CN110474527B - 三相电功率因素矫正的变频装置及其控制方法、空调器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三相电功率因素矫正装置及其控制方法、空调器，装置包括整流电路、变频逆变电路、功率因素校正电路以及控制电路；整流电路的输入端与交流电源电连接，整流电路的输出端与变频逆变电路的输入端电连接，变频逆变电路的输出端与负载电连接；功率因素校正电路的输入端与交流电源电连接，功率因素校正电路的输出端连接在整流电路和变频逆变电路之间的主回路上；控制电路的相电流检测端与变频逆变电路电连接，控制电路的控制端分别与功率因素校正电路的相位控制端、设于功率因素校正电路的输出端上的开关电连接，控制电路根据检测到的相电流与预设值的比较结果控制功率因素校正电路的工作状态。本发明优化了功率因素校正电路，降低了成本。

Description

三相电功率因素矫正的变频装置及其控制方法、空调器

技术领域

本发明涉及变频器技术领域，尤其是涉及一种三相电功率因素矫正的变频装置及其控制方法、空调器。

背景技术

目前，针对三相电功率因数矫正的方案，不仅控制比较复杂，而且功率器件规格要求比较高，导致成本比较高。同时由于功率因素校正电路的功率器件开关损耗和导通损耗比较高，需要精心设计功率器件的散热方案，进一步导致成本增加。

发明内容

本发明提供了一种三相电功率因素矫正的变频装置及其控制方法、空调器，以解决现有的三相电功率因数矫正方案复杂且成本较高的技术问题，本发明优化了功率因素校正电路，同时降低了成本。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种三相电功率因素矫正的变频装置，包括整流电路、变频逆变电路、功率因素校正电路以及控制电路；

所述整流电路的输入端与交流电源电连接，所述整流电路的输出端与所述变频逆变电路的输入端电连接，所述变频逆变电路的输出端与负载电连接；

所述功率因素校正电路的输入端与所述交流电源电连接，所述功率因素校正电路的输出端通过第一无极性电容连接在所述整流电路和所述变频逆变电路之间的主回路上；

所述控制电路的相电流检测端与所述变频逆变电路电连接，所述控制电路的控制端分别与所述功率因素校正电路的相位控制端、设于所述功率因素校正电路的输出端上的开关电连接，所述控制电路根据检测到的相电流与预设值的比较结果控制所述功率因素校正电路的工作状态。

作为优选方案，所述功率因素校正电路包括：

第一整流桥、第二整流桥、第三整流桥、第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第一无极性电容以及所述开关；

所述交流电源的第一相电压与所述第一整流桥的输入端连接，所述第一整流桥中的两个二极管的共阴极连接点与所述第一IGBT的集电极电连接，所述第一整流桥中的另外两个二极管的共阳极连接点与所述第一IGBT的发射极电连接；

所述交流电源的第二相电压与所述第二整流桥的输入端电连接，所述第二整流桥中的两个二极管的共阴极连接点与所述第二IGBT的集电极电连接，所述第二整流桥中的另外两个二极管的共阳极连接点与所述第二IGBT的发射极电连接；

所述交流电源的第三相电压与所述第三整流桥的输入端电连接，所述第三整流桥中的两个二极管的共阴极连接点与所述第三IGBT的集电极电连接，所述第三整流桥中的另外两个二极管的共阳极连接点与所述第三IGBT的发射极电连接；

所述第一整流桥、所述第二整流桥、所述第二整流桥的输出端串联连接至所述开关的一端，所述开关的另一端通过所述第一无极性电容连接在所述整流电路和所述变频逆变电路之间的主回路上；所述第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT的栅极分别连接至所述功率因素校正电路的相位控制端。

作为优选方案，所述控制电路包括微控制器、负载相电流采样电路、电源相序检测电路、功率校正控制信号隔离电路；

所述负载相电流采样电路的检测端通过串联连接在所述主回路上的采样电阻获取采样电流，所述负载相电流采样电路的输出端与所述微控制器的相电流检测端电连接；

所述功率校正控制信号隔离电路的输入端与所述微控制器的控制端电连接，所述功率校正控制信号隔离电路的输出端与所述功率因素校正电路的相位控制端电连接；

所述电源相序检测电路的输入端用于接收所述交流电源的三相电压，所述电源相序检测电路的输出端与所述微控制器的相序识别端电连接。

作为优选方案，所述控制电路还包括用于获取所述功率因素校正电路的输出端的采样电流的功率校正电路电流采样电路，所述功率校正电路电流采样电路的输出端与所述微控制器的电流检测端电连接。

作为优选方案，所述整流电路和所述变频逆变电路之间的主回路包括第一电解电容、第二电解电容；

所述第一电解电容的阳极与所述整流电路的输出端的正极连接，所述第一电解电容的阴极与所述第二电解电容的阳极连接，所述第二电解电容的阴极与所述整流电路的输出端的负极连接。

作为优选方案，所述整流电路和所述变频逆变电路之间的主回路包括薄膜电容，所述薄膜电容的一端与所述整流电路的输出端的正极连接，所述薄膜电容的另一端与所述整流电路的输出端的负极连接。

作为优选方案，所述三相电功率因素矫正的变频装置还包括电感滤波储能电路，所述电感滤波储能电路包括三个电感，所述交流电源的三相电压各自通过所述电感连接所述整流电路的输入端、所述功率因素校正电路的输入端。

作为优选方案，所述整流电路是由六个二极管构成的三相整流桥，所述变频逆变电路是由六个IGBT构成的三相逆变电路。

本发明还提供了一种用于所述三相电功率因素矫正的变频装置的控制方法，包括以下步骤：

在所述变频装置启动工作时，所述控制电路控制所述开关为断开状态；

所述控制电路实时检测所述变频逆变电路上的相电流并将所述相电流与预设值进行比较；

当所述相电流大于或等于所述预设值时，所述控制电路控制所述开关闭合，以使所述功率因素校正电路进行工作；

在所述功率因素校正电路工作时，所述控制电路向所述功率因素校正电路的相位控制端发送控制信号，以使功率因素校正电路在每一工作周期内仅对每一相电压的相位区间0°≤ψ≤30°、180°≤ψ≤210°进行功率校正；

当所述相电流小于所述预设值时，控制所述开关断开，以使所述功率因素校正电路停止工作。

本发明还提供了一种空调器，包括所述三相电功率因素矫正的变频装置，根据所述三相电功率因素矫正的变频装置的控制方法控制所述三相电功率因素矫正的变频装置。

相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，

在本实施例中，所述功率因素校正电路属于整个电路系统的旁路分支，而不是直接连接在主回路中，以使所述功率因素校正电路在工作时通过内部功率器件的电流较小，有利于降低功率器件的温升。

其中，当负载运行过程中，所述控制电路根据检测到的电流与预设值的比较结果，通过控制所述功率因素校正电路的输出端的开关闭合，以开启所述功率因素校正电路进行工作，通过所述控制电路恒定的电平信号直接控制进行所述开关导通电路工作，无需采用PWM信号，从而能够进一步降低功率器件的温升，并有利于减少系统的电磁干扰，同时负载整机能够通过谐波标准测试要求。

附图说明

图1是本发明的三相电功率因素矫正装置的其中一种结构图；

图2是本发明的三相电功率因素矫正装置的其中另一种结构图；

图3是本发明的三相电功率因素矫正装置的控制方法的流程图；

图4是本发明实施例中的三相电功率因素矫正装置在矫正前的三相电电压电流波形示意图；

图5是本发明实施例中的三相电功率因素矫正装置在30°≤ψ≤30矫正时的三相电电压电流波形示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明优选实施例提供了一种三相电功率因素矫正的变频装置，包括整流电路6、变频逆变电路7、功率因素校正电路8以及控制电路；

所述整流电路6的输入端与交流电源电连接，所述整流电路6的输出端与所述变频逆变电路7的输入端电连接，所述变频逆变电路7的输出端与负载电连接；

所述功率因素校正电路8的输入端与所述交流电源电连接，所述功率因素校正电路8的输出端连接在所述整流电路6和所述变频逆变电路7之间的主回路上；

所述控制电路的相电流检测端与所述变频逆变电路7电连接，所述控制电路的控制端分别与所述功率因素校正电路8的相位控制端、设于所述功率因素校正电路8的输出端上的开关K1电连接，所述控制电路根据检测到的相电流与预设值的比较结果控制所述功率因素校正电路8的工作状态。

在本实施例中，所述功率因素校正电路8属于整个电路系统的旁路分支，而不是直接连接在主回路中，以使所述功率因素校正电路8在工作时通过内部功率器件的电流较小，有利于降低功率器件的温升，从而不需要考虑特殊的散热方案，有效地降低成本。

其中，当负载运行过程中，所述控制电路根据检测到的电流与预设值的比较结果，通过控制所述功率因素校正电路8的输出端的开关K1闭合，以开启所述功率因素校正电路8进行工作，通过所述控制电路恒定的电平信号直接控制进行所述开关K1导通电路工作，无需采用PWM信号，从而能够进一步降低功率器件的温升，并有利于减少系统的电磁干扰，同时负载整机能够通过谐波标准测试要求。所述三相电功率因素矫正的变频装置可应用于使用三相电的变频逆变负载的产品，变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等。

在本实施例中，所述功率因素校正电路8包括：

第一整流桥V1、第二整流桥V2、第三整流桥V3、第一IGBT Q1、第二IGBT Q2、第三IGBT Q3、第一无极性电容C3以及所述开关K1；

所述交流电源的第一相电压R与所述第一整流桥V1的输入端连接，所述第一整流桥V1中的两个二极管的共阴极连接点与所述第一IGBTQ1的集电极电连接，所述第一整流桥V1中的另外两个二极管的共阳极连接点与所述第一IGBTQ1的发射极电连接；

所述交流电源的第二相电压S与所述第二整流桥V2的输入端连接，所述第二整流桥V2中的两个二极管的共阴极连接点与所述第二IGBT Q2的集电极电连接，所述第二整流桥V2中的另外两个二极管的共阳极连接点与所述第二IGBT Q2的发射极电连接；

所述交流电源的第三相电压T与所述第三整流桥V3的输入端连接，所述第三整流桥V3中的两个二极管的共阴极连接点与所述第三IGBT Q3的集电极电连接，所述第三整流桥V3中的另外两个二极管的共阳极连接点与所述第三IGBT Q3的发射极电连接；

所述第一整流桥V1、所述第二整流桥V2、所述第二整流桥V2的输出端串联连接至所述开关K1的一端，所述开关K1的另一端通过所述第一无极性电容C3连接在所述整流电路6和所述变频逆变电路7之间的主回路上；所述第一IGBT Q1、第二IGBT Q2、第三IGBT Q3的栅极分别连接至所述功率因素校正电路8的相位控制端。

其中，应当说明的是，所述功率因素校正电路8中的三路控制开关K1输出的公共端串联所述第一无极性电容C3，能够实现矫正电流双向流动，实现每相电压在相位区间150°≤ψ≤180°、330°≤ψ≤360°电流自动连续，不需要进行调制。

在本实施例中，所述控制电路包括微控制器1、负载相电流采样电路2、电源相序检测电路4、功率校正控制信号隔离电路3；

所述负载相电流采样电路的检测端通过串联连接在所述主回路上的采样电阻获取采样电流，所述负载相电流采样电路的输出端与所述微控制器1的相电流检测端电连接；

所述功率校正控制信号隔离电路3的输入端与所述微控制器1的控制端电连接，所述功率校正控制信号隔离电路3的输出端与所述功率因素校正电路8的相位控制端电连接；

所述电源相序检测电路4的输入端用于接收所述交流电源的三相电压，所述电源相序检测电路4的输出端与所述微控制器1的相序识别端电连接，通过所述电源相序检测电路4识别电源三相电相序，所述微控制器1识别出电源三相电相序，从而针对每一相的相位区间0°≤ψ≤30°、180°≤ψ≤210发出控制信号，控制对应的功率开关IBGT导通，实现电抗器储能、电源电流连续的目的。

在本实施例中，所述控制电路还包括用于获取所述功率因素校正电路8的输出端的采样电流的功率校正电路电流采样电路5，所述功率校正电路电流采样电路5的输出端与所述微控制器1的电流检测端电连接。

请继续参见图1，在本实施例中，所述整流电路6后端的主回路采用大电解电容，具体电路结构及其连接关系如下：

所述整流电路6和所述变频逆变电路7之间的主回路包括第一电解电容C1、第二电解电容C2；所述第一电解电容C1的阳极与所述整流电路6的输出端的正极连接，所述第一电解电容C1的阴极与所述第二电解电容C2的阳极连接，所述第二电解电容C2的阴极与所述整流电路6的输出端的负极连接。

请参见图2，在本实施例中，所述整流电路6后端的主回路还可改用薄膜电容，能够进一步降低成本，具体电路结构及其连接关系如下：

所述整流电路6和所述变频逆变电路7之间的主回路包括薄膜电容C4，所述薄膜电容C4的一端与所述整流电路6的输出端的正极连接，所述薄膜电容C4的另一端与所述整流电路6的输出端的负极连接。

在本实施例中，所述三相电功率因素矫正的变频装置还包括电感滤波储能电路，所述电感滤波储能电路包括三个电感，所述交流电源的三相电压各自通过所述电感连接所述整流电路6的输入端、所述功率因素校正电路8的输入端。

在本实施例中，所述整流电路6是由六个二极管构成的三相整流桥，所述变频逆变电路7是由六个IGBT构成的三相逆变电路。

请参见图5，基于上述变频装置，本发明还提供了一种用于所述三相电功率因素矫正的变频装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、在所述变频装置启动工作时，所述控制电路控制所述开关K1为断开状态；

S2、所述控制电路实时检测所述变频逆变电路7上的相电流并将所述相电流与预设值进行比较；

S3、当所述相电流大于或等于所述预设值时，所述控制电路控制所述开关K1闭合，以使所述功率因素校正电路8进行工作；

S4、在所述功率因素校正电路8工作时，所述控制电路向所述功率因素校正电路8的相位控制端发送控制信号，以使功率因素校正电路8在每一工作周期内仅对每一相电压的相位区间0°≤ψ≤30°、180≤ψ≤210°进行功率校正；

S5、当所述相电流小于所述预设值时，控制所述开关K1断开，以使所述功率因素校正电路8停止工作。

相比于现有技术的PWM信号控制，本实施例只针对0°≤ψ≤30°180≤ψ≤210进行IGBT的导通控制，无需使用PWM控制，以达到IGBT散热方面降低成本的目的。且用于所述三相电功率因素矫正的变频装置的控制方法简单，每一周期内只对每一相电压的相位区间0°≤ψ≤30°、180≤ψ≤210°进行功率矫正。同时通过恒定的电平信号直接控制进行开关K1导通电路工作，不采用PWM信号，能够进一步降低功率器件的温升，降低系统的电磁干扰，同时整机能够通过谐波标准测试要求。

在本实施例中，应当说明的是，所述控制电路通过所述电源相序检测电路4识别电源三相电相序，从而针对每一相的相位区间0°≤ψ≤30°、180≤ψ≤210发出控制信号，控制对应的功率开关IBGT导通，实现电抗器储能、电源电流连续的目的。

下面以电源R相0°≤ψ≤30°为例说明本发明的控制原理：

所述三相电功率因素矫正的变频装置电路没有进行矫正时，0°≤ψ≤30范围内R相没有电流、同时30°时对应的S相波谷电流波形不正弦，波形见图3。

当所述微控制器1检测到电源R相在0°≤ψ≤30°，发出控制信号，经所述功率校正控制信号隔离电路3后控制R相的第一IGBT Q1 一直导通，电流从电源R相流出，经所述电感L1、所述第一整流桥V1、所述第一IGBT Q1 、所述开关K1、所述第一无极性电容C3流向主回路DC-，再经D5、所述电感L2流回电源S相。这一过程使电源R相0°≤ψ≤30°电流连续，同时补充了所述电感L2相的电流波形，使所述电感L2波谷电流接近正弦波形。矫正后的波形见图4。

本发明还提供了一种空调器，包括所述三相电功率因素矫正的变频装置，根据所述三相电功率因素矫正的变频装置的控制方法控制所述三相电功率因素矫正的变频装置。

本发明提供了一种三相电功率因素矫正的变频装置及其控制方法、空调器，具有如下有益效果：

（1）所述功率因素校正电路8属于整个电路系统的旁路分支，而不是直接连接在主回路中，以使所述功率因素校正电路8在工作时通过内部功率器件的电流较小，有利于降低功率器件的温升，从而不需要考虑特殊的散热方案，有效地降低成本。

（2）在整机的运行过程中，所述微控制器1检测到整机电流超过规定值时，才开启所述功率因素校正电路8进行工作。

（3）所述功率因素校正电路8中的三路控制开关K1输出的公共端串联所述第一无极性电容C3，能够实现矫正电流双向流动，实现每相电压在相位区间150°≤ψ≤180°、330°≤ψ≤360°电流自动连续，不需要进行调制。

（4）用于所述三相电功率因素矫正的变频装置的控制方法简单，每一周期内只对每一相电压的相位区间0°≤ψ≤30°、180≤ψ≤210°进行功率矫正。同时通过恒定的电平信号直接控制进行开关K1导通电路工作，不采用PWM信号，能够进一步降低功率器件的温升，降低系统的电磁干扰，同时整机能够通过谐波标准测试要求。

（5）将所述整流电路6后端的主回路改用为薄膜电容C4，能够进一步降低成本。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三相电功率因素矫正的变频装置，其特征在于，包括整流电路、变频逆变电路、功率因素校正电路以及控制电路；

所述整流电路的输入端与交流电源电连接，所述整流电路的输出端与所述变频逆变电路的输入端电连接，所述变频逆变电路的输出端与负载电连接；

所述功率因素校正电路的输入端与所述交流电源电连接，所述功率因素校正电路的输出端通过第一无极性电容连接在所述整流电路和所述变频逆变电路之间的主回路上；

所述控制电路的相电流检测端与所述变频逆变电路电连接，所述控制电路的控制端分别与所述功率因素校正电路的相位控制端、设于所述功率因素校正电路的输出端上的开关电连接，所述控制电路根据检测到的相电流与预设值的比较结果控制所述功率因素校正电路的工作状态。

2.如权利要求1所述的三相电功率因素矫正的变频装置，其特征在于，所述功率因素校正电路包括：

第一整流桥、第二整流桥、第三整流桥、第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第一无极性电容以及所述开关；

所述交流电源的第一相电压与所述第一整流桥的输入端连接，所述第一整流桥中的两个二极管的共阴极连接点与所述第一IGBT的集电极电连接，所述第一整流桥中的另外两个二极管的共阳极连接点与所述第一IGBT的发射极电连接；

所述交流电源的第二相电压与所述第二整流桥的输入端电连接，所述第二整流桥中的两个二极管的共阴极连接点与所述第二IGBT的集电极电连接，所述第二整流桥中的另外两个二极管的共阳极连接点与所述第二IGBT的发射极电连接；

所述交流电源的第三相电压与所述第三整流桥的输入端电连接，所述第三整流桥中的两个二极管的共阴极连接点与所述第三IGBT的集电极电连接，所述第三整流桥中的另外两个二极管的共阳极连接点与所述第三IGBT的发射极电连接；

所述第一整流桥、所述第二整流桥、所述第二整流桥的输出端串联连接至所述开关的一端，所述开关的另一端通过所述第一无极性电容连接在所述整流电路和所述变频逆变电路之间的主回路上；所述第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT的栅极分别连接至所述功率因素校正电路的相位控制端。

3.如权利要求1或2所述的三相电功率因素矫正的变频装置，其特征在于，所述控制电路包括微控制器、负载相电流采样电路、电源相序检测电路、功率校正控制信号隔离电路；

所述负载相电流采样电路的检测端通过串联连接在所述主回路上的采样电阻获取采样电流，所述负载相电流采样电路的输出端与所述微控制器的相电流检测端电连接；

所述功率校正控制信号隔离电路的输入端与所述微控制器的控制端电连接，所述功率校正控制信号隔离电路的输出端与所述功率因素校正电路的相位控制端电连接；

所述电源相序检测电路的输入端用于接收所述交流电源的三相电压，所述电源相序检测电路的输出端与所述微控制器的相序识别端电连接。

4.如权利要求3所述的三相电功率因素矫正的变频装置，其特征在于，所述控制电路还包括用于获取所述功率因素校正电路的输出端的采样电流的功率校正电路电流采样电路，所述功率校正电路电流采样电路的输出端与所述微控制器的电流检测端电连接。

5.如权利要求1或2所述的三相电功率因素矫正的变频装置，其特征在于，所述整流电路和所述变频逆变电路之间的主回路包括第一电解电容、第二电解电容；

所述第一电解电容的阳极与所述整流电路的输出端的正极连接，所述第一电解电容的阴极与所述第二电解电容的阳极连接，所述第二电解电容的阴极与所述整流电路的输出端的负极连接。

6.如权利要求1或2所述的三相电功率因素矫正的变频装置，其特征在于，所述整流电路和所述变频逆变电路之间的主回路包括薄膜电容，所述薄膜电容的一端与所述整流电路的输出端的正极连接，所述薄膜电容的另一端与所述整流电路的输出端的负极连接。

7.如权利要求1或2所述的三相电功率因素矫正的变频装置，其特征在于，所述三相电功率因素矫正的变频装置还包括电感滤波储能电路，所述电感滤波储能电路包括三个电感，所述交流电源的三相电压各自通过所述电感连接所述整流电路的输入端、所述功率因素校正电路的输入端。

8.如权利要求1或2所述的三相电功率因素矫正的变频装置，其特征在于，所述整流电路是由六个二极管构成的三相整流桥，所述变频逆变电路是由六个IGBT构成的三相逆变电路。

9.一种用于如权利要求1~8任一项所述的三相电功率因素矫正的变频装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述变频装置启动工作时，所述控制电路控制所述开关为断开状态；

所述控制电路实时检测所述变频逆变电路上的相电流并将所述相电流与预设值进行比较；

当所述相电流大于或等于所述预设值时，所述控制电路控制所述开关闭合，以使所述功率因素校正电路进行工作；

在所述功率因素校正电路工作时，所述控制电路向所述功率因素校正电路的相位控制端发送控制信号，以使功率因素校正电路在每一工作周期内仅对每一相电压的相位区间0°≤ψ≤30°、180°≤ψ≤210°进行功率校正；

当所述相电流小于所述预设值时，控制所述开关断开，以使所述功率因素校正电路停止工作。

10.一种空调器，其特征在于，包括如权利要求1~8任一项所述的三相电功率因素矫正的变频装置，根据如权利要求9所述的三相电功率因素矫正的变频装置的控制方法控制所述三相电功率因素矫正的变频装置。

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