一种用于控制变频压缩机转速的变频器的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于控制变频压缩机转速的变频器，属于变频器技术领域。


背景技术：

2.变频压缩机以其高效率、低噪音、小型化等优点，广泛应用于冰箱、冷柜、用于食品展示的食品陈列柜、商用冰箱、空调等领域，其中的变频电路结构直接关系到整体变频压缩机的效率和性能。
3.现有用于控制变频压缩机转速的变频器，其典型结构一般为：带有一输入电路，通常设有ntc电阻、emi滤波器、电感器、整流桥、逆变桥和微控制器，其中的ntc电阻(负温度系数)用于限制浪涌电流；emi滤波器负责避免高频噪声返回电源线；电感器用于提高功率因数，限制变频器产生的电流谐波，并符合标准规定的限值；整流桥将交流电流转换为直流电，该直流电由一个母线电容过滤，该电容向一个逆变桥提供母线电压，从而产生一个施加在电机上的变频电压，以控制电机的转速。现有典型变频电路通常使用三相逆变桥，带有六个igbt或mos管类型的功率开关和一个并联电阻来测量施加到电机上的电流；而微控制器用于控制所述六个功率开关的开关状态，以便使电机各相之间的电压波形正确同步，从而创建必要的旋转磁场，以使压缩机转速保持受控状态。
4.对于现有的变频器技术，系统的效率是由变频器本身的损耗和电机的损耗决定的，其中部分电机损耗是由变频器感应到电机的。变频器的损耗主要分布在：输入回路中的 ntc电阻、用于控制谐波的无源pfc电感、输入端电桥、输出端逆变桥的功率开关和微控制器本身。电机的部分损耗是由于定子铁心内部的涡流，该涡流由电机线圈上母线电压的逆变pwm调制引起的。现有的变频器不足之处是存在浪涌电流较大，变频压缩机系统整体电损耗大、效率低的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了解决现有技术存在的用于变频压缩机的变频器整体电损耗大、效率低的问题，而提供一种结构简单，启动时浪涌电流小，电损耗较小，使用方便成本低的用于控制变频压缩机转速的变频器，且用于变频压缩机系统可提高相关联的变频电机、变频压缩机系统整体效率。
6.为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：提供一种用于控制变频压缩机转速的变频器，包括作为输入部分的emi滤波器和二极管整流桥，逆变桥，微控制器和低压电源，所述的emi滤波器与二极管整流桥连接，逆变桥与电机连接，低压电源与微控制器连接并向微控制器供电；
7.在所述的二极管整流桥与逆变桥之间增设了用于向电机各相提供电压的电压控制单元；所述的电压控制单元设有第一电容器c1、第一功率开关m1、电感器l1和第一二极管d1；所述的c1一端连接整流桥的输出端正极和m1的漏极，c1另一端连接参考电压0v端，同时与整流桥的输出端负极、d1的阳极a和母线电容器cbus连接；所述的m1的控制源极与l1的第
一端子连接，l1的第一端子与所述的d1的阴极k连接，l1的第二端子与cbus连接，使cbus承受母线电压vbus；
8.所述的微控制器分别与整流桥、m1、vbus、分流电阻rs、逆变桥中6个功率开关 sw1～sw6连接，微控制器用于接收来自电压控制单元的输入电压vin的信息，从vbus 接收信息，从rs接收电流irs信息，从逆变桥中接收每相电机的反电动势电压信息，及对m1提供控制信号，对逆变桥的6个功率开关sw1～sw6开关提供命令信号，以控制逆变桥的sw1～sw6的开与关；微控制器用于控制变频电路的电压、电路中rs的电流、转子位置和轴转速，向电压控制单元中的m1及逆变桥中sw1～sw6提供足够的控制信号用以控制电机转速进而控制变频压缩机的转速。
9.所述电机采用永磁变频电机，包括二相、三相或多相永磁变频电机。
10.本实用新型用于控制变频压缩机转速的变频器与现有的技术相比具有的优点是：
11.⑴
、本实用新型的变频器具有启动时低浪涌电流的特点，在变频器的启动通电时，即在通电的第一时刻，控制电压控制单元中的第一功率开关m1保持在断开状态，从而将浪涌电流限制为对emi滤波器及向电容器充电时所需要的很小峰值，对第一电容器 c1充电；所述的m1将pwm脉冲宽度从零逐渐增大到工作值，以保证母线电容器在一段时间内逐渐充电，可避免现有变频器启动时存在的大冲击电流的弊端，可大大降低变频器的冲击电流，也因此本变频器的电路中不需要设置负温度系数电阻ntc。
12.⑵
、由于本变频器的电路中不需要ntc电阻，可减少变频器电路电耗，可提高系统整体效率。以使用2000rpm和50w的轴功率驱动电机为例，可减少由ntc引起的损耗约占变频电路总损耗的25％。
13.⑶
、本实用新型的变频器设计时同时考虑到变频电路的损耗和电机性能，采用了低功率损耗的永磁变频电机，可减少电机的总损耗，提高电机效率，降低变频系统的总损耗、提高系统的功率因数率；同时可降低电机产生的总噪声、降低压缩机噪声。
14.⑷
、本实用新型的变频器具有低谐波的特点，能降低变频器输入端的谐波电流。本变频器的电压控制单元中第一功率开关m1的pwm调制是电机期望速度的函数，也是与输入电压vin和母线电压vbus差的函数，在电源线电压的每个电压周期内，扩大电流iin在变频电路输入端的导通时间，能显著降低流过电桥的电流最大峰值，降低变频器输入端电流的谐波，可提高变频器功率因数。
15.⑸
、本实用新型的变频器由于降低了应用在电机相位上的高频开关次数，因此消除了因pwm开关频率在电机上产生的高频噪声。本变频器具有结构简单，启动浪涌电流小，电损耗较小，使用方便成本低，运行时噪声较小等特点。
附图说明
16.图1为本实用新型用于控制变频压缩机转速的变频器结构示意图。
17.图2为现有采用永磁式变频电机的典型变频器结构示意图。
18.图3为本实用新型的变频器的浪涌电流(～9a)。其中电源230v/50hz。
19.图4为现有典型变频器的浪涌电流图(～40a)。其中电源230v/50hz。
20.图5为在1200转/分时本实用新型变频器系统与现有典型变频器系统效率比较。
21.图6为在2000转/分时本实用新型变频器系统与现有典型变频器系统效率比较。
22.图7为现有典型变频器输入电流的谐波图。
23.图8为本实用新型变频器输入电流的谐波图。
24.图9为现有典型变频器使用无源pfc电感的线电压和变频器输入电流。
25.图10为本实用新型的变频器线电压和变频器输入电流。
26.图11现有典型变频器采用focpwm控制的电机绕组上的线电压和电机的相电流。在50w/2000rpm下测试4极三相电机。
27.图12本实用新型的永磁电机绕组上的线电压和电机的相电流。在50w/2000rpm下测试4极三相永磁电机。
28.上述图中：1—emi滤波器；2—二极管整流桥；3—电压控制单元；4—逆变桥；5 —母线电压；6—电机；7—参考热地；8—微控制器；9—低压电源；10—无源pfc电感； 11—ntc电阻。
具体实施方式
29.下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型用于控制变频压缩机转速的变频器作简要的描述，同时对本实用新型的变频器与现有典型变频器的技术效果进行比较，但本实用新型的实施不限于此。
30.实施例1：本实用新型提供一种用于控制变频压缩机转速的变频器，其结构如图1 所示，本变频器包括作为输入部分的emi滤波器1和二极管整流桥2，电压控制单元3、逆变桥4，微控制器8和低压电源9，所述的emi滤波器、二极管整流桥、电压控制单元、逆变桥与电机6顺序连接，低压电源9与微控制器8连接并向微控制器供电。本实施例所用的电机为优选的三相永磁变频电机。
31.现有典型变频器的结构参见图2，包括在输入端设有ntc电阻11的emi滤波器1、无源pfc电感10、整流桥2，逆变桥4、微控制器8和低压电源9；图2中的微控制器用于从rs接收电流irs信息，以及对逆变桥的6个功率开关sw1～sw6开关提供命令信号。
32.参见图1，本实用新型的变频器是在现有典型变频器的基础上增设了电压控制单元 3，及去除了ntc电阻11和无源pfc电感10，这是本实用新型变频器与现有典型变频器中结构上的区别之一。
33.本实用新型的变频器是在二极管整流桥2与逆变桥4之间增设了用于向电机各相提供电压的电压控制单元3；所述的电压控制单元设有第一电容器c1、第一功率开关m1、电感器l1和第一二极管d1，所述的c1一端连接整流桥的输出端正极和m1的漏极，c1 另一端连接0v的参考热地7，同时与整流桥的输出端负极、d1的阳极a和母线电容器 cbus连接，所述的m1的控制源极与l1的第一端子连接，l1的第一端子与所述的d1 的阴极k连接，l1的第二端子与cbus连接，使cbus承受母线电压vbus；
34.所述的微控制器8分别与整流桥、m1、vbus、分流电阻rs、逆变桥中6个功率开关sw1～sw6连接，微控制器用于接收来自电压控制单元的输入电压vin的信息，从vbus 接收信息，从rs接收电流irs信息，从逆变桥中接收每相电机的反电动势电压信息，及对m1提供控制信号，对逆变桥的6个功率开关sw1～sw6开关提供命令信号，以控制逆变桥的sw1～sw6的开与关；微控制器用于控制变频电路的电压、电路中rs的电流、转子位置和轴转速，向电压控制单元中的m1及sw1～sw6提供足够的控制信号，用以控制电机转速进而控制变频压缩机
的转速。本实用新型中微控制器所控制的参数比现有典型变频器多，使变频器的性能比现有典型变频器具有显著的优势，能更稳定地控制变频压缩机的转速。这也是本实用新型变频器与现有使用的典型变频器的关键区别。
35.本实用新型用于控制变频压缩机转速的变频器与现有典型变频器使用效果对比可参见图3～12。
36.图3与图4是变频器启动时产生的浪涌电流峰值图，在电源同为230v/50hz时，从图3可见，本实用新型变频器启动的浪涌电流小于10a。从图4可见，现有典型变频器在启动步骤中观察到的浪涌电流峰值为～40a。也由此可见本实用新型的变频器不需要设置ntc电阻，本实用新型的变频器也没有由ntc电阻引起的损耗。
37.图5、6显示的曲线分别为在1200转/分、2000转/分时，在使用相同电机和相同类型功率装置的条件下，本实用新型的变频器与现有典型变频器在变频压缩机系统中永磁电机的效率比较。从图可见，使用本实用新型变频器，总体系统效率可以提高1％到2％。
38.图7、图8分别为现有典型变频器与本实用新型变频器输入电流的谐波图。所示现有变频器谐波失真约为100％；本实用新型变频器输入电流的谐波失真约为26％，可见本实用新型变频器的谐波失真更低。
39.图9、图10分别为现有典型变频器与本实用新型变频器的线电压和变频器输入电流。图10中所示的本实用新型的变频器与现有典型变频器图9的0.309arms相比，本实用新型的输入电流(iin)更低，为0.251arms，这使得使用本实用新型变频器的功率因数在0,88范围内，高于约在0,69的现有典型变频器。
40.图11、图12分别为现有典型变频器与本实用新型变频器的永磁电机绕组上的线电压和电机的相电流。在50w/2000rpm下测试4极三相永磁电机。本实用新型变频器的电路向电机绕组施加了一个更低的电压(vu
‑
vv)，并且消除了pwm调制，消除了电机叠片中的涡流损耗，及避免了逆变桥sw1～sw6功率开关的器件损耗。
41.本实用新型的变频器具有较低浪涌电流和输入端电流的谐波。本变频器结构简单，运行时电损耗较小，可提高系统整体效率，变频器功率因数高，使用方便成本低。