用于电动机驱动的逆变器控制单元及其空调机 【技术领域】
本发明涉及一种用于电动机驱动的逆变器控制单元，所述逆变器控制单元包括小电感电抗器和小电容电容器，以及涉及一种采用该逆变器控制单元的空调机。
背景技术
迄今已知多种使用二级管的整流方法。例如，图8示出了在日本专利待审公开NO.9-266674(1997)中提出的现有技术的直流电源设备。以下描述该现有技术的直流电源设备的操作。在图8中，将交流电源1的交流电源电压施加到具有桥接的二级管D1到D4的全波整流电路的交流输入端。将全波整流电路的输出经由电抗器Lin施加到中间电容器C，并将中间电容器C的电荷放电到平滑电容器CD，从而将直流电压提供给负载电阻RL。在这种情况下，在电抗器Lin的负荷侧，将晶体管Q1与连接全波整流器电路和中间电容器C的正和负直流路径相连，从而由基极驱动电路G1来驱动晶体管Q1。
同时，设置了用于向基极驱动电路G1施加脉冲电压的脉冲发生器PG1和PG2以及假负载电阻Rdm。该脉冲发生器PG1由用于检测交流电源电压的零交叉点地电路形成，而脉冲发生器PG2由脉冲电流电路形成，该脉冲电流电路用于在检测到零交叉点之后，使脉冲电流流过假负载电阻Rdm，直到AC电源电压的瞬时值与中间电容器C两端的电压一致为止。这里，脉冲发生器PG1适合于产生在交流电源电压的半周期的第一半中的脉冲电压，而脉冲发生器PG2适合于产生在交流电源电压的半周期的第二半中的脉冲电压。在通过导通晶体管Q1而强制地使电流流过电抗器Lin的情况下，对反向电流防止二极管D5进行连接，从而使中间电容器C的电荷不会经由晶体管Q1放电。此外，将反向流动防止二级管D6和用于提高平滑效果的电抗器Ldc串联地插入用于将中间电容器C的电荷放电到平滑电容器CD的路径中。
根据上述配置，当在其中AC电源电压的瞬时值不超过中间电容器C两端的电压的相位间隔的一部分或全部内，将晶体管Q1保持在导通状态时，可以减少高次谐波分量并获得高功率因数，同时防止现有技术的直流电源设备在尺寸上变大。
然而，在上述配置中，由于设置了具有1500μF的大电容的平滑电容器CD、具有6.2mH的大电感的电抗器Lin、中间电容器C、晶体管Q1、基极驱动电路G1、脉冲发生器PG1和PG2、假负载电阻Rdm、反向电流防止二级管D5和D6、以及用于提高平滑效果的电阻器Ldc，现有技术的直流电源设备在尺寸上变得较大，并且增加了现有技术的直流电源设备的元件的数量，从而导致现有技术的直流电源设备的生产成本的上升。
因此，如图5所示的这种用于电动机驱动的逆变器控制单元已经开始引起了公众的注意。在图5中，传统逆变器控制单元包括：整流电路，在其输入端处具有交流电源1；逆变器10，用于将直流电转换为交流电；以及电动机11。该整流电路由二级管电桥6和具有非常小的电感的电抗器9构成，该电抗器9与二级管电桥6的交流输入侧或直流电输出侧相连。用于吸收电动机11的再生能量的电容器7具有很小的电容，其连接在逆变器10的直流总线之间。
根据上述传统逆变器控制单元的配置，即使在建立逆变器控制时，由于逆变器直流电压的较大变化难以驱动电动机11，也可以操作逆变器10，从而使施加到电动机11上的电压大致保持不变。也就是说，由于可以利用小电感的电抗器9和小电容的电容器7来驱动电动机11，传统逆变器控制单元不但可以在尺寸上做小和在重量上做轻，而且可以以较低成本制造。
另一方面，迄今为止已知了在电动机再生时抑制直流电压上升的方法。例如，图9示出了在日本专利待审公开NO.10-136674(1998)中提出的一种已知的电动机控制设备。图9所示的已知的电动机控制设备包括：电源整流器32，用于将来自交流电源31的交流电压通过二级管电桥等转换为直流电压。同时，将相互串联的第一开关元件33和平滑电容器35与相互串联的电阻器36和再生晶体管37连接到功率整流器32的输出端。已知的电动机控制设备还包括：第二开关元件34，用于在电源31接通时经由电阻器36对平滑电容器35进行充电；电压检测电路38，用于检测在平滑电容器35两端的直流电压；以及开关控制电路39，用于响应由电压检测电路38检测到的电压信号，分别地执行第一开关元件33、第二开关元件34和再生晶体管37的接通-断开控制。
当在已知的电动机控制设备中接通电源31时，由开关控制电路39分别地断开和接通第一和第二元件33和34。因此，第二开关元件34经由电阻器36对平滑电容器35充电，从而限制冲击电流(rushcurrent)。因此，在此时，电阻器36充当冲击电流防止电阻器。
同时，在已知的电动机控制设备的正常操作期间，由开关控制电路39分别地接通和断开第一和第二开关元件33和34，并因而可以防止电阻器36的发热。
此外，在已知的电动机控制设备再生时，导通再生晶体管37，从而经由电阻器36对平滑电容器35的电荷进行放电。即，在电阻器36处消耗了平滑电容器35的电荷。因此，如果平滑电容器35两端的直流电压下降到预定值或更小，使再生晶体管37截止，从而抑制直流电压的上升。因此，在此时，电阻器36充当再生制动电阻器。
因此，根据上述已知的电动机控制设备的配置，由于单个电阻器36不仅可以用作冲击电流防止电阻器，而且还可以用作再生制动电阻器，可以取消大电阻器，从而不仅可以使已知的电动机控制设备在尺寸上紧凑和重量上较轻，而且可以用低成本来制造。
然而，在如图5所示的使用小电感的电抗器9和小电容的电容器7的传统逆变器控制单元中，当已经停止了电动机11，电动机11的再生能量由小电容的电容器7吸收。在再生能量较大情况下，由于电容器7的非常小的电容，因此直流电压的上升较大。同时，如图9所示，在使用了不仅充当冲击电流防止电阻器而且充当再生制动电阻器的电阻器36的已知的电动机控制设备中，由于在每一个驱动元件击穿(breakdown)之前再生能量不能被吸收，因此再生能量超过了每一个驱动元件的击穿电压，从而不利地导致了每一个驱动元件的击穿。在本说明书中，术语“击穿”用来表示以下现象：当反向施加到二级管上的电压已经超过预定值时，二级管失去其阻止反向电流的能力，因此，导致反向电流流过二级管的突然启动。
【发明内容】
因此，为了消除以上提及的现有技术的缺陷，本发明的主要目的是提供一种用于电动机驱动的逆变器控制单元，其中，可以将直流电压限制为不超过每一个驱动元件的击穿电压，以及提供一种使用该逆变器控制单元的空调机。
为了实现本发明的这个目的，根据本发明，用于电动机驱动的逆变器控制单元包括：整流电路，用于将从交流电源中输入的第一交流电转换为直流电，所述整流电路包括：二级管电桥和与二级管电桥的交流输入端或直流输出端相连并具有小电感的电抗器，所述二级管电桥具有多个第一驱动元件；逆变器将来自整流电路的直流电转换为第二交流电，从而将第二交流电输出到电动机，并且包括多个第二驱动元件。此外，用于吸收电动机的再生能量的电容器连接在逆变器的直流总线之间并具有小电容。过电压保护电路与电容器并联地连接在逆变器的直流总线之间，从而在二级管电桥的第一驱动元件和逆变器的第二驱动元件击穿之前启动所述过电压保护电路。
根据逆变器控制单元的上述配置，即使在电动机停止时由产生的再生能量升高了直流总线之间的电压，也可以由在设置电压启动的过电压保护电路，将直流总线之间的电压限制为不超过第一和第二驱动元件的击穿电压。
【附图说明】
参考附图，从结合其优选实施例所采用的以下描述中，本发明的目的和特征将变得明显，其中：
图1是示出了根据本发明的第一实施例，用于电动机驱动的逆变器控制单元的配置的电路图；
图2是示出了根据本发明的第二实施例，用于电动机驱动的逆变器控制单元的配置的电路图；
图3是示出了在图2所示的逆变器控制单元中，DC电压Vdc和来自电动机的再生电流I1的波形的曲线图；
图4是示出了根据本发明的第三实施例的空调机的配置的电路图，所述空调机包括图1或图2所示的逆变器控制单元；
图5是示出了用于电动机驱动的传统逆变器控制单元的配置的电路图，所述逆变器控制单元包括小电感电抗器和小电容电容器；
图6A和6B是解释图5所示的传统逆变器控制单元的操作的图；
图7是示出了在图5所示的传统逆变器控制单元中，直流电压Vdc和来自电动机的再生电流I1的波形的曲线图；
图8是现有技术的直流电源设备的电路图；以及
图9是已知的电动机控制设备的电路图。
在进行本发明的描述之前，应该注意到：在几个附图中，相同的部件由相同的参考符号表示。
【具体实施方式】
在下文中，参考附图来描述本发明的实施例。
(第一实施例)
图1示出了根据本发明的第一实施例，用于电动机驱动的逆变器控制单元100A的配置。该逆变器控制单元100A包括：桥式整流电路6，用于执行来自交流电源1的交流电的全波整流，该桥式整流电路由4个二级管2到5形成；与桥式整流电路6的交流电输入侧相连的小电感电抗器9；三相桥式逆变器10，用于将直流电转换为交流电；电容器7，用于吸收电动机11的再生能量，所述电容器与桥式整流电路6的直流总线相连，并且具有非常小的电容；以及过电压保护电路8A，与小电容电容器7并联地与桥式整流电路6的直流总线相连，以便在桥式整流电路6和逆变器10的驱动元件击穿之前启动该过电压保护电路8A。将逆变器10的输出提供给电动机11。同时，小电感电抗器9也可以设置在交流电输出端和小电容电容器7之间。
当施加到过电压保护电路8A的电压已经超过其预定电压时，过电压保护电路8A适合于降低其阻抗，以便将电流旁路到其中。在本实施例中，过电压保护电路8A由充当电压吸收元件的电涌吸收器12形成。
在描述逆变器控制单元100A的操作之前，参考图6A和6B来描述在电动机11停止时包含小电感电抗器9和小电容电容器7的传统逆变器控制单元(图5)的操作。在传统逆变器控制单元中，在电动机正常运转的情况下，电流按图6A所示的箭头的方向流动。另一方面，在停止电动机11的情况下，将由电动机11的电感成分积累的磁能变成了再生能量，因此，再生电流I1经由在逆变器10中分别与开关元件S并联的二级管D按照图6B所示的箭头的方向流动，从而对小电容电容器7进行充电，从而导致其充电电压即在直流总线两端的线电压Vdc的增加。如图7所示，由于线电压Vdc(峰值)达到了1095V，并因而超过了小电容电容器7和逆变器10的击穿电压600V，从而导致小电容电容器7和逆变器10的击穿。同时，图7示出了在电动机11停止时流过电动机11的最大电流是51A并且小电容电容器7具有10μF的电容的条件下所获得的线电压Vdc和再生电流I1的波形。
另一方面，在图1所示的本发明的逆变器控制单元100A中，当线电压Vdc已经到达预设直流电压时，电涌吸收器12进行操作，从而使再生电流I1按照图1中的箭头所示流过电涌吸收器12，因而抑制了线电压Vdc的上升。设置由电涌吸收器12实现的抑制电压，以使其不超过小电容电容器7和逆变器10的击穿电压。同时，充当过电压保护电路8A的电涌吸收器12应该具有如果施加到其上的电压下降至低于预定值则中断动态电流的功能，并且可以由采用硒整流器的硒吸收器来形成。
因此，在本实施例的逆变器控制单元100A中，由于可以通过过电压保护电路8A，将在电动机11停止时由电动机11的再生能量升高的线电压Vdc设置得低于小电容电容器7和逆变器10的击穿电压，因此，能够防止由于过电压造成的小电容电容器7和逆变器10击穿。
(第二实施例)
图2示出了根据本发明的第二实施例，用于电动机驱动的逆变器控制单元100B的配置。在逆变器控制单元100B中，采用了过电压保护电路8B来代替第一实施例的逆变器控制单元100A中的过电压保护电路8A。该过电压保护电路8B包括：气体放电器13，充当电压放电元件；以及电涌吸收器14，用于中断动态电流，该电涌吸收器14与气体放电器13串联。由于逆变器控制单元100B的其它配置与逆变器控制单元100A的配置相似，为了简便省略了对其的描述。
在图2所示的逆变器控制单元100B中，当在对小电容电容器7进行充电的情况下，线电压Vdc已经达到预定值时，在气体放电器13处发生放电。结果，基于再生能量的电动机电流I1和来自己充电的小电容电容器7的电流按照图2所示的箭头的方向流动。
这里假定交流电源1具有220V的电压，小电感电抗器9具有0.5mH的电感，小电容电容器7具有10μF的电容，在电动机11停止时流过电动机11的电流的最大值为51A，并且使气体放电器13开始放电的电压为500V，直流电压Vdc和来自电动机11的再生电流I1具有图3所示的波形。如图3所示，通过气体放电器13的放电，将线电压Vdc限制于517V，并且因而可以将其设置得低于小电容电容器7和逆变器10的600V的击穿电压。一旦在气体放电器13处发生发电，即使线电压Vdc已经下降至低于开始气体放电器13的放电的电压，在气体放电器13处仍继续发电。然而，当线电压Vdc已经下降到一定的电压时，操作电涌吸收器14以便中断动态电流。
因此，此外，在本实施例的逆变器控制单元100B中，由于通过过电压保护电路8B，可以将在电动机11停止时由电动机11的再生能量升高的线电压Vdc设置得低于小电容电容器7和逆变器10的击穿电压，因此，能够防止由于过电压造成的小电容电容器7和逆变器10击穿。
(第三实施例)
图4示出了根据本发明的第三实施例的空调机200的配置，所述空调机200包括用于电动机驱动的逆变器控制单元。所述逆变器控制单元100由第一实施例的逆变器控制单元100A或第二实施例的逆变器控制单元100B形成。因此，逆变器控制单元100的过电压保护电路8充当逆变器控制单元100A的过电压保护电路8A或逆变器控制单元100B的过电压保护电路8B。此外，将压缩机150与电动机11相连。
在空调机200中，由于将第一实施例的逆变器控制单元100A或第二实施例的逆变器控制单元100B用作逆变器控制单元100，因此，可以通过充当逆变器控制单元100A的过电压保护电路8A或逆变器控制单元100B的过电压保护电路8B的过电压保护电路8，可以将在电动机11停止时由电动机11的再生能量升高的线电压设置得低于小电容电容器7和逆变器10的击穿电压。
因此，在本实施例的空调机200中，由于逆变器控制单元100的过电压保护电路8能够防止由于过电压造成的小电容电容器7和逆变器10击穿，因此，压缩机15一直由电动机稳定地操作，从而可以极大地提升空调机200的操作可靠性。
从前面的描述可以清楚地知道，由于在包括小电感电抗器和小电容电容器的逆变器控制单元中，设置了用于防止直流总线的线电压的过电压的过电压保护电路，根据本发明，通过该过电压保护电路，可以将在电动机停止时由电动机的再生能量升高的线电压设置得低于驱动元件的击穿电压，从而能够防止由于过电压造成的驱动元件击穿。
同时，在设置有上述逆变器控制单元的本发明的空调机中，由于压缩机一直由电动机稳定地操作，因此可以极大地提升空调机的运行可靠性。