變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)及變頻空調(diào)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)及變頻空調(diào)器，包括直流電源接線端子、交流電源接線端子、直流采樣電路和控制器；所述交流電源接線端子通過第一整流橋連接第一逆變單元的直流母線電壓輸入端；所述直流電源接線端子依次通過第二逆變單元、隔離變壓器和第二整流橋連接第一逆變單元的直流母線電壓輸入端；所述直流采樣電路采集通過直流電源接線端子輸入的直流電壓，并通過直流隔離變換器輸出至所述的控制器。本發(fā)明通過設(shè)計交直流供電系統(tǒng)，使得變頻空調(diào)器等變頻設(shè)備不僅可以直接使用交流市電供電，也可以使用公共直流電網(wǎng)或者可再生能源發(fā)出的直流電能直接供電，不僅可以滿足變頻設(shè)備長期持續(xù)運行的工作需求，也使得變頻設(shè)備更加綠色環(huán)保。
【專利說明】變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)及變頻空調(diào)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于變頻系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，是涉及一種用于為變頻設(shè)備提供電源供給的電源供電系統(tǒng)以及采用所述電源供電系統(tǒng)設(shè)計的變頻空調(diào)器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著太陽能、風能和地熱能的開發(fā)使用，全球范圍內(nèi)使用可再生能源供電的地區(qū)越來越多。由于可再生能源發(fā)出的電能大多是直流電，而現(xiàn)有的絕大多數(shù)電氣設(shè)備要求接入的是交流供電，因此，為了能夠簡單方便地將可再生能源產(chǎn)生的直流電能充分地利用起來，目前的解決方案主要是將可再生能源產(chǎn)生的直流電能變換成交流電能，然后并入交流市電電網(wǎng)，通過市電電網(wǎng)為各種電氣設(shè)備供電使用。
[0003]但是，這種并網(wǎng)供電設(shè)計方案僅適用于各國的供電公司使用，而且需要投入極高的建設(shè)成本，建造可再生能源變電站，以實現(xiàn)可再生能源對傳統(tǒng)能源的補給，無論從前期的變電站選址和電網(wǎng)鋪設(shè)上，還是從日后的電網(wǎng)維護上，都存在不同程度的困難。并且，對于某些已經(jīng)配置有公共直流電網(wǎng)的國家或者獨自架設(shè)有可再生能源供電設(shè)備的企業(yè)或者家庭來說，現(xiàn)有僅支持交流供電的電氣設(shè)備也無法對這些能源加以充分利用，由此便導(dǎo)致公共直流電網(wǎng)以及可再生能源的利用率明顯不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種支持交流和直流兩種供電模式的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)，以實現(xiàn)變頻設(shè)備對公共直流電網(wǎng)以及可再生能源產(chǎn)生的直流電能的充分利用。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
一種變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)，設(shè)置有直流電源接線端子、交流電源接線端子、直流采樣電路、控制器以及用于將直流母線電壓逆變成交流負載所需交流供電的第一逆變單元；所述交流電源接線端子連接第一整流橋，通過第一整流橋?qū)⒔尤氲慕涣麟娫凑鞒芍绷麟娫磦鬏斨恋谝荒孀儐卧闹绷髂妇€電壓輸入端；所述直流電源接線端子連接第二逆變單元，通過第二逆變單元將接入的直流電源逆變成交流電源傳輸至隔離變壓器進行電壓的隔離變換后，輸出至第二整流橋以整流成直流電源輸出至所述第一逆變單元的直流母線電壓輸入端；所述直流采樣電路采集通過所述直流電源接線端子輸入的直流電壓，并通過直流隔離變換器進行隔離后，輸出至所述的控制器，通過控制器在交流和直流兩種供電模式之間進行切換控制。
[0006]在選用直流供電模式為變頻設(shè)備供電的過程中，為了阻斷第一整流橋的直流電源輸出，本發(fā)明設(shè)置通過所述第二整流橋整流輸出的直流電源的電壓幅值高于通過交流電源接線端子接入的交流電源的電壓峰值，從而使第一整流橋中的二極管元件反偏，切斷交流供電線路。
[0007]進一步的，所述控制器根據(jù)直流隔離變換器隔離輸出的采樣電壓判斷通過直流電源接線端子接入的直流電源是否正常，并在檢測到所述直流電源異常時，控制第二逆變單元停止運行，轉(zhuǎn)由外部的交流電源供電，由此實現(xiàn)直流供電到交流供電的無縫切換。
[0008]又進一步的，在所述交直流供電系統(tǒng)中還設(shè)置有交流采樣電路，采集通過交流電源接線端子接入的交流電源的電壓值，并傳輸至所述的控制器；所述控制器在檢測到接入的直流電源和交流電源均異常時，控制第一逆變單元和第二逆變單元停止運行，切斷向交流負載的供電，以保護交流負載免受損壞。
[0009]為了提高變頻設(shè)備的功率因數(shù)，在所述第一整流橋與第一逆變單元之間還連接有升壓電路，所述升壓電路接收控制器輸出的脈沖信號，對第一整流橋整流輸出的直流電進行直流升壓變換并對交流電壓、電流進行相位校正；所述升壓電路將升壓后的直流電傳輸至所述的第一逆變單元的直流母線電壓輸入端。
[0010]為了實現(xiàn)從直流供電到交流供電的無縫切換，所述控制器根據(jù)直流隔離變換器輸出的采樣電壓判斷通過直流電源接線端子接入的直流電源是否正常，并在檢測到異常時，首先控制升壓電路啟動運行，將輸出至升壓電路的脈沖信號的導(dǎo)通占空比從0開始逐漸增加至所需的導(dǎo)通占空比，并在此期間內(nèi)，將輸出至第二逆變單元的脈沖信號的導(dǎo)通占空比逐漸減小，直到為0，從而控制第二逆變單元停止運行，將供電模式由直流供電模式無縫切換至交流供電模式。由此可以實現(xiàn)直流母線電壓和變頻電流平滑過渡而不出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象。
[0011]為了實現(xiàn)從交流供電到直流供電的無縫切換，在所述系統(tǒng)運行在交流供電模式的期間內(nèi)，若控制器檢測到通過直流電源接線端子接入的直流電源恢復(fù)正常，則首先控制第二逆變單元投入運行，將輸出至第二逆變單元的脈沖信號的導(dǎo)通占空比從0開始逐漸增加至所需的導(dǎo)通占空比，并在此期間內(nèi)，將輸出至升壓電路的脈沖信號的導(dǎo)通占空比逐漸減小，直到為0，從而控制升壓電路停止運行，將供電模式由交流供電模式無縫切換至直流供電模式。
[0012]基于上述變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一種采用所述交直流供電系統(tǒng)設(shè)計的變頻空調(diào)器，包括直流電源接線端子、交流電源接線端子、直流采樣電路、控制器以及用于將直流母線電壓逆變成交流負載所需交流供電的第一逆變單元；所述交流電源接線端子連接第一整流橋，通過第一整流橋?qū)⒔尤氲慕涣麟娫凑鞒芍绷麟娫磦鬏斨了龅谝荒孀儐卧闹绷髂妇€電壓輸入端；所述直流電源接線端子連接第二逆變單元，通過第二逆變單元將接入的直流電源逆變成交流電源傳輸至隔離變壓器進行電壓的隔離變換后，輸出至第二整流橋以整流成直流電源輸出至所述第一逆變單元的直流母線電壓輸入端；所述直流采樣電路采集通過所述直流電源接線端子輸入的直流電壓，并通過直流隔離變換器進行隔離后，輸出至所述的控制器，通過控制器在交流和直流兩種供電模式之間進行切換控制；其中，所述的交流負載為空調(diào)器中的壓縮機；當空調(diào)器運行在交流供電模式，且設(shè)定溫度與環(huán)境溫度相差5°c以上并需要壓縮機高頻運行時，若通過第一整流橋整流輸出的直流電壓低于滿足壓縮機工作頻率所需要的直流母線電壓，則保持現(xiàn)有的直流母線電壓不變，控制壓縮機弱磁升速，實現(xiàn)所需的高頻運行，以快速將環(huán)境溫度調(diào)整到設(shè)定溫度。
[0013]采用上述交直流供電系統(tǒng)設(shè)計的變頻空調(diào)器，其功率因數(shù)一般在0.95以下。為了提高變頻控制器的功率因數(shù)，使其達到0.95以上，本發(fā)明還提出了另外一種變頻空調(diào)器的交直流供電系統(tǒng)設(shè)計，包括直流電源接線端子、交流電源接線端子、直流采樣電路、控制器以及用于將直流母線電壓逆變成交流負載所需交流供電的第一逆變單元；所述交流電源接線端子連接第一整流橋，通過第一整流橋?qū)⒔尤氲慕涣麟娫凑鞒芍绷麟娫磦鬏斨辽龎弘娐罚錾龎弘娐方邮湛刂破鬏敵龅拿}沖信號，對第一整流橋整流輸出的直流電進行直流升壓變換并對交流電壓、電流進行相位校正；所述升壓電路將升壓后的直流電傳輸至所述的第一逆變單元的直流母線電壓輸入端；所述直流電源接線端子連接第二逆變單元，通過第二逆變單元將接入的直流電源逆變成交流電源傳輸至隔離變壓器進行電壓的隔離變換后，輸出至第二整流橋以整流成直流電源輸出至所述第一逆變單元的直流母線電壓輸入端；所述直流采樣電路采集通過所述直流電源接線端子輸入的直流電壓，并通過直流隔離變換器進行隔離后，輸出至所述的控制器，通過控制器在交流和直流兩種供電模式之間進行切換控制；其中，所述的交流負載為空調(diào)器中的壓縮機。
[0014]為了提高變頻空調(diào)器運行的穩(wěn)定性，當所述變頻空調(diào)器運行在直流供電模式的期間內(nèi)，若控制器檢測到通過直流電源接線端子接入的直流電源的電壓幅值下降到預(yù)警線，此時，若設(shè)定溫度與環(huán)境溫度相差5°C以上，則控制器立即無縫切換至交流供電模式；若設(shè)定溫度與環(huán)境溫度相差在5°C以內(nèi)，則首先控制壓縮低頻運行，并實時檢測通過直流電源接線端子接入的直流電源的波動情況，若接入的直流電源的電壓幅值繼續(xù)下降，低于了設(shè)定的下限值，則控制器立即無縫切換至交流供電模式。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果主要體現(xiàn)在以下幾方面:
1、本發(fā)明通過設(shè)計交直流供電系統(tǒng)，使得變頻空調(diào)器等變頻設(shè)備不僅可以直接使用交流市電供電，也可以使用公共直流電網(wǎng)或者可再生能源發(fā)出的直流電能直接供電，對于需要長期持續(xù)運行的變頻設(shè)備來說，無疑能夠更好地滿足其長時間不間斷運行的工作需求；
2、本發(fā)明在交流和直流兩種供電模式之間進行選擇切換時，優(yōu)選采用通過可再生能源發(fā)出的直流電能為設(shè)備供電，而僅在直流電源不能滿足設(shè)備的供電要求時，才無縫切換至傳統(tǒng)的交流供電模式，由此實現(xiàn)了可再生能源的最大限度利用，使得變頻設(shè)備更加綠色環(huán)保和節(jié)能；
3、本發(fā)明通過在直流供電線路中設(shè)置隔離變壓器，并在直流采樣電路中設(shè)置直流隔離變換器，從而使得直流電源的供電電路與交流市網(wǎng)的供電電路完全實現(xiàn)電氣隔離，避免了交流市電串入到直流電源接線端子，引發(fā)交流供電線路通過變頻器和直流供電電源發(fā)生相間短接，進而導(dǎo)致變頻設(shè)備損毀的問題出現(xiàn)，確保了電氣設(shè)備用電安全；
4、本發(fā)明可以根據(jù)公共直流電網(wǎng)或者可再生能源提供的直流電源的不同，對隔離變壓器的變比進行適當?shù)呐渲?，從而適應(yīng)不同公共直流電網(wǎng)或者可再生能源發(fā)出的直流電源，以擴大變頻設(shè)備的適用場合。
[0016]結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實施方式的詳細描述后，本發(fā)明的其他特點和優(yōu)點將變得更加清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明所提出的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)的一種實施例的電路原理圖； 圖2是本發(fā)明所提出的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)的另外一種實施例的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細地描述。
[0019]本發(fā)明為了使變頻設(shè)備從過去僅支持交流供電的傳統(tǒng)單一供電模式過渡到可以接入交流和直流兩種電源的全新供電模式，在現(xiàn)有變頻設(shè)備的交流供電線路的基礎(chǔ)上增加一路直流供電線路，用于接收通過外部公共直流電網(wǎng)或者可再生能源發(fā)出的直流電源，從而實現(xiàn)了可再生能源在變頻設(shè)備上的充分利用，使得變頻設(shè)備更加節(jié)能、環(huán)保。
[0020]下面以變頻空調(diào)器為例，通過一個具體的實施例對本發(fā)明所提出的交直流供電系統(tǒng)的具體組建結(jié)構(gòu)及其工作原理進行詳細地說明。
[0021]參見圖1所示，本實施例在變頻空調(diào)器上設(shè)置兩組供電端子:一組是用于連接交流市電電網(wǎng)的交流電源接線端子X1、X2，另一組是用于連接公共直流電網(wǎng)或者接入可再生能源發(fā)出的直流電源的直流電源接線端子X21、X22。在所述交流電源接線端子X1、X2上連接第一整流橋Al，例如由四個二極管連接而成的單相全橋整流電路，用于將通過交流電源接線端子X1、X2接入的交流電源整流成直流電源，傳輸至升壓電路，進而通過升壓電路對整流輸出的直流電源進行直流升壓變換并對交流電壓、電流相位校正后，形成直流母線電壓，輸出至第一逆變單元的直流母線電壓輸入端。所述第一逆變單元用于將直流母線電壓逆變成交流負載運行所需頻率的交流電壓，為變頻空調(diào)器中交流負載供電。
[0022]在本實施例中，所述交流負載可以具體指變頻空調(diào)器中的壓縮機M。由于目前變頻空調(diào)器中所選用的壓縮機M大多需要三相交流供電，因此，在設(shè)計第一逆變單元時，應(yīng)選擇六個半導(dǎo)體開關(guān)器件V11-V16 (例如六個IGBT大功率開關(guān)管等)連接形成三相逆變電路，以將直流母線電壓逆變成三相交流電壓，為壓縮機M中的三相交流電機供電。
[0023]為了控制壓縮機M變頻運行，將六個半導(dǎo)體開關(guān)器件V11-V16的控制端(例如IGBT大功率開關(guān)管的柵極)連接控制器D1，所述控制器Dl可以選用一顆微處理芯片MCU對三相逆變電路中的各個半導(dǎo)體開關(guān)器件V11-V16的開關(guān)時序進行精確控制。作為本實施例的一種優(yōu)選設(shè)計方案，所述控制器Dl根據(jù)空調(diào)器的設(shè)定溫度和當前的環(huán)境溫度，計算壓縮機M的運轉(zhuǎn)頻率，進而根據(jù)計算出的運轉(zhuǎn)頻率生成合適占空比的PWM信號，輸出至六個半導(dǎo)體開關(guān)器件V11-V16的控制端，通過控制各個半導(dǎo)體開關(guān)器件V11-V16的通斷時序，以逆變生成所需頻率的三相交流電源，輸出至壓縮機M，進而實現(xiàn)對壓縮機M運轉(zhuǎn)頻率的調(diào)節(jié)。
[0024]對于所述的升壓電路，本實施例優(yōu)選采用一顆半導(dǎo)體開關(guān)管Vl配合電感LI和二極管V2連接而成，參見圖1所示。本實施例以大功率IGBT管作為所述半導(dǎo)體開關(guān)管Vl為例進行說明。將所述電感LI連接在第一整流橋Al直流輸出側(cè)的正極與二極管V2的陽極之間，二極管V2的陰極連接第一逆變單元的直流母線電壓輸入端，并通過電解電容Cl接地。將大功率IGBT管Vl的柵極連接控制器Dl，接收控制器Dl輸出的控制信號(例如脈沖信號)，集電極連接二極管V2的陽極，發(fā)射極接地?？刂破鱀l根據(jù)第一逆變單元所需的直流母線電壓的幅值要求和對交流電源功率因數(shù)的需求，生成相應(yīng)占空比的脈沖信號輸出至大功率IGBT管Vl的柵極，通過控制大功率IGBT管Vl的開關(guān)頻率與交流電壓的相位關(guān)系，從而將通過第一整流橋Al整流輸出的直流電源升壓變換成第一逆變單元所需的直流母線電壓，大約400V左右，以滿足第一逆變單元的供電需求。
[0025]在第一逆變單元的直流母線電壓輸入端還連接有采樣電路，具體可以采用兩個分壓電阻R3、R4串聯(lián)在直流母線電壓輸入端之間，將分壓電阻R3、R4的中間節(jié)點連接至控制器D1，利用兩個分壓電阻R3、R4對第一逆變單元接收到的直流母線電壓進行分壓后，輸出分壓值Vdc至控制器D1，進而實現(xiàn)控制器Dl對直流母線電壓的采樣。控制器Dl根據(jù)接收到的直流母線電壓的采樣值Vdc，換算出實際的直流母線電壓幅值，進而通過調(diào)節(jié)IGBT管Vl的開關(guān)頻率與交流電壓的相位關(guān)系，使通過升壓電路輸出的直流母線電壓能夠穩(wěn)定在第一逆變單元所要求的幅值上。
[0026]為了使變頻空調(diào)器能夠接收外部公共直流電網(wǎng)或者可再生能源提供的直流供電，以減少對交流市電的使用，本實施例在變頻空調(diào)器的電源板上還設(shè)置有第二逆變單元、隔離變壓器T21和第二整流橋A2，參見圖1所示。將所述第二逆變單元連接直流電源接線端子X21、X22，接收通過直流電源接線端子X21、X22接入的直流供電，并逆變成交流電源輸出至隔離變壓器T21，進而隔離變換成高壓交流電源傳輸至第二整流橋A2。所述第二整流橋A2將隔離變壓器T21變換輸出的高壓交流電源整流成高壓直流電源(大約在400V左右)，輸出至第一逆變單元，為第一逆變單元提供直流母線電壓。
[0027]在本實施例中，所述第二逆變單元優(yōu)選采用四個半導(dǎo)體開關(guān)器件V21-V24連接成單相逆變電路，用于將通過直流電源接線端子X21、X22接入的直流電源逆變成單相交流電源，輸出至隔離變壓器T21的原邊。所述四個半導(dǎo)體開關(guān)器件V21-V24可以選用IGBT大功率開關(guān)管進行電路設(shè)計，如圖1所示。將四個半導(dǎo)體開關(guān)器件V21-V24的控制端(例如IGBT大功率開關(guān)管的柵極)連接控制器D1，接收控制器Dl發(fā)出的脈沖信號，通過對四個半導(dǎo)體開關(guān)器件V21-V24的開關(guān)導(dǎo)通占空比進行控制，以調(diào)節(jié)通過其逆變輸出的交流電壓的有效值。
[0028]將所述隔離變壓器T21的次級連接第二整流橋A2的交流側(cè)，通過調(diào)節(jié)隔離變壓器T21的變比，可以改變通過隔離變壓器T21變換輸出的交流電壓的有效值，進而通過第二整流橋A2以整流輸出第一逆變單元所需的直流母線電壓。
[0029]本實施例通過在直流供電線路中采用隔離變壓器T21，一方面可以使直流供電電路與交流供電電路電氣隔離，避免交流供電傳入直流電源接線端子X21、X22，導(dǎo)致交流供電線路通過變頻器和直流供電電源發(fā)生相間短路；另一方面可以通過調(diào)節(jié)隔離變壓器T21的變比，使變頻空調(diào)器可以適用于不同公共直流電網(wǎng)或者可再生能源發(fā)出的直流供電。
[0030]為了滿足變頻空調(diào)器在兩種供電模式之間的選擇切換要求，本實施例在所述交流電源接線端子Xl、X2和直流電源接線端子X21、X22兩端分別設(shè)置了采樣電路，參見圖1所示。其中，直流采樣電路可以采用兩個分壓電阻R21、R22連接而成，并配合直流隔離變換器A21完成對通過直流電源接線端子X21、X22接入的直流電源的電壓采樣。具體連接關(guān)系優(yōu)選為:首先將兩個分壓電阻R21、R22串聯(lián)后，連接在直流電源接線端子X21、X22的兩端；然后將分壓電阻R21、R22的中間節(jié)點連接直流隔離變換器A21的輸入端+IN，直流隔離變換器A21的輸出端+Vo連接控制器Dl。當通過直流電源接線端子X21、X22有直流電源接入時，分壓電阻R21、R22對接入的直流電壓進行分壓，輸出分壓值Vi至直流隔離變換器A21，進行直流-直流的隔離變換處理后，發(fā)送至所述的控制器D1，實現(xiàn)對輸入直流電源的電壓采樣，進而完成對輸入的直流電源是否異常的實時檢測。
[0031]本實施例通過在直流供電線路中設(shè)置隔離變壓器T21，在直流采樣電路中設(shè)置直流隔離變換器A21，從而使得可再生能源的供電電路(或者公共直流電網(wǎng)電路)可以與交流市電的電網(wǎng)電路完全電氣隔離。這樣一來，不僅可以避免當可再生能源的供電電路中的任何一個電極接地時，造成市網(wǎng)交流電與可再生能源供電電路對地短路的問題；而且，即便是可再生能源的供電電路中沒有電極接地，也可以有效避免市網(wǎng)交流電的火線電壓串入到可再生能源供電電路中的兩個直流電極，從而造成的觸電危險以及可再生能源的供電線路、設(shè)備因承受市網(wǎng)交流電的火線電壓所帶來的損害，顯著提高了變頻空調(diào)器以及用戶家中其他電氣設(shè)備運行的安全性，并且對于多個家庭使用這種系統(tǒng)的情況，若各家使用三相交流電源的不同相進行供電時，還可以避免出現(xiàn)通過變頻系統(tǒng)和直流電網(wǎng)形成三相電源的相間短路問題。
[0032]為了對交流電網(wǎng)的交流電壓是否異常以及交流電壓的相位實現(xiàn)檢測，本實施例在交流電源接入端子X1、X2的兩端連接交流采樣電路，如圖1所示，主要由運算放大器N1、參考電源VREF配合外圍電阻連接而成。其中，交流電源接入端子的火線Xl通過電阻Rl連接運算放大器NI的同相輸入端+，所述運算放大器NI的同相輸入端+同時通過電阻R12連接分壓電阻R13、R14的中間節(jié)點，所述分壓電阻R13、R14連接在參考電源VREF與地之間，對參考電源VREF進行分壓后，為火線上的交流電壓提供直流偏置電壓。交流電源接入端子的零線X2通過電阻R2連接運算放大器NI的反相輸入端_，所述運算放大器NI的反相輸入端-通過反饋電阻Rll連接其自身的輸出端，通過輸出端輸出交流采樣電壓Vac傳輸至所述的控制器D1，實現(xiàn)對交流輸入電源的電壓采樣，進而完成對輸入的交流電源是否異常的實時檢測以及交流電壓的相位檢測。
[0033]本實施例利用控制器Dl檢測通過可再生能源輸入的直流電壓、通過市電電網(wǎng)輸入的交流電壓、交流電壓的相位以及輸入至第一逆變單元的直流母線電壓，并通過控制器Dl的運算和邏輯處理，輸出脈沖控制信號，來控制第一逆變單元、第二逆變單元以及升壓電路中的半導(dǎo)體開關(guān)器件開通或者關(guān)斷，進而實現(xiàn)在可再生能源輸出的直流電源正常時，由可再生能源輸出的直流電源為變頻空調(diào)器供電；在可再生能源輸出的直流電源不能正常供電時，如果市網(wǎng)交流電正常，則轉(zhuǎn)由市網(wǎng)交流電提供電能；在市網(wǎng)交流電供電的過程中，若檢測到可再生能源輸出的直流電源恢復(fù)正常，則重新切換回可再生能源供電；如果可再生能源和市網(wǎng)交流電都不能正常供電時，則控制變頻空調(diào)器停止運行。本實施例通過設(shè)計變頻空調(diào)器的供電模式以可再生能源的直流供電為主、市電電網(wǎng)的交流供電為輔，從而最大限度地實現(xiàn)了可再生能源的高效使用，使得變頻空調(diào)器更加環(huán)保、節(jié)能。
[0034]下面結(jié)合圖1對本實施例的交直流供電系統(tǒng)的具體工作原理進行詳細地闡述。
[0035]首先，根據(jù)變頻空調(diào)器中壓縮機的實際工作特性以及第二逆變單元的逆變特性和隔離變壓器T21的變比情況，確定出能夠滿足壓縮機正常運行所需的直流供電的電壓范圍，寫入控制器D1。
[0036]控制器Dl在變頻空調(diào)器運行的期間內(nèi)，通過直流采樣電路實時檢測通過直流電源接線端子X21、X22輸入的直流電壓是否處于設(shè)定的正常范圍內(nèi)。若直流電壓正常，則啟用直流供電模式，即，控制器Dl輸出控制信號至第二逆變單元，控制第二逆變單元啟動運行，并關(guān)斷升壓電路中的半導(dǎo)體開關(guān)管VI?？刂破鱀l通過調(diào)節(jié)第二逆變單元中各半導(dǎo)體開關(guān)器件V21-V24的導(dǎo)通占空比，使隔離變壓器T21的原邊獲得所需脈沖寬度的交變脈沖功率方波，再經(jīng)隔離變壓器T21進行隔離變壓后，輸出至第二整流橋A2將交流電壓整流成直流電壓，輸出至第一逆變單元，為第一逆變單元提供其工作所需的直流母線電壓?？刂破鱀l根據(jù)變頻空調(diào)器的設(shè)定溫度與實際環(huán)境溫度的差值，計算出壓縮機所需的運轉(zhuǎn)頻率，進而根據(jù)該頻率調(diào)節(jié)第一逆變單元中各半導(dǎo)體開關(guān)器件V11-V16的導(dǎo)通占空比，控制第一逆變單元將直流母線電壓逆變成壓縮機運行所需頻率的交流電源，輸出至壓縮機的供電端子，驅(qū)動壓縮機運行。[0037]在本實施例中，通過第二整流橋A2整流輸出的直流電壓的幅值應(yīng)大于通過交流電源接入端子X1、X2接入的交流電壓的波形峰值。由于變頻空調(diào)器工作在直流供電模式的期間內(nèi)，控制器Dl不對升壓電路中的半導(dǎo)體開關(guān)管Vl提供導(dǎo)通脈沖，因此升壓電路不對交流輸入電源起升壓作用，故二極管V2始終承受反偏電壓。這樣，就只有輸入的直流電源為第一逆變電路提供直流母線電壓，避免了對市網(wǎng)交流電的使用。
[0038]由于為變頻空調(diào)器提供的直流電源可以由可再生能源提供，因此使得變頻空調(diào)器的運行更加綠色環(huán)保。
[0039]當控制器Dl檢測到通過直流電源接線端子X21、X22輸入的直流電壓降低到預(yù)警線(所述預(yù)警線所對應(yīng)的電壓值仍處于設(shè)定的正常范圍以內(nèi))時，首先判斷空調(diào)器的設(shè)定溫度與當前的環(huán)境溫度是否相差較大，以5°C為臨界值為例進行說明。若設(shè)定溫度與當前的環(huán)境溫度相差不大，例如相差5°C以內(nèi)，此時若壓縮機M的運行頻率較低，則可以控制壓縮機M保持當前的工作頻率繼續(xù)運行；若壓縮機M的運行頻率較高，則首先控制壓縮機M低頻運行，其運行頻率優(yōu)選≤30Hz，并同時觀察通過直流電源接線端子X21、X22輸入的直流電壓的波動情況。若輸入的直流電壓不再降低，則可以維持當前的直流供電模式；若輸入的直流電壓繼續(xù)下降，超出了正常范圍的下限值，則應(yīng)該立即切換到交流供電模式，以保證壓縮機M能夠持續(xù)運行。若通過直流電源接線端子X21、X22輸入的直流電壓降低到預(yù)警線，且此時空調(diào)器的設(shè)定溫度與當前的環(huán)境溫度又相差較大，例如相差5°C以上時，由于在設(shè)定溫度與環(huán)境溫度相差較大時，為了控制環(huán)境溫度能夠迅速接近設(shè)定溫度，需要壓縮機M高頻運行。在這種情況下，為了保證空調(diào)器的連續(xù)運行，需要立即將供電模式切換至交流供電模式，以滿足壓縮機M高頻運行時的供電需求。
[0040]在將供電模式由直流供電模式切換至交流供電模式的過程中，為了實現(xiàn)兩種供電的無縫切換，本實施例 首先對通過交流電源接線端子X1、X2輸入的交流電源進行采樣檢測。若輸入的交流電源正常，則控制器Dl首先輸出脈沖信號至半導(dǎo)體開關(guān)管VI，控制升壓電路啟動運行，將輸出至升壓電路的脈沖信號的導(dǎo)通占空比從0開始逐漸增加至所需的導(dǎo)通占空比，并在此期間內(nèi)，控制器Dl將輸出至第二逆變單元的脈沖信號的導(dǎo)通占空比逐漸減小，直到為0，從而控制第二逆變單元停止運行，切斷直流電源的輸入，實現(xiàn)供電方式從直流供電模式到交流供電模式的無縫切換。
[0041]當空調(diào)器運行在交流供電模式下時，第一整流橋Al將通過交流電源接線端子X1、X2輸入的交流電源整流成直流電源，輸出至升壓電路，升壓變換成第一逆變單元工作所需的直流母線電壓，輸出至第一逆變單元的直流母線電壓輸入端，進而通過第一逆變單元逆變生成壓縮機M運行所需頻率的三相交流電源，為壓縮機M供電。
[0042]在變頻空調(diào)器運行在交流供電模式的期間內(nèi)，控制器Dl實時對通過直流電源接線端子X21、X22輸入的直流電源進行采樣檢測。若檢測到輸入的直流電源重新回到正常范圍內(nèi)，則首先啟動第二逆變單元，向第二逆變單元中的各半導(dǎo)體開關(guān)器件V21-V24發(fā)送脈沖信號，在控制所述脈沖信號的導(dǎo)通占空比從0開始逐漸增加至所需的導(dǎo)通占空比的期間內(nèi)，同時將輸出至升壓電路中半導(dǎo)體開關(guān)管Vl的開關(guān)脈沖信號的導(dǎo)通占空比逐漸減小，直到為0，從而控制升壓電路停止運行，轉(zhuǎn)而實現(xiàn)供電方式從交流供電模式到直流供電模式的無縫切換。
[0043]當控制器Dl檢測到輸入的交流電源和直流電源都不正常時，立即封鎖輸出至各個半導(dǎo)體開關(guān)器件V11-V16、V21-V24、V1的脈沖信號，控制第一逆變單元、第二逆變單元和升壓電路停止運行，以保護壓縮機M的安全。
[0044]本實施例采用上述供電控制策略，使得變頻空調(diào)器在可再生能源能夠正常供電的期間內(nèi)，完全使用可再生能源發(fā)出的直流電源進行供電，而僅在直流電源異常時，才轉(zhuǎn)由傳統(tǒng)的交流市電電網(wǎng)供電，由此不僅滿足了變頻空調(diào)器長時間連續(xù)運行的要求，而且實現(xiàn)了對可再生能源的最大限度利用。
[0045]上述交直流供電系統(tǒng)由于在交流供電線路中使用了升壓電路，因此，當空調(diào)器運行在交流供電模式時，根據(jù)交流電壓的相位對半導(dǎo)體開關(guān)管Vl發(fā)出升壓脈沖，其功率因數(shù)可以達到0.95以上。對于目前功率因數(shù)小于0.95的變頻空調(diào)器來說，由于在其交流供電線路中沒有使用升壓電路，因此，當在這類變頻空調(diào)器中引入圖1所示的直流供電線路設(shè)計時，需要對其控制策略進行相應(yīng)調(diào)整。
[0046]具體來講，在設(shè)計功率因數(shù)小于0.95的變頻空調(diào)器時，通過交流電源接線端子X1、X2接入的交流電源通過第一整流橋Al進行整流變換后，通過電解電容Cl濾波后，直接輸出至第一逆變單元，為第一逆變單元提供直流母線電壓。由于沒有升壓電路的直流升壓作用，因此，在采用交流市電電網(wǎng)供電時，提供給第一逆變單元的直流母線電壓大約僅在300V左右。在該類變頻空調(diào)器的電源板上同樣設(shè)計如圖1所示的直流供電線路，即包括直流電源接線端子X21、X22、第二逆變單元、隔離變壓器T21和第二整流橋A2，參見圖2所示，對外部輸入的直流電源依次進行逆變、升壓、整流處理后，輸出大約400V左右的直流電壓，為第一逆變單元提供其工作所需的直流母線電壓。
[0047]當控制器Dl通過直流采樣電路檢測到可再生能源輸出的直流電壓處于正常范圍內(nèi)時，控制第二逆變單元啟動運行，并通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體開關(guān)器件V21-V24的導(dǎo)通占空比，使通過第二整流橋A2整流輸出的直流電壓達到壓縮機M高頻運行時，第一逆變單元工作所需的直流母線電壓的幅值。此時，由于通過第二整流橋A2整流輸出的直流母線電壓的幅值高于市網(wǎng)交流電壓波形的峰值，因此，使得第一整流橋Al中的二極管始終承受反偏電壓而截止。這樣一來，就只有輸入的直流電源為第一逆變單元提供直流母線電壓，由此便降低了空調(diào)器對市網(wǎng)交流電的消耗。
[0048]當控制器Dl檢測到通過直流電源接線端子X21、X22接入的直流電壓下降到預(yù)警線時，判斷變頻空調(diào)器的設(shè)定溫度與當前環(huán)境溫度的差值是否較大，仍以5°C為例進行說明。若設(shè)定溫度與當前環(huán)境溫度相差5°C以上，且變頻空調(diào)器需要高頻運行，此時，變頻空調(diào)器的運行會進一步拉低直流電源的電位，因此，控制器Dl立即控制第二逆變單元的導(dǎo)通脈沖占空比逐漸減小到O而停止運行，無縫切換至交流供電模式，以保證空調(diào)器能夠正常持續(xù)運行。若設(shè)定溫度與當前環(huán)境溫度相差較小，例如5°C以內(nèi)，則維持空調(diào)器當前的工作頻率繼續(xù)運行，并持續(xù)觀察輸入的直流電壓是否繼續(xù)下降。若輸入的直流電壓繼續(xù)下降至安全范圍的下限值，則控制器Dl立即無縫切換至交流供電模式，采用市網(wǎng)交流電繼續(xù)為空調(diào)器供電。
[0049]當空調(diào)器運行在交流供電模式的期間內(nèi)，由于通過交流供電線路提供給第一逆變單元的直流母線電壓較低，可能不能滿足壓縮機的高頻運行要求，因而本實施例設(shè)計以下控制策略:
控制器Dl檢測空調(diào)器的設(shè)定溫度與當前環(huán)境溫度的差值，若相差不大，例如5°C以內(nèi)，則通過第一逆變單元控制壓縮機M低頻運行，使環(huán)境溫度慢慢接近設(shè)定溫度。此時，通過第一整流橋Al輸出的直流母線電壓便可完全滿足第一逆變單元的工作要求。當設(shè)定溫度與當前環(huán)境溫度相差較大時，例如差值大于等于5°C，則此時需要壓縮機M高頻運行。由于壓縮機M高頻運行時，需要向第一逆變單元提供較高的直流母線電壓，此時就會出現(xiàn)通過第一整流橋Al輸出的直流電壓不能滿足第一逆變單元所需直流母線電壓的情況。為了滿足壓縮機M高頻運行的要求，本實施例采用弱磁升速技術(shù)，利用控制器Dl檢測壓縮機M的感應(yīng)電勢，通過運行FOC算法計算出施加到第一逆變單元的PWM脈沖的給出時間與壓縮機M中永磁同步電動機的反電動勢之間的夾角，通過削弱電動機中永磁體的磁場，使電動機產(chǎn)生弱磁升速，實現(xiàn)高頻運轉(zhuǎn)，滿足空調(diào)器快速制冷或者制熱的運行要求。
[0050]當空調(diào)器運行在交流供電模式的期間內(nèi)，若控制器Dl檢測到可再生能源輸出的直流電源恢復(fù)正常，則無縫切換至直流供電模式，繼續(xù)采用綠色環(huán)保的可再生能源為變頻空調(diào)器供電，以最大限度地節(jié)約交流市電。
[0051]圖2所示的交直流供電系統(tǒng)雖然沒有升壓電路構(gòu)成的有源功率因數(shù)校正電路，但它同樣采用了以可再生能源直流供電為主、市網(wǎng)交流供電為輔的節(jié)能供電策略。
[0052]當然，本實施例所提出的交直流供電系統(tǒng)的電路設(shè)計，除了可以應(yīng)用在變頻空調(diào)器中，實現(xiàn)變頻空調(diào)器的綠色節(jié)能，而且對于其他變頻設(shè)備同樣適用，本實施例對此不進行具體限制。
[0053]應(yīng)當指出的是，以上所述僅是本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)，其特征在于:設(shè)置有直流電源接線端子、交流電源接線端子、直流采樣電路、控制器以及用于將直流母線電壓逆變成交流負載所需交流供電的第一逆變單元；所述交流電源接線端子連接第一整流橋，通過第一整流橋?qū)⒔尤氲慕涣麟娫凑鞒芍绷麟娫磦鬏斨恋谝荒孀儐卧闹绷髂妇€電壓輸入端；所述直流電源接線端子連接第二逆變單元，通過第二逆變單元將接入的直流電源逆變成交流電源傳輸至隔離變壓器進行電壓的隔離變換后，輸出至第二整流橋以整流成直流電源輸出至所述第一逆變單元的直流母線電壓輸入端；所述直流采樣電路采集通過所述直流電源接線端子輸入的直流電壓，并通過直流隔離變換器進行隔離后，輸出至所述的控制器，通過控制器在交流和直流兩種供電模式之間進行切換控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)，其特征在于:通過所述第二整流橋整流輸出的直流電源的電壓幅值高于通過交流電源接線端子接入的交流電源的電壓峰值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)，其特征在于:所述控制器根據(jù)直流隔離變換器隔離輸出的采樣電壓判斷通過直流電源接線端子接入的直流電源是否正常，并在檢測到異常時，控制第二逆變單元停止運行，轉(zhuǎn)由外部的交流電源供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)，其特征在于:在所述交直流供電系統(tǒng)中還設(shè)置有交流采樣電路，采集通過交流電源接線端子接入的交流電源的電壓值，并傳輸至所述的控制器；所述控制器在檢測到接入的直流電源和交流電源均異常時，控制第一逆變單元和第二逆變單元停止運行，切斷向交流負載的供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)，其特征在于:在所述第一整流橋與第一逆變單元之間還連接有升壓電路，所述升壓電路接收控制器輸出的脈沖信號，對第一整流橋整流輸出的直流電進行直流升壓變換并對交流電壓、電流進行相位校正；所述升壓電路將升壓后的直流電傳輸至所述的第一逆變單元的直流母線電壓輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述 的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)，其特征在于:所述控制器根據(jù)直流隔離變換器輸出的采樣電壓判斷通過直流電源接線端子接入的直流電源是否正常，并在檢測到異常時，首先控制升壓電路啟動運行，將輸出至升壓電路的脈沖信號的導(dǎo)通占空比從O開始逐漸增加至所需的導(dǎo)通占空比，并在此期間內(nèi)，將輸出至第二逆變單元的脈沖信號的導(dǎo)通占空比逐漸減小，直到為O，從而控制第二逆變單元停止運行，將供電模式由直流供電模式無縫切換至交流供電模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)，其特征在于:在所述系統(tǒng)運行在交流供電模式的期間內(nèi)，若控制器檢測到通過直流電源接線端子接入的直流電源恢復(fù)正常，則首先控制第二逆變單元投入運行，將輸出至第二逆變單元的脈沖信號的導(dǎo)通占空比從O開始逐漸增加至所需的導(dǎo)通占空比，并在此期間內(nèi)，將輸出至升壓電路的脈沖信號的導(dǎo)通占空比逐漸減小，直到為O，從而控制升壓電路停止運行，將供電模式由交流供電模式無縫切換至直流供電模式。
8.一種變頻空調(diào)器，其特征在于:設(shè)置有如權(quán)利要求1至4中任一項權(quán)利要求所述的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)；所述交流負載為空調(diào)器中的壓縮機；當空調(diào)器運行在交流供電模式，且設(shè)定溫度與環(huán)境溫度相差5°C以上并需要壓縮機高頻運行時，若通過第一整流橋整流輸出的直流電壓低于滿足壓縮機工作頻率所需要的直流母線電壓，則保持現(xiàn)有的直流母線電壓不變，控制壓縮機弱磁升速，實現(xiàn)所需的高頻運行。
9.一種變頻空調(diào)器，其特征在于:設(shè)置有如權(quán)利要求5至7中任一項權(quán)利要求所述的變頻設(shè)備用交直流供電系統(tǒng)；所述交流負載為空調(diào)器中的壓縮機。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的變頻空調(diào)器，其特征在于:所述變頻空調(diào)器運行在直流供電模式的期間內(nèi)，當控制器檢測到通過直流電源接線端子接入的直流電源的電壓幅值下降到預(yù)警線，此時，若設(shè)定溫度與環(huán)境溫度相差5°C以上，則控制器立即無縫切換至交流供電模式；若設(shè)定溫度與環(huán)境溫度相差在5°C以內(nèi)，則首先控制壓縮機低頻運行，并實時檢測通過直流電源接線端子接入的直流電源的波動情況，若接入的直流電源的電壓幅值繼續(xù)下降，低于了設(shè)定的下限值，則控制器立即無縫切換至交流供電模式。
【文檔編號】H02M1/10GK103701309SQ201310634848
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】陳堅波 申請人:廣東科龍空調(diào)器有限公司