CN107171616A - 功率变换控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出一种功率变换控制方法及装置，涉及变频驱动技术领域。该功率变换控制方法及装置依据输入的电源电压、母线电压、输入至电机的相电流以及预设定的电机转速参考值计算出q轴电压指令值及d轴电压指令值后，再依据q轴电压指令值及d轴电压指令值生成脉宽调制信号，以便在交流电压峰值处，控制电机输出较大的功率，而在交流电压过零点附近，控制电机输出较小功率，从而使得输入电流波形在交流电压过零点附近较小，减小了电流谐波，增大了功率因数，也使得电机的工作效率得以增强。

Description

功率变换控制方法及装置

技术领域

本发明涉及变频驱动技术领域，具体而言，涉及一种功率变换控制方法及装置。

背景技术

压缩机是一种将低压气体提升为高压气体的从动的流体机械，而压缩机工作需要电机的带动。

在现有技术中，电机吸收的功率为恒定功率，交流电压峰值处的功率和交流电压过零点附近功率无差异，而在过零点附近因为交流电压比较低，故过零点赴京电流会比较大，从而导致交流输入电流不是正弦波形，功率因数较低，谐波电流比较大，致使压缩机电机的工作效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率变换控制方法及装置，以减小谐波电流，提高功率因数。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种功率变换控制方法，所述功率变换控制方法包括：

接收输入的电源电压、母线电压、输入至电机的相电流；

依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压指令值；

依据所述母线电压、所述相电流计算d轴电压指令值；

依据所述q轴电压指令值及所述d轴电压指令值生成脉宽调制信号。

第二方面，本发明实施例还提供了一种功率变换控制装置，所述功率变换控制装置包括：

参数接收单元，用于接收输入的电源电压、母线电压、输入至电机的相电流；

计算单元，用于依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压指令值；

所述计算还用于依据所述母线电压、所述相电流计算d轴电压指令值；

脉宽调制信号生成单元，用于依据所述q轴电压指令值及所述d轴电压指令值生成脉宽调制信号。

本发明实施例提供的功率变换控制方法及装置，依据输入的电源电压、母线电压、输入至电机的相电流以及预设定的电机转速参考值计算出q轴电压指令值及d轴电压指令值后，再依据q轴电压指令值及d轴电压指令值生成脉宽调制信号，以便在交流电压峰值处，控制电机输出较大的功率，而在交流电压过零点附近，控制电机输出较小功率，从而使得输入电流波形在交流电压过零点附近较小，减小了电流谐波，增大了功率因数，也使得电机的工作效率得以增强。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了可应用本发明实施例提供的功率变换控制方法及装置的电路图。

图2示出了本发明实施例所提供的功率变换控制方法的流程图。

图3示出了图2中步骤S102的子步骤流程图。

图4示出了图3中步骤S1021的子步骤流程图。

图5示出了图2中步骤S103的子步骤流程图。

图6示出了本发明实施例提供的功率变换控制装置的功能模块框图。

图标：100-功率变换控制装置；110-参数接收单元；120-计算单元；130-脉宽调制信号生成单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一实施例

本发明实施例提供了一种功率变换控制方法，于控制驱动电路以带动电机运转，从而实现依据交流电压的变化控制电机输出功率的大小。请参阅图1，示出了可应用功率变换控制方法及装置的电路图。可以理解地，控制模块包含本发明实施例所提供的功率变换控制装置100。

请参阅图2，示出了本发明实施例所提供的功率变换控制方法的流程图。该功率变换控制方法包括以下步骤：

步骤S101：接收输入的电源电压、母线电压、输入至电机的相电流。

首先接收输入的计算q轴电压指令值以及d轴电压指令值所需的参数。此外，需要说明的是，在本实施例中，输入至电机的相电流包括u相电流i_u以及v相电流i_v。

步骤S102：依据电源电压、相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压指令值。

请参阅图3，示出了步骤S102的子步骤流程图。该步骤S102包括以下步骤：

子步骤S1021：依据电源电压、相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电流参考值。

请参阅图4，示出了子步骤S1021的子步骤流程图。该子步骤S1021包括以下步骤：

子步骤S10211：依据电源电压、相电流及预设定的电机转速参考值计算功率参考值。

具体地，在计算功率参考值前，需要先对电机转速实际值和平均功率参考值进行计算。

首先，依据相电流计算电机转速实际值，其过程如下：

首先通过u相电流i_u以及v相电流i_v计算w相电流i_w：

i_w＝-i_u-i_v

接着通过u相电流i_u、v相电流i_v以及w相电流i_w计算α轴电流及β轴电流，公式如下所示：

i_α＝i_u

则q轴电流的计算公式为：

i_q＝i_βcosθ-i_αsinθ

d轴电流的计算公式为：

i_d＝i_αcosθ+i_βsinθ

其中，θ为电机转子永磁体磁链的角度，可通过传统的位置估算算法得出，其计算过程如下：

首先依据下述公式计算反电动势的d轴分量和q轴分量：

其中，估算角度与实际角度的误差

则电机转子永磁体磁链的角度由以下算式计算：

θ(n)＝θ(n-1)+Δθ

则，电机转速实际值ω_r为：

接着，依据预设定的电机转速参考值及电机转速实际值计算平均功率参考值P_{avr_Ref}，其计算公式如下：

P_{avr_Ref}＝K_p2*(ω_{r_Ref}-ω_r)+K_i2*∫(ω_{r_Ref}-ω_r)dt

其中，P_{avr_Ref}为平均功率参考值，ω_{r_Ref}为电机转速参考值，ω_r为电机转速实际值，K_p2为预设定的第二比例系数，K_i2为预设定的第二积分系数。

则功率参考值可通过以下算式进行计算：

P_Ref＝P_{avr_Ref}*u_ac*u_ac

其中，u_ac为电源电压。

子步骤S10212：通过算式计算q轴电流参考值，其中，i_{q_Ref}为q轴电流参考值，P_Ref为功率参考值，Ud为d轴当前电压，Uq为q轴当前电压，i_d为d轴电流。

子步骤S1022：通过算式u_q＝K_p1*(i_{q_Ref}-i_q)+K_i1*∫(i_{q_Ref}-i_q)dt计算q轴电压指令值，其中，u_q为q轴电压指令值，i_{q_Ref}为q轴电流参考值，i_q为q轴电流，K_p1为预设定的第一比例系数，K_i1为预设定的第一积分系数。

步骤S103：依据母线电压、相电流计算d轴电压指令值。

请参阅图5，示出了步骤S103的子步骤流程图。该步骤S103包括以下步骤：

子步骤S1031：依据母线电压、相电流计算d轴电流参考值。

具体地，可通过以下算式对d轴电流参考值i_{d_ref}进行计算：

其中，η为预设定的电压利用率，u_dc为母线电压，Iq为预设定的q轴电流给定量，ω_r为电机转速实际值，ψ为电机的转子永磁磁链，Ld为d轴电感。

子步骤S1032：通过算式u_d＝K_p3*(i_{d_Ref}-i_d)+K_i3*∫(i_{d_Ref}-i_d)dt计算d轴电压指令值，其中，u_d为d轴电压指令值，i_{d_Ref}为d轴电流参考值，i_d为d轴电流，K_p3为预设定的第三比例系数，K_i3为预设定的第三积分系数。

步骤S104：依据q轴电压指令值及d轴电压指令值生成脉宽调制信号。

其中，脉宽调制信号用于驱动一逆变模块包含的开关导通或关断，从而使得逆变模块输出d轴电压指令值及q轴电压指令值。

具体地，脉宽调制信号包含电机的三相上桥导通占空比信息，逆变模块依据占空比信息导通或关断。可以理解地，可通过以下算式对占空比信息进行计算：

首先，依据d轴电压指令值及q轴电压指令值计算电机的三相输出脉宽。

u_α＝u_dcosθ-u_qsinθ

u_β＝u_dsinθ+u_qcosθ

u_u＝u_α

依据三相输出脉宽计算电机的三相上桥导通占空比。

需要说明的是，若令交流电源输入功率为P_AC，电容吸收的功率为P_C，电机功率为P_M，则：

P_AC＝P_C+P_M

但由于电容器的电容较小，因而其吸收的功率可以忽略不计，则有：

P_AC≈P_M

又由于q轴电流参考值的表达式为：

因而电机功率为：P_M＝P_{avr_Ref}*u_ac*u_ac，此时交流电源输入功率为P_{avr_Ref}*u_ac*u_ac。

又有，交流电源输入功率的表达式为：P_AC＝u_ac*i_ac

则：

可以理解地，当P_{avr_Ref}变化缓慢，可近似为直流电时，按照本发明提供的功率变换控制方法对电机进行控制，可使得交流输入电流波形与交流电压波形一致，从而保证交流输入谐波电流小，功率因数高，解决传统方案的不足之处。

第二实施例

本发明实施例提供的一种功率变换控制装置100，用于依据交流电压的变化控制电机输出功率的大小。需要说明的是，本实施例所提供的功率变换控制装置100，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。

请参阅图6，示出了本发明实施例提供的功率变换控制装置100的功能模块框图。该功率变换控制装置100包括参数接收单元110、计算单元120以及脉宽调制信号生成单元130。

参数接收单元110用于接收输入的电源电压、母线电压、输入至电机的相电流。

可以理解地，输入至电机的相电流包括u相电流i_u以及v相电流i_v。

计算单元120用于依据电源电压、相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压指令值。

具体地，计算单元120依据电源电压、相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压指令值的过程如下：

首先，依据相电流计算电机转速实际值，其过程如下：

通过u相电流i_u以及v相电流i_v计算w相电流i_w：

i_w＝-i_u-i_v

并通过u相电流i_u、v相电流i_v以及w相电流i_w计算α轴电流及β轴电流，公式如下所示：

i_α＝i_u

则q轴电流的计算公式为：

i_q＝i_βcosθ-i_αsinθ

d轴电流的计算公式为：

i_d＝i_αcosθ+i_βsinθ

其中，θ为电机转子永磁体磁链的角度，可通过传统的位置估算算法得出，其计算过程如下：

首先依据下述公式计算反电动势的d轴分量和q轴分量：

其中，估算角度与实际角度的误差

则电机转子永磁体磁链的角度由以下算式计算：

θ(n)＝θ(n-1)+Δθ

则，电机转速实际值ω_r为：

其次，依据预设定的电机转速参考值及电机转速实际值计算平均功率参考值P_{avr_Ref}，其计算公式如下：

P_{avr_Ref}＝K_p2*(ω_{r_Ref}-ω_r)+K_i2*∫(ω_{r_Ref}-ω_r)dt

其中，P_{avr_Ref}为平均功率参考值，ω_{r_Ref}为电机转速参考值，ω_r为电机转速实际值，K_p2为预设定的第二比例系数，K_i2为预设定的第二积分系数。

然后，通过算式计算q轴电流参考值，其中，i_{q_Ref}为q轴电流参考值，P_Ref为功率参考值，Ud为d轴当前电压，Uq为q轴当前电压，i_d为d轴电流。

最后，通过算式u_q＝K_p1*(i_{q_Ref}-i_q)+K_i1*∫(i_{q_Ref}-i_q)dt计算q轴电压指令值，其中，u_q为q轴电压指令值，i_{q_Ref}为q轴电流参考值，i_q为q轴电流，K_p1为预设定的第一比例系数，K_i1为预设定的第一积分系数。

可以理解地，通过计算单元120可以执行步骤S102、子步骤S1022、子步骤S1021、子步骤S10211以及子步骤S10212。

计算单元120还用于依据母线电压、相电流计算d轴电流参考值。

首先，计算单元120依据母线电压、相电流计算d轴电流参考值。

具体地，可通过以下算式对d轴电流参考值i_{d_ref}进行计算：

其中，η为预设定的电压利用率，u_dc为母线电压，Iq为预设定的q轴电流给定量，ω_r为电机转速实际值，ψ为电机的转子永磁磁链，Ld为d轴电感。

接着，通过算式u_d＝K_p3*(i_{d_Ref}-i_d)+K_i3*∫(i_{d_Ref}-i_d)dt计算d轴电压指令值，其中，u_d为d轴电压指令值，i_{d_Ref}为d轴电流参考值，i_d为d轴电流，K_p3为预设定的第三比例系数，K_i3为预设定的第三积分系数。

可以理解地，通过计算单元120还可以执行步骤S103、子步骤S1031以及子步骤S1032。

脉宽调制信号生成单元130用于依据q轴电压指令值及d轴电压指令值生成脉宽调制信号。

可以理解地，通过脉宽调制信号生成单元130可以执行步骤S104。

综上所述，本发明提供的功率变换控制方法及装置，依据输入的电源电压、母线电压、输入至电机的相电流以及预设定的电机转速参考值计算出q轴电压指令值及d轴电压指令值后，再依据q轴电压指令值及d轴电压指令值生成脉宽调制信号，以便在交流电压峰值处，控制电机输出较大的功率，而在交流电压过零点附近，控制电机输出较小功率，从而使得输入电流波形在交流电压过零点附近较小，减小了电流谐波，增大了功率因数，也使得电机的工作效率得以增强。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (12)

1.一种功率变换控制方法，其特征在于，所述功率变换控制方法包括：

接收输入的电源电压、母线电压、输入至电机的相电流；

依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压指令值；

依据所述母线电压、所述相电流计算d轴电压指令值；

依据所述q轴电压指令值及所述d轴电压指令值生成脉宽调制信号。

2.如权利要求1所述的功率变换控制方法，其特征在于，所述依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压指令值的步骤包括：

依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电流参考值；

通过算式u_q＝K_p1*(i_{q_Ref}-i_q)+K_i1*∫(i_{q_Ref}-i_q)dt计算所述q轴电压指令值，其中，u_q为q轴电压指令值，i_{q_Ref}为q轴电流参考值，i_q为q轴电流，K_p1为预设定的第一比例系数，K_i1为预设定的第一积分系数。

3.如权利要求2所述的功率变换控制方法，其特征在于，所述依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电流参考值的步骤包括：

依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算功率参考值；

通过算式计算所述q轴电流参考值，其中，i_{q_Ref}为q轴电流参考值，P_Ref为功率参考值，Ud为d轴当前电压，Uq为q轴当前电压，i_d为d轴电流。

4.如权利要求3所述的功率变换控制方法，其特征在于，所述依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算功率参考值的步骤包括：

依据所述相电流计算电机转速实际值；

通过算式P_{avr_Ref}＝K_p2*(ω_{r_Ref}-ω_r)+K_i2*∫(ω_{r_Ref}-ω_r)dt计算平均功率参考值，其中，P_{avr_Ref}为平均功率参考值，ω_{r_Ref}为电机转速参考值，ω_r为电机转速实际值，K_p2为预设定的第二比例系数，K_i2为预设定的第二积分系数；

依据所述平均功率参考值及所述电源电压计算功率参考值。

5.如权利要求1所述的功率变换控制方法，其特征在于，所述依据所述母线电压、所述相电流计算d轴电压指令值的步骤包括：

依据所述母线电压、所述相电流计算d轴电流参考值；

通过算式u_d＝K_p3*(i_{d_Ref}-i_d)+K_i3*∫(i_{d_Ref}-i_d)dt计算所述d轴电压指令值，其中，u_d为d轴电压指令值，i_{d_Ref}为d轴电流参考值，i_d为d轴电流，K_p3为预设定的第三比例系数，K_i3为预设定的第三积分系数。

6.如权利要求5所述的功率变换控制方法，其特征在于，所述依据所述母线电压、所述相电流计算d轴电流参考值的步骤包括：

依据所述相电流计算q轴电流及电机转速参考值；

通过算式计算所述d轴电流参考值，其中，η为预设定的电压利用率，u_dc为母线电压，Iq为预设定的q轴电流给定量，ω_r为电机转速实际值，ψ为电机的转子永磁磁链，Ld为d轴电感，i_{d_ref}为d轴电流参考值。

7.一种功率变换控制装置，其特征在于，所述功率变换控制装置包括：

参数接收单元，用于接收输入的电源电压、母线电压、输入至电机的相电流；

计算单元，用于依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压指令值；

所述计算单元还用于依据所述母线电压、所述相电流计算d轴电压指令值；

脉宽调制信号生成单元，用于依据所述q轴电压指令值及所述d轴电压指令值生成脉宽调制信号。

8.如权利要求7所述的功率变换控制装置，其特征在于，所述计算单元用于：

依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电流参考值；

通过算式u_q＝K_p1*(i_{q_Ref}-i_q)+K_i1*∫(i_{q_Ref}-i_q)dt计算所述q轴电压指令值，其中，u_q为q轴电压指令值，i_{q_Ref}为q轴电流参考值，i_q为q轴电流，K_p1为预设定的第一比例系数，K_i1为预设定的第一积分系数。

9.如权利要求8所述的功率变换控制装置，其特征在于，所述计算单元用于：

依据所述电源电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算功率参考值；

通过算式计算所述q轴电流参考值，其中，i_{q_Ref}为q轴电流参考值，P_Ref为功率参考值，Ud为d轴当前电压，Uq为q轴当前电压，i_d为d轴电流。

10.如权利要求9所述的功率变换控制装置，其特征在于，所述计算单元用于：

依据所述相电流计算电机转速实际值；

通过算式P_{avr_Ref}＝K_p2*(ω_{r_Ref}-ω_r)+K_i2*∫(ω_{r_Ref}-ω_r)dt计算平均功率参考值，其中，P_{avr_Ref}为平均功率参考值，ω_{r_Ref}为电机转速参考值，ω_r为电机转速实际值，K_p2为预设定的第二比例系数，K_i2为预设定的第二积分系数；

依据所述平均功率参考值及所述电源电压计算功率参考值。

11.如权利要求7所述的功率变换控制装置，其特征在于，所述计算单元用于：

依据所述母线电压、所述相电流计算d轴电流参考值；

通过算式u_d＝K_p3*(i_{d_Ref}-i_d)+K_i3*∫(i_{d_Ref}-i_d)dt计算所述d轴电压指令值，其中，u_d为d轴电压指令值，i_{d_Ref}为d轴电流参考值，i_d为d轴电流，K_p3为预设定的第三比例系数，K_i3为预设定的第三积分系数。

12.如权利要求11所述的功率变换控制装置，其特征在于，所述计算单元用于：

依据所述相电流计算q轴电流及电机转速参考值；

通过算式计算所述d轴电流参考值，其中，η为预设定的电压利用率，u_dc为母线电压，Iq为预设定的q轴电流给定量，ω_r为电机转速实际值，ψ为电机的转子永磁磁链，Ld为d轴电感。