專利名稱：用于控制用于壓縮機的電動機的控制器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制電動機的控制器和方法，具體地用于控制用于壓縮機的電動機的控制器和方法。通過本發(fā)明的控制器和方法可以增加電動機的效率并提高電動機的電磁干擾(EMI)性能。
背景技術(shù)：
牽拉(draw)功率的AC電氣系統(tǒng)通過其流動到負載中的有功功率(系統(tǒng)進行操作的能力)和視在功率(在特定時間時電壓和電流的產(chǎn)物)之間的比率-‘功率因數(shù)’而被特征化。以這種方式限定的功率因數(shù)位于O和I之間，并且是無因次數(shù)。由于視在功率大于有功功率，所以存儲在系統(tǒng)中的能量或在電流波形中由非線 性負載引起的失真可以降低功率因數(shù)。在很多情況下，由于在功率因數(shù)低時涉及的較高電流導(dǎo)致能量損失增加并因此降低效率，所以這種情形是不適當?shù)摹ｋm然無源部件可以用于提高特定AC電氣系統(tǒng)的功率因數(shù)，但是無源部件也可以動態(tài)有效地改變功率因數(shù)。所述電路和由這種電路使用的控制方法已知為功率因數(shù)校正(PFC)站。PFC站能夠以可以改變所述系統(tǒng)的功率因數(shù)的方式控制通過負載牽拉的功率。即，PFC站控制電流或電壓波形，使得他們盡可能彼此保持成比例，并因此提供與實際一樣接近為一的功率因數(shù)。通常壓縮機的電動機通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制。在這種情況下，輸入電壓被整流，并且已整流的電壓被供應(yīng)到例如為升壓轉(zhuǎn)換器形式的功率因數(shù)校正(PFC)站。在PFC站中，電壓逐漸增加，并且增加的電壓被供應(yīng)到電動機控制裝置，電壓在電動機控制裝置處通過逆變器而逐漸下降。特別是由于在電壓逐漸下降期間布置在電動機控制裝置中的開關(guān)的快速切換，使電壓逐漸增加和隨后使電壓逐漸下降在所述系統(tǒng)中產(chǎn)生明顯的能量損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例的一個目的是提供一種用于控制電動機的控制器，所述控制器與現(xiàn)有技術(shù)的控制器相比能夠減小能量消耗。本發(fā)明的實施例的另一目的是提供一種用于控制電動機的控制器，所述控制器與現(xiàn)有技術(shù)的控制器相比能夠增加電動機的效率。本發(fā)明的實施例的又一目的是提供一種用于控制電動機的控制器，所述控制器與現(xiàn)有技術(shù)的控制器相比能夠提高電動機的電磁干擾(EMI)性能。本發(fā)明的實施例的又一目的是提供一種用于控制電動機的方法，所述方法與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比可增加電動機的效率。本發(fā)明的實施例的又一目的是提供一種用于控制電動機的方法，所述方法與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比可提高電動機的電磁干擾(EMI)性能。根據(jù)本發(fā)明的第一方面提供一種用于控制電動機的控制器，所述控制器包括逆變器和功率因數(shù)校正器，所述功率因數(shù)校正器包括降壓轉(zhuǎn)換器，并且所述功率因數(shù)校正器被設(shè)置成將功率供應(yīng)到所述逆變器。本發(fā)明的第一方面涉及一種用于控制電動機的控制器，S卩，適于控制電動機的操作的裝置。這可以例如包括控制電動機的速度。所述控制器包括逆變器和以使PFC將功率供應(yīng)到逆變器的方式設(shè)置的功率因數(shù)校正器(PFC)。逆變器通常以將逆變器直接連接到電動機的方式布置，即，逆變器將功率供應(yīng)到所述電動機。功率因數(shù)校正器能夠以可以改變所述系統(tǒng)的功率因數(shù)的方式控制通過負載牽拉的功率。即，功率因數(shù)校正器控制電流或電壓波形 ，使得電流和電壓波形在沒有功率因數(shù)校正器的情況下互相更成比例，并因此提供與實際一樣接近為一的功率因數(shù)。這具有很大的優(yōu)勢其降低了由于在功率因數(shù)小于一時發(fā)生的無功電流而導(dǎo)致的損失。因此效率被提高。PFC包括降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器是遞降式DC到DC轉(zhuǎn)換器，并且已知在能量損失方面非常有效。降壓轉(zhuǎn)換器通常包括可控開關(guān)、二極管、電感器和電容器。由于功率因數(shù)校正器(PFC)包括降壓轉(zhuǎn)換器，因此電壓在PFC站期間不會逐漸增加而是只是逐漸下降。因此，在電壓初始逐漸增加并隨后逐漸降低時，在現(xiàn)有技術(shù)的控制器中引起的能量損失被避免。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的控制器相比提高了控制器的效率。此外，降壓轉(zhuǎn)換器的使用允許通過脈沖幅度調(diào)制(PAM)控制電動機。這具有以下優(yōu)勢主要由于在通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電動機時所需要的快速切換被避免，所以控制器的效率被最大化。由此，切換中的能量損失被最小化。此外，通過PAM控制電動機提高了電動機的EMI性能。因此，通過提供包括降壓轉(zhuǎn)換器的PFC，控制器的效率被增加并且能量損失被最小化。總之，其非常大的優(yōu)勢在于PFC包括降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器可以是多相降壓轉(zhuǎn)換器，即，降壓轉(zhuǎn)換器可以包括兩個或更多個相位。在這種情況下，兩個或更多個基本降壓轉(zhuǎn)換器電路并聯(lián)地放置在輸入部和負載之間，在這種情況下，電動機將被控制。多相降壓轉(zhuǎn)換器能夠非?？焖俚仨憫?yīng)于負載變化而不增加切換損失。此外，與單相降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)相比，在切換波動(switching ripple)方面獲得顯著減少。多相降壓轉(zhuǎn)換器可以例如為雙降壓轉(zhuǎn)換器的形式，例如雙交錯式降壓轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，降壓轉(zhuǎn)換器包括兩個相位?？蛇x地，降壓轉(zhuǎn)換器可以是單相降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器可以包括N個相位，N為整數(shù)并且N > 2，每一個相位都包括至少一個可控開關(guān)，并且可控開關(guān)可以設(shè)置成以可控開關(guān)的接通相位在降壓轉(zhuǎn)換器的切換周期中以360° /N的間隔移動的方式被控制。根據(jù)該實施例，多相降壓轉(zhuǎn)換器被同步操作。這允許降壓轉(zhuǎn)換器像相應(yīng)的單相降壓轉(zhuǎn)換器切換N次一樣快地快速響應(yīng)負載變化。然而，避免了這種情況將出現(xiàn)的切換損失。此外，負載電流在N個相位中被分開，從而允許每一個切換上的熱量損失遍布更多部件。所述相位中的至少一個可以包括至少一個附加的可控開關(guān)。通常，多相降壓轉(zhuǎn)換器的每一個相位都包括可控開關(guān)、二極管、電感器和電容器。然而，根據(jù)該實施例，相位中的至少一個的二極管由可控開關(guān)替代，并且所述的相位由此包括兩個可控開關(guān)、電感器和電容器。這更進一步降低在降壓轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的損失，從而更進一步提高控制器的效率。
降壓轉(zhuǎn)換器可以進一步包括至少一個橋式整流器。所述(一個或多個)橋式整流器可以有利地被設(shè)置在輸入部和降壓轉(zhuǎn)換器的(一個或多個)相位之間。(一個或多個)橋式整流器中的每一個都可以包括設(shè)置在橋結(jié)構(gòu)中的四個二極管?？蛇x地，(一個或多個)橋式整流器中的至少一個可以包括至少一個可控開關(guān)。根據(jù)該實施例，至少一個整流器電橋的一個或多個二極管已經(jīng)被可控開關(guān)替代。這使其更容易控制降壓轉(zhuǎn)換器并且降低降壓轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的損失。本發(fā)明進一步提供一種壓縮機，所述壓縮機包括用于控制壓縮機的電動機的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的控制器。所述壓縮機可以有利地為變速壓縮機。例如，所述壓縮機可以被在最小速度和最大速度之間進行控制。在必須能夠以諸如I : 5、1 : 3、1 2等比率的I : X的比率控制供應(yīng)到電動機的電壓時，最大速度可以是最小速度的X倍。在最大速度為最小速度的兩倍時，壓縮機可以被例如從2000rpm到4000rpm進行控制。可選地，壓縮機可以是定速壓縮機。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供了一種用于控制電動機的方法，所述方法包括以下步驟-將輸入電壓供應(yīng)到控制器，所述控制器包括功率因數(shù)校正器；-利用形成所述控制器的一部分的降壓轉(zhuǎn)換器使輸入電壓逐漸下降，從而獲得輸出電壓；和-將輸出電壓供應(yīng)到電動機，從而控制電動機的速度。 在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法中，輸入電壓被初始供應(yīng)給控制器，控制器包括功率因數(shù)校正器(PFC)和降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器可以有利地形成所述PFC的一部分。輸入電壓接著通過所述降壓轉(zhuǎn)換器而逐漸下降，由此獲得輸出電壓，并且因此獲得的輸出電壓被供應(yīng)給所述電動機。電動機的速度由此通過逐漸下降的輸出電壓被控制。功率因數(shù)校正器能夠以可以改變所述系統(tǒng)的功率因數(shù)的方式控制通過負載牽拉的功率。即，功率因數(shù)校正器控制電流或電壓波形，使得電流和電壓波形與沒有功率因數(shù)校正器的情況下相比互相更成比例，并因此提供與實際一樣接近為一的功率因數(shù)。這具有很大的優(yōu)勢其降低了由于在功率因數(shù)小于一時發(fā)生的無功電流而導(dǎo)致的損失。因此效率被提聞。如上所述，優(yōu)點是使用降壓轉(zhuǎn)換器，這是因為僅需要使電壓逐漸下降，S卩，不需要例如通過升壓轉(zhuǎn)換器初始逐漸增加電壓并且隨后使電壓逐漸下降。因此，系統(tǒng)效率增加并且損失被最小化。這已經(jīng)在上面被詳細地說明。將輸出電壓供應(yīng)到電動機的步驟可以包括通過脈沖幅度調(diào)制(PAM)控制電動機的速度。如上所述，這具有以下優(yōu)勢主要由于在通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電動機時不需要快速切換，控制器的效率被最大化。因此，切換中的能量損失被最小化。此外，通過PAM控制電動機提高了所述電動機的EMI性能。所述方法可以有利地使用根據(jù)本發(fā)明的第一方面的控制器執(zhí)行。將輸出電壓供應(yīng)到電動機的步驟可以包括將輸出電壓供應(yīng)到壓縮機的電動機。


現(xiàn)將參照附圖更詳細地說明本發(fā)明，其中圖I是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的控制器的方框圖；圖2顯示了示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的控制器中使用的降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖3a_3c顯示了圖示出在根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的控制器中使用的降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；
圖4顯示了示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的控制器中使用的降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖5顯示了圖示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的控制器中使用的降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；和圖6顯示了示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的控制器中使用的降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。
具體實施例方式圖I是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的控制器的方框圖。AC輸入電壓被供應(yīng)到整流器1，并且整流電壓被供應(yīng)到包括降壓轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正器(PFC)2。在降壓轉(zhuǎn)換器中，電壓逐漸下降并隨后供應(yīng)到逆變器3。逆變器3通常包括多個可控開關(guān)，例如六個場效應(yīng)晶體管(FET)，例如為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)形式。所述逆變器3的可控開關(guān)用于控制從逆變器3供應(yīng)到電動機4的電壓。在圖I中示出的控制器中，電動機4是壓縮電動機。圖2顯示圖示出在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的控制器中使用的降壓轉(zhuǎn)換器5的電路圖。圖示在圖2中的降壓轉(zhuǎn)換器5是雙交錯式降壓轉(zhuǎn)換器，即，該降壓轉(zhuǎn)換器包括并聯(lián)連接在輸入端子8和連接到負載的輸出端子9之間的兩個相位6，7，在這種情況下所述負載為逆變器(圖I中的3)。每一個相位6, 7都包括可控開關(guān)10,11、二極器12,13和電感器14,15?？煽亻_關(guān)10，11為FET形式，并且所述可控開關(guān)以開關(guān)10，11中的一個被打開同時開關(guān)11，10中的另一個關(guān)閉的方式被同步控制，每一個開關(guān)都持續(xù)關(guān)閉降壓轉(zhuǎn)換器5的切換周期的一半。因此，可控開關(guān)10，11的接通相位在降壓轉(zhuǎn)換器5的切換周期中以180°移動，并且每一個相位都以50%的工作周期操作。降壓轉(zhuǎn)換器5還包括橋式整流器16，橋式整流器16包括四個二極管。橋式整流器16對AC輸入電壓進行整流并將DC電壓供應(yīng)到相位6，7。在開關(guān)10關(guān)閉而開關(guān)11打開時，電感器14連接到電源電壓，因此能量被存儲在電感器14中，同時電感器15排放能量到負載中，在這種情況下，負載為逆變器(在圖I中的3)。類似地，在開關(guān)11關(guān)閉而開關(guān)10打開時，電感器15連接到電源電壓，因此能量被存儲在電感器15中，同時電感器14排放能量到負載中。應(yīng)該注意的是，雖然圖2顯示具有兩個相位6，7的降壓轉(zhuǎn)換器5，但是不排除降壓轉(zhuǎn)換器5可以包括三個或更多個相位。在這種情況下，各個相位的可控開關(guān)應(yīng)該以可控開關(guān)的接通相位在降壓轉(zhuǎn)換器5的切換周期中以360° /N的間隔移動的方式被控制。圖3a_3c顯示了圖示出在根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的控制器中使用的降壓轉(zhuǎn)換器。與圖2a-2c中圖示的第一實施例相似，圖3a-3c的降壓轉(zhuǎn)換器5包括橋式整流器16和并聯(lián)連接在輸入端子8和輸出端子9之間的兩個相位6，7。相位6，7中的每一個都包括可控開關(guān)10，11、二極管12，13和電感器14，15?？煽亻_關(guān)10，11如上所述參照圖2被同步控制。在圖3a_3c的電路圖中，可控開關(guān)10，11兩個都直接連接到負輸入端子8，同時正輸入端子直接連接到正輸出端子。在3a-3c中顯示的降壓轉(zhuǎn)換器5相對于在圖2中顯示的降壓轉(zhuǎn)換器5更容易控制。這是因為由于可控開關(guān)10，11表示地電勢，所以不需要高端驅(qū)動器。在圖3a中，電路圖簡單地顯示有電路部件之間的全部布線。圖3b顯示可控開關(guān)11關(guān)閉同時可控開關(guān)10打開的情況。因此，能量被存儲在電感器15中，同時先前存儲在電感器14中的能量被排放到負載中，在這種情況下，負載為逆變器(在圖I中的3)。實線指示電路圖的其中電流運行的部分，而虛線指示電路圖的其中電流不運行的部分。
類似地，圖3c顯示可控開關(guān)10關(guān)閉同時可控開關(guān)11打開的情況。因此能量被存儲在電感器14中，同時先前存儲在電感器15中的能量被排放到負載中。如上所述，實線指示電路圖的其中電流運行的部分，而虛線指示電路圖的其中電流不運行的部分。圖4顯示了示出在根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的控制器中使用的降壓轉(zhuǎn)換器5的電路圖。降壓轉(zhuǎn)換器5包括并聯(lián)連接在輸入端子8和輸出端子9之間的兩個相位6，7和包括四個二極管的橋式整流器16。每一個相位6，7都包括可控開關(guān)10，11和電感器14，15，并且可控開關(guān)10，11如上所述被同步控制。相位6，7以在圖2中顯示的相同的方式連接在輸入端子8和輸出端子9之間。然而，在圖4中所示的電路圖中，圖2的降壓轉(zhuǎn)換器5的二極管12，13已經(jīng)被為FET形式的可控開關(guān)17，18替代。附加的可控開關(guān)17，18確保在降壓轉(zhuǎn)換器5中產(chǎn)生的能量損失與圖2中顯示的降壓轉(zhuǎn)換器5相比減小，這是因為可控開關(guān)中的能量損失低于二極管中的能量損失。圖4的降壓轉(zhuǎn)換器5特別適用于設(shè)計用于短工作周期操作的系統(tǒng)。圖5顯示了圖示出在根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的控制器中使用的降壓轉(zhuǎn)換器5。圖5的降壓轉(zhuǎn)換器5非常類似于圖4的降壓轉(zhuǎn)換器5。然而，在圖5的降壓轉(zhuǎn)換器5中，橋式整流器16的兩個二極管已經(jīng)被為FET形式的可控開關(guān)替代。由于在FET中產(chǎn)生的功率損失明顯低于二極管中產(chǎn)生的功率損失，因此圖5的降壓轉(zhuǎn)換器5中的功率損失必須應(yīng)該低于圖4的降壓轉(zhuǎn)換器5中產(chǎn)生的功率損失。因此，增加了降壓轉(zhuǎn)換器5的效率。此外，在圖5中，只有連接到地電勢的二極管被FET替代，這是因為這些FET如以上參照圖3a所述容易控制。圖6顯示了圖示出在根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的控制器中使用的降壓轉(zhuǎn)換器5。圖6的降壓轉(zhuǎn)換器5非常類似于圖4和5的降壓轉(zhuǎn)換器。然而，在圖6的降壓轉(zhuǎn)換器5中，橋式整流器16的所有四個二極管都被可控開關(guān)替代。因此，在降壓轉(zhuǎn)換器5中產(chǎn)生的功率損失被更進一步減少，因此更進一步增加了降壓轉(zhuǎn)換器的效率。此外，降壓轉(zhuǎn)換器5只包括一個相位6。
權(quán)利要求
1.一種用于控制電動機⑷的控制器，所述控制器包括逆變器⑶和功率因數(shù)校正器(2)，所述功率因數(shù)校正器(2)包括降壓轉(zhuǎn)換器(5)，并且所述功率因數(shù)校正器(2)被設(shè)置成將功率供應(yīng)到所述逆變器(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制器，其中，所述降壓轉(zhuǎn)換器(5)是多相降壓轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制器，其中，所述降壓轉(zhuǎn)換器(5)包括N個相位(6，7)，N是整數(shù)并且N≥2，每一個相位(6，7)都包括至少一個可控開關(guān)(10，11)，所述可控開關(guān)(10，11)被設(shè)置成以使所述可控開關(guān)(10，11)的接通相位在所述降壓轉(zhuǎn)換器(5)的切換周期中以360° /N的間隔移動的方式被控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制器，其中，所述相位(6，7)中的至少一個包括至少一個附加的可控開關(guān)(17，18)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的控制器，其中，所述降壓轉(zhuǎn)換器(5)還包括至少一個橋式整流器(16)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制器，其中，所述橋式整流器(16)中的至少一個包括至少一個可控開關(guān)。
7.—種壓縮機，所述壓縮機包括用于控制該壓縮機的電動機(4)的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的控制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓縮機，其中，所述壓縮機是變速壓縮機。
9.一種用于控制電動機(4)的方法，所述方法包括以下步驟 -將輸入電壓供應(yīng)到控制器，所述控制器包括功率因數(shù)校正器(2); -利用形成所述控制器的一部分的降壓轉(zhuǎn)換器(5)使所述輸入電壓逐漸下降，從而獲得輸出電壓；和 -將所述輸出電壓供應(yīng)到所述電動機(4)，從而控制所述電動機(4)的速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，將所述輸出電壓供應(yīng)到所述電動機(4)的所述步驟包括通過脈沖幅度調(diào)制控制所述電動機(4)的速度。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，所述方法利用根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的控制器來執(zhí)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一項所述的方法，其中，將所述輸出電壓供應(yīng)到所述電動機(4)的所述步驟包括將所述輸出電壓供應(yīng)到壓縮機的電動機(4)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于控制電動機(4)的控制器和方法，具體地用于控制壓縮機電動機(4)的控制器和方法。所述控制器包括逆變器(3)和功率因數(shù)校正器(PFC)(2)，所述功率因數(shù)校正器(2)包括降壓轉(zhuǎn)換器(5)，并且所述功率因數(shù)校正器(2)被設(shè)置成將功率供應(yīng)到逆變器(3)。所述控制器與現(xiàn)有技術(shù)的控制器相比能夠減小能量消耗，并且與現(xiàn)有技術(shù)的控制器相比能夠增加電動機(4)的效率。此外，所述控制器與現(xiàn)有技術(shù)的控制器相比能夠提高電動機(4)的電磁干擾(EMI)性能。
文檔編號H02P27/06GK102811020SQ20121017471
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者湯姆森·魯內(nèi), 克勞斯·施密特 申請人:思科普有限責(zé)任公司