CN102400899A - 空调压缩机的控制装置、控制方法、变频空调 - Google Patents
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Abstract
一方面本发明提供一种空调压缩机的控制装置，包括主电路单元、弱磁闭环调节电路，弱磁闭环调节电路从主电路单元采集压缩机的工作数据信息，根据采集到的信息进行分析计算并向主电路单元的逆变电路提供控制信号，以控制压缩机的工作电压和频率。另一方面本发明提供一种变频空调，具有前述的空调压缩机的控制装置。再一方面本发明提供一种空调压缩机的控制方法，包括利用主电路单元向压缩机供电；用弱磁闭环调节电路从主电路单元采集压缩机的工作数据信息，根据采集的信息进行分析计算并向逆变电路提供控制信号，以控制压缩机的工作电压和频率。PFC电路与弱磁闭环调节电路配合，实现压缩机在高频区和低频区高效稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及变频空调领域，尤其涉及一种空调压缩机的控制装置、一种具有该控制装置的变频空调以及一种空调压缩机的控制方法。
背景技术
随着全球气温变暖的趋势越来越明显，空调成为耗能大户已经是不争的事实。由于空调节能方面尚有技术改进的可能，因此该领域受到普遍关注。家用空调采用变频技术对压缩机驱动电机进行转速调控，改变制冷剂流量，实现空调制冷系统的经济运行方式。直流压缩机变频驱动作为一种主流的研究方向，其实现高频运行的途径主要有PFC升压方式和弱磁闭环控制方式。PFC升压电路以与输入电压相同的相位汲取电流，使电源输入电流实现正弦化，抑制输入电流中的谐波分量，改善整流回路的功率因数，最终补偿输出电压的不足。例如在申请号为200920194990.1的中国专利中，就是利用了PFC电路的这种特性，获取空调风机的直流电源的。弱磁闭环控制则是通过矢量法进行分析控制，降低定子电流中的励磁电流分量，以较低的母线电压实现压缩机的高频驱动，即在弱磁下扩速。但在现有技术中，这两种改善空调高频运行特性的方式是分别使用的，不能将两者的优势有效地结合在一起，因此也就未获得压缩机优质的高频出力和低频补偿特性，使得高频运行时出力受限、低频运行时相电流畸变能耗高的问题不能得到很好的解决。
发明内容
针对传统空调压缩机控制装置中存在的问题，本发明的目的在于提供一种空调压缩机的控制装置、具有该控制装置的变频空调以及空调压缩机的控制方法，以提高空调高频和低频运行性能。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种空调压缩机的控制装置，包括：向压缩机供电的主电路单元，由功率因数校正电路、平波电路和逆变电路组成，功率因数校正电路通过平波电路连接逆变电路，功率因数校正电路的输入端为主电路单元的电源输入端；以及弱磁闭环调节电路；其中，弱磁闭环调节电路从主电路单元采集压缩机的工作数据信息，并根据采集到的信息进行分析计算，弱磁闭环调节电路根据分析计算的结果向逆变电路提供控制信号，以控制压缩机的工作电压和频率。
优选地，弱磁闭环调节电路包括：电流反馈单元，用于根据采集到的压缩机的工作电流，输出三相静止坐标系下的三相电流信号；3/2坐标转换单元，用于根据目标角度和三相电流信号，计算出dq坐标系下工作电流；位置与速度估算单元，用于根据dq坐标系下工作电流，输出工作角速度和目标角度；速度环PID单元，用于根据目标角速度和工作角速度，输出目标转矩；转矩/电流比控制调节单元，用于根据目标转矩，输出dq坐标系下目标电流；电流环PID单元，用于根据dq坐标系下工作电流、dq坐标系下目标电流，输出dq坐标系下电压；前馈解耦调节与母线电压补偿单元，用于根据从主电路单元中的直流母线中采集到的电压信号、工作角速度、dq坐标系下目标电流，输出dq坐标系下补偿电压；2/3坐标转换及空间矢量脉宽调制单元，用于根据dq坐标系下补偿电压、dq坐标系下电压、目标角度，输出三相静止坐标系下的三相电压。
优选地，平波电路为滤波电容电路。
另一方面，本发明还提供一种变频空调，具有前述任一种空调压缩机的控制装置。
优选地，变频空调的风道中设有电子膨胀阀。
再一方面，本发明还提供一种空调压缩机的控制方法，包括以下步骤：步骤1，利用主电路单元向压缩机提供电源，其中，主电路单元由功率因数校正电路、平波电路和逆变电路组成，功率因数校正电路通过平波电路连接所述逆变电路，功率因数校正电路的输入端为主电路单元的电源输入端；以及，步骤2，利用弱磁闭环调节电路从所述主电路单元采集压缩机的工作数据信息，并根据采集到的信息进行分析计算，弱磁闭环调节电路根据所述分析计算的结果向逆变电路提供控制信号，以控制压缩机的工作电压和频率。
优选地，平波电路采用滤波电容电路。
优选地，步骤2包括以下步骤：根据电流反馈单元采集到的压缩机工作电流，获得三相静止坐标系下的三相电流信号；根据目标角度和三相电流信号，利用3/2坐标转换单元计算出dq坐标系下工作电流；根据dq坐标系下工作电流，利用位置与速度估算单元计算出工作角速度和目标角度；根据目标角速度和工作角速度，利用速度环PID单元计算出目标转矩；根据目标转矩，利用转矩/电流比控制调节单元计算出dq坐标系下目标电流；根据dq坐标系下工作电流、dq坐标系下目标电流，利用电流环PID单元计算出dq坐标系下电压；根据从主电路单元中的直流母线中采集到的电压信号、工作角速度、dq坐标系下目标电流，利用前馈解耦调节与母线电压补偿单元输出dq坐标系下补偿电压；根据dq坐标系下补偿电压、dq坐标系下电压、目标角度，利用2/3坐标转换及空间矢量脉宽调制单元计算出三相静止坐标下的三相电压；三相电压作为弱磁闭环调节电路输出的控制信号，提供给主电路单元的逆变电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)改善压缩机高频运行特性：由于本发明中的主电路单元采用带有功率因数校正电路的方式，能够获得较高的功率因数且输出的直流电压幅值和波形稳定，再加上弱磁闭环调节电路采用在传统双闭环弱磁调节系统基础上增加前馈解耦与电压补偿单元，使弱磁闭环调节电路调节精确度得到改善，因此，压缩机的高频运行特性明显改善，其最高运行频率可由原来的100Hz提升至135Hz，故空调的快速制冷能力可提升10％；
(2)改善压缩机低频运行特性：采用功率因数校正电路可抑制谐波，降低低频运行时相电流畸变的几率，并且弱磁闭环调节电路的转矩/电流比单元中具有低频转矩补偿功能，因此，压缩机的低频运行特性可获得改善，进而可使压缩机在更低的频率下稳定运行，其最低运行频率可由原来的30Hz降低到8Hz，功耗可减小40％；
(3)风道中采用电子膨胀阀，保证了空调在高频运行时保持合理的负载，在低频运行时保持一定的压缩比，从而实现空调的长期稳定运行。
附图说明
图1是本发明的空调压缩机的控制装置的示意性结构框图；
图2是未采用本发明的控制装置时低频区运行波形图；
图3是采用本发明的控制装置时低频区运行波形图；
具体实施方式
本发明包括以下实施例但不限于以下实施例。下面结合附图对本发明技术方案进行具体描述。
如图1所示，本发明的空调压缩机的控制装置包括弱磁闭环调节电路3、用于向压缩机提供电源的主电路单元1。主电路单元由功率因数校正电路(PFC电路)、平波电路2和逆变电路组成，PFC电路通过平波电路连接至逆变电路，其中，PFC电路的输入端为主电路单元的电源输入端，220v的交流电从PFC电路的输入端输入，最后由逆变电路输出，逆变电路连接压缩机以向压缩机供电。图1中示出实施例中的平波电路为电容滤波电路。图1中示出了压缩机的电机为：内插式永磁同步电机(IPM PMSM)/表贴式永磁同步电机(SM PMSM)。
根据变频器工作原理及弱磁控制原理：变频电机的电压和频率是同步上升的，当电机的端电压达到额定电压时，其电压就不能再继续上升了，这时若想继续提高转速，就只有用矢量法计算出定子电流的d轴电流分量和q轴电流分量，分别对这两个电流分量进行控制(弱磁控制)，从而用较低的母线电压来实现压缩机的高频驱动。而在采用矢量控制时，为了提高驱动系统性能，须采用连续估算的方法获得转子的位置信息。无论是计算d轴电流和q轴电流，还是在无转子位置传感器的情况下估算转子位置与速度，都是通过实时检测电机的三相电流、输出电压，并利用电机的参数计算获得的。
本发明弱磁闭环调节电路包括：
电流反馈单元，该单元从主电路单元的压缩机负载侧采集压缩机工作电流，经过计算输出三相静止坐标系下的三相电流信号ia、ib和ic；
3/2坐标转换单元，该单元根据由下述位置与速度估算单元输入的目标角度θ以及根据由电源反馈单元计算出的三相电流信号ia、ib和ic，输出dq坐标系下工作电流id和iq；
位置与速度估算单元，用于根据由3/2坐标转换单元计算出的dq坐标系下的工作电流id和iq，而输出工作角速度ωr和目标角度θ；
速度环PID单元，用于根据目标角速度ωr *和工作角速度ωr，输出目标转矩Te *；
转矩/电流比控制调节单元，用于根据目标转矩Te *，输出dq坐标系下目标电流id *和iq *；此单元由最大转矩/电流比控制器、闭环自动弱磁调节器、低频转矩补偿器组成。
电流环PID单元，用于根据dq坐标系下工作电流id和iq、dq坐标系下目标电流id *和iq *，输出dq坐标系下电压ud和uq；
前馈解耦调节与母线电压补偿单元，是弱磁闭环调节电路的另一个信息采集点，用于根据从主电路单元中直流母线采集的电压信号Vdc、工作角速度ωr、dq坐标系下目标电流id *和iq *，输出dq坐标系下补偿电压ud *和uq *。
2/3坐标转换及空间矢量脉宽调制单元，根据dq坐标系下补偿电压ud *和uq *、dq坐标系下电压ud和uq、目标角度θ，输出三相静止坐标系下的三相电压ua、ub和uc。
由此，本发明用于供电的主电路单元采用带有PFC电路的方式，能够获得较高的功率因数且输出的直流电压幅值和波形稳定。弱磁闭环调节电路采用在传统双闭环弱磁调节系统基础上增加前馈解耦与电压补偿单元，使弱磁闭环调节电路调节精确度得到改善。因此，压缩机的高频运行特性得到了明显改善，其最高运行频率可由原来的100Hz提升至135Hz，故空调的快速制冷能力可提升10％。又由于采用PFC电路可抑制谐波，降低低频运行时相电流畸变的几率，并且弱磁闭环调节电路的转矩/电流比单元中具有低频转矩补偿功能，因此，压缩机的低频运行特性可获得改善，图2所示的是未使用本发明技术方案时采集的电流波形图，图3所示的是本发明技术方案采集的电流波形图，比较两图中虚线圈出的部分即可看出，图3的电流波形明显比图2的电流波形有改善，更加趋于正弦波形。由此，可使压缩机在更低的频率下稳定运行，其最低运行频率可由原来的30Hz降低到8Hz，功耗可减小40％。
另一方面，本发明还提供一种具有上述空调压缩机的控制装置的变频空调。
在上述本发明的变频空调的一个实施例中，空调的风道中采用电子膨胀阀。由于电子膨胀阀具有良好的开度控制特性，当高频运行时，系统压力增大，通过调节电子膨胀阀的开度，减小系统压力，使压缩机能够保持合理的负载。同理，调节电子膨胀阀的开度，可保证低频运行时保持一定的制冷量。
再一方面，本发明还提供一种空调压缩机的控制方法，其中，该空调压缩机为变频空调压缩机，该控制方法包括以下步骤：
步骤1，利用主电路单元向压缩机提供电源，其中，主电路单元由PFC电路、平波电路和逆变电路组成，PFC电路的输出端连接平波电路的输入端，平波电路的输出端连接逆变电路的输入端，PFC电路的输入端构成了主电路单元的电源输入端；以及
步骤2，利用弱磁闭环调节电路从主电路单元采集压缩机的工作数据信息，并根据采集到的信息进行分析计算(即，计算压缩机的空间矢量数据和转子位置力矩数据)，弱磁闭环调节电路根据分析计算的结果向逆变电路提供控制信号，以控制压缩机的工作电压和频率，其中，弱磁闭环调节电路带有前馈解耦调节与母线电压补偿单元，平波电路可以采用滤波电容电路。
步骤2包括以下步骤：
根据电流反馈单元采集到的压缩机工作电流，利用电流反馈单元获得三相静止坐标系下的三相电流信号ia、ib和ic；
根据目标角度θ和三相电流信号ia、ib和ic，利用3/2坐标转换单元计算出dq坐标系下工作电流id和iq；
根据dq坐标系下的工作电流id和iq，利用位置与速度估算单元计算出工作角速度ωr和目标角度θ；
根据目标角速度ωr *和工作角速度ωr，利用速度环PID单元计算出目标转矩Te *；
根据目标转矩Te *，利用转矩/电流比控制调节单元计算出dq坐标系下目标电流id *和iq *；
根据dq坐标系下工作电流id和iq、所述dq坐标系下目标电流id *和iq *，利用电流环PID单元计算出dq坐标系下电压ud和uq；
根据从主电路单元中直流母线采集的电压信号Vdc、工作角速度ωr、dq坐标系下目标电流id *和iq *，利用前馈解耦调节与母线电压补偿单元输出dq坐标系下补偿电压ud *和uq *；
根据dq坐标系下补偿电压ud *和uq *、dq坐标系下电压ud和uq、目标角度θ，利用2/3坐标转换及空间矢量脉宽调制单元，计算出三相静止坐标下的三相电压ua、ub和uc；
上述三相电压ua、ub和uc作为弱磁闭环调节电路输出的控制信号，提供给主电路单元的逆变电路。
由此，本发明对现有技术进行了改进，主电路单元带有PFC电路，弱磁闭环调节电路采取电流速度双闭环弱磁调节，并带有前馈解耦调节与母线电压补偿单元，使主电路单元与弱磁闭环调节电路有效配合，实现压缩机在高频区和低频区都能高效稳定运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种空调压缩机的控制装置，其特征在于，包括：
向压缩机供电的主电路单元(1)，由功率因数校正电路、平波电路(2)和逆变电路组成，所述功率因数校正电路通过所述平波电路连接所述逆变电路，所述功率因数校正电路的输入端为所述主电路单元的电源输入端；以及
弱磁闭环调节电路(3)；
其中，所述弱磁闭环调节电路(3)从所述主电路单元采集压缩机的工作数据信息，并根据采集到的信息进行分析计算，所述弱磁闭环调节电路(3)根据所述分析计算的结果向所述逆变电路提供控制信号，以控制所述压缩机的工作电压和频率。
2.根据权利要求1所述的空调压缩机的控制装置，其特征在于，所述弱磁闭环调节电路(3)包括：
电流反馈单元，用于根据采集到的所述压缩机的工作电流，输出三相静止坐标系下的三相电流信号；
3/2坐标转换单元，用于根据目标角度和所述三相电流信号，计算出dq坐标系下工作电流；
位置与速度估算单元，用于根据所述dq坐标系下工作电流，输出工作角速度和所述目标角度；
速度环PID单元，用于根据目标角速度和所述工作角速度，输出目标转矩；
转矩/电流比控制调节单元，用于根据所述目标转矩，输出dq坐标系下目标电流；
电流环PID单元，用于根据所述dq坐标系下工作电流、所述dq坐标系下目标电流，输出dq坐标系下电压；
前馈解耦调节与母线电压补偿单元，用于根据从所述主电路单元中的直流母线中采集到的电压信号、所述工作角速度、所述dq坐标系下目标电流，输出所述dq坐标系下补偿电压；
2/3坐标转换及空间矢量脉宽调制单元，用于根据dq坐标系下补偿电压、所述dq坐标系下电压、所述目标角度，输出三相静止坐标系下的三相电压。
3.根据权利要求2所述的空调压缩机的控制装置，其特征在于，所述平波电路(2)为滤波电容电路。
4.一种变频空调，其特征在于，具有权利要求1-3任一项所述的空调压缩机的控制装置。
5.根据权利要求4所述的变频空调，其特征在于，所述变频空调的风道中设有电子膨胀阀。
6.一种空调压缩机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用主电路单元(1)向压缩机提供电源，其中，所述主电路单元(1)由功率因数校正电路、平波电路(2)和逆变电路组成，所述功率因数校正电路通过所述平波电路(2)连接所述逆变电路，所述功率因数校正电路的输入端为所述主电路单元(1)的电源输入端；以及
步骤2，利用弱磁闭环调节电路(3)从所述主电路单元(1)采集压缩机的工作数据信息，并根据采集到的信息进行分析计算，所述弱磁闭环调节电路(3)根据所述分析计算的结果向所述逆变电路提供控制信号，以控制所述压缩机的工作电压和频率。
7.根据权利要求6所述的空调压缩机的控制方法，其特征在于，所述平波电路(3)采用滤波电容电路。
8.根据权利要求7所述的空调压缩机的控制方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：
根据电流反馈单元采集到的压缩机工作电流，获得三相静止坐标系下的三相电流信号；
根据目标角度和所述三相电流信号，利用3/2坐标转换单元计算出dq坐标系下工作电流；
根据所述dq坐标系下工作电流，利用位置与速度估算单元计算出工作角速度和所述目标角度；
根据目标角速度和所述工作角速度，利用速度环PID单元计算出目标转矩；
根据所述目标转矩，利用转矩/电流比控制调节单元计算出dq坐标系下目标电流；
根据所述dq坐标系下工作电流、所述dq坐标系下目标电流，利用电流环PID单元计算出dq坐标系下电压；
根据从所述主电路单元中的直流母线中采集到的电压信号、所述工作角速度、所述dq坐标系下目标电流，利用前馈解耦调节与母线电压补偿单元输出所述dq坐标系下补偿电压；
根据dq坐标系下补偿电压、所述dq坐标系下电压、所述目标角度，利用2/3坐标转换及空间矢量脉宽调制单元计算出三相静止坐标下的三相电压；
所述三相电压作为所述弱磁闭环调节电路输出的控制信号，提供给所述主电路单元的逆变电路。
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