（电工理论与新技术专业论文）vrv空调压缩机变频调速系统的研究.pdf

v r v 空调压缩机变频调速系统的研究 t h er e s e a r c ho l lv a r i a b l e f r e q u e n c yt e c h n o l o g y o fv r va i r c o n d i t i o n e r c o m p r e s s o rv a r i a b l e - s p e e ds y s t e m w i t ht h ea r r i v a lo ft h ee n e r g ys o l t r c ec r i s i s w o r l d w i d e ，g o v e r n m e n t si nm a n yc o u n t r i e s h a v eb e e np r o m o t i n gt h ee n e r g y v i l 坞t e c h n i q u e sa c t i v e l y a st h em a i n e n e r g yc o n s u m i n g e q u i p m e n ti nf a m i l y , t r a d i t i o n a la i rc o n d i t i o n e r sa r ew i t h d r a w i n gf r o mt h em a r k e tg r a d u a l l y b e 黜s eo fi t sl o w e f f i c i e n c y o w i n g t ot h ea d v a n t a g e so f l l i 曲e f f i c i e n c y ，e n e r g ys a v i n ga n d m o r ec o m f o r t , n e wg e n e r a t i o n so fv a r i a b l ef r e q u e n c ya i rc o n d i t i o n c r 二v r vc o n d i t i o n e rh a v e b e c o m et h ed e v e l o p i n g t r e n d c o m p r e s s o r , a st h ek e yp a r to f v a r i a b l ef r e q u e n c yc o n d i t i o n e r , p l a y s ac r u c i a lr o l e i n t h e w h o l e p r 矿c o n d i t i o n e r s y s t e m t h i sp a p e r e x p l a i n s t h et y p i c a lc o n t r o lm e t h o d sf o r c o n t r o l l i n g t h ec o m p r e s s o ra n d a d o p t s ah i g l lp e r f o r m a n c ep w m t e c h n o l o g y ( s w w m ) t oc o n l t o lt h ec o m p r e s s o r t h ep r i n c i p l eo f s v p w mi si n - d e p t hd i s c u s s e da n dt h er e g u l a ra l g o r i t h mf o rs v p w mi sg i v e n f u r t h e r l t l o r e , a s i m p l ew a yo fr 氍d i z i n gs v p w m i sd e d u c e d t h i sm e t h o dc a nf a c i l i t yt h er e a l i z a t i o no f s v p w m s v p w m t e c h n i q u eh a v em a n yg o o dq u a l i f i e s ，s u c ha sl e s sp u l s a t i n gt o r q u e ，h i g h u s a g e o f d cb u s v o l t a g e ，l e s ss w i t c h i n gl o s s , b e t t e rh i 曲- s p e e dr e g u l a t i o np e r f o r m a n c e a i m i n g a tt h ei n h e r e n tp r o b l e mo fd e a dt i m ei nt h ec o m m o n p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n , t h ea f f e c t i o no f d e a dt i m eo nt h ew h o l e s y s t e m i sa n a l y z e da n dan e w s i m p l ew a y o f d e a dt i m e c o m p e n s a t i o n - - - - c o m p e n s a t i o n b a s e do n p h a s ea n g l e i sp u tf o r w a r d i ti m t n e c e s s a r y t od e t e c tt h ec r o s sz e r o t i m eo ft h ec u r r e n ti nu s i n gt h i sm e t h o d t h ep r i n c i p l eo ft h i sw a yi si n t r o d u c e da n dt h e c o r r e s p o n d i n g r e a l i z a t i o ni sg i v e n i tc a nr e d u c et h ec o s ta n da c h i e v e db e t t e rp e r f o r m a a c e a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e ro f t h ec o m p r e s s o ra n d n e w r e q u i r e m e n to nc o m p r e s s o rm o t o r c o n t r o ls y s t e m , t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d a sf o rh a r d w a r e , t h ei n v e r t e rm o d u l e 。p r o t e c t i o n m o d u l e ，c o n t r o lm o d u l e a n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a n d i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ( w m ) i sd e s i g n e d a sf o rs o f t w a r e , u s i n ga s s e m b l el a n g u a g eo f d s p t oc o m p i l e t h ew h o l e p r o g r a m , i n c l u d i n gs v p w mm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e a n d p r o t e c t i o nm o d u l e a tl a s t s o m em e a s u r e sa r ea d o p tt or e d u c ed i s t o r t i o nb o t hh a r d w a r ea n ds o t t w a r e f o rt h eh i p p r e c i s i o no f v a r y i n gf r e q u e n c y , a n d s t a b i l i z a t i o no f r u n n i n g ，t h i ss y s t e mm e e t st h e r e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：v a r i a b l e f r e q u e n c y ；s v p w m ；d e a dt i m e ；d s p - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特，l i j j n 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：丑笸!日期：出! 国蚓 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景和选题意义 随着人们生活水平的提高，空调已经不再是一种奢侈品，早已经走入人们生活的各 个场所。而随着世界范围内能源危机的到来，各国政府都在为经济可持续发展的目的积 极地推广节能降耗技术。据统计，在一些大型的公共商用场所，如宾馆、写字楼和医院 等场所，空调的能耗占整个建筑能耗的4 0 以上【l 】。对于我国的发展中国家来说，节能 显得更为的重要。 作为民用和商用的用电的主要设备，传统空调器由于其运行效率低下正在逐渐退 出市场。近些年来，由于市场的激烈竞争、消费者购买理性的提高，使空调业的发展出 现了明显的变化，如：对节能，降嗓，绿色，健康等方面的要求越来越高。而以节能效 果明显、舒适性商为特点的新一代的变频空调v r v 空调特别受到市场的欢迎。 v g v ( v a d a b l er e f r i g e r a n t v o l u m e ) 空调即制冷剂流量可变的空调系统。其室内机、室外 机可以协调控制，使制冷剂的流量按各室内机的负荷需要而分配。 作为一种新型的交频空调，它具有变频空调的优点【2 l ： 能效比提高。定频空调器在运行中依靠停、启压缩机来稳定室温，设备资源间断闲 置，而交频空调大多数时间是在低频运转，充分利用了设备资源，提高了能效比。采用 变频调速以前，不管负载轻重，端电压不变，效率低，功率因数低，无功电流大，因而 电机的铜损、铁损增加。采用变频调速之后，使电机的端电压随着转速的降低丽降低， 效率提高，功率因数提高。 控温恒定。定频空调器的温控特点是当室内温度达到设置温度时压缩机停转，当室 内温度偏离设定值时压缩机启动。而变频空调不存在这个问题。当室内温度达到设定值 时变频空调并不停机，只是将压缩机转速降至很低，它产生的冷气( 或热量) 用于平衡室 内的热量的散失，使室内温度恒定。 室温调节过程平滑，噪声小。当室内温度达到或接近设置温度时，制冷量( 制热点勤 下调，实际上，当室温还没有达到但接近设定值时，压缩机转速己开始平滑减速，整个 i 照过程平稳。随着压缩机转速的下降，空调器的噪声也随之下降，当转速下降到最低 点时，噪声也将降到最低点。 同时，它又有其自身的优点： v r v 空调压缩机变频调速系统的研究 由于各室内机单独控制，因此室内机可以根据室内温度的变化情况调节制冷剂流量 的变化，达到比较精确的温度控制。而传统的中央空调系统一旦开机就要给所有房间送 风，造成不必要的能源浪费。与一般的中央空调机组相比将至少节省1 5 的能源。 传统的空调机组一旦选定，所带的负荷就固定，一般不允许增加负荷，而负荷减少 又会造成系统的浪费，因此系统缺乏开放j 性和灵活性；而w 空调系统可以随意增减 负荷。室外机占用空间小。 节能始终是空调技术进步的重要标志，对于我国这样的发展中国家来讲，节能尤为 重要，研究新一代变频空调i v 空调对于实现我国经济的可持续发展，具有重大 意义。而作为w 空调中的核心部分之一的压缩机的控制性能关系到整个空调的性 能，本课题组与国内某厂家合作，开发w 空调系统的压缩机控制器，对于提高我国 家电的整体水平，增强我国产品在国际市场上的竞争力，也具有重要的意义。本文的工 作也就是在这一背景下展开的。 1 2 国内外的相关技术及发展现状 1 1 1 w 空调系统的发展现状 v r v 空调最早开始研制的是日本。早在8 0 年代中期，日本大金工业株式会社就 在传统的房间分体空调器由一台室外机连接一台室内机的一一对应方式基础上，开发了 的台可以高效扩展的、性能完善的、一台室外机可以连接多台室内机的空调器，这是 v r v 的雏形，但是也引起了世界空调界的瞩目。并在1 9 8 9 年的法国国际空调冷藏冷冻 及暖气展会上，获得了“金盘大奖 3 】，得到了国际空调制冷界的肯定。 9 0 年代后，空调系统本身已基本完善。与此同时、能量回收、冰蓄冷技术和控制 技术的应用研究都取得了相当的进展。w 系统空调器的性能又得到了更大的提高。 目前，w 空调系统已被3 0 多个国家所采用，受到了普遍好评。在世界各地诸如欧洲、 美洲、东南亚及澳洲等地区也被广泛使用。己v 空调系统在日本发展尤为迅速、工程 应用较广泛。大金、东芝、三洋等公司均有可供选择的各种w 产品系列。据统计， 日本1 9 9 8 年的w 空调器的空调市场占有率为4 5 ，之后呈逐年上升趋势；目前， 日本市场上的建筑中8 0 以上均采用了w 空调系统。 近些年，我国也正在探索性的应用和推广该空调系统，目前，国内越来越多的工程 已经采用了该系统。国内的许多城市，如北京、上海、广州等城市均有了w 空调系 统的应用实例，并有逐年上升的趋势。我国国内的w 空调系统的研制却处在起步阶 2 大连理工大学硕士学位论文 段，但各大空调厂家已经行动起来。尽管与日本同行相比，我们的技术及工艺水平相对 落后，但在国内巨大市场的诱惑下，国内厂商及一些高等院校纷纷投入资金和人力进行 研究和产品开发。海尔已经引进了这项技术，1 9 9 9 年9 月，海尔商用空调与日本东芝 一凯利f r o s b a c a r r 压r ) 共同合作研制开发m r v 变频中央空调等茼用空调。 2 0 0 0 年初，美的也生产出m d v ( m u l t i - d i g i t a l - v a r i a b l e ) 空调系统，是智能化数字变频、 冷量风量可变的一拖多系统，2 0 0 1 年4 月美的推出m d v 系统的“家庭版”m d v 家庭型中央空调【4 。它是美的与日本东芝凯利公司联合开发的新一代高科技、智能化 的空调系统。长虹、春兰、东宝、等国内空调厂家也在积极地涉足这一领域。从总体看 来，国内的厂家主要还是应用的进口的技术和设备，造价高、维修不方便。所以，我们 需要自主研发该产品。 1 1 2 变频压缩机的种类和特点 空调压缩机是空调的整个系统中的核心部分，它对于空调系统的性能起着至关重要 的作用。空调压缩机用电机一般有单相感应电机，三相感应电机和直流无刷电机三种。 单相感应电机的启，停特性较差，根据单相感应电机的启动特性，其必须在冷媒压力基 本平衡之后，也就是在最小负载下才能再次启动，所以要求压缩机起停之间必须有三分 钟以上的延时，不然可能会造成启动失败引起过电流保护。尽管如此，启动时的电流还 是额定电流的6 倍左右，虽然这一时间很短，但对电源的冲击却很大。 在变频电源下运行的电机简称变频电机。交频电机为三相电机，它克服了单相异步 电机的一些不足。单相异步电机的旋转磁场是椭圆形的，对称性不如三相电机，且启动 性差、电磁噪声大，体积也比三相电机大。实际上，交频电源己很难驱动单相电机的运 行，因为当频率发生变化时，单相电机的电容( 称为移相电容) 值不可能发生相应的变化 使电机有效运行。 直流无刷电机拖动由直流电动机，转子位置传感器和电子换向开关组成。转子磁极 为永磁体，电枢绕组采用自控式换流，定子旋转磁场与转子磁极同步旋转，按转子位置 控制电机的换相，既有普通直流电机良好的调速性能和启动性能，又从根本上消除了换 向火花、无线电干扰的弊端，具有寿命长、可靠性高、噪声低和控制方便等优点。因此 广泛用于无轨电车、电力机车、甚至自行车上，但直流电机存在维护麻烦、结构复杂、 成本高等一些缺点，使它不便应用在变频空调中。 3 v r v 空调压缩机变频调速系统的研究 虽然三相异步电机有众多的竞争者，但是，毫无疑问，它结构简单、维护方便、价 格便宜，有很多的应用场合，还必将有广阔的市场。当今空调压缩机中用的电机也主要 都采用三相异步电动机。 1 1 3 变频调速的相关技术 1 控制方法的发展 目前，对于交流变频压缩机的控制来说，较常见的是脉宽调制法。使用最多的是正 弦脉宽调$ j ( s p w m ) 法，该方法使得流入电动机的电流谐波较少，电机振动小，其控制 变频压缩机的效果较好 5 ，其相应的硬件和软件技术较成熟。另一种方法式磁链追踪型 p w m 法，它与s p w m 法不同，s p w m 是从电源的角度出发，其着眼点是如何生成可 以调频调压的三相对称正弦波电源：而磁链追踪型p w m 法从电动机的角度出发的，应 着眼于如何使电动机获得圆磁场。磁链追踪型p w m 法( 或称空间矢量法) 是种无反 馈型工作模式，它是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用 逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定变 频器的开关模式，形成p w m 波 6 】。空间矢量法是目前国际上比较先进的变频工作模 式，由于其供给电动机的是理想磁链圆，因此，电动机工作比其它方式更平稳，噪音更 低，同时也提高了电动机的工作效率，提高了电源电压的利用效率。这种工作模式国内 已有一些厂家推出，国外已普遍采用。与正弦波p w m 法相比，具有一定的优势。 电流跟踪型p w m 法是一种反馈型磁链圆工作模式，它将电动机定子电流的检测信 号与正弦波电流的给定信号用比较器进行比较，如果实际电流太于给定值，则通过变频 器的开关动作使之减小，反之使之增大。i , 塞r 4 实际正弦波电流围绕给定芷弦波电流作锯 齿状变化，而且开关器件的开关频率越高，电流波动g t a g d , ，调节开关频率，可以将电 流偏差限制在一定的范围内【7 。电流追踪型p w m 逆变器是个通常的电压型p w m 逆 变器和一个电流闭环构成的砰砰控制( 继电器控制) 系统，从而将电动机复杂的电压 模型改造成电流模型，可使控制模式简单，动态响应加快，还可防止变频器过电流，是 一种比较理想的工作模式。目前，这种工作模式由于控制较复杂，难度较大，在国内未 见有其成熟技术推出。据报导，国外在一些领域已有较好的应用。 以上的几种p w m 方法均是属于转速开环的交流变频调速系统，可以满足般平滑 调速要求。还有一类控制方法就是利用速度的反馈，形成闭环调速系统。鼠笼异步电 动机的转矩与气隙磁通、转子电流以及转子电路的功率因数有关。这些量都不是独立的 变量，都是转差率的函数，而且又难以控制和直接测量。这就是异步电动机转矩难以控 4 大连理工大学硕士学位论文 制的根本原因。异步电动机转差频率控芾i 是一种转速闭环控制，其控希j 的规律是：利用 异步电动机的转矩与转差频率成正比和电机电枢电流与具有一定的关系来控制电机的转 矩，这种控制方法可以达到与直流恒磁通调速系统相似的性能 s 】。由于转差频率控制规 律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式推得的，所以存在动态时磁通的变化不 能得到控制、电流相位没有得到控制等差距，使其不能达到与直流恒磁通调速系统同样 的性能【9 ，1 0 】。 转差颏率控制的变频调速系统的动态性能不够理想，调节器参数很难设计，其原因 在于只是沿用了单变量控制系统的概念而没有考虑异步电动机的数学模型的多变量、强 耦合和菲线性的本质。为了使交流调速系统能与直流调速系统相嫂美，许多专家学者对 此进行了潜心的研究，在1 9 7 1 年不谋而合地提出了两项研究成果：西德西门子公司的 f b a s c h k e 等提出的“，黪应电机磁场定向控制的原理”和美国的p ，c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”。经在实践过程中的不断 改进，形成了矢量控制变频调速系统。这种控制方法模拟直流电动机的控制方法，从理 论上解决了交流调速系统在静、动态上与直流调速系统相媲美的问题。并且在实践中也 得到了较好的验证 1l ，1 2 。近年来b 经有将矢量控制用于空调压缩机驱动的尝试，如： t o s h i b a - - - c a r r i e r 公司用a d 公司的d a s h d s p 芯片，将无速度传感器矢量控制技 术用于它的空调器上的尝试。 矢量控制技术从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流调速系统相媲 美的间题。它的提出具有划时代的意义。但在实际上由于转子磁链难于准确观测，系统 特性受电动机参数的影响较大和在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂 性，使得实际的控制效果难于达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足 之处。 直接转矩控制技术，是近十多年来继矢量控制技术之后，与矢量控制技术并行发 展的一种新型的具有高性能的交流调速技术。它是由德国鲁尔大学的德彭不罗克 ( d e p e n b r o c k ) 教授于1 9 8 5 年首次提出的。不同于矢量控制技术，直接转矩控制技术有着 它自己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电机参数变 化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。直接转矩控制技术一诞 生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受至普遍的 注意，得到了迅速的发展。目前，将直接转矩控制技术用于普通异步电机、直流电机、 开关磁阻电机和在效率、控制性能要求很高的电动汽车等上的尝试，在国内外均有报 - 5 v r v 空调压缩机变频调速系统的研究 道，各种应用层出不穷，其控制方法的实现已不再是问蹶 1 3 ，1 4 】。但在调速空调方面， 即使矢量控制技术的研究也很少，直接转矩控制用于调速空调，尚未见报道。 2 电力电子技术的发展 1 5 】 变频技术的发展是建立在电力电子技术发展基础之上的。在交流电动机的传动控 制中，应用最多的功率器件由g t o 、g t r 、i g b t 以及i p m ，i g b t 和i p m 集中了g t r 的低饱和和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性。是目前电机变频控制中应用最为广 泛的主流功率器件。i g b t 集射电压可小于3 v i 开关频率可达到2 0 k h z 。第四代的 i g b t 的应用使变频器的性能有了更大的提高。其一是i g b t 开关器件的发热减少，将 占主回路发热的5 0 , - - 7 0 的器件发热降低到了3 0 ；其二是高频波控制，使输出电流 波形有了明显的改善；其三是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了电机 运行的静音化；其四是驱动功率减少，体积趋于更小。而i p m 的投入应用比i g b t 约晚 二年，由于i p m 包含了i g b t 芯片及外围的驱动和保护电路，有些甚至把光耦也集成于 一体，因此是种更为经济实用的集成型功率器件。目前，在模块额定电流1 0 6 0 0 a 范 围内，i p m 具有以下优点：开关速度块，驱动电流小，控制驱动更为简单；内含电流传 感器，可以高效迅速的检测出电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率 大大降低；由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电 压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得至4 控制；保护功能较为丰富，如电流保 护，电压保护，温度保护等一应俱全，随着技术的进步，保护功能将进一步日臻完善。 硎的售价已经逐渐接近i g b t ，而设计人员采用i p m 后的开关电源容量、驱动 功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后在许多场合其性价比己高过 i g b t ，有很好的经济性。 3 微处理器的发展 1 6 控制技术的发展还得益于微处理器技术的发展，自从1 9 9 1 年i n t e i 公司退出8 x 1 9 6 m c 系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都 有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的m 3 7 7 0 5 、m 7 9 0 6 单片机和美国 德州仪器的t m s 3 2 0 c 2 4 0 系列都是颇具代表性的产品。与单片机相比，d s p 器件具有 较高的集成度，具有更快的c p u ，更大容量的存储器，提供高速、同步串口和标准异步 串口，有的片内集成了模数转换器，可提供p w m 输出，其汇编指令集为仿c 语言或代 数语言，几乎所有指令都能在一个机器周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个机 器周期p q 可完成多条指令。采用了改进的哈佛结构，具有独立的程序空间和数据空间， 允许同时存取程序和数据，同时，程序空间和数据空间也有专门的通道可以进行数据交 6 大连理工大学硕士学位论文 换，从而既避免了某一个空间的浪费。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使 d s p 器件具有高速的数据运算能力。而单片机复杂指令系统计算机( c i s c ) ，多数指 令要2 3 个指令周期来完成。单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取， 同一时刻只能单独访问指令和数据。“u 只能做加法，乘法需要由软件来实现，因此 占用较多的指令周期，运算速度比较慢。所以，结构上的差异使d s p 器件比1 6 位的单 片机单指令执行时间快8 l o 倍，完成一次乘法运算快1 6 3 0 倍。以往的空调压缩机 的微处理器多应用一些性能不高的单片机，由于计算速度慢，控制性能不高，从而影响 了整体的性能。而应用d s p 作为处理器，会使整体的控制性能得到提高。 此外，在变频调速中，始终存在一个无法避免的问题死区闯题。因为任何固态的 电子开关器件都具有一定的固有开通和关断时间。对于确定的开关器件，固有开通和关 断时间内输出信号是不可控制的，本文称此为开关死区时间，它引起开关死区效应。三 相桥式逆变器系统中，同一桥臂上的两个开关器件工作为互补状态。由于一般开关器件 的开通时间小于关断时间，因此如果将互补的控制信号加到同一桥臂上两个开关器件的 控制极上，那么这两个开关器件将会发生“直通”，其后果是严重的，死区效应是非常 有害的 17 1 。死区时间的存在也使得人们在具体实现p w m 控制方案时往往得不刭预期 的理想效果。因此，有必要进行死区补偿。 1 3 本文的主要内容 本课题研究对象的应用领域为新一代变频空调 v 空调压缩机，在实现对压 缩机电机的较高性能调速控制的同时，又要考虑到节约成本。为此以设计出高性能廉价 的删空调变频压缩机调速控制器用来提高空调的舒适性为目的。开始了本课题的研 究工作。这一课题涉及到电机理论、电力电子技术、控制理论、计算机及d s p 软硬件 等多方面知识的应用，而且由于和国内的某公司合作开发，考虑到时间有限，本文主要 进行了以下几项工作： 1 分析对比压缩机各 申控制方法的基础上，采用了目前技术成熟的变压变频 ( v v v f ) 控制，缩短了开发时间，同时降低了系统的成本，增加了运行的稳定性。 2 在对比分析传统的正弦脉宽调制( s p w m ) 的基础上，采用了较为先进电压空间 矢量脉宽调制( s ，w m ) 技术，分析了s v p w m 的原理，给出了s v t w m 的常规实现 方法，并在此基础上，推导出了一种改进的实现方法，使s v p w m 实现起来更方便。理 论分析和实验结果表明该方法的有效性。 3 对电机变频控制中存在的固有问题死区问题进行了深入了分析研究，并提出 7 w 空调压缩机变频调速系统的研究 了一种相位角预测的死区补偿方法，该方法无需检测电流过零点，硬件上降低了系统的 成本，软件容易实现，并取得了较好的效果。 4 以d s p 为核心控制芯片，以智能功率模块( m ) 为主功率开关器件，完成了 对缩机变频调速系统硬件的优化设计；以s v p w m 为核心控制算法，用汇编语言完成了 整个控制系统软件的编制；并分别对系统的硬件和软件的抗干扰问题进行了分析和设 计。 8 大连理工大学硕士学位论文 2 压缩机的控制策略 2 。1 变频压缩机的控制要求 变频压缩机是实现制冷制热循环的主要设备，任务是完成制冷剂气体从低压向高压 的不断输送的过程。根据压缩机的工作原理，可分为容积型和速度型两类a 容积型压缩 机是通过可变的工作容积来完成气体的压缩和输送过程。它又可分为活塞式和回转式两 种。活塞式( 又称往复式) 压缩机是活塞在汽缸内作往复运动，称为往复式压缩机；回转 式压缩机是转子在汽缸内作旋转运动，主要有螺杆式压缩机和滚动转子式压缩机。速度 型压缩机是气体在高速转动的叶轮中提高速度，而后通过导向器使气体的动能转化为压 力能，从而完成气体的压缩和输送过程，目前常用的是离心式j 瑚机a 房间空调器一般采用的压缩机有往复式、滚动转子式和涡旋式三种形式，基本 上为全封闭或半封闭形式。一般压缩机变频控制的要求有以下几点： 1 要求压缩机在整个调速范围内性能稳定可靠； 2 保证变频压缩机润滑面供油量的适度： 3 变频压缩机工作范围宽，需要解决低频时的共振和高频噪声问题。 4 减少损耗，提高效率。 5 要求在起动时，以1 - 3 h z s 的速度提高变频器的频率，从3 - 5 h z 开始起动，升频 到4 2 h z 左右时，停止升频，以保证充分润滑，至1 分钟，然后以1 - 3 h z s 盼速度将频 率调到空调控制器要求的频率下。 2 2 压缩机的控制方法及特点分析 2 2 1 变压变频控制 2 2 1 1 控制原理 变压变频控制即v w f 控制。根据电机学原理，异步电动机的同步转速是由电源 频率和电机极对数决定的，在改变供电电源频率时，电机的同步转速也相应的改变。当 电机在负载条件下运行时，电机转速低于电机的同步转速，两者的差值就是转差，转差 的大小与电机的负载有关。电机定子每相感应的电动势的有效值为 e ，= 4 4 4 工m k 中。 9 ( 2 1 ) v r v 空调压缩机变频调速系统的研究 式中五，为气隙磁通在定子每相中感应的电动势有效值( v ) ；z 为定子频率( h z ) ； m 为定子每相绕组串连匝数；k ? i s 为基波绕组系数；o 。为每极气隙磁通( 、b ) 。由异 步电机的t 型等效电路，异步电机端电压与感应电动势的关系式为 u 。= es + rs isq 式中，r ，t 分别为定子绕组阻抗及其流过的电流。在电机控制过程中，使每极磁通 o 。保持为额定值不变是关键的一环。磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪 费；若增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而 损坏电机。在交流异步电机中，磁通中。是定子和转子磁动势合成产生的，因此由式 ( 2 1 ) 可知，只要同时协调控制e 和虻，就可以达到控制o 。并使之恒定的目的。当定 子频率疋较高时，感应电动势的值也较大，因此可以忽略定子阻抗压降，为定子相电压 u 。“e 。，则得 r ， 中。= k 二= c o n s t( 2 3 ) js 改变定子侧的输入电压，即可调节电动机的频率，这就是恒压频比( 、) 的控制 方式。这是额定频率下的调速方式，当超过额定频率时，定子侧输入电压不变，随着频 率的上升，磁通将下降，相当于直流电机里面的弱磁升速。这里不再详述。 2 2 1 2 变压变频控制的特点 优点：该方法实现起来简单，便于控制在调速性能要求不是很高的场合较为适用， 也是目前广泛采用的一种调速方法。 不足：由于是开环控制，所以对整个系统的控制不是特别的精确。但对于压缩机的 控制要求来说，完全可以满足。 2 2 2 转差频率控制 2 2 2 1 转差频率控制基本原理 1 8 】 异步电动机转差频率控常4 是一种转速闭环控制。异步电动机的转矩与气隙磁通、转 子电流以及转子电路的功率因数有关，都是转差率的函数，难以控制和直接测量。利用 异步电动机的转矩与转差频率成正比和电机电枢电流与具有一定的关系来控制电机的转 矩，就可以达到与直流恒磁通调速系统相似的性能。转差频率控制中，采用转子转速闭 环控制，电机给定角速度：信号与来自电机转速传感器的反馈信号由，进行比较，其误 差信号经过p i 调节器并限幅以后得到给定转差角频率。其他与、，、厂、忸控制方式相同。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 2 转差频率控制的特点 优点：转差频率控制系统的突出优点是频率控制环的输入是转差信号，而频率信号 是由转差信号国：与实际转速信号国，相加后得到的，即q = c o ；+ ，。在转速变化过程 中，实际频率q 随着实际转速珊，同步地上升或下降。与转速开环系统中按电压成正比 地直接产生频率给定信号相比，加、减速更为平稳，且容易使系统稳定。同时，由于动 态过程中转速调节器饱和，系统能以对应于。的限幅转矩l 进行控制，也保证了在允 许条件下的快速性。 不足：在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出 发得出的控制规律，因此所得到的“保持磁通恒定”的结论只在稳态情况下成立。在动 态中磁通中。如何变化没有去研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性 能。另外，转差频率控制时，需要电动机的转速信息，而压缩机的物理特性又不允许安 装速度传感器，所以不太适合在压缩机控制中应用。 2 2 3 矢量控制 2 。2 3 1 矢量控制基本原理 1 9 】 异步电机的电磁关系具有多变量、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换， 可以使之降阶并简化，但并没有改变其非线性、多变量的本质。这使得其控制变得十分 困难。以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系下的定子交流电流i 。、i b 、， 通过三相二相变换( p a r k 变换) ，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流0 、；再 通过按转子磁场定向的旋转变换 c l a r k 变换】，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电 流“、。在铁芯上观察，便相当于一台直流电机，d 绕组相当于直流电机的励磁绕 组，f 。相当于励磁电流，g 绕组相当于伪静止的电枢绕组，i 。相当于与转矩成正比的 电枢电流。通过坐标变换将异步电动机等效为直流电机，模仿直流电动机的控制方法， 求得直流电动枫的控制量，再经过坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行坐 标变换的是电流的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控 制系统( t r a n s v e e t o r c o n t r o ls y s t e m ) ，也称为矢量控制系统( v e e t o rc o n t r o ls y s t e m ) 。 2 2 3 2 矢量控制的特点 优点：矢量控制的特点是认为异步电动桃与直流电动机有相同的转矩产生机理。即磁 场与其相垂直的电流的积为转矩这一原理进行分析，将定子电流分解成产生磁场的分量f 。， 和与磁场垂直、产生转矩的分量，分别控制，从而获得良好的动、争表睦能。 v r v 空调压缩机变频调速系统的研究 缺点：矢量控制运算及转子磁链估计中要使用电动机参数，其控制的精确性受到参 数变化的影响，所以，精确的矢量控制系统要对电动机的参数进行估计。这种控制方式 需要解耦计算和坐标旋转变换，计算量较大，实现起来困难。在这种控制系统中，给定 量要从直流变为交流，而反馈量要从交流变为直流再加上转子磁链模型、转子参数的辨 识与校正等。另外，矢量控制系统也需要电机的转速反馈，同样也需要速度辨识的问 题，虽然现在的无速度传感器矢量控制中速度的辨识的方法有很多【2 0 】，但由于各参数 受压缩机运行时的条件的影响，很难达到理想的效果。况且，这些也使得系统复杂，造 价提高。 2 2 4 直接转矩控制 2 2 4 1 直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制是近十余年来继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交 流调速系统。一般认为是德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授于1 9 8 5 年发明的，实际上， 磁链一转矩直接控制的思想早在1 9 7 7 年就由a b p l u n k e t t 首先提出来y 2 1 。 直接转矩控制与矢量控制一样，也是分别控制电机的转速和磁链，而且采用在转速 环内设置转矩内环的方法，以抑制磁链变化对转速子系统的影响，因此，转速与磁链子 系统也是近似解耦的。转矩和磁链都采用直接反馈的双位式砰砰控制，从而避开了将 定子电流分解成转矩和励磁分量，省去了旋转坐标变换，简化了控制器的结构。选择定 子磁链作为被控制的磁链，而不象矢量控制系统那样选择转子磁链。使控制性能不受转 子参数变化的影响，这是直接转矩控制优于矢量控制系统的主要方面。 2 2 4 2 直接转矩控制的特点 2 2 1 优点：直接转矩控制直接在定子坐标系上分析交流电动机的数学模型、控制电动机的 转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。大大减少了矢量控制技术中控制 性能易受参数变化影响的问题。 不足：与矢量控制相比转矩脉动较大，电流波形不好，尤其在低速时，系统性能较 差。同时系统的控审i 也相对复杂，造价提高。 2 2 5 小结 本节对变频压缩机压的几种典型控制方法作了分析，包括变压变频( w ) 控 制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制，给出了各自的优点和不足之处a 并针对 压缩机的控制要求，考虑到实际应用中的环境因素和成本的考虑，选用了目前技术较为 成熟的变压变频( v v v f ) 控制。 1 2 - 大连理工大学硕士学位论文 2 3 p w m 弪浠0 技术 p w m 技术是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序 列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目的一门技术，是目前逆变器主要采用的控 制技术。常用的p w m 技术有：基于正弦波的对三角波的脉宽调制s p w m 控制，基于 消除指定次谐波的h e p w m 控制，基于电流环跟踪的c h p w m 控制和电压空间矢量控 制( 磁链轨迹跟踪控制) s v p w m 控制。这四种p w m 技术中，前两种是以输出电压 接近正弦波为控制目标，第三种是以输出电流正弦波为控制目标，第四种是以被控电机 的旋转磁场接近圆形为控制目标【2 3 】。p w m 控制的主电路图如图2 1 所示。通过控制信 号a ，a 、b ，b 和c ，c 来有规律的控制功率器件q t q 6 的开关，来形成不同的波形的 输出。目前压缩机应用广泛的是s p w m 控制，而s v p w m 控制是目前较为先进的一种 控制模式。本节将分别对这两种方法进行介绍和分析。 图2 1p w m 逆变器拓扑 t a g 2 1p w mi n v e r t e r t o p o l o g y 2 3 1 正弦波脉宽调制( s p w m ) s p w m 就是希望逆变器输出的电压波形为正弦波。通常采用等腰三角波作为载 波，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻控制电路中功率开 关器件的通断，就可以得奎宽度正比与信号波形幅值的脉冲。当调制信号波为正弦波 时，就是s p w m 调制。生成s p w m 波形的方法很多，有自然采样法和中值规则采样法 等。最常用的当属中值规则采样法。中值规则采样法基本思想是：将三角载波每一周期 的负峰值时刻对应与正弦调制波上的电压值对三角载波进行采样，以决定功率开关器件 的导通与关断时刻。图2 2 表示出了单相中值规则采样生成的s p w m 波形的原理。图 中，u 。和t 是三角载波及其周期，u ，是正弦调制波，f 。时刻采样值为v 。 1 3 v r v 空调压缩机变频调速系统的研究 水平线与三角载波的交点a 、b 将t 分成r 。、t ：和屯三段。设三角载波的幅值 u 。保持不变，正弦调制波为u ，= u 。s i n ( c o l t ) ，其中u , m0 ) 1 分别是正弦调制波的幅 值和角频率。正弦调制波的幅值和三角载波的幅值之比，即“m 彳，= m 称为调制度。 一删 在理想情况下，m 可以在0 l 之间变化，以调节逆变器输出电压的大小。在实际使用 中考虑最小脉冲限制，m 总是小于l 的。一般取吖的最大值为0 9 5 o 9 8 。 搿fr 荔 ， | v | i v ； 鬻毒 釉 卜 t 7 图2 2s p w m 中值规则采样法 r i g 2 2s p w mm e d i a n r e g u l a rs a m p l i n g r u l e 根据脉冲电压对三角载波的对称性， 和t ，相等，由图2 2 有 由式( 2 4 ) 可得： 脉宽时间 间隙时间 乞t 2 互4 ：生；膨s i n ( c o , t , ) 墨u 。 4 铲( 1 m i n ( 吼) ) ：屯：昙( 疋一f ：) = 屯= i ( ? ：一z ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 便是实时计算s p w m 波形脉宽时间的基本公式。依据以上 分析，我们可以很容易的实现对s p w m 的输出。 1 4 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 2 3 2 1s v p w m 的基本原理【2 4 在理想电源供电