护信号时，输出控制信号到所述逆变模块控制所述电机制动，以对所述电机内部绕组产生的感应电动势进行泄放。

优选的，所述控制模块还用于：

在检测到所述电流保护模块输出的保护信号时，输出控制信号控制所述逆变模块的三个上桥臂开关管导通，所述逆变模块的三个下桥臂开关管关闭，以控制所述电机制动。

优选的，所述控制模块还用于：

检测到所述电流保护信号时，输出控制信号使得所述逆变模块的三个下桥臂开关管导通，所述逆变模块的三个上桥臂开关管关闭，以控制所述电机制动。

优选的，所述控制模块还用于：

在输出控制信号到所述逆变模块控制所述电机制动后，还检测所述直流母线电压值，并在所述直流母线电压值低于电压保护阀值时控制所述电机正常运行。

优选的，所述控制模块还用于：

在输出控制信号到所述逆变模块控制所述电机制动后，还检测所述交流输入电压值，并根据所述交流输入电压值的峰值确定对应的所述电压保护阀值，并在所述直流母线电压值低于所述电压保护阀值时控制所述电机正常运行。

优选的，所述滤波模块包括第一电容，所述第一电容为薄膜电容或陶瓷电容，所述第一电容的电容量为5-30uF。

优选的，所述电流保护模块包括电流检测单元和比较单元；

所述电流检测单元输出端连接所述比较单元输入端；

所述电流检测单元输入端接入所述电机的三相电流，并转换成电压信号输出；

所述比较单元将所述电流检测单元输出的电压信号与预设电压阀值比较，在超过所述预设电压阀值时输出所述保护信号。

优选的，所述电流检测单元包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电阻和第二电阻；

所述第一二极管、第二二极管和第三二极管的正极分别接入所述电机的三相电流，所述第一二极管、第二二极管和第三二极管的负极与第一电阻的一端并联；

所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端共接于所述电流检测单元输出端；

所述第二电阻的另一端接地。

优选的，所述比较单元包括第一比较器、第三电阻和第四电阻；

所述第一比较器的反相端为所述比较单元输入端，所述第三电阻的一端和第四电阻一端共接于所述第一比较器的同相端，所述第一比较器的输出端为所述比较单元输出端；

所述第三电阻另一端接直流电源，所述第四电阻另一端接地。

为实现上述目的，本发明还提供一种变频空调器，所述变频空调器包括上述电机驱动系统。

本发明提供的电机驱动系统，通过在电容小型化的驱动系统电路上增加过流保护模块，对电机的相电流进行过流检测，在检测到相电流过流时输出过流保护信号到控制模块，控制模块输出控制信号控制电机制动，使得电机内部绕组产生的感应电动势得到迅速泄放，避免了因电机过流时导致产生的感应电动势使得直流母线电压过高而损坏驱动电路的电阻元件。

附图说明

图1为本发明电机驱动系统的电路结构示意图；

图2为本发明电机驱动系统的电流保护模块的电路结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1为本发明提供的电机驱动系统结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

本发明第一实施例提供的一种电机驱动系统，包括整流模块2、滤波模块3、逆变模块4、电流保护模块7、控制模块6及电机5；

整流模块2对交流电源1的交流输入电压进行全波整流，整流模块2的两输出端连接直流母线；

滤波模块3、逆变模块4依次与直流母线并联，所述交流输入电压通过整流模块2、滤波模块3处理后转换为脉动的直流母线电压，以为逆变模块4提供电源；

逆变模块4输出端连接电机5，控制模块6对逆变模块4进行控制以驱动电机5运行；

电流保护模块7输出端连接控制模块6，用于检测电机5运行时的相电流值，并在相电流值超过预设值时输出保护信号；

控制模块6，还用于

在检测到电流保护模块输出的保护信号时，输出控制信号到逆变模块4控制电机5制动，以对电机5内部绕组产生的感应电动势进行泄放。

如图1所示，整流模块2连接交流电源1，由二极管D1-D4组成的全桥整流，对交流电源1的交流电压进行整流；滤波模块3包括与直流母线并联的电容器C1，由于电容器C1电容量相对较小，因此整流模块2输出的直流电压经滤波模块3滤波后是脉动直流母线电压，不能滤波成稳定的直流母线电压，此脉动直流母线电压为逆变模块4提供工作的电源；逆变模块4通过控制模块6对其六个开关管S1-S6进行控制，输出三相电流驱动电机5运行，这里的电机5可以是永磁同步电机或者是变频压缩机，逆变模块4主要由逆变模块即IPM模块(Intelligent Power Module，智能功率模块)构成。

由于上述电机驱动系统中滤波模块3中的电容器比现有的电机驱动电路的滤波电路中的电容器要小很多，一般只有其电容值的1％-2％，电容量为5-30uF如只有20uF，因为其电容值小，可以选择为薄膜电容或陶瓷电容，而现有电机驱动电路中的滤波电容总容量一般可达到800uF，一般都是大容量的电解电容，因此上述电机驱动系统简称为电容小型化的驱动系统，基于此电容小型化的电机驱动系统，相比现有的滤波电容量大的电机驱动系统，其主要区别是电容小型化电机驱动系统中的直流母线电压是脉动电压，其电压时刻处于周期性波动状态，而现有的滤波电容量大的电机驱动系统中直流母线电压是稳定电压，不存在脉动电压对应的周期性波动。

上述电流保护模块7用于检测电机5的运行的相电流值是否发生保护，其具体电路结构如图2所示，电流保护模块7包括电流检测单元71和比较单元72；电流检测单元71输出端连接比较单元72输入端；电流检测单元71输入端接入电机的三相电流，并转换成电压信号输出；比较单元72将电流检测单元71输出的电压信号与预设电压阀值比较，在超过预设电压阀值时输出保护信号。

具体的，电流检测单元71包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电阻R1和第二电阻R2；

第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3的正极分别接入电机的三相电流，第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3的负极与第一电阻R1的一端并联；第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端共接于电流检测单元71输出端；第二电阻R2的另一端接地。这里的第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3起到对接入电机的三相电流Iu、Iv、Iw整流和隔离作用，转成成直流电。

具体的，比较单元72包括第一比较器IC1、第三电阻R3和第四电阻R4；

第一比较器IC1的反相端为比较单元72输入端，第三电阻R3的一端和第四电阻R4一端共接于第一比较器IC1的同相端，第一比较器IC1的输出端为比较单元72输出端；第三电阻R3另一端接直流电源，第四电阻R4另一端接地。

当电机的相电流过大时，如出现由于驱动电机失速，或者控制电机停止时电机由于惯性还会继续高速转动带来的电机驱动内部绕组的相电流Iu、Iv、Iw过大，此时相电流通过第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3的整流成直流电，并通过第一电阻R1和第二电阻R2串联到地，在第一电阻R1与第二电阻R2的共接端输出对应的直流电压，输入到第一比较器IC1的反相端，由于第一比较器IC1的同相端通过第三电阻R3和第四电阻R4串联输入了一个预设的参考电压值，当直流电压过高超过参考电压值时，会使得第一比较器IC1输出端翻转输出低电平，即电机的相电流过大时，电流保护模块7输出低电平信号到控制模块6，此时控制模块6输出六路控制信号对IPM模块的三个上桥臂开关管和三个下桥臂开关管进行控制，对电机5进行制动，使得因相电流过大时引起的感应电动势进行泄放，使得感应电动势不会回馈到直流母线上使得直流母线电压过高引起驱动电路的元器件损坏。具体的，控制模块6输出六路控制信号对IPM模块的三个上桥臂开关管和三个下桥臂开关管进行控制时，可以控制IPM模块的三个上桥臂开关管导通，三个下桥臂开关管关闭，或者控制IPM模块的三个上桥臂开关管关闭，三个下桥臂开关管导通，这两种情况下都使得电机5内部绕组形成短路，使得绕组上产生的感应电动势得到迅速泄放，控制电机迅速制动机停止运行。

根据本发明实施例提供的电机驱动系统，通过在电容小型化的驱动系统电路上增加过流保护模块，对电机的相电流进行过流检测，在检测到相电流过流时输出过流保护信号到控制模块，控制模块输出控制信号控制电机制动，使得电机内部绕组产生的感应电动势得到迅速泄放，避免了因电机过流时导致产生的感应电动势使得直流母线电压过高而损坏驱动电路的电阻元件。

进一步的，作为本发明提供的电机驱动系统的第二实施例，基于本发明的电机驱动系统的第一实施例，在本实施例中，控制模块6还用于：在输出控制信号到逆变模块4控制电机5制动后，还检测直流母线电压值，并在直流母线电压值低于保护阀值时控制电机5正常运行。

在第一实施例中检测到电机5发生过流保护，控制模块6输出信号控制逆变模块4使得电机5因过流产生的感应电动势进行泄放后，如何确定电机的感应电动势已经泄放到安全电压，需要根据检测的直流母线电压值来确定，因为感应电动势回馈到直流母线电压上引起直流母线电压值升高，因此通过检测直流母线电压值的大小低于保护阀值时可以确定当前直流母线电压是否正常，即感应电动势是否已经泄放到安全值，如果检测到直流母线电压值正常，则控制模块6输出正常的控制信号通过逆变模块4控制电机5正常运行，否则控制模块6一种输出控制信号使得电机5内部绕组的感应电动势一直处于泄放状态。其保护阀值具体有交流输入电压的峰值确定，例如，以交流输入电压为220V为例，其直流母线的峰值电压为此时保护阀值确定为比峰值高一个预设值具体值，如预设值取为9V，则保护阀值可以取值为320V，即但检测到直流母线电压低于320V时判断为当前的感应电动势已经泄放到安全值，此时控制模块6输出正常的控制信号控制电机5正常运行。

由于实际应用中，交流输入电压有时是变化的，如存在交流供电电压不稳定情况，因此其交流峰值电压也随之变化，这样检测直流母线电压对比的保护阀值也随之变化，因此针对上述情况，进一步的，控制模块6输出控制信号到逆变模块4控制电机5制动后，还检测交流输入电压值，并根据交流输入电压值的峰值确定对应的保护阀值，并在直流母线电压值低于保护阀值时控制电机5正常运行。具体来说，保护阀值可以由如下公式确定其中V1为检测的交流输入电压值，A为补偿的预设值，一般可取值为[5V,20]，例如A取值为10V，如果检测到的交流输入电压为220V时，则保护阀值如上述提到的320V，如果交流输入电压为180V，则根据公式可得+10＝264V，即取保护阀值为264V。

本实施例中，当检测到电机5过流保护产生的感应电动势引起直流母线电压值升高，此时控制模块6输出控制信号到逆变模块4控制电机5制动后，需要进一步检测直流母线电压值，以确定感应电动势是否泄放到安全状态，如果直流母线电压仍比阀值高，说明电机5产生的感应电动势仍处于比较高的状态，需要继续控制电机5处于制动状态，以对感应电动势进行泄放，只有当感应电动势泄放到安全值，即直流母线电压下降到阀值以下，此时可控制电机处于正常状态，即不再处于制动状态。

本实施例中，在电机5发生过流保护，控制模块6输出控制信号到逆变模块4控制电机5制动后，还进一步检测直流母线电压值，在直流母线电压值下降到保护阀值以下时，确保感应电动势已经泄放到安全值以下，此时才控制电机正常运行，使得过流保护的恢复安全可靠，进一步的，还检测交流输入电压值，由交流输入电压值确定保护阀值的大小，这样能应对交流输入电压变化情况，使得过流保护的恢复更加安全可靠。

此外，本发明还提供一种变频空调器，包括上述的电机驱动系统，其变频空调器的电机可以是直流风机或者压缩机，其具体的实施方式可参考上述电机系统实施例，在此不再赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电机驱动系统，其特征在于，所述电机驱动系统包括整流模块、滤波模块、逆变模块、电流保护模块、控制模块及电机；

所述整流模块对交流输入电压进行全波整流，所述整流模块的两输出端连接直流母线；

所述滤波模块、逆变模块依次与所述直流母线并联，所述交流输入电压通过所述整流模块、滤波模块处理后转换为脉动的直流母线电压，以为所述逆变模块提供电源；

所述逆变模块输出端连接所述电机，所述控制模块对所述逆变模块进行控制以驱动所述电机运行；

所述电流保护模块输出端连接所述控制模块，用于检测所述电机运行时的相电流值，并在所述相电流值超过预设值时输出保护信号；

所述控制模块，还用于在检测到所述电流保护模块输出的保护信号时，输出控制信号到所述逆变模块控制所述电机制动，以对所述电机内部绕组产生的感应电动势进行泄放。

2.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，所述控制模块还用于：

在检测到所述电流保护模块输出的保护信号时，输出控制信号控制所述逆变模块的三个上桥臂开关管导通，所述逆变模块的三个下桥臂开关管关闭，以控制所述电机制动。

3.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，所述控制模块还用于：

在检测到所述电流保护模块输出的保护信号时，输出控制信号使得所述逆变模块的三个下桥臂开关管导通，所述逆变模块的三个上桥臂开关管关闭，以控制所述电机制动。

4.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，所述控制模块还用于：

在输出控制信号到所述逆变模块控制所述电机制动后，还检测所述直流母线电压值，并在所述直流母线电压值低于电压保护阀值时控制所述电机正常运行。

5.如权利要求4所述的电机驱动系统，其特征在于，所述控制模块还用于：

在输出控制信号到所述逆变模块控制所述电机制动后，还检测所述交流输入电压值，并根据所述交流输入电压值的峰值确定对应的所述电压保护阀值，并在所述直流母线电压值低于所述电压保护阀值时控制所述电机正常运行。

6.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，所述滤波模块包括第一电容，所述第一电容为薄膜电容或陶瓷电容，所述第一电容的电容量为5-30uF。

7.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，所述电流保护模块包括电流检测单元和比较单元；

所述电流检测单元输出端连接所述比较单元输入端；

所述电流检测单元输入端接入所述电机的三相电流，并转换成电压信号输出；

所述比较单元将所述电流检测单元输出的电压信号与预设电压阀值比较，在超过所述预设电压阀值时输出所述保护信号。

8.如权利要求7所述的电机驱动系统，其特征在于，所述电流检测单元包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电阻和第二电阻；

所述第一二极管、第二二极管和第三二极管的正极分别接入所述电机的三相电流，所述第一二极管、第二二极管和第三二极管的负极与所述第一电阻的一端并联；

所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端共接于所述电流检测单元输出端；

所述第二电阻的另一端接地。

9.如权利要求8所述的电机驱动系统，其特征在于，所述比较单元包括第一比较器、第三电阻和第四电阻；

所述第一比较器的反相端为所述比较单元输入端，所述第三电阻的一端和第四电阻一端共接于所述第一比较器的同相端，所述第一比较器的输出端为所述比较单元输出端；

所述第三电阻另一端接直流电源，所述第四电阻另一端接地。

10.一种变频空调器，所述变频空调器包括如权利要求1-9任一项所述的电机驱动系统。