高功率因數(shù)無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)電流控制策略

張國柱　徐殿國　朱良紅　王高林　霍軍亞

摘 要：因成本與使用壽命上的優(yōu)勢，無電解電容電機驅(qū)動技術(shù)正逐步得到應(yīng)用。然而，由于仍存在相電流幅值過大與弱磁控制不穩(wěn)定的問題，直接影響了該技術(shù)的推廣。為此，提出一種單相輸入高功率因數(shù)無電解電容電機驅(qū)動的電流控制策略。通過調(diào)整交軸電流指令的軌跡，使驅(qū)動器輸入側(cè)具有高功率因數(shù)，且電機相電流峰值比以往方法有明顯削減；對弱磁失控現(xiàn)象，提出基于交軸電壓修正的弱磁控制方法。在變頻空調(diào)壓縮機控制系統(tǒng)上的實驗驗證了該電流控制策略的有效性。實驗結(jié)果表明，該控制策略能在輸入電流滿足IEC諧波標(biāo)準(zhǔn)的前提下，使電機相電流峰值降低，并確保弱磁控制環(huán)路的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電機控制；高功率因數(shù)；無電解電容驅(qū)動；電流控制策略

中圖分類號：TM 351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）01-0100-07

0 引 言

為實現(xiàn)永磁同步電機的矢量控制，并使輸入側(cè)具有高功率因數(shù)且滿足電流諧波標(biāo)準(zhǔn)[1]，電機驅(qū)動器常采用交流-直流-交流的變換方式。其中，交流-直流變換部分具有功率因數(shù)校正（PFC）電路，以提高輸入側(cè)功率因數(shù)并減小輸入電流諧波；直流-交流變換部分通過逆變電路驅(qū)動電機運行。由于中間環(huán)節(jié)較多，因而成本較高，可靠性下降，且直流母線上電解電容的壽命限制了其使用年限。

為降低驅(qū)動電路的成本，提高可靠性并延長使用壽命，文獻(xiàn)[2]提出了單相輸入無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了從交流到交流的直接變換，減少了電路的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[2]還提供了一種基于直接轉(zhuǎn)矩控制的輸入電流正弦化控制方法。然而，由于未考慮電機瞬時功率與輸入電流的匹配關(guān)系，因此難以得到期望的輸入電流波形。文獻(xiàn)[3]對輸入電流與電機瞬時功率的匹配關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析，增加功率控制環(huán)路以調(diào)節(jié)電機的瞬時功率，并利用重復(fù)控制提升功率控制環(huán)路的動態(tài)性能，改善了輸入電流的功率因數(shù)。文獻(xiàn)[4]利用比例諧振控制器調(diào)節(jié)無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)的功率控制環(huán)路。重復(fù)控制只對與電網(wǎng)頻率成倍數(shù)的功率參考指令有效，比例諧振控制器對擾動抑制的有效范圍只在電網(wǎng)頻率附近，而單轉(zhuǎn)子壓縮機運行過程中存在明顯的轉(zhuǎn)速波動，瞬時功率指令存在多種頻率成分，因此文獻(xiàn)[3-4]中的方法并不適用。文獻(xiàn)[5]提出一種基于電壓補償?shù)乃矔r功率控制方法，可顯著降低輸入電流的諧波成分；然而該方法施加的補償電壓將使電機電流偏離參考值，在惡劣工況下難以確保電機相電流值在允許范圍以內(nèi)。文獻(xiàn)[3-5]的方法均加入了功率控制環(huán)路，不僅增加了控制器實現(xiàn)的難度，而且可能引起調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定。

針對上述關(guān)鍵問題，本文提出一種無需功率控制環(huán)路的無電解電容壓縮機控制方法。該方法通過合理調(diào)節(jié)dq軸電流指令，使輸入電流波形滿足諧波要求。由于不需要增加額外的功率控制環(huán)路，因此可保證調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且便于工程實現(xiàn)。此外，該方法的電流指令具有確定的形式，只要限制其幅值，便能有效防止因電流指令過大而引起的過電流故障。

1 模型建立與問題描述

常規(guī)的交流-直流-交流轉(zhuǎn)換電機驅(qū)動器具有如圖1（a）所示的電路拓?fù)洹?/p>

3.2 d軸電流控制策略驗證

為驗證d軸電流控制策略的有效性，進(jìn)行兩種方法的對比測試。首先采用常規(guī)的弱磁控制方法，即令id0=-Kis[v1-vmax]，并使壓縮機從70 Hz加速到85 Hz；在T2時刻，目標(biāo)轉(zhuǎn)速達(dá)到85 Hz，并在后續(xù)運行過程保持該轉(zhuǎn)速；在T3時刻，d軸電流控制策略切換為式（17）。為避免壓縮機退磁，把退磁限制電流idemag設(shè)置為-13.5 A。圖12給出該對比實驗的電流波形。可見，采用常規(guī)的弱磁控制可能導(dǎo)致電流達(dá)到退磁限制值，弱磁環(huán)路出現(xiàn)了失控狀態(tài)。而在T3時刻以后，由于切換至基于vq修正的弱磁控制，因而弱磁環(huán)路退出不可控的狀態(tài)，最終收斂到-9 A附近。通過此對比實驗可見，本文提出的d軸電流控制策略能有效避免無電解電容驅(qū)動在深入弱磁狀態(tài)下的失控現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文提出了一種無需功率控制環(huán)路的無電解電容壓縮機控制方法。通過合理地調(diào)節(jié)dq軸電流指令，實現(xiàn)電機的調(diào)速控制，且輸入電流波形滿足諧波要求。由于不需要增加額外的控制環(huán)路，因此可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且便于實現(xiàn)。通過調(diào)整q軸電流指令的形狀，使電機的相電流峰值比以往方法有明顯削減。針對無電解電容驅(qū)動深度弱磁下環(huán)路可能出現(xiàn)的失控現(xiàn)象，提出了一種基于vq修正的弱磁控制方法。通過在變頻空調(diào)上的實驗表明，該方法不但能實現(xiàn)電機相電流峰值的有效削減，且能使輸入電流滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)，并能避免弱磁不穩(wěn)定現(xiàn)象。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：張 楠）