一种交-交变频空调控制方法及控制器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及变频空调器领域，更具体地，涉及一种交-交变频空调控制方法及控制器。所述方法包括：获取压缩机目标转速，并检测三相交流电的三相电压值；根据三相电压值提取三相电压的相位、相序；根据三相电压的相位、相序与压缩机目标转速确定q轴电流目标值，参与FOC磁场定向矢量控制算法，其中，确定后的q轴电流目标值与三相电源相关联，以调整压缩机驱动器的输出功率，使输出功率与三相交流电压同相变化。本发明在提高功率因数的同时，可以显著降低储能电容的电容量，并可以免除了有源PFC电路，提升了控制器的变换效率。
【专利说明】一种交-交变频空调控制方法及控制器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变频空调器领域，更具体地，涉及一种交-交变频空调控制控制方法 及控制器。
【背景技术】
[0002] 变频空调是在普通空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加了变频控制系统。 变频空调的主机是自动进行无级变速的，其可以根据室内情况自动提供所需的冷（热）量； 当室内温度达到期望值后，空调主机则以能够准确保持这一温度的恒定速度运转，实现"不 停机运转"，从而保证环境温度的稳定。
[0003] 在现有技术中，变频控制系统一般称为变频控制器。变频器通常为"交-直-交" 电路结构的变频器，其工作原理为三相交流电通过整流电路得到直流电，再将电解电容滤 波稳压，最后经逆变电路输出电压、频率可调的交流电驱动变频压缩机工作。这类变频器一 方面采用的电解电容容量较大，成本较高，另一方面起整流的电路采用三相不控整流电路 方案，功率因数较低且3次以上谐波电流占比较高，或者采用有源功率因数校正电路方案， 虽然解决了上述问题但是损耗大、干扰大且成本高。
【发明内容】
[0004] 本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种低成本、高功 率因素的交-交变频空调控制控制方法。
[0005] 本发明还提供一种低成本、高功率因素的交-交变频空调控制器。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
[0007] -种交-交变频空调控制方法，所述方法采用FOC磁场定向矢量控制算法作为三 相逆变驱动算法，所述方法包括：
[0008] 获取压缩机目标转速，并检测三相交流电的三相电压值；
[0009] 根据三相电压值提取三相电压的相位、相序；
[0010] 根据三相电压的相位、相序与压缩机目标转速确定q轴电流目标值，参与FOC磁场 定向矢量控制算法，其中，确定后的q轴电流目标值与三相电源的相位相关，以调整压缩机 驱动器的输出功率，使输出功率与三相交流电压同相变化。
[0011] 在本发明中，q轴电流目标值通过三相电压的相位、相序与压缩机目标转速来确 定，使q轴电流目标值与三相电源相关联，由此确定的q轴电流目标值参与到FOC磁场定向 矢量控制算法中，由于压缩机的输出功率与q轴电流iq成正比，进而通过确定q轴电流目 标值来调整压缩机驱动器的输出功率，使其输出功率与交流输入电压同相变化，这使得交 流输入电压最大时输出功率达到最大，从而提高功率因素，而且可以显著降低储能电容的 电容量，并可以免除了有源PFC电路，提升了控制器的变换效率。
[0012] 其中，FOC磁场定向矢量控制算法是常用三相电机控制算法，基本原理描述如下：
[0013] 检测电机M的相电流iu、iv，并由下式求得iw :
[0014] iw = -iu-iv
[0015] 经过a-b-c静态三坐标变换到d_q旋转坐标，变换公式如下：
[0016] 克拉克变换：Ia =iu
[0017] I β =⑶ 5>Kiu+iv)
[0018] 帕克变换：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为转子位置角，由速度/位置估算单元使用公知的估算算法得到，由此得 到电机驱动电流在d-q旋转坐标中d轴的电流值id、q轴的电流值iq，两个电流都是直流 分量，将交流电机控制变换为直流电机控制。
[0021] 其中d轴代表励磁方向，对d轴电流的改变，可以改变永磁磁场的磁链大小，进而 实现弱磁控制，对q轴电流的改变，代表可以影响电机的驱动功率，对于逆变器的输出功率 P表示为：
[0022] P = iq*Uq，其中Uq为q轴上的电压，可以通过下式得到：
[0023] Uq = Rs*id+Lq*piq+ω *Ld*id+ω * ψ
[0024] 其中：Rs是电机绕组电阻，Lq是电机q轴电感，piq是电流iq的微分，ω是电机 转速，Ld是电机d轴电感，Ψ是电机永磁体磁链。
[0025] 为了实现对电机的控制目的，设置了 d轴电流id的目标控制电流值idref、q轴电 流iq的目标控制电流值iqref，直接作为目标值参与运算。
[0026] 通过上述的描述可知：调整q轴电流iq，就可以实现调整逆变器的输出功率P，若 实现功率P的变化随着相电压而变化，该相为三相电源电流正向导通的相，三相整流时每 两相电压之间是轮流导通的，其中三相正向导通也是轮流进行的。同理，也可以全部取为负 向导通。寻找一补偿系数Mv，使得Mv的变化和三相电压的相位相关；当Ul与U3相之间整 流导通时，实现在90度相位附近进行补偿（60-120度相位），提高在90度相位附近的电流 值；根据正弦波的对称性，作为负向控制，实现在180相位附近进行补偿（150-210度），提 高在180度相位附近的电流值。同理，可得到Ul与U2之间、U2与U3之间的电流补偿。
[0027] 具体地，根据三相电压的相位、相序与压缩机目标转速确定q轴电流目标值的步 骤具体为：
[0028] SI. FOC磁场定向矢量控制算法中，根据压缩机目标转速，确定q轴电流基础目标 值iqref，并根据三相电压的相位、相序，生成q轴电流目标值的调制系数值Mv ;
[0029] S2.利用Sl中确定的q轴电流基础目标值iqref与调制系数Mv相乘，确定q轴电 流目标值iqref。
[0030] Mv是基于交流电设置的，即为构建一个以三相电压的相位、相序与压缩机目标转 速压幅值为自变量的函数Mv，具体是，本发明通过实时检测输入交流电源的电压值与相位， 并由此估算出电源电压的相位，进而通过设定一个与电源电压相位关联的补偿系数，由此 系数去补偿FOC磁场定向矢量控制算法中q轴电流iq的目标值，由于压缩机的输出功率与 q轴电流iq成正比，进而实现调整压缩机驱动器的输出功率，使其输出功率与交流输入电 压同相变化，在提高功率因数的同时，可以显著降低储能电容的电容量，并可以免除了有源 PFC电路，提升了控制器的变换效率。
[0031] 为方便描述和计算，上述三相电压采用正弦表达方式，不是常见的余弦表达方式， 基于正弦与余弦的变换关系，并不影响结果的正确性。
[0032] 基于上述方案，本发明中通过使用q轴电流的调制系数Mv来调整q轴电流iq的 目标值，并且与电源相位关联，使得输出功率随相位变化，从而提高了功率因素，适当降低 LC无源滤波电路中的电容量和电感量，使功率因素和电容量、电感量之间达到一个相对合 理的值，从而能够在保证提高功率因素的同时降低产品的成本。
[0033] 进一步的，Mv的调整过程为：
[0034] 根据三相电源相位、相序信息，其中相位记为cP，三相电源电压的相序依次为 φ-2 π/3、φ、φ+2π/3；
[0035] 以相位Φ为基准，将一个电源周期分为6个区间，分别是：[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)区间，Mv=[sin((p+π/3)]n
[0037] 在[Ji/3,2 π/3)区间，Mv=(sirup)n
[0038] 在[2 π/3，π )区间，Mv=[sin(cp-π/3)] n
[0039] 在[Ji，4 π/3)区间，Mv=[sin(cp_2 π/3) ] n
[0040] 在[4π/3,5π/3)区间，Mv=[sin((p-30] η
[0041] 在[5 π/3,2 π )区间，Mv=[sin(q>_4 π/3)] η
[0042] 上式中的η为自然数或自然数的倒数。
[0043] 进一步的，还包括获取电压幅值，还根据三相电压的电压幅值、相位、相序与压缩 机目标转速确定q轴电流目标值。
[0044] 进一步的，当出现三相电压幅值不平衡时，即U1、U2、U3其中的任意两个或三个数 值不相等时，Mv的产生方法如下：
[0045] Ul、U2、U3的相序记为φ-2 π /3、φ、φ+2 π /3，以相位φ为基准，将一个 电源周期分为6个区间，相位区间边界依次记为0、φ?、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6, 6 个区间依次为[0，φ?)、[φ?，φ2)、[φ2，φ3)、[φ3，φ4)、[φ4，φ5)、[φ5， φ6) ; φΟ、φ?、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6 由下式确定：
【权利要求】
1. 一种交-交变频空调控制方法，所述方法采用FOC磁场定向矢量控制算法作为三相 逆变驱动算法，其特征在于，所述方法包括： 获取压缩机目标转速，并检测三相交流电的三相电压值； 根据三相电压值提取三相电压的相位、相序； 根据三相电压的相位、相序与压缩机目标转速确定q轴电流目标值，参与FOC磁场定向 矢量控制算法，其中，确定后的q轴电流目标值与三相电源相关联，以调整压缩机驱动器的 输出功率，使输出功率与三相交流电压同相变化。
2. 根据权利要求1所述的交-交变频空调控制方法，其特征在于，根据三相电压的相 位、相序与压缩机目标转速确定q轴电流目标值的步骤具体为： 51. FOC磁场定向矢量控制算法中，根据压缩机目标转速，确定q轴电流基础目标值 iqref，并根据三相电压的相位、相序，生成q轴电流目标值的调制系数值Mv;
52. 利用Sl中确定的q轴电流基础目标值iqref与调制系数Mv相乘，确定q轴电流目 标值iqref。
3. 根据权利要求1所述的交-交变频空调控制方法，其特征在于，Mv的调整过程为： 根据三相电源相位、相序信息，其中相位记为Φ，三相电源电压的相序依次为 Φ-2 /3、φ、φ+2 /3； 以相位φ为基准，将一个电源周期分为6个区间，分别是：[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)区间，Mv=[sin(q>+Ji/3)]n 在[Ji/3,2π/3)区间，Mv=(siri{p)n 在[2π/3，π)区间，Mv= [sin(φ-π/3)]Π 在[Ji，4π/3)区间，Mv= [sin(φ-2π/3)]η 在[4π/3, 5π/3)区间，Mv= [Sin(Cp-Ji)]η 在[5π/3,2π)区间，Mv=[sin((p-4：n： /3)]η 上式中的η为自然数或自然数的倒数。
4. 根据权利要求1所述的交-交变频空调控制方法，其特征在于，还包括获取电压幅 值，还根据三相电压的电压幅值、相位、相序与压缩机目标转速确定q轴电流目标值。
5. 根据权利要求书4所述的交-交变频空调控制方法，其特征在于：当出现三相电压 幅值不平衡时，即Ul、U2、U3其中的任意两个或三个数值不相等时，Mv的产生方法如下： Ul、U2、U3的相序记为φ_2π/3、φ、φ+2π/3,以相位φ为基准，将一个电源 周期分为6个区间，相位区间边界依次记为0、φΚφ2、φ3、φ4、φ5、φ6, 6个 区间依次为[0，φ?)、[φ?，φ2)、[φ2，φ3)、[φ3，φ4)、[φ4，φ5)、[φ5， φ6) ;φ0、φ?、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6 由下式确定： 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?)区间，Mv=[sin(q)+7T/3)]n 在[φ?，φ2)区间，Mv=(Simp)η 在[φ2,φ3)区间，MV=[sin(cp-π/3)]η 在[φ3，φ4)区间，Mv=[sin(cp_2Ji/3)]n 在[φ4，φ5)区间，Mv=[sin(q>-π)]11 在[φ5，φ6)区间，Mv=[sin(q>-4：n：/3)]n 上式中的η为自然数或自然数的倒数。
6. 根据权利要求书1所述的交-交变频空调控制方法，对q轴电流进行补偿控制，其控 制的方法是： 根据直流侧电压瞬时值Vp的大小设定idMf，当实际压缩机驱动电流Id满足下式时开 始调整其控制目标值idMf值： (LqX Iq)2+(LdX Id+Ψ)2 = (Vp - k)2/(3X ω2) (I) 其中k为大于零且小于Vp的常数，Ld为压缩机的d轴电感，Lq为压缩机的q轴电感，iq为压缩机的q轴电流，Id为压缩机的d轴电流，ω为压缩机转速，ψ为压缩机转子磁链； 且idMf值的调整使得iq、Id、Vp、ω值满足以下条件： (LqXiq)2+(LdXId+￥)2 彡（Vp-k)V(3Xω2)⑵ 从而进行并实现实时弱磁控制。
7. 根据权利要求1所述的交-交变频空调控制方法，其特征在于，所述方法还检测主回 路电流值对Mv进行修正。
8. 根据权利要求7所述的交-交变频空调控制方法，其特征在于，利用主回路电流值对 Mv进行修正的具体方式为： 设修正系数M=(I-Ii(Itl-I)/IcZlOO)，其中η为自然数，Itl为主回路的额定电流，I为 实时运行电流，将调制系数值Mv与修正系数值M相乘得到修正后的调制系数值Mv; 或者，设主回路实际工作电流I的额定值为Itl，预设电流值IpI2，其中： Itl>I1>I2>0，q轴电流目标值修正前的调制系数值为Mvl， 当I>I。时：Mv = (l+m/100) XMvl，m为大于1的自然数， 当I1>I>I2时：Mv=1， 当I2彡I时：Mv = l-(l-n/100) XMvl，η为大于1的自然数。
9. 一种交-交变频空调控制器，其包括三相整流桥堆、三相逆变电路、主控单元、连接 在三相整流桥堆和三相逆变电路之间的LC无源滤波电路、连接在主控单元和三相逆变电 路之间的逆变驱动电路，外部压缩机的相电流检测信号输入主控单元，主控单元产生六路PWM信号输出到逆变驱动电路，逆变驱动电路驱动三相逆变电路工作，主控单元中采用FOC 磁场定向矢量控制算法作为三相逆变驱动算法，其特征在于，主控单元采用权利要求1-8 任一项所述的控制方法进行控制，所述控制器还包括用于检测三相交流电电压的电压检测 电路，电压检测电路的输出端连接主控单元，电压检测电路检测到的三相电压值输入主控 单元中，LC无源滤波电路中电容量的总和小于0. 15μF/W与最高允许输出功率的积，电感 量低于15mH。
10. 根据权利要求9所述的交-交变频空调控制器，其特征在于，LC无源滤波电路中串 联有一个阻尼电阻。
11. 根据权利要求10所述的交-交变频空调控制器，其特征在于，所述阻尼电阻的阻值 大于或者等于0.08欧姆。
【文档编号】H02P21/00GK104320032SQ201410520887
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】王斌 申请人:海信科龙电器股份有限公司, 广东科龙空调器有限公司