无电解电容空调永磁压缩机驱动系统控制策略研究

作     者：李海春 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：博士

导师姓名：尹泉

授予年度：2022年

学科分类：080705[工学-制冷及低温工程] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：空调永磁压缩机 无电解电容 高功率因数 谐振抑制 无位置传感器 

摘      要：近年来,电解电容寿命问题已成为家用变频空调永磁压缩机驱动系统发生故障的重要因素之一,发展“无电解电容驱动系统关键技术,用小容量薄膜电容取代电解电容,能有效延长电容使用寿命并提高驱动系统可靠性。但是,使用小容量薄膜电容,不仅引起母线电压周期变化,导致传统功率因数控制方法失效;而且还会引起驱动系统网侧发生电感电容谐振、电机速度周期波动等现象,难以实现无位置传感控制,并影响系统稳定性。针对上述问题,本文主要研究内容如下:针对母线电容减小,传统功率因数控制失效的问题,提出基于转矩闭环的无电解电容驱动系统高功率因数控制方法。首先分析了功率因数与母线电容容值、电压最小值之间的对应关系,并在研究逆变器转矩特性的基础上,建立逆变器-电机转矩线性模型。通过设计转矩控制回路、转矩调节器及整定控制参数,控制q轴电流以产生正弦变化的电机转矩;提出平均电压约束策略的电机弱磁控制方法,产生d轴电流。通过控制d、q轴电流产生正弦变化的电网电流,实现驱动系统网侧的高功率因数控制。针对转矩闭环控制带宽对功率因数的影响,采用电压矢量修正策略实现对电机转矩的前馈控制,提高转矩控制的响应速度,进一步改善系统网侧功率因数。针对网侧电感电容谐振,系统不稳定的问题,提出基于阻尼电流修正的电压反馈电感电容谐振抑制方法。首先研究了无电解电容驱动系统网侧谐振产生机理,通过分析阻尼控制方式的稳定性,得出电流比例反馈和电压比例反馈两种有源阻尼控制均能满足谐振抑制要求。通过对比电流重构和电流采样两种电流比例反馈阻尼控制方式,揭示了电压比例反馈存在电流过零点不平滑问题。在此基础上,提出阻尼电流修正方法,根据逆变器电流方向,修正阻尼电流极性,控制电网电流使其过零点平滑,改善系统功率因数;同时采用阻尼电流过采样方法,提高阻尼控制精度。针对母线电压周期变化对电机速度、位置估计的影响,提出了一种基于迭代滑模观测器(Iterative Sliding-Mode Observer,ISMO)的无传感控制方法。首先分析了无电解电容驱动系统电机转子角度、速度辨识误差特点,研究并建立基于永磁同步电机扩展反电动势的全阶滑模观测器模型;在此基础上,针对反电势和位置估计延时问题,采用所提出的ISMO观测器,提高滑模观测器控制带宽,减小位置估计的跟踪误差。为解决速度估计相位滞后和幅值衰减的问题,采用基于比例积分谐振调节器的数字锁相环,提高速度辨识的跟踪性能,进一步改善位置估计精度。最后,以无电解电容空调永磁压缩机为典型应用对象,搭建基于TMS320F28075的实验平台,将上述三种控制方法综合到所设计的平台中进行整机验证。实验结果表明,驱动系统在高能效范围内,能够平滑地调整速度,功率因数高达0.987,网侧电流满足IEC61000-3-2谐波标准,验证了所提出控制方法的有效性。