本发明涉及变频空调器控制，特别是涉及用于变频空调器的电源转换装置及其控制方法。
背景技术：
在变频空调器中，一般通过交直交电源变换，通过整流逆变向变频压缩机提供驱动信号，在电源变换过程中，其电流和电压之间会出现相位差，导致电能质量下降，并且会产生交换功率损失。
针对这一问题，现有技术中出现了功率因数校正(powerfactorcorrection，简称pfc)技术。pfc技术一般分为无源pfc和有源pfc。其中目前变频空调器生产厂家一般使用的是无源pfc，其主要技术手段为在r、s、t三相电源各相并、串联特定参数lc电路(电容器与电感器的组合)，强迫电流相位偏移，使得电流相位跟随电压相位，提高功率因数。
无源pfc的缺点为电感体积大，参数需要随负载改变，一旦确定，难以进行修改，部分次数的谐波较难通过。电流波形还存在大量谐波。整流输出的母线电压不能升高和稳压，且随空调器制冷、制热等模式变化，负载非线性、离散化而波动较大。
有源pfc的功率因数可以达到0.999或更高，thdi(totalharmoniccurrentdistortion，总谐波电流有效值)可以小于5％，各次谐波能满足国标要求，并且扩大压缩机的转矩范围，即增大空调器的带负载能力，但是由于有源pfc技术难度大，信号处理过程复杂成本高，目前很少空调厂家采用该技术。
技术实现要素：
本发明的一个目的是要提供一种电流谐波小，输出电压稳定的用于变频空调器的电源转换装置及其控制方法。
本发明一个进一步的目的是要减小电源转换装置信号处理的复杂程度。
特别地，本发明提供了一种用于变频空调器的电源转换装置，其包括：交流电源输入电路，用于连接外部的三相交流电源；整流电路，与交流电源输入电路连接，用于受控地对三相交流电源进行整流；交流电流采集电路，用于采集三相交流电源的输入电流信号；交流电压采集电路，用于采集三相交流电源中输入电压信号；直流电压采集电路，用于采集经整流电路整流后的输出电压信号；数字信号处理器，用于分别根据输入电流信号、输入电压信号、输出电压信号计算得出三相交流电源的输入电流值、输入电压值以及整流电路的输出电压值，并利用参考电压值以及输入电流值、输入电压值、输出电压值进行实时反馈计算，以根据反馈计算结果向整流电路提供控制信号，使得整流电路的输出电压稳定于参考电压值，以及使得三相交流电源的输入电流相位跟随三相交流电源的输入电压相位，其中参考电压为预先设定的整流电路输出电压目标值；以及逆变电路，将整流电路输出的直流电逆变为驱动变频空调器的压缩机的驱动电源。
可选地，交流电流测量电路包括：串接于三相交流电源的供电线路中两相的电流传感器，以及与电流传感器分别连接的两组信号跟随器；交流电压测量电路包括：分别用于对三相交流电源的两组线电压进行处理的两组信号放大器；数字信号处理器，与两组信号跟随器以及两组信号放大器的输出端分别连接，并配置成根据三相交流电源的两相电流信号计算得出三相交流电源的三相输入电流值，根据三相交流电源的两组线电压计算得出三相交流电源的三相输入电压值。
可选地，数字信号处理器还配置成：进行第一比例微分积分调节以及相应的第一信号变换，以使得整流电路的输出电压稳定于参考电压值并得到三相电流设定值，第一比例微分积分调节以输出电压信号作为反馈信号，并且参考电压值作为目标信号；进行第二比例微分积分调节以及相应的第二信号变换，使得三相交流电源的输入电流相位跟随三相交流电源的输入电压相位并得到三相电压设定值，第二比例微分积分调节以输入电流信号作为反馈信号，并且三相电流设定值作为目标信号。
可选地，整流电路为三相全桥pwm整流电路；并且数字信号处理器，还配置成根据三相电压设定值计算三相全桥pwm整流电路各桥臂的通断时间和占空比，并按照通断时间和占空比向各桥臂的开关器件提供相应的控制信号。
可选地，上述电源转换装置还包括：三相电抗器，串接于三相交流电源的供电线路中；以及母线电容器，并联于整流电路的输出端。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于变频空调器的电源转换装置的控制方法，其中电源转换装置包括：交流电源输入电路，用于连接外部的三相交流电源；整流电路，与所述交流电源输入电路连接，用于受控地对三相交流电源进行整流；交流电流采集电路，用于采集三相交流电源的输入电流信号；交流电压采集电路，用于采集三相交流电源中输入电压信号；直流电压采集电路，用于采集经整流电路整流后的输出电压信号；逆变电路，将整流电路输出的直流电逆变为驱动变频空调器的压缩机的驱动电源，并且控制方法包括：分别根据输入电流信号、输入电压信号、输出电压信号计算得出三相交流电源的输入电流值、输入电压值以及整流电路的输出电压值；利用参考电压值以及输入电流值、输入电压值、输出电压值进行实时反馈计算，参考电压为预先设定的整流电路输出电压目标值；根据反馈计算结果向整流电路提供控制信号，使得整流电路的输出电压稳定于参考电压值，以及使得三相交流电源的输入电流相位跟随三相交流电源的输入电压相位。
可选地，进行实时反馈计算的步骤包括：进行第一比例微分积分调节以及相应的第一信号变换，以使得整流电路的输出电压稳定于参考电压值并得到三相电流设定值，第一比例微分积分调节以输出电压信号作为反馈信号，并且参考电压值作为目标信号；进行第二比例微分积分调节以及相应的第二信号变换，使得三相交流电源的输入电流相位跟随三相交流电源的输入电压相位并得到三相电压设定值，第二比例微分积分调节以输入电流信号作为反馈信号，并且三相电流设定值作为目标信号。
可选地，整流电路为三相全桥pwm整流电路；并且根据反馈计算结果向整流电路提供控制信号的步骤还包括：根据三相电压设定值计算三相全桥pwm整流电路各桥臂的通断时间和占空比，并按照通断时间和占空比向各桥臂的开关器件提供相应的控制信号。
可选地，向各桥臂的开关器件提供相应的控制信号的步骤包括：按照通断时间和占空比更新pwm比较寄存器，以按照pwm比较寄存器的比较值输出调制后的pwm控制信号。
可选地，在进行实时反馈计算的步骤之前还包括：判断电源转换装置是否开启功率因数校正功能，并仅在开启所述功率因数校正功能的情况下，才执行实时反馈计算的步骤。
本发明的用于变频空调器的电源转换装置及其控制方法，采用了有源功率校正技术，采集三相交流电源的各相的输入电流和输入电压，以及整流后的直流电压，利用这些信号对整流电路进行实时反馈控制，使得整流电路的输出电压稳定于参考电压值，以及使得三相交流电源的输入电流相位跟随三相交流电源的输入电压相位。在进行反馈控制的过程中，实时根据电路的工作状态进行实时调节，可以保证功率因数接近于1，并且谐波含量小。
进一步地，本发明的用于变频空调器的电源转换装置，通过对交流电流采集电路、交流电压采集电路进行改进，减小了电路的复杂程度，简化了采集信号，减少了采样误差，节省了硬件成本。
更进一步地，本发明的用于变频空调器的电源转换装置，有效地保证了整流输出电压持续稳定于给定值，扩大压缩机的转矩范围，增大空调器的带负载能力。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的用于变频空调器的电源转换装置的示意性结构框图；
图2是根据本发明一个实施例的用于变频空调器的电源转换装置的电路示意图；
图3是根据本发明一个实施例的用于变频空调器的电源转换装置的控制方法的示意图；
图4是根据本发明一个实施例的用于变频空调器的电源转换装置的控制方法中进行反馈控制的控制原理图；以及
图5是根据本发明一个实施例的用于变频空调器的电源转换装置的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的用于变频空调器的电源转换装置100的示意性结构框图。该用于变频空调器的电源转换装置100一般性地可以包括：交流电源输入电路110、整流电路120、交流电流采集电路130、交流电压采集电路140、直流电压采集电路150、数字信号处理器160、逆变电路170。
交流电源输入电路110，用于连接外部的三相交流电源，在本实施例，三相分别标识为r相、s相、t相。该三相交流电源可以一般通过外部电网获得。
整流电路120，与交流电源输入电路110连接，用于受控地对三相交流电源进行整流。整流电路120可以优选采用三相全桥pwm整流电路120，其每个桥臂包括一个igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)，以及相应的并联的续流二极管。
交流电流采集电路130，用于采集三相交流电源的输入电流信号。交流电压采集电路140，用于采集三相交流电源中输入电压信号。直流电压采集电路150，用于采集经整流电路120整流后的输出电压信号。数字信号处理器160可以根据输入电流信号计算得出三相交流电源的输入电流值；根据输入电压信号计算得出三相交流电源的输入电压值；根据输出电压信号计算得出整流电路120的输出电压值。
为了减少信号采集量，减少电路的复杂程度，交流电流测量电路可以串接于三相交流电源的供电线路中两相的电流传感器，以及与电流传感器分别连接的两组信号跟随器。交流电压测量电路包括：分别用于对三相交流电源的两组线电压进行处理的两组信号放大器。数字信号处理器160，与两组信号跟随器以及两组信号放大器的输出端分别连接，并配置成根据三相交流电源的两相电流信号计算得出三相交流电源的三相输入电流值，根据三相交流电源的两组线电压计算得出三相交流电源的三相输入电压值。由于三相电源在平衡的状态下，三相电压和三相电流均处于平衡状态，数字信号处理器160可以通过两路相电流信号、两路线电压信号通过计算得出三相电压值和三相电流值，相比于现有技术中常用的六路采集信号，减少了两路。
数字信号处理器160在计算得出三相交流电源的输入电流值、输入电压值以及整流电路120的输出电压值之后，还可以利用参考电压值以及输入电流值、输入电压值、输出电压值进行实时反馈计算，以根据反馈计算结果向整流电路120提供控制信号，使得整流电路120的输出电压稳定于参考电压值，以及使得三相交流电源的输入电流相位跟随三相交流电源的输入电压相位，其中参考电压为预先设定的整流电路120输出电压目标值。在本实施例中，数字信号处理器160可以使用dsp或者其他具有一定计算能力，并且输入输出接口(i/o)满足要求的器件。
数字信号处理器160的反馈控制算法可以使用双重比例微分积分反馈(pid)算法，例如数字信号处理器160可以首先进行第一比例微分积分调节以及相应的第一信号变换，以使得整流电路120的输出电压稳定于参考电压值并得到三相电流设定值，然后进行第二比例微分积分调节以及相应的第二信号变换，使得三相交流电源的输入电流相位跟随三相交流电源的输入电压相位并得到三相电压设定值。其中第一比例微分积分调节以输出电压信号作为反馈信号，并且参考电压值作为目标信号；第二比例微分积分调节可以使用输入电流信号作为反馈信号，并且三相电流设定值作为目标信号。
在整流电路120使用三相全桥pwm整流电路120的情况下，数字信号处理器160还可以根据三相电压设定值计算三相全桥pwm整流电路120各桥臂的通断时间和占空比，并按照通断时间和占空比向各桥臂的开关器件提供相应的控制信号逆变电路170，将整流电路120输出的直流电逆变为驱动变频空调器的压缩机的驱动电源。
逆变电路170，将整流电路120输出的直流电逆变为驱动变频空调器的压缩机的驱动电源。逆变电路170可以根据空调器
另外，本实施例的电源转换装置还包括三相电抗器以及母线电容器，三相电抗器串接于三相交流电源的供电线路中，母线电容器并联于整流电路120的输出端，从而利用电抗器和电容器进行储能、放能。
图2是根据本发明一个实施例的用于变频空调器的电源转换装置100的电路示意图。在该实施例中，三相交流电r、s、t分别通过三相电抗器lr、ls、lt连接至整流电路120，其中r相中串接有第一电传感器car，s相中串接有第二电传感器cas，第一电传感器car和第二电传感器cas分别将r相、s相中经过的电流转换为电压信号。运算放大器op3以及电阻r9、r10构成第一信号跟随器，对r相电流对应的电压信号进行隔离，并提高输入阻抗，输出对应的第一交流电流信号ir。运算放大器op4以及电阻r11、r12构成第二信号跟随器，对s相电流对应的电压信号进行隔离，并提高输入阻抗，输出对应的第二交流电流信号is。
运算放大器op1以及电阻r5、r6、r7构成第一信号放大器，其输入端分别通过电阻r1、r3连接至r相、t相，从而对r相t相的线电压进行检测，从而对r相t相的线电压信号进行隔离，并提高输入阻抗，输出对应的第一交流电压信号vtr。其中电压vref1为运算放大器的参考电压。
运算放大器op2以及电阻r8构成第二信号放大器，其输入端分别通过电阻r2、r4连接至s相、r相，从而对r相s相的线电压进行检测，从而对r相s相的线电压信号进行隔离，并提高输入阻抗，输出对应的第二交流电压信号vrs。
电阻r13、r14对整流电路120输出的母线电压进行分压，得到反映经整流电路120整流后的母线电压的输出电压信号vdc。
第一交流电流信号ir、第二交流电流信号is、第一交流电压信号vtr、第二交流电压信号vrs、输出电压信号vdc，分别连接至数字信号处理器160的模拟信号输入接口，由数字信号处理器160进行采样，转换为数字信号并进行计算，从而得到r、s、t三相各自的实际相电压vr、vs、vt，r、s、t三相各自的实际相电流ir、is、iv；整流电路120输出电压vdc。
数字信号处理器160对上述信号按照预设的反馈控制方法进行运算，按照按spwm(正弦脉宽调制，sinusoidalpulsewidthmodulation)规律，向整流信号输出六路控制信号pwm1至pwm6。
整流电路120采用三相全桥pwm整流电路，其中每个桥臂包括一个igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)，以及相应的并联的续流二极管。其中q1和d1构成r相的上桥臂，q3和d3构成s相的上桥臂，q5和d5为构成t相的上桥臂，q2和d2构成r相的下桥臂，q4和d4构成s相的下桥臂，q5和d5为构成t相的下桥臂。六路控制信号pwm1至pwm6分别用于控制q1至q6，使这六个igbt按照控制信号通断，使r、s、t三相电流按一定规律经过电抗器lr、ls、lt、q1至q6及续流二极管d1至d6，母线电容器c1，在电抗器lr、ls、lt内储存能量和释放能量，从而使r、s、t三相电流相位实时跟随对应相电压的相位，提高功率因数和提高且稳定整流电路120的输出电压。
本实施例还提供了一种用于变频空调器的电源转换装置100的控制方法，该控制方法可以用于控制上述任一实施例的电源转换装置，图3是根据本发明一个实施例的用于变频空调器的电源转换装置100的控制方法的示意图，该用于变频空调器的电源转换装置100的控制方法一般性地可以包括：
步骤s302，分别根据输入电流信号、输入电压信号、输出电压信号计算得出三相交流电源的输入电流值、输入电压值以及整流电路120的输出电压值；
步骤s304，利用参考电压值以及输入电流值、输入电压值、输出电压值进行实时反馈计算，参考电压为预先设定的整流电路120输出电压目标值；
步骤s306，根据反馈计算结果向整流电路120提供控制信号，使得整流电路120的输出电压稳定于参考电压值，以及使得三相交流电源的输入电流相位跟随三相交流电源的输入电压相位。
步骤s304可以采用双反馈环的pid算法，具体过程可以为：首先进行第一比例微分积分调节以及相应的第一信号变换，以使得整流电路120的输出电压稳定于参考电压值并得到三相电流设定值，然后进行第二比例微分积分调节以及相应的第二信号变换，使得三相交流电源的输入电流相位跟随三相交流电源的输入电压相位并得到三相电压设定值。第一比例微分积分调节以输出电压信号作为反馈信号，并且参考电压值作为目标信号；第二比例微分积分调节以输入电流信号作为反馈信号，并且三相电流设定值作为目标信号。
整流电路120为三相全桥pwm整流电路的情况下，步骤s306还可以根据三相电压设定值计算三相全桥pwm整流电路各桥臂的通断时间和占空比，并按照通断时间和占空比向各桥臂的开关器件提供相应的控制信号。具体的控制信号提供方式为：按照通断时间和占空比更新pwm比较寄存器，以按照pwm比较寄存器的比较值输出调制后的pwm控制信号。
另外，在进行实时反馈计算的步骤之前还包括：判断电源转换装置是否开启功率因数校正功能，并仅在开启所述功率因数校正功能的情况下，才执行实时反馈计算的步骤。
图4是根据本发明一个实施例的用于变频空调器的电源转换装置100的控制方法中进行反馈控制的控制原理图。
输出电压信号vdc以及设定的参考电压值vref以及r、s、t三相经过测量计算得出的实际相电压vr、vs、vt经过第一pid调节以及相应的第一变换后，得到r、s、t三相的电流设定值iref_r、iref_s、iref_t。该第一pid调节作为整流电路120电压调节的外环反馈控制，保证整流电路120的输出电压vdc稳定保持于设定的参考电压值vref。
r、s、t三相经过测量计算得出的实际相电流ir、is、iv；以及相电压vr、vs、vt经过第二pid调节以及相应的第二变换后，得到r、s、t三相各自的相电压的参考目标值vpwm_r、vpwm_s、vpwm_t。该第二pid调节作为三相相电流ir、is、iv调节的内环反馈控制，实时调整ir、is、iv的相位，使其分别跟随对应相电压vr、vs、vt的相位，从而使得功率因数提高，接近于1。并且由于三相相电流ir、is、iv的波形保持了正弦波形，可以大大减小三相电源各相的谐波成分和含量。
参考目标值vpwm_r、vpwm_s、vpwm_t作为输入，经过spwm调制，计算的整流电路120三相对应桥臂的通断时间tr、ts、tv，以及占空比d1、d2、d3，其中占空比的计算公式为：
在该公式中，x代表相，取值为r、s、t，vo为直流输出电压，l、r为系数，vdc-为整流电路120的输出电压的基准。
经过spwm调制，输出的驱动信号控制信号pwm1至pwm6分别用于控制q1至q6，使这六个igbt按照控制信号通断，其中pwm1和pwm2、pwm3和pwm4、pwm5和pwm6、分别互补，也即当一相的上桥臂接通时，其下桥臂相应关断。在初始状态下，q1至q6均为断开状态，数字信号处理器160根据占空比d1、d2、d3提供整流电路120igbt的通断的pwm信号。
根据本实施例的用于变频空调器的电源转换装置100的控制方法中进行反馈控制原理，控制所需的测量信号(包括ir、is、iv、vr、vs、vt、vdc)均来自于交流电流采集电路130、交流电压采集电路140、直流电压采集电路150这几部分硬件电路，最终输出的控制信号pwm1至pwm6压采集提供给整流电路120。
当pwm信号为高电平，其对应桥臂的igbt导通，互补对应桥臂的igbt关断。以r相为例，，当q2导通，电流从r相q2，流经d4或d6，达到s相或t相及其对应的电抗器。电抗器电流上升，储存能量，当q2关断，电抗器电流下降，将储存的能量通过d4或d6转移到电容组内，供负载使用，然后到达s相或t相。通过调节pwm信号的占空比，使三相输入电流与对应的输入电压同相位，并使整流电路120输出电压升高到一个恒定值。
图5是根据本发明一个实施例的用于变频空调器的电源转换装置100的控制方法的流程示意图；该实施例的控制方法可以依次执行以下步骤：
步骤s502，进入pwm中断入口；
步骤s504，读取经过adc的采样结果；
步骤s506，进行采样数据处理，得出三相电流值、三相电压值、整流电路120输出电压值；
步骤s508，进行保护处理，检测三相电流值、三相电压值、整流电路120输出电压值是否异常，并在异常时启动保护；
步骤s510，判断是否开启pfc功能，若是继续执行步骤s512及后续步骤，若否则退出中断，结束控制；
步骤s512，进行电压环反馈控制计算；
步骤s514，进行电流环参考值计算；
步骤s516，进行电流环反馈控制计算；
步骤s518，计算pwm比较寄存器值；
步骤s520，退出中断，结束控制。
本实施例的控制方法采用双环pid反馈控制，内环进行电流相位调节，外环进行整流电压调节。在开启功率因数校正功能后，将采集的模拟信号进行adc(模拟数字转换)，并对采样数据进行处理。然后进行输入电流、输入电压，输出电压异常和功率模块温度异常等保护检测。
当收到pfc开启指令后，首先计算电压外环，再计算电流内环，最后算出pwm比较寄存器的比较值。数字信号处理器160根据实时更新的pwm比较寄存器的比较值和固定的周期值，得出控制igbt的驱动pwm信号。
本实施例的用于变频空调器的电源转换装置100及其控制方法，采用了有源功率校正技术，采集三相交流电源的各相的输入电流和输入电压，以及整流后的直流电压，利用这些信号对整流电路120进行实时反馈控制，使得整流电路120的输出电压稳定于参考电压值，以及使得三相交流电源的输入电流相位跟随三相交流电源的输入电压相位。在进行反馈控制的过程中，实时根据电路的工作状态进行实时调节，可以保证功率因数接近于1，并且谐波含量小。而且本实施例的用于变频空调器的电源转换装置100及其控制方法通过对交流电流采集电路130、交流电压采集电路140进行改进，减小了电路的复杂程度，简化了采集信号，减少了采样误差，节省了硬件成本。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。