用于电动机的驱动电路的制作方法

本公开的领域总体上涉及用于电动机——具体而言为永久分相电容式(psc)电机——的驱动电路，并且更具体地涉及能够在负载下同步传输到工频功率(linefrequencypower)的驱动电路。

背景技术：

至少一些已知的psc电机是定速电机，其在工频功率下运行效率最高。这种psc电机在起动期间表现出不受控制的加速。此外，在低负载条件下，这种psc电机的运行效率较低。或者，psc电机可以用变速电机控制器驱动，以使电机速度适应负载水平。这种配置通常受功率因数、电磁干扰和电损耗的限制。

用于psc电机的混合驱动电路在高负载和低负载条件下都能够高效运行。例如，操作加热、通风和空调(hvac)系统中的压缩机的psc电机可能经历峰值温度期间的高负载条件和较温和温度期间的低负载条件。驱动电路在低负载条件下使用逆变器操作psc电机，并且在高负载条件下使用工频功率操作psc电机。

当起动压缩机时，psc电机上的负载通常很低并随着时间的推移而增加，因为吸入和排出压力会增加psc电机的转矩需求。例如，psc电机工频功率下的起动转矩输出通常高于起动时的转矩负载。相反，当压缩机已经运行一段时间时，吸入和排出压力可能累积，其产生超过起动转矩输出的转矩负载，从而防止psc电机转动，即形成锁死的转子或停转的压缩机。至少一些用于psc电机的系统控制器包括互锁装置，该互锁装置防止psc电机重新起动，直到压缩机中的压力均衡，从而减轻起动转矩负载。这种互锁的持续时间可以是几分钟，在此期间压缩机不能运行。

更具体地，在操作压缩机时，逆变器和工频功率两者由于线路间短路的潜在原因而不能同时连接到电动机。要从逆变器转换到线路，或从线路转换到逆变器，在连接一者之前要断开另一者。然而，虽然逆变器可以在几微秒内断开，但是调节通向电动机的工频功率的接触器可能需要花费多达两个线路周期或大约16-32毫秒(ms)来断开或闭合。因此，在从逆变器到线路或线路到逆变器的转换期间，通过电动机的电流可能衰减到零，从而导致电机停止。电机速度可能在单个线路周期内衰减到阈值速度以下。在一些电动机中，阈值速度可以是零，而对于其它电动机，阈值速度可以高于零。当从工频功率转换到逆变器时，通过逆变器可获得的起动转矩输出通常超过电动机上的负载转矩，并且通常仅受到逆变器的开关部件的额定电流的限制。在这种转换期间，速度衰减不是问题。然而，当从逆变器转换到工频功率时，工频功率下的起动转矩输出可能低于来自压缩机的转矩需求。在这样的条件下，压缩机会在单个线路周期内或大约16ms内停转，即绕组电流、电机速度和电机转矩衰减。用于重新起动操作压缩机的电动机的典型互锁持续时间太长以至于电动机无法实施使用逆变器的操作与在工频功率下操作之间的转换以进行有效的系统操作。

通常，就效率和热管理而言，用更快的固态开关替换调节通向电动机的工频功率的接触器成本过高。例如，典型的双极接触器可能消耗12瓦的功率，而合适的固态替代物如用于交流电的三极管(triodeforalternatingcurrent，triac)将消耗50瓦。

耦合在工频电源与定子绕组之间并且与接触器极(其用于逆变器与工频功率之间的转换)并联连接的固态开关能够实现无缝转换而不用完全更换接触器。在接触器闭合之前，固态开关可以被限制为在几个线路周期导通。由于电动机加速到工频时的转子滑差/转差，所需的电机电流可能短时间超过正常的满载电机电流需求达一个数量级。因此，固态开关能够以比正常工作电流更高的电平传导峰值电流达几个线路周期。这种固态开关可以包括例如triac。固态开关可以在3ms内闭合，并且在某些实施例中，在1ms内、特别是在绕组电流衰减到电流阈值之前闭合，这避免了压缩机在从逆变器到工频功率的转换期间停转的可能性。这种电流阈值通常由转动具有给定的负载和电机速度的电动机所需的转矩限定。例如，在某些实施例中，取决于电机负载和电机速度，电流阈值的范围可以在0到60安培的范围内变化。

用于电动机的驱动电路受到各种瞬态电气事件的影响，如果处理不当，所述瞬态电气事件可能会损坏驱动电路或电动机本身。瞬态电气事件的特征通常为在短时间内电势或电压的快速变化，否则称为高δ电压/δ时间或高dv/dt事件。这种事件最常由于雷击而发生在交流(ac)线路上，但也可能起因于不良或松动的连接。同样，高dv/dt事件也可能起因于电动机的底盘或外壳与定子绕组之间的电势累积，这种电势累积本身可能起因于例如雷击。然后，电势累积可以通过定子绕组电容耦合到驱动电路中。另外，驱动电路的正常操作、且更具体而言在逆变器内执行的切换可能产生高dv/dt噪声，其在某些条件下会损坏驱动电路的部件。例如，在标称环境条件下，高dv/dt噪声可以被适当地处理并且不会上升到损坏驱动电路的阈值。然而，在次优环境条件——如升高的环境温度或湿度——下，高dv/dt噪声可能导致瞬态事件，该瞬态事件会导致驱动电路损坏。包括线路同步电路的驱动电路或“混合驱动电路”特别容易受到瞬态电气事件或高dv/dt事件如环形波和组合波的影响。

技术实现要素：

在一方面，提供了一种用于电动机的驱动电路。该驱动电路包括第一滤波器、整流器、逆变器和线路接触器。第一滤波器配置成耦合到ac电源。第一滤波器配置成产生经滤波的工频ac信号。整流器耦合到滤波器并且配置成由经滤波的工频ac信号产生dc信号。逆变器耦合到整流器并且配置成在逆变器的输出节点上产生ac信号。ac信号配置成被供应给电动机以使定子绕组通电。线路接触器耦合在第一滤波器的输出节点与逆变器的输出节点之间。线路接触器配置成在逆变器失效/停用时将经滤波的工频ac信号直接供给至逆变器的输出节点以使定子绕组通电。

在另一方面，提供了一种psc电机。该psc电机包括多个定子绕组和驱动电路。多个定子绕组包括起动绕组和主绕组。驱动电路耦合到多个定子绕组并且包括第一滤波器、整流器、逆变器、线路接触器和同步电路。第一滤波器配置成耦合到ac电源。第一滤波器配置成产生经滤波的工频ac信号。整流器耦合到滤波器并且配置成由经滤波的工频ac信号产生dc信号。逆变器耦合到整流器并且配置成在逆变器的输出节点上产生ac信号。ac信号配置成被供给到定子绕组。线路接触器耦合在第一滤波器的输出节点与逆变器的输出节点之间。线路接触器配置成在逆变器失效时直接将经滤波的工频ac信号供给至逆变器的输出节点，以使定子绕组通电。线路同步电路与线路接触器并联耦合并且包括半导体开关和第二滤波器。半导体开关配置成，当从用逆变器操作电动机转换到用经滤波的工频ac信号操作电动机时，并且在线路接触器换向到闭合位置的时候，在经滤波的工频ac信号的至多两个周期内将第一滤波器的输出节点与逆变器的输出节点耦合。

附图说明

图1是用于电动机的已知驱动电路——包括线路同步电路——的方框图；

图2是用于psc电机的示例性驱动电路的示意图；

图3是用于psc电机的示例性驱动电路——包括改进的线路同步电路——的示意图；以及

图4是用于psc电机的另一示例性驱动电路——包括改进的线路同步电路——的示意图。

具体实施方式

如本文所使用的，以单数形式叙述且以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应理解为不排除多个元件或步骤，除非明确地叙述了这种排除。此外，对本公开的“示例实施例”或“一个实施例”的引用并非旨在被解释为排除也结合了所述特征的另外的实施例的存在。

包括线路同步电路的驱动电路或“混合驱动电路”特别容易受到瞬态电气事件或高dv/dt事件的影响。更具体地，特别是对于用于hvac或制冷应用中的压缩机的psc电机而言，当从使用驱动电路操作电动机转换到直接用工频电源操作电动机时，线路同步电路在正常操作下将工频功率直接耦合到定子绕组达例如1-2个周期。在这种转换期间，可能需要花费几个工频功率的周期来使线路接触器换向，工频功率通过该线路接触器施加到定子绕组。线路同步电路使线路接触器旁通达1-2个周期，以避免压缩机停转。线路同步电路通常包括四象限半导体开关，其可以快速地将工频功率与定子绕组耦合和去耦。四象限开关的特征通常在于它们能够选通和传导相反极性的信号。换句话说，ac信号表现出周期性地改变极性或方向的电流，因此只有能够在两个方向上导通的半导体开关才能适当地切换ac信号而不会明显降低信号本身的等级，例如整流。四象限半导体开关包括三极管交流(triodeforalternatingcurrent，triac)开关，其用在上述线路同步电路中。出于线路同步电路的目的，triac开关或简言之triac可以足够快地闭合和断开，并且可以处理可能大大超过电动机的正常工作电流的电流水平达1-2个工频功率的周期。

然而，triac和其它半导体开关易受ac线路、定子绕组和驱动电路输出线路上的高dv/dt事件的影响。当发生高dv/dt事件时，电流可能流过triac的内部电容路径并使栅极饱和，从而导致triac导电路径的自触发或脉动。因此，当驱动电路工作时，工频功率被施加到定子绕组和驱动电路的输出线路，从而可能损坏或破坏驱动电路的部件，例如逆变器内部的半导体开关。本文描述的驱动电路的实施例提供对瞬态电气事件的更强健的保护。更具体地，本文描述的驱动电路的实施例提供线路同步半导体开关与高dv/dt活动的潜在源(即ac线路、定子绕组和驱动电路的输出线路)之间的滤波。例如，使用感应电磁干扰(emi)和共模(cm)滤波或通过电容滤波来提供这种滤波。

图1是用于电动机102的已知驱动电路100的方框图。驱动电路100通过逆变器104来使电动机102的定子绕组(未示出)通电，从而实现变速操作，或者直接利用来自ac电源106的工频功率来使电动机102的定子绕组通电。通过逆变器104的主路径包括emicm滤波器108、整流器110、dc链路电容器112和逆变器104。旁通路径包括线路接触器114，其将来自ac电源106的工频功率直接耦合到电动机102的定子绕组。旁通路径还包括线路同步电路116，其包括至少一个固态开关118，该固态开关118将来自ac电源106的工频功率在60hzac功率下直接耦合到定子绕组达1-2个周期，或16-32毫秒，而驱动电路100使电动机102从通过逆变器104通电转换到直接从ac电源106通过线路接触器114通电。固态开关118可包括例如triac开关。

由ac电源106提供的工频功率首先通过emicm滤波器108供给到驱动电路100的主路径，emicm滤波器108可以包括一个或多个电感和电容滤波级。经滤波的工频功率然后被供给到整流器110，整流器110将经滤波的工频功率整流为将通过dc链路电容器112的直流(dc)信号。dc信号然后被供给到逆变器104。逆变器104产生用于使电动机102的定子绕组通电的ac信号，其中例如，基于在逆变器104处接收的控制信号，该ac信号具有期望的振幅、频率和相位。通常，通过emicm滤波器108、整流器110、dc链路电容器112和逆变器104的电气通路是高阻抗路径。相比之下，通过线路接触器114或固态开关118的旁通路径的阻抗相对较低。

通常，驱动电路100的有源部件如逆变器104、线路接触器114和固态开关118由微控制器(未示出)或其它合适的可编程处理设备控制。例如，微控制器控制逆变器104以基于电动机102的目标速度、转矩、频率或功率输出产生具有期望振幅、频率和相位的ac信号。此外，微控制器操作线路接触器114和固体状态开关118以在使用逆变器104使电动机102通电与通过将来自ac电源106的工频功率直接耦合到电动机102的定子绕组来使电动机102通电之间转换。

图1还示出了瞬态电气事件120、122和124。瞬态电气事件120表示可能在ac线上发生的高dv/dt事件。瞬态电气事件122表示可能在逆变器104内产生的高dv/dt噪声。瞬态电气事件124表示高dv/dt电势，其可在瞬态事件如雷击期间通过电动机102的定子绕组电容性地耦合到逆变器104的输出线路。瞬态电气事件120、122和124中的每一者可以使固态开关118的栅极饱和并且导致固态开关118在逆变器104操作时不正确地自触发，在逆变器104工作时导致从ac电源106供给的工频功率直接耦合到逆变器104的输出线路，从而可能会损坏或破坏逆变器104。

图2是用于psc电机202的示例性驱动电路200的示意图。驱动电路200通过逆变器208使psc电机202的定子绕组204和206通电，从而实现变速操作，或者直接利用源自ac电源106(在图1中也示出)并且已经通过emicm滤波器210进行至少一定滤波的经滤波的工频功率通电，以抑制ac信号的高dv/dt分量。

psc电机202包括起动绕组204和主绕组206。当使用通过线路接触器114(在图1中示出)供给的工频功率操作psc电机202时，起动绕组204经由运行电容器212通电，所述运行电容器212通过开关213耦合到起动绕组204并经线路接触器114进一步耦合到emicm滤波器210的滤波级的第一线路输出端。同样，主绕组206经线路接触器114直接耦合到emicm滤波器210的滤波级的第一线路输出端。emicm滤波器210的滤波级的第二线路输出端经接触器114耦合到psc电机202的中心抽头214。尽管在图2中被示出处于逆变器208的逻辑块内部，但是运行电容器212通常由于其尺寸而位于驱动电路200的外部并远离驱动电路200。仅为了方便而以这种方式示出运行电容器212。在一替代实施例中，运行电容器212耦合在emicm滤波器210与线路接触器114之间。

相反，当通过逆变器208操作psc电机202时，线路接触器114断开，并且来自emicm滤波器210的经滤波的工频功率被供给到整流器216、dc链路电容器218和逆变器208。另外，开关213使运行电容器212与起动绕组204去耦/脱接，而是代之以将起动绕组204耦合到逆变器208的相位输出端。

整流器216可以包括例如二极管电桥，该二极管电桥将经滤波的工频功率整流为在被供给到逆变器208之前通过dc链路电容器218的dc信号。然后，逆变器208产生具有期望的频率和振幅的三相ac功率，以在目标速度、转矩、频率或功率输出下驱动psc电机202。

emicm滤波器210包括用于抑制在ac线路上发生的瞬态电气事件的各种电容和电感滤波器级。更具体地，emicm滤波器210包括第一cm扼流级(也称为“共模扼流圈”)220和第二cm扼流级222，每个cm扼流级通常由电感元件组成。emicm滤波器210还包括电容滤波器级228、230和232，每个电容滤波器级包括线间电容器或x电容器234和线对地电容器或y电容器236。除emicm滤波器210之外，驱动电路200还包括通过金属氧化物变阻器(mov)226耦合到每个ac线路的火花隙(sparkgap)224，以提供针对瞬态电气事件的进一步保护。

如上所述，线路接触器114耦合到emicm滤波器210的滤波级的第一和第二线路输出端。更具体地，线路接触器114耦合到第二cm扼流级的第一和第二线路输出端，其电气等效于整流器216的输入节点。这样，emicm滤波器210用于抑制工频功率中的高dv/dt分量，否则如果这种线路同步电路直接耦合到ac线路，则这些分量将被传入到例如线路同步电路(在图1中示出)上。在替代实施例中，emicm滤波器210可包括更多或更少的滤波级。在又一些替代实施例中，线路接触器114可以耦合到另一滤波级如第一cm扼流级220或提供由ac电源106供给的工频功率中的高dv/dt分量的充分抑制的任何其它滤波级的第一和第二输出线路。

图3是用于psc电机202(在图2中示出)的示例性驱动电路300——包括改进的线路同步电路302——的示意图。驱动电路300通常与驱动电路200(在图2中示出)相同地操作，并且包括ac电源106、emicm滤波器210、整流器216、dc链路电容器218、逆变器208和线路接触器114。

线路同步电路302包括用于将整流器216的输入节点处的经滤波的工频功率快速耦合到psc电机202的定子绕组204和206的triac开关304和306。更具体地，triac开关304和306在从通过逆变器208操作psc电机202转换到直接利用经滤波的工频功率操作psc电机202时将经滤波的工频功率耦合到定子绕组204和206达经滤波的工频功率的1-2个周期。在该转换中，当线路接触器114闭合时，triac开关304和306断开并且定子电流流过线路接触器114。

线路同步电路302还包括串联耦合在triac开关304和306与psc电机202的定子绕组204和206之间的电感滤波器308。类似于cm扼流级220和222，电感滤波器308抑制逆变器208的输出线路上可能由于逆变器208本身产生的高dv/dt噪声而出现的、或者通过psc电机202的定子绕组204和206电容耦合到逆变器208的输出线路上的高dv/dt分量。因此，triac开关304和306通过ac线路侧的emicm滤波器210和定子绕组或逆变器输出线路侧的电感滤波器308保护免受瞬态电气事件的影响。

triac开关304和306用相应的选通电路310和312实现。选通电路310和312包括用于操作triac开关304和306的相应栅极的光电triac314。选通电路310和312还包括滤波器电容器316和用于相对于通过triac304和306的相应传导路径产生高阻抗路径的各种电阻器318。在替代实施例中，光电triac314可以由用于控制triac开关304和306的栅极的任何合适的装置代替。

图4是用于psc电机200(在图2中示出)的另一示例性驱动电路400——包括改进的线路同步电路402——的示意图。驱动电路400通常与驱动电路200(在图2中示出)相同地操作，并且包括ac电源106、emicm滤波器210、整流器216、dc链路电容器218、逆变器208和线路接触器114。

线路同步电路402包括可控硅整流器(siliconcontrolledrectifier，scr)开关404和406，其用于将整流器216的输入节点处的经滤波的工频功率快速耦合到psc电机202的定子绕组204和206。更具体地，scr开关404在从通过逆变器208操作psc电机202转换到直接利用经滤波的工频功率操作psc电机202时将经滤波的工频功率耦合到定子绕组204和206达经滤波的工频功率的1-2个周期。在该转换中，当线路接触器114闭合时，scr开关404和406断开并且定子电流流过线路接触器114。

线路同步电路402还包括由二极管412组成的相应二极管电桥408和410，在所述二极管电桥内布置有scr开关404和406。更具体地，scr开关404例如耦合在二极管电桥408的中间节点414和416上。通过耦合在二极管电桥408上，scr开关404可作为适用于ac开关的双向或四象限开关操作。同样，scr开关406耦合在二极管电桥410的中间节点418和420上。

线路同步电路402还包括与psc电机202的定子绕组204和206并联耦合的电阻-电容(rc)滤波器422和424。类似于emicm滤波器210中的电容滤波，rc滤波器422和424抑制逆变器208的输出线上可能由于由逆变器208自身产生的高dv/dt噪声而出现、或者通过psc电机202的定子绕组204和206电容性地耦合到逆变器208的输出线路上的高dv/dt分量。因此，scr开关404和406通过ac线路侧的emicm滤波器210以及定子绕组或逆变器输出线路侧的rc滤波器422和424保护免受瞬态电气事件的影响。

rc滤波器422和424可以布置在：(a)，例如二极管电桥408和410——如用于电感滤波器308(在图3中示出)的替代物——之外；或者(b)，如图4所示在二极管电桥408和二极管电桥408内。在实施例(a)中，rc滤波器422和424具有比感应替代方案便宜的优点；然而，在没有二极管电桥408和410的情况下，rc滤波器422和424必须被额定成足以消耗在逆变器208的输出端处产生的ac信号中的大量功率。因此，利用triac开关304和306(在图3中示出)以及rc滤波器422和424的实施例不如实施例(b)(在图4中示出)实用。

实施例(b)，参考图4，rc滤波器422和424分别与scr开关404和406并联并且布置在二极管电桥408和410内。此外，分别在二极管电桥408和410内布置scr开关404和406使得能够适应性地将rc滤波器422和424布置在二极管电桥408和410内。这种实施方案的好处是，例如，rc滤波器404与由二极管电桥408在逆变器208的输出端处产生的ac信号隔离。这种隔离允许rc滤波器404被额定为较低瓦数，表现出较小的波纹，并且使用较小的电容。rc滤波器422和424包括分别在中间节点414和416与中间节点418和420之间串联耦合的电容426和电阻428。

scr开关404和406由包括光电triac430以及电阻器432和434的相应栅极电路控制。在一替代实施例中，triac开关可以由scr开关404和406代替。然而，scr开关具有以下益处：相对于可比较的triac器件而言更简单且更便宜。

本文描述的方法和系统可以使用计算机编程或工程技术来实现，包括计算机软件、固件、硬件或其任何组合或子集，其中技术效果可以包括以下中的至少一者：(a)从通过逆变器驱动psc电机无缝转换为通过经滤波的工频功率驱动；(b)通过使用并联接触器和固态开关构型减少了通过固态开关的大电流传导的持续时间；(c)减少了负载下接触器的切换；(d)避免了用于起动psc电机的互锁；(e)由于避免了起动转矩要求限制，使psc电机能够满载起动；(f)降低了直接从逆变器起动转换到工频功率时的浪涌电流；(g)改善了接触器调节工频功率的冗余性；(h)抑制了源自ac线路上的瞬态电气事件；(i)抑制了由于高频切换而在逆变器内产生的瞬态电气事件；(j)抑制了通过电动机的定子绕组电容耦合到驱动电路中的瞬态电气事件；(k)减少了由于瞬态电气事件引起的线路同步电路的误触发；(1)减少了由于线路同步电路的误触发引起的驱动电路、特别是逆变器内的故障。

一些实施例涉及一个或多个电子或计算设备的使用。这样的设备通常包括处理器、处理设备或控制器，例如通用中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、微控制器、精简指令集计算机(risc)处理器、专用集成电路(asic)、可编程逻辑电路(plc)、现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理(dsp)设备和/或能够执行本文描述的功能的任何其它电路或处理设备。本文描述的方法可以被编码为体现在计算机可读介质——包括但不限于存储设备和/或记忆设备——中的可执行指令。当由处理设备执行时，这些指令使处理设备能够执行本文描述的方法的至少一部分。以上示例仅是示例性的，因此并非旨在以任何方式限制术语处理器、处理设备和控制器的定义和/或含义。

在本文描述的实施例中，存储器可以包括但不限于计算机可读介质，例如随机存取存储器(ram)，以及计算机可读的非易失性介质，例如闪存。或者，也可以使用软盘、光盘-只读存储器(cd-rom)、磁光盘(mod)和/或数字通用盘(dvd)。此外，在本文描述的实施例中，另外输入信道可以是但不限于与诸如鼠标和键盘的操作员界面相关联的计算机外围设备。或者，也可以使用其它计算机外围设备，其可以包括例如但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，另外的输出信道可以包括但不限于操作员界面监视器。

如本文所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中以供处理器执行的任何计算机程序，包括ram存储器、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器和非易失性ram(nvram)存储器。上述存储器类型仅为示例，因此不限制可用于存储计算机程序的存储器类型。

本文描述的系统和方法不限于本文描述的特定实施例，而是确切而言，系统的部件和/或方法的步骤可以独立地且与本文描述的其它部件和/或步骤分开使用。

此书面描述使用示例来提供关于本公开的细节，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围通过权利要求来限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其它示例意图处于权利要求的保护范围内。