空调永磁压缩机无电解电容驱动控制技术研究

发布时间：2020-10-23 13:57

　　 随着现代电机驱动技术的不断发展,运行寿命和成本已成为交流电机驱动系统的重点关注问题。铝电解电容以其大容量、高性价比的特征被广泛应用于空调压缩机驱动器中,然而由于其工作寿命受环境温度影响较显著,已成为影响驱动系统运行寿命的主要薄弱环节之一。采用小容值薄膜电容替代大容值铝电解电容的无电解电容驱动系统,能够显著提升系统运行寿命。本论文将对空调永磁压缩机无电解电容驱动控制系统的基础运行理论和应用瓶颈问题展开研究,并提出有效的解决方法,以推动无电解电容驱动技术的实际应用。为了改善空调永磁压缩机驱动系统的网侧电能质量,在分析驱动系统网侧输入和逆变器侧输出功率特性基础上,通过对逆变器功率和母线电压进行闭环控制以实现网侧高功率因数。由于无电解电容驱动系统母线电容容值显著降低,导致网侧输入与逆变器侧输出功率具有强耦合关系。研究一种逆变器功率闭环控制方法,采用具有高增益特性的比例谐振控制器以增强功率闭环控制效果,并给出相应的参数设计方法。在此基础上,采用母线电压闭环控制方法,优化电机电压信号指令生成方式,进一步提升逆变器功率的控制效果,以满足空调应用场合的高功率因数要求。针对驱动系统网侧电感电容谐振问题,通过提取谐振信息,建立反馈控制环路以增加系统阻尼,实现对谐振的抑制。在频域内对驱动系统进行建模,分析采用不同控制律的信号反馈处理方式,综合考虑谐振抑制效果、算法实现复杂程度以及对参数变化的鲁棒性等因素,采用基于母线电压比例形式反馈的谐振抑制方法。另外,提出一种采用虚拟电阻串联于网侧电感的控制方法,即基于电感电流反馈的谐振抑制方法,从理论上证明基于电感电流的反馈方式可通过等效的母线电压反馈方式来实现。实验结果表明所提出的谐振抑制方法可以有效抑制网侧电流谐波,以满足IEC-61000-3-2谐波标准。通过将逆变器侧电机等效为恒功率负载的传统模型难以分析电机参数对系统稳定性的影响,本文研究基于阻抗模型的稳定性控制方法。建立包含电机参数、控制方式和控制器参数的逆变器侧电机阻抗模型以及包含网侧电感和母线电容的网侧输入阻抗模型,从阻抗角度揭示驱动系统稳定性和网侧电流谐波特性的内在机理。将驱动系统等效为网侧输入环节和逆变器侧电机环节的级联,通过级联系统稳定性判据分析驱动系统稳定运行条件。在此基础上,提出一种基于阻抗模型的稳定性控制方法,提高空调永磁压缩机无电解电容驱动系统运行稳定性。由于无电解电容驱动系统网侧输入和逆变器侧输出的能量耦合特性,系统在特定运行频率处会产生拍频现象,研究通过消除与波动负载转矩同频率的谐波成分,抑制拍频现象导致的驱动系统低频振荡问题。拍频现象会导致系统损耗增加、电压和电流应力增大,并产生额外噪音,严重时甚至与机械系统发生共振而影响驱动系统正常运行。通过分析母线电压波动和负载转矩对驱动系统的影响,揭示拍频现象产生机理,并进一步分析拍频现象导致网侧电流和电机电流的低频振荡特性。在此基础上,提出一种拍频现象抑制方法,通过消除与负载转矩同频率的波动信号成分,从而避免因驱动系统网侧输入和逆变器侧输出能量耦合导致的不同频率信号交互作用。实验表明,所提出的控制方法可以有效抑制驱动系统拍频现象。在上述研究基础上,研制出了适用于空调压缩机应用场合的无电解电容驱动器样机,并实现了所研究的控制算法,实验结果验证了所研究无电解电容驱动控制方法的有效性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB657.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究目的和意义
    1.2 课题的国内外研究现状
        1.2.1 网侧高功率因数控制方法
        1.2.2 网侧电流谐波抑制方法
        1.2.3 驱动系统稳定性控制方法
        1.2.4 驱动系统拍频抑制技术
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 无电解电容驱动系统网侧高功率因数控制方法
    2.1 引言
    2.2 驱动系统输入和输出功率特性分析
        2.2.1 无电解电容驱动系统拓扑结构
        2.2.2 驱动系统功率特性分析
    2.3 网侧高功率因数控制方法
        2.3.1 逆变器功率控制环路构建
        2.3.2 比例谐振功率控制器设计
        2.3.3 基于母线电压控制的功率补偿策略
    2.4 实验结果及分析
    2.5 本章小结
第3章 无电解电容驱动系统网侧电感电容谐振抑制方法
    3.1 引言
    3.2 网侧LC谐振现象分析
    3.3 基于母线电压反馈的谐振抑制策略
        3.3.1 母线电压反馈控制律及其特性分析
        3.3.2 阻尼控制实现方式
    3.4 基于电感电流反馈的谐振抑制策略
        3.4.1 虚拟电阻控制方式及稳定性分析
        3.4.2 电感电流反馈控制机制
    3.5 仿真和实验结果
        3.5.1 母线电压反馈谐振抑制方法仿真结果
        3.5.2 母线电压反馈谐振抑制方法实验结果
        3.5.3 电感电流反馈谐振抑制方法实验结果
    3.6 本章小结
第4章 基于阻抗模型的驱动系统稳定性分析及控制方法
    4.1 引言
    4.2 驱动系统阻抗特性建模及分析
    4.3 驱动系统稳定性控制方法
        4.3.1 网侧电流直接反馈控制方法
        4.3.2 驱动系统稳定性分析
        4.3.3 网侧输入阻抗特性分析
    4.4 驱动系统稳定性实验结果及分析
        4.4.1 驱动系统稳定性控制实验结果
        4.4.2 驱动系统运行性能实验结果
    4.5 本章小结
第5章 无电解电容驱动系统拍频现象机理分析及抑制策略
    5.1 引言
    5.2 驱动系统拍频现象分析
        5.2.1 母线电压波动引起拍频现象分析
        5.2.2 母线电压与电机波动性负载引起拍频现象分析
    5.3 驱动系统拍频现象抑制策略
        5.3.1 拍频现象对驱动系统性能影响分析
        5.3.2 网侧电流拍频抑制策略
        5.3.3 机侧电流拍频抑制策略
    5.4 实验结果及分析
    5.5 本章小结
第6章 永磁压缩机无电解电容驱动控制系统设计及实验验证
    6.1 引言
    6.2 永磁压缩机无电解电容驱动控制系统设计
        6.2.1 无电解电容驱动系统硬件实验平台
        6.2.2 驱动系统母线电容和网侧电感参数分析
        6.2.3 无电解电容驱动系统软件结构设计
    6.3 永磁压缩机无电解电容驱动控制系统实验结果及分析
        6.3.1 驱动系统启动过程实验结果
        6.3.2 驱动系统调速运行实验结果
        6.3.3 对比测试日本大金空调产品实验结果
    6.4 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历

【参考文献】

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本文编号：2853128