高功率因數(shù)無(wú)電解電容電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電流控制策略

張國(guó)柱　徐殿國(guó)　朱良紅　王高林　霍軍亞

摘 要：因成本與使用壽命上的優(yōu)勢(shì)，無(wú)電解電容電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)正逐步得到應(yīng)用。然而，由于仍存在相電流幅值過(guò)大與弱磁控制不穩(wěn)定的問(wèn)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(wú)電解電容電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流控制策略。通過(guò)調(diào)整交軸電流指令的軌跡，使驅(qū)動(dòng)器輸入側(cè)具有高功率因數(shù)，且電機(jī)相電流峰值比以往方法有明顯削減；對(duì)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(jī)控制系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電流控制策略的有效性。實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)控制；高功率因數(shù)；無(wú)電解電容驅(qū)動(dòng)；電流控制策略

中圖分類號(hào)：TM 351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）01-0100-07

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)逆變電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(dòng)電路的成本，提高可靠性并延長(zhǎng)使用壽命，文獻(xiàn)[2]提出了單相輸入無(wú)電解電容驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，實(shí)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(jī)瞬時(shí)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(duì)輸入電流與電機(jī)瞬時(shí)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(jī)的瞬時(shí)功率，并利用重復(fù)控制提升功率控制環(huán)路的動(dòng)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(wú)電解電容驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率控制環(huán)路。重復(fù)控制只對(duì)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(duì)擾動(dòng)抑制的有效范圍只在電網(wǎng)頻率附近，而單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在明顯的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，瞬時(shí)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(bǔ)償?shù)乃矔r(shí)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(bǔ)償電壓將使電機(jī)電流偏離參考值，在惡劣工況下難以確保電機(jī)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(shí)現(xiàn)的難度，而且可能引起調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定。

針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，本文提出一種無(wú)需功率控制環(huán)路的無(wú)電解電容壓縮機(jī)控制方法。該方法通過(guò)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(shí)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(guò)大而引起的過(guò)電流故障。

1 模型建立與問(wèn)題描述

常規(guī)的交流-直流-交流轉(zhuǎn)換電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yàn)證

為驗(yàn)證d軸電流控制策略的有效性，進(jìn)行兩種方法的對(duì)比測(cè)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(jī)從70 Hz加速到85 Hz；在T2時(shí)刻，目標(biāo)轉(zhuǎn)速達(dá)到85 Hz，并在后續(xù)運(yùn)行過(guò)程保持該轉(zhuǎn)速；在T3時(shí)刻，d軸電流控制策略切換為式（17）。為避免壓縮機(jī)退磁，把退磁限制電流idemag設(shè)置為-13.5 A。圖12給出該對(duì)比實(shí)驗(yàn)的電流波形。可見(jiàn)，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(shí)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(guò)此對(duì)比實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，本文提出的d軸電流控制策略能有效避免無(wú)電解電容驅(qū)動(dòng)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(wú)需功率控制環(huán)路的無(wú)電解電容壓縮機(jī)控制方法。通過(guò)合理地調(diào)節(jié)dq軸電流指令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)整q軸電流指令的形狀，使電機(jī)的相電流峰值比以往方法有明顯削減。針對(duì)無(wú)電解電容驅(qū)動(dòng)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(guò)在變頻空調(diào)上的實(shí)驗(yàn)表明，該方法不但能實(shí)現(xiàn)電機(jī)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)：

[1] Standard I E C. 61000-3-2： 2004， Limits for harmonic current emissions[J]. International Electromechanical Commission. Geneva， 2004.

[2] TAKAHASHI I， HAGA H. Inverter control method of IPM motor to improve power factor of diode rectifier[C]//Power Conversion Conference， 2002. PCCOsaka 2002. Proceedings of the. IEEE， 2002， 1： 142-147.

[3] INAZUMA K， UTSUGI H， OHISHI K，et al. Highpowerfactor singlephase diode rectifier driven by repetitively controlled IPM motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（10）： 4427.

[4] WANG G， ZHAO N， QI J， et al. High power factor control of IPMSM drive system without electrolytic capacitor[C]//International Power Electronics and Motion Control Conference， 2016： 379-383.

[5] SON Y， HA J I. Direct power control of a threephase inverter for grid input current shaping of a singlephase diode rectifier with a small DClink capacitor[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30（7）： 3794.

[6] JUNG H S， CHEE S J， SUL S K， et al. Control of threephase inverter for AC motor drive with small DClink capacitor fed by singlephase AC source[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2014， 50（2）： 1074.

[7] LAMSAHEL H， MuUTSCHLER P. Permanent magnet drives with reduced dclink capacitor for home appliances[C]//Industrial Electronics， 2009. IECON'09. 35th Annual Conference of IEEE. IEEE， 2009： 725-730.

[8] 王高林， 楊榮峰， 于泳， 等. 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)方法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2010， 14（6）： 56.

WANG Gaolin， YANG Rongfeng， YU Yong，et al.Initial rotor position estimation for interior permanent magnet synchronous motor[J].Electric Machines and Control， 2010， 14（6）：56.

[9] 李旭春， 王倩， 馬少康. 帶離線參數(shù)辨識(shí)的降階觀測(cè)器PMSM無(wú)位置傳感器控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2017， 21（1）：1.

LI Xuchun， WANG Qian ， MA Shaokang. Reduced order observer based PMSM sensorless control algorithm with parameters identification at standstillis[J]， Electric Machines and Control， 2017， 21（1）：1.

[10] BOLDEA I， PAICU M C， ANDREESCU G D. Active flux concept for motionsensorless unified AC drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2008， 23（5）：2612.

（編輯：張 楠）