CN110513846A - 一种无电解电容空调压缩机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无电解电容空调压缩机控制方法，属于变频驱动领域，所述方法包括：对逆变器输出功率等效转矩指令和逆变器当前输出功率等效转矩之间的误差进行积分，并通过准谐振控制器提取所述误差的谐振分量，得到q轴电流指令；对d、q轴电流指令与采集实时d、q轴电流之间误差进行比例、积分运算，得到d、q轴电压指令；将d、q轴电压指令和电机交叉解耦电压相加后进行坐标变换，得到静止坐标系电压，根据静止坐标系电压和采集到的实时母线电压，利用空间矢量脉宽调制对逆变器和电机进行控制。将对逆变器输出功率的控制转换为对其等效转矩的控制，使得控制参数更加明确，有效降低了网侧电流谐波，提高了网侧功率因数。

Description

一种无电解电容空调压缩机控制方法

技术领域

本发明属于变频驱动领域，更具体地，涉及一种无电解电容空调压缩机控制方法。

背景技术

全球范围内，变频空调消耗了约10％的电能；压缩机作为空调系统的做功部件，消耗了其90％以上的电能。以永磁压缩机为核心的空调变频调速系统得到快速的发展，高功率密度电机以及高效率功率变换器的使用使得空调驱动系统取得了较高的能效标准，然而负载侧的运行效率不足以再提高空调驱动的能量效率，因而交流进线侧的效率(功率因数)进入人们的视野，采用小容量的薄膜电容取代传统母线侧大容量的电解电容成了新的研究热点。

传统变频空调驱动方案，直流母线处采用大容量的电解电容来解耦前后级能量，维持母线电压稳定，导致网侧电流畸变，难以满足IEC 61000-3-2谐波发射标准。同时，电解电容存在如下缺点：1)成本高2)体积大3)容易失效。采用小容量的薄膜电容取代母线侧大容量的电解电容，为改善网侧功率因数创造了条件，同时能够省去功率因数校正电路，降低了驱动系统成本。由于小容量的薄膜电容替换母线处大容量的电解电容使得无电解电容空调压缩机驱动系统具有功率耦合的特性，因此，在忽略电容功率的情况下，可以采用对逆变器进行功率控制的间接功率控制方法，实现网侧高功率因数的控制目标。间接功率控制采用双闭环结构，通过控制转矩电流与电网输入功率同步来实现网侧高功率因数。

但是，转矩电流和输入功率之间关系不够完备，使得即便转矩电流得到了控制，实际的输入功率与理想的输入功率仍然存在差距，进而加重网侧电流的畸变；同时由于电流环带宽的限制，母线电压在波谷时，电流调节器容易饱和，导致网侧电流谐波含量高，难以符合IEC 61000-3-2谐波发射标准。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无电解电容空调压缩机控制方法，旨在解决现有驱动控制方法存在网侧电流谐波含量高且功率因数较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种无电解电容空调压缩机控制方法，包括：

(1)对逆变器输出功率等效转矩指令和逆变器当前输出功率等效转矩τ_inv之间的误差进行积分，并通过准谐振控制器提取所述误差的谐振分量，得到q轴电流指令

(2)对d、q轴电流指令与采集实时d、q轴电流i_dq之间误差进行比例、积分运算，得到d、q轴电压指令u_dq；

(3)将所述d、q轴电压指令u_dq和电机交叉解耦电压u_dq,ff相加后进行坐标变换，得到静止坐标系电压u_αβref，根据静止坐标系电压u_αβref和采集到的实时母线电压u_dc，利用空间矢量脉宽调制对逆变器和电机进行控制。

进一步地，步骤(1)中所述逆变器输出功率等效转矩指令的计算方法具体为：

(01)对电机给定转速与实时转速ω_m之间的误差进行比例、积分处理，得到电网输入功率等效转矩指令的幅值

(02)对电网实时电压u_g进行锁相，得到电网电压相角θ_g，根据所述电网电压相角θ_g和电网输入功率等效转矩指令的幅值得到电网输入功率等效转矩指令的瞬时值

(03)所述电网输入功率等效转矩指令的瞬时值减去电容功率等效转矩τ_c，得到逆变器输出功率等效转矩指令

进一步地，所述逆变器输出功率等效转矩指令的计算公式为：

其中，C_dc表示薄膜电容，ω_g表示输入电压角频率，U_g表示电网侧电压峰值。

进一步地，步骤(1)中所述逆变器当前输出功率等效转矩τ_inv的计算公式为：

其中，i_d、i_q分别表示实时d、q轴电流，u_dref、u_qref分别表示旋转坐标系d、q电压。

进一步地，步骤(1)中所述对逆变器输出功率等效转矩指令和逆变器当前输出功率等效转矩τ_inv之间的误差进行积分时选取的积分增益为：

其中：ε为阻尼系数，ω_n为自然振荡频率，k_t为转矩系数。

进一步地，步骤(1)中所述准谐振控制器的谐振频率ω₀设置为电网频率的两倍；截止频率ω_c设置为6.28rad/s。

进一步地，步骤(3)中所述电机交叉解耦电压u_dq,ff的计算公式为：

u_d,ff＝-L_qi_qω_e

其中，L_d、L_q分别表示电机d、q轴电感，表示永磁磁链，ω_e表示电机电角速度。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

本发明基于无电解电容空调压缩机驱动系统的功率耦合特性，将对逆变器输出功率的控制转换为对其等效转矩的控制，利用转矩控制器来生成q轴电流指令，使得控制参数更加明确；同时本发明利用积分器对直流信号进行无静差的跟随，利用准谐振控制器对以谐振频率波动的交流信号进行无静差的跟随，相比控制系统中广泛使用的比例-积分调节器，控制误差与滞后减小，控制效果得到提高，有效降低了网侧电流谐波，提高了网侧功率因数。

附图说明

图1为本发明转矩闭环控制框图；

图2为本发明积分-准谐振控制器框图；

图3为本发明一种单相输入无电解电容空调压缩机驱动系统的拓扑结构；

图4为本发明一种单相输入无电解电容空调压缩机驱动系统的控制框图；

图5为采用转矩闭环控制的逆变器输出功率等效转矩指令和反馈波形；

图6为d，q轴电流给定与反馈实验波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，单相输入无电解电容空调压缩机驱动系统包括：单相电源u_g、整流器、薄膜电容C_dc、电机M、逆变器；其中，单相电源用于为整流器提供单相交流电；整流器为单相不控整流器，用于将单相交流电整流成直流电，并为逆变器供电；薄膜电容的两端分别连接整流器的输出端的两端，薄膜电容用于吸收因逆变器开关管的开关产生的高次谐波；逆变器为三相电压型逆变器，用于接收单相输入无电解电容空调压缩机驱动系统发送的桥臂导通脉冲信号，并根据脉冲信号控制电机；电机为空调永磁压缩机。

基于上述驱动系统，本发明提出了如图2所示的一种无电解电容空调压缩机控制方法，包括：

(1)对逆变器输出功率等效转矩指令和逆变器当前输出功率等效转矩τ_inv之间的误差进行积分，并通过准谐振控制器提取所述误差的谐振分量，得到q轴电流指令

具体地，采集电机三相中任两相的实时电流i_a,i_b、电网实时电压u_g、母线实时电压u_dc、电机转子实时位置θ_m和实时速度ω_m，对采集的实时电流进行Clark变换，得到α、β轴电流i_αβ，对α、β轴电流i_αβ进行Park变换，得到d、q轴电流i_dq；然后基于转矩闭环控制，根据逆变器输出功率等效转矩指令和逆变器当前输出功率等效转矩τ_inv之间的误差，计算q轴电流指令如图3所示，本发明提出的转矩闭环控制是在逆变器输出功率与电机输出转矩关系的基础上，采用三闭环的结构，在速度环与电流环之间级联一级转矩环，将对逆变器输出功率的控制转换为对其等效转矩的控制，使得控制参数的物理意义更加明确，利用转矩控制器生成q轴电流指令；

不考虑开关损耗和死区效应，从电网侧到逆变器侧的功率关系为：

p_g＝p_c+p_inv

其中，p_g表示电网侧功率，p_c表示电容功率，p_inv表示逆变器输出功率；

逆变器输出功率可以表示为：

其中，ω_m表示实时转速，i_d、i_q分别表示实时d、q轴电流，表示电机磁链，L_d、L_q分别表示电机d、q轴电感，R_s表示定子电阻，p_m表示电机机械功率，p_mag表示电感交变功率，p_loss表示铜耗功率；

逆变器输出功率转换为等效转矩为：

τ_s＝τ_c+τ+τ_mag+τ_loss

＝τ_c+τ_inv

其中，ω_m为实时转速，i_d、i_q分别表示实时d、q轴电流，τ_s表示电网输入功率等效转矩，τ_c表示电容功率等效转矩，τ表示电机机械转矩，τ_mag表示电感交变功率等效转矩，τ_loss表示铜耗等效转矩，τ_inv表示逆变器输出功率等效转矩；

假设网侧输入单位功率因数，即电网电流为与电网电压同频同相的正弦波，其表达式为：

其中，I_g、U_g分别为电网侧电流、电压的峰值，θ_g为电网电压相角；

电网瞬时功率p_g为：p_g＝u_gi_g＝U_gI_gsin²θ_g，其中，u_g表示电网实时电压，i_g表示电网实时电流；因此，可以构造电网输入功率等效转矩指令 为电网输入功率等效转矩指令的幅值，通过对电机给定转速与实时转速ω_m之间的误差进行比例、积分处理得到；θ_g为电网电压相角，通过对电网实时电压u_g进行锁相PLL得到；

电网输入功率等效转矩指令的瞬时值减去电容功率等效转矩τ_c，得到逆变器输出功率等效转矩指令电容功率等效转矩τ_c为：可得逆变器输出功率等效转矩指令为：

其中，C_dc表示薄膜电容，ω_g表示输入电压角频率。

可以看出，逆变器输出功率等效转矩指令中包含有直流分量τ_dc和以两倍工频波动的交流分量τ_ac，即

逆变器输出功率等效转矩反馈τ_inv的计算公式为：

其中，i_d、i_q分别表示实时d、q轴电流，u_dref、u_qref分别表示旋转坐标系d、q电压。

为了能够让逆变器输出功率等效转矩反馈较好的跟随上述指令，需要对转矩控制器进行设计。控制系统中广泛使用的比例-积分调节器在转矩控制环内不能取得令人满意的控制效果，因为比例-积分调节器带宽有限，不能无静差的跟随正弦信号，必然会产生较大的控制误差与滞后，影响控制效果，造成网侧电流谐波含量高，降低网侧功率因数。根据控制原理，积分器能够对直流信号进行无静差的跟随，准谐振控制器能够对以谐振频率波动的交流信号进行无静差的跟随。因此，转矩控制器中应该包含有积分器和准谐振控制器。

积分-准谐振控制器框图如图4所示，其中k_r为谐振控制器增益，ω₀为谐振频率，ω_c准谐振控制器截止频率，T_d为系统控制延迟，k_t为转矩系数；准谐振控制器控制参数选取原则为：ω₀谐振频率设置为电网频率的两倍即为100Hz；考虑到电网频率容许波动的范围为±2％，ω_c设置为2*π*50*2％＝6.28rad/s；k_r则依据系统的实际表现来进行调节。

由于准谐振控制器对直流信号的调节作用很小，直流误差经过准谐振控制器后的控制量可以忽略不计。在忽略逆变器输出功率等效转矩的交流成分后，转矩环的闭环传递函数可以简化为典型二阶系统如下：

根据上式以得到积分控制器的增益如下：

式中：ε为阻尼系数，ω_n为自然振荡频率。

(2)对d、q轴电流指令与采集实时d、q轴电流i_dq之间误差进行比例、积分运算，得到d、q轴电压指令u_dq；

(3)将d、q轴电压指令u_dq和电机交叉解耦电压u_dq,ff相加后进行坐标变换，得到静止坐标系电压u_αβref，根据静止坐标系电压u_αβref和采集到的实时母线电压u_dc，利用空间矢量脉宽调制对逆变器和电机进行控制。

具体地，电机交叉解耦电压u_dq,ff的计算公式为：

u_d,ff＝-L_qi_qω_e

其中，L_d、L_q分别表示电机d、q轴电感，表示永磁磁链，ω_e表示电机电角速度。

图5为采用转矩闭环控制的逆变器输出功率等效转矩指令和反馈实验波形，可见积分-准谐振控制器可以较好的调节逆变器输出功率等效转矩；

图6为d，q轴电流指令和反馈波形，可见d，q轴电流跟踪性能较好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无电解电容空调压缩机控制方法，其特征在于，包括：

(1)对逆变器输出功率等效转矩指令和逆变器当前输出功率等效转矩τ_inv之间的误差进行积分，并通过准谐振控制器提取所述误差的谐振分量，得到q轴电流指令

(2)对d、q轴电流指令与采集实时d、q轴电流i_dq之间误差进行比例、积分运算，得到d、q轴电压指令u_dq；

(3)将所述d、q轴电压指令u_dq和电机交叉解耦电压u_dq,ff相加后进行坐标变换，得到静止坐标系电压u_αβref，根据静止坐标系电压u_αβref和采集到的实时母线电压u_dc，利用空间矢量脉宽调制对逆变器和电机进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种无电解电容空调压缩机控制方法，其特征在于，步骤(1)中所述逆变器输出功率等效转矩指令的计算方法具体为：

(01)对电机给定转速与实时转速ω_m之间的误差进行比例、积分处理，得到电网输入功率等效转矩指令的幅值

(02)对电网实时电压u_g进行锁相，得到电网电压相角θ_g，根据所述电网电压相角θ_g和电网输入功率等效转矩指令的幅值得到电网输入功率等效转矩指令的瞬时值

(03)所述电网输入功率等效转矩指令的瞬时值减去电容功率等效转矩τ_c，得到逆变器输出功率等效转矩指令

3.根据权利要求2所述的一种无电解电容空调压缩机控制方法，其特征在于，所述逆变器输出功率等效转矩指令的计算公式为：

其中，C_dc表示薄膜电容，ω_g表示输入电压角频率，U_g表示电网侧电压峰值。

4.根据权利要求1所述的一种无电解电容空调压缩机控制方法，其特征在于，步骤(1)中所述逆变器当前输出功率等效转矩τ_inv的计算公式为：

其中，i_d、i_q分别表示实时d、q轴电流，u_dref、u_qref分别表示旋转坐标系d、q轴电压。

5.根据权利要求4所述的一种无电解电容空调压缩机控制方法，其特征在于，步骤(1)中所述对逆变器输出功率等效转矩指令和逆变器当前输出功率等效转矩τ_inv之间的误差进行积分时选取的积分增益为：

式中：ε为阻尼系数，ω_n为自然振荡频率，k_t为转矩系数。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种无电解电容空调压缩机控制方法，其特征在于，步骤(1)中所述准谐振控制器的谐振频率ω₀设置为电网频率的两倍；截止频率ω_c设置为6.28rad/s。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种无电解电容空调压缩机控制方法，其特征在于，步骤(3)中所述电机交叉解耦电压u_dq,ff的计算公式为：

u_d,ff＝-L_qi_qω_e

其中，L_d、L_q分别表示电机d、q轴电感，表示永磁磁链，ω_e表示电机电角速度。