[發明專利]用于驅動用于壓縮機、可變容量壓縮機和制冷系統的變速電動機的系統和方法

有效

• 申請號: 200980143022.0
• 申請日: 2009-10-28
• 公開（公告）號: CN102204083A
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發明（設計）人: J.M.格恩特
• 申請（專利權）人: 惠而浦股份公司
• 主分類號: H02P27/08
• 分類號: H02P27/08;H02M7/5395
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉春元;盧江

技術領域

本發明涉及用于驅動用于壓縮機、可變容量壓縮機和制冷系統的變速電動機的系統和方法，著眼于通過在電動機的電流的飛輪（free?wheel）間隔期間驅動出口級（逆變器橋）處的有源開關（例如MOSFET）來改善在制冷系統中的可變容量壓縮機（VCC）的驅動中使用的頻率逆變器（frequency?inverter）的效率。

背景技術

為了滿足需求最大的效率要求，家用和商用制冷系統這二者具有使用可變容量壓縮機的選項，顧名思義，所述可變容量壓縮機允許通過依照系統要求改變對制冷劑氣體進行泵浦的速度（更確切地，循環速率）來調整制冷容量。

可變容量壓縮機通過其電動機的旋轉速率的變化來實現制冷氣體的從最小到最大循環速率的轉換。通過使用稱為頻率逆變器的電子控制機構來實現旋轉的變化，所述頻率逆變器調整施加于電動機的電流和頻率。

頻率逆變器采用脈寬調制（PWM），換言之，由PWM調制器來控制施加于電動機的電流的脈沖寬度。PWM調制器與期望的旋轉成比例地定義脈沖的寬度（持續時間），并且還依照電源的負載和電流對其進行調整。施加于電動機的電流被以脈沖調制，具有一般為幾千赫茲的換向（commutation）頻率。

使用由一組三個臂組成的逆變器橋向電動機的相施加PWM調制，每個臂負責向電動機的三個相中的一個施加電流。逆變器橋的每個臂具有兩個有源固態開關（IGBT或MOSFET），此后稱為有源開關，每個擁有并聯的極化無源固態開關（二極管），此后稱為無源開關，以便在同一個臂的互補有源開關處于切斷位置（斷開、或不傳導電流）時通過電動機的相來傳導電流。在三相逆變器橋的此經典結構中，每個臂的兩個有源開關中的一個（上開關（upper?switch））被連接到直流鏈路（DC鏈路）的正端子，而互補開關（下開關（lower?switch））被連接到DC鏈路的負端子。電動機的相被連接在同一個臂的兩個開關的中點處。

在命令兩個有源開關（不同臂的一個上開關和一個下開關）時，發生從DC鏈路到電動機的電能轉移。電流循環通過由（通常由用于用電解電容器獲得的能量的儲存級組成）DC鏈路形成的閉合電路、通過有源上開關、通過電動機的第一相、通過電動機的第二相、通過連接到此第二相的下開關并返回到DC鏈路。

由于PWM調制的目的是借助于限制換向時段內的時間間隔中的DC鏈路的電流來調整施加于電動機的平均瞬時電流，發生兩個主要狀態：第一，如前所述，其中發生能量到電動機的轉移，以及第二，其中上有源開關（先前正在傳導）被切斷（斷開），不再向電動機傳遞能量。然而，電流由于負載（電動機）的電感性質而繼續循環，找到通過同一個下有源開關和通過與先前傳導的一個開關互補的有源開關并聯的無源開關（二極管）的新循環路徑。如果其未達到零，電流將繼續循環通過此電路，直至其中上有源開關被再一次命令進行傳導的下一個換向時段開始為止。其中不存在到電動機的能量傳遞（其中存在二極管的傳導）的此時段稱為電動機的電流的飛輪級，并且被稱為飛輪電流。如果飛輪電流在隨后的換向時段開始之前達到零，則此飛輪電路中的二極管將自然地阻止電流。

PWM調制遵守某個函數以便對被遞送到電動機的電壓和基波電流進行格式化。根據電動機和控制的類型，此函數可以是各種類型的（正弦曲線、矩形、梯形等）。然而，無論向電動機施加電壓和電流的方式如何，或者確切地，獨立于PWM調制所遵循的函數，將始終存在從同一個臂的上有源開關被切斷（斷開）時起通過與下有源半導體并聯的二極管的飛輪電流的傳導。因此，此飛輪電流在此飛輪二極管中產生傳導的損耗。該損耗與二極管的飛輪電流的量和傳導特性成比例，諸如直接極化中的結的電壓和動態阻抗。

在高效率制冷系統中，使用可變容量壓縮機，當系統處于熱平衡時，歸因于飛輪電流的損耗在其中系統大部分時間、或者確切地說在壓縮機的內部電動機處于低旋轉和低瞬時功率（或穩態功率）時仍進行操作的操作階段變得相關。

在現有技術中，使用IGBT和MOSFET型有源開關兩者。在IGBT的情況下，通常故意地將飛輪二極管并聯地安裝在與IGBT有源開關相同的外殼內。在MOSFET的情況下，飛輪二極管自然地與其并聯地存在，作為具有大體上不良的換向特性和類似于與IGBT一起使用的二極管的傳導的組件（慢換向二極管）。