基于pr調(diào)節(jié)的無電解電容變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及變頻驅(qū)動領域，尤其涉及基于PR調(diào)節(jié)的無電解電容變頻驅(qū)動控制系 統(tǒng)及控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著能源與環(huán)境問題變得越來越突出，單相交流輸入的變頻驅(qū)動方案因在節(jié)能方 面具有巨大優(yōu)勢，在空調(diào)、冰箱、洗衣機等家用電器中應用得越來越廣泛。因永磁同步電機 具有較高的效率，結(jié)構(gòu)簡單、過載能力大、轉(zhuǎn)動慣量小以及轉(zhuǎn)矩脈動小等特點，非常適用于 家用電器的驅(qū)動系統(tǒng)。
[0003] 在單相交流輸入的變頻驅(qū)動場合，由于輸入輸出瞬時功率的不平衡，不得不在母 線側(cè)廣泛采用大電解電容緩沖能量，平衡輸入側(cè)與輸出側(cè)瞬時功率實現(xiàn)功率解耦。然而大 電解電容存在以下缺點：1、電解電容容量隨溫度及頻率變化波動較大，尤其當電解電容在 高溫下使用時，電解液會揮發(fā)，造成電容量降低。2、當電容量降為初始值的60 %時，一般視 為電容壽命終止，對系統(tǒng)效率及穩(wěn)定可靠性造成嚴重影響。3、用于功率解耦的電解電容通 常體積較大，限制了電力變換器功率密度的提高。4、母線采用大電解電容，輸入側(cè)電流質(zhì)量 較差。為改善輸入側(cè)電流質(zhì)量，需要增加功率因數(shù)校正（PFC)電路，增加了系統(tǒng)的損耗和成 本。
[0004] 為消除電解電容，常用的方法為：1、直接用矩陣變換器替代傳統(tǒng)的整流、逆變的拓 撲結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)無需中間級的直流環(huán)節(jié)，具有功率雙向流動、功率因數(shù)可控的特點。但是， 矩陣變換器需大量單向開關器件來實現(xiàn)雙向開關效果，這將導致拓撲結(jié)構(gòu)復雜，控制實現(xiàn) 較難。此外，它不能應用到單相供電的電能變換系統(tǒng)中。2、在不控整流器和逆變器之間加 入Z-源逆變電路。加入Z-源逆變電路后，通過調(diào)節(jié)直通零矢量，升高不控整流后的電壓， 可以達到母線電壓紋波系數(shù)小、功率因數(shù)高的效果。但是實際直通零矢量調(diào)節(jié)范圍有限，難 以達到理想的效果。而且，該拓撲結(jié)構(gòu)復雜，額外的開關器件增加了能源消耗。
[0005] 此外，由于母線側(cè)不存在大容量電解電容，單相輸入無電解電容變換器母線側(cè)電 壓會以兩倍輸入電壓頻率大幅度波動。由于結(jié)構(gòu)特性的原因，無電解電容變換器系統(tǒng)的瞬 時輸出功率中也含有兩倍輸入電壓頻率諧波。因此，單相輸入的無電解電容變頻驅(qū)動系統(tǒng) 中的d軸電流和q軸電流存在兩倍輸入電壓頻率波動。傳統(tǒng)的比例積分電流控制器不能很 好跟蹤dq軸電流的兩倍輸入電壓頻率諧波，影響電流跟蹤性能。因此，針對該變換器需要 研究一種簡單有效的實現(xiàn)電流無差跟蹤的控制方法，不僅可以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)和網(wǎng) 側(cè)低含量電流諧波，而且可以優(yōu)化電機相電流波形，實現(xiàn)系統(tǒng)寬調(diào)速范圍運行，提高系統(tǒng)的 可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，針對母線無電解電容變頻驅(qū)動系統(tǒng)，提供一種通 過控制d軸電流和q軸電流實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)的變頻驅(qū)動控制方法。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：基于PR調(diào)節(jié)的無電解電容變頻驅(qū)動 控制方法，包括以下步驟：
[0008] S1、采集電機轉(zhuǎn)子的實時轉(zhuǎn)速和實時位置，采集網(wǎng)側(cè)相角和電機三相電源中任兩 相的實時電流；
[0009] S2、對所述實時電流進行Clark變換，得到a軸電流和軸電流，對所述Ct軸電 流和P軸電流進行Park變換，得到d軸實時電流和q軸實時電流；
[0010] S3、計算q軸給定電流和d軸給定電流；
[0011] S4、比較所述d軸實時電流和d軸給定電流，得到d軸誤差電流，比較所述q軸實 時電流和q軸給定電流，得到q軸誤差電流；
[0012] S5、對d軸誤差電流進行PR調(diào)節(jié)得到d軸給定電壓，對q軸誤差電流進行PR調(diào)節(jié) 得到q軸給定電壓；
[0013] S6、根據(jù)所述實時位置對所述d軸給定電壓和q軸給定電壓進行Park逆變換，得 到a軸給定電壓和0軸給定電壓；
[0014] S7、采集母線電壓，根據(jù)所述a軸給定電壓、P軸給定電壓和母線電壓對逆變器 進行脈寬調(diào)制，并通過所述逆變器控制電機。
[0015] 所述PR調(diào)節(jié)具體說是通過非理想PR控制器對d軸電流和q軸電流進行調(diào)節(jié)，對 應得到交流側(cè)d軸給定電壓和q軸給定電壓。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明所提出的控制方法是從其整體電路特性考慮，依據(jù) 建立的近似數(shù)學模型，提出了一種基于瞬時功率傳輸途徑的無電解電容的單相輸入變頻驅(qū) 動系統(tǒng)的比例諧振控制策略。該控制策略只需要一個電壓外環(huán)PI積分器和兩個電流內(nèi)環(huán) PR控制器實現(xiàn)閉環(huán)控制，即可在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下實現(xiàn)系統(tǒng)的瞬時功率控制和網(wǎng)側(cè)單 位功率因數(shù)調(diào)節(jié)。
[0017] 進一步，所述PR調(diào)節(jié)是通過非理想PR控制器對d軸電流和q軸電流進行調(diào)節(jié)，對 應得到交流側(cè)d軸給定電壓和q軸給定電壓：
[0019] 式中，和為無電解電容的單相輸入變頻驅(qū)動系統(tǒng)在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系 下的交流側(cè)dq軸電壓參考值；Kp、K1^分別為非理想PR控制器的比例項系數(shù)和諧振項系數(shù)， W。為諧振頻率，W。為截止頻率，且W。遠小于W。。
[0020] 采用上述進一步方案的有益效果是，電流內(nèi)環(huán)采用PR控制器后，提高了 dq電流跟 蹤性能，確保了網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)，優(yōu)化了電機相電流，提高了系統(tǒng)可靠性，控制簡單有效，適 合在家用電器領域應用。
[0021] 進一步，所述步驟S3中計算d軸給定電流和q軸給定電流的方法，包括如下步驟：
[0022] S31、比對電機實時轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)速誤差，對所述轉(zhuǎn)速誤差進行PI調(diào)節(jié) 得到電流矢量幅值的給定；
[0023] S32、通過檢測網(wǎng)側(cè)電壓得到網(wǎng)側(cè)相角，并根據(jù)所述網(wǎng)側(cè)相角、上一周期的d軸給 定電流和電流矢量幅值的給定計算得出q軸給定電流；
[0024] S33、根據(jù)d軸給定電壓、q軸給定電壓、q軸給定電流以及電流矢量幅值的給定計 算得出d軸給定電流。
[0025] 采用上述進一步方案的有益效果是，通過控制d軸電流和q軸電流，來控制逆變器 的輸出功率，進而控制網(wǎng)側(cè)電流波形，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)。
[0026] 進一步，所述步驟S32中計算q軸給定電流的計算方法如下：
[0027] 假定網(wǎng)側(cè)為單位功率因數(shù)，網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流均為正弦波，則網(wǎng)側(cè)輸入功率以2 倍輸入頻率波動，如式（1)，
[0028] pg= P gp sin2 0 g (I)
[0029] 其中，pg為網(wǎng)側(cè)功率瞬時值，P gp為網(wǎng)側(cè)輸入功率峰值，0 g為網(wǎng)側(cè)相角，
[0030] Plvt^ Pg (2)
[0031 ] 其中，Plvt為逆變器輸出功率；
[0032] 永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下的電壓方程為：
[0033]
[0034] 逆變器輸出功率Plvt由電機的電流矢量與電壓矢量的內(nèi)積決定，為：
[0035]
[0036] 其中，Plciss為電機電阻功率、p ldet為電感功率，p "為電機軸上輸出的機械功率，忽略 電機電阻功率Plciss及電感功率P ldrt，則
[0037]
[0038] 將式⑴與式（5)代入式（2)，得到q軸給定電流為：
[0040]
, '為電機電角速度，Pgp為網(wǎng)側(cè)輸入功率峰 值，為轉(zhuǎn)速PI模塊的輸出，9 g為網(wǎng)側(cè)相角；
，Ld為d軸電感，L q為q軸
電感，於/為永磁磁鏈，id為d軸實時電流， 在〇 = 〇處進行傅立葉展開，忽略高階項 后，q軸給定電流為：
[0042] 其中，iq。為忽略d軸電流對逆變器輸出功率影響時的q軸電流。
[0043]采用上述進一步方案的有益效果是，因母線沒有大電解電容，只有容量為幾微法 至幾十微法的小薄膜電容，母線功率可忽略不計，逆變器輸出功率Plvt近似等于網(wǎng)側(cè)輸入功 率Pg。電機高速運行時，電機電阻功率P lciss及電感功率P ^可以忽略，逆變器輸出功率P lvt 近似等于電機軸上輸出機械功率Pni,有效計算出了 q軸電流給定以2倍輸入頻率波動，簡化 了 q軸電流給定的計算。
[0044]進一步，所述步驟S33包括如下步驟：
[0045] S331、根據(jù)所述d軸給定電壓和q軸給定電壓計算得出給定電壓矢量幅值；
[0046] S332、設定母線最低電壓的上限電壓，用該上限電壓減去所述給定電壓矢量幅值， 得到誤差電壓，當該誤差電壓大于零時，對其進行PI調(diào)節(jié)，得出電流矢量幅值增量的給定；
[0047] S333、用所述電流矢量幅值增量的給定加上所述電流矢量幅值的給定，對其疊加 后的值進行限幅