CN112332729A - 压缩机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种压缩机及其控制方法。压缩机包括具有永磁体转子的电机。根据实施例，压缩机控制方法包括：响应于压缩机的启动指令，向电机施加检测电流；基于电机对所施加的检测电流的响应，检测转子的永磁体是否发生退磁；响应于检测到退磁，重新设定压缩机的工作参数；以及基于重新设定的工作参数，启动压缩机。根据本公开的实施例，在压缩机启动时首先检测退磁，并相应地设定工作参数，以抑制或避免由于退磁而导致的性能退化。

Description

压缩机及其控制方法
技术领域
本公开一般地涉及压缩机控制领域，更具体地，涉及一种能够改善由于退磁而导致的性能退化的压缩机及其控制方法。
背景技术
压缩机中的转子的永磁体会由于各种因素，例如在压缩机运行中出现的过流或由于长时间存放引起的转子生锈等，而导致退磁。对于压缩机退磁，目前通常没有检测，依旧按照没有退磁的压缩机进行控制。但是，转子的永磁体退磁会引起压缩机控制模型变化，控制精度下降，在相同工况下电流增大，无法输出最大功率。
发明内容
有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种能够改善由于退磁而导致的性能退化的压缩机及其控制方法。
根据本公开的一个方面，提供了一种压缩机控制方法。压缩机包括具有永磁体转子的电机。该方法包括：响应于压缩机的启动指令，向电机施加检测电流；基于电机对所施加的检测电流的响应，检测转子的永磁体是否发生退磁；响应于检测到退磁，重新设定压缩机的工作参数；以及基于重新设定的工作参数，启动压缩机。于是，通过在启动时首先进行退磁检测并相应地重新设定工作参数，可以抑制或避免由于退磁而导致的性能退化。
根据本公开的实施例，检测电流可以只存在q轴分量，而d轴分量为零。这种情况下，可以相对容易地确定永磁体的参数，并由此来确定是否发生退磁。例如，可以计算永磁体的磁链，并将计算的永磁体的磁链与永磁体的磁链理论值相比较，确定是否发生退磁。
根据本公开的实施例，检测转子的永磁体是否发生退磁还可以包括确定退磁的程度，以及重新设定压缩机的工作参数还可以包括基于所确定的退磁程度来设定工作参数。这样，工作参数可以更好地匹配永磁体的状况。
根据本公开的实施例，在检测转子的永磁体是否发生退磁时，在电机的控制回路中可以采用通过对电机转速进行积分而获得的转子位置角。
根据本公开的实施例，设定的工作参数包括压缩机中用于驱动电机的变频器的最大输出电流和过流保护点中至少之一。这样，即便发生退磁，也可以增大变频器输出电流以满足输出最大功率的需要，另外也可以避免进一步退磁。更具体地，如果检测到退磁且退磁程度在一定范围例如20％以内时，检测到的退磁程度越大，则设定的变频器的最大输出电流可以增大，过流保护点可以减小。例如，变频器的最大输出电流的上限可以为变频器的额定工作电流的约150％，过流保护点的下限可以为变频器的额定工作电流的约160％。
根据本公开的另一方面，提供了一种压缩机，包括：具有永磁体转子的电机；以及控制器，该控制器在启动时执行启动算法，以根据上述方法进行操作。
根据本公开的实施例，压缩机还可以包括：角度发生器，用于通过对电机转速进行积分来获得转子的位置角。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是示出了根据本公开实施例的压缩机控制回路的示意框图；
图2是示出了根据本公开实施例的压缩机控制方法的示意流程图；
图3是示出了根据本公开实施例的基于退磁程度设置工作参数的示意图；以及
图4是示出了根据本公开实施例的互相连接的压缩机和变频器的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图4是示出了根据本公开实施例的互相连接的压缩机和变频器的示意图。
如图4所示，压缩机400A可以是各种类型的压缩机，例如涡旋压缩机、往复式压缩机等。压缩机400A可以包括由硬质材料如钢等制成的壳体以及设于壳体内的压缩机主体，并且可以具有让压缩机400A的工作介质流过的通道。压缩机主体可以包括各种部件，例如对进入其中的工作介质进行压缩的压缩机构(如涡旋压缩机的静涡旋和动涡旋等)、驱动压缩机构运动以压缩工作介质的致动机构(如电机等)、对压缩机的工作状态进行监控的各种传感器等。
变频器400B可以通过例如缆线而电连接到压缩机400A。例如，变频器400B可以接收压缩机400A中各种传感器的输出，并基于这些传感器的输出来控制压缩机400A中电机的驱动。就此而言，变频器400B可以称为压缩机400A的“控制器”。
尽管在图4中将压缩机400A和变频器400B示出为通过缆线连接的分立装置，但是本公开不限于此。例如，压缩机400A和变频器400B(以及可能的其他部件)可以集成在同一系统中，例如装入相同壳体内，从而构成压缩机系统(也可简称为“压缩机”)。
图1是示出了根据本公开实施例的压缩机控制回路的示意框图。该控制回路100例如可以实现于如图4所示的变频器400B中，用以控制压缩器400A，特别是其中的电机(参见图1中的M)。
在图1中，以永磁同步电机(PMSM)的磁场定向控制(FOC)为例，描述压缩机控制回路100。但是，本公开不限于此。本公开的技术可以应用于具有永磁体转子的其他电机以及电机的其他控制方式。
与压缩机相连的变频器，更具体地说是变频器中的电流检测单元，可以采样电机M中的三相电流值ia、ib和ic(三相定子坐标系，a-b-c坐标系)。通过Clarke变换模块，可以将所采样的电流值转换成两相坐标iα和iβ(两相静止坐标系，α-β坐标系)，并可以通过Park变换模块，转换到两相旋转坐标系(转子坐标系，d-q坐标系)下，得到d轴电流id和q轴电流iq(这些是电流反馈值)。在d-q坐标系中，d轴可以表示转子磁链轴线(对于同步电机，可以是转子磁极的轴线)，q轴可以逆时针超前d轴90°。更具体地，d轴可以对应于励磁所产生的转矩，而q轴可以对应于永久磁体所产生的转矩。d轴和q轴在空间上可以转子角速度旋转。
电流反馈值id、iq可以与来自变频器的电流指令值
Figure BDA0002149126050000041
(
Figure BDA0002149126050000042
其中imax为变频器最大输出电流)进行闭环控制，以将电机电流控制在恒定的电流。例如，电流指令值
Figure BDA0002149126050000043
可以与电流反馈值id、iq进行运算得到偏差值，并通过PI(比例积分)模块转换为电压值。在此，为了更精确的控制，还采用前馈解耦模块，通过永磁电机的电压模型方程，根据电流反馈值id、iq得到电压估计值Ude、Uqe。通过PI模块得到的电压值与电压估计值Ude、Uqe进行运算得到电压指令值Udref、Uqref，并通过逆Park变换模块，可以得到两相静止坐标系下的电压指令值Uα、Uβ。空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)模块根据电压指令值Uα、Uβ计算空间矢量，并生成脉冲宽度调制(PWM)信号，PWM信号施加在变频器中的开关器件101上，能使开关器件101按照来自控制器的控制指令导通和关断，从而将期望电压施加在电机M上。对电机M施加电压的同时，变频器可以开关频率(通常是2KHz-16Khz)采样电机M的电流并用于下一周期的计算。
在以上控制回路中，在Park变换模块和逆Park变换模块中需要使用电机转子的位置角θg。在压缩机的正常运行过程中，位置角θg可以通过位置编码器或者角度观测器等得到。
根据本公开的实施例，在压缩机的启动阶段，将进行退磁检测。在退磁检测中，可以通过速度积分来得到转子的位置角，参见图1的“速度”、“斜坡”和“角度发生器”模块。例如，速度模块可以接收对速度的设定，例如来自外部的用户输入。斜坡模块可以产生按一定斜率(例如1Hz/s)上升到设定速度的输出(模拟启动阶段电机的升速)。角度发生器可以对斜坡模块的输出进行(在时间上)积分，得到转子位置角。
图2是示出了根据本公开实施例的压缩机控制方法的示意流程图。
如图2所示，根据实施例的压缩机控制方法200主要针对压缩机的启动阶段。与常规技术中响应于启动命令即按照压缩机的正常状态启动压缩机不同，根据本公开的实施例，可以在正常启动之前，先进行退磁检测，并响应于退磁检测的结果，相应地设定压缩机的工作参数，比如压缩机中用于驱动电机的变频器的最大输出电流和/或过流保护点。
具体地，在操作210，压缩机接收到启动指令。例如，压缩机响应于上电而接收到启动指令。
在操作220，压缩机可以响应于启动指令而进行退磁检测。
电机本质上可以等效为一种电路模型，而且本领域中存在若干种这样的等效电路模型。可以通过这种等效电路模型来计算关于永磁体转子的参数(例如，其磁链)，由此可以获知永磁体的退磁状况。为了获知启动时的永磁体状况，可以向电机施加一定的激励。例如，所述激励可以是检测电流或检测电压。然后检测电机对于该激励的响应。例如，当所施加的激励为检测电流时，电机对于该激励的响应可以为电机中的电压，即此时可以检测电机中的电压；另一方面，当所施加的激励为检测电压时，电机对于该激励的响应可以为电机中的电流，即此时可以检测电机中的电流。通过这种激励-响应，可以基于电机的等效电路模型来计算永磁体转子在当前的相关参数，例如该转子的永磁体的退磁程度或反电势值。
根据本公开的实施例，可以采用反电势检测算法。为便于计算，可以将检测电流设置为只存在q轴分量，而d轴分量为零，即，
Figure BDA0002149126050000051
Figure BDA0002149126050000061
其中，下标“检测”表示这是在启动时的退磁检测阶段使用。也即，此时励磁电流为零，定子电流全部用于产生电磁转矩。istart可以是压缩机的额定工作电流的预定百分比，例如约60％。例如，可以从变频器将
Figure BDA0002149126050000062
和
Figure BDA0002149126050000063
输入如图1所示的控制回路。通过如上所述的闭环控制，可以将电机M拖动到与istart相对应的预定转速下。
在电机M稳定运行之后，可以通过电机的等效电路模型来计算永磁体的磁链，并由此确定是否发生退磁以及如果发生退磁的话则退磁程度如何。
以下公式(1)示出了永磁同步电机在d-q坐标系下的等效电路模型。
Figure BDA0002149126050000064
在此，ud、uq分别是定子电压的d、q轴分量，id、iq分别是定子电流的d、q轴分量，Ld、Lq分别是定子绕组的d、q轴电感，Rs是定子电阻，ωr是转子的转速，ψf是转子的永磁体产生的磁链，dx/dt表示x的时间微分。
在忽略定子电阻并只考虑稳态时(注意，在检测退磁时d轴电流可以为零，如上所述)，公式(1)可以简化为以下公式(2)。
Figure BDA0002149126050000065
根据公式(2)可以看出，q轴电压uq与转速ωr和永磁体磁链ψf有关。变频器可以根据q轴电压uq和转速ωr，计算出压缩机当前的永磁体磁链ψf。将该计算值与磁链的理论值(未发生退磁情况下的永磁体磁链)进行比较，即可得出永磁体是否退磁以及退磁程度如何的结果。
在操作230，可以根据退磁检测的结果，重新设定压缩机的至少一些工作参数。重新设定的工作参数可以包括需要根据退磁程度适应性调整的参数，例如变频器的最大输出电流和过流保护点等中至少之一。例如，在发生退磁的情况下，可以适当增大变频器的最大输出电流。随着退磁程度增大，在一定范围内，比如退磁程度在20％以内，变频器的最大输出电流也可以逐渐增大，以满足输出最大功率的需要。变频器的最大输出电流可以存在上限，例如为变频器的额定电流的约150％。因此，如果退磁程度很大，会进入功率限制。另外，在发生退磁的情况下，可以适当降低过流保护点。随着退磁程度增大，在一定范围内，比如退磁程度在20％以内，过流保护点可以逐渐减小，以避免过大的过流点对已退磁的压缩机造成再度退磁。过流点也可以存在下限，例如为变频器的额定电流的约160％。图3是示出了根据本公开实施例的基于退磁程度设置工作参数的示意图。
在操作240，可以基于重新设定的工作参数，启动压缩机。
根据本公开的实施例，在压缩机正常启动之前，可以进行退磁检测。于是，可以及时发现退磁，并根据退磁程度相应设置压缩机的相关工作参数，可以在不损伤压缩机的前提下保证最大功率的输出而不会提前降额，同时可以避免压缩机的再度退磁。
如上所述，在退磁检测时，转子的位置角是通过速度积分得到的，并不是真实的位置角。在压缩机正常运行时，可以使用例如位置编码器或角度观测器等来获得位置角。因此，在压缩机内可以设置切换机制，以便切换位置角的提供。更具体地，在退磁检测阶段，可以向Park变换模块和逆Park变换(以及其他需要位置角的模块)提供从角度发生器生成的角度，而在正常运行阶段，可以向Park变换模块和逆Park变换(以及其他需要位置角的模块)提供从位置编码器或角度观测器提供的位置角。
以上的压缩机控制方法200可以由压缩机的控制器(例如，图4中所示的变频器400B)来执行。例如，控制器可以包括存储器件，其中存储有用于执行压缩机控制方法200的指令代码。在启动时，控制器可以运行这些指令代码，并相应地执行压缩机控制方法200。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种压缩机控制方法，所述压缩机包括具有永磁体转子的电机，所述方法包括：
响应于压缩机的启动指令，向电机施加检测电流；
基于电机对所施加的检测电流的响应，检测转子的永磁体是否发生退磁；
响应于检测到退磁，重新设定压缩机的工作参数；以及
基于重新设定的工作参数，启动压缩机。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，检测电流只存在q轴分量，而d轴分量为零。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，检测转子的永磁体是否发生退磁包括：
计算永磁体的磁链；以及
将计算的永磁体的磁链与永磁体的磁链理论值相比较，确定是否发生退磁。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，检测转子的永磁体是否发生退磁还包括确定退磁的程度，以及重新设定压缩机的工作参数还包括基于所确定的退磁程度来设定所述工作参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在检测转子的永磁体是否发生退磁时，在电机的控制回路中采用通过对电机转速进行积分而获得的转子位置角。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，设定的工作参数包括压缩机中用于驱动电机的变频器的最大输出电流和过流保护点中至少之一。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，如果检测到退磁且退磁程度在20％以内时，检测到的退磁程度越大，则设定的变频器的最大输出电流增大，过流保护点减小。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，变频器的最大输出电流的上限为变频器的额定工作电流的150％，过流保护点的下限为变频器的额定工作电流的160％。
9.一种压缩机，包括：
具有永磁体转子的电机；以及
控制器，所述控制器在启动时执行启动算法，以根据权利要求1至8中任一项所述的方法进行操作。
10.根据权利要求9所述的压缩机，还包括：角度发生器，用于通过对电机转速进行积分来获得转子的位置角。
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