高速壓縮機弱磁控制技術研究

黃 翰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，變頻空調壓縮機與風機廣泛使用永磁同步電機作為動力源。為了降低企業成本，使用小排量壓縮機，通過提高壓縮機轉速來實現更強的制冷制熱能力是較好的選擇。受限于直流母線電壓，永磁同步電機需要弱磁控制來提升轉速。因此，研究永磁同步電機弱磁控制方法，提升高速下動態性能與可靠性具有重要意義。

傳統的弱磁控制有兩個電流環，分別控制直軸電流和交軸電流。如何規劃給定電流的軌跡是雙環弱磁控制的關鍵。目前，雙環弱磁控制有公式計算法，查表法，梯度下降法，基于電壓外環的電流超前角控制等[1]。其中，基于電壓外環的電流超前角控制具有適應性好，實現簡單而被廣泛應用。

但是，基于雙環的弱磁控制并不能解決弱磁下交直軸電壓相互沖突的問題。單電流調節器通過控制直軸電流得到直軸電壓，交軸電壓直接給定或通過公式給定[2]。然而，現有文獻研究的單電流調節器交軸電流環在非弱磁區閉環，在弱磁區開環，需處理開閉環切換，實現較為復雜。本文提出一種對交軸電壓限幅的實現方法，所提方法交軸電流環在弱磁與非弱磁區域均保持閉環，在弱磁區受限幅而進入飽和，在非弱磁區，交軸電流環退出飽和。

1 傳統基于電流超前角的弱磁控制

基于電流超前角的弱磁控制如圖1所示。電流分配如式（1）所示。

圖1 基于電流超前角的弱磁方案

式中：

β-電流超前角；

Is-速度環輸出的給定電流；

IdRef-直軸電流環給定電流；

IqRef-交軸電流環給定電流。

在Is一定的情況下，超前角大小決定了交直軸電流的軌跡。超前角由電壓外環進行自動調節，從而具有較強的適應性。在電壓外環比較環節，若逆變器PWM信號能從0至100 %占空比輸出，中k的取值影響著電壓利用率與電流環是否進入過調制。當k<1，穩態下，參考電壓矢量處于線性調制區，不會進入過調制，抗積分飽和不起作用，實際電流與給定電流沒有靜差。但動態下，電流環仍有可能進入過調制。當k>1時，穩態下，參考電壓矢量處于過調制區，抗積分飽和起作用，實際電流與給定電流有靜差。若逆變器PWM信號不能全占空比輸出，如從（4～96）%輸出，則k的臨界值由1改為0.92。

文獻[3]對過調制進行了分析，將過調制分為過調制Ⅰ區和過調制Ⅱ區，在過調制Ⅰ區中，由于參考電壓矢量長度與實際電壓矢量長度相差不大，因此只修改參考電壓矢量的幅值，而不修改電壓矢量的相位。文獻[4]綜合分析了弱磁與過調制，結果表明過調制Ⅱ區雖然能提高輸出電壓基波幅值，卻對提高轉速沒有幫助。因此，本文提到的過調制只有過調制Ⅰ區。

現有的研究通常將弱磁區間分為恒轉矩區和恒功率區，但對于壓縮機類負載，負載轉矩隨轉速升高而增大，因此在壓縮機全速范圍內只有恒轉矩區，沒有恒功率區。壓縮機在轉速升高過程中，實際電流軌跡如圖2所示，交軸電流隨轉速升高而增加，因此不必按照交軸電流下降的軌跡。

圖2 電流軌跡圖

在弱磁區，兩個電流調節器的輸出，即直軸電壓Vd與交軸電壓Vq存在沖突。交直軸電壓合成矢量允許的長度最大為Vs_max，Vs_max典型值為，如圖3（a）所示，直軸電壓Vd與交軸電壓Vq合成矢量VsVs_max，在過調制環節，Vd與Vq均被等比例壓縮成Vd′與Vq′，如圖3（b）所示，不能實現Vd、Vq獨立壓縮，Vq的增加會影響Vd的幅值。在弱磁區，若不能保證直軸電壓有足夠的裕量克服擾動控制直軸電流，將會導致弱磁失控，在無位置傳感器系統中，由于位置估算依賴于直軸電壓方程，失控情況將更加明顯。因此，交直軸電壓沖突的直接原因在過調制，本質原因在交直軸電壓合成矢量幅值受母線電壓限制不能超過Vs_max。

圖3 電壓矢量

在弱磁區，交直軸電壓合成矢量為定值，直軸電壓一旦確定，交軸電壓也隨之確定，因此，電壓調節自由度為1，不必存在兩個電流調節器。綜合以上分析，采用單電流調節弱磁控制更合適，其交軸電壓直接給定，避免了弱磁區交直軸電壓沖突，同時交直軸給定電流分別由交直軸速度環調節，電流軌跡更合理。

2 基于交軸電壓限幅的單電流調節弱磁控制

文獻[5]提出了一種變交軸電壓單電流調節弱磁控制，變交軸電壓能使母線電壓利用率最大化，提升了電機效率。但是，在弱磁區，交軸電流環開環，在非弱磁區，交軸電流閉環，不可避免要涉及環路的切換，電機在重負荷下切換會帶來可靠性問題，且實現復雜。因此，本文提出一種基于交軸電壓限幅的單電流調節弱磁控制，控制框圖如圖4所示。

圖4 基于交軸電壓限幅的單電流調節弱磁方案

提出的方案在弱磁與非弱磁區，交軸電流環均保持閉環。由于在交軸電流環加入了交軸電壓限幅環節，在弱磁區，交軸電流環會觸發限幅而進入飽和，在非弱磁區，交軸電流環退出飽和。在直軸電流環得出直軸電壓Vd后，交軸電壓限幅值為，若，參考電壓矢量在線性區，不進入過調制。在實際系統中需滿足，可令，適當進入過調制，提高母線電壓利用率。

轉速升高時，電壓橢圓向橢圓圓心（特征電流點）收縮，當直軸電流在電機特征電流右側時，直軸電流應向左移動；當直軸電流在電機特征電流左側時，直軸電流應向右移動。本方案所提的直軸速度環，當轉速升高時只會控制直軸電流向左移動，因此，直軸參考電流絕對值不得超過電機特征電流。

值得注意的是，直軸電壓絕對值不得超過Vs_max。當直軸電流還沒達到特征電流，而直軸電壓絕對值已達到Vs_max時，直軸電壓無法控制直軸電流繼續向左移動，電機轉速無法進一步升高，列出電機直軸電壓方程如式（2）所示：

式中：

Rs-電機定子電阻；

Id-直軸電流；

Ld-直軸電感；

w-電機電氣角頻率；

Lq-交軸電感；

Iq-交軸電流。

3 實驗結果

所提方案在單轉子壓縮機上進行了實驗驗證。在弱磁下，進行快速升降母線電壓，母線電壓從300 V快速下降至250 V，之后右從250 V快速上升至300 V，傳統基于超前角的弱磁方案轉速波動與相電流曲線如圖5（a）所示，本文提出的弱磁方案轉速波動與相電流曲線如圖5（b）所示，對比可知，本文所提方案轉速波動更小，恢復時間更短，動態性能更好。

圖5 轉速與相電流曲線

4 結論

本文得出結論如下：

1）傳統基于雙電流環的弱磁控制交直軸電壓沖突的直接原因在于過調制，本質原因在于交直軸電壓合成矢量幅值受母線電壓限制不能超過Vs_max。

2）本文基于單電流調節器弱磁控制提出一種采用交軸電壓限幅的實現方法，具有實現簡單，過渡過程平滑的特點。

3）所提方法在單轉子壓縮機上進行了快速升降電壓實驗，結果表明，在弱磁區，所提方法較傳統方法有更好的動態性能。