CN108292902A - 用于变速感应电机系统的混合驱动电路和控制方法 - Google Patents

用于变速感应电机系统的混合驱动电路和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了用于控制构造成驱动电机的混合电机驱动电路的控制器。控制器构造成在电机所命令的频率未处于线路输入电力频率的预定范围内时使用逆变器驱动电机，并且在电机所命令的频率处于线路输入电力频率的预定范围内时使用第一开关装置将线路输入电力耦合至逆变器的输出端。

Description

用于变速感应电机系统的混合驱动电路和控制方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求2015年9月15日提交的美国非临时专利申请No.14/854,766的优先权，在此通过引用将该申请的全部公开内容并入本文。
技术领域
本发明的领域总体上涉及电动机，并且更具体地涉及用于感应电机的混合电机驱动电路和控制方法。
背景技术
至少有些已知的永久分相式电容(“permanent split capacitor，PSC”)电机是在以线路频率运转时效率最高的定速电机。这种PSC电机在起动期间具有不受控的加速。此外，在低负载状态下，这种PSC电机以比所需更高的功率电平/级运转。或者，存在变速电机控制器，其使电机转速与负载水平匹配，但受功率因数、电磁干扰和电子损失这些困扰限制。
发明内容
一方面，本发明提供这样一种用于控制电机的控制器。该控制器构造成在电机所命令的频率未处于线路输入电力频率的预定范围内时使用逆变器驱动电机，并且在电机所命令的频率处于线路输入电力频率的预定范围内时使用第一开关装置将线路输入电源联接至逆变器的输出端。
另一方面，本发明提供这样一种用于控制电机的控制器。该控制器构造成在电机所命令的频率未处于线路输入电力频率的预定范围内时操作开关装置，该开关装置构造成绕开/旁通电机的运行电容器；并且在电机所命令的频率处于线路输入电力频率的预定范围内时同步逆变器的两相以向电机施加与线路输入电压基本上相当的输出电压。
又一方面，本发明提供这样一种用于控制电机的控制器。该控制器构造成：利用双向电力变换器实现从电源接收的交流线路输入电力和从电机再生的电力的双向电力传送；通过为两个逆变器相提供相同命令来同步逆变器的多个输出；以及在电机的瞬时功率变成负的时实现从电机到电源的电力的再生。
附图说明
图1是混合电机系统的电路图。
图2是混合电机系统的电路图。
图3A是混合电机系统的框图。
图3B是处于驱动模式的图3A所示的混合电机系统的框图。
图3C是处于PSC模式的图3A所示的混合电机系统的框图。
图4是混合电机系统的电路图。
图5是混合双电机系统的电路图。
具体实施方式
图1是混合电机系统100的框图。在该示例性实施例中，混合电机系统100包括电机102和与电机102联接并且构造成控制电机102的运转的驱动电路104。在该示例性实施例中，电机102是包括主绕组106、起动绕组108和电容器110的永久分相式电容(PSC)电机。驱动电路104包括：构造成接收从电源118输入第一输入端子114和第二输入端子116的线路交流(AC)电的整流器112；联接在整流器112的下游的逆变器120；限定在整流器112与逆变器120之间的直流(DC)链路122；跨直流链路122联接的直流链路电容器124；构造成选择性地将线路交流电联接至逆变器120的输出端的主开关装置126；构造成选择性地旁通电容器110(使电容器110被绕开)的旁路开关装置128；以及构造成控制驱动电路104驱动电机102的操作的控制器130。
在该示例性实施例中，驱动电路104在第一输入端子114和第二输入端子116处从诸如公共设施的交流电源接收交流线路输入电力。整流器112构造成将在第一输入端子114和第二输入端子116处接收的线路交流电整流为脉冲直流电。直流链路电容器124将脉冲直流电储存在直流链路122上并且向逆变器120提供直流链路电压。在该示例性实施例中，直流链路电容器124具有高达约1,000微法拉(μF)的电容，以将直流链路上的电压基本上维持为直流值。
逆变器120为3相逆变器并且包括与3相逆变器120的第一相相关联的第一开关132、与第二相相关联的第二开关134和与第三相相关联的第三开关136。在该示例性实施例中，电机102的主绕组106与第一开关132之间的公共节点138和第二开关134之间的公共节点140联接。此外，在该示例性实施例中，电机102的起动绕组108与第二开关134之间的公共节点140和第三开关136之间的公共节点142联接。电容器110联接在起动绕组108与第三开关136之间的公共节点142之间。逆变器120构造成基于从控制器130接收的信号而将直流链路电压变换为用于驱动电机102的两相交流输出电压，以优化机器效率。
第一开关装置126与第一输入端子114和第二输入端子116联接，并且与逆变器120的输出端并联联接。在该示例性实施例中，第一开关装置126由控制器130操作成选择性地将线路交流电联接至逆变器120的输出端，使得线路交流电可直接施加至主绕组106和起动绕组108。控制器130基于电机102的工作频率或所命令的电机基准点(例如，转速设定)来判定是断开还是闭合第一开关装置126。
旁路开关装置128与电机102的电容器110并联联接。更具体而言，旁路开关装置128联接在起动绕组108的一个极与第三开关136之间的公共节点138之间。然而，可以颠倒电容器位置，只要电容器与起动绕组串联即可。旁路开关装置128由控制器130操作成在电机102以与电源118的线路电力频率周围的频带不同的频率与逆变器一起工作时选择性地旁通电容器110。更具体而言，电容器110设置在电机102中，以在跨线路PSC的标准下产生起动电机102所需的相位移。在混合驱动中，电机的起动可以在电容器110被旁通的情况下经由逆变器完成。
在该示例性实施例中，控制器130包括处理器144和存储设备146。在该示例性实施例中，控制器130在一个或多个处理装置——诸如微控制器、微处理器、可编程门阵列、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路等——中实施。因此，在该示例性实施例中，控制器130由嵌入一个或多个处理装置中的软件和/或硬件构成。这样，控制器130是可编程的，使得可针对特定电机102和/或电机102的操作者编写指令、间隔、阈值和/或范围等。控制器130可完全或部分地由位于一个或多个处理装置外部的分立元件提供。
在运转中，控制器130构造成接收对于电机102所命令/要求的频率并且将它与线路输入电力频率的预定范围进行比较。控制器130构造成在由电机102命令的频率处于线路输入电力频率的预定范围内时致动或闭合第一开关装置126。闭合第一开关装置126将第一输入端子114和第二输入端子116与逆变器120的输出端联接，使得线路输入电力直接施加至电机102的主绕组106和起动绕组108以及电容器110。如本文中所使用的，运转的“PSC”模式是指线路输入电力被直接施加至电机102时的模式。当以PSC模式运转时，电机102基于线路输入电力以固定转速运转。
附加地或替代地，控制器130构造成在由电机102命令/请求的频率未处于线路输入电力频率的预定范围内时断开第一开关装置126。操作第一开关装置126致使逆变器120向电机102提供经调整的电力。如本文中使用的，运转的“驱动模式”是指逆变器120向电机102提供经调整的电力时的模式。当以驱动模式运转时，控制器130使用脉宽调制(PWM)来控制逆变器120的开关，这实现了电机102的变速控制。
混合电机系统100将变速驱动电路的低速操作点、软起动和受控加速的益处与定速PSC电机的线路可操作性、增大的功率因数和减少的电磁干扰(EMI)签名的益处相结合，以改善整体的系统操作性能。更具体而言，代替无论负载命令如何都以标称60Hz驱动电机102，混合式PSC电机系统100通过降低电机102的转速来调整至较轻的负载。尤其是在定速PSC电机通常效率较低的较低输入电力范围内，驱动电路104设置成以可变速度控制电机102，以匹配变化的负载。此外，在较高输入电力范围内，驱动电路104的驱动模式可具有减小的功率因数、增加的EMI签名和/或电子损失。当由电机102命令的频率处于线路输入电力频率的预定范围内时，混合电机系统100从驱动模式切换为PSC模式。通过在驱动模式与PSC模式之间切换，混合PSC电机系统100提供包括高PF、低EMI、高效率、变速运转和对起动加速度的控制的技术效果。此外，由于驱动电路104不必以全功率操作(因为在全功率下线路交流电联接至逆变器120的输出端)，所以可减小驱动电路的尺寸。
通过在电机所命令的频率未处于线路输入电力频率的预定范围内时使用逆变器120来以驱动模式驱动电机102，驱动电路104减少了涌入电流，实现了电机102的软起动，并且实现了电机102在起动期间的受控加速。更具体而言，控制器130调制逆变器120的开关的占空比，以产生使电机102在起动期间产生的转矩最大化的电机电流。此外，控制器130构造成调整电机102的定子频率，以使转矩脉动最小化并施加预定的加速度缓变率/变化率(ramp rate)。或者，控制器130构造成通过监测电机电流并将缓变率调整为保持低于预定极限来调整定子频率。
在一个实施例中，混合电机系统100减少旁路开关装置128中的电机电容器的涌入电流。具体而言，为了减少电机电容器的涌入电流，控制器130控制旁路开关装置128的开断(闭合与断开)时机(timing)。更具体而言，控制器130监测交流线路电压、直流链路电压和/或交流线路电流。控制器130在交流线路电压和/或交流线路电流处于最小值时操作旁路开关装置128，这限制了旁路开关装置128中的涌入电流。在另一实施例中，监测并推定旁路开关中的电压和/或电流，并且控制器在电流处于最小限度时操作旁路开关的开度以使断开期间可能损坏旁路开关的瞬时电压和电流的影响最小化。
在一个实施例中，混合电机系统100减小开关装置126中的瞬时电压和电流。为了减小开关装置126中的瞬时电压和电流，控制器130监测交流线路电压、直流链路电压和/或交流线路电流。控制器130在交流线路电压和/或交流线路电流处于最小值时操作旁路开关装置126，这限制了开关装置126中的涌入电流。在一些实施例中，控制器130构造成监测电机相电流以使在改变运转模式时的转矩下降最小化。在一些实施例中，控制器130构造成推定或测量电机端子电压，以使与交流线路电压的相位差最小化并使过渡时的转矩脉动最小化。
在另一实施例中，混合电机系统100监测起动运转和正常运转期间的锁定转子状态。控制器130将所施加的电机电压和测得的电机电流与阈值进行比较。当所施加的电机电压和测得的电机电流超过阈值时，控制器130可判定为存在锁定转子状态。
在一些实施例中，混合电机系统100构造成监测交流电功率因数以在必要时提供调低(降低功率)操作(de-rated operation)。当使用逆变器120操作电机102时，控制器130构造成接收电机102的电机转速和转矩信息。基于电机转速和转矩信息，控制器130计算驱动电路104可从电源118汲取的输入电力或电流极限值，以避免超过驱动电路104的额定功率。
在一个替代实施例中，控制器130测量交流线路电流的值并且将交流线路电流的值与交流线路电流的预定值进行比较。如果测得的交流线路电流超过交流线路电流的预定值，则控制器130提供系统100的调低操作，以保持在线路/熔断器容量的极限内。
在一些实施例中，混合PSC电机系统100构造成实施瞬时电机加速和同步以减小在各运转模式之间切换时的瞬变。在一个实施例中，控制器130构造成监测电机相电流以使在改变运转模式时的转矩下降最小化。在另一实施例中，控制器130构造成推定或测量电机端子电压，以使与交流线路电压的相位差最小化并使过渡时的转矩脉动最小化。
图2是混合电机系统200的框图。混合电机系统200的与在(图1所示的)混合电机系统100中描述的构件相似的构件在图2中使用用于图1中的相同附图标记表示，并且这里不重复它们的描述。
在该示例性实施例中，除了混合电机系统200不包括旁路开关装置128以外，系统200以与混合电机系统100相同的方式操作。确切而言，混合电机系统200包括与逆变器120的第一相输出端联接的主绕组106。此外，在该示例性实施例中，起动绕组108包括与逆变器120的第二相输出端联接的输入端和与逆变器120的第三相输出端联接的输出端。电容器110包括输出端以及与逆变器120的第三相输出端联接的输入端。电容器110位于混合电机系统200中实现了在没有设置旁路开关装置128的情况下的运转。
图3A是混合电机系统300的框图。图3B是处于驱动模式中的混合电机系统300的框图。图3C是处于PSC模式中的混合电机系统300的框图。混合PSC电机系统300的与在(图1所示的)混合电机系统100中描述的构件相似的构件在图3A、3B和3C中使用用于图1中的相同附图标记表示，并且这里不重复它们的描述。系统300与系统100的不同之处在于：去除了第一开关装置126并使用与系统100相比大幅减小的直流电路电容量。
在该示例性实施例中，混合电机系统300包括电机102和与电机102联接并且构造成控制电机102的运转的驱动电路104。在该示例性实施例中，电机102是永久分相式电容(PSC)电机。在该示例性实施例中，直流链路电容器124具有位于约0.1μF与约10μF之间的电容量。
在该示例性实施例中，驱动电路104在第一输入端子114和第二输入端子116处从诸如公共设施的交流电源接收交流线路输入电力。整流器112构造成将在第一输入端子114和第二输入端子116接收的交流线路电力整流为脉冲直流电。直流链路电容器124将少量直流电储存在直流链路122上并且向逆变器120提供直流链路电压。
在操作中，控制器130构造成接收电机102所命令的频率并且将它与线路输入电力频率的预定范围进行比较。
当电机102所命令的频率未处于线路输入电力频率的预定范围内时，驱动电路104以驱动模式操作，以施加用于运转电机102的变速控制，如图3B所示。更具体而言，在该示例性实施例中，驱动电路104具有较低的直流链路电容量(即，小于100μF)并且使用旁路开关装置328来旁通电容器110。控制器130闭合旁路开关装置328，以使电容器110电气短路并且控制逆变器120的两相切换以实现变速控制。
由于在电机驱动电路300中仅使用低电容量电容器124，所以没有大量电压储存在电机驱动电路300的直流链路122上。确切而言，在该示例性实施例中，驱动电路300将能量储存在与电机102的旋转轴(未示出)联接的旋转负载上。更具体而言，在该示例性实施例中，该负载为机械能量储存装置(即，压缩机、冷凝器风扇或鼓风机)。例如，在一个实施例中，该负载可以是HVAC系统中的压缩机、冷凝器风扇或鼓风机。
在操作期间，在该示例性实施例中，整流器112将从电源118接收的交流线路输入电压整流为脉冲交流电。当交流线路输入电压可用时，控制器130构造成增加从电机102传递以作为惯性储存在负载上的能量。更具体而言，当输入电压可用时，转矩增大，从而引起负载的转速也增大。在该示例性实施例中，负载的惯性限制电机102的转速变化，这使得在输入电压不可用时能够继续产生转矩。
在一个实施例中，当输入电压可用时，控制器130也使得少量电压被储存在直流链路电容器124上。当交流线路输入电压接近零时，电容器124向电机102提供所储存的电压。
随着输入电压开始下降，由电机102在负载上产生的转矩变成转速。随着交流线路输入电压接近零或直流链路电压具有约100％的电压纹波，控制器130缓解从负载到电机102的能量传递的减小以产生正转矩。更具体而言，控制器130控制流入到电机102的电流，使得当输入至电机102的电压接近零或等于零时，电机102继续产生转矩。在一个替代实施例中，控制器130还控制从电容器124到电机102的能量传递。这些能量传递使得电机102在脉动直流电压的每相期间输入电压较低或不可用的时候能够运转。
如图3C所示，当电机102所命令的频率处于线路输入电力频率的预定范围内时，控制器130构造成同步电机驱动电路104的输出，以使电机102在满负载下以这样的频率运转：该频率大约是线路输入频率的两倍。具体而言，控制器130同步逆变器120的第一相和第三相，以施加与线路输入电压基本上相当的输出电压。
混合电机系统300在不使用(图1所示的)开关装置126来将交流线路电路联接至逆变器120的输出端的情况下实现了与混合PSC电机系统100相似的益处。确切而言，当电机102所命令的频率未处于线路输入电力频率的预定范围内时，混合电机系统300在驱动模式中使用(具有较小的直流链路容量的)开关装置136来旁通电容器110。当电机102所命令的频率处于线路输入电力频率的预定范围内时，混合电机系统300实施如下控制方法：其同步电子驱动输出以在利用针对满负载设计的PSC电机的公用设施的频率的两倍的频率下操作。混合电机系统300提供包括高PF、低EMI、高效率、变速操作和对起动加速度的控制的技术效果。此外，由于驱动电路104不必以全功率操作(因为在全功率下交流线路电力耦合至逆变器120的输出端)，所以可减小驱动电路的尺寸。
在一个实施例中，混合电机系统300控制驱动电路104的输出状态，以限制直流链路电容器124上的电力再生。驱动电路104使用低容量直流链路电容器124来使电力变换器的导通间隔最大化并使功率因数最大化。控制器130测量直流链路电压、逆变器120的电流、或电机102的瞬时功率。控制器130变更针对逆变器120的命令电压，以使从电机102流入到直流链路电容器124的电流最小化。
在一个实施例中，混合电机系统300控制驱动电路104的输出状态，以通过为逆变器两相提供相同命令来同步逆变器120的多个输出。控制器130然后切换逆变器相位，以根据线路输入电压的极性来向电机102施加正电压或负电压。控制器130使逆变器120以位于电源118的频率的约两倍的频带内的低频率进行换向。
通过在电机所命令的频率未处于线路输入电力频率的预定范围内时使用逆变器120来以驱动模式驱动电机102，驱动电路104减少了涌入电流，实现了电机102的软起动，并且实现了电机102在起动期间的受控加速。更具体而言，控制器130调制逆变器120的开关的占空比，以产生使电机102在起动期间产生的转矩最大化的电机电流。此外，控制器130构造成调整电机102的定子频率，以使转矩脉动最小化并施加预定的加速缓变率。或者，控制器130构造成通过监测电机电流并将缓变率调整为保持低于预定极限来调整定子频率。
在一个实施例中，混合电机系统300减少旁路开关装置328中的电机电容器110的涌入电流。具体而言，为了减少电机电容器100的涌入电流，控制器130控制旁路开关装置328的开断时机。更具体而言，控制器130监测交流线路电压、直流链路电压和/或交流线路电流。控制器130在交流线路电压和/或交流线路电流处于最小值时操作旁路开关装置328，这限制了旁路开关装置328中的涌入电流。
在另一实施例中，混合电机系统300监测起动运转和正常运转期间的锁定转子状态。控制器130将所施加的电机电压和测得的电机电流与阈值进行比较。当所施加的电机电压和测得的电机电流超过阈值时，控制器130可判定为存在锁定转子状态。
在一些实施例中，混合电机系统300构造成监测交流电功率因数以在必要时提供调低操作。当使用逆变器120操作电机102时，控制器130构造成接收电机102的电机转速和转矩信息。基于电机转速和转矩信息，控制器130计算驱动电路104可从电源118汲取的输入电力或电流极限值，以避免超过驱动电路104的额定功率。
在一个替代实施例中，控制器130测量交流线路电流的值并且将交流线路电流的值与交流线路电流的预定值进行比较。如果测得的交流线路电流超过交流线路电流的预定值，则控制器130提供系统100的调低操作，以保持在线路/熔断器容量的极限内。
在一些实施例中，混合电机系统300构造成实施瞬时电机加速和同步以减小在各运转模式之间切换时的瞬变。在一个实施例中，控制器130构造成监测电机相电流以使在改变运转模式时的转矩下降最小化。在另一实施例中，控制器130构造成推定或测量电机端子电压，以使与交流线路电压的相位差最小化并使过渡时的转矩脉动最小化。
图4是混合电机系统400的框图。混合电机系统400的与在(图1所示的)PSC电机系统100中描述的构件相似的构件在图4中使用与图1中使用的附图标记相同的附图标记表示，并且这里不重复它们的描述。系统400与系统100的不同之处在于：去除了第一开关装置126，使用比系统100低得多的直流链路电容量，以及使用双向前端电力变换器来实现公用设施与电机102之间的双向电力传送。
在该示例性实施例中，混合电机系统400包括电机102和与电机102联接并且构造成控制电机102的运转的驱动电路104。电机102包括主绕组106、起动绕组108和电容器110。在该示例性实施例中，电机102是永久分相式电容(PSC)电机。驱动电路104包括：构造成从电源118接收输入第一输入端子114和第二输入端子116的线路交流电的双向前端电力变换器412；联接在整流器112下游的逆变器120；限定在双向前端电力变换器412与逆变器120之间的直流链路122；以及跨直流链路122联接的直流链路电容器124。在该示例性实施例中，直流链路电容器124具有位于约0.1μF与约10μF之间的电容量。
在该示例性实施例中，驱动电路104在第一输入端子114和第二输入端子116处从诸如公共设施的交流电源接收交流线路输入电力。双向前端电力变换器412构造成将在第一输入端子114和第二输入端子116处接收的交流线路电力整流为脉冲直流电。另外，当从电机102再生电力时，双向前端电力变换器412构造成将再生电力提供回电源118。
逆变器120为3相逆变器并且包括与3相逆变器120的第一相相关联的第一开关132、与第二相相关联的第二开关134和与第三相相关联的第三开关136。在该示例性实施例中，电机102的主绕组106与第一开关132之间的公共节点138和第二开关134之间的公共节点140联接。此外，在该示例性实施例中，电机102的起动绕组108与第二开关134之间的公共节点140和第三开关136之间的公共节点142联接。电容器110联接在起动绕组108与第三开关136之间的公共节点142之间。逆变器120构造成基于从控制器130接收的信号而将直流链路电压变换为用于驱动电机102的单相交流输出电压。
旁路开关装置128与电机102的电容器110并联联接。更具体而言，旁路开关装置128联接在起动绕组108的一侧与第三开关136之间的公共节点138之间。旁路开关装置128由控制器130操作，以在电机102未以电源118的线路电力频率运转时选择性地旁通电容器110。
在一个实施例中，混合电机系统400控制驱动电路104的输出状态，以限制直流链路电容器124上的电力再生。驱动电路104使用低容量直流链路电容器124来使电力变换器的导通间隔最大化并使功率因数最大化。控制器130测量直流链路电压、逆变器120的电流、或电机102的瞬时功率。控制器130变更针对对逆变器120命令的电压，以使从电机102流入到直流链路电容器124的电流最小化。
在一个实施例中，混合电机系统400控制驱动电路104的输出状态，以通过为逆变器两相提供相同命令来同步逆变器120的多个输出。控制器130然后切换逆变器相位，以根据线路输入电压的极性来向电机102施加正电压或负电压。控制器130使逆变器120以位于电源118的频率的约两倍的频带内的低频率进行换向。
在一个实施例中，混合电机系统400控制双向前端电力变换器412以在电机102的瞬时功率变成负的时实现再生。控制器130构造成测量直流链路电压并且判定直流链路电压是否高于交流线路电压。或者，控制器130可测量电机102的瞬时功率或逆变器120的电流。控制器130然后评估瞬时功率是否为负。如果瞬时功率为负，则控制器130命令双向前端电力变换器412跨输入电力线路联接至驱动电路104，以使电流能够流回到电源118。
通过在电机所命令的频率未处于线路输入电力频率的预定范围内时使用逆变器120来以驱动模式驱动电机102，驱动电路104减少了涌入电流，实现了电机102的软起动，并且实现了电机102在起动期间的受控加速。更具体而言，控制器130调制逆变器120的开关的占空比，以产生使电机102在起动期间产生的转矩最大化的电机电流。此外，控制器130构造成调整电机102的定子频率，以使转矩脉动最小化并施加预定的加速缓变率。或者，控制器130构造成通过监测电机电流并将缓变率调整为保持低于预定极限来调整定子频率。
在一个实施例中，混合电机系统400减少旁路开关装置128中的电机电容器110的涌入电流。具体而言，为了减少电机电容器100的涌入电流，控制器130控制旁路开关装置128的开断时机。更具体而言，控制器130监测交流线路电压、直流链路电压和/或交流线路电流。控制器130在交流线路电压和/或交流线路电流处于最小值时操作旁路开关装置128，这限制了旁路开关装置128中的涌入电流。在另一实施例中，监测或推定旁路开关中的电压和/或电流，并且控制器在电流最小时操作旁路开关的开度以使断开期间可能损坏旁路开关的瞬时电压和电流的影响最小化。
在另一实施例中，混合电机系统400监测起动运转和正常运转期间的锁定转子状态。控制器130将所施加的电机电压和测得的电机电流与阈值进行比较。当所施加的电机电压和测得的电机电流超过阈值时，控制器130可判定为存在锁定转子状态。
在一些实施例中，混合电机系统400构造成监测交流电功率因数以在必要时提供调低操作。当使用逆变器120操作电机102时，控制器130构造成接收电机102的电机转速和转矩信息。基于电机转速和转矩信息，控制器130计算驱动电路104可从电源118汲取的输入电力或电流极限值，以避免超过驱动电路104的额定功率。
在一个替代实施例中，控制器130测量交流线路电流的值并且将交流线路电流的值与交流线路电流的预定值进行比较。如果测得的交流线路电流超过交流线路电流的预定值，则控制器130提供系统100的调低操作，以保持在线路/熔断器容量的极限内。
在一些实施例中，混合电机系统400构造成实施瞬时电机加速和同步以减小在运转模式之间切换时的电压瞬变。在一个实施例中，控制器130构造成监测电机相电流以使在改变运转模式时的转矩下降最小化。在另一实施例中，控制器130构造成推定或测量电机端子电压，以使与交流线路电压的相位差最小化并使过渡时的转矩脉动最小化。
图5是可使用(图1-4所示的)混合电机系统100、200、300、400中的任意系统的示例性混合双电机系统500的电路图。在该示例实施例中，混合双电机系统400包括将压缩机电机驱动电路和冷凝器电机驱动电路的共同构件相结合的共同的电机驱动电路502。更具体而言，在该示例性实施例中，混合双电机系统500包括共同的电机驱动电路502、具有第一电机驱动电路506的第一电动机504、具有第二电机驱动电路510的第二电动机508以及电机控制器512。系统500被称为混合系统是因为它可以在第一电机驱动电路506中使用低电容量电容器(约0.1μF与约100μF之间)或大直流电容器(超过1000μF)，而在第二电机驱动电路510中可以使用高电容量电容器(约200μF与1000μF之间)。
在该示例性实施例中，并且如本文中所述，第一电动机504是用于压缩机514的压缩机电机504，第一电机驱动电路506是压缩机电机驱动电路506，第二电动机508是用于冷凝器风扇516的冷凝器风扇电机508，并且第二电机驱动电路510是冷凝器风扇电机驱动电路510。在该示例性实施例中，压缩机电机驱动电路506由具有约1.5HP～7.5HP之间的功率容量的压缩机电机504加载，并且冷凝器风扇电机驱动电路510由具有约1/3HP的功率容量的冷凝器风扇电机508加载。
在该示例性实施例中，共同的电机驱动电路502包括构造成与电源520联接的浪涌保护装置518、电磁干扰(EMI)滤波器522、整流器524、由正直流链路轨迹528和负直流链路轨迹530限定的第一直流链路526、跨第一直流链路526联接的低电容量电容器532、以及与正直流链路轨迹528联接的霍尔传感器534。
浪涌保护装置518包括线路间金属氧化物压敏电阻(MOV)536、线路-大地MOV 538和气体放电管(GDT)540。浪涌保护装置518构造成在来自电源520的电压中存在浪涌时为混合双电机系统500提供雷电保护。在该示例性实施例中，电源520是供给正弦波输入电压的单相交流电源，诸如电网或公共设施。EMI滤波器522构造成防止EMI噪声联接回到电源520。从EMI滤波器522输出的信号施加至整流器524，整流器524将正弦波输入电压转换为经整流的交流电压。
低电容量电容器532构造成在输入电压可用时储存少量能量。在该示例性实施例中，低电容量电容器532为薄膜电容器并且具有位于约0.1μF到约100μF之间的电容量。避免了在共同的电机驱动电路502中使用庞大、不可靠的电解滤波电容器。使用低电容量电容器532作为用于压缩机电机504的蓄能构件。此外，低电容量电容器532有利于将混合双电机系统500的功率因数增至约0.9以上。
霍尔传感器534在低电容量电容器532之后与正直流链路轨迹528联接并且构造成在大电流流经正直流链路轨迹528时提供接地故障保护。在该示例性实施例中，当电流大于特定电动机的正常工作电流并且在典型的240V交流线路系统中高于100安培时，认为该电流是大电流。在一个实施例中，当从电源供给的电流由于电机绝缘层的损坏而直接转入大地而不返回通常的电力线路时，发生接地故障，其形成较大的短路电流并且可能损坏系统中的半导体器件。霍尔传感器534感测正直流链路轨迹528上的电流并且向电机控制器512输出故障信号，并且从电机控制器512接收重置信号。
在该示例性实施例中，压缩机电机驱动电路506在霍尔传感器534的下游与第一直流链路526联接。压缩机电机驱动电路506包括构造成与压缩机电机504联接的逆变器536。在该示例性实施例中，逆变器536为三相直流-交流电压源逆变器。逆变器536构造成接收来自电机控制器512的控制信号并且相应地为压缩机电机504供给经调节的交流电压。
在该示例性实施例中，逆变器536为三相逆变器并且包括用于三相中的每一相的逆变器开关组。逆变器536还包括与相应的逆变器开关组和所述负直流链路轨迹530联接的第一、第二和第三分流电阻器538。在另一实施例中，逆变器536包括与负直流链路轨迹530联接的一个分流电阻器540。在任意情况下，分流电阻器538或分流电阻器540构造成感测负直流链路轨迹530上的电流以为负直流链路轨迹530提供接地故障电流保护。
在该示例性实施例，电机控制器512被编程为控制混合双电机系统500的压缩机电机504和冷凝器风扇电机508两者的运转。更具体而言，电机控制器512包括可操作为执行用于压缩机电机504的电流控制和脉宽调制(PWM)信号生成的第一控制单元542以及可操作为执行用于冷凝器风扇电机508的电流控制和脉宽调制信号生成的第二控制单元544。
第一控制单元542构造成实施对被供给以驱动压缩机514的电力的DPT控制。更具体而言，第一控制单元542构造成在输入电压可用时增加从压缩机电机504到压缩机514的能量传递，并且在直流链路电压具有约100％的电压纹波时缓解从压缩机514到压缩机电机504的能量传递的减少以产生正转矩。为了控制压缩机514，第一控制单元542构造成产生施加至逆变器536以控制压缩机电机504的旋转的PWM信号。另外，第一控制单元542构造成接收来自霍尔传感器534的故障信号和来自分流电阻器538的经处理的分流电流，并且响应于接地故障而使传输至逆变器536的任何PWM信号无效以在故障期间去除通向压缩机电机504的电力。
在该示例性实施例中，第二或冷凝器风扇电机驱动电路510包括二极管546、负温度系数(NTC)电阻器548、由第二正直流链路轨迹552和第二负直流链路轨迹554限定的第二直流链路550、跨第二直流链路550联接的高电容量电容器556、逆变器558、以及一个或三个分流电阻器560或562。
二极管546和NTC电阻器548联接在低电容量电容器532与高电容量电容器556之间。更具体而言，二极管546和NTC电阻器548联接在霍尔传感器534之后，使得霍尔传感器534也可为冷凝器风扇电机508提供接地故障保护。在该示例性实施例中，二极管546和NTC电阻器548构造成为冷凝器风扇电机驱动电路510提供可能由于高电容量电容器556的存在而引起的涌入电流保护。
在该示例性实施例中，高电容量电容器556具有位于约200μF到1000μF之间的电容量。高电容量电容器556接收由整流器524产生的经整流的交流电压并且产生施加至逆变器558的平滑直流电压。
逆变器558构造成与冷凝器风扇电机508联接。在该示例性实施例中，逆变器558为三相直流-交流电压源逆变器。逆变器558构造成接收来自电机控制器512的控制信号并且相应地为冷凝器风扇电机508提供经调节的交流电压。
在该示例性实施例中，逆变器558为三相逆变器并且包括用于三相中的每一相的逆变器开关组。逆变器558还包括与相应的逆变器开关组和负直流链路轨迹554联接的第一、第二和第三分流电阻器562。在另一实施例中，逆变器558包括与负直流链路轨迹554联接的一个分流电阻器564。在任意情况下，分流电阻器562或分流电阻器564构造成感测负直流链路轨迹554上的电流以为负直流链路轨迹554提供接地故障电流保护。
在该示例性实施例中，第二控制单元544构造成生成施加至逆变器558以利用储存在高电容量电容器556上的能量来控制冷凝器风扇电机508的旋转的PWM信号。另外，第二控制单元544构造成接收来自霍尔传感器534的故障信号和来自分流电阻器562的经处理的分流电流，并且响应于接地故障而使传输至逆变器558的任何PWM信号无效，以在故障期间去除通向冷凝器风扇电机508的电力。
在一些实施例中，混合电机系统500还包括一个或多个鼓风机电机和一个或多个相关的鼓风机电机驱动电路。在这些实施方案中，系统500为混合三(或三重)电机系统。所述一个或多个鼓风机电机驱动电路中的每一个都包括与冷凝器风扇电机驱动电路510类似的构件并且类似地操作。在这些实施例中，单个驱动电路将控制压缩机514、冷凝器风扇516和一个或多个鼓风机的运转。
在另一实施例中，混合电机系统100、200、300、400中的任何系统均可用于空调系统中，该空调系统包括对典型的冷却系统增加加热能力的热泵、在室内和室外盘管之间引导冷却剂的流动的换向阀、以及膨胀阀。在该示例性实施例中，PSC电机可以是混合电机系统100、200、300、400中的一者。当使用热泵时，换向阀仅用于方向改变。在热泵和冷却模式两者中，使用膨胀阀来释放压力。混合电机系统100、200、300、400可构造成控制压缩机PSC电机并且将换向阀和/或膨胀阀的控制集成在单板电子控制器上。
除了压缩机、鼓风机和风扇外，混合电机系统100、200、300、400的一些实施方案还操作一个或多个泵电机。在一些实施方案中，混合电机系统(例如，混合电机系统100、200、300或400)在需要时针对超速使电机在线路频率之下或线路频率之上运转。在一些实施方案中，混合电机系统100、200、300、400构造成在发生驱动故障时以“跛行(limp)”模式操作。如果混合电机系统100、200、300、400检测出驱动故障，则混合电机系统始终默认为实施线路操作。在一些实施方案中，混合电机系统选择性地应用功率因数校正(PFC)或有源/有功功率因数校正(“APFC”)(即，仅按需)，以满足与功率因数有关的参数/因素(agency)或电路额定功率要求。在一些实施方案中，混合电机系统应用优化电机绕组之间的电流平衡的算法。更具体而言，混合电机系统测量电机电流并调整绕组之间的电压指令的比率，以在使系统输出功率(即，推定或计算出的转矩和转速)最大化的同时使定子中的均方根(“RMS”)电流最小化。因此，该算法表征了由混合电机系统控制的电机。在一些实施方案中，混合电机系统执行旋转感测。更具体而言，混合电机系统使电机沿第一方向以第一转速运转，然后确定加速至第一转速所需的第一时间和/或在第一转速下的转矩，然后使电机以第一转速沿与第一方向相反的第二方向运转，并且在电机沿第二方向运转时确定加速至第一转速所需的第二时间和/或在第一转速下的转矩。基于这些确定，混合电机系统选择第一方向和第二方向中的一者作为将来使电机运转的方向(例如，“正常”方向)。
本文中所描述的方法和系统的技术效果可包括以下中的一者或多者：(a)增大的功率因数；(b)减小的EMI；(c)提高的效率；(d)实现了定速PSC电机的变速运转；以及(e)实现了定速PSC电机的起动加速度的控制。
该书面描述使用各个例子来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明要求保护的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员能想到的其它示例。如果此类其它示例具有并未区别于权利要求的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言有非实质性区别的等同结构元件，则此类其它示例旨在落入本权利要求的范围之内。

Claims (24)

1.一种用于控制电机的控制器，所述控制器构造成：
在电机所命令的频率未处于线路输入电力频率的预定范围内时使用逆变器驱动所述电机；以及
在所述电机所命令的频率处于线路输入电力频率的预定范围内时使用第一开关装置将线路输入电力耦合至所述逆变器的输出端。
2.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成：
调制所述逆变器的开关的占空比，以产生使由所述电机在起动期间产生的转矩最大化的电机电流；以及
调整所述电机的定子频率，以实现以下中的至少一者：在部分负载点处提高系统的效率，通过调整绕组电流使转矩脉冲最小化，以及施加预定的加速缓变率。
3.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成：
调制所述逆变器的开关的占空比，以产生使由所述电机在起动期间产生的转矩最大化的电机电流；以及
通过监测电机电流并且将缓变率调整为保持在预定极限之下来调整定子频率。
4.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成控制旁路开关装置的开断时机以实现以下中的至少一者：在闭合所述旁路开关装置时减少所述旁路开关装置中的电机电容器的涌入电流，以及在断开所述旁路开关装置时使瞬时电压和电流最小化。
5.根据权利要求4所述的控制器，所述控制器还构造成：
监测交流线路电压、直流链路电压和交流线路电流中的至少一者；和
在所述交流线路电压和所述交流线路电流中的至少一者处于最小值时闭合所述旁路开关装置，从而限制所述旁路开关装置中的涌入电流。
6.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成：
监测交流线路电压、直流链路电压和交流线路电流中的至少一者；以及
在所述交流线路电压和所述交流线路电流中的至少一者处于最小值时闭合所述第一开关装置，从而限制所述第一开关装置中的涌入电流。
7.根据权利要求6所述的控制器，所述控制器还构造成监测电机相电流以使在改变操作模式时的转矩下降最小化。
8.根据权利要求6所述的控制器，所述控制器还构造成推定或测量电机端子电压以使与交流线路电压的相位差最小化并使过渡时的转矩脉动最小化。
9.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成：
将所施加的电机电压和测得的电机电流与阈值进行比较；以及
当所施加的电机电压和测得的电机电流超过所述阈值时，判定存在锁定转子状态。
10.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成：
测量交流线路电流的值；
将交流线路电流的值与交流线路电流的预定值进行比较；以及
提供以下至少中的至少一者：在测得的交流线路电流超过交流线路电流的预定值时对所述电机进行调低操作以保持在线路容量的极限内；以及改变运转模式。
11.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成实施瞬时电机加速和同步以减小在运转模式之间切换时的瞬变。
12.根据权利要求11所述的控制器，所述控制器还构造成实现以下中的一者：
监测电机相电流以使在改变运转模式时的转矩下降最小化；以及
推定电机端子电压以使与交流线路电压的相位差最小化并且使在改变运转模式时的转矩脉动最小化。
13.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成：
检测故障状态；以及
在检测出故障状态后使所述电机以跛行模式操作，在所述跛行模式下，所述电机控制器默认为实施线路操作。
14.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成根据由所述控制器存储的一个或多个参数或电路额定值要求来选择性地应用无源功率因数校正和有源功率因数校正中的一者。
15.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成通过如下方式来控制第一电机绕组与第二电机绕组之间的电流平衡：测量电流并调整所述第一电机绕组与所述第二电机绕组之间的电压指令的比率以在增加所述电机的输出功率的同时减小所述电机的定子中的均方根电流。
16.根据权利要求1所述的控制器，所述控制器还构造成通过以下方式来确定所述电机的默认旋转方向：
使所述电机以第一转速沿第一方向旋转；
确定达到所述第一转速的第一时间和/或在所述第一转速下的第一转矩；
使所述电机以第一转速沿第二方向旋转，其中所述第二方向与所述第一方向相反；
确定达到所述第一转速的第二时间和/或在所述第一转速下的第二转矩；以及
通过将所述第一时间与所述第二时间进行比较和/或将所述第一转矩与所述第二转矩进行比较来将所述第一方向和所述第二方向中的一者识别为所述默认旋转方向。
17.一种用于控制电机的控制器，所述控制器构造成：
操作开关装置，所述开关装置构造成在电机所命令的频率未处于线路输入电力频率的预定范围之内时旁通所述电机的运行电容器；以及
在所述电机所命令的频率处于线路输入电力频率的预定范围内时同步逆变器的两相以向所述电机施加与线路输入电压基本上相当的输出电压。
18.根据权利要求17所述的控制器，所述控制器还构造成使用低电容量的直流链路电容器来使电力变换器的导通间隔最小化，以及使功率因数最大化，所述低电容量的电容器具有小于100μF的电容。
19.根据权利要求18所述的控制器，所述控制器还构造成：
测量所述直流链路电压、所述逆变器的电流和所述电机的瞬时功率中的一者；以及
修改针对所述逆变器命令的电压，以使电流的流量最小化并限制从所述电机到所述直流链路电容器的电力再生。
20.根据权利要求17所述的控制器，所述控制器还构造成控制驱动电路以通过为逆变器的两相提供相同命令来同步所述逆变器的多个输出。
21.根据权利要求20所述的控制器，所述控制器还构造成：
切换逆变器相位，以根据所述线路输入电压的极性来向所述电机施加正电压或负电压；以及
使所述逆变器以处于电源的频率的约两倍的频带内的低频率进行换向。
22.一种用于控制电机的控制器，所述控制器构造成：
使用双向电力变换器来实现从电源接收的交流线路输入电力和来自所述电机的再生电力的双向电力传递；
通过为逆变器的两相提供相同命令来同步所述逆变器的多个输出；以及
在所述电机的瞬时功率变成负的时实现从所述电机到所述电源的电力的再生。
23.根据权利要求22所述的控制器，所述控制器还构造成以低直流链路电容量操作以实现较高的功率因数和较小的驱动电路尺寸，其中低电容量电容器具有小于100μF的电容量。
24.根据权利要求22所述的控制器，所述控制器还构造成：
测量直流链路电压；
将测得的直流链路电压与交流线路电压进行比较；
评估瞬时功率是否为负；以及
命令所述双向电力变换器跨输入电力线路连接驱动电路，以使得电流能够流回到输入电源。
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