摘要：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的母線使用大電解電容會(huì)降低壽命和可靠性，使用小容值薄膜電容來替代大電解電容，可以提高系統(tǒng)可靠性，除去功率因數(shù)糾正(PFC)電路以降低成本，但要求在網(wǎng)側(cè)具有高功率因數(shù)以及足夠低的電流諧波，因此需要準(zhǔn)確地控制逆變器輸出功率以實(shí)現(xiàn)這種訴求。提出一種修正指令電流的方法控制逆變器輸出功率。選擇PIR控制器，以無靜差跟隨兩倍工頻波動(dòng)的理想輸出功率。另外，針對(duì)電流環(huán)響應(yīng)頻率以上的噪聲，通過電壓前饋的方式補(bǔ)償，能夠彌補(bǔ)電流環(huán)響應(yīng)頻率的不足。通過仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有效性，使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.988 8，網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率0.148 9，網(wǎng)側(cè)電流各次諧波均控制在EN 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)以下。

　　關(guān)鍵詞：諧波抑制;無電解電容;高功率因數(shù);電流修正;電壓前饋

　　《大電機(jī)技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1971年，由哈爾濱大電機(jī)研究所主辦。

　　0 引 言

　　近年來，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，但是在傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，母線大電解電容存在壽命短、穩(wěn)定性差、體積大的缺點(diǎn)。在對(duì)系統(tǒng)性能要求不高的場(chǎng)合，如空調(diào)壓縮機(jī)，使用小薄膜電容代替母線大電解電容，可以在有效提高系統(tǒng)可靠性與使用壽命的同時(shí)，免去網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)糾正電路以降低成本。為適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，需要新的控制策略來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，并滿足高功率因數(shù)、網(wǎng)側(cè)電流低諧波的控制訴求。

　　因小容值薄膜電容不能存儲(chǔ)能量以提供穩(wěn)定的母線電壓，母線電壓基本跟隨網(wǎng)側(cè)電壓產(chǎn)生大幅度波動(dòng)而直接帶來電壓不足，難以支撐電機(jī)的高速穩(wěn)定運(yùn)行的問題，文獻(xiàn)[1]根據(jù)電機(jī)在一個(gè)電壓波動(dòng)周期內(nèi)需要的平均電壓計(jì)算弱磁電流來保證電機(jī)云頂運(yùn)行，并給出兩倍工頻頻率波動(dòng)的q軸電流控制方式，以減小電壓不足的影響。文獻(xiàn)[2]添加一個(gè)功率閉環(huán)，通過重復(fù)控制器和試湊PI控制器來重新生成q軸電流指令控制逆變器輸出功率。文獻(xiàn)[3-4]在轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)之間添加一個(gè)轉(zhuǎn)矩環(huán)，提出轉(zhuǎn)矩控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器功率的控制，并在電壓不足時(shí)，開環(huán)輸出電壓以滿足功率輸出要求以抑制母線電壓迸升。文獻(xiàn)[5]給出了逆變器零輸出時(shí)的電機(jī)電流畸變抑制方法。文獻(xiàn)[6-7]綜合考慮電壓與功率的約束條件，離線計(jì)算理想的d-q軸電流指令，并在過程中加入少量的電壓矢量修正，得到幾乎理想的實(shí)驗(yàn)波形。文獻(xiàn)[8]不加入額外控制環(huán)路，通過合理調(diào)節(jié)d-q軸電流指令，實(shí)現(xiàn)調(diào)速與網(wǎng)側(cè)諧波要求。文獻(xiàn)[9-10]在網(wǎng)側(cè)輸入端加入一個(gè)小電感，利用電感的特性濾除網(wǎng)側(cè)電流的高次諧波，同時(shí)在逆變器輸出端做功率補(bǔ)償以抑制電感加入所帶來的LC諧振。

　　雖然國內(nèi)外文獻(xiàn)出發(fā)點(diǎn)不盡相同，但是最終的控制方式都落到修正逆變器的輸出功率。在小電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，母線電容是一個(gè)幾至幾十μF的薄膜電容，其功率很小，將其近似為理想值[11]，這也就意味著修正了逆變器的功率，就修正了網(wǎng)側(cè)輸入功率，使得網(wǎng)側(cè)的電流可控。文獻(xiàn)[10-12]將系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)有著電壓源和電流源的LC電路，網(wǎng)側(cè)輸入為電壓源，而逆變器的輸出簡(jiǎn)化為一個(gè)電流源。文獻(xiàn)[12]在簡(jiǎn)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，得出系統(tǒng)特征方程并給出諧波抑制方法。為了使逆變器的功率輸出不含有輸出轉(zhuǎn)矩快速波動(dòng)帶來的噪聲，文獻(xiàn)[1-12]均將速度環(huán)的帶寬降至幾赫茲，使得電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)不敏感，始終保持平穩(wěn)的功率輸出，從而避免了諧波的出現(xiàn)。

　　本文通過對(duì)系統(tǒng)模型的分析，建立功率與q軸電流指令修正量的數(shù)學(xué)關(guān)系，使逆變器輸出功率閉環(huán)，更合理地控制逆變器功率。功率環(huán)位于速度環(huán)與電流環(huán)之間，在自身穩(wěn)定性較高的情況下，其對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響會(huì)由轉(zhuǎn)速環(huán)糾正，系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及魯棒性得到了保證;同時(shí)考慮到電流環(huán)的響應(yīng)帶寬，在電流環(huán)難以響應(yīng)的高頻段，利用電壓前饋的方式，在逆變器側(cè)修正電壓矢量做補(bǔ)償，將響應(yīng)頻率提高至開關(guān)頻率。仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的控制策略有效性。

　　2.2 電壓前饋

　　通過電流指令對(duì)逆變器功率的控制受限于電流環(huán)帶寬的影響，在高頻段難以達(dá)到理想的控制效果，而逆變器理想功率又以兩倍工頻的頻率波動(dòng)，q軸指令電流亦大致呈現(xiàn)兩倍工頻波動(dòng)，電流環(huán)的控制本身會(huì)帶有一定的穩(wěn)態(tài)誤差，難以達(dá)到理想控制效果。

　　另外，對(duì)系統(tǒng)控制效果影響更嚴(yán)重的是母線電壓大幅度波動(dòng)帶來的欠壓?jiǎn)栴}。在電機(jī)高速運(yùn)行的情況下，要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制需要克服較大的反電勢(shì)，而當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)至波谷時(shí)，母線電壓隨之波動(dòng)至波谷，電壓不足以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，如圖5。這種電壓不足的情況一定會(huì)存在，并會(huì)導(dǎo)致電流難以良好跟隨指令，出現(xiàn)一定程度的扭曲，功率亦得不到有效的控制。

　　為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)母線處于欠壓狀態(tài)時(shí)，忽略功率差，不計(jì)入功率環(huán)輸入。

　　4 結(jié) 論

　　本文針對(duì)母線無電解電容永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出了一種基于電流修正的諧波抑制策略，所提出方法的有效性經(jīng)由仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。逆變器功率環(huán)利用PIR控制器以跟蹤兩倍工頻波動(dòng)的逆變器理想輸出功率，經(jīng)由電流的修正來實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出功率地控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果增大網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)至0.988 8，降低網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率至0.148 9，同時(shí)輸入電流各次諧波均符合EN 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)。該方法有助于永磁同步電機(jī)應(yīng)用的進(jìn)一步普及，具有一定實(shí)用價(jià)值。

　　參 考 文 獻(xiàn)：

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