使用直流链路电压的电子控制变压器的制作方法

专利名称：使用直流链路电压的电子控制变压器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种用于提供控制电压的电子变压器。更具体地，本发
明涉及一种由用于冷却系统的变速驱动器的DC链路供电的电子控制变压器。
背景技术：
过去，将用于驱动冷却系统中的压缩机的电动机设计为根据电动机正运 行的设备的配电系统可用的标准线路(干线(main))电压和频率来工作。使用该 线路电压和频率通常将用于调整压缩机的容量的选项限制于诸如入口导流叶 片和滑阀的更低效率的机械设备，结果，电动机被限制为基于到电动机的输 入频率的一个运行速度。此外，如果电动机的运行速度不等于压缩机的期望 运行速度，则将"加速"或"减速，，变速箱插入在该电动机和压缩机之间， 以获得压缩机的期望运行速度。
之后，开发了可以改变提供给冷却系统的电动机的频率和电压的变速驱 动器(VSD)。该改变到电动机的输入频率和电压的性能使得出现了能够向冷却 系统的相应压缩机提供可变的输出速度的电动机。电动机(以及压缩机)的变速 运行使得当希望以比满设计负载速度低的速度运行时，冷却系统能够利用在 压缩机的部分负载期间产生的效率。使用变速驱动器也允许除了使用能够从 三相电源线直接工作的先前电动机(例如，感应电动机或同步电动机)之外，还 可以使用在冷却系统中需要其自身电子驱动器的其它类型的电动机。
通常，冷却系统包括许多与压缩机协作运行的辅助设备。这些辅助设备 通常包括控制面板、电流接触器、继电器、泵和风扇，这些辅助设备的额定 电压为与压缩机电动机不同的固定电压，并且其在例如60Hz或50Hz的固定 频率下工作。由于这些辅助设备不能以VSD输出的可变电压和频率来工作， 所以通常通过在输入AC电力处连接到VSD的传统线圈^i控制变压器或从另 一输入电源来提供用于控制电压的电力。控制变压器的次线圈的输出电压与 主线圈输入电压成比例，使得控制变压器的输出电压近似固定地反应主线圏 上的电压下降或中断。如果幅度和/或持续时间充分，则该下降或中断可能导
致冷却系统的电流接触器或继电器不工作，或导致控制面板或泵停止工作， 以致中断冷却系统的运行。
为压缩机进行供电的VSD也遭受由于同样原因的输入电压下降和中断。 VSD通常包括变流器，用于将AC输入电力转换成用于DC链路的DC电压。 逆变器连接到DC链路，并且将DC链路电压转换成可变电压、可变频率的 AC电力输出。通常由提供有限存储能量的电容器来支持DC链路，并且在某 些情况下，可以采用有源整流器或变流器来将输入电压升压到RMS值的峰值 之上，即高于输入电压源的标称值(nominalvalue)的1.414倍。VSD的这些组 件提供了对于穿越(ride-through)能力的测量。然而，极其经常的是，该穿越能 力不足以在输入电压下降或中断时将冷却系统保持在60Hz效用界限(utility line)上多于几个周期。在VSD具有穿越能力的情况下，控制变压器可能听任 冷却系统易受电压下降的攻击，即4吏VSD和压缩才几电动才几可以幸免于电压衰 落。
具有用于压缩机和辅助设备的单独的AC输入电源的冷却系统的一个限 制是如果VSD输出电压或控制电压下降或经历短暂的中断，则冷却系统发 生故障。具有用于压缩机和辅助设备的单独的AC输入控制电源的冷却系统 的另 一个限制是不同的控制变压器必须用于具有不同分配电压的电力系统， 控制变压器的设计依赖于提供给冷却系统的输入AC电压和频率。
因而，需要一种由驱动冷却系统的压缩机的VSD供电且具有改进的穿越 能力的控制变压器。

发明内容
本发明包括一种电子变压器，被配置为从VSD的DC链路提供单相AC 控制电力来为与冷却系统相关的至少一个辅助设备供电。所述电子控制变压 器包括逆变器模块，用于将DC电压转换成AC电压以对负载进行供电。所 述逆变器模块包括多对功率开关，其中每对功率开关包括与二极管反并联 (anti-parallel)的绝缘栅双极型晶体管；输入DC连接，用于将所述电子控制变 压器连接到变速驱动器的DC链路；输入AC连接，用于将所述电子控制变 压器连接到变速驱动器的AC输入；以及输出AC连接，用于连接至少一个 辅助设备。所述逆变器模块是可控制的，以提供固定输出AC电压和固定频 率来对至少一个辅助设备供电。 在优选的实施例中，本发明涉及一种驱动系统，用于对具有与驱动系统 本身的电压需求不同的电压需求的冷却系统的多个组件进行供电。该驱动系
统包括连接到AC电源的有源整流器或变流器级，以接收固定输入AC电压 和固定输入频率的输入AC电力。有源变流器或整流器也可以配置有预充电 电路，用于控制在启动后到达DC链路的涌入电流。有源变流器级被配置为 将固定输入AC电压转换成升压DC电压，所述升压DC电压比固定输入DC 电压的峰值高。DC链路连接到所述变流器级。所述DC链路被配置为对升压 DC电压进行滤波并且存储来自所述变流器级的能量。此外，第一逆变器级连 接到DC链路。所述第一逆变器级被配置为转换来自DC链路的升压DC电压， 以向冷却系统的电动机提供具有可变电压和可变频率的输出电力。该可变电 压具有在幅度上高于固定输入AC电压的最大电压性能。该可变频率具有大 于固定输入频率的最大频率性能。有源变流器将额外的穿越能力提供为AC 输入电压可以降低而在DC链路中没有相应降低的程度。当有源变流器达到 饱和时，控制逆变器，以将从电动机和压缩机到DC链路级的能量流倒转方 向，以响应于固定输入AC电压降低根据存储在连接到第一逆变器级的电动 机的旋转体(mass)中的能量来传递电功率以保持DC链路的电压电平；并且电 子控制变压器连接到DC链路，该电子控制变压器被配置为将来自DC链路 的升压DC电压转换成用于冷却系统的至少一个组件的、具有固定输出AC 电压和固定输出频率的辅助输出电源。固定输出AC电压小于到驱动器的变 流器的固定输入AC电压。此外，在固定输入AC电压暂时降低的情况下， 保持电子控制变压器的固定输出AC电压和固定输出频率。
在另一个实施例中，所述VSD在输入端包括传统的整流器或变流器。存 在连接到变流器级的DC链路，DC链路被配置为对DC电压滤波并存储来自 变流器级的能量。第一逆变器级连接到DC链路。第一逆变器级被配置为将 来自DC链路的DC电压转换成用于电动机的输出电力。第一逆变器级被配 置为将通过第一逆变器级到DC链路级的能量流倒转方向，以响应于输入AC 电压的降低根据存储在电动机的旋转体中的能量来传递电功率以保持DC链 路级的电压电平；并且电子控制变压器连接到DC链路，该电子控制变压器 被配置为将来自DC链路的DC电压转换成用于冷却系统的至少一个组件的、 具有固定输出AC电压和固定输出频率的辅助输出电源。该固定输出AC电 压小于到驱动器的变流器的固定输入AC电压。此外，在固定输入AC电压
暂时降低的情况下，保持电子控制变压器的固定输出AC电压和固定输出频 率。
在本发明的另 一个实施例中，提供了 一种包括电子控制变压器的冷却系 统。该冷却系统包括制冷电路，该制冷电路包括压缩机、冷凝器和连接在封
闭(closed)制冷环中的蒸发器。电动机连接到压缩机以对压缩机进行供电。变 速驱动器连接到电动机。该变速驱动器被配置为接收具有固定输入AC电压 和固定输入频率的输入AC电力，并向电动机提供具有可变电压和可变频率 的输出电力。该可变电压具有在幅度上高于固定输入AC电压的最大电压性 能，并且所述可变频率具有大于固定输入频率的最大频率性能。
所述变速驱动器包括连接到提供AC电力的AC电源的有源变流器或整 流器级。该变流器级被配置为将输入AC电压转换成升压DC电压。所述升 压DC电压高于所述固定输入AC电压。存在连接到变流器级的DC链路，该 DC链路被配置为对升压DC电压进行滤波并且存储来自变流器级的能量。第 一逆变器级连接到DC链路。该第一逆变器级被配置将来自DC链路的升压 DC电压转换成用于电动机的输出电力。该第一逆变器级被配置为将通过所述 第一逆变器级到DC链路级的能量流倒转方向，以响应于输入AC电压的降 低而根据存储在电动机的旋转体中的能量来传递电功率，以保持DC链路的 电压电平。
电子控制变压器连接到所述DC链路。该电子控制变压器被配置为将来 自DC链路的升压DC电压转换成具有固定输出AC电压和固定输出频率的辅 助输出电源，该固定输出电压小于到所述有源变流器或整流器的固定输入AC 电压。在固定输入AC电压暂时降低的情况下，保持所述电子控制变压器的 固定输出AC电压和固定输出频率。
在另 一个实施例中，本发明涉及一种用于为与冷却系统相关的至少 一个 辅助设备供电的电子控制变压器。该电子控制变压器包括逆变器模块，用于 转换DC电压以提供固定输出AC电压和固定频率，从而为至少一个辅助设 备供电。所述逆变器模块具有多对功率开关，其中每对功率开关包括与二极 管反并联的绝缘栅双极型晶体管。提供输入DC连接，用于将电子控制变压 器连接到变速驱动器的DC链路。还提供输入AC连接，用于将电子控制变 压器连接到变速驱动器的AC输入。提供输出AC连接，用于将至少一个辅 助设备连接到该逆变器模块。
本发明的一个优点是，电子变压器连接到具有改进穿越性能的变速驱动 器上，从而能够向冷却系统的辅助组件提供穿越性能，并且提供改进的冷却 系统的可靠性。
本发明的另 一优点是利用单个电子控制变压器来对冷却控制进行供电，
即与到配有VSD的冷却系统的输入AC电压幅度和输入频率无关。
本发明的另一优点是电子变压器消除了对传统控制变压器的需要，并且
其为整个冷却系统提供了公共的电功率源。
以示例的方式，通过下面参考示出本发明的原理的附图对优选实施例的
进行的更详细的描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的。


图1示意性地示出了本发明的一般系统配置。
图2示意性地示出了本发明的变速驱动器和电子控制变压器的实施例。
图3示意性地示出了可以用于本发明的制冷系统。
图4示出了电子控制变压器的一个实施例的电路图。
图5示出了电子控制变压器的可替换实施例。
图6示出了有源变流器布置的一个可替换实施例。
只要可以，在所有附图中用相同的参考数字来指代相同或相似的部分。
具体实施例方式
图1和图2共同示出了本发明的系统配置。电子变压器108被配置为从 变速驱动器(VSD)104的DC链路204提供AC电力。电子变压器108具有至 少四个半导体开关，并且将DC链路电压转换成固定电压、固定频率的AC 输出。AC电源102向VSD 104提供AC电力，VSD进而向电动机106提供 AC电力。在本发明的另一实施例中，VSD104可以为多于一个的电动机106 供电。电动机106优选地用于驱动制冷或冷却系统的相应压缩机。VSD 104 也从DC链路204向电子变压器108提供电力。电子变压器108将来自DC 链路204的DC电力转换成用于各种辅助设备IIO(例如作为冷却系统的组件 的控制面板、电流接触器、继电器、泵和风扇)的具有固定电压和频率的AC 控制电源(共同参见图3)。 AC电源102从存在于某个站点的AC电网或配电 系统向VSD 104提供三相、固定电压和固定频率的AC电力。可以从电力公
司直接提供AC电网，或可以从电力公司和AC电网之间的一个或多个子变 电站提供AC电网。依赖于相应的AC电网，AC电源102可以优选地向VSD 104提供线路频率为50Hz或60Hz的200V、 230V、 380V、 460V或600V的 三相AC电压或线;洛电压。应当理解，依赖于AC电网的配置，AC电源102 可以向VSD 104提供任何合适的固定线电压或固定线频率。此外，具体站点 可以具有可能满足不同线电压和线频率需求的多个AC电网。例如， 一个站 点可以具有230VAC电网来应对某些应用并具有460VAC电网来应对其它应 用。
下面回过头来参考图2， VSD 104从AC电源102接收具有特定固定线 路电压和固定线路频率的AC电力，并且以所希望的电压和所希望的频率向 电动机106提供AC电力，电压和频率二者都可以变化以满足具体需求。优 选地，VSD 104可以向电动机106提供具有比从AC电源102接收的固定电 压和固定频率高的电压和频率或具有比乂人AC电源102接收的固定电压和固 定频率低的电压和频率的AC电力。图2示意性地示出了 VSD 104的一个实 施例中的一些组件。VSD 104可以具有三级变流器级202、 DC链路级204 和逆变器级206。变流器202将来自AC电源102的固定线路频率、固定线路 电压AC电力转换成DC电力。DC链路204对来自变流器202的DC电力进 行滤波，并且提供诸如电容器208和/或电感器(未示出)的能量存储组件。逆 变器206将来自DC链路204的DC电力转换成用于电动机106的可变频率、 可变电压的AC电力。
电子变压器108还连接到VSD 104的DC链路204。电子变压器108将
选为120VAC)，尽管可以改变该固定电压和/或固定频率以适合各种地点或运 行需求。用于冷却系统的辅助设备IIO连接到电子变压器108的输出，并且 其可以包括控制面板、电流接触器、继电器、泵和风扇。如果需要，电子变 压器108可以被配置为向辅助设备提供三相电力。只要将DC链路的DC电 压保持在足够的电平，则电子变压器108具有以辅助设备110的额定电压提 供控制电力的能力。VSD 104的穿越性能的优点被传递到冷却系统的辅助设 备IIO，如下面更详细讨论的。可以在容纳VSD 104的同一壳体中构建电子 变压器108。可替代地，电子变压器108可以被构建在控制面板中，或可以 被容纳于具有配电电路断路器和开关的壳体中，以对控制面板308(参见图3)
和/或辅助i殳备110进行供电。
电动机106优选地是能够以可变速度驱动的感应电动机。该感应电动机
可以具有包括两电极、四电极或六电极的任何合适的电极布置。该感应电动
机用于驱动负载，优选地是如图3中所示的制冷或冷却系统的压缩机。图3 一般性地示出了连接到制冷系统的本发明的系统。
如图3中所示，HVAC、制冷或液体冷却系统300包括压缩机302、冷凝 器304、蒸发器306和控制面板308。控制面板308可以包括各种不同组件， 诸如模数(A/D)转换器、微处理器、非易失性存储器和接口板，以控制制冷系 统300的操作。控制面板308也可以用于控制VSD 104和电动机106的操作。 电子变压器108向控制面板308以及用于冷却系统300的其它单相辅助i殳备 IIO提供控制电力。
压缩机302压缩制冷剂蒸汽，并且通过排放线路向冷凝器304传递蒸汽。 压缩机302优选地是离心式压缩机，但是也可以是任何合适类型的压缩机， 例如螺杆式压缩机、活塞压缩机等。压缩机302向冷凝器304传递的制冷剂 蒸汽进入到与流体(例如空气或水)的热交换关系，并且由于与流体的热交换关 系而经历到制冷剂液体的物相变化(phase change)。来自冷凝器304的经冷凝 的液体冷却剂通过膨胀设备(未示出)流到蒸发器306。
蒸发器306可以包括用于冷却材料的提供线和返回线的连接。辅助液体 (例如，水、乙烯、氯化钙卣水或氯化钠卣水)经由返回线进入到蒸发器306 中，并且经由提供线从蒸发器306中排出。蒸发器306中的液体制冷剂进入 与辅助液体的热交换关系，以降〗氐辅助液体的温度。作为与辅助液体的热交 换关系的结果，蒸发器306中的制冷剂液体经历到制冷剂蒸汽的物相变化。 蒸发器306中的蒸汽制冷剂从蒸发器306中排出并通过吸入线路返回到压缩 机302，以完成循环。应当明白，只要能够获得冷凝器304和蒸发器306中 的制冷剂的适当的物相变化，就可以在系统300中使用任何适当结构的冷凝 器304和蒸发器306。
HVAC、制冷或液体冷却系统300可以包括图3中未示出的许多其它特 征。为了简化

，特意省略了这些特征。此外，尽管图3将HVAC、 制冷或液体冷却系统300示为具有连接在单个制冷电路中的一个压缩机，但 是应理解系统300可以具有连接到一个或多个制冷电路的每一个中的、由单 个VSD或多个VSD供电的多个压缩机。 优选地，控制面板308、微处理器或控制器可以向VSD 104提供控制信 号，以控制VSD104(和可能地电动机106)的操作，从而提供依赖于控制面板 308所接收的具体传感器读数的VSD 104和电动机106的最优操作设置。例 如，在图3的制冷系统300中，控制面板308可以调整VSD 104的输出电压 和频率以与制冷系统中的变化条件对应，即控制面板308可以响应于压缩枳i
302的负载条件的增加或降低而增加或降低VSD 104的输出电压和频率，以 获得所希望的电动机106的运行速度和所希望的压缩才几302的负载输出。
返回参考图2,变流器202可以是耦接到DC链路204的传统二极管或 可控硅整流器。在另一例子中，变流器202可以是具有绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)的脉宽调制升压变流器或整流器，以向DC链路204提供升压的DC 电压来获得比VSD 104的标称RMS基频输入电压高的、来自VSD 104的最 大基频RMS输出电压。在本发明的优选实施例中，VSD 104可以提供比才是供 给VSD 104的固定标称基频RMS输入电压高的最大输出电压和比提供给 VSD 104的固定标称基频RMS输入频率大的最大基频RMS输出频率。此外， 应理解VSD 104可以包含与图2中所示的组件不同的组件，只要VSD 104可 以向电动机106提供适当的输出电压和频率即可。
此外，有源变流器或整流器202可以用于在AC输入电压的降低(也被称 为电压衰落)期间增进VSD 104的穿越性能。可以控制有源变流器或整流器 202向DC链路204提供独立于AC输入电压的期望或预定输出电压。通过提 供不依赖于AC输入电压的DC电压，有源变流器或整流器202(以及VSD 104) 不受AC输入电压中的电压衰落的影响，从而为VSD 104提供了改进的穿越 性能。即使AC输入电压已经衰落，有源变流器或整流器202也可以继续向 DC链路204提供期望的DC电压。有源变流器或整流器202的该性能使得 VSD 104在AC输入电压衰落期间能够无中断地继续运行或穿越。
作为改进冷却系统中的穿越的进 一 步的装置，当有源变流器或整流器 202在电压衰落期间达到其电流限制时，压缩机控制单元(未示出)激励压缩机 302的机械卸载设备，以最小化来自DC链路电容器208的机械负载所消耗的 功率。而且，在压缩机控制单元断开机械负载连接的几乎同时，逆变器控制 单元(未示出)承担对DC链路电压的控制，并且控制电动机速度，以使得从存 储在电动机106的旋转体中的能量向DC链路电容器208传递能量。电动机 速度在穿越期间降低，而DC链路电压保持在额定电压或其附近。如果在线
路输入电压恢复到正常范围之前存储在旋转体中的能量充分耗尽，则该系统 最终停止，以防止对冷却系统的组件造成损害。如果线路输入AC电压'恢复
到正常输入AC电压的预定范围内，则逆变器206恢复对HVAC&R的控制系 统所需的电动机106的速度的控制，并且变流器202恢复对DC链路204的 DC电压的调整，直到发生下一次电压衰落。
如下面将更详细讨论的，电子变压器108包括四个功率半导体开关(未示 出)，诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或MOSFET。优选地，电子变压器108 被配置为转换来自DC链路的DC电压以向辅助设备110提供单相120伏、 60Hz的AC控制电力。如果辅助设备110包括用于泵和电扇的三相电动机， 则电子变压器108可以被配置为提供三相电力，并且如果需要，可以提供不 同的固定电压和固定频率。将电子变压器108设置为固定输出电压和频率， 并且一旦进行了设置就不再调节输出电力的电压或频率。
在本发明的优选实施例中，VSD 104包括预充电结构，用于对连4妄到DC 链路的电容器进行预充电。参考图4，使用图4中所示的有源变流器或整流 器模块202来控制对DC链路204的电容器208的预充电。有源变流器或整 流器模块202包括三对(每个输入相一对)功率开关或晶体管。有源变流器或整 流器模块202还包括相应的控制连接(为了简化而未示出)，以与下面对电子变 压器108描述的方式类似的方式来控制功率开关的切换。在有源变流器或整 流器202的优选实施例中，如下面详细讨论的，功率开关是由脉宽调制技术 来控制的IGBT功率开关，以为DC链路204生成所期望的输出电压。优选 地，有源变流器或整流器模块202可以作为升压整流器来工作，以向DC链 路204提供升压的DC电压，从而获得比VSD 104的输入电压高的、来自VSD 104的输出电压。
在有源变流器或整流器202中，每对功率开关中的一个功率开关是连接 到反向或反并联(anti-parallel)二极管452的IGBT 450。当VSD 104以脉宽调 制模式运行时，在截止另一功率开关IGBT454之后，使用反向或反并联二极 管452来传导电流。如图4中所示，IGBT450和反向二极管452被连接在电 路保护设备和三相线路电感器416的输出以及DC总线412的负汇流条 (negative rail)之间。然而，在本发明的另一实施例中，多个IGBT450和反向 二极管452可以被连接在电路保护设备和三相线路电感器416的输出以及DC 总线412a的正汇流条之间，如图6中所示。电路保护设备416可以包括电感
器、断路器、保险丝和用于保护连接到设备416的负载侧的VSD电路组件的 其它装置。
功率开关对中的另一功率开关是反向阻断IGBT 454，即该IGBT 454能 够阻断反向以及正向的电压。反向阻断IGBT 454连接到反向或反并联IGBT 456,该反并联IGBT456也是反向阻断IGBT。于是，在预充电操作期间，优 选地控制反并联IGBT 456 ，以仅允许较'J、的涌入(inrush)电流脉冲到达DC链 路。在完成预充电操作之后，可以控制反并联IGBT456总是导电，这与反并 联二极管452类似。反向阻断IGBT 454阻断正发射才及-集电极电压，该电压 近似等于在IGBT 454上出现的峰值线-线电压，只要为了预充电的目的而延 迟反并联IGBT 456的导电。
在有源变流器202的可选实施例中，如图6中所示，逆变器包括每相三 个功率开关。每相三个功率开关中的每一个由不能阻断连接到反向或反并联 二极管452的反向电压的传统IGBT 450组成。该功率开关中的两个以反向串 联结构连接在电路保护设备和三相线路电抗器416的输出与正汇流条之间。 在每相中，然后在预充电搡作期间优选地控制最上面的功率开关At。p,以允 许仅有较d、的涌入电流脉冲通过中间的反向串联功率开关Amid反向二极管而 到达DC链路204。在预充电操作完成之后，可以控制第一功率开关A啤总是 导电，这与反并联二极管452类似。每相的第三功率开关Ab。t被连接在电路 保护设备和三相线路电抗器416的输出与负汇流条之间。
参考图4，在变流器202的另一实施例中，用可控碳化硅整流器(SiCCR) 来代替反并联IGBT 456。反向阻断IGBT45A反并联到该SiCCR。于是，在 预充电操作期间优选地控制SiCCR,以允许仅有较小的涌入电流脉冲到达DC 链路204。在预充电操作完成之后，可以控制SiCCR总是导电，这与反并联 二极管452类似。只要为了预充电的目的而延迟SiCCR的导电，则反向阻断 IGBT454就阻断正发射极-集电极电压，该电压近似等于在IGBT454两端的 峰值线-线电压。此外，当如传统二极管那样工作时，SiCCR不显示反向恢复 现象或特性。通过只要在同一相中的IGBT 450导通时即防止在SiCCR中流 动明显的反向电流，SiCCR中不存在反向恢复特性防止了在SiCCR中发生明 显的反向恢复损失。
当对DC链路进行预充电时，在优选的实施例中，电子变压器108包括 连接到输入AC电源102的三相Ll、 L2、 L3中的任意两相的一对二极管430。
当有源变流器或整流器不工作或正对DC链路204进行预充电时，该配置使 得立即向控制电路提供电力。二极管430连接到电子变压器的DC总线440， 以将输入的AC电压102转换成当对变流器202的DC链路204进行预充电 时的DC总线440的DC电压。在预充电期间，二极管432阻断从DC总线 440到DC链路202的电流流动。在DC链路204的预充电完成并且使能了有 源变流器202之后，DC链路202的升压的DC电压高于二极管430提供的 DC电压，使得DC电流从DC链路204向DC总线440流动。因而，当DC 链路204的电压超过输入AC电压的峰值时，二极管430反向偏置，并且它 们停止向DC总线440传导电流。二极管430还将DC链路与输入AC线路 102隔离。优选地，电容器442被连接为跨越DC总线440，以对DC电力进 行滤波，并为电子变压器108存储能量。可以包括未示出的附加二极管430， 以允许当有源变流器或整流器不工作时三相AC电源向电子控制变压器"^是供 电压。
电子变压器108本质上是将DC总线440的DC电压转换成用于上述辅 助设备110的控制电压(典型地为120伏、60Hz的电力)的逆变器。电子变压 器108具有四对功率开关或晶体管。每对功率开关中的一个功率开关是连接 到反向或反并联二极管446的IGBT444。反向或反并联二极管446用于在当 电子变压器108以脉宽调制模式运行时，另一功率开关(IGBT 444)截止后传 导电流。
如图4中所示，IGBT 444和反向二极管446被连接在DC总线440和电 变压器108的输出处的电感器460之间。电感器460和电容器C2形成^f氐通滤 波器，以滤出逆变器中的IGBT444和二极管446生成的切换频率。电子变压 器108通过使用调制方案在"导通"(或激活位置)与"截止"(或无效位置)之 间选择性地切换电子变压器108中的每个IGBT功率开关来转换DC总线440 上的DC电压，以从电子变压器108中获得所希望的AC电压和频率。通过 控制电路(未示出)，基于调制方案向IGBT功率开关提供选通(gate)信号或切 换信号，以在"导通"位置与"截止"位置之间切换IGBT功率开关。当切 换信号是"高"(即逻辑l)时，IGBT功率开关优选地处于"导通"位置，而 当切换信号是"氐，，(即逻辑O)时，其处于"截止"位置。然而，应当理解， IGBT功率开关的激活和无效可以基于切换信号的相反状态。
电容器C2可以被连接为跨越电感器460的负载端，以对电子变压器108的输出电压进行滤波，并且为充电时需要涌入电流的负载(诸如电磁阀和继电
器)存储电能。可选地，隔离变压器464可以被连接为跨越电子变压器108的 输出处的电容器462,以提供电隔离，例如将控制电路接地。如果需要该隔 离变压器464,则电感器460和电容器C2可以被连接到变压器464的负载侧。 这导致将较高的频率施加到变压器464的初级线圈，并且允许使用更小和更 1更宜的变压器464。
在本发明的另一方面中，在VSD 104中没有提供预充电结构。在DC链 路的涌入电流不明显的情况下，可能不需要控制DC链路的电容器的预充电。 参考图5，在该配置中，DC链路204直接连接到电子变压器108的DC总线 404。变流器模块202包括三对(每个输入相一对)功率开关或晶体管。变流器 模块202还包括如上所述的相应的控制连接，以控制功率开关的切换。功率 开关是由脉宽调制技术控制的IGBT功率开关，以为DC链路204生成所希 望的输出电压。优选地，变流器模块202可以作为升压整流器来工作，以向 DC链路204提供升压的DC电压，从而从VSD 104中获得比VSD 104的输 入电压高的输出电压。
在图5中所示的变流器模块202中，每对功率开关都是连接到反向或反 并联二极管452的IGBT 450。反向或反并联二极管452用于在当VSD 104以 脉宽调制模式运行时，在其它功率开关(IGBT450)截止之后传导电流。如图4 中所示，每对功率开关中的一组IGBT450和反向二极管452被连接在电路保 护设备和三相线路电抗器416的输出与DC总线412的负汇流条之间。每对 功率开关中的另 一组IGBT 450和反向二极管416被连接在电路保护设备和三 相线路电抗器416的输出与DC总线412的正汇流条之间。由于反并联二极 管452在一个方向总是导电的，所以它对于电容器208的预充电来说是不可 控的。
还修改图5中的电子变压器108的配置，以去除到AC输入线路102的 任何直接连接。电子变压器108的电容器442与DC链路204和VSD 104的 电容器、以及与电子变压器440的DC总线440并联连接。存在四对功率开 关以如关于图4的配置而描述的方式运行。类似地，如与上面在图4中所述 的一样地配置电感器460、电容器462和可选的隔离变压器464。
将电子变压器连接到DC链路204向冷却系统的辅助设备提供了额外的 穿越性能，当使用传统的线圈变压器时其不能获得该性能。如果在输入AC
电源102上发生电压衰落，则如上所述，只要存储在电动机106、压缩才几302 和/或有源变流器201的旋转体中的能量支撑DC链路204，就将电子变压器 108的输出电压保持在其额定的输出电压。因而，辅助设备(诸如控制面板、 泵、继电器和电流接触器)在电压衰落和扰动期间发生的故障不会危及冷却系 统的运行。
尽管已参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解， 在不背离本发明的范围的情况下，可以对本发明做出各种改变并且可以用等
价物来替换其元件。此外，在不背离本发明的基本范围的情况下可以做出许 多修改，以使本发明的教导适应具体的情形或材料。因而，本发明不意欲被 限于作为预期执行本发明的最佳模式而公开的具体实施例，相反，本发明将 包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种驱动系统，用于对具有不同电压需求的冷却系统的多个组件进行供电，该驱动系统包括变流器级，连接到AC电源，以接收具有固定输入AC电压和固定输入频率的输入AC电力，所述变流器级被配置为将所述固定输入AC电压转换成升压的DC电压，所述升压的DC电压比所述固定输入AC电压高；DC链路，连接到所述变流器级，所述DC链路被配置为对所述升压的DC电压进行滤波并且存储来自所述变流器级的能量；以及第一逆变器级，连接到所述DC链路，所述第一逆变器级被配置为转换来自所述DC链路的升压的DC电压，以向冷却系统的电动机提供具有可变电压和可变频率的输出电力，该可变电压具有在幅度上高于所述固定输入AC电压的最大电压，而该可变频率具有大于固定输入频率的最大频率；其中，所述第一逆变器级被配置为将通过所述第一逆变器级到所述DC链路级的能量流倒转方向，以响应于固定输入AC电压的降低而根据存储在连接到所述第一逆变器级的电动机的旋转体中的能量来传递电力，以保持DC链路的电压电平；以及连接到所述DC链路的第二逆变器级，该第二逆变器级被配置为将来自所述DC链路的升压的DC电压转换成用于冷却系统的至少一个组件的、具有固定输出AC电压和固定输出频率的辅助输出电源，所述固定输出AC电压低于所述固定输入AC电压；并且，其中，在所述固定输入AC电压出现暂时降低的情况下，保持所述第二逆变器级的固定输出AC电压和固定输出频率。
2. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中，所述变流器级是可控的，以 对所述DC《连^各进行预充电。
3. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中，所述第二逆变器级包括至少 四个功率半导体开关，其被配置为将所述升压的DC电压转换成固定输出AC 电压和固定输出频率。
4. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中，所述第一逆变器级和所述第 二逆变器级被放置在单个壳体中。
5. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中，所述第一逆变器级和所述第 二逆变器级被放置在分开的壳体中。
6. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中，所述辅助输出电源的固定输 出AC电压是120VAC,其固定输出频率是60Hz。
7. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中，所述第二逆变器级向控制面 板和配电板提供固定输出AC电力，并且至少一个辅助电组件被连接到所述 配电4反。
8. 根据权利要求8所述的驱动系统，其中，从包括下列的组中选择所述 至少一个辅助电组件泵、继电器、螺线管、加热器、电流接触器、风扇及 其组合。
9. 根据权利要求3所述的驱动系统，其中，所述第二逆变器级还包括一 电路，该电路用于在所述逆变器级对所述DC链路进行预充电的同时直接从 所述输入AC电力来提供DC电源。
10. 根据权利要求9所述的驱动系统，其中，所述第二逆变器级的电路 包括连接到所述输入AC电力的多个二极管和连接到所述DC链路的二极管。
11. 一种冷却系统，包括制冷电路，包括压缩机、冷凝器和连接在封闭制冷环中的蒸发器； 电动机，连接到压缩机以对压缩机进行供电；变速驱动器，连接到电动机，该变速驱动器被配置为接收具有固定输入 AC电压和固定输入频率的输入AC电力，并向所述电动机提供具有可变电压 和可变频率的输出电力，该可变电压具有在幅度上高于固定输入AC电压的 最大电压，并且所述可变频率具有大于固定输入频率的最大频率，该变速驱 动器包括变流器级，连接到提供AC电力的AC电源，该变流器级被配置为 将输入AC电压转换成升压的DC电压，所述升压的DC电压高于所述 固定输入AC电压，DC链^各，连接到所述变流器级，该DC链路被配置为对升压的DC 电压进行滤波并且存储来自变流器级的能量，和第一逆变器级，连接到所述DC链路，该第一逆变器级被配置将来 自DC链路的升压的DC电压转换成用于电动机的输出电力，该第一逆 变器级也被配置为将通过所述第一逆变器级到DC链路级的能量流倒转 方向，以响应于输入AC电压的降低而根据存储在电动机的旋转体中的 能量来传递电功率，以保持DC链路的电压电平；以及 电子控制变压器，连接到所述DC链路，该电子控制变压器被配置为将 来自所述DC链路的升压的DC电压转换成具有固定输出AC电压和固定输出 频率的辅助输出电源，该固定输出电压小于所述固定输入AC电压，其中， 在所述输入AC电压暂时降低的情况下，保持所述电子控制变压器的固定输 出AC电压和固定输出频率。
12. 根据权利要求11所述的冷却系统，其中，所述变流器级是可控的， 以对所述DC链路进行预充电。
13. 根据权利要求11所述的冷却系统，其中，所述电子控制变压器包括 至少四个功率半导体开关，其被配置为将所述升压的DC电压转换成固定输 出AC电压和固定输出频率。
14. 根据权利要求11所述的冷却系统，其中，所述第一逆变器级和所述 电子控制变压器被放置在单个壳体中。
15. 根据权利要求11所述的冷却系统，其中，所述第一逆变器级和所述 电子控制变压器被放置在分开的壳体中。
16. 根据权利要求11所述的冷却系统，其中，所述辅助输出电源的固定 输出AC电压是120VAC,而固定输出频率是60Hz。
17. 根据权利要求12所述的冷却系统，其中，所述电子控制变压器向控 制面板和配电板提供固定输出AC电力，并且至少一个辅助电组件被连接到 所述配电板。
18. 根据权利要求17所述的冷却系统，其中，从包括下列的组中选择所 述至少一个辅助电组件泵、继电器、螺线管、加热器、电流接触器、风扇 及其组合。
19. 根据权利要求12所述的冷却系统，其中，所述电子控制变压器还包 括一电路，该电路用于在所述逆变器级对所述DC链路进行预充电的同时直 接从所述输入AC电力来提供DC电源。
20. 根据权利要求11所述的冷却系统，其中，所述电子控制变压器的电 路包括连接到所述输入AC电力的多个二极管和连接到所述DC链路的二极 管。
21. —种用于为与冷却系统相关的至少 一个辅助设备供电的电子控制变 压器，该电子控制变压器包括 逆变器模块，用于转换DC电压以提供固定输出AC电压和固定频率， 从而为至少 一个辅助设备供电；所述逆变器模块具有多对功率开关，其中每对功率开关包括与二极管反 并联的绝缘栅双极型晶体管；输入DC连接，用于将电子控制变压器连接到变速驱动器的DC链路；以及输出AC连接，用于将至少一个辅助设备连接到所述逆变器模块。
22. 根据权利要求21所述的电子控制变压器，其中，所述逆变器模块可 由脉宽调制技术来控制。
23. 根据权利要求21所述的电子控制变压器，其中，所述多对功率开关 包括两对功率开关。
24. 根据权利要求21所述的电子控制变压器，还包括输入AC连接， 用于连接到用于对变速驱动器进行供电的输入AC电源，该输入AC连接还 包括一对变流二极管和反向阻断二极管，该变流二极管被配置为将来自所述 输入AC电源的输入AC电压调整成DC电压，并且所述反向阻断二极管被连 接在所述变流二极管和所述输入DC连接之间，以防止变速驱动器的预充电 电3各短3各。
25. 根据权利要求24所述的电子控制变压器，还包括输入电容器，被 连接为跨越所述输入DC连接，用于对所述DC输入进行滤波并存储电能。
26. 根据权利要求21所述的电子控制变压器，还包括输入电容器，被 连接为跨越所述输入DC连接，用于对所述DC输入进行滤波并存储电能。
27. 根据权利要求21所述的电子控制变压器，还包括隔离变压器，被 连接到所述输出AC连接，用于使负载电隔离。
28. 根据权利要求27所述的电子控制变压器，还包括滤波器电路，与 所述隔离变压器串联，其中该滤波器电路包括至少一个串联连接的电感器、 至少一个并联连接的电容器及其组合。
全文摘要
在冷却系统中，通过驱动压缩机电动机的变速驱动器的DC链路来对电子控制变压器进行供电。电子控制变压器将DC电压转换成60Hz的恒定120VAC，用于向与冷却系统相关的辅助电子设备提供电力。电子变压器包括四个半导体开关，以将DC电压转换成AC。在输入电压衰落期间，向VSD的DC链路传递存储在压缩机电动机中的能量。在电压衰落期间，电子控制变压器保持控制电压，并防止系统的辅助负载下降。冷却系统能够穿越该输入电压的衰落或中断。可以在VSD的输入处提供升压变流器，以增加穿越能力。
文档编号H02J9/06GK101351953SQ200680050366
公开日2009年1月21日 申请日期2006年12月14日 优先权日2006年1月3日
发明者哈罗德·R·施内茨卡, 穆罕麦德·科桑 申请人:约克国际公司