CN105634363B - 一种单相到三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相到三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制方法，通过控制交直轴参考电流使电机无论是在轻载运行工况还是额定负载工况都具有较高的输入功率因数。相比于逆变器输入电流反馈控制和逆变器输出功率反馈控制方法，关联交流输入电压和电流的直接输入功率直接控制方法不仅降低了系统控制的复杂度、增加了系统控制的精度和动态响应，而且使用的传感器较少，降低了系统的成本。同时采用低功率限制单元避免较低的输入功率对电机运行性能如转矩和转速的不利影响。

Description

一种单相到三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制 方法

技术领域

本发明涉及一种直流母线无电解电容单相到三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制方法，属于电机驱动控制领域。

背景技术

单相二极管整流供电的三相逆变电机驱动系统一般采用大容量电解电容来平衡瞬时输入功率和输出功率。然而，大容量电解电容的存在不仅会影响驱动控制系统的可靠性，也会降低输入功率因数。传统的方法是采用无源功率因数矫正电路或有源功率因数矫正电路，然而这些方法需要额外的器件，这不仅降低了系统的效率，也增大了系统的成本和体积。

针对大容量电解电容对电机驱动系统的不利影响，研究者提出采用体积小、成本低和长寿命的小容量薄膜电容替代电解电容的单相二极管整流器供电三相逆变电机驱动系统。由于薄膜电容不具有稳压作用，因而，直流母线电压随着负载的变化而变化。当电机工作于重载工况时，较大变化范围的直流母线电压可以增加整流二极管的导通角，从而使系统获得较高的输入功率因数。然而，当电机工作于轻载工况时，直流母线电压的变化范围较小，这使得系统的输入功率因数较低。为了使系统在轻载和重载工况下都能够获得较高的功率因数，需要利用三相逆变器的功率管对输入电流进行控制。目前，高输入功率因数控制方法主要有逆变器输入电流反馈控制和逆变器输出功率反馈控制两种。逆变器输入电流反馈控制可使系统在轻载和重载工况下实现高输入功率因数运行，但由于需要采用相位补偿的方法补偿因低通滤波器而造成的相位延迟的逆变器输入电流，因而增加了系统控制的复杂性。逆变器输出功率反馈控制无需采用低通滤波器，因而可以避免相移对输入功率因数的影响。但变化范围较大的直流母线电压影响了交直流参考电流和电流调节器的输出偏差信号，因而逆变器输出功率无法进行精确的计算。同时需要增加直流母线电压和电流的检测电路，增加了系统的成本。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种单相到三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制方法，实现系统的高输入功率因数运行。

技术方案：一种单相到三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制方法，包括以下步骤：

(1)，检测电机转子位置角θ，并根据电机的转子位置角计算电机的实际转速ω；然后将电机的实际转速ω和给定转速ω^*比较后得到转速偏差信号，该转速偏差信号经速度调节器得到的信号作为输入功率参考的幅值P_{in_amp}；

(2)，检测单相二极管整流器的交流输入电压，并用相角ɑ补偿因交流输入线电阻R和线电感L引起的交流输入电压信号延迟，将相位补偿后的电压信号的平方作为输入功率参考的脉动分量P_in；然后将输入功率参考的脉动分量P_in输入到低功率限制单元，当输入功率脉动分量P_in小于预设功率P_set时，低功率限制单元无输出信号，否则输出P_in；再将低功率限制单元输出信号与步骤(1)所得的输入功率参考的幅值P_{in_amp}相乘得到输入功率参考

(3)，将输入功率参考直流母线电压V_dc以及逆变器输出线电压V_s作为交直轴电流参考发生器的输入，直流母线电压V_dc与逆变器输出线电压V_s的差值经PI调节器后得到调整角θ；当调整角θ≥0时，得到中间变量当调整角θ<0时，得到中间变量对信号进行限幅处理并作为直轴参考电流并得到交轴参考电流的模等于当中间变量i≥0时，得到交轴参考电流当中间变量i<0时，得到交轴参考电流其中，逆变器输出线电压分别为两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压，i_smax为电机最大定子电流；

(4)，采集三相逆变器输出相电流i_a和i_b，经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q，分别和步骤(3)得到的直轴参考电流和交轴参考电流比较后，再经电流调节器得到直轴电压u_d和交轴电压u_q；

(5)，将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q中的交直轴参考电流和进行解耦，得到两相旋转坐标系下的直轴参考电压和交轴参考电压分别为：其中，ω_e、L_d、L_q和ψ分别为电机的电角速度、直轴电感、交轴电感和永磁磁链；

(6)，将两相旋转坐标系下的直轴参考电压和交轴参考电压经Park逆变换得到两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压将α轴电压和β轴电压及直流母线电压V_dc输入到空间矢量脉冲宽度调制单元，运算输出的六路脉冲调制信号驱动三相逆变器的功率管。

进一步的，速度调节器和电流调节器采用PI调节器或PID调节器或滑模调节器或神经网络调节器。

有益效果：针对现有直流母线无电解电容单相二极管整流供电三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制方法的不足，本发明的一种单相到三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制方法具有以下优点：

1.相比于逆变器输入电流反馈控制和逆变器输出功率反馈控制方法，该控制方法仅需要检测交流输入电压信号、直流母线电压信号和逆变器输出相电流信号，降低了系统的成本；

2.直接控制与输入交流电压和电流相关联的输入功率不仅降低了系统控制的复杂度，而且也增加了系统控制的精度和动态响应；

3.无论电机工作在轻载还是重载工况均可实现高输入功率因数运行；

4.不采用低通滤波器，无需补偿滤波延迟引起的相位延迟；

5.采用低功率限制单元可避免瞬时低输入功率对电机性能的不利影响。

附图说明

图1为系统整体控制方法框图；

图2为交直轴参考电流产生框图；

图3为电机工作在轻载时的直流母线电压仿真波形；

图4为电机工作在轻载时的交直轴电流仿真波形；

图5为电机工作在轻载时的输入电压和输入电流仿真波形；

图6为电机工作在轻载时各次谐波和IEC61000-3-1规范比对图；

图7为电机工作在重载时的直流母线电压仿真波形；

图8为电机工作在重载时的交直轴电流仿真波形；

图9为电机工作在重载时的输入电压和输入电流仿真波形；

图10为电机工作在重载时各次谐波和IEC61000-3-1规范比对图；

图11为电机不同负载对应功率因数图；

图12为本系统硬件结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种单相到三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制方法，包括以下步骤：

(1)，利用编码器检测电机转子位置角θ，并根据电机的转子位置角计算电机的实际转速ω。然后将电机的实际转速ω和给定转速ω^*比较后得到转速偏差信号，该转速偏差信号经速度调节器ASR得到的信号作为输入功率参考的幅值P_{in_amp}。

(2)，检测单相二极管整流器的交流输入电压，并用相角ɑ补偿因交流输入线电阻R和线电感L引起的交流输入电压信号延迟，将相位补偿后的电压信号的平方作为输入功率参考的脉动分量P_in。然后将输入功率参考的脉动分量P_in输入到低功率限制单元，当输入功率脉动分量P_in小于预设功率P_set时，低功率限制单元无输出信号，否则输出P_in。再将低功率限制单元输出信号与步骤(1)所得的输入功率参考的幅值P_{in_amp}相乘得到输入功率参考

(3)，将输入功率参考直流母线电压V_dc以及逆变器输出线电压V_s作为交直轴电流参考发生器的输入，直流母线电压V_dc与逆变器输出线电压V_s的差值经PI调节器后得到调整角θ。当调整角θ≥0时，得到中间变量当调整角θ<0时，得到中间变量对信号进行限幅处理并作为直轴参考电流并得到交轴参考电流的模等于当中间变量i≥0时，得到交轴参考电流当中间变量i<0时，得到交轴参考电流其中，逆变器输出线电压分别为两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压，i_smax为电机最大定子电流。

(4)，采集三相逆变器输出相电流i_a和i_b，经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q，分别和步骤(3)得到的直轴参考电流和交轴参考电流比较后，再经电流调节器ACR得到直轴电压u_d和交轴电压u_q。

(5)，将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q中的交直轴参考电流和进行解耦，得到两相旋转坐标系下的直轴参考电压和交轴参考电压分别为：其中，ω_e、L_d、L_q和ψ分别为电机的电角速度、直轴电感、交轴电感和永磁磁链。

(6)，将两相旋转坐标系下的直轴参考电压和交轴参考电压经Park逆变换得到两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压将α轴电压和β轴电压及直流母线电压V_dc输入到空间矢量脉冲宽度调制单元(SVPWM)，运算输出的六路脉冲调制信号驱动三相逆变器的功率管。

其中，速度调节器和电流调节器采用PI调节器或PID调节器或滑膜调节器或神经网络调节器。

上述控制方法可在Matlab/Simulink仿真平台搭建基于上述过程的仿真模型。当电机工作在轻载时，直流母线电压、交直轴电流、交流输入电压与输入电流的仿真波形和输入电流各次谐波与IEC61000-3-1规范比对分别如图3、图4、图5和图6所示；当电机工作在额定负载时，直流母线电压、交直轴电流、交流输入电压与输入电流的仿真波形和输入电流各次谐波与IEC61000-3-1规范比对分别如图7、图8、图9和图10所示。由图3、图4和图7、图8可知，当直流母线电压周期性的降低时，为了使逆变器输出线电压低于直流母线电压，直轴电流也相应周期地降低。为了避免低输入功率对系统性能的影响，交轴电流也相应的变为零。由图5和图9可知，交流输入电压和电流的相位相差较小。由图6和图10可知，无论电机工作于轻载还是额定负载工况，输入电流的各次谐波幅值均低于IEC61000-3-1规范，满足低压用电设备注入电网谐波电流标准。

由图11不同电机负载对应的功率因数分布图可知无论电机工作在轻载状态还是额定负载状态，系统都能获得较高的输入功率因数。

实施例2：如图12所示，由内嵌式永磁同步电机(IPMMOTOR)自带的位置传感器检测电机运行时的位置信号经脉冲整形处理后送入微处理器的数字测速模块计算电机的实时转速，该实时转速和由键盘给定转速比较后可得到转速的偏差信号。采用电压传感器、电流传感器及温度检测电路分别检测交流输入电压、直流母线电压和a、b相电流及功率器件温度信号，经调理电路处理后送入微处理器的A/D，其中直流母线电压信号也可电阻分压网络获得。为了确保系统的安全，可将经调理电路调理的过直流母线电压信号、过电流信号及过温度信号等故障信号送入微处理器，通过微处理器发出的故障保护信号实现停机操作，达到保护系统的目的。微处理器将获得的信号经过处理后产生PWM脉冲信号送给驱动电路控制功率管的通断。显示单元可以实时的显示电压和电流的大小，可作为系统下一步工作的参考。电源供电电路可为调理电路、故障保护电路、驱动电路、微处理器等电路提供所必须的直流电压等级。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种单相到三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)，检测电机转子位置角θ，并根据电机的转子位置角计算电机的实际转速ω；然后将电机的实际转速ω和给定转速ω^*比较后得到转速偏差信号，该转速偏差信号经速度调节器得到的信号作为输入功率参考的幅值P_{in_amp}；

(2)，检测单相二极管整流器的交流输入电压，并用相角ɑ补偿因交流输入线电阻R和线电感L引起的交流输入电压信号延迟，将相位补偿后的电压信号的平方作为输入功率参考的脉动分量P_in；然后将输入功率参考的脉动分量P_in输入到低功率限制单元，当输入功率脉动分量P_in小于预设功率P_set时，低功率限制单元无输出信号，否则输出P_in；再将低功率限制单元输出信号与步骤(1)所得的输入功率参考的幅值P_{in_amp}相乘得到输入功率参考

(3)，将输入功率参考直流母线电压V_dc以及逆变器输出线电压V_s作为交直轴电流参考发生器的输入，直流母线电压V_dc与逆变器输出线电压V_s的差值经PI调节器后得到调整角θ；当调整角θ≥0时，得到中间变量当调整角θ<0时，得到中间变量对信号进行限幅处理并作为直轴参考电流并得到交轴参考电流的模等于当中间变量i≥0时，得到交轴参考电流当中间变量i<0时，得到交轴参考电流其中，逆变器输出线电压分别为两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压，i_smax为电机最大定子电流；

(4)，采集三相逆变器输出相电流i_a和i_b，经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q，分别和步骤(3)得到的直轴参考电流和交轴参考电流比较后，再经电流调节器得到直轴电压u_d和交轴电压u_q；

(5)，将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q中的交直轴参考电流和进行解耦，得到两相旋转坐标系下的直轴参考电压和交轴参考电压分别为：其中，ω_e、L_d、L_q和ψ分别为电机的电角速度、直轴电感、交轴电感和永磁磁链；

(6)，将两相旋转坐标系下的直轴参考电压和交轴参考电压经Park逆变换得到两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压将α轴电压和β轴电压及直流母线电压V_dc输入到空间矢量脉冲宽度调制单元，运算输出的六路脉冲调制信号驱动三相逆变器的功率管。

2.根据权利要求1所述的单相到三相逆变电机驱动系统的高输入功率因数控制方法，其特征在于：速度调节器和电流调节器采用PI调节器或PID调节器或滑模调节器或神经网络调节器。