CN108352778A - 电机控制器、驱动电路、以及用于组合的电机控制的方法 - Google Patents

电机控制器、驱动电路、以及用于组合的电机控制的方法 Download PDF

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CN108352778A CN201680063280.8A CN201680063280A CN108352778A CN 108352778 A CN108352778 A CN 108352778A CN 201680063280 A CN201680063280 A CN 201680063280A CN 108352778 A CN108352778 A CN 108352778A
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M·李
R·C·贝塞拉
L·A·克雷蒂安
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Abstract

提供了电机控制器、电机驱动电路和用于组合的电机控制的方法。驱动电路被配置为驱动第一电机和第二电机。驱动电路包括被配置为将AC输入电压转换为脉冲的DC电压的整流器以及电耦接到整流器的第一DC链路。第一DC链路包括具有小于10μF的电容的低电容电容器。驱动电路还包括耦接到第一DC链路的第一逆变器。第一逆变器被配置为生成调节的输出电压以驱动第一电机。驱动电路还包括电耦接到第一DC链路的第二DC链路、以及耦接到第二DC链路的第二逆变器。第二逆变器被配置为生成调节的输出电压以驱动第二电机。

Description

电机控制器、驱动电路、以及用于组合的电机控制的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年8月28日提交的美国非临时专利申请第14/838,722号的优先权，其全部公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明的领域一般涉及电机，并且更具体地涉及用于组合电机控制的电机控制器、驱动电路以及方法。
背景技术
用于加热、通风、空气调节(HVAC)应用的空调和热泵中的电机驱动***通常利用有源功率因数校正(PFC)AC-DC级并使用大型铝电解电容器(例如3000微法拉)以保持恒定的DC电压、增加的功率因数、减少的谐波，以及电解电容器的更长使用寿命。因此，此类***具有较低的功率密度、较低的效率和较高的成本。此外，在上电过程期间，大的DC链路电容会导致较高的浪涌电流。可以使用继电器或多个继电器来控制浪涌电流，这进一步增加了***尺寸、成本以及辅助低电源设计的负担。此外，在一些应用中，接地故障保护必须包括在HVAC产品中，这通常需要多个传感器和/或昂贵的共模电流互感器来检测接地故障电流。
已经开发了在低功率(即，小于或等于1HP)的HVAC空气移动应用中的独立低电容电机驱动***(同样称为直接功率传输(DPT)技术)。该DPT技术使用薄膜电容器(即，小于10uF)作为DC链路能量存储部件。薄膜电容器显著降低了浪涌电流，消除了庞大的DC链路电解电容器和对应的可靠性问题，并且提供了封装整个电机驱动***的可行性。然而，DPT技术包括其它一些设计挑战，诸如防雷保护(lightning protection)和更大的电压再生。
发明内容
在一方面，提供了被配置为驱动第一电机和第二电机的电机驱动电路。电机驱动电路包括被配置为将AC输入电压转换为脉冲DC电压的整流器以及电耦接到整流器的第一DC链路。第一DC链路包括具有小于10μF的电容的低电容电容器。驱动电路还包括耦接到第一DC链路的第一逆变器、电耦接到第一DC链路的第二DC链路、以及耦接到第二DC链路的第二逆变器。第一逆变器被配置为生成被调节的输出电压以驱动第一电机。第二逆变器被配置为生成被调节的输出电压以驱动第二电机。
在另一方面，提供了电机控制器，其被配置为控制用于驱动第一负载的第一电机和用于驱动第二负载的第二电机。电机驱动控制器包括耦接到第一电机的第一控制单元。第一控制单元被配置为当输入电压可用时增加从第一电机到第一负载的能量传递，以及当第一电机的DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从第一负载到第一电机的能量传递的减少以产生正转矩。电机驱动控制器还包括被配置为生成用于驱动第二电机的控制信号的第二控制单元。
在另一方面，提供了电机***，其包括第一电机和通信地耦接到第一电机的电机控制器。电机驱动控制器包括第一控制单元和第二控制单元。第一控制单元被耦接到第一电机并且被配置为当输入电压可用时增加从第一电机到第一负载的能量传递，以及当DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从第一负载到第一电机的能量传递的减少以产生正转矩。第二控制单元被配置为生成用于驱动第二电机的控制信号。
在另一方面，提供了被配置为耦接到第一电机的控制单元。控制单元被配置为当输入电压可用时增加从第一电机到第一负载的能量传递，以及当DC链路电压是接近零和等于零中的一个时减缓从第一负载到第一电机的能量传递的减少以产生正转矩。
在另一方面，提供了控制用于驱动第一负载的第一电机和用于驱动第二负载的第二电机的方法。方法包括当输入电压可用时由电机控制器增加从第一电机到第一负载的能量传递。方法进一步包括当直流(DC)链路电压是接近零和等于零中的一个时由电机控制器减缓从第一负载到第一电机的能量传递的减少以产生正转矩。方法进一步包括由电机控制器生成用于施加到第二电机的控制信号。
附图说明
图1示出了被配置为向结构提供热空气、冷空气和/或通风空气的示例性住宅HVAC***。
图2是可用于操作电机的电机驱动电路的电路图。
图3是示出由图2中所示的电机驱动电路使用的直接功率传输(DPT)控制方法的功能图。
图4是示例性混合双电机***的电路图。
图5是示例性混合三电机***的电路图。
图6是示例性直接功率传输(DPT)双电机***的电路图。
图7是示例性直接功率传输(DPT)三电机***的电路图。
图8是包括电涌保护电路的图4中所示的混合双电机***的电路图。
图9是包括图8中所示的电涌保护电路的图5中所示的混合三电机***的电路图。
图10是示例性电涌保护电路的电路图。
图11是示例性电涌保护电路的电路图。
具体实施方式
图1示出了被配置为向结构102(例如房屋、建筑物、仓库等)提供热空气、冷空气和/或通风空气的示例性住宅加热、通风和空调(HVAC)***100。在示例性实施例中，HVAC***100包括位于结构102外部但与其相邻的室外单元104以及位于结构102内(例如在杂物间、阁楼或地下室中)的室内单元106。HVAC***100还包括制冷剂管道108，制冷剂管道108被配置为在室外单元104和室内单元106之间传输制冷剂，取决于操作模式，通常以一个方向主要传输液体制冷剂以及以相反方向主要传输汽化制冷剂。
在示例性实施例中，室外单元104包括壳体110、具有压缩机电机114的压缩机112、热交换盘管116、冷凝器风扇118、冷凝器风扇电机120和电机驱动电路122。壳体110保护室外单元104的部件并防止树叶和其它污染物进入室外单元104。当HVAC***100处于空调模式时，室外单元104接收从制冷剂管道108引导的经由制冷剂管道108进入压缩机112的制冷剂。压缩机电机114使用压缩机112压缩制冷剂，使得制冷剂的温度和压力增加。热制冷剂气体被引导至热交换盘管116。冷凝器风扇电机120转动冷凝器风扇118以使环境空气横跨热交换盘管116循环，使得空气温度升高并且制冷剂温度降低。热交换盘管116用作冷凝器，用于将从室内单元106流动到室外单元104的汽化制冷剂再冷凝。被加热的空气以比当其进入时更高的温度排出到室外单元104之上。液体形式的冷凝制冷剂然后经由制冷剂管道108被引导至室内单元106。
在一个实施例中，电机驱动电路122被耦接到壳体110，并且与压缩机电机114和冷凝器风扇电机120电连通。在可选的实施例中，压缩机电机114包含物理上位于其上的电机驱动电路122，其同样可操作用于控制冷凝器风扇电机120的操作。在另一可选的实施例中，冷凝器风扇电机120包含物理地位于其上的电机驱动电路122，其同样可操作用于控制压缩机电机114的操作。
在示例性实施例中，室内单元106包括具有鼓风机电机126的鼓风机124、热交换盘管128和多个通风口130。在进入室内单元106时，制冷剂被引导到热交换盘管128中。鼓风机电机126操作鼓风机124以强制空气横跨热交换盘管128。当液体制冷剂在热交换盘管128中时，液体制冷剂通过从被强制的空气吸收热量而蒸发，使得空气的温度降低。蒸发的制冷剂然后经由制冷剂管道108被引导回室外单元104。冷却的空气通过通风口130分布在整个结构102中。
可选地，当HVAC***100处于加热模式时，热交换器116和128的作用相反。也就是说，室外单元104的热交换器116用作随着空气通过其而蒸发制冷剂的蒸发器，由此冷却进入室外单元104的空气。室内热交换器128在空气被迫通过其时使制冷剂冷却和冷凝，由此加热空气。
在示例性实施例中，HVAC***100进一步包括通信地耦接到电机驱动电路122的恒温器132。电机驱动电路122被配置为控制压缩机电机114、冷凝器风扇电机120和/或鼓风机电机126中的至少一个的操作。在示例性实施例中，压缩机电机114、冷凝器风扇电机120和鼓风机电机126中的每一个是电子控制的变速电机。
图2是电机驱动电路200的电路图，电机驱动电路200可以用于操作诸如(在图1中示出的)压缩机电机114、冷凝器风扇电机120和/或鼓风机电机126的电机202。在示例性实施例中，电机驱动电路202包括电磁干扰(EMI)滤波器204、整流器206、控制单元208和逆变器210。电机驱动电路200被耦接到电源212以接收输入功率来驱动电机202。电机202被耦接到负载214并驱动负载214。
在示例性实施例中，电源212向电机驱动电路200供应单相AC电压。然而，电源212可以提供三相AC、直流(DC)电压或使电机驱动电路200能够如在此所述操作的任何其它类型的输入电压。EMI滤波器204对关于输入AC电力的任何异常进行滤波。整流器206接收并整流来自电源212的AC输入电压以产生脉冲的DC电压。逆变器210调节脉冲的DC电压，并将其提供给电机202，该电机202使用该电力来驱动负载214。在示例性实施例中，逆变器210将脉冲的DC电压转换为三相AC电压。可选地，逆变器210将脉冲的DC电压转换为使电机驱动电路200能够如在此所述操作的任何类型的电压。
在一些实施例中，电机驱动电路200包括用于在输入电压可用时存储少量能量的低电容电容器216。电容器216可具有在约0.1μF与约10μF之间的电容。避免了在电机驱动电路200中使用大的不可靠的电解滤波电容器。在一些实施例中，电容器216被配置为滤除电机202的开关频率谐波。在其它实施例中，电容器216的低电容减小了到电机202的浪涌输入电流。另外，电容器216有助于电机驱动电路200增加线路输入功率因数。
电机驱动电路200同样包括横跨电容器216耦接的电压传感器218。电压传感器218被配置为测量正由整流器206输出的DC链路电压。电压传感器218向控制单元208提供DC链路电压测量，以用于控制电机202在DC链路电压具有100％电压纹波时产生转矩。
在示例性实施例中，电机驱动电路200同样包括控制单元208，控制单元208包括处理器220和存储器装置222。在示例性实施例中，控制单元208被实现在一个或多个处理装置中，诸如微控制器、微处理器、可编程门阵列、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)等。因此，在该示例性实施例中，控制单元208由在一个或多个处理装置中嵌入的软件和/或固件构成。以该方式，控制单元208是可编程的，使得可以针对特定电机202和/或电机202的操作者编程指令、间隔、阈值和/或范围等。控制单元208可以完全或部分地由在一个或多个处理装置外部的分立部件提供。
图3是示出由电机驱动电路200(在图2中示出)使用的直接功率传输(DPT)控制方法300的功能图。因为在电机驱动电路200中仅使用小电容器216，所以在电机驱动电路200的DC链路上不存储大量的电压。而是，在示例性实施例中，电机驱动电路200将能量存储在耦接到电机202的可转轴(未示出)的转动负载214上。更具体地，在示例性实施例中，负载214是机械能存储装置(即，压缩机、冷凝器风扇或鼓风机)。例如，在一个实施例中，负载214可以是HVAC***中的压缩机、冷凝器风扇或鼓风机。
在操作期间，在示例性实施例中，整流器206(在图2中示出)将从电源212接收的AC线路输入电压整流为脉冲AC。当AC线路输入电压可用时，控制单元208被配置为增加来自电机202的能量传递以如惯性存储在负载214上。更具体地，当输入电压可用时，转矩增加，导致负载214的转动速度同样增加。在转动负载214上存储的惯性由公式(J*ω^2)/2表示，其中J表示负载214的惯性，并且Δω表示负载214的速度相对于时间的变化。在示例性实施例中，负载214的惯性限制电机202的速度变化，这使得当输入电压不可用时转矩产生能够继续。
在一个实施例中，当输入电压可用时，控制单元208同样使少量电压存储在电容器216中。当AC线路输入电压接近零时，电容器216向电机202提供所存储的电压。在电容器216中存储的能量的量由公式(C*U^2)/2表示，其中C表示电容器216的电容并且ΔU表示电容器216中的电压相对于时间的变化。
随着输入电压开始下降，由电机202在负载214上产生的转矩变成转动速度。随着AC线路输入电压接近零或DC链路电压具有近似100％的电压纹波时，控制单元208减缓从负载214到电机202的能量传递(由虚线箭头表示)的减少以产生正转矩。更具体地，控制单元208控制流到电机202的电流，使得当到电机202的输入电压接近零或等于零时，电机202继续产生转矩。为此，控制单元208实施算法或执行在存储器装置上存储的指令以产生感应电流的磁链分量以将电流的转矩分量保持在零以上的信号。更具体地，随着AC线路输入电压接近零时，控制单元208向电机202注入负的d轴电流信号，以将q轴电流保持在正电平。在可选实施例中，控制单元208还管理从电容器216到电机202的能量传递(由虚线箭头表示)。这些能量传递使电机202能够在脉冲DC电压的每一个阶段期间输入电压低或不可用时操作。
图4是示例性混合双电机***400的电路图。在示例性实施例中，从电机操作的角度来看，压缩机电机114和冷凝器风扇电机120(在图1和2中示出)以大致相同的方式操作，但是电机在尺寸、规模和最终使用功能上不同。更具体地，取决于操作模式，压缩机电机114和冷凝器电机120可以在不同时间操作，并且可以使用被编程到它们相应的控制单元208(图2中示出)中的不同参数。电机驱动电路200(在图2中示出)包括针对压缩机电机114和冷凝器电机120的许多类似的部件，并且虽然电机驱动电路200的针对冷凝器电机120的某些部件可能不具有针对压缩机电机114的操作的尺寸和规模，但是电机驱动电路200的针对压缩机电机114的部件具有针对冷凝器电机120的操作的尺寸和规模，因为这些电机仅提取其操作所需的电流。相应地，如图4中所示，混合双电机***400包括组合压缩机和冷凝器电机驱动电路的公共部件的公共电机驱动电路402。更具体地，在示例性实施例中，混合双电机***400包括公共电机驱动电路402、具有第一电机驱动电路406的第一电机404、具有第二电机驱动电路410的第二电机408以及电机控制器412。***400被称为混合***，因为其在第一电机驱动电路406中使用低电容电容器(在约0.1μF和约10μF之间)，而在第二电机驱动电路410中使用高电容电容器(在约200μF和1000μF之间)。
在示例性实施例中，并且如在此所述，第一电机404是用于压缩机414的压缩机电机404，第一电机驱动电路406是压缩机电机驱动电路406，第二电机408是用于冷凝器风扇416的冷凝器风扇电机408，以及第二电机驱动电路410是冷凝器风扇电机驱动电路410。在示例性实施例中，压缩机电机驱动电路406由压缩机电机404加载，该压缩机电机404具有在约1.5HP至7.5HP之间的功率能力，以及冷凝器风扇电机驱动电路410由冷凝器风扇电机408加载，该冷凝器风扇电机408具有约1/3HP的功率能力。
在示例性实施例中，公共电机驱动电路402包括被配置为耦接到电源420的电涌保护装置418、电磁干扰(EMI)滤波器422、整流器424、由正DC链路导轨428和负DC链路导轨430限定的第一DC链路426、横跨第一DC链路426耦接的低电容电容器432以及耦接到正DC链路导轨428的霍尔传感器434。
电涌保护装置418包括线到线金属氧化物变阻器(MOV)436、线到地MOV 438和气体放电管(GDT)440。电涌保护装置418被配置为当存在来自电源420的电压的电涌时，为混合双电机***400提供防雷保护。在示例性实施例中，电源420是单相交流电源，诸如电网或公用设施，其供应正弦波输入电压。EMI滤波器422被配置为防止EMI噪声耦合回到电源420。从EMI滤波器422输出的信号被施加到整流器424，该整流器424将正弦波输入电压转换为整流的AC电压。
低电容电容器432被配置为当输入电压可用时存储少量能量。在示例性实施例中，低电容电容器432是薄膜电容器并且具有在约0.1μF和约10μF之间的电容。避免了在公共电机驱动电路402中使用大的不可靠的电解滤波电容器。低电容电容器432被用作压缩机电机404的能量存储部件。此外，低电容电容器432有助于将混合双电机***400的功率因数增加到至少约0.9。
霍尔传感器434被耦接到正DC链路导轨428的低电容电容器432之后，并且被配置为当大电流流过正DC链路导轨428时提供接地故障保护。在示例性实施例中，当电流大于特定电机的正常操作电流时，电流被认为是大电流，并且在典型的240V AC线路***中电流可能高于100安培。在一个实施例中，当由电源提供的电流直接接地时以及由于电机绝缘的损坏而不返回到正常电力线路时发生接地故障，这产生大的短路电流并且可能损坏***中的半导体装置。霍尔传感器434感测正DC链路导轨428上的电流，并将故障信号输出到电机控制器412，以及从电机控制器412接收重置信号。
在示例性实施例中，压缩机电机驱动电路406被耦接到第一DC链路426的霍尔传感器434下游。压缩机电机驱动电路406包括被配置为耦接到压缩机电机404的逆变器436。在示例性实施例中，逆变器436是三相DC-AC电压源逆变器。逆变器436被配置为从电机控制器412接收控制信号，以及相应地向压缩机电机404提供被调节的AC电压。
在示例性实施例中，逆变器436是三相逆变器并且包括用于三相中的每一相的一组逆变器开关。逆变器436同样包括被耦接到相应组的逆变器开关和耦接到该负DC链路导轨430的第一、第二和第三分流(shunt)电阻器438。在另一实施例中，逆变器436包括耦接到负DC链路导轨430的一个分流电阻器440。在任一情况下，分流电阻器438或分流电阻器440被配置为感测负DC链路导轨430上的电流，以为负DC链路导轨430提供接地故障电流保护。
在示例性实施例中，电机控制器412被编程为控制混合双电机***400的压缩机电机404和冷凝器风扇电机408两者的操作。更具体地，电机控制器412包括第一控制单元442和第二控制单元444，第一控制单元442可操作以执行用于压缩机电机404的电流控制和脉宽调制(PWM)信号生成，第二控制单元444可操作以执行用于冷凝器风扇电机408的电流控制和脉宽调制信号生成。
第一控制单元442被配置为实施对驱动压缩机414供应的电力的DPT控制。更具体地，第一控制单元442被配置为当输入电压可用时增加从压缩机电机404到压缩机414的能量传递，以及当DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从压缩机414到压缩机电机404的能量传递的减少以产生正转矩。为了控制压缩机414，第一控制单元442被配置为生成施加到逆变器436的PWM信号，以控制压缩机电机404的转动。另外，第一控制单元442被配置为接收来自霍尔传感器434的故障信号和来自分流电阻器438的被处理的分流电流，并且响应于接地故障，禁用到逆变器436的任何PWM信号，以去除在故障期间到压缩机电机404的电力。
在示例性实施例中，第二或冷凝器风扇电机驱动电路410包括二极管446、负温度系数(NTC)电阻器448、由第二正DC链路导轨452和第二负DC链路导轨454限定的第二DC链路450、横跨第二DC链路450耦接的高电容电容器456、逆变器458以及一个分流电阻器460或三个分流电阻器462。
二极管446和NTC电阻器448被耦接在低电容电容器432和高电容电容器456之间。更具体地，二极管446和NTC电阻器448被耦接在霍尔传感器434之后，使得霍尔传感器434还可以为冷凝器风扇电机408提供接地故障保护。在示例性实施例中，二极管446和NTC电阻器448被配置为为冷凝器风扇电机驱动电路410提供可能由高电容电容器456的存在引起的浪涌电流保护。
在示例性实施例中，高电容电容器456具有在约200μF与1000μF之间的电容。高电容电容器456接收由整流器424生成的整流AC电压，以及生成施加到逆变器458的平滑DC电压。
逆变器458被配置为耦接到冷凝器风扇电机408。在示例性实施例中，逆变器458是三相DC-AC电压源逆变器。逆变器458被配置为接收来自电机控制器412的控制信号，以及从而向冷凝器风扇电机408提供调节的AC电压。
在示例性实施例中，逆变器458是三相逆变器并且包括用于三相中的每一相的一组逆变器开关。逆变器458还包括被耦接到相应组的逆变器开关和耦接到负DC链路导轨454的第一、第二和第三分流电阻器462。在另一实施例中，逆变器458包括耦接到负DC链路导轨454的一个分流电阻器464。在任一情况下，分流电阻器462或分流电阻器464被配置为感测负DC链路导轨454上的电流，以为负DC链路导轨454提供接地故障电流保护。
在示例性实施例中，第二控制单元444被配置为生成施加到逆变器458的PWM信号，以使用在高电容电容器456上存储的能量来控制冷凝器风扇电机408的转动。另外，第二控制单元444被配置为接收来自霍尔传感器434的故障信号和来自分流电阻器462的处理分流电流，并且响应于接地故障，在故障期间禁用到逆变器458的任何PWM信号，以去除到冷凝器风扇电机408的电力。
图5是示例性混合三电机***500的电路图。在示例性实施例中，混合三电机***500包括公共电机驱动电路402(在图4中示出)，该公共电机驱动电路402将压缩机电机驱动电路、冷凝器电机驱动电路和鼓风机电机驱动电路的公共部件组合。更具体地，在示例性实施例中，混合三电机***500包括公共电机驱动电路402、具有第一电机驱动电路406的第一电机404、具有第二电机驱动电路410的第二电机408、具有第三电机驱动电路504的第三电机502，以及电机控制器506。***500被称为混合***，因为它使用第一电机驱动电路406中的低电容电容器(在约0.1μF和约10μF之间)，第二电机驱动电路410中的高电容电容器(在约200μF和1000μF之间)，以及第三电机驱动电路504中的高电容电容器(在约500μF和1000μF之间)。
在示例性实施例中，并且如在此所述，第一电机404是用于压缩机414的压缩机电机404，第一电机驱动电路406是压缩机电机驱动电路406，第二电机408是用于冷凝器风扇416的冷凝器风扇电机408，第二电机驱动电路410是冷凝器风扇电机驱动电路410，第三电机502是用于鼓风机508的鼓风机电机502，并且第三电机驱动电路504是鼓风机电机驱动电路504。另外，在示例性实施例中，压缩机电机驱动电路406由具有在约1.5HP至7.5HP之间的功率能力的压缩机电机404加载，冷凝器风扇电机驱动电路410由具有约1/3HP的功率能力的冷凝器风扇电机408加载，以及鼓风机电机驱动电路504由具有在约1/3HP和1HP之间的功率能力的鼓风机电机502加载。
在图4的描述中讨论了公共电机驱动电路402和冷凝器风扇电机驱动电路410，并且在图5的描述中将不重复对它们的描述。
在示例性实施例中，电机控制器506被编程为控制混合三电机***500的压缩机电机404、冷凝器风扇电机408和鼓风机电机502的操作。更具体地，电机控制器506包括第一控制单元442(在图4中示出)，其可操作以执行用于压缩机电机404的电流控制和PWM信号生成；以及第二控制单元444(图4中示出)，其可操作以执行用于冷凝器风扇电机408的电流控制和脉宽调制信号生成；以及第三控制单元510，其可操作以执行用于鼓风机电机502的电流控制和脉宽调制信号生成。第一控制单元442和第二控制单元444在图4的描述中被讨论，并且在图5的描述中将不重复它们的描述。
在示例性实施例中，混合三电机***500进一步包括第三或鼓风机电机驱动电路504。鼓风机电机驱动电路504包括二极管512、负温度系数(NTC)电阻器514、由第三正DC链路导轨518和第三负DC链路导轨520限定的第三DC链路516、横跨第三DC链路516耦接的高电容电容器522、逆变器524以及三个分流电阻器526或一个分流电阻器528。
二极管512和NTC电阻器514被耦接在低电容电容器432和高电容电容器522之间。更具体地，二极管512和NTC电阻器514被耦接在霍尔传感器434之后，使得霍尔传感器434还可以为鼓风机电机502提供接地故障保护。在示例性实施例中，二极管512和NTC电阻器514被配置为为鼓风机电机驱动电路504提供浪涌电流保护，其可能由于存在高电容电容器522引起。
在示例性实施例中，高电容电容器522具有在约500μF和1000μF之间的电容。高电容电容器522接收由整流器424生成的整流AC电压，并生成施加到逆变器524的平滑DC电压。
逆变器524被配置为耦接到鼓风机电机502。在示例性实施例中，逆变器524是三相DC-AC电压源逆变器。逆变器524被配置为接收来自电机控制器506的控制信号，以及从而向鼓风机电机502提供被调节的AC电压。
在示例性实施例中，逆变器524是三相逆变器并且包括用于三相中的每一相的一组逆变器开关。逆变器524还包括耦接到相应组的逆变器开关和负DC链路导轨520的第一、第二和第三分流电阻器526。在另一实施例中，逆变器524包括被耦接到负DC链路导轨520的一个分流电阻器528。在任一情况下，分流电阻器526或分流电阻器528被配置为感测负DC链路导轨520上的电流，以为负DC链路导轨520提供接地故障电流保护。
在示例性实施例中，第三控制单元510被配置为生成施加到逆变器524的PWM信号，以使用在高电容电容器522上存储的能量来控制鼓风机电机502的转动。另外，第三控制单元510被配置为接收来自霍尔传感器434的故障信号和来自分流电阻器526的被处理的分流电流，并且响应于接地故障，在故障期间禁用到逆变器524的任何PWM信号，以去除对鼓风机电机502的电力。
图6是示例性直接功率传输(DPT)双电机***600的电路图。在示例性实施例中，DPT双电机***600包括公共电机驱动电路402，该公共电机驱动电路402将压缩机电机驱动电路和冷凝器电机驱动电路的公共部件组合。更具体地，在示例性实施例中，DPT双电机***600包括公共电机驱动电路402、具有第一电机驱动电路406的第一电机404、具有第二电机驱动电路604的第二电机602以及电机控制器606。
在示例性实施例中，并且如在此所述，第一电机404是用于压缩机414的压缩机电机404，第一电机驱动电路406是压缩机电机驱动电路406，第二电机602是用于冷凝器风扇608的冷凝器风扇电机602，并且第二电机驱动电路604是冷凝器风扇电机驱动电路604。此外，在示例性实施例中，压缩机电机驱动电路406由具有在约1.5HP至7.5HP之间的功率能力的压缩机电机404加载，并且冷凝器风扇电机驱动电路604由具有约1/3HP的功率能力的冷凝器风扇电机602加载。
在图4的描述中讨论了公共电机驱动电路402，并且在图6的描述中将不重复其描述。
在示例性实施例中，电机控制器606被编程为控制DPT双电机***600的压缩机电机404和冷凝器风扇电机602二者的操作。更具体地，电机控制器606包括第一控制单元442(在图4中示出)，其可操作以执行用于压缩机电机404的电流控制和PWM信号生成；以及第二控制单元612，其可操作以执行用于冷凝器风扇电机602的电流控制和脉宽调制信号生成。
第一控制单元442被配置为实施对提供给驱动压缩机414的电力的DPT控制。更具体地，第一控制单元442被配置为当输入电压可用时增加从压缩机电机404到压缩机414的能量传递，以及当DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从压缩机414到压缩机电机404的能量传递的减少以产生正转矩。为了控制压缩机414，第一控制单元442被配置为生成施加到逆变器436的PWM信号，以控制压缩机电机404的转动。另外，第一控制单元442被配置为接收来自霍尔传感器434的故障信号和来自分流电阻器438的被处理的分流电流，并且响应于接地故障，在故障期间禁用到逆变器436的任何PWM信号，以去除到压缩机电机404的电力。
在示例性实施例中，第二或冷凝器风扇电机驱动电路604包括由第二正DC链路导轨616和第二负DC链路导轨618限定的第二DC链路614、逆变器620以及三个分流电阻器622或一个分流电阻器624。
逆变器620被配置为经由第二DC链路614耦接到霍尔传感器434的下游。逆变器620接收由整流器424生成的整流的AC电压。在示例性实施例中，逆变器620是三相DC-AC电压源逆变器。逆变器620被配置为接收来自电机控制器606的控制信号，以及从而向冷凝器风扇电机408提供被调节的AC电压。
在一个实施例中，逆变器620包括三个分流电阻器622，其中每一个耦接到三相逆变器620中的每一相。在另一个、实施例中，逆变器620包括被耦接到第二负DC链路导轨618的一个分流电阻器624。在任一情况下，分流电阻器622或分流电阻器624被配置为感测第二负DC链路导轨618上的电流，以为第二负DC链路导轨618提供接地故障电流保护。
在示例性实施例中，逆变器620是三相逆变器并且包括用于三相中的每一相的一组逆变器开关。逆变器620还包括被耦接到相应组的逆变器开关和耦接到负DC链路导轨618的第一、第二和第三分流电阻器622。在另一实施例中，逆变器620包括被耦接到负DC链路导轨618的一个分流电阻器624。在任一情况下，分流电阻器622或分流电阻器624被配置为感测负DC链路导轨618上的电流，以为负DC链路导轨618提供接地故障电流保护。
在示例性实施例中，第二控制单元612被配置为实施对驱动冷凝器风扇电机602提供的电力的DPT控制。更具体地，第二控制单元612被配置为当输入电压可用时增加从冷凝器风扇电机602到冷凝器风扇608的能量传递，以及当第二DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从冷凝器风扇608到冷凝器风扇电机602的能量传递的减少以产生正转矩。为了控制冷凝器风扇608，第二控制单元612被配置为生成施加到逆变器620的PWM信号，以控制冷凝器风扇电机408的转动。另外，第二控制单元612被配置为接收来自霍尔传感器434的故障信号和来自分流电阻器622的被处理的分流电流，以及响应于接地故障，在故障期间禁用到逆变器620的任何PWM信号，以去除到冷凝器风扇电机602的电力。
图7是示例性直接功率传输(DPT)三电机***700的电路图。在示例性实施例中，DPT三电机***700包括公共电机驱动电路402，该公共电机驱动电路402将压缩机电机驱动电路与冷凝器电机驱动电路的公共部件组合。更具体地，在示例性实施例中，DPT三电机***700包括公共电机驱动电路402(在图4中示出)、具有第一电机驱动电路406(在图4中示出)的第一电机404(在图4中示出)、具有第二电机驱动电路604(在图6中示出)的第二电机602(在图6中示出)、具有第三电机驱动电路704的第三电机702以及电机控制器706。
在示例性实施例中，并且如在此所述，第一电机404是用于压缩机414的压缩机电机404，第一电机驱动电路406是压缩机电机驱动电路406，第二电机602是用于冷凝器风扇608的冷凝器风扇电机602，第二电机驱动电路604是冷凝器风扇电机驱动电路604，第三电机702是用于鼓风机708的鼓风机电机702，并且第三电机驱动电路704是鼓风机电机驱动电路704。另外，在示例性实施例中，压缩机电机驱动电路406由具有在约1.5HP至7.5HP之间的功率能力的压缩机电机404加载，冷凝器风扇电机驱动电路604由具有约1/3HP的功率能力的冷凝器风扇电机602加载，并且鼓风机电机驱动电路704由具有在约1/3HP和1HP之间的功率能力的鼓风机电机702加载。
在图4和图6的描述中分别讨论了公共电机驱动电路402和冷凝器风扇电机驱动电路604，并且在图7的描述中将不重复它们的描述。
在示例性实施例中，电机控制器706被编程为控制DPT三电机***700的压缩机电机404、冷凝器风扇电机602和鼓风机电机702的操作。更具体地，电机控制器706包括第一控制单元442(在图4中示出)，其可操作以执行用于压缩机电机404的电流控制和PWM信号生成；以及第二控制单元612(在图6中示出)，其可操作以执行用于冷凝器风扇电机602的电流控制和PWM信号生成；以及第三控制单元710，其可操作以执行用于鼓风机电机702的电流控制和PWM信号生成。
第一控制单元442被配置为实施对驱动压缩机414提供的电力的DPT控制。更具体地，第一控制单元442被配置为当输入电压可用时增加从压缩机电机404到压缩机414的能量传递，以及当DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从压缩机414到压缩机电机404的能量传递的减少以产生正转矩。为了控制压缩机414，第一控制单元442被配置为生成施加到逆变器436的PWM信号，以控制压缩机电机404的转动。另外，第一控制单元442被配置为接收来自霍尔传感器434的故障信号和来自分流电阻器438的被处理的分流电流，并且响应于接地故障，在故障期间禁用到逆变器436的任何PWM信号，以去除到压缩机电机404的电力。
在示例性实施例中，第二控制单元612被配置为实施对驱动冷凝器风扇电机602提供的电力的DPT控制。更具体地，第二控制单元612被配置为当输入电压可用时增加从冷凝器风扇电机602到冷凝器风扇608的能量传递，以及当第二DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从冷凝器风扇608到冷凝器风扇电机602的能量传递的减少以产生正转矩。为了控制冷凝器风扇608，第二控制单元612被配置为生成施加到逆变器620的PWM信号，以控制冷凝器风扇电机602的转动。另外，第二控制单元612被配置为接收来自霍尔传感器434的故障信号和来自分流电阻器622的处理分流电流，以及响应于接地故障，禁用到逆变器620的任何PWM信号，以在故障期间去除到冷凝器风扇电机408的电力。
在示例性实施例中，第三或鼓风机电机驱动电路704包括由第三正DC链路导轨714和第三负DC链路导轨716限定的第三DC链路712、逆变器718以及三个分流电阻器720或一个分流电阻器722。
逆变器718被配置为经由第三DC链路712耦接在霍尔传感器434的下游。逆变器718接收由整流器424生成的整流的AC电压。在示例性实施例中，逆变器718是三相DC-AC电压源逆变器。逆变器718被配置为接收来自电机控制器706的控制信号，以及从而向鼓风机电机702提供调节的AC电压。
在一个实施例中，逆变器718包括三个分流电阻器720，一个耦接到三相逆变器718中的每一相。在另一实施例中，逆变器718包括被耦接到第三负DC链路导轨716的一个分流电阻器722。在任一情况下，分流电阻器720或分流电阻器722被配置为感测第三负DC链路导轨716上的电流，以为负DC链路导轨716提供接地故障电流保护。
在示例性实施例中，逆变器718是三相逆变器并且包括用于三相中的每一相的一组逆变器开关。逆变器718还包括耦接到相应组逆变器开关和耦接到负DC链路导轨716的第一、第二和第三分流电阻器720。在另一实施例中，逆变器718包括耦接到负DC链路导轨716的一个分流电阻器722。在任一情况下，分流电阻器720或分流电阻器722被配置为感测负DC链路导轨716上的电流，以为负DC链路导轨716提供接地故障电流保护。
在示例性实施例中，第三控制单元710被配置为实施对驱动鼓风机电机702提供的电力的DPT控制。更具体地，第三控制单元710被配置为当输入电压可用时增加从鼓风机电机702到鼓风机708的能量传递，以及当第三DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从鼓风机708到鼓风机电机702的能量传递的减少以产生正转矩。为了控制鼓风机708，第三控制单元710被配置为生成施加到逆变器718的PWM信号以控制鼓风机电机702的转动。另外，第三控制单元710被配置为接收来自霍尔传感器434的故障信号和来自分流电阻器720的被处理的分流电流，并且响应于接地故障，在故障期间禁用到逆变器718的任何PWM信号，以去除到鼓风机电机702的电力。
图8是包括电涌保护电路800的混合双电机***400(在图4中示出)的电路图。图9是包括电涌保护电路800的混合三电机***500(在图5中示出)的电路图。在HVAC应用中，电机***应当满足电涌保护要求(即6,000伏闪电电涌)，以及确保DC链路中的过冲电压低于逆变器级中半导体装置的额定电压。这适用于混合电机***400和500，其包括DC链路中的高电容电容器。因此，电涌保护电路800被提供以提供这种闪电电涌保护。
在示例性实施例中，电涌保护电路800并联耦接到具有最高电容的DC链路的NTC电阻器。相应地，在图8的混合双电机***400中，电涌保护电路800并联耦接到冷凝器风扇电机驱动电路410的NTC电阻器448(在图4中示出)。此外，在图9的混合三电机***500中，电涌保护电路800并联耦接到鼓风机电机驱动电路504的NTC电阻器514。
图10是可用于混合双电机***400(在图8中示出)或混合三电机***500(在图9中示出)中的示例性电涌保护电路800的电路图。除了位置设定之外，电涌保护电路800对于混合双电机***400和混合三电机***500两者都是相同的，并且将仅参考图8进行描述。
在示例性实施例中，电涌保护电路800包括与NTC电阻器448(在图4和图8中示出)并联耦接的齐纳二极管1000。当电涌电压发生时，横跨低电容电容器432(在图4和图8中示出)的电压降增加并且产生在第一DC链路426和第二DC链路450之间大的电压差。在横跨NTC电阻器448的电压超过齐纳二极管1000的击穿电压时，齐纳二极管1000开始导通并将横跨NTC电阻器448的电压钳位到预定电平。高电容电容器456吸收电涌能量以防止第一DC链路426和第二DC链路450中的过冲电压。
图11是可用于混合双电机***400(在图8中示出)或混合三电机***500(在图9中示出)中的示例性电涌保护电路800的电路图。除了位置设定之外，电涌保护电路800对于混合双电机***400和混合三电机***500都是相同的，并且将仅参考图8进行描述。
在示例性实施例中，电涌保护电路800包括与硅控整流器(SCR)1106以及NTC电阻器448并联耦接的串联耦接瞬态电压抑制(TVS)二极管1100、第一电阻器1102和第二电阻器1104。TVS二极管1100感测横跨NTC电阻器448的高电压降或过冲电压。当TVS二极管1100击穿时，其将电流传导至SCR 1106的栅极端，然后该SCR 1106的栅极端导通以形成低阻抗线路。第一电阻器1102和第二电阻器1104限制通过TVS二极管1100的电流。因此，高电容电容器456吸收电涌能量，使得横跨低电容电容器432的过冲电压不超过保护极限(例如600VDC)。通常，该保护电压电平用于保护额定为600VDC的半导体装置。
在此描述的电机驱动电路和电机控制器可以体现多种不同的配置和位置并且保持在本公开的范围内。在一个实施例中，电机控制器是电机驱动电路的一部分。在另一实施例中，控制器可以与电机驱动电路通信，但是控制器可以是电机的一部分。在另一实施例中，控制器可以是位于结构中的控制器的电路的一部分。在另一实施例中，控制器155可能与电路、电机和控制器分离，并且可以位于室外单元的其它地方或甚至远离其。在这种情况下，控制器可以通过线路、无线***(其中任一个通常由虚线示出)或光学***耦接到电机、控制器或电路，在这种情况下，电机、控制器或电路都将包括用于无线或光通信的足够配置的传统发射机/接收机。
所描述的实施例为制造商和最终消费者提供了成本节省，因为从电机的电机控制器中去除了电解电容器。此外，由于***内的部件较少，因此该***的可靠性会增加。此外，所描述的实施例减少了总谐波失真并增加了其中安装的电机的功率因数。
在此描述的方法和***的技术效果可以包括以下中的一个或多个：(a)当输入电压可用时，由电机控制器增加从第一电机到第一负载的能量传递；(b)当直流(DC)链路电压是接近零和等于零中的一个时，由电机控制器减缓从第一负载到第一电机的能量传递的减少以产生正转矩；以及(c)由电机控制器生成用于施加到第二电机的控制信号。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最优模式，并且同样使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或***以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同结构元件，则这些其它示例旨在处于权利要求的范围内。

Claims (30)

1.一种电机驱动电路，其被配置为驱动第一电机和第二电机，所述电机驱动电路包括：
整流器，其被配置为将AC输入电压转换为脉冲的DC电压；
第一DC链路，其被电耦接到所述整流器，所述第一DC链路包括具有小于10μF的电容的低电容电容器；
第一逆变器，其被耦接到所述第一DC链路，所述第一逆变器被配置为生成调节的输出电压，以驱动所述第一电机；
第二DC链路，其被电耦接到所述第一DC链路；以及
第二逆变器，其被耦接到所述第二DC链路，所述第二逆变器被配置为生成调节的输出电压，以驱动所述第二电机。
2.根据权利要求1所述的电机驱动电路，其中，所述第一DC链路包括正DC链路导轨和负DC链路导轨，所述电机驱动电路进一步包括耦接到所述正DC链路导轨的所述低电容电容器的下游的霍尔传感器。
3.根据权利要求2所述的电机驱动电路，其中，所述霍尔传感器被配置为提供当大电流流过所述正DC链路导轨时的接地故障保护。
4.根据权利要求2所述的电机驱动电路，其中，所述第二DC链路被电耦接在所述霍尔传感器的下游。
5.根据权利要求1所述的电机驱动电路，其中，所述低电容电容器将所述电机驱动电路的功率因数增加到至少约0.9。
6.根据权利要求1所述的电机驱动电路，其中，所述第一逆变器是三相逆变器并且包括用于每一相的一组逆变器开关，所述电机驱动电路进一步包括分别耦接到相应组的逆变器开关和所述负DC链路导轨的第一、第二和第三分流电阻器。
7.根据权利要求6所述的电机驱动电路，其中所述第一、第二和第三分流电阻器被配置为感测所述负DC链路导轨上的电流，以为所述负DC链路导轨提供接地故障电流保护。
8.根据权利要求1所述的电机驱动电路，进一步包括分流电阻器，所述分流电阻器被耦接到所述负DC链路导轨，并且被配置为感测所述负DC链路导轨上的电流，以为所述负DC链路导轨提供接地故障电流保护。
9.根据权利要求1所述的电机驱动电路，其中所述第二DC链路包括具有在约200μF与1000μF之间的电容的高电容电容器。
10.根据权利要求9所述的电机驱动电路，进一步包括被串联耦接在所述低电容电容器和所述高电容电容器之间的二极管和负温度系数(NTC)电阻器。
11.根据权利要求10所述的电机驱动电路，其中，所述二极管和所述NTC电阻器被配置为提供由所述高电容电容器的存在引起的针对所述第二逆变器的浪涌电流保护。
12.根据权利要求10所述的电机驱动电路，进一步包括与所述NTC电阻器并联耦接的电涌保护电路，所述电涌保护电路被配置为为所述第一和第二DC链路提供电涌电压保护。
13.根据权利要求12所述的电机驱动电路，其中，所述电涌保护电路包括齐纳二极管。
14.根据权利要求12所述的电机驱动电路，其中，所述电涌保护电路包括：
与所述NTC电阻器并联耦接的串联耦接的瞬态电压抑制(TVS)二极管、第一电阻器和第二电阻器；以及
与所述串联耦接的TVS二极管、第一电阻器和第二电阻器以及所述NTC电阻器并联耦接的可控硅整流器(SCR)。
15.根据权利要求1所述的电机驱动电路，进一步包括：
第三DC链路，其被电耦接到所述第一DC链路；以及
第三逆变器，其被耦接到所述第三DC链路，所述第三逆变器被配置为生成调节的输出电压，以驱动第三电机。
16.一种电机控制器，其被配置为控制驱动第一负载的第一电机以及驱动第二负载的第二电机，所述电机驱动控制器包括：
第一控制单元，其被耦接到所述第一电机并且被配置为当输入电压可用时增加从所述第一电机到所述第一负载的能量传递，以及当所述第一电机的直流(DC)链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从所述第一负载到所述第一电机的能量传递的减少以产生正转矩；以及
第二控制单元，其被配置为生成用于驱动所述第二电机的控制信号。
17.根据权利要求16所述的电机控制器，其中，所述第一控制单元进一步被配置为生成脉宽调制(PWM)信号以控制所述第一电机的转动。
18.根据权利要求16所述的电机控制器，其中，所述第一控制单元进一步被配置为：
接收指示存在接地故障电流的来自被耦接到所述第一电机的负DC链路导轨的至少一个分流电阻器的处理分流电流和来自霍尔传感器的故障信号中的至少一个；以及
在出现接地故障电流时，禁用到所述第一和第二电机的逆变器的PWM信号，以去除对所述第一和第二电机二者的电力。
19.根据权利要求16所述的电机控制器，其中，所述第二控制单元被配置为使用在高电容电容器上存储的能量来生成PWM信号以控制所述第二电机的转动。
20.根据权利要求16所述的电机控制器，其中，所述第二控制单元被配置为：
接收来自霍尔传感器的故障信号和来自被耦接到所述第二电机的负DC链路导轨的至少一个分流电阻器的处理的分流电流中的至少一个；以及
响应于接地故障，禁用到所述第一和第二电机的逆变器的PWM信号，以去除到所述第一和第二电机二者的电力。
21.根据权利要求16所述的电机控制器，其中，所述第二控制单元被配置为当输入电压可用时增加从所述第二电机到所述第二负载的能量传递，以及当所述第二电机的DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从所述第二负载到所述第二电机的能量传递的减少以产生正转矩。
22.根据权利要求16所述的电机控制器，进一步包括第三控制单元，所述第三控制单元被配置为生成用于驱动第三电机的控制信号。
23.根据权利要求22所述的电机控制器，其中，所述第三控制单元被配置为使用在高电容电容器上存储的能量来生成PWM信号以控制所述第三电机的转动。
24.根据权利要求22所述的电机控制器，其中，所述第三控制单元被配置为当输入电压可用时增加从所述第三电机到第三负载的能量传递，以及当所述第三电机的DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从所述第三负载到所述第三电机的能量传递的减少以产生正转矩。
25.一种电机***，包括：
第一电机；以及
电机控制器，其通信地耦接到所述第一电机，所述电机驱动控制器包括：
第一控制单元，其被耦接到所述第一电机，并且被配置为当输入电压可用时增加从所述第一电机到第一负载的能量传递，以及当直流(DC)链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从所述第一负载到所述第一电机的能量传递的减少以产生正转矩；以及
第二控制单元，其被配置为生成用于驱动第二电机的控制信号。
26.根据权利要求25所述的电机***，其中，所述第二控制单元被配置为当输入电压可用时增加从所述第二电机到第二负载的能量传递，以及当所述第二电机的DC链路电压具有近似100％的电压纹波时减缓从所述第二负载到所述第二电机的能量传递的减少以产生正转矩。
27.一种控制单元，其被配置为耦接到第一电机，并且被配置为当输入电压可用时增加从所述第一电机到第一负载的能量传递，以及当直流(DC)链路电压是接近零和等于零中的一个时减缓从所述第一负载到所述第一电机的能量传递的减少以产生正转矩。
28.一种用于控制驱动第一负载的第一电机和驱动第二负载的第二电机的方法，所述方法包括：
当输入电压可用时，由电机控制器增加从所述第一电机到所述第一负载的能量传递；
当直流(DC)链路电压是接近零和等于零中的一个时，由所述电机控制器减缓从所述第一负载到所述第一电机的能量传递的减少以产生正转矩；以及
由所述电机控制器生成用于施加到所述第二电机的控制信号。
29.根据权利要求28所述的方法，进一步包括：
接收指示存在接地故障电流的来自被耦接到所述第一电机的负DC链路导轨的至少一个分流电阻器的处理分流电流和来自霍尔传感器的故障信号中的至少一个；以及
在出现接地故障电流时，禁用到所述第一和第二电机的逆变器的PWM信号，以去除到所述第一和第二电机二者的电力。
30.根据权利要求28所述的方法，进一步包括：
接收来自霍尔传感器的故障信号和来自被耦接到所述第二电机的负DC链路导轨的至少一个分流电阻器的处理的分流电流中的至少一个；以及响应于接地故障，禁用到所述第一和第二电机的逆变器的PWM信号，以去除到第一和第二电机二者的电力。
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