CN106788038A - 一种无电解电容双电机驱动器的过压保护系统及过压保护方法 - Google Patents

一种无电解电容双电机驱动器的过压保护系统及过压保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机控制领域，公开了一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法。系统包括：交流电源AC、电感L、不控整流桥BR、薄膜电容C、功率模块①、电机①、功率模块②、电机②，功率模块①和功率模块②是并联的。对于这种两个电机并联于同一母线工作的系统，本发明通过软件控制逻辑设置两个电机互为“能量过冲吸收负载”从而达到过压保护功能：当其中某个电机因负载波动或输出转矩波动而进入瞬时发电状态时，另一个电机将吸收它产生的瞬时能量，限制薄膜电容C两端母线电压的上升，从而避免直流母线瞬时电压超过无电解电容或功率器件允许的电压范围导致的系统损坏。

Description

一种无电解电容双电机驱动器的过压保护系统及过压保护 方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法。
背景技术
随着电机设计、电机制造水平及材料性能大幅提升，同时伴随着电力电子技术的高速发展，基于矢量控制技术的电机变频器系统以其高功率密度、高可靠性及低成本等优点广泛应用于电动汽车、数控机床、机器人、变频空调等领域。传统变频器前级为工频交流输入的不可控整流器，母线用大容值电解电容稳定母线电压，电解电容体积大、寿命有限，这极大限制了系统的小型化和使用寿命。另一方面，母线上大容值电解电容滤波导致电网侧产生严重的谐波污染，近年来在我国和欧洲等国家/地区，对于变频器产生的电源高次谐波的限制标准越来越严格，例如我国的3C认证规定对每相电流小于16A的家用空调系统，各次电流谐波限值必须满足IEC6100-3-2的A类标准。为改善网侧电流质量，大电解电容的变频器系统需要增加功率因数校正(PFC)电路，这又增加了系统的损耗和成本。为了解决上述问题，现有技术中提出了一种无电解电容变频器拓扑结构，用容值只有几十微法的薄膜电容取代传统变频器中的大容值电解电容，通过控制电机的瞬时功率与交流输入电压的形状匹配，不但可以实现电机的调速，而且可以减少输入电流的谐波，从而实现电机驱动器的高功率因素。然而，由于无电解电容驱动器采用的是容值较小的薄膜电容作为滤波电容，当电机因负载波动或输出转矩波动而进入瞬时发电状态时，电容两端的电压将快速上升，这可能导致直流母线瞬时电压超过无电解电容或功率器件允许的电压范围，这种瞬时过压将导致驱动器的损坏。
发明内容
本发明的目的是提出一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法，以解决现有技术中出现的由于直流母线瞬时过压导致的无电解电容电机驱动系统损坏的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法，其系统包括：交流电源AC、电感L、不控整流桥BR、薄膜电容C、功率模块①、电机①、功率模块②、电机②。功率模块①驱动电机①，功率模块②驱动电机②，功率模块①和功率模块②是并联的。不同于传统变频器中容值几百微法甚至几千微法的电解电容，本发明系统中薄膜电容C的容值只有几十微法。
一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法，设置两个电机互为“能量过冲吸收负载”：
(1)对于两个电机同时运行的情况，当其中某一个电机因负载波动或输出转矩波动而进入瞬时发电状态产生能量过冲时，另一个电机因为正在运行需要消耗电能，具备吸收母线上瞬时能量过冲的能力；
(2)对于只有其中某一个电机单独运行的情况，另一个不运转的电机通过控制电路使其绕组通电消耗电能(本发明称为“绕组通电能量消耗状态”)，当处于运行状态的电机因负载波动或输出转矩波动而进入瞬时发电状态产生能量过冲时，处于“绕组通电能量消耗状态”的电机也具备吸收母线上瞬时能量过冲的能力。
一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法，包括如下步骤：
S1：收到起动命令，在起动之前两个电机同时设置为“绕组通电能量消耗状态”；
S2：分析运行指令，判断系统要求两个电机同时运行，还是某一个电机单独运行；
S3：当命令要求电机①单独运行时，执行步骤S31，当命令要求电机②单独运行时，执行步骤S32，当命令要求两个电机同时运行时，执行步骤S33；
S4：收到停机命令，当两个电机都停止时，通过控制电路使两个电机的绕组完全断电；
进一步地，步骤S31包括如下步骤：
S310：电机①起动，处于“绕组通电能量消耗状态”的电机②吸收电机①起动过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S311：电机①稳态运行，处于“绕组通电能量消耗状态”的电机②吸收电机①运行过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S312：判断是否有停机命令，没有停机命令则继续执行步骤S311；
S313：有停机命令，电机①停止，处于“绕组通电能量消耗状态”的电机②吸收电机①停止过程中可能产生的瞬时能量过冲；
进一步地，步骤S32包括如下步骤：
S320：电机②起动，处于“绕组通电能量消耗状态”的电机①吸收电机②起动过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S321：电机②稳态运行，处于“绕组通电能量消耗状态”的电机①吸收电机②运行过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S322：判断是否有停机命令，没有停机命令则继续执行步骤S321；
S323：有停机命令，电机②停止，处于“绕组通电能量消耗状态”的电机①吸收电机②停止过程中可能产生的瞬时能量过冲；
进一步地，步骤S33包括如下步骤：
S330：电机②起动，处于“绕组通电能量消耗状态”的电机①吸收电机②起动过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S331：电机①起动，处于运行状态的电机②吸收电机①起动过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S332：电机①、电机②同时进入稳态运行，两个电机互为能量过冲吸收负载，当其中某一个电机因负载波动或输出转矩波动而进入瞬时发电状态产生能量过冲时，另一个电机因为正在运行消耗电功率，具备吸收母线上瞬时能量过冲的能力；
S333：判断是否有停机命令，没有停机命令则继续执行步骤S332；
S334：有停机命令，电机①先停止，处于运行状态的电机②吸收电机①停止过程中可能产生的瞬时能量过冲。电机①停止后设置为“绕组通电能量消耗状态”。
S335：电机②停止，处于“绕组通电能量消耗状态”的电机①吸收电机②停止过程中可能产生的瞬时能量过冲；
对于无电解电容变频器，母线上的薄膜电容只有几十微法，当两个电机同时处于稳态运行状态时母线电压波动非常大，为了确保两个电机都能够顺利起动，本发明所涉及的两个电机的功率等级是不相同的，先起动的电机②的功率小，后起动的电机①的功率大，电机①的功率是电机②的几倍甚至几十倍。设置电机②的功率小，目的是当电机②起动完成进入稳态运行时，可以使母线电压的波动幅值较小，给电机①的起动提供足够的起动力矩。
与现有技术相比，本发明两个电机并联于同一母线工作，本发明通过软件控制逻辑设置两个电机互为能量过冲吸收负载从而达到过压保护功能：当其中某个电机因负载波动或输出转矩波动而进入瞬时发电状态时，另一个电机将吸收它产生的瞬时能量，从而限制薄膜电容C两端母线电压的上升，避免系统的过压损坏，本发明对丰富电机矢量控制理论具有实际意义。
附图说明
图1本发明无电解电容双电机驱动器的电路结构；
图2本发明实施方案中两台永磁同步电机所采用的矢量控制框图；
图3本发明无电解电容双电机驱动器过压保护控制流程框图；
图4本发明两台永磁同步电机绕组通电能量消耗状态示意图；
图5变频空调电机①、电机②正常运行时的母线电压波形；
图6电机①输出转矩波动，电机②不进行能量吸收时的母线电压波形；
图7电机①输出转矩波动，电机②进行能量吸收时的母线电压波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
作为本发明的一个具体的可实施例，将本发明的一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法应用于一款分体家用变频空调的室外控制系统，空调的额定制冷量为3500W。对应于图1双电机驱动器的电路结构，电机①为空调压缩机电机，电机②为空调室外风扇电机，图1中输入AC为220V/50Hz的交流电，所采用的电感L大小为5mH，薄膜电容C的容值为20μF。
本实施例空调压缩机电机(电机①)的参数如下：额定直流电压310V；额定功率1200W；调速范围600～12000rpm；极对数为2，定子电阻0.65Ω；定子直轴电感8.8mH；定子交轴电感14.4mH；反电势系数26.5V/krpm。室外风扇电机(电机②)的参数如下：额定直流电压310V；额定功率62W；调速范围500～1500rpm；极对数为4；定子电阻32.5Ω；定子直轴电感330mH；定子交轴电感350mH；反电势系数60V/krpm。
作为一种可实施方式，本发明两个永磁同步电机所采用相同的矢量控制方式，如图3为矢量控制系统框图，每个电机的控制系统都包括：永磁同步电机、定子电流采集传感器、转子位置检测编码器、一个电机位置角计算单元、一个Clarke变换单元、一个PARK变换单元、一个速度环单元、两个电流环单元、一个PARK逆变换单元、一个SVPWM计算单元和一个三相PWM逆变器单元等部分。
对家用变频空调室外系统的两个电机(压缩机电机和室外风扇电机)而言，存在两个电机同时运行和只有其中一个电机单独运行的情况。例如在系统开始运行的最初几十秒，室外风扇电机单独运行而压缩机电机不转，而在制冷和制热稳态运行时两个电机是同时工作的，又如在低温制热模式每隔一个小时空调需要进行一次除霜，这时压缩机电机单独工作而室外风扇电机不转。
不论是室外风扇电机还是压缩机电机，当变频空调需要其中电机单独运行时，另一个电机则设置为能量过冲吸收负载，本实施是通过变频器恒流控制方法使电机处于绕组通电的能量消耗状态的。如图4为本发明实施例所采用“绕组通电的能量消耗状态”的绕组通电示意图，设电机绕组三相电流分别为，图4中三相电流满足关系式：
iu＝2iv＝2iw (1)
图4中电机相当时一个电阻负载，设电机三相绕组的电阻相等且大小都为R，电机消耗的功率就是绕组的铜耗，其计算式为
将不需要工作的电机设置为运行电机的能量过冲吸收负载，功率大小的设置标准是要满足电机的散热条件，同时能够吸收掉运行电机可能产生的瞬时能量，限制薄膜电容C两端电压的上升。本实施例系统的额定运行功率为1200W，根据实验测试数据，设定室外风扇电机作为能量吸收负载时的功率为10W，设定压缩机电机作为能量吸收负载时的功率为8W。
在具体的设计时，当系统需要压缩机电机单独运行时、为了实现过压保护功能，通过室外风扇电机作为能量吸收负载的功率设置为10W，室外风扇电机定子电阻为32.5Ω，根据公式(2)可计算出三相绕组的电流大小为Iu＝0.452A,Iv＝Iw＝0.226A。本实施例中压缩机电机单独运行发生在系统低温制热模式时的除霜处理，通常每隔50分钟除霜过程持续6分钟。
本实施例在系统开始运行的最初60秒，只有室外风扇电机运行而压缩机电机暂时不转。压缩机电机作为能量吸收负载的功率设置为8W，压缩机电机定子电阻为0.65Ω，根据公式(2)可计算出三相绕组的电流大小为Iu＝2.86A,Iv＝Iw＝1.43A。
当系统需要压缩机电机和室外风扇电机同时运行时，为了有效实现过压保护功能，同时为了确保两个电机都能够顺利起动，两个电机的起动和停止规则如下：(1)起动时，功率小的室外风扇电机先起动，功率大的压缩机电机后起动；(2)停止时，功率大的压缩机电机先停止，功率小的室外风扇电机后停止。
本发明的过压保护效果可以用实验波形来说明，如图5是变频空调中压缩机电机(电机①)、室外风扇电机(电机②)都正常运行时的母线电压波形，输入220V/50Hz交流电，薄膜电容C两端母线电压波形接近正弦，频率为100Hz，母线电压的最大值约为310V，最小值约为90V。如图6是压缩机电机(电机①)因输出转矩波动进入瞬时发电状态，而这时室外风扇电机(电机②)不运行，也不处于“绕组通电能量消耗状态”，由于薄膜电容的容值只有20微法，电容两端的母线电压快速上升，最大值瞬时可上冲到约400V。如果在其他更严重的情况，母线电压的瞬时值很容易就超过功率模块的耐压值600V，导致功率模块过压损坏。如图7同样是压缩机电机(电机①)因输出转矩波动进入瞬时发电状态，这时室外风扇电机(电机②)正在运行，具备能量吸收功能，通过室外风扇电机(电机②)进行能量过冲吸收后，薄膜电容C两端母线电压的最大值基本维持在320V，有效限制了母线电压的上升，从而可避免系统的过压损坏。
以上所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无电解电容双电机驱动器的过压保护系统，其特征在于系统包括：交流电源AC、电感L、不控整流桥BR、薄膜电容C、第一功率模块、第一电机、第二功率模块、第二电机；所述第一功率模块、第一驱动电机，第二功率模块、第二驱动电机，第一功率模块和第二功率模块是并联的，所述薄膜电容C的容值小于50微法。
2.根据权利要求1所述的一种无电解电容双电机驱动器的过压保护系统，其特征在于设置第一电机与第二电机互为“能量过冲吸收负载”，具体为：
(1)对于第一电机与第二电机同时运行的情况，当其中某一个电机因负载波动或输出转矩波动而进入瞬时发电状态产生能量过冲时，另一个电机因为正在运行需要消耗电能，具备吸收母线上瞬时能量过冲的能力；
(2)对于只有其中某一个电机单独运行的情况，另一个不运转的电机通过控制电路使其绕组通电消耗电能，即“绕组通电能量消耗状态”，当处于运行状态的电机因负载波动或输出转矩波动而进入瞬时发电状态产生能量过冲时，处于“绕组通电能量消耗状态”的电机也具备吸收母线上瞬时能量过冲的能力。
3.一种应用于权利要求1或2所述的无电解电容双电机驱动器的过压保护系统的过压保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：收到起动命令，在起动之前两个电机同时设置为“绕组通电能量消耗状态”；
S2：分析运行指令，判断系统要求两个电机同时运行，还是某一个电机单独运行；
S3：当命令要求第一电机单独运行时，执行步骤S31，当命令要求第二电机单独运行时，执行步骤S32，当命令要求两个电机同时运行时，执行步骤S33；
S4：收到停机命令，当两个电机都停止时，通过控制电路使两个电机的绕组完全断电。
4.根据权利要求3所述的一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法，其特征在于，当命令要求第一电机单独运行时所执行的步骤S31进一步包括如下步骤：
S310：第一电机起动，处于“绕组通电能量消耗状态”的第二电机吸收第一电机起动过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S311：第一电机稳态运行，处于“绕组通电能量消耗状态”的第二电机吸收第一电机运行过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S312：判断是否有停机命令，没有停机命令则继续执行步骤S311；
S313：有停机命令，第一电机停止，处于“绕组通电能量消耗状态”的第二电机吸收第一电机停止过程中可能产生的瞬时能量过冲。
5.根据权利要求3所述的一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法，其特征在于，当命令要求第二电机单独运行时所执行的步骤S32进一步包括如下步骤：
S320：第二电机起动，处于“绕组通电能量消耗状态”的第一电机吸收第二电机起动过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S321：第二电机稳态运行，处于“绕组通电能量消耗状态”的第一电机吸收第二电机运行过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S322：判断是否有停机命令，没有停机命令则继续执行步骤S321；
S323：有停机命令，第二电机停止，处于“绕组通电能量消耗状态”的第一电机吸收第二电机停止过程中可能产生的瞬时能量过冲。
6.根据权利要求3所述的一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法，其特征在于，当命令要求两个电机同时运行所执行的步骤S33进一步包括如下步骤：
S330：第二电机起动，处于“绕组通电能量消耗状态”的第一电机吸收第二电机起动过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S331：第一电机起动，处于运行状态的第二电机吸收第一电机起动过程中可能产生的瞬时能量过冲；
S332：第一电机、第二电机同时进入稳态运行，两个电机互为能量过冲吸收负载，当其中某一个电机因负载波动或输出转矩波动而进入瞬时发电状态产生能量过冲时，另一个电机因为正在运行消耗电功率，具备吸收母线上瞬时能量过冲的能力；
S333：判断是否有停机命令，没有停机命令则继续执行步骤S332；
S334：有停机命令，第一电机先停止，处于运行状态的第二电机吸收第一电机停止过程中可能产生的瞬时能量过冲，第一电机停止后设置为“绕组通电能量消耗状态”。
S335：第二电机停止，处于“绕组通电能量消耗状态”的第一电机吸收第二电机停止过程中可能产生的瞬时能量过冲。
7.根据权利要求3所述的一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法，其特征在于，第一电机功率大于第二电机功率。
8.根据权利要求7所述的一种无电解电容双电机驱动器的过压保护方法，其特征在于，第一电机的功率是第二电机的10～100倍。
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