CN112904073A - 无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法 - Google Patents

Abstract

一种无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，属于电机控制技术领域。本发明针对在线测量方法中母线电容容值估算结果的准确率无法保证的问题。包括采集永磁电机相电流，根据三相逆变器上桥臂占空比信号，重构三相逆变器输入电流；将网侧电流与三相逆变器输入电流的差值作为母线电容电流；对母线电容电流通过二阶广义积分器提取电流100Hz谐波，计算获得电流100Hz谐波幅值；采集母线电压，通过二阶广义积分器提取母线电压100Hz谐波，然后通过微分处理得到其变化率，进一步得到母线电压100Hz谐波变化率幅值；将电流100Hz谐波幅值与母线电压100Hz谐波变化率幅值的比值作为母线电容估计容值。本发明可实现无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值在线估计。

Description

无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法

技术领域

本发明涉及无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

随着社会经济发展水平的提高，家用空调得到了大范围的普及，已渐渐成为日常生活中不可或缺的家用电器。空调市场化程度的日益提高，使空调行业的竞争日益加剧。永磁压缩机驱动系统作为空调器的关键部件，使其长寿命、低成本运行对于提升空调产品竞争力具有重要意义。

传统家用空调驱动系统主要由二极管整流器、功率因数校正(PFC)电路、母线电解电容和逆变器组成。其中，电解电容寿命受环境温度影响显著，是压缩机驱动系统的薄弱环节。据统计，驱动电路故障的20％以上是由于电解电容失效引起的。因此，采用小容量薄膜电容代替大容量电解电容的永磁压缩机无电解电容驱动系统可以有效避免因母线电解电容失效导致的驱动器故障，延长驱动系统使用寿命。再结合软件控制算法，还可以进一步省略PFC电路，降低系统成本。因此，无电解电容永磁压缩机驱动系统对于提高空调器产品性能、增强市场竞争力具有重要意义。

针对无电解电容永磁压缩机驱动系统，提高网侧电能质量和系统稳定性的控制方法均需要驱动系统参数信息，其中谐振频率和虚拟阻抗控制参数计算均涉及电容容值，因此电容容值的准确获取变得尤其重要。虽然小容量薄膜电容具有寿命长、受环境温度影响小的优点，但长时间工作会造成母线电容容值降低，进而导致母线电容失效。目前采用的标称值计算方法，会使谐振频率和虚拟阻抗控制出现偏差，降低控制性能。因此，研究无电解电容永磁压缩机驱动系统的母线电容容值估计方法具有重要的理论和实际意义。

现有母线电容容值估计方法主要包括三种：离线法、准在线方法和在线方法。其中离线法主要是离线对母线电容容值进行检测，这种方法需要额外的测量电路且无法实现在线估计；准在线方法是指在驱动系统停机或者再生制动状态过程中，通过注入高频信号的方式对母线电容容值进行估计，这种方法增加了系统损耗且无法实现电容容值实时估计；在线测量方法是指在系统运行过程中，对母线电容容值进行实时估算，其估算结果的准确率很难得到保证。

发明内容

针对现有在线测量方法中母线电容容值估算结果的准确率无法保证的问题，本发明提供一种无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法。

本发明的一种无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，所述永磁压缩机驱动系统包括网侧整流器、三相逆变器以及三相逆变器连接的永磁电机，网侧整流器与三相逆变器之间并联母线电容；

所述方法包括，

采集永磁电机的相电流，根据三相逆变器上桥臂占空比信号，重构三相逆变器输入电流；

采集网侧整流器输出的网侧电流，与三相逆变器输入电流的差值作为母线电容电流；对母线电容电流通过二阶广义积分器提取电容电流100Hz谐波，并计算获得电容电流100Hz谐波幅值；采集母线电压，通过二阶广义积分器提取母线电压100Hz谐波，然后通过微分处理得到其变化率，进一步得到获得母线电压100Hz谐波变化率幅值；

将电容电流100Hz谐波幅值与母线电压100Hz谐波变化率幅值的比值作为母线电容估计容值。

根据本发明的无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，重构的三相逆变器输入电流i_inv为：

式中T_a、T_b、T_c依次为三相逆变器三相上桥臂的占空比信号，i_a、i_b、i_c依次为永磁电机三相相电流；T_s为开关周期。

根据本发明的无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，获得电容电流100Hz谐波的过程包括：

母线电容电流i_cap为：

i_cap＝i_g-i_inv， (2)

式中i_g为网侧整流器输出的网侧电流；

采用二阶广义积分器对母线电容电流i_cap进行滤波处理：

所述二阶广义积分器的传递函数G(s)为：

式中k为SOGI增益，ω_res为SOGI谐振频率，s为拉氏变换的复数变量，ω为角频率，|G(jω)|为G(s)的幅频特性，∠G(jω)为G(s)的相频特性；

设置二阶广义积分器谐振频率ω_res为100Hz，则提取的电容电流100Hz谐波i_{cap_100}为：

根据本发明的无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，采用谐振频率为100Hz的二阶广义积分器提取母线电压100Hz谐波，然后进行微分处理，得到母线电压100Hz谐波变化率M为：

式中u_{dc_100}为母线电压100Hz谐波。

根据本发明的无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，由电容电流100Hz谐波i_{cap_100}获得电容电流100Hz谐波幅值i_{cap_100_Mag}；

由母线电压100Hz谐波变化率M获得母线电压100Hz谐波变化率幅值M_{_Mag}；

则母线电容估计容值C_dc为：

本发明的有益效果：本发明通过提取整流后的网侧电流、母线电压和重构逆变器输入电流，求出母线电容容值。在获得母线电容容值的过程中，无需采用额外信号注入，只需采用低带宽电流传感器测量网侧输入电流信号，即可实现母线电容容值的在线估计，估算结果稳定性好，可靠性高，用作驱动系统的参数信息进行控制可提高网侧电能质量和系统稳定性。

目前准在线和在线的母线电容容值估计方法中，均采用高带宽电流传感器测量母线电容电流，在本发明方法中，可采用低带宽的电流传感器测量网侧输入电流以替代传统的测量方式，具有显著的技术和成本优势，可以有效提高无电解电容永磁压缩机驱动系统的控制性能。

附图说明

图1是本发明中无电解电容永磁压缩机驱动系统的结构框图；图1中的u_g为电网电压，L_g为网侧电感；D₁、D₂、D₃和D₄构成二极管网侧整流器；C_dc为母线电容，u_dc为母线电压；i_g为整流后的网侧电流，i_dc为母线电容电流，i_inv为逆变器输入电流；S₁至S₆为三相逆变器的六个开关管；

图2是二阶广义积分器SOGI模块框图；

图3是三相逆变器电流及三相上桥臂开关信号示意图；

图4是本发明母线电容容值估计方法的框图；图中i_a为三相静止坐标系下的a相电流，i_b为三相静止坐标系下的b相电流，i_c为三相静止坐标系下的c相电流；u_α和u_β为通过坐标变换得到的两相静止坐标系下的电压值；T_1-6为逆变器开关器件S₁-S₆的开关信号；

图5是整流后的网侧电流、逆变器输入电流、母线电容电流及其100Hz谐波波形图；

图6是母线电压、母线电压100Hz谐波成分及母线电压100Hz谐波变化率波形图；

图7是电容电流100Hz谐波与母线电压100Hz谐波变化率波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图4所示，本发明提供了一种无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，所述永磁压缩机驱动系统包括网侧整流器、三相逆变器以及三相逆变器连接的永磁电机，网侧整流器与三相逆变器之间并联母线电容；

所述方法包括，

采集永磁电机的相电流，根据三相逆变器上桥臂占空比信号，重构三相逆变器输入电流；

采集网侧整流器输出的网侧电流，与三相逆变器输入电流的差值作为母线电容电流；对母线电容电流通过二阶广义积分器(Second Order Generalized Integrator,SOGI)提取电容电流100Hz谐波，并计算获得电容电流100Hz谐波幅值；采集母线电压，通过二阶广义积分器提取母线电压100Hz谐波，然后通过微分处理得到其变化率，进一步得到母线电压100Hz谐波变化率幅值；

将电容电流100Hz谐波幅值与母线电压100Hz谐波变化率幅值的比值作为母线电容估计容值。

所述永磁电机的相电流采用电流传感器进行采样，所述相电流为电机三相输入电流。

进一步，结合图4所示，重构的三相逆变器输入电流i_inv为：

式中T_a、T_b、T_c依次为三相逆变器三相上桥臂的占空比信号，i_a、i_b、i_c依次为永磁电机三相相电流；T_s为开关周期。

再进一步，获得电容电流100Hz谐波的过程包括：

母线电容电流i_cap为：

i_cap＝i_g-i_inv， (2)

式中i_g为网侧整流器输出的网侧电流，通过电流传感器采样获得；

采用二阶广义积分器对母线电容电流i_cap进行滤波处理：

所述二阶广义积分器的传递函数G(s)为：

式中k为SOGI增益，ω_res为SOGI谐振频率，s为拉氏变换的复数变量，ω为角频率，|G(jω)|为G(s)的幅频特性，∠G(jω)为G(s)的相频特性；

设置二阶广义积分器谐振频率ω_res为100Hz，则提取的电容电流100Hz谐波i_{cap_100}为：

再进一步，结合图4所示，采用谐振频率为100Hz的二阶广义积分器提取母线电压100Hz谐波，然后进行微分处理，得到母线电压100Hz谐波变化率M为：

式中u_{dc_100}为母线电压100Hz谐波；母线电压u_dc采用电压传感器采样获得。

再进一步，结合图4所示，由电容电流100Hz谐波i_{cap_100}获得电容电流100Hz谐波幅值i_{cap_100_Mag}的方法可以为：通过数字控制器对电容电流100Hz谐波i_{cap_100}进行持续采样，将本次采样得到的值与上一时刻的采样值进行比较，保留数值较大的采样值，如此可得到电容电流100Hz谐波幅值i_{cap_100_Mag}；

由母线电压100Hz谐波变化率M获得母线电压100Hz谐波变化率幅值M_{_Mag}，同样采用数字控制器可通过母线电压100Hz谐波变化率M获得母线电压100Hz谐波变化率幅值M_{_Mag}；

则母线电容估计容值C_dc为：

对本发明方法有效性实验验证过程如下：

在无电解电容永磁同步电机空调平台上验证本发明方法的有效性。实验平台的各项参数设置为：电网电压220V,电网频率50Hz，直流母线电容为薄膜电容，容值为20μF，输入侧电感滤波器5mH，d轴电感7.9mH，q轴电感11.7mH，转子磁链0.11Wb，转子极对数为3，额定功率为1.0kw，额定转速为3000r/min，定子电阻为2.75Ω。实验中所有的控制算法都由数字控制器DSP TMS320F28034实现。逆变器开关和采样频率设为10kHz。

在母线电容标称值为20μF系统中，图5为整流后的网侧电流、逆变器输入电流、母线电容电流及其100Hz谐波波形图，母线电容电流为整流后的网侧电流与逆变器输入电流相减。

图6为母线电压、母线电压100Hz谐波及母线电压100Hz谐波变化率波形图，可见母线电压100Hz谐波变化率相位超前母线电压100Hz谐波90度。图7为电容电流100Hz谐波与母线电压100Hz谐波变化率，由图7可知，电容电流100Hz谐波相位与母线电压100Hz谐波变化率相位一致，将两者的幅值相除即可得到母线电容容值。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (5)

1.一种无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，所述永磁压缩机驱动系统包括网侧整流器、三相逆变器以及三相逆变器连接的永磁电机，网侧整流器与三相逆变器之间并联母线电容；

其特征在于所述方法包括，

采集永磁电机的相电流，根据三相逆变器上桥臂占空比信号，重构三相逆变器输入电流；

采集网侧整流器输出的网侧电流，与三相逆变器输入电流的差值作为母线电容电流；对母线电容电流通过二阶广义积分器提取电容电流100Hz谐波，并计算获得电容电流100Hz谐波幅值；采集母线电压，通过二阶广义积分器提取母线电压100Hz谐波，然后通过微分处理得到其变化率，进一步得到母线电压100Hz谐波变化率幅值；

将电容电流100Hz谐波幅值与母线电压100Hz谐波变化率幅值的比值作为母线电容估计容值。

2.根据权利要求1所述的无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，其特征在于，

重构的三相逆变器输入电流i_inv为：

式中T_a、T_b、T_c依次为三相逆变器三相上桥臂的占空比信号，i_a、i_b、i_c依次为永磁电机三相相电流；T_s为开关周期。

3.根据权利要求2所述的无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，其特征在于，

获得电容电流100Hz谐波的过程包括：

母线电容电流i_cap为：

i_cap＝i_g-i_inv， (2)

式中i_g为网侧整流器输出的网侧电流；

采用二阶广义积分器对母线电容电流i_cap进行滤波处理：

所述二阶广义积分器的传递函数G(s)为：

式中k为SOGI增益，ω_res为SOGI谐振频率，s为拉氏变换的复数变量，ω为角频率，|G(jω)|为G(s)的幅频特性，∠G(jω)为G(s)的相频特性；

设置二阶广义积分器谐振频率ω_res为100Hz，则提取的电容电流100Hz谐波i_{cap_100}为：

。

4.根据权利要求3所述的无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，其特征在于，

采用谐振频率为100Hz的二阶广义积分器提取母线电压100Hz谐波，然后进行微分处理，得到母线电压100Hz谐波变化率M为：

式中u_{dc_100}为母线电压100Hz谐波。

5.根据权利要求4所述的无电解电容永磁压缩机驱动系统母线电容容值估计方法，其特征在于，

由电容电流100Hz谐波i_{cap_100}获得电容电流100Hz谐波幅值i_{cap_100_Mag}；

由母线电压100Hz谐波变化率M获得母线电压100Hz谐波变化率幅值M_{_Mag}；

则母线电容估计容值C_dc为：

。

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