变频设备用交直流供电系统及变频空调器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种变频设备用交直流供电系统及变频空调器，包括直流电源接线端子、交流电源接线端子、直流采样电路和控制器；所述交流电源接线端子通过第一整流桥连接第一逆变单元的直流母线电压输入端；所述直流电源接线端子依次通过第二逆变单元、隔离变压器和第二整流桥连接第一逆变单元的直流母线电压输入端；所述直流采样电路采集通过直流电源接线端子输入的直流电压，并通过直流隔离变换器输出至所述的控制器。本发明通过设计交直流供电系统，使得变频空调器等变频设备不仅可以直接使用交流市电供电，也可以使用公共直流电网或者可再生能源发出的直流电能直接供电，不仅可以满足变频设备长期持续运行的工作需求，也使得变频设备更加绿色环保。
【专利说明】变频设备用交直流供电系统及变频空调器
【技术领域】
[0001]本发明属于变频系统【技术领域】，具体地说，是涉及一种用于为变频设备提供电源供给的电源供电系统以及采用所述电源供电系统设计的变频空调器。
【背景技术】
[0002]随着太阳能、风能和地热能的开发使用，全球范围内使用可再生能源供电的地区越来越多。由于可再生能源发出的电能大多是直流电，而现有的绝大多数电气设备要求接入的是交流供电，因此，为了能够简单方便地将可再生能源产生的直流电能充分地利用起来，目前的解决方案主要是将可再生能源产生的直流电能变换成交流电能，然后并入交流市电电网，通过市电电网为各种电气设备供电使用。
[0003]但是，这种并网供电设计方案仅适用于各国的供电公司使用，而且需要投入极高的建设成本，建造可再生能源变电站，以实现可再生能源对传统能源的补给，无论从前期的变电站选址和电网铺设上，还是从日后的电网维护上，都存在不同程度的困难。并且，对于某些已经配置有公共直流电网的国家或者独自架设有可再生能源供电设备的企业或者家庭来说，现有仅支持交流供电的电气设备也无法对这些能源加以充分利用，由此便导致公共直流电网以及可再生能源的利用率明显不足。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种支持交流和直流两种供电模式的变频设备用交直流供电系统，以实现变频设备对公共直流电网以及可再生能源产生的直流电能的充分利用。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现:
一种变频设备用交直流供电系统，设置有直流电源接线端子、交流电源接线端子、直流采样电路、控制器以及用于将直流母线电压逆变成交流负载所需交流供电的第一逆变单元；所述交流电源接线端子连接第一整流桥，通过第一整流桥将接入的交流电源整流成直流电源传输至第一逆变单元的直流母线电压输入端；所述直流电源接线端子连接第二逆变单元，通过第二逆变单元将接入的直流电源逆变成交流电源传输至隔离变压器进行电压的隔离变换后，输出至第二整流桥以整流成直流电源输出至所述第一逆变单元的直流母线电压输入端；所述直流采样电路采集通过所述直流电源接线端子输入的直流电压，并通过直流隔离变换器进行隔离后，输出至所述的控制器，通过控制器在交流和直流两种供电模式之间进行切换控制。
[0006]在选用直流供电模式为变频设备供电的过程中，为了阻断第一整流桥的直流电源输出，本发明设置通过所述第二整流桥整流输出的直流电源的电压幅值高于通过交流电源接线端子接入的交流电源的电压峰值，从而使第一整流桥中的二极管元件反偏，切断交流供电线路。
[0007]进一步的，所述控制器根据直流隔离变换器隔离输出的采样电压判断通过直流电源接线端子接入的直流电源是否正常，并在检测到所述直流电源异常时，控制第二逆变单元停止运行，转由外部的交流电源供电，由此实现直流供电到交流供电的无缝切换。
[0008]又进一步的，在所述交直流供电系统中还设置有交流采样电路，采集通过交流电源接线端子接入的交流电源的电压值，并传输至所述的控制器；所述控制器在检测到接入的直流电源和交流电源均异常时，控制第一逆变单元和第二逆变单元停止运行，切断向交流负载的供电，以保护交流负载免受损坏。
[0009]为了提高变频设备的功率因数，在所述第一整流桥与第一逆变单元之间还连接有升压电路，所述升压电路接收控制器输出的脉冲信号，对第一整流桥整流输出的直流电进行直流升压变换并对交流电压、电流进行相位校正；所述升压电路将升压后的直流电传输至所述的第一逆变单元的直流母线电压输入端。
[0010]为了实现从直流供电到交流供电的无缝切换，所述控制器根据直流隔离变换器输出的采样电压判断通过直流电源接线端子接入的直流电源是否正常，并在检测到异常时，首先控制升压电路启动运行，将输出至升压电路的脉冲信号的导通占空比从0开始逐渐增加至所需的导通占空比，并在此期间内，将输出至第二逆变单元的脉冲信号的导通占空比逐渐减小，直到为0，从而控制第二逆变单元停止运行，将供电模式由直流供电模式无缝切换至交流供电模式。由此可以实现直流母线电压和变频电流平滑过渡而不出现冲击现象。
[0011]为了实现从交流供电到直流供电的无缝切换，在所述系统运行在交流供电模式的期间内，若控制器检测到通过直流电源接线端子接入的直流电源恢复正常，则首先控制第二逆变单元投入运行，将输出至第二逆变单元的脉冲信号的导通占空比从0开始逐渐增加至所需的导通占空比，并在此期间内，将输出至升压电路的脉冲信号的导通占空比逐渐减小，直到为0，从而控制升压电路停止运行，将供电模式由交流供电模式无缝切换至直流供电模式。
[0012]基于上述变频设备用交直流供电系统，本发明还提出了一种采用所述交直流供电系统设计的变频空调器，包括直流电源接线端子、交流电源接线端子、直流采样电路、控制器以及用于将直流母线电压逆变成交流负载所需交流供电的第一逆变单元；所述交流电源接线端子连接第一整流桥，通过第一整流桥将接入的交流电源整流成直流电源传输至所述第一逆变单元的直流母线电压输入端；所述直流电源接线端子连接第二逆变单元，通过第二逆变单元将接入的直流电源逆变成交流电源传输至隔离变压器进行电压的隔离变换后，输出至第二整流桥以整流成直流电源输出至所述第一逆变单元的直流母线电压输入端；所述直流采样电路采集通过所述直流电源接线端子输入的直流电压，并通过直流隔离变换器进行隔离后，输出至所述的控制器，通过控制器在交流和直流两种供电模式之间进行切换控制；其中，所述的交流负载为空调器中的压缩机；当空调器运行在交流供电模式，且设定温度与环境温度相差5°c以上并需要压缩机高频运行时，若通过第一整流桥整流输出的直流电压低于满足压缩机工作频率所需要的直流母线电压，则保持现有的直流母线电压不变，控制压缩机弱磁升速，实现所需的高频运行，以快速将环境温度调整到设定温度。
[0013]采用上述交直流供电系统设计的变频空调器，其功率因数一般在0.95以下。为了提高变频控制器的功率因数，使其达到0.95以上，本发明还提出了另外一种变频空调器的交直流供电系统设计，包括直流电源接线端子、交流电源接线端子、直流采样电路、控制器以及用于将直流母线电压逆变成交流负载所需交流供电的第一逆变单元；所述交流电源接线端子连接第一整流桥，通过第一整流桥将接入的交流电源整流成直流电源传输至升压电路，所述升压电路接收控制器输出的脉冲信号，对第一整流桥整流输出的直流电进行直流升压变换并对交流电压、电流进行相位校正；所述升压电路将升压后的直流电传输至所述的第一逆变单元的直流母线电压输入端；所述直流电源接线端子连接第二逆变单元，通过第二逆变单元将接入的直流电源逆变成交流电源传输至隔离变压器进行电压的隔离变换后，输出至第二整流桥以整流成直流电源输出至所述第一逆变单元的直流母线电压输入端；所述直流采样电路采集通过所述直流电源接线端子输入的直流电压，并通过直流隔离变换器进行隔离后，输出至所述的控制器，通过控制器在交流和直流两种供电模式之间进行切换控制；其中，所述的交流负载为空调器中的压缩机。
[0014]为了提高变频空调器运行的稳定性，当所述变频空调器运行在直流供电模式的期间内，若控制器检测到通过直流电源接线端子接入的直流电源的电压幅值下降到预警线，此时，若设定温度与环境温度相差5°C以上，则控制器立即无缝切换至交流供电模式；若设定温度与环境温度相差在5°C以内，则首先控制压缩低频运行，并实时检测通过直流电源接线端子接入的直流电源的波动情况，若接入的直流电源的电压幅值继续下降，低于了设定的下限值，则控制器立即无缝切换至交流供电模式。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点和积极效果主要体现在以下几方面:
1、本发明通过设计交直流供电系统，使得变频空调器等变频设备不仅可以直接使用交流市电供电，也可以使用公共直流电网或者可再生能源发出的直流电能直接供电，对于需要长期持续运行的变频设备来说，无疑能够更好地满足其长时间不间断运行的工作需求；
2、本发明在交流和直流两种供电模式之间进行选择切换时，优选采用通过可再生能源发出的直流电能为设备供电，而仅在直流电源不能满足设备的供电要求时，才无缝切换至传统的交流供电模式，由此实现了可再生能源的最大限度利用，使得变频设备更加绿色环保和节能；
3、本发明通过在直流供电线路中设置隔离变压器，并在直流采样电路中设置直流隔离变换器，从而使得直流电源的供电电路与交流市网的供电电路完全实现电气隔离，避免了交流市电串入到直流电源接线端子，引发交流供电线路通过变频器和直流供电电源发生相间短接，进而导致变频设备损毁的问题出现，确保了电气设备用电安全；
4、本发明可以根据公共直流电网或者可再生能源提供的直流电源的不同，对隔离变压器的变比进行适当的配置，从而适应不同公共直流电网或者可再生能源发出的直流电源，以扩大变频设备的适用场合。
[0016]结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明所提出的变频设备用交直流供电系统的一种实施例的电路原理图； 图2是本发明所提出的变频设备用交直流供电系统的另外一种实施例的电路原理图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细地描述。
[0019]本发明为了使变频设备从过去仅支持交流供电的传统单一供电模式过渡到可以接入交流和直流两种电源的全新供电模式，在现有变频设备的交流供电线路的基础上增加一路直流供电线路，用于接收通过外部公共直流电网或者可再生能源发出的直流电源，从而实现了可再生能源在变频设备上的充分利用，使得变频设备更加节能、环保。
[0020]下面以变频空调器为例，通过一个具体的实施例对本发明所提出的交直流供电系统的具体组建结构及其工作原理进行详细地说明。
[0021]参见图1所示，本实施例在变频空调器上设置两组供电端子:一组是用于连接交流市电电网的交流电源接线端子X1、X2，另一组是用于连接公共直流电网或者接入可再生能源发出的直流电源的直流电源接线端子X21、X22。在所述交流电源接线端子X1、X2上连接第一整流桥Al，例如由四个二极管连接而成的单相全桥整流电路，用于将通过交流电源接线端子X1、X2接入的交流电源整流成直流电源，传输至升压电路，进而通过升压电路对整流输出的直流电源进行直流升压变换并对交流电压、电流相位校正后，形成直流母线电压，输出至第一逆变单元的直流母线电压输入端。所述第一逆变单元用于将直流母线电压逆变成交流负载运行所需频率的交流电压，为变频空调器中交流负载供电。
[0022]在本实施例中，所述交流负载可以具体指变频空调器中的压缩机M。由于目前变频空调器中所选用的压缩机M大多需要三相交流供电，因此，在设计第一逆变单元时，应选择六个半导体开关器件V11-V16 (例如六个IGBT大功率开关管等)连接形成三相逆变电路，以将直流母线电压逆变成三相交流电压，为压缩机M中的三相交流电机供电。
[0023]为了控制压缩机M变频运行，将六个半导体开关器件V11-V16的控制端(例如IGBT大功率开关管的栅极)连接控制器D1，所述控制器Dl可以选用一颗微处理芯片MCU对三相逆变电路中的各个半导体开关器件V11-V16的开关时序进行精确控制。作为本实施例的一种优选设计方案，所述控制器Dl根据空调器的设定温度和当前的环境温度，计算压缩机M的运转频率，进而根据计算出的运转频率生成合适占空比的PWM信号，输出至六个半导体开关器件V11-V16的控制端，通过控制各个半导体开关器件V11-V16的通断时序，以逆变生成所需频率的三相交流电源，输出至压缩机M，进而实现对压缩机M运转频率的调节。
[0024]对于所述的升压电路，本实施例优选采用一颗半导体开关管Vl配合电感LI和二极管V2连接而成，参见图1所示。本实施例以大功率IGBT管作为所述半导体开关管Vl为例进行说明。将所述电感LI连接在第一整流桥Al直流输出侧的正极与二极管V2的阳极之间，二极管V2的阴极连接第一逆变单元的直流母线电压输入端，并通过电解电容Cl接地。将大功率IGBT管Vl的栅极连接控制器Dl，接收控制器Dl输出的控制信号(例如脉冲信号)，集电极连接二极管V2的阳极，发射极接地。控制器Dl根据第一逆变单元所需的直流母线电压的幅值要求和对交流电源功率因数的需求，生成相应占空比的脉冲信号输出至大功率IGBT管Vl的栅极，通过控制大功率IGBT管Vl的开关频率与交流电压的相位关系，从而将通过第一整流桥Al整流输出的直流电源升压变换成第一逆变单元所需的直流母线电压，大约400V左右，以满足第一逆变单元的供电需求。
[0025]在第一逆变单元的直流母线电压输入端还连接有采样电路，具体可以采用两个分压电阻R3、R4串联在直流母线电压输入端之间，将分压电阻R3、R4的中间节点连接至控制器D1，利用两个分压电阻R3、R4对第一逆变单元接收到的直流母线电压进行分压后，输出分压值Vdc至控制器D1，进而实现控制器Dl对直流母线电压的采样。控制器Dl根据接收到的直流母线电压的采样值Vdc，换算出实际的直流母线电压幅值，进而通过调节IGBT管Vl的开关频率与交流电压的相位关系，使通过升压电路输出的直流母线电压能够稳定在第一逆变单元所要求的幅值上。
[0026]为了使变频空调器能够接收外部公共直流电网或者可再生能源提供的直流供电，以减少对交流市电的使用，本实施例在变频空调器的电源板上还设置有第二逆变单元、隔离变压器T21和第二整流桥A2，参见图1所示。将所述第二逆变单元连接直流电源接线端子X21、X22，接收通过直流电源接线端子X21、X22接入的直流供电，并逆变成交流电源输出至隔离变压器T21，进而隔离变换成高压交流电源传输至第二整流桥A2。所述第二整流桥A2将隔离变压器T21变换输出的高压交流电源整流成高压直流电源(大约在400V左右)，输出至第一逆变单元，为第一逆变单元提供直流母线电压。
[0027]在本实施例中，所述第二逆变单元优选采用四个半导体开关器件V21-V24连接成单相逆变电路，用于将通过直流电源接线端子X21、X22接入的直流电源逆变成单相交流电源，输出至隔离变压器T21的原边。所述四个半导体开关器件V21-V24可以选用IGBT大功率开关管进行电路设计，如图1所示。将四个半导体开关器件V21-V24的控制端(例如IGBT大功率开关管的栅极)连接控制器D1，接收控制器Dl发出的脉冲信号，通过对四个半导体开关器件V21-V24的开关导通占空比进行控制，以调节通过其逆变输出的交流电压的有效值。
[0028]将所述隔离变压器T21的次级连接第二整流桥A2的交流侧，通过调节隔离变压器T21的变比，可以改变通过隔离变压器T21变换输出的交流电压的有效值，进而通过第二整流桥A2以整流输出第一逆变单元所需的直流母线电压。
[0029]本实施例通过在直流供电线路中采用隔离变压器T21，一方面可以使直流供电电路与交流供电电路电气隔离，避免交流供电传入直流电源接线端子X21、X22，导致交流供电线路通过变频器和直流供电电源发生相间短路；另一方面可以通过调节隔离变压器T21的变比，使变频空调器可以适用于不同公共直流电网或者可再生能源发出的直流供电。
[0030]为了满足变频空调器在两种供电模式之间的选择切换要求，本实施例在所述交流电源接线端子Xl、X2和直流电源接线端子X21、X22两端分别设置了采样电路，参见图1所示。其中，直流采样电路可以采用两个分压电阻R21、R22连接而成，并配合直流隔离变换器A21完成对通过直流电源接线端子X21、X22接入的直流电源的电压采样。具体连接关系优选为:首先将两个分压电阻R21、R22串联后，连接在直流电源接线端子X21、X22的两端；然后将分压电阻R21、R22的中间节点连接直流隔离变换器A21的输入端+IN，直流隔离变换器A21的输出端+Vo连接控制器Dl。当通过直流电源接线端子X21、X22有直流电源接入时，分压电阻R21、R22对接入的直流电压进行分压，输出分压值Vi至直流隔离变换器A21，进行直流-直流的隔离变换处理后，发送至所述的控制器D1，实现对输入直流电源的电压采样，进而完成对输入的直流电源是否异常的实时检测。
[0031]本实施例通过在直流供电线路中设置隔离变压器T21，在直流采样电路中设置直流隔离变换器A21，从而使得可再生能源的供电电路(或者公共直流电网电路)可以与交流市电的电网电路完全电气隔离。这样一来，不仅可以避免当可再生能源的供电电路中的任何一个电极接地时，造成市网交流电与可再生能源供电电路对地短路的问题；而且，即便是可再生能源的供电电路中没有电极接地，也可以有效避免市网交流电的火线电压串入到可再生能源供电电路中的两个直流电极，从而造成的触电危险以及可再生能源的供电线路、设备因承受市网交流电的火线电压所带来的损害，显著提高了变频空调器以及用户家中其他电气设备运行的安全性，并且对于多个家庭使用这种系统的情况，若各家使用三相交流电源的不同相进行供电时，还可以避免出现通过变频系统和直流电网形成三相电源的相间短路问题。
[0032]为了对交流电网的交流电压是否异常以及交流电压的相位实现检测，本实施例在交流电源接入端子X1、X2的两端连接交流采样电路，如图1所示，主要由运算放大器N1、参考电源VREF配合外围电阻连接而成。其中，交流电源接入端子的火线Xl通过电阻Rl连接运算放大器NI的同相输入端+，所述运算放大器NI的同相输入端+同时通过电阻R12连接分压电阻R13、R14的中间节点，所述分压电阻R13、R14连接在参考电源VREF与地之间，对参考电源VREF进行分压后，为火线上的交流电压提供直流偏置电压。交流电源接入端子的零线X2通过电阻R2连接运算放大器NI的反相输入端_，所述运算放大器NI的反相输入端-通过反馈电阻Rll连接其自身的输出端，通过输出端输出交流采样电压Vac传输至所述的控制器D1，实现对交流输入电源的电压采样，进而完成对输入的交流电源是否异常的实时检测以及交流电压的相位检测。
[0033]本实施例利用控制器Dl检测通过可再生能源输入的直流电压、通过市电电网输入的交流电压、交流电压的相位以及输入至第一逆变单元的直流母线电压，并通过控制器Dl的运算和逻辑处理，输出脉冲控制信号，来控制第一逆变单元、第二逆变单元以及升压电路中的半导体开关器件开通或者关断，进而实现在可再生能源输出的直流电源正常时，由可再生能源输出的直流电源为变频空调器供电；在可再生能源输出的直流电源不能正常供电时，如果市网交流电正常，则转由市网交流电提供电能；在市网交流电供电的过程中，若检测到可再生能源输出的直流电源恢复正常，则重新切换回可再生能源供电；如果可再生能源和市网交流电都不能正常供电时，则控制变频空调器停止运行。本实施例通过设计变频空调器的供电模式以可再生能源的直流供电为主、市电电网的交流供电为辅，从而最大限度地实现了可再生能源的高效使用，使得变频空调器更加环保、节能。
[0034]下面结合图1对本实施例的交直流供电系统的具体工作原理进行详细地阐述。
[0035]首先，根据变频空调器中压缩机的实际工作特性以及第二逆变单元的逆变特性和隔离变压器T21的变比情况，确定出能够满足压缩机正常运行所需的直流供电的电压范围，写入控制器D1。
[0036]控制器Dl在变频空调器运行的期间内，通过直流采样电路实时检测通过直流电源接线端子X21、X22输入的直流电压是否处于设定的正常范围内。若直流电压正常，则启用直流供电模式，即，控制器Dl输出控制信号至第二逆变单元，控制第二逆变单元启动运行，并关断升压电路中的半导体开关管VI。控制器Dl通过调节第二逆变单元中各半导体开关器件V21-V24的导通占空比，使隔离变压器T21的原边获得所需脉冲宽度的交变脉冲功率方波，再经隔离变压器T21进行隔离变压后，输出至第二整流桥A2将交流电压整流成直流电压，输出至第一逆变单元，为第一逆变单元提供其工作所需的直流母线电压。控制器Dl根据变频空调器的设定温度与实际环境温度的差值，计算出压缩机所需的运转频率，进而根据该频率调节第一逆变单元中各半导体开关器件V11-V16的导通占空比，控制第一逆变单元将直流母线电压逆变成压缩机运行所需频率的交流电源，输出至压缩机的供电端子，驱动压缩机运行。[0037]在本实施例中，通过第二整流桥A2整流输出的直流电压的幅值应大于通过交流电源接入端子X1、X2接入的交流电压的波形峰值。由于变频空调器工作在直流供电模式的期间内，控制器Dl不对升压电路中的半导体开关管Vl提供导通脉冲，因此升压电路不对交流输入电源起升压作用，故二极管V2始终承受反偏电压。这样，就只有输入的直流电源为第一逆变电路提供直流母线电压，避免了对市网交流电的使用。
[0038]由于为变频空调器提供的直流电源可以由可再生能源提供，因此使得变频空调器的运行更加绿色环保。
[0039]当控制器Dl检测到通过直流电源接线端子X21、X22输入的直流电压降低到预警线(所述预警线所对应的电压值仍处于设定的正常范围以内)时，首先判断空调器的设定温度与当前的环境温度是否相差较大，以5°C为临界值为例进行说明。若设定温度与当前的环境温度相差不大，例如相差5°C以内，此时若压缩机M的运行频率较低，则可以控制压缩机M保持当前的工作频率继续运行；若压缩机M的运行频率较高，则首先控制压缩机M低频运行，其运行频率优选≤30Hz，并同时观察通过直流电源接线端子X21、X22输入的直流电压的波动情况。若输入的直流电压不再降低，则可以维持当前的直流供电模式；若输入的直流电压继续下降，超出了正常范围的下限值，则应该立即切换到交流供电模式，以保证压缩机M能够持续运行。若通过直流电源接线端子X21、X22输入的直流电压降低到预警线，且此时空调器的设定温度与当前的环境温度又相差较大，例如相差5°C以上时，由于在设定温度与环境温度相差较大时，为了控制环境温度能够迅速接近设定温度，需要压缩机M高频运行。在这种情况下，为了保证空调器的连续运行，需要立即将供电模式切换至交流供电模式，以满足压缩机M高频运行时的供电需求。
[0040]在将供电模式由直流供电模式切换至交流供电模式的过程中，为了实现两种供电的无缝切换，本实施例 首先对通过交流电源接线端子X1、X2输入的交流电源进行采样检测。若输入的交流电源正常，则控制器Dl首先输出脉冲信号至半导体开关管VI，控制升压电路启动运行，将输出至升压电路的脉冲信号的导通占空比从0开始逐渐增加至所需的导通占空比，并在此期间内，控制器Dl将输出至第二逆变单元的脉冲信号的导通占空比逐渐减小，直到为0，从而控制第二逆变单元停止运行，切断直流电源的输入，实现供电方式从直流供电模式到交流供电模式的无缝切换。
[0041]当空调器运行在交流供电模式下时，第一整流桥Al将通过交流电源接线端子X1、X2输入的交流电源整流成直流电源，输出至升压电路，升压变换成第一逆变单元工作所需的直流母线电压，输出至第一逆变单元的直流母线电压输入端，进而通过第一逆变单元逆变生成压缩机M运行所需频率的三相交流电源，为压缩机M供电。
[0042]在变频空调器运行在交流供电模式的期间内，控制器Dl实时对通过直流电源接线端子X21、X22输入的直流电源进行采样检测。若检测到输入的直流电源重新回到正常范围内，则首先启动第二逆变单元，向第二逆变单元中的各半导体开关器件V21-V24发送脉冲信号，在控制所述脉冲信号的导通占空比从0开始逐渐增加至所需的导通占空比的期间内，同时将输出至升压电路中半导体开关管Vl的开关脉冲信号的导通占空比逐渐减小，直到为0，从而控制升压电路停止运行，转而实现供电方式从交流供电模式到直流供电模式的无缝切换。
[0043]当控制器Dl检测到输入的交流电源和直流电源都不正常时，立即封锁输出至各个半导体开关器件V11-V16、V21-V24、V1的脉冲信号，控制第一逆变单元、第二逆变单元和升压电路停止运行，以保护压缩机M的安全。
[0044]本实施例采用上述供电控制策略，使得变频空调器在可再生能源能够正常供电的期间内，完全使用可再生能源发出的直流电源进行供电，而仅在直流电源异常时，才转由传统的交流市电电网供电，由此不仅满足了变频空调器长时间连续运行的要求，而且实现了对可再生能源的最大限度利用。
[0045]上述交直流供电系统由于在交流供电线路中使用了升压电路，因此，当空调器运行在交流供电模式时，根据交流电压的相位对半导体开关管Vl发出升压脉冲，其功率因数可以达到0.95以上。对于目前功率因数小于0.95的变频空调器来说，由于在其交流供电线路中没有使用升压电路，因此，当在这类变频空调器中引入图1所示的直流供电线路设计时，需要对其控制策略进行相应调整。
[0046]具体来讲，在设计功率因数小于0.95的变频空调器时，通过交流电源接线端子X1、X2接入的交流电源通过第一整流桥Al进行整流变换后，通过电解电容Cl滤波后，直接输出至第一逆变单元，为第一逆变单元提供直流母线电压。由于没有升压电路的直流升压作用，因此，在采用交流市电电网供电时，提供给第一逆变单元的直流母线电压大约仅在300V左右。在该类变频空调器的电源板上同样设计如图1所示的直流供电线路，即包括直流电源接线端子X21、X22、第二逆变单元、隔离变压器T21和第二整流桥A2，参见图2所示，对外部输入的直流电源依次进行逆变、升压、整流处理后，输出大约400V左右的直流电压，为第一逆变单元提供其工作所需的直流母线电压。
[0047]当控制器Dl通过直流采样电路检测到可再生能源输出的直流电压处于正常范围内时，控制第二逆变单元启动运行，并通过调节半导体开关器件V21-V24的导通占空比，使通过第二整流桥A2整流输出的直流电压达到压缩机M高频运行时，第一逆变单元工作所需的直流母线电压的幅值。此时，由于通过第二整流桥A2整流输出的直流母线电压的幅值高于市网交流电压波形的峰值，因此，使得第一整流桥Al中的二极管始终承受反偏电压而截止。这样一来，就只有输入的直流电源为第一逆变单元提供直流母线电压，由此便降低了空调器对市网交流电的消耗。
[0048]当控制器Dl检测到通过直流电源接线端子X21、X22接入的直流电压下降到预警线时，判断变频空调器的设定温度与当前环境温度的差值是否较大，仍以5°C为例进行说明。若设定温度与当前环境温度相差5°C以上，且变频空调器需要高频运行，此时，变频空调器的运行会进一步拉低直流电源的电位，因此，控制器Dl立即控制第二逆变单元的导通脉冲占空比逐渐减小到O而停止运行，无缝切换至交流供电模式，以保证空调器能够正常持续运行。若设定温度与当前环境温度相差较小，例如5°C以内，则维持空调器当前的工作频率继续运行，并持续观察输入的直流电压是否继续下降。若输入的直流电压继续下降至安全范围的下限值，则控制器Dl立即无缝切换至交流供电模式，采用市网交流电继续为空调器供电。
[0049]当空调器运行在交流供电模式的期间内，由于通过交流供电线路提供给第一逆变单元的直流母线电压较低，可能不能满足压缩机的高频运行要求，因而本实施例设计以下控制策略:
控制器Dl检测空调器的设定温度与当前环境温度的差值，若相差不大，例如5°C以内，则通过第一逆变单元控制压缩机M低频运行，使环境温度慢慢接近设定温度。此时，通过第一整流桥Al输出的直流母线电压便可完全满足第一逆变单元的工作要求。当设定温度与当前环境温度相差较大时，例如差值大于等于5°C，则此时需要压缩机M高频运行。由于压缩机M高频运行时，需要向第一逆变单元提供较高的直流母线电压，此时就会出现通过第一整流桥Al输出的直流电压不能满足第一逆变单元所需直流母线电压的情况。为了满足压缩机M高频运行的要求，本实施例采用弱磁升速技术，利用控制器Dl检测压缩机M的感应电势，通过运行FOC算法计算出施加到第一逆变单元的PWM脉冲的给出时间与压缩机M中永磁同步电动机的反电动势之间的夹角，通过削弱电动机中永磁体的磁场，使电动机产生弱磁升速，实现高频运转，满足空调器快速制冷或者制热的运行要求。
[0050]当空调器运行在交流供电模式的期间内，若控制器Dl检测到可再生能源输出的直流电源恢复正常，则无缝切换至直流供电模式，继续采用绿色环保的可再生能源为变频空调器供电，以最大限度地节约交流市电。
[0051]图2所示的交直流供电系统虽然没有升压电路构成的有源功率因数校正电路，但它同样采用了以可再生能源直流供电为主、市网交流供电为辅的节能供电策略。
[0052]当然，本实施例所提出的交直流供电系统的电路设计，除了可以应用在变频空调器中，实现变频空调器的绿色节能，而且对于其他变频设备同样适用，本实施例对此不进行具体限制。
[0053]应当指出的是，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种变频设备用交直流供电系统，其特征在于:设置有直流电源接线端子、交流电源接线端子、直流采样电路、控制器以及用于将直流母线电压逆变成交流负载所需交流供电的第一逆变单元；所述交流电源接线端子连接第一整流桥，通过第一整流桥将接入的交流电源整流成直流电源传输至第一逆变单元的直流母线电压输入端；所述直流电源接线端子连接第二逆变单元，通过第二逆变单元将接入的直流电源逆变成交流电源传输至隔离变压器进行电压的隔离变换后，输出至第二整流桥以整流成直流电源输出至所述第一逆变单元的直流母线电压输入端；所述直流采样电路采集通过所述直流电源接线端子输入的直流电压，并通过直流隔离变换器进行隔离后，输出至所述的控制器，通过控制器在交流和直流两种供电模式之间进行切换控制。
2.根据权利要求1所述的变频设备用交直流供电系统，其特征在于:通过所述第二整流桥整流输出的直流电源的电压幅值高于通过交流电源接线端子接入的交流电源的电压峰值。
3.根据权利要求2所述的变频设备用交直流供电系统，其特征在于:所述控制器根据直流隔离变换器隔离输出的采样电压判断通过直流电源接线端子接入的直流电源是否正常，并在检测到异常时，控制第二逆变单元停止运行，转由外部的交流电源供电。
4.根据权利要求3所述的变频设备用交直流供电系统，其特征在于:在所述交直流供电系统中还设置有交流采样电路，采集通过交流电源接线端子接入的交流电源的电压值，并传输至所述的控制器；所述控制器在检测到接入的直流电源和交流电源均异常时，控制第一逆变单元和第二逆变单元停止运行，切断向交流负载的供电。
5.根据权利要求1或2所述的变频设备用交直流供电系统，其特征在于:在所述第一整流桥与第一逆变单元之间还连接有升压电路，所述升压电路接收控制器输出的脉冲信号，对第一整流桥整流输出的直流电进行直流升压变换并对交流电压、电流进行相位校正；所述升压电路将升压后的直流电传输至所述的第一逆变单元的直流母线电压输入端。
6.根据权利要求5所述 的变频设备用交直流供电系统，其特征在于:所述控制器根据直流隔离变换器输出的采样电压判断通过直流电源接线端子接入的直流电源是否正常，并在检测到异常时，首先控制升压电路启动运行，将输出至升压电路的脉冲信号的导通占空比从O开始逐渐增加至所需的导通占空比，并在此期间内，将输出至第二逆变单元的脉冲信号的导通占空比逐渐减小，直到为O，从而控制第二逆变单元停止运行，将供电模式由直流供电模式无缝切换至交流供电模式。
7.根据权利要求6所述的变频设备用交直流供电系统，其特征在于:在所述系统运行在交流供电模式的期间内，若控制器检测到通过直流电源接线端子接入的直流电源恢复正常，则首先控制第二逆变单元投入运行，将输出至第二逆变单元的脉冲信号的导通占空比从O开始逐渐增加至所需的导通占空比，并在此期间内，将输出至升压电路的脉冲信号的导通占空比逐渐减小，直到为O，从而控制升压电路停止运行，将供电模式由交流供电模式无缝切换至直流供电模式。
8.一种变频空调器，其特征在于:设置有如权利要求1至4中任一项权利要求所述的变频设备用交直流供电系统；所述交流负载为空调器中的压缩机；当空调器运行在交流供电模式，且设定温度与环境温度相差5°C以上并需要压缩机高频运行时，若通过第一整流桥整流输出的直流电压低于满足压缩机工作频率所需要的直流母线电压，则保持现有的直流母线电压不变，控制压缩机弱磁升速，实现所需的高频运行。
9.一种变频空调器，其特征在于:设置有如权利要求5至7中任一项权利要求所述的变频设备用交直流供电系统；所述交流负载为空调器中的压缩机。
10.根据权利要求9所述的变频空调器，其特征在于:所述变频空调器运行在直流供电模式的期间内，当控制器检测到通过直流电源接线端子接入的直流电源的电压幅值下降到预警线，此时，若设定温度与环境温度相差5°C以上，则控制器立即无缝切换至交流供电模式；若设定温度与环境温度相差在5°C以内，则首先控制压缩机低频运行，并实时检测通过直流电源接线端子接入的直流电源的波动情况，若接入的直流电源的电压幅值继续下降，低于了设定的下限值，则控制器立即无缝切换至交流供电模式。
【文档编号】H02M1/10GK103701309SQ201310634848
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】陈坚波 申请人:广东科龙空调器有限公司