CN103580469B - 一种用于永磁同步电机的功率因数校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于永磁同步电机的功率因数校正方法，所述方法根据负荷的大小自动调节系统所需升压比，并根据升压比设置斩波停止条件，从而可以有效的控制功率开关在一个电压波形周期内的开关区域，在永磁同步电机运行于低频时，此时平均电源电流小于预定值，不进行功率因数校正，在永磁同步电机运行于中高频时，此时平均电源电流大于等于预定值，设定周期内系统所需升压比控制为设定值，并且根据负荷的增大，设定升压比提升的控制条件值，当达到条件值时，提高升压比，使得功率因数校正开关领域增加或转变为完全有源功率因数校正，从而有效的利用电源电压，使电动机运行到更高的频率。

Description

一种用于永磁同步电机的功率因数校正方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种用于永磁同步电机的功率因数校正方法。

背景技术

变频式空调器体现了现代电力电子技术和微电控制技术的应用成果，具有节能、高效、舒适的优势，有广阔地发展前景。而由于变频器供电的特点以及压缩机运行的特殊性，普通异步电机往往会出现效率低，噪声大等问题，难以达到较好的运行性能。永磁式同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速控制，因此永磁同步电机矢量控制系统广泛应用于在变频空调中。

功率因数（PowerFactor）是指有效功率和视在功率的比值，输入电压和电流之间的相位差以及电流或电压波形的畸变均会导致电路功率因数下降导致系统无功功率上升，增加系统能耗。

为提高电源的利用率，提高功率因数，大多永磁同步电机的前级AC-DC电路都采用功率因数校正（PowerFactorCorrection,PFC）电路，用于提高电源的功率因数，从而提高直流母线电压，一方面降低了电源整流回路的谐波含量，另一方面提高了变频器的输入电压，使压缩机可以运行到更高频频率。现有的功率因数控制方法一般分为三种方法，第一种采用无源PFC方法，无源PFC方法通过在电路中设置电感或电容改变电源输入电压和电流的相位差，从而提高功率因数。但是，无源PFC方案的缺点是采用大电感量的电抗器和交流电容，成本高，体积大，功率因数提高不够理想，一般在0.9左右。

第二种方案称为完全有源PFC方法，这种PFC方法采用是功率因数提高比较理想。有源PFC方案的基本原理是在电源的整流电路和滤波电容之间增加一个DC－DC的升压斩波电路，如图1所示，通过脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）驱动器控制高频功率开关期间（图中示出为绝缘栅极双极性晶体管IGBT）在整个电压波形周期内反复开关从而调节电感工作状态，对电路因整流引起的波形畸变进行补偿，进而实现PFC控制。对于供电线路来说，该整流电路输出没有直接接滤波电容，所以其对于供电线路来说呈现的是纯阻性的负载，其电压和电流波形同相、相位相同。但采用完全有源PFC控制，在一个周期内，驱动器IGBT的开关次数满负荷运行，开关损耗增大，温升提高，从而导致必须采用大额定电流的IGBT，并同时加大散热装置，散热体积增大，导致成本上升。

发明内容

本发明目的是提供一种效率更高，开关损耗低，散热体积较小的PFC方法。

本发明公开了一种用于永磁同步电机的功率因数校正方法，包括：

步骤100、设置当前周期系统所需升压比为设定升压比；

步骤200、基于当前周期的系统所需升压比确定斩波停止条件，根据斩波停止条件控制功率因数校正电路的功率开关在周期内的运行时间区域实现功率因子校正；其中，所述斩波停止条件为|i_s|≥a·|i_s|_mean，|i_s|为当前电源电流绝对值，|i_s|_mean为平均电源电流，a为当前周期系统所需升压比；

步骤300、同时进行两个条件判断，判断功率因数校正电路的直流输出电压是否小于预先设定的母线最大电压阈值，以及判断永磁同步电机励磁电流是否大于预先设定的励磁电流阈值；如果两个判断结果均为是，则执行步骤400；如果两个判断结果均为否，则执行步骤500；如果两个判断结果一个为是一个为否；则执行步骤600；

步骤400、将下一周期系统所需升压比提高第一步进值，执行步骤700；

步骤500、保持下一周期系统所需升压比不变，执行步骤700；

步骤600、将下一周期系统所需升压比降低第二步进值；

步骤700、下一周期开始时转步骤200。

优选地，所述根据斩波停止条件控制功率因数校正电路的功率开关在周期内的运行时间区域实现功率因子校正包括：

判断斩波停止条件是否满足，如果满足，则控制器输出信号控制脉冲宽度调制（PWM）驱动器停止向功率开关提供PWM信号，从而停止开关功率进行斩波操作；如果不满足，则控制器控制PWM驱动器持续向功率开关提供PWM信号保持进行斩波操作。

优选地，所述设定升压比为系统预设值，取值为1.10至1.38。

优选地，所述第一步进值和第二步进值相等均为0.02。

优选地，所述励磁电流阈值根据下式计算得到：

$I_{d\_\mathrm{limit}}=-\frac{k_E}{{2L}_d}\·B\_\mathrm{set}$

其中，I_{d_limit}为所述励磁电流阈值，k_E为永磁同步电机的感应电压常数，L_a为永磁同步电机的d轴电感，B_set为取值大于0小于1的权值。

优选地，所述功率因数校正电路为连接在整流电路后与同步电机逆变器之间的斩波电路，所述功率因数校正电路按PWM信号控制功率开关反复开关对整流电路的输出电压进行斩波以提高电路功率因数。

本发明还公开了一种用于永磁同步电机的功率因数校正方法，包括：

步骤100、设置当前周期系统所需升压比为设定升压比；

步骤200、判断平均电源电流是否大于电源电流阈值，如果大于，执行步骤300；如果小于，则在本周期停止进行PFC控制，下一周期开始重新进行步骤200；

步骤300、基于当前周期的系统所需升压比确定斩波停止条件，根据斩波停止条件控制功率因数校正电路的功率开关在周期内的运行时间区域实现功率因子校正；其中，所述斩波停止条件为|i_s|≥a·|i_s|_mean，|i_s|为当前电源电流绝对值，|i_s|_mean为平均电源电流，a为当前周期系统所需升压比；

步骤400、同时进行两个条件判断，判断功率因数校正电路的直流输出电压是否小于预先设定的母线最大电压阈值，以及判断永磁同步电机励磁电流是否大于预先设定的励磁电流阈值；如果两个判断结果均为是，则执行步骤500；如果两个判断结果均为否，则执行步骤600；如果两个判断结果一个为是一个为否；则执行步骤700；

步骤500、将下一周期系统所需升压比提高第一步进值，执行步骤700；

步骤600、保持下一周期系统所需升压比不变，执行步骤700；

步骤700、将下一周期系统所需升压比降低第二步进值；

步骤800、下一周期开始时转步骤200。

优选地，所述功率因数校正电路为连接在整流电路后与同步电机逆变器之间的斩波电路，所述功率因数校正电路按PWM信号控制功率开关反复开关对整流电路的输出电压进行斩波以提高电路功率因数。

优选地，所述根据斩波停止条件控制功率因数校正电路的功率开关在周期内的运行时间区域实现功率因子校正包括：

判断斩波停止条件是否满足，如果满足，则控制器输出信号控制脉冲宽度调制（PWM）驱动器停止向功率开关提供PWM信号，从而停止开关功率进行斩波操作；如果不满足，则控制器控制PWM驱动器持续向功率开关提供PWM信号保持进行斩波操作。

本发明根据负载情况使得PFC电路动态调整PFC斩波的工作区域从而使得PFC电路可以根据负载状况由不工作转变到完全有源PFC，有效的利用电源电压，使电动机运行到更高的频率，降低了电动机电流，降低了整机的功耗，实现了变频压缩机节能舒适的效果。

附图说明

图1是现有技术中有源PFC方案的前级PFC控制电路结构示意图；

图2是本发明实施例用于进行永磁同步电机PFC控制的系统框图；

图3是本发明实施例用于进行永磁同步电机PFC控制的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图2是本发明实施例用于进行永磁同步电机PFC控制的系统框图。如图2所示，所述进行永磁同步电机PFC控制的系统包括由整流电路和PFC控制电路构成的PFC主回路、同步电机PWM逆变器、同步电机和用于控制所述PFC主回路以及同步电机PWM逆变器的数据处理器。其中，交流电源Vs和PFC主回路连接，PFC主回路将交流电压Vs通过整流平滑成为直流电压E_d，并将直流电压E_d输入到同步电机PWM逆变器中。同步电机PWM逆变器将直流电压E_d逆变为三相交流电压输出给永磁同步电机，驱动永磁同步电机工作。

PFC主回路包括4个整流二极管D1，D2，D3，D4（或采用整流桥）组成整流回路，高速升压二极管D5，功率开关IGBT，平缓电容Cs，用于测量电源电流i_s的采样电阻R1，用于测量输出直流电压E_d的分压电阻R3和R4。

采样电阻R1两端电压通过增幅器放大后输入到A/D转换器中。AD转换器将其转换为数字信号后交由控制模块计算电源电流值i_s。

通过将分压电阻R3,R4中间点的分压输入AD转换器中。AD转换器将其转换为数字信号后交由控制模块计算输出直流电压值E_d。

控制模块根基测量得到的电源电流i_s计算电源电流绝对值的平均值|i_s|_mean，控制模块判断|i_s|_mean是否小于电源电流阈值（例如，3A），如果小于电源电流阈值，则说明永磁同步电机负荷较小，无须进行有源PFC控制，这时不打开PFC控制，即控制PWM驱动器在整个周期内不输出PWM信号。如果|i_s|_mean大于等于电流阈值，则说明永磁同步电机负荷较大，则打开PFC控制，即在周期的至少部分时间输出PWM信号。打开PFC控制流程后，控制模块根据测量得到的电源电流i_s和系统需要的升压比a判断是否满足停止斩波条件，如果满足，则输出信号控制PWM驱动器停止向功率开关IGBT提供PWM信号，从而停止开关功率开关停止进行斩波操作。如果不满足停止斩波条件，则控制PWM驱动器持续向功率开关IGBT提供PWM信号保持进行斩波操作。

斩波停止条件如下：

|i_s|≥a·|i_s|_mean

其中，｜i_s｜为电源电流i_s绝对值；｜i_s｜_mean为电源电流i_s绝对值的平均值；a为系统需要的升压比。升压比a的定义如下：

$a=\frac{E_d}{v_s}$

其中，E_d为PFC主回路的输出直流电压，v_s为电源电压峰值。

其中，所述斩波停止条件根据下述的推导得到；

斩波流通率duty定义如下：

duty＝1-K_p·|i_s|

其中，K_p为电流控制增益，定义为：

$K_p=\frac{1}{a}\·\frac{1}{|i_s{|}_{\mathrm{mean}}}$

当斩波流通率小于等于零时，进行斩波没有意义，因此，斩波停止条件设置为：

$\mathrm{duty}=1-K_p\·\left|i_s\right|=1-\frac{1}{a}\·\frac{1}{{\left|i_s\right|}_{\mathrm{mean}}}\·\left|i_s\right|\≤0$

进一步得到，斩波停止的电流条件为：

|i_s|≥a·|i_s|_mean

也即，所述控制模块监控电源电流以及计算系统所需的升压比a，当满足上式时，控制PWM停止向功率开关IGBT提供PWM信号，从而停止进行斩波操作。

对于系统所需升压比a的控制流程如下，预先设定a等于设定升压比a_set，设定升压比a_set为一系统预设值，可以为1.10-1.38之间。在一个PFC控制周期内，控制模块分别进行两次判定，即判定测量得到的直流输出电压Ed是否小于（未达到）母线最大电压阈值E_{d_limit}，以及，根据周期性地监控永磁同步电机获得的各项参数计算得到永磁同步电机的励磁电流I_d，并判断励磁电流I_d是否大于励磁电流阈值I_{d_limit}；如果两项判断结果均为是，则将下一周期系统所需升压比增加ΔaL，即a_next=a_present+ΔaL；如果两项判断结果均为否，则将下一周期系统所需升压比降低ΔaH，即a_next＝a_present-ΔaH；如果判断结果是其它情况，则将下一周期系统所需升压比设置为与当前周期升压比相同，即，a_next=a_present。设置完毕后，控制模块进入下一周期的PFC控制。

其中，母线最大电压阈值E_{d_limit}为预先设定的值。励磁电流I_d可以根据下式计算得到：

$I_d=-\frac{K_E}{L_d}+\frac{1}{L_d}\sqrt{{\left(\frac{V_{1-\max }-{\mathrm{rI}}_1}{{\mathrm{\ω}}_1}\right)}^2+{\left(L_q{L}_q\right)}^2}$

其中：V_1-max为最大输出相电压基波幅值[V]；

r为永磁同步电机的绕组电阻[Ω]；

I₁为绕组相电流基波峰值[A]；

ω₁为同步角频率[rad/s]；

L_d，L_q为永磁同步电机的d轴电感和q轴电感；

k_E是指永磁同步电机的感应电压常数；

I_q为电动机的转矩电流。

励磁电流也可以使用现有技术已有的其它方式来得到，例如使用数值计算或查表方式确定。

所述的励磁电流阈值I_{d_limit}根据下式计算得到：

I_{d_limit}＝Id_max×B_set

其中，B_set为预先设定的权值，B_set取大于0小于1的值。

图3示出了本发明实施例的用于进行永磁同步电机PFC控制方法的流程图。如图3所示，所述方法包括：

步骤301、设置当前周期系统所需升压比a为设定升压比a_set；

步骤302、判断平均电源电流是否大于电源电流阈值（例如，3A），如果大于，则执行步骤304；如果小于，则执行步骤303；

步骤303、在本周期停止进行PFC控制，周期结束时转步骤301；

步骤304、基于系统所需升压比a确定斩波停止条件，根据斩波停止条件进行斩波操作以进行PFC控制；

步骤305、同时进行两个条件判断，判断直流输出电压E_d是否小于母线最大电压阈值E_{d_limit}，以及判断励磁电流I_d是否大于励磁电流阈值I_{d_limit}；如果两个判断结果均为是，则执行步骤306；如果两个判断结果均为否，则执行步骤308；如果两个判断结果一个为是一个为否；则执行步骤307；

步骤306、将下一周期系统所需升压比提高一个第一步进值，执行步骤309；

步骤307、保持下一周期系统所需升压比不变，执行步骤309；

步骤308、将下一周期系统所需升压比降低一个第二步进值；

步骤309、周期结束时转步骤302。

根据上述方法，实现了根据负荷的大小自动调节系统所需升压比a，根据升压比设置斩波停止条件，从而可以有效的控制IGBT在一个电压波形周期内的开关区域，在永磁同步电机运行于低频时，此时平均电源电流小于预定值，不进行PFC控制，在永磁同步电机运行于中高频时，此时平均电源电流大于等于预定值，设定周期内系统所需升压比a控制为a_set，并且根据负荷的增大，设定升压比提升的控制条件值，当达到条件值时，升压比提高，PFC开关领域增加或转变为完全有源PFC，从而有效的利用电源电压，使电动机运行到更高的频率，降低了电动机电流，降低了整机的功耗，实现了变频压缩机节能舒适的效果。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于永磁同步电机的功率因数校正方法，包括：

步骤100、设置当前周期系统所需升压比为设定升压比；

步骤200、基于当前周期的系统所需升压比确定斩波停止条件，根据斩波停止条件控制功率因数校正电路的功率开关在周期内的运行时间区域实现功率因子校正；其中，所述斩波停止条件为|i_s|≥a·|i_s|_mean，|i_s|为当前电源电流绝对值，|i_s|_mean为平均电源电流，a为当前周期系统所需升压比；

步骤300、同时进行两个条件判断，判断功率因数校正电路的直流输出电压是否小于预先设定的母线最大电压阈值，以及判断永磁同步电机励磁电流是否大于预先设定的励磁电流阈值；如果两个判断结果均为是，则执行步骤400；如果两个判断结果均为否，则执行步骤500；如果两个判断结果一个为是一个为否；则执行步骤600；

步骤400、将下一周期系统所需升压比提高第一步进值，执行步骤700；

步骤500、保持下一周期系统所需升压比不变，执行步骤700；

步骤600、将下一周期系统所需升压比降低第二步进值；

步骤700、下一周期开始时转步骤200。

2.权利要求1所述的用于永磁同步电机的功率因数校正方法，其特征在于所述根据斩波停止条件控制功率因数校正电路的功率开关在周期内的运行时间区域实现功率因子校正包括：

判断斩波停止条件是否满足，如果满足，则控制器输出信号控制脉冲宽度调制（PWM）驱动器停止向功率开关提供PWM信号，从而停止开关功率进行斩波操作；如果不满足，则控制器控制PWM驱动器持续向功率开关提供PWM信号保持进行斩波操作。

3.权利要求1所述的用于永磁同步电机的功率因数校正方法，其特征在于，所述设定升压比为系统预设值，取值为1.10至2。

4.如权利要求3所述的用于永磁同步电机的功率因数校正方法，其特征在于，所述第一步进值和第二步进值相等，均为0.02。

5.如权利要求1所述的用于永磁同步电机的功率因数校正方法，其特征在于，所述励磁电流阈值根据下式计算得到：

$I_{d\_\mathrm{limit}}=-\frac{k_E}{{2L}_d}\·B\_\mathrm{set}$

其中，I_{d_limit}为所述励磁电流阈值，k_E为永磁同步电机的感应电压常数，L_d为永磁同步电机的d轴电感，B_set为取值大于0小于1的权值。

6.如权利要求1所述的用于永磁同步电机的功率因数校正方法，其特征在于，所述功率因数校正电路为连接在整流电路后与同步电机逆变器之间的斩波电路，所述功率因数校正电路按PWM信号控制功率开关反复开关对整流电路的输出电压进行斩波以提高电路功率因数。

7.一种用于永磁同步电机的功率因数校正方法，包括：

步骤100、设置当前周期系统所需升压比为设定升压比；

步骤200、判断平均电源电流是否大于电源电流阈值，如果大于，执行步骤300；如果小于，则在本周期停止进行PFC控制，下一周期开始重新进行步骤200；

步骤300、基于当前周期的系统所需升压比确定斩波停止条件，根据斩波停止条件控制功率因数校正电路的功率开关在周期内的运行时间区域实现功率因子校正；其中，所述斩波停止条件为|i_s|≥a·|i_s|_mean，|i_s|为当前电源电流绝对值，|i_s|_mean为平均电源电流，a为当前周期系统所需升压比；

步骤400、同时进行两个条件判断，判断功率因数校正电路的直流输出电压是否小于预先设定的母线最大电压阈值，以及判断永磁同步电机励磁电流是否大于预先设定的励磁电流阈值；如果两个判断结果均为是，则执行步骤500；如果两个判断结果均为否，则执行步骤600；如果两个判断结果一个为是一个为否；则执行步骤700；

步骤500、将下一周期系统所需升压比提高第一步进值，执行步骤700；

步骤600、保持下一周期系统所需升压比不变，执行步骤700；

步骤700、将下一周期系统所需升压比降低第二步进值；

步骤800、下一周期开始时转步骤200。

8.如权利要求7所述的用于永磁同步电机的功率因数校正方法，其特征在于，所述功率因数校正电路为连接在整流电路后与同步电机逆变器之间的斩波电路，所述功率因数校正电路按PWM信号控制功率开关反复开关对整流电路的输出电压进行斩波以提高电路功率因数。

9.权利要求7所述的用于永磁同步电机的功率因数校正方法，其特征在于所述根据斩波停止条件控制功率因数校正电路的功率开关在周期内的运行时间区域实现功率因子校正包括：

判断斩波停止条件是否满足，如果满足，则控制器输出信号控制脉冲宽度调制（PWM）驱动器停止向功率开关提供PWM信号，从而停止开关功率进行斩波操作；如果不满足，则控制器控制PWM驱动器持续向功率开关提供PWM信号保持进行斩波操作。