高功率因数无电解电容电机驱动系统电流控制策略

高功率因数无电解电容电机驱动系统电流控制策略
张国柱;徐殿国;朱良红;王高林;霍军亚
【摘要】因成本与使用寿命上的优势,无电解电容电机驱动技术正逐步得到应用.然而,由于仍存在相电流幅值过大与弱磁控制不稳定的问题,直接影响了该技术的推广.为此,提出一种单相输入高功率因数无电解电容电机驱动的电流控制策略.通过调整交轴电流指令的轨迹,使驱动器输入侧具有高功率因数,且电机相电流峰值比以往方法有明显削减;对弱磁失控现象,提出基于交轴电压修正的弱磁控制方法.在变频空调压缩机控制系统上的实验验证了该电流控制策略的有效性.实验结果表明,该控制策略能在输入电流满足IEC谐波标准的前提下,使电机相电流峰值降低,并确保弱磁控制环路的稳定性.%Because of the advantages in cost and life span , single phase input electrolytic capacitor-less motor drive is getting more and more concern .However , this technique is not widely used for the reasons of several key problems , such as larger phase current magnitude and instability of field weakening con-trol.To overcome these problems , a novel current control strategy for electrolytic capacitor-less motor drive was proposed .By adjusting the waveform of quadrature-axis current command , the high power fac-tor was achieved and motor phase current magnitude was obviously reduced .To solve the field weakening instability problem , an enhanced field weakening control method based on quadrature-axis voltage modifi-cation was proposed .The experiments on a variable speed air-conditioner demonstrate effectiveness of the proposed method .The results show that , by using the proposed method , the input current satisfies har-monics restrictions in IEC standard , and the
motor phase current is considerably reduced .Furthermore , stability of
field weakening control can be guaranteed .
【期刊名称】《电机与控制学报》
【年(卷),期】2018(022)001
【总页数】7页(P100-106)
【关键词】电机控制;高功率因数;无电解电容驱动;电流控制策略
【作者】张国柱;徐殿国;朱良红;王高林;霍军亚
【作者单位】广东美的制冷设备有限公司,广东佛山528311;哈尔滨工业大学电气
工程与自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;广东美的制冷设备有限公司,广东佛山528311;哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;广东美的
制冷设备有限公司,广东佛山528311
【正文语种】中文
【中图分类】TM351
为实现永磁同步电机的矢量控制，并使输入侧具有高功率因数且满足电流谐波标准[1]，电机驱动器常采用交流-直流-交流的变换方式。

其中，交流-直流变换部分具有功率因数校正(PFC)电路，以提高输入侧功率因数并减小输入电流谐波；直流-交流变换部分通过逆变电路驱动电机运行。

由于中间环节较多，因而成本较高，可靠性下降，且直流母线上电解电容的寿命限制了其使用年限。

为降低驱动电路的成本，提高可靠性并延长使用寿命，文献[2]提出了单相输入无
电解电容驱动系统的基本结构，实现了从交流到交流的直接变换，减少了电路的中间转换环节。

文献[2]还提供了一种基于直接转矩控制的输入电流正弦化控制方法。

然而，由于未考虑电机瞬时功率与输入电流的匹配关系，因此难以得到期望的输入电流波形。

文献[3]对输入电流与电机瞬时功率的匹配关系进行了详细分析，增加
功率控制环路以调节电机的瞬时功率，并利用重复控制提升功率控制环路的动态性能，改善了输入电流的功率因数。

文献[4]利用比例谐振控制器调节无电解电容驱
动系统的功率控制环路。

重复控制只对与电网频率成倍数的功率参考指令有效，比例谐振控制器对扰动抑制的有效范围只在电网频率附近，而单转子压缩机运行过程中存在明显的转速波动，瞬时功率指令存在多种频率成分，因此文献[3-4]中的方
法并不适用。

文献[5]提出一种基于电压补偿的瞬时功率控制方法，可显著降低输
入电流的谐波成分；然而该方法施加的补偿电压将使电机电流偏离参考值，在恶劣工况下难以确保电机相电流值在允许范围以内。

文献[3-5]的方法均加入了功率控
制环路，不仅增加了控制器实现的难度，而且可能引起调速系统不稳定。

针对上述关键问题，本文提出一种无需功率控制环路的无电解电容压缩机控制方法。

该方法通过合理调节dq轴电流指令，使输入电流波形满足谐波要求。

由于不需要增加额外的功率控制环路，因此可保证调速系统的稳定性，且便于工程实现。

此外，该方法的电流指令具有确定的形式，只要限制其幅值，便能有效防止因电流指令过大而引起的过电流故障。

常规的交流-直流-交流转换电机驱动器具有如图1(a)所示的电路拓扑。

其PFC与逆变电路相互独立，便于控制器设计，因而得到了广泛的应用；然而，
该电路拓扑在成本、可靠性与使用寿命上均存在不足。

图1(b)为无电解电容电机
驱动的电路拓扑。

与常规的驱动电路相比，省去了PFC部分，并以小容值的薄膜
电容(或陶瓷电容)取代电解电容。

因此，既能实现降成本，又能消除电解电容引起的使用寿命瓶颈。

本文考虑的被控对象为以永磁同步电机(PMSM)驱动的空调压缩机，其数学模型可描述为：
在vdc、ω与交流输入电压vin可观测或可估计的情况下，设计dq轴电流轨迹的生成方法，使得压缩机控制系统的运行满足：1)压缩机转速ω尽可能接近期望转
速ωref；2)输入电流iin接近正弦波，且相位与vin尽可能一致。

图2给出了单相输入无电解电容驱动系统的整体框图，主要包括以下3个部分：1)输入电压相位检测锁相环；2)q轴电流指令计算模块；3)d轴电流指令计算模块。

除此以外，还包括一些与常规电机驱动的通用功能模块，如位置/速度估计器、电
流控制器、矢量变换以及占空比计算等。

下面具体介绍各部分的工作原理与设计方法。

为实现高功率因数，无电解电容驱动的电机输出转矩需要与输入电压的相位保持一致[2]。

输入电压相位检测值θge是电流控制策略的一个输入量。

利用图3所示的锁相环可获取准确的θge值。

假设vin的相位为θg=ωgt+φg，幅值为Vinmag，则有
如果低通滤波器时间常数Tf足够大，则ev满足
ev=(vincosθg)=
[sin(2ωgt+φ+φge)+
sin(φ-φge)]≈0.5Vinmag(φ-φge)。

由图3可知，随着时间的推移，φ-φge将趋于零，因此，θge将收敛至θg。

图2给出了q轴电流指令生成器的基本结构。

与常规电机驱动不同，无电解电容
驱动系统的速度PI控制器输出需乘以波形变量wf，而wf根据输入电压相位计算
获得。

此外，由(5)式可知，因vdc波动，薄膜电容C充放电的瞬时功率Pc会直
接影响输入电流。

为此需通过q轴电流指令进行补偿，以减小Pc对输入电流的影响。

文献[6]将无电解电容驱动系统的速度PI控制器输出乘以sin2θge作为q轴电流
指令，以使输入电流正弦化；然而，形状为sin2θge的q轴电流指令会导致电机
相电流幅值偏大，降低电机的输出功率范围。

文献[7]提出了梯形波q轴电流指令，可有效降低电机的相电流峰值；然而，在输入电压过零点附近，梯形波指令的电流控制误差较大，引起输入电流谐波。

此外，上述两种方法均未考虑薄膜电容充放电对输入电流的影响，电机瞬时功率与输入电流之间未能充分匹配。

针对以上问题，本文提出一种能有效降低相电流峰值，且能保证输入电流满足谐波要求的q轴电
流指令计算方法。

由(5)式可知，电容瞬时功率的补偿量需根据vdc的瞬时值求得。

因此，首先分析vdc的周期波形，然后推导可抵消Pc的q轴电流补偿量。

考虑到电感L的值较小，当iin不为零时，vdc近似于|vin|。

而当iin为零时，由于|vin|较小，vdc跟随|vin|将引起逆变器电压不足，导致电机电流控制性能变差，因此vdc应不低于下限值Vdclim。

综上所述，iin与vdc具有如图4所示的波形。

vdc可描述为：
根据式(6)与式(10)，并忽略Pcu与Preact的影响，可推导出电容瞬时功率补偿电流iqcom为：
由图2可见，q轴电流指令为
由于速度环的带宽较低，T0在半个电压周期内基本不变，因此根据式(14)～式(15)可计算出本文方法的Rpt值为π2/(2π-4θd)。

对比两种方法的Rpt值可知，只要
θd≤0.337就能保证式(14)具有比sin2θge更小的iq0峰值。

图5给出了相同平
均值下，两种q轴电流指令的波形。

其中，θd=0.1 rad。

可见，本方法具有较小
的iq0峰值，因此能有效削减电机相电流幅值。

根据式(4)～式(6)、式(11)和式(14)可推算出输入电流波形。

由式(6)可见，d轴电
流的变化率会通过Preact耦合到电机模型中，从而影响输入电流波形。

为此，将idref设为固定的负值。

实际上，本文在后面介绍的弱磁控制方法输出的d轴电流指令近似为直流量，在系统稳态时idref近似为固定的负值。

令idref=-5 A，根据
表1给出的模型参数，通过二分法迭代计算，可确定出电机输出功率为1 kw时，iq、iin与vdc的时间曲线，如图6所示。

可见，输入电流iin的形状接近于正弦波，但略为扁平。

这是降低电机相电流幅值所引起的输入电流波形变化。

尽管输入电流已不是理想的正弦波，但其谐波成分已足够小。

输入电流的THD值为7.1%。

由图7的谐波分析结果可知，输入电流完全满足IEC标准，且在低次谐波上具有
足够的余量。

从以上分析结果可知，本文所介绍的q轴电流控制策略能降低电机
相电流峰值，且保证输入电流满足谐波的标准。

无电解电容驱动系统的母线电压呈现周期性波动，且在输入电压过零点附近保持较低的值。

若电机转速较高，需进入深度的弱磁控制，以保证逆变器输出电压幅值
v1小于其最大允许输出电压vmax。

v1与vmax计算式为：
以上介绍了无电解电容驱动系统的电流控制策略。

对于无位置传感器的应用场合，仍需考虑位置估计算法与驱动算法之间的匹配。

目前位置估计算法有大量结果[8-9]，然而并非都适用。

对无电解电容电机驱动系统而言，其运行过程q轴电流持
续变化，因此位置估计不能忽略diq/dt的影响。

扩展反电势包含了diq/dt项，故难以实现准确的估计。

针对此问题，可利用有效磁通观测器[10]实现电机转子的位置估计。

驱动系统中电流控制器、矢量变换以及占空比计算等模块与常规电机驱动系统并无差异。

为验证方法的有效性，在1.5匹变频空调上进行了整机实验。

该空调器的结构如图8所示。

其中，驱动器以主频为100 MHz的32位单片机rx62T为核心，实现快速采样与控制算法处理；以IPM模块驱动压缩机，实现载频为6 kHz的逆变。

电路与压缩机参数如表1所示。

实验中首先验证q轴电流控制策略，包括：对比两种q轴电
流控制策略的相电流峰值，并分析输入电流的谐波成分；然后验证d轴电流控制
策略，对比两种方法在深度弱磁运行时的控制效果。

对本文提出的q轴电流控制策略与文献[6]的正弦平方控制策略进行对比实验。

令
空调压缩机运行于60 Hz。

在T1时刻以前，把wf取为wf(θgm)=(sinθgm)2；
而在T1时刻以后，把wf取为式(15)。

图9为对比实验的iqref与压缩机U相电
流iu的波形。

如图9所示，T1时刻以前iu的峰值达到12 A，而在T1时刻以后
iu峰值降至10 A以下。

可见本文的电流控制策略具有比正弦平方控制更小的相电流峰值。

图10为额定功率条件下输入电流与电压的对比波形。

可见，两者相位基本一致，实测功率因数可达0.988。

图11给出了额定功率条件下，空调器的输入电流谐波测试结果。

可见，尽管输入电流存在一定的死区角度，其谐波测试结果仍完全满足IEC标准的要求，且具有
足够的余量。

为验证d轴电流控制策略的有效性，进行两种方法的对比测试。

首先采用常规的
弱磁控制方法，即令id0=[v1-vmax]，并使压缩机从70 Hz加速到85 Hz；在T2时刻，目标转速达到85 Hz，并在后续运行过程保持该转速；在T3时刻，d轴电流控制策略切换为式(17)。

为避免压缩机退磁，把退磁限制电流idemag设置为-13.5 A。

图12给出该对比实验的电流波形。

可见，采用常规的弱磁控制可能导致电流达到退磁限制值，弱磁环路出现了失控状态。

而在T3时刻以后，由于切换至基于vq修正的弱磁控制，因而弱磁环路退出不可控的状态，最终收敛到-9 A附近。

通过此对比实验可见，本文提出的d轴电流控制策略能有效避免无电解电容驱动
在深入弱磁状态下的失控现象。

本文提出了一种无需功率控制环路的无电解电容压缩机控制方法。

通过合理地调节dq轴电流指令，实现电机的调速控制，且输入电流波形满足谐波要求。

由于不需
要增加额外的控制环路，因此可确保系统的稳定性，且便于实现。

通过调整q轴
电流指令的形状，使电机的相电流峰值比以往方法有明显削减。

针对无电解电容驱动深度弱磁下环路可能出现的失控现象，提出了一种基于vq修正的弱磁控制方法。

通过在变频空调上的实验表明，该方法不但能实现电机相电流峰值的有效削减，且能使输入电流满足谐波标准，并能避免弱磁不稳定现象。

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