一种无电解电容控制系统、控制方法、压缩机和制冷设备技术方案

本发明专利技术提供一种无电解电容控制系统、控制方法、压缩机和制冷设备，涉及变频驱动技术领域，其采用一种三环闭环反馈控制结构，实现了无电解电容变频驱动控制系统的电源输入功率、逆变器功率与负载电机功率保持一致。应用本发明专利技术，可以将控制系统的电网功率因数提升约35.9％，以及将直流侧母线电压从周期性的脉动电压信号改善为相对稳定的直流电压信号，同时一定程度抑制直流侧母线电压脉动引起的转矩波动现象。

【技术实现步骤摘要】
一种无电解电容控制系统、控制方法、压缩机和制冷设备
本专利技术涉及变频驱动
，尤其涉及一种无电解电容控制系统、控制方法、压缩机和制冷设备。
技术介绍
永磁同步电机具有结构简单、性能可靠、功率密度高等优点，其常被应用于空调、冰箱等制冷设备的压缩机中。永磁同步电机的矢量控制系统的直流侧母线端并联一个高电容值、高耐压值的母线电容器，其具有稳定直流侧母线电压，减少电压纹波的作用,能够为负载电机提供稳定的直流侧母线电压。一般该母线电容选用电解电容作，但是电解电容体积较大、价格较高、且在温差较大的工作环境下容易损坏。因此，为改善控制系统的性能，降低控制器生产成本，可以将大电容值的电解电容替换为电容值较小的薄膜电容，替换后的母线电容寿命有所提升，节约了控制系统的整体成本。但是，当母线电容由电解电容替换为薄膜电容之后，母线电容的电容值减小，储存电能量的能力降低，会导致直流侧母线电压产生大幅度的脉动现象，直流母线电压的脉动作用会使电机转矩产生二倍电网频率的波动，导致电机的转速不能保持稳定；且电网侧输入电流谐波含量增加，畸变程度增大，控制系统的电网功率因数将会降低。现有技术中，常使用功率因数校正电路(PFC电路)来解决控制系统直流侧母线电压不稳定的问题。PFC电路可以根据所需的电流参数来产生相应的正弦电流信号以稳定直流侧母线电压，但PFC电路需要额外在电路中加入储能元件，使电路中的电流产生相位延迟现象，导致电路功率因数降低；同时，PFC电路中的全控型开关元件也会额外增加电路的功率损耗，对于运行功率较低的冰箱控制系统，应用PFC电路提升的系统有功功率不明显高于额外增加的系统功率，因此在冰箱控制系统上应用PFC电路的改善效果不明显。基于上述原因，需要设计一种针对薄膜型母线电容的电机控制系统进行优化与改进的控制方法，其能在保证控制系统正确运行、不额外增加电路元件与电路功率损耗的前提下，抑制直流侧母线电压脉动导致的转矩、转速脉动现象，提高控制系统的电网功率因数，驱动电机稳定运行。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术提供一种用于无电解电容变频驱动单元的控制系统及其方法，能够通过对控制系统和控制方法的设计，实现提高控制系统的功率因数，和/或提高驱动电机运行的稳定性的技术效果。本专利技术为实现上述的目标，采用的技术方案是：一种用于无电解电容变频驱动单元的控制系统，其中，所述无电解电容变频驱动单元包括依次连接的：网侧输入电源电路、整流电路、薄膜电容电路、和逆变器，以及被逆变器驱动的永磁同步电机；其中，所述薄膜电容电路中的薄膜电容作为母线电容，所述薄膜电容上的电压Udc为直流侧母线电压，C为母线电容的电容值；所述控制系统包括依次连接的：转速控制单元、功率控制单元、电流控制单元、和Park逆变换模块以及空间矢量脉宽调制模块，并且，所述空间矢量脉宽调制模块用于控制所述逆变器；其中，所述转速控制单元，用于：基于反馈控制，向所述功率控制单元输出逆变器给定输出功率Pinv*；所述功率控制单元，用于：基于反馈控制，向所述电流控制单元输出旋转直角坐标系下电机的d轴给定电流Id*和q轴给定电流Iq*；所述电流控制单元，用于：基于反馈控制，向所述Park逆变换模块输出旋转直角坐标系下电机的d轴给定电压Ud*和q轴给定电压Uq*；所述Park逆变换模块，用于向空间矢量脉宽调制模块输出静止直角坐标系下电机的α轴给定电压Uα*和β轴给定电压Uβ*；所述空间矢量脉宽调制模块，用于根据所述直流侧母线电压Udc、α轴给定电压Uα*和β轴给定电压Uβ*，控制所述逆变器驱动所述永磁同步电机；并且，所述转速控制单元，包括转速误差模块、转速PI模块、给定输入功率计算模块，其中，所述转速误差模块，用于根据永磁同步电机的转子给定角频率ω*、永磁同步电机的转子实时角频率ωr求得转速误差；所述转速PI模块，用于对转速误差进行PI调节得到电机给定输入功率瞬时值P*；所述给定输入功率计算模块至少利用如下公式计算得到逆变器给定输出功率Pinv*并输出至所述功率控制单元以实现功率反馈控制：其中，Pin*为网侧电源给定输入功率信号，PC为母线电容功率，ω为网侧电源输入电压的角频率，θg为网侧电源输入电压的相位角。优选的，所述转速控制单元还包括转速脉动功率计算模块，并且，所述转速脉动功率计算模块，用于通过比例谐振控制器产生转速脉动补偿信号用以抑制电机转子产生的转速波动现象，其中，谐振频率为直流侧母线电压Udc的波动频率；所述给定输入功率计算模块至少利用如下公式计算得到逆变器给定输出功率Pinv*并输出至所述功率控制单元：其中，PL为转速波动补偿功率，ωr*为比例谐振控制器输出的转速脉动补偿信号，TL为电机实时负载转矩。优选的，当不需要进行相位补偿时，Pin*＝P*。优选的，所述给定功率计算模块包括：相位跟踪-信号发生器模块，用于根据网侧电源电路中的网侧电压Uin、网侧电流Iin,获得网侧电源输入端功率信号的频率与相位；并用于根据所述电源输入端功率信号的频率与相位，产生与网侧电源输入端功率信号频率与相位相同的正弦波信号，从而通过如下公式计算Pin*：优选的，所述相位跟踪-信号发生器模块包括：电流电压检测模块、基于锁相环功能的相位补偿器及信号发生器；其中，电流电压检测模块，用于检测所述电源输入端电压与电流的幅值、频率与相位并输入信号发生器；信号发生器，用于根据其包括的乘法器将输入端电压信号与输入端电流信号相乘，获得电源输入端功率信号的幅值、频率与相位；相位补偿器，用于根据获得的电源输入端功率信号的频率与相位，产生与电源输入端功率信号频率与相位相同的正弦波信号。优选的，所述转速脉动功率计算模块包括：比例谐振控制模块与补偿功率信号计算模块，其中，比例谐振控制模块，用于设置谐振频率，以及用于，根据所述谐振频率、截止频率输出转速脉动补偿信号ωr；补偿功率信号计算模块，用于根据所述转速脉动补偿信号ωr和电机实时负载转矩TL，计算转速波动补偿功率PL。优选的，所述功率控制单元的反馈控制，建立在所述逆变器给定输出功率Pinv*与电机实时运行的负载功率Pload的误差之上，其中，其中，id、iq分别为d轴、q轴实时电流；并且，所述电流控制单元根据功率误差ΔPinv进行PI调节，获得电机的给定q轴电流iq*；同时，使用id＝0控制方式获得电机的给定d轴电流id*。优选的，所述电流控制单元的反馈控制，建立在：所述电机的给定d轴电流id*与d轴实时电流id的作差计算所得的d轴电流误差ΔId之上，以及所述电机的给定q轴电流iq*与q轴实时电流iq的作差计算所得的q轴电流误差ΔIq之上；并且，所述电流控制单元根据d轴电流误差ΔId、q轴电流误差ΔIq分别进行P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于无电解电容变频驱动单元的控制系统，其特征在于：其中，/n所述无电解电容变频驱动单元包括依次连接的：网侧输入电源电路、整流电路、薄膜电容电路、和逆变器，以及被逆变器驱动的永磁同步电机；其中，所述薄膜电容电路中的薄膜电容作为母线电容，所述薄膜电容上的电压U

【技术特征摘要】
1.一种用于无电解电容变频驱动单元的控制系统，其特征在于：其中，
所述无电解电容变频驱动单元包括依次连接的：网侧输入电源电路、整流电路、薄膜电容电路、和逆变器，以及被逆变器驱动的永磁同步电机；其中，所述薄膜电容电路中的薄膜电容作为母线电容，所述薄膜电容上的电压Udc为直流侧母线电压，C为母线电容的电容值；
所述控制系统包括依次连接的：转速控制单元、功率控制单元、电流控制单元、和Park逆变换模块以及空间矢量脉宽调制模块，并且，所述空间矢量脉宽调制模块用于控制所述逆变器；其中，
所述转速控制单元，用于：基于反馈控制，向所述功率控制单元输出逆变器给定输出功率Pinv*；
所述功率控制单元，用于：基于反馈控制，向所述电流控制单元输出旋转直角坐标系下电机的d轴给定电流Id*和q轴给定电流Iq*；
所述电流控制单元，用于：基于反馈控制，向所述Park逆变换模块输出旋转直角坐标系下电机的d轴给定电压Ud*和q轴给定电压Uq*；
所述Park逆变换模块，用于向空间矢量脉宽调制模块输出静止直角坐标系下电机的α轴给定电压Uα*和β轴给定电压Uβ*；
所述空间矢量脉宽调制模块，用于根据所述直流侧母线电压Udc、α轴给定电压Uα*和β轴给定电压Uβ*，控制所述逆变器驱动所述永磁同步电机；
并且，
所述转速控制单元，包括转速误差模块、转速PI模块、给定输入功率计算模块，其中，
所述转速误差模块，用于根据永磁同步电机的转子给定角频率ω*、永磁同步电机的转子实时角频率ωr求得转速误差；
所述转速PI模块，用于对转速误差进行PI调节得到电机给定输入功率瞬时值P*；
所述给定输入功率计算模块至少利用如下公式计算得到逆变器给定输出功率Pinv*并输出至所述功率控制单元以实现功率反馈控制：









其中，Pin*为网侧电源给定输入功率信号，PC为母线电容功率，ω为网侧电源输入电压的角频率，θg为网侧电源输入电压的相位角。


2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于：其中，
所述转速控制单元还包括转速脉动功率计算模块组成，并且，
所述转速脉动功率计算模块，用于通过比例谐振控制器产生转速脉动补偿信号用以抑制电机转子产生的转速波动现象，其中，谐振频率为直流侧母线电压Udc的波动频率；
所述给定输入功率计算模块至少利用如下公式计算得到逆变器给定输出功率Pinv*并输出至所述功率控制单元：






其中，PL为转速波动补偿功率，ωr*为比例谐振控制器输出的转速脉动补偿信号，TL为电机实时负载转矩。


3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于：其中，
当不需要进行相位补偿时，Pin*＝P*。


4.如权利要求1至3任一所述的控制系统，其特征在于：其中，
所述给定功率计算模块包括：相位跟踪-信号发生器模块，用于根据网侧电源电路中的网侧电压Uin、网侧电流Iin,获得网侧电源输入端功率信号的频率与相位；
并用于根据所述电源输入端功率信号的频率与相位，产生与网侧电源输入端功率信号频率与相位相同的正弦波信号，从而通过如下公式计算Pin*：





5.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于：其中，
所述相位跟踪-信号发生器模块包括：电流电压检测模块、基于锁相环功能的相位补偿器及信号发生器；其中，
电流电压检测模块，用于检测所述电源输入端电压与电流的幅值、频率与相位并输入信号发生器；
信号发生器，用于根据其包括的乘法器将输入端电压信号与输入端电流信号相乘，获得电源输入端功率信号的幅值、频率与相位；
相位补偿器，用于根据获得的电源输入端功率信号的频率与相位，产生与电源输入端功率信号频率与相位相同的正弦波信号。


6.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩一博，魏会军，徐常升，张东盛，
申请(专利权)人：珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44