无电解电容永磁压缩机驱动系统稳定运行控制策略

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内置式永磁同步电机由于功率密度高、控制方便、运行效果好等优点,广泛应用于压缩机驱动系统。传统的永磁压缩机驱动系统使用大容值的铝电解电容和功率因数校正(PFC)电路,以抑制母线电压波动和提高功率因数。但由于压缩机处于室外,母线电容受温度影响严重,已经成为降低驱动系统寿命的主要因素,同时PFC电路也增加了系统的体积和成本。近年来,为了提升系统的寿命和提升功率密度,薄膜电容由于受温度影响较小且可靠性高,逐渐被用作驱动系统的母线电容,同时由于整流桥的导通角增加,可以取消PFC电路,降低了系统的体积和成本。但是由于电容储能减小,母线电压以电源电压频率二倍为基频脉动,也为网侧电流引入额外的波动,降低系统的稳定性。同时PFC电路的取消使母线侧和网侧耦合作用增强,导致网侧功率因数和电能质量下降。本文研究了单相无电解电容驱动系统中提升网侧功率因数的方法和控制稳定性的方法。首先通过对无电解电容驱动系统进行结构分析和数学建模,为控制算法的研究提供理论。研究无电解电容驱动系统的拓扑结构,并分析系统性能下降的原因。结合参数小信号的线性化及空间电压矢量PWM(SVPWM)控制原理,建立考虑采样和更新延迟等非理想因素的小信号模型,并根据逆变器侧的功率关系推导出母线电压和逆变器电流的小信号关系。在此基础上,分析母线电容容值和系统延迟对网侧电流和母线电压波动分量的影响,结果表明系统延迟等非理想因素对无电解电容驱动系统稳定运行有较大的影响。为了提升驱动系统网侧输入功率因数,研究一种基于比例谐振功率控制的高功率因数运行策略。在分析无电解电容永磁压缩机功率特性基础上,确定理想情况下网侧输入功率的控制方案。在转速环和交轴电流环之间增加逆变器功率闭环,利用锁相环重构理想的网侧输入功率作为功率给定,使实际的网侧输入功率跟踪理想的功率给定,从而降低输入功率波动,提高了系统的功率因数。除此之外,通过比例谐振控制器对功率差值进行控制,结合q轴电流环的小信号分析设计控制器的参数,并通过网侧输入功率和网侧电压的小信号关系分析功率控制策略的有效性。为了进一步地改善网侧和母线侧的电能质量,提出一种基于网侧电流反馈的有源阻尼稳定性控制策略。首先通过带通滤波器提取整流后网侧电流在谐振频率附近的谐波,并将其注入交轴电压给定值。另外,分析施加稳定性控制后母线电压和逆变器电流的小信号的幅频特性,证明了稳定性控制策略的有效性。通过分析矢量控制参数和电机参数对阻抗特性的影响,验证了控制策略的鲁棒性,同时确定了控制策略的参数。结果证明控制策略可以有效提升系统的稳定性。最后,在无电解电容的永磁压缩机实验平台上进行逆变器功率闭环和有源阻尼的协同控制策略的实验程序编写与控制性能验证。实验结果表明,协同控制策略能有效改善网侧的功率因数和电能质量,使网侧电流所有频率的谐波幅值低于谐波标准在相应频率允许的最大幅值。
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