一种功率变换电路及其控制方法与流程

本发明涉及空调电路领域，具体的涉及一种功率变换电路及其控制方法。

背景技术：

现有技术中，很多情况下采用磁场定向控制技术(fieldorientatedcontrol，foc)来控制电机的转速，采用foc进行电机转速控制的功率变换电路工作框图如图2所示，其控制流程如下：

1)电机控制模块接收来自逆变电路输出的三相交流电流中的两相交流电流iu和iv，接收来自电机上位置传感器检测到的电机转子位置角θ，以及接收交流电源的电压信号uac；

2)电机控制模块自身保存有电机转速参考值ωr_ref，根据公式组(1)，计算q轴转矩电流参考值iq_ref和d轴电流参考值id_ref：

其中，kp1、ki1、a、b为现场调试的参数。

3)电流控制模块接收电机控制模块发送的q轴转矩电流参考值iq_ref、d轴电流参考值id_ref，并且接收两相交流电流iu、iv和接收来自电机上位置传感器检测到的电机转子位置角θ，根据公式组(2)，计算q轴电压uq和d轴电压ud：

其中，kp2、ki2为现场调试的参数。

4)pwm发生器根据接收到的q轴电压uq、d轴电压ud、来自电机上位置传感器检测到的电机转子位置角θ和母线电容电压udc，根据公式组(3)，计算逆变电路三个上桥igbt开闭的占空比pu、pv和pw，使逆变电路三个上桥igbt分别按照pu、pv和pw的占空比开关，下桥igbt与上桥igbt的开关状态相反：

在实际使用磁场定向控制技术时，应当根据工程应用条件调节kp1、kp2、kp3、ki1、ki2、ki3、a和b的值，以使电机稳定可靠运行。

磁场定向控制技术(fieldorientatedcontrol，foc)为现有技术，相关原理本发明不再赘述，相关技术原理及参数定义可参考但不限于论文《磁场定向控制原理及特性分析》，作者：孟严家、赵广社，以及论文《永磁同步电动机磁场定向控制的研究》，作者：尚喆。

现有技术中，空调的功率变换电路如图3所示，在图3中，因为逆变电路及电机构成的负载为恒功率负载(constantpowerload，cpl)，使得整机输入电流会存在波形畸变，输入功率因数低和电流谐波大，具体的，关于恒功率负载使得电机功率因数变低和电流谐波变大，可以参考但不限于论文《抵消恒功率负载负阻抗特性影响的双向buck/boost变换器控制策略》，作者：张旭辉；论文《同步发电机带恒功率负载稳定性分析》，作者：高朝晖；论文《一种新型交流恒功率负载仿真模型》，作者：董延军。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种功率变换电路及其控制方法，使得逆变电路及电机构成的负载为纯阻性负载，进而增大功率变换电路的功率因数。

具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种功率变换电路，所述功率变换电路包括整流模块、电感器、电容器以及逆变电路，所述逆变电路与电机连接，电机控制模块、电流控制模块和pwm调制模块依次连接，电压检测模块并联设置在电容器上，所述电压检测模块与参考波形计算模块连接，所述参考波形计算模块与电机控制模块连接，所述参考波形计算模块根据电压检测模块检测到的母线电压udc确定母线电压参考波形iq_waveform_ref_dc，所述电机控制模块根据所述母线电压参考波形iq_waveform_ref_dc确定q轴改善转矩电流参考值iq_ref_g。

一种功率变换电路控制方法，所述方法使用前述的功率变换电路，所述方法包括：

根据母线电压udc，通过公式确定参考波形iq_waveform_ref_dc，根据所述参考波形iq_waveform_ref_dc确定q轴改善转矩电流参考值iq_ref_g，q轴改善转矩电流参考值iq_ref_g与d轴电流参考值id_ref共同作用，以控制电机的功率变化。

较佳的，所述方法包括：

步骤1：参考波形计算模块接收电压检测模块检测到的母线电压udc；

步骤2：参考波形计算模块根据公式确定母线电压参考波形iq_waveform_ref_dc；

步骤3：电机控制模块根据交流电压uac、第一相电流iu、第二相电流iv、电机转速参考值ωr_ref、电机转子位置角θ，通过计算得到d轴电流参考值id_ref和q轴转矩电流峰值参考值iq_ref_peak；

步骤4：电机控制模块根据公式iq_ref_g＝iq_ref_peak*iq_waveform_ref_dc，确定q轴改善转矩电流参考值iq_ref_g；

步骤5：电流控制模块根据所述q轴改善转矩电流参考值iq_ref_g和d轴电流参考值id_ref，控制电机的功率变化。

较佳的，所述步骤3包括：

根据公式组

确定d轴电流参考值id_ref和q轴转矩电流峰值参考值iq_ref_peak。

较佳的，所述步骤5包括：

步骤51：电流控制模块根据所述q轴改善转矩电流参考值iq_ref_g和d轴电流参考值id_ref，计算得到q轴改善电压uq_g和d轴电压ud；

步骤52：pwm调制模块根据q轴改善电压uq_g和d轴电压ud，输出符合要求的pwm波形，以使电路负载表现为纯阻性负载。

较佳的，所述步骤51包括：

电流控制模块根据公式组

确定q轴改善电压uq_g和d轴电压ud。

较佳的，所述步骤52包括：

步骤521：pwm调制模块根据公式组

确定逆变电路中每个igbt开关的占空比pu_g、pv_g和pw_g；

步骤522：使逆变电路三个上桥igbt分别按照pu_g、pv_g和pw_g的占空比开关，下桥igbt与上桥igbt的开关状态相反。

本发明的有益效果是：通过对q轴转矩电流参考值iq_ref的确定，使得逆变电路及电机构成的负载为纯阻性负载，进而增大功率变换电路的功率因数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种功率变换电路结构示意图；

图2为现有技术中磁场定向控制技术运算方法示意图；

图3为现有技术中功率变换电路结构示意图。

附图标记说明

为进一步清楚的说明本发明的结构和各部件之间的连接关系，给出了以下附图标记，并加以说明。

1、整流模块；2、电感器；3、电容器；4、逆变电路；5、电压检测模块；6、电机；7、电压互感器；82、第二电流传感器；83、第三电流传感器；9、交流电源；11、参考波形计算模块；12、电机控制模块；13、电流控制模块；14、pwm调制模块；15、位置传感器。

通过上述附图标记说明，结合本发明的实施例，可以更加清楚的理解和说明本发明的技术方案。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

一种功率变换电路，如图1所示，所述功率变换电路包括整流模块1、电感器2、电容器3以及逆变电路4，所述电感器2与交流电源9串联，所述电容器3与所述整流模块1并联，所述逆变电路4并联设置在电容器3上，所述逆变电路4与电机6连接，所述逆变电路4输出的三相交流电用于驱动所述电机6运行，电压互感器7设置在交流电源9上，用于检测交流电源9上的交流电压uac。电压检测模块5并联设置在电容器3上，用于检测电容器3上的母线电压udc。第二电流传感器82和第三电流传感器83分别设置在逆变电路4输出的三相交流电中两相电的电线上，用于检测所在电线上的第一相电流iu和第二相电流iv。在所述电机6上设置位置传感器15，用于检测电机转子位置角θ；参考波形计算模块11用于根据母线电压udc，通过计算得到母线电压参考波形iq_waveform_ref_dc；所述电机控制模块12根据交流电压uac、第一相电流iu、第二相电流iv、电机转子位置角θ以及电机转速参考值ωr_ref(电机转速参考值ωr_ref可以预先保存在电机控制模块12中或者根据需要由其他设备实时向电机控制模块12提供)，通过计算得到q轴转矩电流参考值iq_ref和d轴电流参考值id_ref；电流控制模块13根据q轴转矩电流参考值iq_ref、d轴电流参考值id_ref、电机转子位置角θ、第一相电流iu和第二相电流iv，通过计算得到q轴电压uq和d轴电压ud，pwm调制模块14接收电压检测模块5上得到的母线电压udc，并根据q轴电压uq、d轴电压ud、电机转子位置角θ、第一相电流iu和第二相电流iv的控制，输出期望占空比的pwm波形，控制逆变电路4输出符合要求的三相交流电供电机6使用，使电机6按照对应的功率运行。

定义逆变及电机构成的负载为电路负载，则当所述电路负载为纯阻性负载，且对应电阻值为r、施加在所述电路负载上的母线电压为udc时，所述电路负载的理论吸收功率p1为：

根据foc控制技术，所述电路负载的实际吸收功率p2由下式计算：

p2＝ktiqωr，

其中：kt为转矩常数，iq为q轴转矩电流，ωr为电机当前转速。

令k可以为任意大于零的数，则：

可知，此时所述电路负载即等效为了阻值r为的纯电阻负载。

以上理论分析说明，当q轴转矩电流iq的数值与的数值呈正比例相关时，所述电路负载显示为纯阻性。

对于功率变换电路而言，在理想情况下，当其电路负载为纯阻性时，其输入的电流和电压的相位差为0，即不存在输入电流和电压的相位差异，进而该功率变换电路的输入功率因数为最大值1。

因此母线电压参考波形计算模块可根据公式确定母线电压参考波形iq_waveform_ref_dc，其中k为任意大于零的数，此时所述电路负载表现为纯阻性负载特征。

一种功率变换电路控制方法，所述方法包括：

s101：参考波形计算模块接收电压检测模块检测到的母线电压udc。

s102：参考波形计算模块根据公式确定母线电压参考波形iq_waveform_ref_dc。

s103：电机控制模块根据交流电压uac、第一相电流iu、第二相电流iv、电机转速参考值ωr_ref、电机转子位置角θ，通过计算得到d轴电流参考值id_ref和q轴转矩电流峰值参考值iq_ref_peak。

s104：电机控制模块根据公式iq_ref_g＝iq_ref_peak*iq_waveform_ref_dc，确定q轴改善转矩电流参考值iq_ref_g。

这一步的意义在于，使q轴改善转矩电流参考值iq_ref_g在波形上满足母线电压参考波形iq_waveform_ref_dc的要求，在幅值上满足转矩电流峰值参考值iq_ref_peak的要求。

s105：电流控制模块根据所述q轴改善转矩电流参考值iq_ref_g和d轴电流参考值id_ref，计算得到q轴改善电压uq_g和d轴电压ud。

s106：pwm调制模块根据q轴改善电压uq_g和d轴电压ud，输出符合要求的pwm波形，以使电路负载表现为纯阻性负载。

由前述的分析可知，只要将q轴转矩电流iq设置为按照母线电压udc的平方的规律变化，即可以使由逆变电路和电机构成的电路负载以纯阻性工作，即改善了功率变换电路的功率因数，使功率因数接近1。

在本发明的一个实施例中，步骤s103具体包括：

根据公式组(4)，确定d轴电流参考值id_ref和q轴转矩电流峰值参考值iq_ref_peak：

在本发明的一个实施例中，步骤s105包括：电流控制模块根据公式组(5)确定计算q轴改善电压uq_g和d轴电压ud：

在本发明的一个实施例中，步骤s106包括：

步骤s1061：pwm调制模块根据公式组(6)确定逆变电路中每个igbt开关的占空比pu_g、pv_g和pw_g：

s1062：使逆变电路三个上桥igbt分别按照pu_g、pv_g和pw_g的占空比开关，下桥igbt与上桥igbt的开关状态相反。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。