CN1330248A - 变频驱动的房间空气调节器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种变频驱动的房间空气调节器,在该空调器中,电网电源被转换成变频和时滞等于1/4周期的对称两相电源,驱动空间相差π/2电角度的两相对称电动机。其中一个方案:电网电源经整流滤波电路和逆变电路转换成变频电源,整流滤波电路是与电网的电源回路有一公共端的正和负各一组半波整流滤波电路,逆变电路为双半波4单元;使用以往空调器压缩机的电动机。结果是具有多相电动机对称运行的优良性能,但结构简化和成本降低。

Description

变频驱动的房间空气调节器

本发明涉及一种变频驱动的房间空气调节器(以下可简称“空调器”)。

在该空调器中，来自电网的电源被转换成变频电源，驱动电动机。变频驱动是品质较佳的电动机调速方法。为改进性能，近年来，空调器由以往固定频率驱动单相电动机发展至变频驱动三相电动机。空调器中以往使用的单相电容运转电动机，其相电路状态不能保持对称，电源频率的改变使之产生更不良的偏移，因而削弱电动机的调速品质，尤其不利于提高效率和降低电磁振动噪声。因此，在空调器中难以设计达到适当品质要求的变频单相电源驱动以往的单相电动机的系统。多相电动机对称运行的优良性能是众所周知的。特别是历史悠久的三相电动机和近年发展起来的电子变频三相电源已有成熟技术，在工业设备上广泛使用。于是，空调器产品上出现了三相变频驱动系统。其最新情况可见发表于《家用电器科技》2000年第9期“变频技术”专栏的《智能功率模块(IPM)在变频空调器中的应用》等文章，其特征有：

1.在该空调器中，来自电网的电源被转换成变频的三相电源，通常为对称三相电源；

2.该空调器的电动机为三相电动机，包括感应电动机或永磁无刷电动机；

3.逆变电路为桥式6单元。

作为工业设备上广泛使用的典型的变频驱动系统，用于功率相对小得多的空调器，即有以下方面值得改进：

1.逆变电路的单元数偏多，是影响成本的主要因素：

2.对于感应电动机，三相电动机相对以往的单相电动机，定子需多一相的槽数，开槽显得偏多；绕组多一个相平面，嵌线变复杂；以往用于制造空调器的电动机的两相式自动嵌线设备不能使用，影响成本。永磁无刷电动机则是适应变频驱动引入的新型电动机，结构和工艺均比感应电动机复杂，成本也高；

3.在桥式逆变电路中，每一桥臂的上下二个单元串联跨接于直流电源，当偶发干扰或误触发以至同时导通时，即在二个单元的低阻抗回路形成大电流的直通短路，以至烧毁元件，是系统的薄弱环节。通常需对此选用比较优秀的单元元件，或设置较复杂的保护电路，以至使用价格较高的智能功率模块(IPM)等，对于空调器，明显影响成本。

本发明的任务是，针对空调器功率小的特点，提出一个与现有技术比较，既具有多相电动机对称运行的优良性能，但结构简化，因而成本降低和可靠性提高的变频驱动系统。包括：

1.减少逆变电路的单元数；

2.可以使用以往的单相电动机结构；

3.可以消除逆变电路跨接于直流电源的短路低阻抗。

为解决上述任务，本发明提出一种变频驱动的房间空气调节器，在该房间空气调节器中，来自电网的电源被转换成变频电源，驱动电动机：其特征在于：所转换成的变频电源为时滞等于1/4周期的对称两相电源，所驱动的电动机为空间相差π/2电角度的两相对称电动机。

所述的变频电源可以是经整流滤波电路和逆变电路转换而成，整流滤波电路是与来自电网的电源回路有一公共端的一组正半波整流滤波电路和一组负半波整流滤波电路所组成，形成供给逆变电路的正负各一组直流电源；逆变电路为双半波4单元，每二个单元为一组，把直流电源调制为变频的和时滞等于1/4周期的对称两相电源，每一组向电动机的一相供电。

所述电动机可以是一种空间相差π/2电角度的两相对称绕组鼠笼式感应电动机。

本发明是在空调器中实行变频驱动的同时，实施两相制的电动机对称运行。多相电动机对称运行的特征是电动机气隙磁势波的负序分量趋于零，为此可有不同电磁特征的电源和电动机结构方案，但其基波性能与相数无关。虽然三相制对于大功率电力系统，特别是输送电能优点突出，并成为供电网除单相电源外唯一的多相电源，但对称两相制对于小功率电动系统则更为简单，在以往只因缺乏方便的电源欠于使用。例如在单相电容电动机的研究中，提出过以对称两相电动机的原理作为分析手段，但需以专用发电机或三相电源演变出研究试验所需的对称两相电源。在仅有单相的家用电网中使用的空调器，其以往不能建立和使用的对称两相电源，在本发明是在来自电网的电源转换成变频电源的同时生成。

关于上述方案中的变频电源，本发明的一个解决方案是，变频电源是把来自电网的电源经整流滤波电路和逆变电路转换而成。整流滤波电路是与来自电网的电源回路有一公共端的一组正半波整流滤波电路和一组负半波整流滤波电路所组成，形成供给逆变电路的正和负各一组直流电源；逆变电路为双半波4单元，每二个单元为一组，把直流电源调制为变频的和时滞等于1/4周期的对称两相电源，每一组向电动机的一相供电。本发明的方案，整流元件数较桥式整流电路减少二分之一；逆变电路中的单元数较三相电路减少了三分之一；由于逆变电路各单元经电动机阻抗串联接电源，可避免误触发导致的大电流短路以至烧毁元件，提高可靠性，因而可简化保护电路和选用较普通的元件。

关于上述方案的空间相差π/2电角度的两相对称绕组电动机，可以是感应电动机或永磁无刷电动机、磁阻电动机和磁滞电动机。本发明的一个解决方案是采用一种感应电动机——空间相差π/2电角度的两相对称绕组鼠笼式电动机。它可以是以往空调器上使用的单相电容运转电动机，但由对称两相电源供电，省去原有的电动机电容器；有明显提高的效率和转矩，因而可节省电动机的电磁材料；电动机的旋转磁场由椭圆形变为圆形，因而明显降低电磁振动噪声；与同样是对称电动机的三相电动机相比，定子少一相的槽数，对于小功率电动机的小直径铁心，开槽显得更适宜；绕组少一个相平面，嵌线简化，以至以往制造空调器的电动机的两相式自动嵌线设备可以继续使用。此外的其他电动机的结构和工艺均比感应电动机复杂，在可靠性和成本方面仍以后者为优，而在空调器中的使用性能差异不大。

以下结合附图说明本发明的实施例。

图1是本发明实施例变频驱动系统的电气框图；

图2是本发明实施例空调器的系统构成图。

如图2中所示空调器包括蒸汽压缩式制冷系统5和控制装置10。蒸汽压缩式制冷系统5由压缩机1、冷凝器2、毛细管3和蒸发器4串联成闭环。电动机7与其直接传动的压缩机1合装构成一体化的全封闭型电动机——压缩机6。控制装置10控制电动机7传动压缩机1运转，使制冷剂压缩并进入冷凝器2冷凝后，经毛细管3节流再进入蒸发器汽化，然后返回压缩机。在该循环中，蒸发器所处环境的热量被转移至冷凝器所处的环境。此是本发明实施例空调器基本系统的典型构成，空调器的构造中还有其他的辅助部件和结构。

电动机7的控制装置10包括：由来自电网的例如220V50HZ的交流电源11，和连接于其输出端并把交流电源11整流而变换成直流电压的整流滤波电路12所构成的直流电源13；在直流电源的输出端连接的逆变电路14。在逆变电路14的输出端连接着电动机7。此外，逆变电路14连接控制机构15，并受其控制。此为典型的AC—DC—AC间接变换方式的控制装置，但并不限定于此，也可以是不设整流滤波电路的AC—AC直接变换方式的控制装置。

图1表示本发明实施例中电动机7和控制装置10的电路图。在本实施例中，整流滤波电路12包括：由二极管D1和电容器C1组成的正电源的整流滤波电路；由二极管D2和电容器C2组成的负电源的整流滤波电路。二组电源的整流滤波电路的零电位点与电源11的一输出线(通常为中性线)相连。此为本发明实施例提出的双半波整流滤波电路。但不限定于此，当需要高于电网电压的变频电源时，可使用全波和/或倍压整流滤波电路。

逆变电路13备有与电动机7的两相绕组Wa和Wb对应的二个高电位侧单元(开关元件V1a、V1b各与其输入连接着的驱动电路K1a、K1b的组合)，和二个低电位侧单元(开关元件V2a、V2b各与其输入连接着的驱动电路K2a、K2b的组合)。开关元件V1a、V1b、V2a和V2b的发射极和集电极各并联有续流二极管D1a、D1b、D2a和D2b；但不限定于此，也可以是并联或/和串联适当的电阻、电容、电感和半导体器件或其它压敏元件组成的保护电路。上述开关元件可以使用包含4个或2个IGBT的模块，或者分立的IGBT元件；也可以使用除了IGBT之外的功率元件，例如功率型MOSFET、GTR(BJT)和GTO等。此外，也可以是上述所有单元加上保护电路封装一体的集成功率模块，如IPM等。

逆变电路13为双半波4单元，每二个单元为一组，在控制机构15的控制下，把直流电源调制为变频的和时滞等于1/4周期的对称两相电源：开关元件V1a、V2a组成一组双半波逆变电路，向电动机的a相绕组供电；开关元件V1b、V2b组成另一组双半波逆变电路，向电动机的b相绕组供电。关于变频调制的方式，本实施例为现有技术的电压型脉宽调制(PWM、SPWM等)方式，但也可以为电流型或/和脉幅调制等方式；以及为了有更优良的调速性能，还可以是进行变频调制的同时进行电压调制。

控制机构15含有PWM输出机构，并在微计算机内构成，按照空调器运转特性所需的固有设定和动态调整的要求，除控制逆变电路13输出的电源为对称两相外，还控制其频率、电压和波形。微计算机内部和外围会设有为本实施例电路保护、控制和电磁兼容所需的外围电路和元件。此外，微计算机还会包括本实施例的空调器进行空气调节工作所需的制冷、制热和除湿的程序和对相关的传感和控制功能的处理。这些均属于现有技术。

本实施例电动机7可以就是原有符合中华人民共和国国家标准GB/T15765-1995《房间空气调节器用全封闭型电动机——压缩机》要求的产品中的电动机。该类电动机通常已是空间相差π/2电角度的两相对称结构，只因用于单相电源，其中称为副相的一相是串联移相电容器后再与主相并联接往电源，导致工作时发生非对称运行。该类电动机会有两相绕组实际匝数不完全相等的情况，如直接使用，最好通过计算或实验，调整变频电源提供的两相电流

和 以配合电动机两相绕组的有效匝数(绕组系数×实际匝数)K_dpaW_a和K_dpbW_b，使之完全符合以下公式表示的两相电动机对称运行的圆形旋转磁势条件： ${\stackrel{.}{I}}_a{K}_{\mathrm{dpa}}{W}_a=\±j{\stackrel{.}{I}}_b{K}_{\mathrm{dpb}}{W}_b$ 另外也可以修改副相绕组，使之与主相绕组的实际匝数和线径完全相等。

在本实施例，电动机由于对称运行效率提高，如重新设计，还可以相对以往空调器上所用的电动机，所选功率等级至少可降低一档：噪声要求也可以有所降低。并且，由于是由变频电源供电，统一的标准化的电动机可适应电网电压频率因地域而不同的情况，有利于国际贸易。

这样，本发明就达到了使用变频技术改进空调器，但简化现有技术变频驱动系统的结构，因而降低成本和提高可靠性的目的。

Claims (3)

1.一种变频驱动的房间空气调节器，在该房间空气调节器中，来自电网的电源被转换成变频电源，驱动电动机；其特征在于：所转换成的变频电源为时滞等于1/4周期的对称两相电源，所驱动的电动机为空间相差π/2电角度的两相对称电动机。

2.根据权利要求1所述变频驱动的房间空气调节器，其特征在于：所述的变频电源是经整流滤波电路和逆变电路转换而成，整流滤波电路是与来自电网的电源回路有一公共端的一组正半波整流滤波电路和一组负半波整流滤波电路所组成，形成供给逆变电路的正负各一组直流电源：逆变电路为双半波4单元，每二个单元为一组，把直流电源调制为变频的和时滞等于1/4周期的对称两相电源，每一组向电动机的一相供电。

3.根据权利要求1所述的变频驱动的房间空气调节器，其特征在于：所述电动机为一种空间相差π/2电角度的两相对称绕组鼠笼式感应电动机。

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