CN108471244A - 一种变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于压缩机技术领域，提供一种变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路，其特征在于，所述补偿电路的补偿电容一端接地，另一端与AGND和母线分别通过一个开关元件连通，所述开关元件使用软件控制打开和断开；计算PWM变频电机拖动系统中高频共模电压变化率dv/dt，当dv/dt为正值时，补偿电路的补偿电容连通AGND，与母线断开，补偿电容吸收压缩机泄漏电流；当dv/dt为负值时，补偿电路的补偿电容接通母线，与AGND断开，产生对外的补偿电流，当dv/dt为0时，补偿电路的补偿电容同时与AGND和母线断开。本发明通过对泄漏电流进行精确地控制补偿，可以有效减少泄漏电流，提高设备的电气安全和可靠性，没有复杂的元器件，节省成本。

Description

一种变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路及其控制方法

技术领域

本发明属于压缩机技术领域，尤其涉及一种变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路及其控制方法。

背景技术

变频空调自其问世以来，以其较高的能效和节电性能得到市场的广泛认可，也是目前各大空调厂商的主流产品。但变频直流压缩机PWM控制技术和高速开关器件的使用，给压缩机定子绕组中引入了较多的高频共模干扰，再经过定子与外壳间的耦合电容泄漏至大地，导致压缩机泄漏电流增大，变频压缩机的泄漏电流普遍比定频压缩机较大。各国都对家用电器的电气安全有相应的标准，对泄漏电流也有限值要求。

行业开发变频产品过程中，对于泄漏电流超标的改善，通常采用三种方案：

1)更改压缩机直流电机的结构，增加电机定子与电机外壳间的绝缘强度；

2)在变频控制器IPM驱动模块三相输出端添加无源或有源低通滤波器再接压缩机负载；

3)使用外置泄漏电流补偿电路对压缩机泄漏进行有规律地吸收或补偿，达到降低的目的。

第一种方案通过加强绝缘，阻隔泄漏电流产生路径，是最为常用的方案；相关论文、专利对第二种方案也有深入的研究，提出了各种有效的滤波器方案；第三种被动降低泄漏电流的方案行业中研究较少，CN107078657A提出了一种泄漏电流补偿电路，通过一个高精度的共模泄漏电流互感器感应零线和火线的电流，通过差值判断泄漏电流的方向，触发补偿电路对压缩机泄漏进行补偿，同时获取压缩机的转子位置对补偿电路的通断进行控制，防止过度补偿。但这一方案具有一定缺点：高精度互感器要求较高，成本也较大；补偿电路的通断基于实验经验，补偿不精确，难达到最佳效果。

本发明提出基于软件控制补偿电路的补偿方案，无需采用互感器作为控制触发，补偿更为精确。

发明内容

鉴于现有技术中存在上述技术问题，本发明的目的为提供一种变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路，该补偿电路采用软件控制，为变频压缩机泄漏电流的减小提出了新的解决方案，降低了补偿成本。

本发明的另一目的为，提供所述变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路的控制方法，根据变频压缩机泄露电流的规律性，提出软件控制的泄漏电流补偿方案，根据所述规律精确补偿泄漏电流。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下技术方案。

本发明提供一种变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路，所述补偿电路的补偿电容一端接地，另一端与AGND和母线分别通过一个开关元件连通，所述开关元件使用软件控制打开和断开；计算PWM变频电机拖动系统中高频共模电压变化率dv/dt，当dv/dt为正值时，补偿电路的补偿电容导通AGND，与母线断开，补偿电容吸收压缩机泄漏电流；当dv/dt为负值时，补偿电路的补偿电容接通母线，与AGND断开，产生对外的补偿电流，当dv/dt为0时，补偿电路的补偿电容同时与AGND和母线断开。

所述软件使用微控制器来实现，微控制器通过网络与开关元件连接，即所述开关元件使用微控制器控制打开和断开，微控制器连接两个开关元件。

通常，补偿电路中的补偿电容较大，而电机中耦合电容参数很小，两者不可能达到完全一致，容易出现补偿电流过大导致泄漏反而增大的情况，需要根据压缩机泄漏电流的大小选用合适补偿电路限流电阻Z1，限制补偿电流幅值。因此，需要在所述补偿电容的接地端连接限流电阻，所述限流电阻的大小根据实际检测的泄漏电流大小确定，以保证补偿电路产生的补偿电流与实际泄漏电流相抵消。

因泄漏及补偿电流幅值很小，补偿电路不限于使用强电作为补偿电流发生电源。当使用强电PFC-DC作为补偿电路中补偿电流发生电源时，开关元件使用IGBT开关管；当使用±15V等弱电作为补偿电路补偿电流发生电源时，开关元件可使用三极管。无论采用强电还是弱电作为补偿电流发生电源，补偿电路的控制方案与下述控制方法一致。

本发明中的开关元件使用软件根据变频压缩机泄露电流的规律性控制打开和断开。

现代PWM变频供电系统中，通常采用两电平、电压源形、交直交变频器。通过整流器将电网侧交流电转化为直流电。通过中间直流环节滤波器转化为稳定的直流电，再通过逆变器将直流电转化为负载所需频率、幅值的交流电。在整流侧，采用二极管不可控整流。在逆变侧，采用空间矢量脉宽调制信号控制开关管的导通，进而在逆变器输出侧输出一系列等幅、不等宽的电压信号。随着电力电子技术的发展，通常采用IGBT作为逆变侧的开关管，开关管的上升时间一般都只有几百ns。因此变频器输出侧的电压会产生很大的dv/dt，会对变频器负载产生特别强烈的冲击。

对于变频压缩机电路中，由基尔霍夫电压定理可以得到三相供电端UVW对地的电压为：

三式相加可得：

其中，U_ug、U_vg、U_wg分别为逆变器输出端对地电压；i_a、i_b、i_c分别为逆变器输出端流经电机绕组的电流瞬时值；R、L为电机绕组等效电感；U_Ng为电机定子绕组中性点对地电压，即共模电压。

对三相感应电机，任意时刻流经定子绕组的电流为i_a、i_b、i_c由于定子绕组完全对称，在任意时刻，：i_a+i_b+i_c＝0，所以，在变频器输出端，可以得到：

由此可知，当电机使用传统的三相对称的交流供电时，定子绕组中性点电压为零，当采用两电平的空间矢量脉宽调制方式时，由逆变器IPM上下桥臂的开关管组合开通、关断，使变频器输出侧输出一系列等幅不等宽的脉冲电压来等效为交流电。在任意时刻，它们的幅值之和不为零，同一桥臂上下管在任意时刻不能同时导通。根据其SVPWM调制原理，共有8种开关组合状态(以G2、G4、G6开通1、关断0为例)，对应得到的U_com电压近似为：

这部分电压为系统中高频的共模电压，它们不参与能量传递，但对整个电气系统带来了负面影响。由于三相电机内部存在如附图2中所示的定子绕组到机壳之间的稱合电容C_wf、定子绕组到转子之间的稱合电容C_wr、转子到机壳之间的耦合电容C_rf等电机内部分布参数，高频共模电压变化率dv/dt通过这些电容，形成对地的泄漏电流。

通过建立拖动系统模型对电机系统进行仿真，根据图2所示建立电机耦合电容参数模型如图1中B所示，仿真结果如图3所示，其中I_leakage为压缩机泄漏电流，U_com为定子绕组的共模电压，可以得出结论当共模电压dv/dt为正值，也即为上升沿时，压缩机线圈会有对地的正向的泄漏电流，当dv/dt为负值，也即为下降沿时，压缩机线圈会有对地的负向泄漏电流，具有一定的相位规律。

因此，可以通过补偿电路输出与泄漏电流相位相反的补偿电流抵消整体对外泄漏电流。本发明所述补偿电路的补偿电容一端接地，另一端与AGND和母线分别通过一个开关元件连通。当dv/dt为正值时，补偿电路的补偿电容导通AGND，补偿电容吸收压缩机泄漏电流；当dv/dt为负值时，补偿电路的补偿电容接通母线，产生对外的补偿电流。

本发明还提供一种适用于上述变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路的控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)连续采集i+1组逆变器IPM输出UVW相对AGND的电压，其中i＝0,1,2,…；

2)计算共模电压U_com，根据值确定当前所处的开关状态；

3)如果U_comi<U_comi+1，则打开连通AGND的开关元件，断开连通母线的开关元件；如果U_comi>U_comi+1，则打开连通母线的开关元件，断开连通AGND的开关元件；如果未出现电平变化，则保持断开AGND和母线的开关元件，其中U_comi、U_comi+1为第i组或第i+1组计算出的共模电压。

所述共模电压的计算公式为：

其中，U_ug、U_vg、U_wg分别为逆变器输出端对地电压，U_Ng为电机定子绕组中性点对地电压，即共模电压。

在进一步的技术方案中，为了保证控制的稳定性，在步骤2)后增加查验步骤，即判断步骤2)计算出的共模电压U_com在误差范围内是否接近于0、Udc/3、2Udc/3、Udc，如果是则将U_com等于对应开关状态的理论值，储存于临时寄存器中得到U_comi、U_comi+1，否则，重新进行步骤1)和2)。所述对应开关状态的理论值，为0、Udc/3、2Udc/3、Udc中与计算出的共模电压U_com最相近的那一个值。

上述方法中，若U_comi<U_comi+1，则dv/dt>0；若U_comi>U_comi+1，则dv/dt<0；所述未出现电平变化，即为U_comi＝U_comi+1和dv/dt＝0。根据上面仿真得出的规律，当共模电压dv/dt为正值，也即为上升沿时，压缩机线圈会有对地的正向的泄漏电流，当dv/dt为负值，也即为下降沿时，压缩机线圈会有对地的负向泄漏电流。那么，如果U_comi<U_comi+1，也即为上升沿，压缩机线圈会有对地的正向的泄漏电流。此时，打开连通AGND的开关元件，断开连通母线的开关元件，补偿电路会吸收该泄漏电流。如果U_comi>U_comi+1，也即为下降沿时，压缩机线圈会有对地的负向泄漏电流。此时，打开连通母线的开关元件，断开连通AGND的开关元件，就会产生对外的补偿电流。如果U_comi＝U_comi+1，也即未出现电平变化，压缩机不需要吸收或补偿电流，只需要保持断开AGND和母线的开关元件即可。

本发明还提供另一种适用于上述的变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路的控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)获取SVPWM算法控制逆变器的三个开关管的驱动信号电平高低，以1代表高电平，以0代表低电平；

2)将三个开关状态相加求和；

3)根据前一次状态和当前状态查表确认当前状态所处位置，预测下一个状态；

4)在下一组逆变器开关信号给出时刻输出补偿电路开关元件控制信号，如果下一个状态的三个开关状态相加之和大于当前状态的三个开关状态相加之和，则控制打开连通AGND的开关元件，断开连通母线的开关元件；如果下一个状态的三个开关状态相加之和小于当前状态的三个开关状态相加之和，则控制打开连通母线的开关元件，断开连通AGND的开关元件；如果下一个状态的三个开关状态相加之和与当前状态的三个开关状态相加之和相同，则断开AGND和母线的开关元件。

按照SVPWM七段式驱动信号规律，通常，无论处于六个扇区中哪个扇区，驱动信号(以G2、G4、G6开通1、关断0为例)导通状态之和总会按照(0、1、2、3、3、2、1、0、0、1…)的规律变化。获取到前一刻开关状态和此刻的开关状态，即可预测下一次状态变化时U_com的上升沿或者下降沿情况，在下一次状态变换时准时输出补偿电路开关管驱动信号，进行补偿。

从上述内容中可知，根据其SVPWM调制原理，共有8种开关组合状态(以G2、G4、G6开通1、关断0为例)，对应得到的U_com电压近似为：

可见，当开关状态之和为逐渐增大时，U_com电压也逐渐增加，即dv/dt为正值；当开关状态之和为逐渐减小时，U_com电压也逐渐降低，即dv/dt为负值；当开关状态之和不变时，U_com电压也不变，即dv/dt为0。那么，在下一组逆变器开关信号给出时刻输出补偿电路开关元件控制信号，如果下一个状态的三个开关状态相加之和大于当前状态的三个开关状态相加之和，则控制打开连通AGND的开关元件，断开连通母线的开关元件；如果下一个状态的三个开关状态相加之和小于当前状态的三个开关状态相加之和，则控制打开连通母线的开关元件，断开连通AGND的开关元件；如果下一个状态的三个开关状态相加之和与当前状态的三个开关状态相加之和相同，则断开AGND和母线的开关元件。

本发明具有如下有益效果：1、通过对泄漏电流进行精确地控制补偿，可以有效减少泄漏电流，提高设备的电气安全和可靠性；2、没有复杂的元器件，节省成本。

附图说明：

图1为本发明实施例中PWM变频供电系统及泄漏电流补偿电路示意图；

图2为本发明实施例中变频压缩机耦合电容示意图；

图3为本发明实施例中泄漏电流相位规律示意图；

图4为本发明实施例1中控制方案流程图；

图5为本发明实施例2中控制方案流程图；

其中，1为定子，2为永磁体，3为转子，4为外壳。

具体实施方式：

下面结合具体实施例来说明本发明的技术方案。但是，下述实施例仅是本发明技术方案中的几个而不是所有，不应当将下述实施例理解为对本发明技术方案的限制。

实施例1

参考图1，本实施例为常用的一种PWM调制的变频电机拖动系统A(PFC以Boost为例，但不限于)设置补偿电路。该拖动系统A中首先，通过整流器将电网侧交流电转化为直流电；然后，通过中间直流环节滤波器转化为稳定的直流电，再通过逆变器将直流电转化为负载所需频率、幅值的交流电。在整流侧，采用二极管不可控整流。在逆变侧，采用空间矢量脉宽调制信号控制开关管的导通，进而在逆变器输出侧输出一系列等幅、不等宽的电压信号。

本实施例设计了图1中C所示的补偿电路，所述补偿电路的补偿电容一端接地，另一端与AGND通过一个开关管G9连通，与母线通过一个开关管G8联通，所述开关元件使用软件控制打开和断开；计算PWM变频电机拖动系统中高频共模电压变化率dv/dt，当dv/dt为正值时，补偿电路的补偿电容导通AGND，与母线断开，补偿电容吸收压缩机泄漏电流；当dv/dt为负值时，补偿电路的补偿电容接通母线，与AGND断开，产生对外的补偿电流，当dv/dt为0时，补偿电路的补偿电容同时与AGND和母线断开。

所述软件使用微控制器来实现，微控制器通过网络与开关元件连接，即所述开关元件使用微控制器控制打开和断开，微控制器连接两个开关元件，如微控制器通过计算后直接发出电信号，通过电传输到开关元件，来控制其打开和断开，或者微控制器通过计算后发出无线电信号(也可以是红外、蓝牙、无线网络等信号)，与开关元件连接的信号接收电路接收到信号后转化为驱动信号，来驱动开关元件打开和断开。

所述微控制器可以是使用该变频压缩机的电器(如空调、冰箱等)的控制主板。

实际补偿电路中补偿电容C4较大，而电机中耦合电容参数很小，两者不可能达到完全一致，容易出现补偿电流过大导致泄漏反而增大的情况，需要根据压缩机泄漏电流的大小选用合适补偿电路限流电阻Z1，限制补偿电流幅值。

因泄漏及补偿电流幅值很小，补偿电路不限于使用强电作为补偿电流发生电源。当使用强电PFC-DC作为补偿电路中补偿电流发生电源时，开关元件使用IGBT开关管；当使用±15V等弱电作为补偿电路补偿电流发生电源时，开关元件可使用三极管。无论采用强电还是弱电作为补偿电流发生电源，补偿电路的控制方案与下述控制方法一致。

软件对本实施例的补偿电路的控制流程如图4所示，具体过程如下：

1)软件芯片检测采样逆变器IPM输出UVW相对AGND的电压U_ug、U_vg、U_wg，连续采样i+1组，其中i＝0,1,2,…；

2)计算共模电压U_com，根据值确定当前所处的开关状态，其中，共模电压的计算公式为：

U_Ng为电机定子绕组中性点对地电压，即共模电压；

3)判断步骤2)计算出的共模电压U_com在误差范围内是否接近于0、Udc/3、2Udc/3、Udc，如果是则将U_com等于对应开关状态的理论值，储存于临时寄存器中得到U_comi、U_comi+1，否则，重新进行步骤1)和2)；

所述对应开关状态的理论值，为0、Udc/3、2Udc/3、Udc中与计算出的共模电压U_com最相近的那一个值；

4)进行上升沿或者下降沿检测：如果U_comi<U_comi+1，则导通G9开关管，断开G8开关管；如果U_comi>U_comi+1，则导通G8开关管，断开G9开关管；如果未出现电平变化，则保持断开G9和G8开关管；

5)清空临时寄存器。

实施例2

本实施例与实施例1的PWM调制的变频电机拖动系统A和补偿电路C完全一样，但软件控制方法不同。

按照SVPWM七段式驱动信号规律，通常，无论处于六个扇区中哪个扇区，驱动信号(以G2、G4、G6开通1、关断0为例)导通状态之和总会按照(0、1、2、3、3、2、1、0、0、1…)的规律变化。获取到前一刻开关状态和此刻的开关状态，即可预测下一次状态变化时U_com的上升沿或者下降沿情况，在下一次状态变换时准时输出补偿电路开关管驱动信号，进行补偿。软件对本实施例的补偿电路的控制流程如图5所示，具体过程如下：

1)获取SVPWM算法控制逆变器开关管G2、G4、G6的驱动信号电平高低，以1代表高电平，以0代表低电平；

2)将三个开关状态相加求和；

3)根据前一次状态和当前状态查表确认当前状态所处位置，预测下一个状态是上升沿还是下降沿；

4)在下一组逆变器开关信号给出时刻输出补偿电路开关元件控制信号，如果下一个状态的三个开关状态相加之和大于当前状态的三个开关状态相加之和，即为上升沿，则导通G9开关管，断开G8开关管；如果下一个状态的三个开关状态相加之和小于当前状态的三个开关状态相加之和，即下降沿，则导通G8开关管，断开G9开关管；如果下一个状态的三个开关状态相加之和与当前状态的三个开关状态相加之和相同，则断开AGND和母线的开关元件，即不补偿。

Claims (9)

1.一种变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路，其特征在于，所述补偿电路的补偿电容一端接地，另一端与AGND和母线分别通过一个开关元件连通，所述开关元件使用软件控制打开和断开；计算PWM变频电机拖动系统中高频共模电压变化率dv/dt，当dv/dt为正值时，补偿电路的补偿电容连通AGND，与母线断开，补偿电容吸收压缩机泄漏电流；当dv/dt为负值时，补偿电路的补偿电容接通母线，与AGND断开，产生对外的补偿电流，当dv/dt为0时，补偿电路的补偿电容同时与AGND和母线断开。

2.根据权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述补偿电容的接地端连接限流电阻。

3.根据权利要求2所述的补偿电路，其特征在于，所述限流电阻的大小根据实际检测的泄露电流大小确定。

4.根据权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，当使用强电PFC-DC作为补偿电路中补偿电流发生电源时，开关元件使用IGBT开关管；当使用弱电作为补偿电路补偿电流发生电源时，开关元件可使用三极管。

5.一种适用于权利要求1-4中任一项所述的变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)连续采集i+1组逆变器IPM输出UVW相对AGND的电压，其中i＝0,1,2,…；

2)计算共模电压U_com，根据值确定当前所处的开关状态；

3)如果U_comi<U_comi+1，则打开连通AGND的开关元件，断开连通母线的开关元件；如果U_comi>U_comi+1，则打开连通母线的开关元件，断开连通AGND的开关元件；如果未出现电平变化，则保持断开AGND和母线的开关元件，其中U_comi、U_comi+1为第i组或第i+1组计算出的共模电压。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，步骤2)中共模电压的计算公式为：

其中，U_ug、U_vg、U_wg分别为逆变器输出端对地电压，U_Ng为电机定子绕组中性点对地电压，即共模电压。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在步骤2)后增加查验步骤，即判断步骤2)计算出的共模电压U_com在误差范围内是否接近于0、Udc/3、2Udc/3、Udc，如果是则将U_com等于对应开关状态的理论值，储存于临时寄存器中得到U_comi、U_comi+1，否则，重新进行步骤1)和2)；所述对应开关状态的理论值，为0、Udc/3、2Udc/3、Udc中与计算出的共模电压U_com最相近的那一个值。

8.一种适用于权利要求1-4中任一项所述的变频压缩机降低泄漏电流的补偿电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)获取SVPWM算法控制逆变器的三个开关管的驱动信号电平高低，以1代表高电平，以0代表低电平；

2)将三个开关状态相加求和；

3)根据前一次状态和当前状态查表确认当前状态所处位置，预测下一个状态及下一个状态dv/dt的大小；

4)在下一组逆变器开关信号给出时刻输出补偿电路开关元件控制信号，当dv/dt为正值时，则控制打开连通AGND的开关元件，断开连通母线的开关元件；当dv/dt为负值时，则控制打开连通母线的开关元件，断开连通AGND的开关元件，当dv/dt为0时，则断开AGND和母线的开关元件。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，若逆变器开关状态之和的变化规律为：0、1、2、3、3、2、1、0、0、1…，那么步骤4)中，如果下一个状态的三个开关状态相加之和大于当前状态的三个开关状态相加之和，则控制打开连通AGND的开关元件，断开连通母线的开关元件；如果下一个状态的三个开关状态相加之和小于当前状态的三个开关状态相加之和，则控制打开连通母线的开关元件，断开连通AGND的开关元件；如果下一个状态的三个开关状态相加之和与当前状态的三个开关状态相加之和相同，则断开AGND和母线的开关元件。