压缩机变频调速系统及直流母线电压的控制方法与流程

本发明涉及变频领域，特别是涉及一种压缩机变频调速系统及直流母线电压的控制方法。

背景技术：

现有的压缩机变频调速系统中，功率在8kw以上的应用场合，一般采用三相交流电源供电，前级采用不控整流桥做整流，后级采用ipm模块(intelligentpowermodule，智能功率模块)做三相逆变为电机提供交流输入，如图1所示。此系统的缺点，一是整流桥中二极管属于不控器件，系统工作时会给电网注入大量的低次谐波电流；二是直流母线电压不可控，且随着负载功率的增加，母线电压的波动也会加大。

永磁同步电机的调速一般以额定转速为分界点，额定转速以下采用恒磁通变频调速，额定转速以上采用弱磁变频调速。弱磁升速时，由于用于弱磁的励磁电流只做无用功，因此会导致电机的损耗增加，电机的效率就会变低。额定转速以上若想维持磁通不变而能够升高转速，那么电机反电动势必然会增大，此时变频器逆变模块的输出电压也即电机的端电压就必须随之增大。现有技术采用软件过调制的算法，但此方法所能提升的电压幅值有限，电机性能只能略有改善。

因此，如何减小电网的低次谐波、提高变频调速系统的效率，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压缩机变频调速系统及直流母线电压的控制方法，用于解决现有技术中电网低次谐波大、系统效率低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种压缩机变频调速系统中直流母线电压的控制方法，所述压缩机变频调速系统中直流母线电压的控制方法至少包括：

当电机运行在额定转速以下时，根据交流输入电压输出直流母线电压；

当所述电机运行在所述额定转速以上时，根据所述交流输入电压及电机转速输出所述直流母线电压。

可选地，当所述电机运行在所述额定转速以下时，

若实际交流输入电压在额定交流输入电压的第一预设比例范围内波动，则所述直流母线电压设置为高于所述额定交流输入电压峰值的固定值；

若所述实际交流输入电压在所述额定交流输入电压的第二预设比例范围内波动，则所述直流母线电压设置为高于所述实际交流输入电压的峰值，所述直流母线电压随着所述实际交流输入电压的变化而变化；

若所述实际交流输入电压在所述额定交流输入电压的第一预设比例范围及第二预设比例范围之外波动，则关断整流模块中的功率开关管，并输出故障信号；

其中，所述第二预设比例范围的最小值大于等于所述第一预设比例范围的最大值。

更可选地，当所述实际交流输入电压在所述额定交流输入电压的第二预设比例范围的第一子区间内波动时，所述直流母线电压设置为高于所述实际交流输入电压的峰值，所述直流母线电压随着所述实际交流输入电压的变化而变化；

当所述实际交流输入电压在所述额定交流输入电压的第二预设比例范围的第二子区间内波动时，关断整流模块中的功率开关管，进入不控整流模式。

更可选地，当所述电机运行在所述额定转速以上时，计算所述电机转速与所述直流母线电压的关系曲线；从所述关系曲线上得到所述电机转速对应的所述直流母线电压；若所述直流母线电压低于实际交流输入电压的峰值，则将所述直流母线电压调整为高于实际交流输入电压的峰值。

更可选地，计算所述电机转速与所述直流母线电压的关系曲线的方法包括：

以电机额定转速及高于所述额定交流输入电压峰值的预设值作为横纵坐标确定所述关系曲线的第一端点；

以所述直流母线电压的最大值及所述直流母线电压的最大值对应的电机转速确定所述关系曲线的第二端点；

连接所述第一端点及所述第二端点确定所述关系曲线。

更可选地，计算所述电机转速与所述直流母线电压的关系曲线的方法还包括：基于实际测试数据增加所述关系曲线的端点，各端点依次连接后确定所述关系曲线。

更可选地，当所述直流母线电压达到直流母线电压最大值时，进入弱磁升速模式。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种压缩机变频调速系统，执行上述的压缩机变频调速系统中直流母线电压的控制方法，所述压缩机变频调速系统至少包括：

整流模块，接收交流输入电压，并将所述交流输入电压转化为直流母线电压；

逆变模块，连接所述整流模块的输出端，将所述直流母线电压转换为电机驱动电压；

电机，连接于所述逆变模块的输出端，受所述电机驱动电压的驱动运转；

控制模块，连接所述电机、所述整流模块及所述逆变模块，用于产生所述整流模块及所述逆变模块的控制信号。

可选地，所述整流模块为有源整流模块；或所述整流模块包括无源整流单元及升压单元，所述升压单元连接于所述无源整流单元的输出端。

更可选地，所述有源整流模块为vienna整流模块。

更可选地，所述vienna整流模块包括六个二极管、三个电感、六个功率开关管及两组电容；各二极管两两同向串联后并联，第一组串联二极管的连接节点经由第一电感连接所述交流输入电压的第一相，第二组串联二极管的连接节点经由第二电感连接所述交流输入电压的第二相，第三组串联二极管的连接节点经由第三电感连接所述交流输入电压的第三相；两组电容串联后与各组串联二极管并联；各功率开关管两两反向串联后分别连接于各组串联二极管的连接节点与两组电容的连接节点之间。

如上所述，本发明的压缩机变频调速系统及直流母线电压的控制方法，具有以下有益效果：

1、本发明的压缩机变频调速系统的前级采用有源整流模块，大大减小了电网的低次谐波。

2、本发明的压缩机变频调速系统及直流母线电压的控制方法在额定转速以下时，考虑了电网的影响，通过控制直流母线电压随着电网变化，提高了逆变模块的效率。

3、本发明的压缩机变频调速系统及直流母线电压的控制方法在额定转速以上时，通过控制整流模块升高直流母线电压，使得电机推迟进入弱磁区，提高了电机的效率。

4、本发明的压缩机变频调速系统及直流母线电压的控制方法综合永磁同步电机全速度范围工况及交流输入电压波动，使得变频调速系统处于最高效率的工作模式。

附图说明

图1显示为现有技术中的压缩机变频调速系统的结构示意图。

图2显示为本发明的压缩机变频调速系统中直流母线电压的控制方法的流程示意图。

图3显示为本发明的压缩机变频调速系统的结构示意图。

元件标号说明

1压缩机变频调速系统

11整流模块

12逆变模块

13电机

14控制模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图2所示，本实施例提供一种压缩机变频调速系统中直流母线电压的控制方法，所述压缩机变频调速系统中直流母线电压的控制方法包括：

当电机运行在额定转速以下时，根据交流输入电压输出直流母线电压；

当所述电机运行在所述额定转速以上时，根据所述交流输入电压及电机转速输出所述直流母线电压。

在本实施例中，所述压缩机变频调速系统中直流母线电压的控制方法具体包括以下步骤：

1、当所述电机运行在所述额定转速以下时，考虑电网的影响，基于实际交流输入电压的波动范围进一步设定所述直流母线电压(通过闭环控制，所述直流母线的实际电压总是跟踪直流母线预设电压)。

具体地，若实际交流输入电压vab在额定交流输入电压vra第一预设比例范围内(在本实施例中，所述预设比例范围设定为80％～120％，在实际使用中可根据需要设定所述预设比例范围，不以本实施例为限)波动，则控制整流模块以将所述直流母线电压vbus设置为高于所述额定交流输入电压vra的峰值，且所述直流母线电压vbus保持恒定(固定值)，而不会随着所述实际交流输入电压vab变低或者随着所述电机的负载变大而相应变低，如此则后续逆变模块的效率也会得到改善。这是因为，如果直流母线电压变低，则逆变侧调制度会变大，如此导通损耗就会变大。在本实施例中，所述额定交流输入电压vra设定为380v，则所述直流母线电压vbus满足如下关系式：

vbus＝vra*1.414*1.01＝380*1.414*1.01＝543v

需要说明的是，所述额定交流输入电压vra的值可根据实际情况进行设置，不同的国家或地区会有不同，例如中国的电网电源三相制线电压为380v，在此不一一赘述。在本实施例中，所述直流母线电压vbus设定为所述额定交流输入电压vra峰值的101％，在实际使用中，可根据需要设定所述直流母线电压vbus与所述额定交流输入电压vra峰值的比例关系，作为示例可设定为100％～105％(不包括端点100％，包括端点105％)，不以本实施例为限。

具体地，若所述实际交流输入电压vab在所述额定交流输入电压vra的第二预设比例范围内(在本实施例中，所述预设比例范围设定为100％～120％，在实际使用中可根据需要设定所述预设比例范围，不以本实施例为限)波动，则控制所述整流模块以将所述直流母线电压vbus设置为高于所述实际交流输入电压vab的峰值，且所述直流母线电压vbus随着所述实际交流输入电压vab的变化而变化，以此保证所述整流模块可以正常工作。这是因为，整流模块具有升压功能，因此直流母线电压必须高于实际交流输入电压的峰值时，整流模块才能正常工作。

需要说明的是，在本实施例中，所述直流母线电压vbus设定为所述实际交流输入电压vab峰值的101％，在实际使用中，可根据需要设定所述直流母线电压vbus与所述实际交流输入电压vab峰值的比例关系，作为示例可设定为100％～105％(不包括端点0％，包括端点5％)，不以本实施例为限。

具体地，若所述实际交流输入电压vab在所述额定交流输入电压vra的第一预设比例范围及第二预设比例范围之外波动(在本实施例中即为小于所述额定交流输入电压vra的80％或大于所述额定交流输入电压vra的120％)，则关断所述整流模块中的功率开关管，即系统中的控制模块不输出pwm驱动信号，并输出故障信号。此时，逆变侧可降载运行或者软停机。所述故障信号包括但不限于欠压保护信号，过压保护信号，在此不一一赘述。

需要说明的是，各预设比例范围可根据实际需要进行设定，所述第二预设比例范围的最小值大于等于所述第一预设比例范围的最大值，在此不一一赘述。

2、当所述电机运行在所述额定转速以上时，控制整流模块升高直流母线电压vbus，使得电机推迟进入弱磁区。

具体地，首先计算所述电机转速与所述直流母线电压vbus的关系曲线。

更具体地，所述关系曲线以所述电机转速作为横坐标，以所述直流母线电压作为纵坐标。更具体地，以电机额定转速及高于额定交流输入电压vra峰值的预设值作为横纵坐标确定所述关系曲线的第一端点。在本实施例中，所述电机转速对应为所述电机额定转速，所述直流母线电压vbus对应为高于额定交流输入电压vra峰值的预设值，以此确定所述关系曲线的第一端点。作为示例，所述电机额定转速为6000rpm，所述预设值(高于额定交流输入电压vra的峰值)设定为380v(额定交流输入电压)*1.414(峰值)*1.01＝543v。

需要说明的是，在本实施例中，所述预设值设定为所述额定交流输入电压vra峰值的101％，在实际使用中，可根据需要设定所述直流母线电压vbus与所述额定交流输入电压vra峰值的比例关系，作为示例可设定为100％～105％(不包括端点100％，包括端点105％)，不以本实施例为限。

更具体地，以所述直流母线电压的最大值vbus_max及所述直流母线电压的最大值vbus_max对应的电机转速确定所述关系曲线的第二端点。在本实施例中，所述直流母线电压vbus对应为所述直流母线电压的最大值vbus_max，所述电机转速对应为所述直流母线电压的最大值vbus_max时的电机转速，以此确定所述关系曲线的第二端点。所述直流母线电压的最大值vbus_max满足如下关系式：vbus_max＝vce*k，其中，vce为功率开关管最大额定值，k为安全系数，且k＝0.6-0.8。作为示例，所述直流母线电压的最大值vbus_max设定为1200(功率开关管最大额定值，即功率开关管耐压值)*0.6(安全系数)＝720v，对应电机转速为720v(直流母线电压最大值)÷60v/krpm(电机反电势常数)＝12000rpm。

需要说明的是，所述关系曲线的横纵坐标可互换，不以本实施例为限。

具体地，再连接所述第一端点及所述第二端点以确定所述关系曲线。

更具体地，将所述第一端点与所述第二端点连接，由此得到的直线即为所述关系曲线。

作为本发明的另一种实现方式，进一步地，参考实际测试数据，增加所述关系曲线的端点，各端点依次连接后得到的曲线即为所述关系曲线。增加的端点数量可根据需要设定，在此不一一赘述。

具体地，根据电机预设转速或者检测电机实际转速(通过闭环控制，电机实际转速总是跟踪电机预设转速)，从所述关系曲线上得到所述电机转速对应的所述直流母线电压vbus。

具体地，最后判断所述直流母线电压vbus是否符合要求，即若所述直流母线电压vbus低于所述实际交流输入电压vab的峰值，则将所述直流母线电压vbus调整为高于实际交流输入电压vab的峰值；否则不调整，以所述关系曲线上得到的值为准；以此确定所述直流母线电压vbus。

3、作为本发明的另一种实现方式，当所述直流母线电压vbus达到直流母线电压最大值vbus_max时，若此时希望继续提高电机转速，则只能通过改变励磁电流，使电机磁通减弱，即电机进入弱磁升速模式。

本实施例采用有源整流模块，大大减小了电网的低次谐波；在额定转速以下时，考虑了电网的影响，通过控制直流母线电压随着电网变化，提高了逆变模块的效率；在额定转速以上时，通过控制整流模块升高直流母线电压，使得电机推迟进入弱磁区，提高了电机的效率；综合永磁同步电机全速度范围工况及交流输入电压波动，使得变频调速系统处于最高效率的工作模式。

实施例二

本实施例提供一种压缩机变频调速系统中直流母线电压的控制方法，与实施例一的不同之处在于，当所述实际交流输入电压vab在所述额定交流输入电压vra的第二预设比例范围内波动时，根据不同子区间进行不同的处理。

具体地，当所述电机运行在所述额定转速以下时：

若实际交流输入电压vab在额定交流输入电压vra的80％～100％之间波动，则控制整流模块以将所述直流母线电压vbus设置为高于所述额定交流输入电压vra的峰值，且所述直流母线电压vbus保持恒定(固定值)。

若所述实际交流输入电压vab在所述额定交流输入电压vra的第二预设比例范围的第一子区间(在本实施例中，所述第一子区间设定为100％～110％，在实际使用中，可根据需要设定所述第一子区间的范围，不以本实施例为限)内波动，则控制所述整流模块以将所述直流母线电压vbus设置为高于所述实际交流输入电压vab的峰值，且所述直流母线电压vbus随着所述实际交流输入电压vab的变化而变化。

若所述实际交流输入电压vab在所述额定交流输入电压vra的第二预设比例范围的第二子区间(在本实施例中，所述第一子区间设定为110％～120％，在实际使用中，可根据需要设定所述第二子区间的范围，不以本实施例为限)内波动时，关断整流模块中的功率开关管，即系统中的控制模块不输出pwm驱动信号，进入不控整流模式。由此可带来两个好处：一，不控整流模式可以减小整流模块的开关损耗；二、此时，当电机负载变大时，直流母线电压vbus虽然会变低，但也足够高到可以满足电机的端电压要求，因此逆变侧的调制度无需维持太高，则整流模块及逆变模块的导通损耗会减小。

若所述实际交流输入电压vab小于所述额定交流输入电压vra的80％或大于额定交流输入电压vra的120％，则关断所述整流模块中的功率开关管，并输出故障信号。

需要说明的是，所述电机运行在所述额定转速以上及所述直流母线电压达到直流母线电压最大值时的工作方法、原理与实施例一相同，在此不一一赘述。

实施例三

如图3所示，本实施例提供一种压缩机变频调速系统1，所述压缩机变频调速系统1包括：

整流模块11，逆变模块12，电机13及控制模块14。

如图3所示，所述整流模块11接收交流输入电压，并将所述交流输入电压转化为直流母线电压vbus。

具体地，在本实施例中，所述整流模块11为有源整流模块中的vienna整流模块，vienna拓补的各种变形均适用于本发明的所述整流模块11。作为示例，所述整流模块11包括六个二极管、三个电感、六个功率开关管及两组电容(两组电容可以是单个电容或多个电容串并联的组合)，且上下两组电容的容值相同。各二极管两两同向串联后并联，即：第一二极管d1的阴极连接所述直流母线电压的正极vbus+，阳极连接第二二极管d2的阴极；所述第二二极管d2的阳极连接所述直流母线电压的负极vbus-；第三二极管d3的阴极连接所述直流母线电压的正极vbus+，阳极连接第四二极管d4的阴极；所述第四二极管d4的阳极连接所述直流母线电压的负极vbus-；第五二极管d5的阴极连接所述直流母线电压的正极vbus+，阳极连接第六二极管d6的阴极；所述第六二极管d6的阳极连接所述直流母线电压v的负极vbus-。所述第一二极管d1与所述第二二极管d2的连接节点连接所述交流输入电压的第一相l1，所述第三二极管d3与所述第四二极管d4的连接节点连接所述交流输入电压的第二相l2，所述第五二极管d5与所述第六二极管d6的连接节点连接所述交流输入电压的第三相l3。所述交流输入电压的各相分别通过一电感(第一电感l11、第二电感l12及第三电感l13)后输入。第一组电容c1及第二组电容c2串联后连接于所述直流母线电压的正极vbus+与负极vbus-之间。各功率开关管两两反向串联后分别连接于各组串联二极管的连接节点与两组电容的连接节点之间，即：第一功率开关管q11的集电极连接所述第一二极管d1与所述第二二极管d2的连接节点，发射极连接第二功率开关管q12的发射极；所述第二功率开关管q12的集电极连接所述第一组电容c1与所述第二组电容c2的连接节点；第三功率开关管q13的集电极连接所述第三二极管d3与所述第四二极管d4的连接节点，发射极连接第四功率开关管q14的发射极；所述第四功率开关管q14的集电极连接所述第一组电容c1与所述第二组电容c2的连接节点；第五功率开关管q15的集电极连接所述第五二极管d5与所述第六二极管d6的连接节点，发射极连接第六功率开关管q16的发射极；所述第六功率开关管q16的集电极连接所述第一组电容c1与所述第二组电容c2的连接节点。所述整流模块11中各功率开关管分别连接一控制信号。

需要说明的是，本实施例电网电源为三相四线制(三根火线一根地线)，如果是三相五线制(三根火线一根中线一根地线)，则中线连接两组电容的连接节点。

需要说明的是，在本实施例中，各功率开关管采用绝缘栅双极型晶体管，在实际使用中可根据需要设定各功率开关管的类型。所述整流模块11可以是任意可控的有源整流模块；也可以包括无源整流单元及升压单元，所述升压单元连接于所述无源整流单元的输出端；以此实现可控整流，不以本实施例为限。

如图3所示，所述逆变模块12连接所述整流模块11的输出端，将所述直流母线电压vbus转换为电机驱动电压。

具体地，在本实施例中，所述逆变模块12六个功率开关管，构成三相逆变桥，其中，第七功率开关管q21及第八功率开关管q22串联于所述直流母线电压的正极vbus+和所述直流母线电压的负极vbus-之间(所述第七功率开关管q21的集电极连接所述直流母线电压的正极vbus+、发射极连接所述第八功率开关管q22的集电极，所述第八功率开关管q22的发射极连接所述直流母线电压的负极vbus-)；第九功率开关管q23及第十功率开关管q24串联于所述直流母线电压的正极vbus+和所述直流母线电压的负极vbus-之间(连接端口与所述第七功率开关管q21及所述第八功率开关管q22相同，在此不一一赘述)；第十一功率开关管q25及第十二功率开关管q26串联于所述直流母线电压的正极vbus+和所述直流母线电压的负极vbus-之间(连接端口与所述第七功率开关管q21及所述第八功率开关管q22相同，在此不一一赘述)；所述逆变模块12中各功率开关管分别连接一控制信号。

需要说明的是，在本实施例中，所述逆变模块12中各功率开关管为绝缘栅双极型晶体管，在实际使用中可根据需要设定各功率开关管的类型。所述逆变模块12可根据需要选择任意一种结构，不以本实施例为限。

如图3所示，所述电机13连接于所述逆变模块12的输出端，受所述电机驱动电压的驱动运转。

具体地，在本实施例中，所述电机13为永磁同步电机，当电机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场带动转子同步旋转。在其他实施例中，所述电机13也可以为交流异步电机等其他三相电机，在此不一一赘述。

如图3所示，所述控制模块14连接所述电机13、所述整流模块11及所述逆变模块12，产生所述整流模块11及所述逆变模块12的控制信号。

具体地，在本实施例中，所述控制模块14采集交流输入电压及所述电机13上的信号，并控制所述整流模块11、所述逆变模块12以执行实施例一或实施例二的压缩机变频调速系统中直流母线电压的控制方法实现所述电机13的调速，工作原理参见实施例一及实施例二，在此不一一赘述。

本实施例的压缩机变频调速系统大大减小了电网的低次谐波、提高了系统效率，压缩机变频调速系统(包括被控电机)始终处于最高效率的工作模式，适于产业应用。

综上所述，本发明提供一种压缩机变频调速系统及直流母线电压的控制方法，包括：整流模块，接收交流输入电压，并将所述交流输入电压转化为直流母线电压；逆变模块，连接所述整流模块的输出端，将所述直流母线电压转换为电机驱动电压；电机，连接于所述逆变模块的输出端，受所述电机驱动电压的驱动运转；控制模块，连接所述电机、所述整流模块及所述逆变模块，用于产生所述整流模块及所述逆变模块的控制信号；当电机运行在额定转速以下时，根据交流输入电压输出直流母线电压；当所述电机运行在所述额定转速以上时，根据所述交流输入电压及所述电机的转速输出所述直流母线电压。本发明的压缩机变频调速系统的前级采用有源整流模块，大大减小了电网的低次谐波；在额定转速以下时，考虑了电网的影响，通过控制直流母线电压随着电网变化，提高了逆变模块的效率；在额定转速以上时，通过控制整流模块升高直流母线电压，使得电机推迟进入弱磁区，提高了电机的效率；综合永磁同步电机全速度范围工况及交流输入电压波动，使得变频调速系统处于最高效率的工作模式。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。