一种母线电压控制装置、电机驱动系统和空调系统

摘要

本发明公开了一种电机驱动系统的母线电压控制装置、电机驱动系统和空调系统，该装置包括：电压幅值提升单元，设置在交流电源的输出侧与整流单元的输入侧之间，被配置为对整流单元的输出侧的母线电压平均幅值进行提升处理。该方案，通过在电机驱动系统中，采用薄膜电容作为直流母线电容，并使母线电压平均幅值升高，从而提高母线电压。

说明书

技术领域

本发明属于电源控制技术领域，具体涉及一种电机驱动系统的母线电压控制装置、电机驱动系统和空调系统，尤其涉及一种用于提高小母线电容驱动系统母线电压的电路、具有该电路的电机驱动系统、以及具有该电机驱动系统的空调系统。

背景技术

电机驱动系统，如变频空调驱动系统，通常采用AC(交流)-DC(直流)-AC型驱动器，即电网交流电源经过整流二极管及母线电容后变为直流电，再通过三相逆变器产生电压驱动电机工作。在这个电能转化的过程中，输入侧和输出侧的电压幅值和频率都是不同的，因此需要直流母线电容来对能量进行储存。其中，此处的输入侧指的是整个驱动系统的输入侧，即交流电源的输出侧。输出侧指的是逆变器的输出侧。

大容量的直流母线电容能够储存较多能量，因此母线电容通常选择体积较大容值较大的铝电解电容。但是，在电机驱动系统中，采用电解电容作为直流母线电容，会增大电机驱动系统的体积；若采用体积较小的薄膜电容作为直流母线电容，则会使母线电压波动较大从而导致母线电压降低。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种电机驱动系统的母线电压控制装置、电机驱动系统和空调系统，以解决在电机驱动系统中，若采用薄膜电容作为直流母线电容，会使母线电压波动较大而导致母线电压降低的问题，达到通过在电机驱动系统中，采用薄膜电容作为直流母线电容，并使母线电压平均幅值升高，从而提高母线电压的效果。

本发明提供一种电机驱动系统的母线电压控制装置中，所述电机驱动系统，包括：整流单元、母线电容和逆变单元；所述整流单元的输入侧，连接至交流电源的输出侧；所述整流单元的输出侧，经所述母线电容后输出至所述逆变单元；所述母线电容，采用薄膜电容；所述电机驱动系统的母线电压控制装置，包括：电压幅值提升单元；其中，所述电压幅值提升单元，设置在所述交流电源的输出侧与所述整流单元的输入侧之间，被配置为对所述整流单元的输出侧的母线电压平均幅值进行提升处理。

在一些实施方式中，所述电压幅值提升单元，包括：LC谐振电路；所述LC谐振电路，包括：电容模块和电感模块；所述电感模块和所述电容模块，利用电感和电容的谐振性能，形成所述LC谐振电路。

在一些实施方式中，所述电感模块和所述电容模块，设置在所述交流电源的输出侧与所述整流单元的输入侧之间。

在一些实施方式中，所述电感模块，串接在所述交流电源的输出侧与所述整流单元的输入侧之间的线路中；所述电容模块，连接在所述交流电源的输出侧的线路中；并且，所述电容模块，位于所述电感模块与所述整流单元之间。

在一些实施方式中，所述交流电源为三相交流电源；所述三相交流电源的输入侧，具有三个输入端；所述三相交流电源的三个输入端，包括：U相输入端、V相输入端和W相输入端；所述电感模块的数量，与所述交流电源的相数相匹配；所述电容模块的数量，与所述交流电源的相数相匹配；在不同数量的所述电感模块中，每个所述电感模块的电感值相同；在不同数量的所述电容模块中，每个所述电容模块的电容值相同。

在一些实施方式中，在所述交流电源为三相交流电源的情况下，所述电容模块的数量为三个；在所述交流电源的输出侧中的线路上相间三角形连接，或在星型连接至所述交流电源的输出侧中的线路上。

在一些实施方式中，在每个所述电感模块中，每个所述电感模块，包括：至少一个谐振电感；在所述谐振电感的数量为两个以上的情况下，两个以上所述谐振电感串联和/或并联设置；在每个所述电容模块中，每个所述电容模块，包括：至少一个谐振电容；在所述谐振电容的数量为两个以上的情况下，两个以上所述谐振电容串联和/或并联；所述整流单元，包括：由整流二极管形成的整流桥。

与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种电机驱动系统，包括：以上所述的电机驱动系统的母线电压控制装置。

与上述电机驱动系统相匹配，本发明再一方面提供一种空调系统，包括：以上所述的电机驱动系统。

由此，本发明的方案，通过在电机驱动系统的供电端，在交流电源的输入端与整流电路之间，设置有LC谐振电路，通过LC谐振电路，提升母线电压的平均幅值；从而，通过在电机驱动系统中，采用薄膜电容作为直流母线电容，并使母线电压平均幅值升高，从而提高母线电压。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的电机驱动系统的母线电压控制装置的一实施例的结构示意图；

图2为带有提高母线电压电路的小母线电容驱动系统的一实施例的结构示意图，其中，(a)为三角形连接方式，(b)为星型连接方式；

图3为电路运行时输入相电压和相电流波形示意图；

图4为θ-β到θ区间内二极管及电路的运行状态示意图；

图5为θ到θ-β+π/3区间内二极管及电路的运行状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种电机驱动系统的母线电压控制装置。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该电机驱动系统的母线电压控制装置可以包括：所述电机驱动系统，包括：整流单元、母线电容和逆变单元。所述整流单元的输入侧，连接至交流电源的输出侧。所述整流单元的输出侧，经所述母线电容后输出至所述逆变单元。所述母线电容，采用薄膜电容。所述逆变单元，输出至所述电机。所述电机驱动系统的母线电压控制装置，包括：电压幅值提升单元。

其中，所述电压幅值提升单元，设置在所述交流电源的输出侧与所述整流单元的输入侧之间，被配置为对所述整流单元的输出侧的母线电压平均幅值进行提升处理。

由此，通过采用电压幅值提升单元提升电机驱动系统母线电压的电路，能够在提高母线电压从而在相同输出功率下减小负载电流，从而减小元器件损耗和温升，提高效率。从而，能够解决母线电压过低的问题，还能够解决负载电流过大导致的过流及损耗和温升增加的问题。

在一些实施方式中，所述电压幅值提升单元，包括：LC谐振电路。所述LC谐振电路，包括：电容模块和电感模块。所述电感模块和所述电容模块，利用电感和电容的谐振性能，形成所述LC谐振电路。

由此，通过采用一种利用电感和电容谐振特性提升电机驱动系统母线电压的电路，解决了当电机驱动系统母线端使用小母线电容时母线电压过低的问题，进而可以减小负载电流，避免因负载电流过大导致过流及元器件损耗和温升增加的问题，因而取得了保证系统高效稳定运行的效果。

在一些实施方式中，所述电感模块和所述电容模块，设置在所述交流电源的输出侧与所述整流单元的输入侧之间。例如：自所述交流电源输出的电流，先经过所述电感模块，再经过所述电容模块，之后再输入至所述整流单元。由所述整流单元整流后输出的电流，经所述母线电容后，再自所述整流单元流出，先经过所述电容模块，再经过所述电感模块，之后再返回至所述交流电源，以形成回路。

在一些实施方式中，所述电感模块，串接在所述交流电源的输出侧与所述整流单元的输入侧之间的线路中。所述电容模块，连接在所述交流电源的输出侧的线路中；并且，所述电容模块，位于所述电感模块与所述整流单元之间。

在一些实施方式中，所述交流电源为三相交流电源。所述三相交流电源的输入侧，具有三个输入端。所述三相交流电源的三个输入端，包括：U相输入端、V相输入端和W相输入端。

所述电感模块的数量，与所述交流电源的相数相匹配。所述电容模块的数量，与所述交流电源的相数相匹配。

在不同数量的所述电感模块中，每个所述电感模块的电感值相同。在不同数量的所述电容模块中，每个所述电容模块的电容值相同。

在一些实施方式中，在所述交流电源为三相交流电源的情况下，所述电容模块的数量为三个。在所述交流电源的输出侧中的线路上相间三角形连接，或在星型连接至所述交流电源的输出侧中的线路上。具体地，能够使母线电压升高的电路，由交流输入侧的三个电感值相同的电感器，以及相间三角形连接的三个电容值相同的电容器组成。当每一个星型连接的电容器的电容值等于三倍的每一个三角形连接的电容器的电容值时，电路所表现出的效果是相同的。

在一些实施方式中，在每个所述电感模块中，每个所述电感模块，包括：至少一个谐振电感(如电感L)。在所述谐振电感的数量为两个以上的情况下，两个以上所述谐振电感串联和/或并联设置。例如：两个以上所述谐振电感中，部分谐振电感并联后，再与其余谐振电感串联；或者，部分谐振电感串联后，再与其余谐振电感并联。

在每个所述电容模块中，每个所述电容模块，包括：至少一个谐振电容。在所述谐振电容的数量为两个以上的情况下，两个以上所述谐振电容串联和/或并联。例如：两个以上所述谐振电容中，部分谐振电容并联后，再与其余谐振电容串联；或者，部分谐振电容串联后，再与其余谐振电容并联。

所述整流单元，包括：由整流二极管形成的整流桥。

具体地，与电感L连接的电容，与电感L形成LC谐振，进而提升母线电压。通过电感器及电容器的谐振作用，提高电容器C

在能够使母线电压升高的电路中，三个电容器为谐振电容器，谐振电容器在每相电流过零时刻开始充电或放电β角度。在额定负载时，β小于π/3。在整流电路中，每个二极管的导通角度为π-β。在θ-β到θ区间内，整流电路中的二极管D

采用本发明的技术方案，通过在电机驱动系统的供电端，在交流电源的输入端与整流电路之间，设置有LC谐振电路，通过LC谐振电路，提升母线电压的平均幅值，能够在提高母线电压从而在相同输出功率下减小负载电流，从而减小元器件损耗和温升，提高效率。

根据本发明的实施例，还提供了对应于电机驱动系统的母线电压控制装置的一种电机驱动系统。该电机驱动系统可以包括：以上所述的电机驱动系统的母线电压控制装置。

在电机驱动系统中，采用电解电容作为直流母线电容，会影响电机驱动系统的整体性能，如会使电机驱动系统存在寿命短、体积大、可靠性差等问题。

例如：永磁同步电机变频驱动系统的母线端都是用大容量的电解电容来维持母线电压恒定，保证电机有足够的运行电压，母线端电解电容是永磁同步电机驱动系统中最薄弱的部分，由于电流纹波和温度容易使电解电容内的电解液挥发，高质量电解电容的寿命仅为10000小时左右，电解电容的低寿命，造成了整个变频空调系统驱动系统的寿命短和可靠性差。此外，单个电解电容体积大，而变频空调系统驱动系统中往往需要多个电解电容，会造成系统体积进一步增大。

相关方案中，将容值较大的电解电容替换为体积和容值较小的薄膜电容，从而形成了小母线电容驱动系统。此小母线电容驱动系统具备结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点。然而，由于母线电容采用了容值较小的薄膜电容，会导致母线电压波动较大从而导致母线电压降低。当负载变大时，因为母线电压降低，只能增大电流才能满足输出功率的要求，但是电流增大可能会导致过流保护，同时会增加元器件的损耗和温升，影响元器件寿命。

考虑到永磁同步电机变频驱动系统的母线端都是用大容量的电解电容来维持母线电压恒定，保证电机有足够的运行电压。如果母线端使用小母线电容，由于容量小，会造成母线电压波动较大从而导致母线电压平均幅值比使用大容量的电解电容时还要低，进而使驱动电机的电流增大，增加元器件的损耗和温升，影响元器件寿命，严重时导致电机无法运行。所以，本发明的方案提出了一种使母线电压平均幅值升高的电路，能够解决当电机驱动系统使用小母线电容时母线电压更低的问题，从而保证小母线电容驱动系统更高效稳定运行。

在一些实施方式中，本发明的方案，提出了一种用于提高小母线电容驱动系统母线电压的电路，能够在提高母线电压从而在相同输出功率下减小负载电流，从而减小元器件损耗和温升，提高效率。从而，能够提高母线电压，解决母线电压过低的问题；还能够提高电路效率，解决负载电流过大导致的过流及损耗和温升增加的问题。

也就是说，本发明的方案，采用一种利用电感和电容谐振特性提升电机驱动系统母线电压的电路，解决了当电机驱动系统母线端使用小母线电容时母线电压过低的问题，进而可以减小负载电流，避免因负载电流过大导致过流及元器件损耗和温升增加的问题，因而取得了保证系统高效稳定运行的效果。

其中，小母线电容指的是容值较小的薄膜电容。薄膜电容不需要电解液，因此和电解电容相比寿命要长很多，而且小容值的薄膜电容比单个电解电容体积要小很多。小母线电容驱动系统就是用单个容值较小的薄膜电容来代替多个的容值较大的电解电容的驱动系统。

下面结合图2至图4所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。

图2为带有提高母线电压电路的小母线电容驱动系统的一实施例的结构示意图，其中，(a)为三角形连接方式，(b)为星型连接方式。如图2所示，在带有提高母线电压电路的小母线电容驱动系统中，在三相交流电源的输入端(如V

整流电路，包括：由二极管D

例如：在三相交流电源的输入端中的V

其中，每个电感模块，包括：至少一个谐振电感(如电感L)。当所述电感L的数量为两个以上时，两个以上所述电感L串联和/或并联设置。例如：两个以上所述电感L中，部分电感L并联后，再与其余电感L串联；或者，部分电感L串联后，再与其余电感L并联。每个电容模块，包括：至少一个谐振电容；当所述谐振电容的数量为两个以上时，两个以上所述谐振电容串联和/或并联设置。例如：两个以上所述谐振电容中，部分谐振电容并联后，再与其余谐振电容串联；或者，部分谐振电容串联后，再与其余谐振电容并联。

在图2所示的例子中，能够使母线电压升高的电路，由交流输入侧的三个电感值相同的电感器，以及相间三角形连接的三个电容值相同的电容器组成。其中，星型连接的三个电容值相同的电容器，也可以等效为三个三角形连接的电容值相同的电容器。当每一个星型连接的电容器的电容值等于三倍的每一个三角形连接的电容器的电容值时，电路所表现出的效果是相同的。

在图2所示的例子中，通过电感器及电容器的谐振作用，提高电容器C

图3为电路运行时输入相电压和相电流波形示意图。图4为θ-β到θ区间内二极管及电路的运行状态示意图。图5为θ到θ-β+π/3区间内二极管及电路的运行状态示意图。

参见图3至图5所示的例子，对图2所示的能够使母线电压升高的电路的工作过程，进行示例性说明。

在能够使母线电压升高的电路中，三个电容器为谐振电容器，谐振电容器在每相电流过零时刻开始充电或放电β角度。在额定负载时，β小于π/3。在整流电路中，每个二极管的导通角度为π-β。

在θ-β到θ区间内，整流电路中的二极管D

在整流电路中，因为六个二极管在由关到开的两个区间内的电路状态是相同的，所以电路状态为每六分之一电网周期重复一次。在空载时，母线电压为

相关方案提供一种可以提高直流母线电压稳定性和驱动系统可靠性的电路。例如母线电压平均幅值为480V，但是系统运行过程中，实际的母线电压幅值会在480V上下波动，但平均幅值还是480V，这个电压波动会影响软件控制并对系统可靠性造成影响，所以采用相关方案的回路来使母线电压减小波动，保持在480V稳定不变，从而使系统可靠运行。而本发明的方案，解决的母线电压平均幅值低从而使负载电流过大导致的过流及损耗和温升增加的问题。例如，没有本发明的方案的电路之前，母线电压幅值经过相关方案的电路过后稳定在480V不变，但是我们需要母线电压稳定在540V不变，这时，可以在相关方案的电路之前增加本发明的方案的电路，先增加母线电压平均幅值为540V，然后再稳定电压幅值为540V不变。

相关方案，是利用检测不同的功率比较后，进行软件算法控制开关管的关断，从而实现了根据负载控制小母线电容的大小，进而减小了母线电压的波动，提高了母线电压的稳定性和系统的稳定性。而本发明的方案，提出的是一种只利用无源器件电感和电容的谐振来使母线电压幅值升高的电路。没有开关管，完全不需要算法进行控制，通过选取合适的电感和电容值，利用谐振特性可以自动达到所需要的目标。

另外，相关方案，解决的是母线电压幅值有波动不稳定的问题，只能使母线电压稳定在一个平均幅值不变，并不能改变此平均幅值的大小。而本发明的方案，解决了母线电压平均幅值低的问题，可以提高母线电压的平均幅值，之后使用相关方案的电路，就可以使母线电压稳定在这个提高的平均幅值上。

经验证，本发明的方案，用于提高母线电压，进而解决母线电压过低和负载电流过大导致的过流及损耗和温升增加的问题，从而提高电路效率。

由于本实施例的电机驱动系统所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

采用本发明的技术方案，通过在电机驱动系统的供电端，在交流电源的输入端与整流电路之间，设置有LC谐振电路，通过LC谐振电路，提升母线电压的平均幅值，能够解决当电机驱动系统使用小母线电容时母线电压更低的问题，从而保证小母线电容驱动系统更高效稳定运行。

根据本发明的实施例，还提供了对应于电机驱动系统的一种空调系统。该空调系统可以包括：以上所述的电机驱动系统。

由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述电机驱动系统的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

采用本实施例的技术方案，通过在电机驱动系统的供电端，在交流电源的输入端与整流电路之间，设置有LC谐振电路，通过LC谐振电路，提升母线电压的平均幅值；从而，通过在电机驱动系统中，采用薄膜电容作为直流母线电容，并使母线电压平均幅值升高，从而提高母线电压。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。