一種交-交變頻空調(diào)控制方法及控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及變頻空調(diào)器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種交-交變頻空調(diào)控制方法及控制器。所述方法包括：獲取壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并檢測(cè)三相交流電的三相電壓值；根據(jù)三相電壓值提取三相電壓的相位、相序；根據(jù)三相電壓的相位、相序與壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定q軸電流目標(biāo)值，參與FOC磁場(chǎng)定向矢量控制算法，其中，確定后的q軸電流目標(biāo)值與三相電源相關(guān)聯(lián)，以調(diào)整壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率，使輸出功率與三相交流電壓同相變化。本發(fā)明在提高功率因數(shù)的同時(shí)，可以顯著降低儲(chǔ)能電容的電容量，并可以免除了有源PFC電路，提升了控制器的變換效率。
【專利說(shuō)明】一種交-交變頻空調(diào)控制方法及控制器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及變頻空調(diào)器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種交-交變頻空調(diào)控制控制方法 及控制器。

【背景技術(shù)】
[0002] 變頻空調(diào)是在普通空調(diào)的基礎(chǔ)上選用了變頻專用壓縮機(jī)，增加了變頻控制系統(tǒng)。 變頻空調(diào)的主機(jī)是自動(dòng)進(jìn)行無(wú)級(jí)變速的，其可以根據(jù)室內(nèi)情況自動(dòng)提供所需的冷（熱）量； 當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到期望值后，空調(diào)主機(jī)則以能夠準(zhǔn)確保持這一溫度的恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)"不 停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)"，從而保證環(huán)境溫度的穩(wěn)定。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，變頻控制系統(tǒng)一般稱為變頻控制器。變頻器通常為"交-直-交" 電路結(jié)構(gòu)的變頻器，其工作原理為三相交流電通過(guò)整流電路得到直流電，再將電解電容濾 波穩(wěn)壓，最后經(jīng)逆變電路輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電驅(qū)動(dòng)變頻壓縮機(jī)工作。這類變頻器一 方面采用的電解電容容量較大，成本較高，另一方面起整流的電路采用三相不控整流電路 方案，功率因數(shù)較低且3次以上諧波電流占比較高，或者采用有源功率因數(shù)校正電路方案， 雖然解決了上述問(wèn)題但是損耗大、干擾大且成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷（不足），提供一種低成本、高功 率因素的交-交變頻空調(diào)控制控制方法。
[0005] 本發(fā)明還提供一種低成本、高功率因素的交-交變頻空調(diào)控制器。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種交-交變頻空調(diào)控制方法，所述方法采用FOC磁場(chǎng)定向矢量控制算法作為三 相逆變驅(qū)動(dòng)算法，所述方法包括：
[0008] 獲取壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并檢測(cè)三相交流電的三相電壓值；
[0009] 根據(jù)三相電壓值提取三相電壓的相位、相序；
[0010] 根據(jù)三相電壓的相位、相序與壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定q軸電流目標(biāo)值，參與FOC磁場(chǎng) 定向矢量控制算法，其中，確定后的q軸電流目標(biāo)值與三相電源的相位相關(guān)，以調(diào)整壓縮機(jī) 驅(qū)動(dòng)器的輸出功率，使輸出功率與三相交流電壓同相變化。
[0011] 在本發(fā)明中，q軸電流目標(biāo)值通過(guò)三相電壓的相位、相序與壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速來(lái)確 定，使q軸電流目標(biāo)值與三相電源相關(guān)聯(lián)，由此確定的q軸電流目標(biāo)值參與到FOC磁場(chǎng)定向 矢量控制算法中，由于壓縮機(jī)的輸出功率與q軸電流iq成正比，進(jìn)而通過(guò)確定q軸電流目 標(biāo)值來(lái)調(diào)整壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率，使其輸出功率與交流輸入電壓同相變化，這使得交 流輸入電壓最大時(shí)輸出功率達(dá)到最大，從而提高功率因素，而且可以顯著降低儲(chǔ)能電容的 電容量，并可以免除了有源PFC電路，提升了控制器的變換效率。
[0012] 其中，F(xiàn)OC磁場(chǎng)定向矢量控制算法是常用三相電機(jī)控制算法，基本原理描述如下：
[0013] 檢測(cè)電機(jī)M的相電流iu、iv，并由下式求得iw :
[0014] iw = -iu-iv
[0015] 經(jīng)過(guò)a-b-c靜態(tài)三坐標(biāo)變換到d_q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，變換公式如下：
[0016] 克拉克變換：Ia =iu
[0017] I β =⑶ 5>Kiu+iv)
[0018] 帕克變換：id = I a *cos ( Θ e) +1 β *sin ( Θ e)
[0019] iq =-I α *sin ( θ e)+1 β *cos ( θ e)
[0020] 其中θ e為轉(zhuǎn)子位置角，由速度/位置估算單元使用公知的估算算法得到，由此得 到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中d軸的電流值id、q軸的電流值iq，兩個(gè)電流都是直流 分量，將交流電機(jī)控制變換為直流電機(jī)控制。
[0021] 其中d軸代表勵(lì)磁方向，對(duì)d軸電流的改變，可以改變永磁磁場(chǎng)的磁鏈大小，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)弱磁控制，對(duì)q軸電流的改變，代表可以影響電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，對(duì)于逆變器的輸出功率 P表示為：
[0022] P = iq*Uq，其中Uq為q軸上的電壓，可以通過(guò)下式得到：
[0023] Uq = Rs*id+Lq*piq+ω *Ld*id+ω * ψ
[0024] 其中：Rs是電機(jī)繞組電阻，Lq是電機(jī)q軸電感，piq是電流iq的微分，ω是電機(jī) 轉(zhuǎn)速，Ld是電機(jī)d軸電感，Ψ是電機(jī)永磁體磁鏈。
[0025] 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制目的，設(shè)置了 d軸電流id的目標(biāo)控制電流值idref、q軸電 流iq的目標(biāo)控制電流值iqref，直接作為目標(biāo)值參與運(yùn)算。
[0026] 通過(guò)上述的描述可知：調(diào)整q軸電流iq，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整逆變器的輸出功率P，若 實(shí)現(xiàn)功率P的變化隨著相電壓而變化，該相為三相電源電流正向?qū)ǖ南?，三相整流時(shí)每 兩相電壓之間是輪流導(dǎo)通的，其中三相正向?qū)ㄒ彩禽喠鬟M(jìn)行的。同理，也可以全部取為負(fù) 向?qū)?。尋找一補(bǔ)償系數(shù)Mv，使得Mv的變化和三相電壓的相位相關(guān)；當(dāng)Ul與U3相之間整 流導(dǎo)通時(shí)，實(shí)現(xiàn)在90度相位附近進(jìn)行補(bǔ)償（60-120度相位），提高在90度相位附近的電流 值；根據(jù)正弦波的對(duì)稱性，作為負(fù)向控制，實(shí)現(xiàn)在180相位附近進(jìn)行補(bǔ)償（150-210度），提 高在180度相位附近的電流值。同理，可得到Ul與U2之間、U2與U3之間的電流補(bǔ)償。
[0027] 具體地，根據(jù)三相電壓的相位、相序與壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定q軸電流目標(biāo)值的步 驟具體為：
[0028] SI. FOC磁場(chǎng)定向矢量控制算法中，根據(jù)壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，確定q軸電流基礎(chǔ)目標(biāo) 值iqref，并根據(jù)三相電壓的相位、相序，生成q軸電流目標(biāo)值的調(diào)制系數(shù)值Mv ;
[0029] S2.利用Sl中確定的q軸電流基礎(chǔ)目標(biāo)值iqref與調(diào)制系數(shù)Mv相乘，確定q軸電 流目標(biāo)值iqref。
[0030] Mv是基于交流電設(shè)置的，即為構(gòu)建一個(gè)以三相電壓的相位、相序與壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn) 速壓幅值為自變量的函數(shù)Mv，具體是，本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入交流電源的電壓值與相位， 并由此估算出電源電壓的相位，進(jìn)而通過(guò)設(shè)定一個(gè)與電源電壓相位關(guān)聯(lián)的補(bǔ)償系數(shù)，由此 系數(shù)去補(bǔ)償FOC磁場(chǎng)定向矢量控制算法中q軸電流iq的目標(biāo)值，由于壓縮機(jī)的輸出功率與 q軸電流iq成正比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)整壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率，使其輸出功率與交流輸入電 壓同相變化，在提高功率因數(shù)的同時(shí)，可以顯著降低儲(chǔ)能電容的電容量，并可以免除了有源 PFC電路，提升了控制器的變換效率。
[0031] 為方便描述和計(jì)算，上述三相電壓采用正弦表達(dá)方式，不是常見(jiàn)的余弦表達(dá)方式， 基于正弦與余弦的變換關(guān)系，并不影響結(jié)果的正確性。
[0032] 基于上述方案，本發(fā)明中通過(guò)使用q軸電流的調(diào)制系數(shù)Mv來(lái)調(diào)整q軸電流iq的 目標(biāo)值，并且與電源相位關(guān)聯(lián)，使得輸出功率隨相位變化，從而提高了功率因素，適當(dāng)降低 LC無(wú)源濾波電路中的電容量和電感量，使功率因素和電容量、電感量之間達(dá)到一個(gè)相對(duì)合 理的值，從而能夠在保證提高功率因素的同時(shí)降低產(chǎn)品的成本。
[0033] 進(jìn)一步的，Mv的調(diào)整過(guò)程為：
[0034] 根據(jù)三相電源相位、相序信息，其中相位記為cP，三相電源電壓的相序依次為 φ-2 π/3、φ、φ+2π/3；
[0035] 以相位Φ為基準(zhǔn)，將一個(gè)電源周期分為6個(gè)區(qū)間，分別是：[0, π/3)、[π/3， 2 3?/3) > [2 3?/3, JI) ^ [ JI ,4 3?/3) > [4 3?/3,5 3?/3) > [5 3?/3,2 3?)；
[0036] 在[0, π/3)區(qū)間，Mv=[sin((p+π/3)]n
[0037] 在[Ji/3,2 π/3)區(qū)間，Mv=(sirup)n
[0038] 在[2 π/3，π )區(qū)間，Mv=[sin(cp-π/3)] n
[0039] 在[Ji，4 π/3)區(qū)間，Mv=[sin(cp_2 π/3) ] n
[0040] 在[4π/3,5π/3)區(qū)間，Mv=[sin((p-30] η
[0041] 在[5 π/3,2 π )區(qū)間，Mv=[sin(q>_4 π/3)] η
[0042] 上式中的η為自然數(shù)或自然數(shù)的倒數(shù)。
[0043] 進(jìn)一步的，還包括獲取電壓幅值，還根據(jù)三相電壓的電壓幅值、相位、相序與壓縮 機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定q軸電流目標(biāo)值。
[0044] 進(jìn)一步的，當(dāng)出現(xiàn)三相電壓幅值不平衡時(shí)，即U1、U2、U3其中的任意兩個(gè)或三個(gè)數(shù) 值不相等時(shí)，Mv的產(chǎn)生方法如下：
[0045] Ul、U2、U3的相序記為φ-2 π /3、φ、φ+2 π /3，以相位φ為基準(zhǔn)，將一個(gè) 電源周期分為6個(gè)區(qū)間，相位區(qū)間邊界依次記為0、φ?、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6, 6 個(gè)區(qū)間依次為[0，φ?)、[φ?，φ2)、[φ2，φ3)、[φ3，φ4)、[φ4，φ5)、[φ5， φ6) ; φΟ、φ?、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6 由下式確定：

【權(quán)利要求】
1. 一種交-交變頻空調(diào)控制方法，所述方法采用FOC磁場(chǎng)定向矢量控制算法作為三相 逆變驅(qū)動(dòng)算法，其特征在于，所述方法包括： 獲取壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并檢測(cè)三相交流電的三相電壓值； 根據(jù)三相電壓值提取三相電壓的相位、相序； 根據(jù)三相電壓的相位、相序與壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定q軸電流目標(biāo)值，參與FOC磁場(chǎng)定向 矢量控制算法，其中，確定后的q軸電流目標(biāo)值與三相電源相關(guān)聯(lián)，以調(diào)整壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 輸出功率，使輸出功率與三相交流電壓同相變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交-交變頻空調(diào)控制方法，其特征在于，根據(jù)三相電壓的相 位、相序與壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定q軸電流目標(biāo)值的步驟具體為： 51. FOC磁場(chǎng)定向矢量控制算法中，根據(jù)壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，確定q軸電流基礎(chǔ)目標(biāo)值 iqref，并根據(jù)三相電壓的相位、相序，生成q軸電流目標(biāo)值的調(diào)制系數(shù)值Mv;
52. 利用Sl中確定的q軸電流基礎(chǔ)目標(biāo)值iqref與調(diào)制系數(shù)Mv相乘，確定q軸電流目 標(biāo)值iqref。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交-交變頻空調(diào)控制方法，其特征在于，Mv的調(diào)整過(guò)程為： 根據(jù)三相電源相位、相序信息，其中相位記為Φ，三相電源電壓的相序依次為 Φ-2 /3、φ、φ+2 /3； 以相位φ為基準(zhǔn)，將一個(gè)電源周期分為6個(gè)區(qū)間，分別是：[0, 31/3)、[31/3, 2 31/3)、 [2π/3，π)、[;η，4π/3)、[4π/3,5π/3)、[5π/3,2π); 在[0，ji/3)區(qū)間，Mv=[sin(q>+Ji/3)]n 在[Ji/3,2π/3)區(qū)間，Mv=(siri{p)n 在[2π/3，π)區(qū)間，Mv= [sin(φ-π/3)]Π 在[Ji，4π/3)區(qū)間，Mv= [sin(φ-2π/3)]η 在[4π/3, 5π/3)區(qū)間，Mv= [Sin(Cp-Ji)]η 在[5π/3,2π)區(qū)間，Mv=[sin((p-4：n： /3)]η 上式中的η為自然數(shù)或自然數(shù)的倒數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交-交變頻空調(diào)控制方法，其特征在于，還包括獲取電壓幅 值，還根據(jù)三相電壓的電壓幅值、相位、相序與壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定q軸電流目標(biāo)值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求書(shū)4所述的交-交變頻空調(diào)控制方法，其特征在于：當(dāng)出現(xiàn)三相電壓 幅值不平衡時(shí)，即Ul、U2、U3其中的任意兩個(gè)或三個(gè)數(shù)值不相等時(shí)，Mv的產(chǎn)生方法如下： Ul、U2、U3的相序記為φ_2π/3、φ、φ+2π/3,以相位φ為基準(zhǔn)，將一個(gè)電源 周期分為6個(gè)區(qū)間，相位區(qū)間邊界依次記為0、φΚφ2、φ3、φ4、φ5、φ6, 6個(gè) 區(qū)間依次為[0，φ?)、[φ?，φ2)、[φ2，φ3)、[φ3，φ4)、[φ4，φ5)、[φ5， φ6) ;φ0、φ?、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6 由下式確定： U2Xsin(φ?) =U3Xsin(φ1+2π/3) φ?e(〇，π/3) UlXsin(φ2-2π/3)=USXsin(φ2+2π/3) (p2e〇/3，2π/3) UlXsin(φ3~2π/3)=U2Xsin(φ3) φ3ε(2n/3 ,η) U3Xsin(φ4+2π/3) =U2Xsin(φ4) φ4^ (π, 4π/3) U3Xsin(φ5+2π/3)=UlXsin(φ5_2π/3)φ5Ε(4π/3，5π/3) U2Xsin (φΟ) =UlXsin (φ6_2π/3) φ6^ (5 π/3 , 2 π ) 在[0，φ?)區(qū)間，Mv=[sin(q)+7T/3)]n 在[φ?，φ2)區(qū)間，Mv=(Simp)η 在[φ2,φ3)區(qū)間，MV=[sin(cp-π/3)]η 在[φ3，φ4)區(qū)間，Mv=[sin(cp_2Ji/3)]n 在[φ4，φ5)區(qū)間，Mv=[sin(q>-π)]11 在[φ5，φ6)區(qū)間，Mv=[sin(q>-4：n：/3)]n 上式中的η為自然數(shù)或自然數(shù)的倒數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的交-交變頻空調(diào)控制方法，對(duì)q軸電流進(jìn)行補(bǔ)償控制，其控 制的方法是： 根據(jù)直流側(cè)電壓瞬時(shí)值Vp的大小設(shè)定idMf，當(dāng)實(shí)際壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電流Id滿足下式時(shí)開(kāi) 始調(diào)整其控制目標(biāo)值idMf值： (LqX Iq)2+(LdX Id+Ψ)2 = (Vp - k)2/(3X ω2) (I) 其中k為大于零且小于Vp的常數(shù)，Ld為壓縮機(jī)的d軸電感，Lq為壓縮機(jī)的q軸電感，iq為壓縮機(jī)的q軸電流，Id為壓縮機(jī)的d軸電流，ω為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，ψ為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈； 且idMf值的調(diào)整使得iq、Id、Vp、ω值滿足以下條件： (LqXiq)2+(LdXId+￥)2 彡（Vp-k)V(3Xω2)⑵ 從而進(jìn)行并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)弱磁控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交-交變頻空調(diào)控制方法，其特征在于，所述方法還檢測(cè)主回 路電流值對(duì)Mv進(jìn)行修正。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的交-交變頻空調(diào)控制方法，其特征在于，利用主回路電流值對(duì) Mv進(jìn)行修正的具體方式為： 設(shè)修正系數(shù)M=(I-Ii(Itl-I)/IcZlOO)，其中η為自然數(shù)，Itl為主回路的額定電流，I為 實(shí)時(shí)運(yùn)行電流，將調(diào)制系數(shù)值Mv與修正系數(shù)值M相乘得到修正后的調(diào)制系數(shù)值Mv; 或者，設(shè)主回路實(shí)際工作電流I的額定值為Itl，預(yù)設(shè)電流值IpI2，其中： Itl>I1>I2>0，q軸電流目標(biāo)值修正前的調(diào)制系數(shù)值為Mvl， 當(dāng)I>I。時(shí)：Mv = (l+m/100) XMvl，m為大于1的自然數(shù)， 當(dāng)I1>I>I2時(shí)：Mv=1， 當(dāng)I2彡I時(shí)：Mv = l-(l-n/100) XMvl，η為大于1的自然數(shù)。
9. 一種交-交變頻空調(diào)控制器，其包括三相整流橋堆、三相逆變電路、主控單元、連接 在三相整流橋堆和三相逆變電路之間的LC無(wú)源濾波電路、連接在主控單元和三相逆變電 路之間的逆變驅(qū)動(dòng)電路，外部壓縮機(jī)的相電流檢測(cè)信號(hào)輸入主控單元，主控單元產(chǎn)生六路PWM信號(hào)輸出到逆變驅(qū)動(dòng)電路，逆變驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)三相逆變電路工作，主控單元中采用FOC 磁場(chǎng)定向矢量控制算法作為三相逆變驅(qū)動(dòng)算法，其特征在于，主控單元采用權(quán)利要求1-8 任一項(xiàng)所述的控制方法進(jìn)行控制，所述控制器還包括用于檢測(cè)三相交流電電壓的電壓檢測(cè) 電路，電壓檢測(cè)電路的輸出端連接主控單元，電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到的三相電壓值輸入主控 單元中，LC無(wú)源濾波電路中電容量的總和小于0. 15μF/W與最高允許輸出功率的積，電感 量低于15mH。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的交-交變頻空調(diào)控制器，其特征在于，LC無(wú)源濾波電路中串 聯(lián)有一個(gè)阻尼電阻。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的交-交變頻空調(diào)控制器，其特征在于，所述阻尼電阻的阻值 大于或者等于0.08歐姆。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK104320032SQ201410520887
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】王斌 申請(qǐng)人:海信科龍電器股份有限公司, 廣東科龍空調(diào)器有限公司