一種變頻空調風機母線回饋電壓抑制方法

賀小林 張煜文 方許丹

摘? 要：空調外風機在逆風啟動過程中需要進行制動，針對在制動時產生的回饋能量導致母線電壓升高從而引起機組保護的問題，提出一種變頻空調風機母線回饋電壓抑制方法，在風機從進行制動時通過對系統進行分時控制，將一部分回饋能量消耗在電機繞組上，另一部分儲存在母線電容中，僅通過軟件算法就能抑制母線電壓升高。最后提出一種全周期誤差修正算法，消除控制系統中由于分時控制而引起的誤差角，使風機能夠正常逆風啟動，提高風機啟動可靠性。

關鍵詞：風機;逆風啟動;回饋電壓抑制

引言

長期以來，在高層建筑或者沿海一帶，空調外風機在互聯管道、季風的影響下往往需要在逆風工況下完成啟動。然而很多時候空調在4級大風時已經無法啟動，給用戶造成了困擾[1]。在空調風機高速反轉時想要開機，必須將風機制動到零速后再正向啟動運行。然而，風機在制動時產生的回饋能量會讓風機驅動母線電壓升高。若按常規磁場定向控制（Field Oriented Control，FOC）方案進行制動，母線電壓很容易達到保護值，導致停機。許多專家學者針對此問題進行了研究，文獻[2]提出了一種永磁同步電機制動能量回收系統的控制方法，將永磁同步電機在制動時產生的交流電流整流為直流電流，對鉛酸蓄電池進行充電，實現制動能量的回收。蓄電池價格貴、體積大，用這種方法消耗電機制動產生的能量不適用于空調。文獻[3]提出了一種基于DSP的變頻器能量回饋單元，通過設計一種基于固定開關頻率SPWM算法，能夠較好的抑制電機在制動過程中的再生電能回饋，但是會增加一個緩沖電路，不僅增加了成本，也增加了控制難度。文獻[4]對永磁同步電機調速系統能耗制動進行了分析，通過在直流母線兩端加入制動電阻進行能耗制動。很多廠商也都采用這種方法，通過增加剎車電路來消耗空調外風機在制動時產生的能量，然而此方案成本高，制動時間長。

因此，針對空調外風機在逆風啟動過程中制動產生的回饋能量導致母線電壓升高的問題，提出一種變頻空調風機母線回饋電壓抑制方法（Feedback Voltage Suppression Control，FVSC），對系統進行分時控制，將一部分回饋能量消耗在電機繞組上，另一部分儲存在母線電容中，從而抑制母線電壓升高。最后提出一種全周期誤差修正算法，消除控制系統在FOC和FVSC之間不停切換引起的誤差角，從而保證系統穩定，使風機能夠正常啟動，進而節省成本，提高風機啟動可靠性。

1 風機制動過程分析

由于變頻空調外風機主要采用永磁同步電機，在dq旋轉坐標系中其定子磁鏈方程為：

根據式（2）可知，當風機從高速反轉進行制動時，電機d、q軸電感壓降與反電動勢之和會增大，即、會增加。當電感壓降與反電動勢之和大于逆變器端電壓時，為保證方程等式成立，、也會隨之增大，電流將改變方向，能量從電機向直流母線側流動，該狀態下電機相當于一個發電機，使母線電壓持續升高。

如圖1所示為風機驅動示意圖，在傳統的變頻調速控制系統中， 由于受前級二極管整流橋的隔斷， 電機制動產生的回饋能量不能向電網側傳遞， 因此全部存儲在直流側母線電容上， 導致母線電壓持續上升，最終導致保護停機。因此，需要采取一定的措施抑制母線電壓升高。

2 母線回饋電壓抑制方法

傳統的FOC控制如圖2所示。當風機在制動時，若使用傳統的FOC控制，制動產生的回饋能量將全部存儲在直流側母線電容上，從而導致母線電壓升高從而導致保護停機。

2.1分時控制

為了抑制風機在制動時產生的回饋能量使母線電壓升高，提出一種回饋電壓抑制方法，如圖3所示。在順風情況下，風機處于電動狀態，沒有能量反饋至直流母線，因此母線電壓不會升高，此時只需將開關K吸合到1，實現的FOC控制方法，通過q軸轉速、電流雙閉環控制調節風機頻率。

在逆風條件下，風機反轉為發電狀態，在制動時能量會反饋至直流母線，導致母線電壓升高。此時，將開關K吸合到2，進入FVSC控制，通過d軸電壓電流雙閉環控制，使母線電壓跟隨其預設參考值Vdc0，同時將能量消耗在風機三相繞組上，同時將部分能量儲存在母線電容內。

通過在傳統FOC的基礎上構建電壓外環，并采用分時控制模式，令開關K=1時作用t1秒后切換到2，在K=2時作用t2秒后又切換到K=1，以此控制直到母線電壓始終低于預設值。分時控制流程圖如圖4所示。

2.2 全周期誤差角修正

在進行分時控制時，由于控制系統在FOC和FVSC之間不停切換，使得風機反電動勢一直處于波動狀態，導致風機位置估算不準。因此針對此問題設計一種全周期誤差修正算法，對此誤差角進行實時修正，從而將誤差角減小到0，達到實時跟隨風機轉子轉速、空間角度及反電動勢的目的。如圖5所示為誤差角修正示意圖，圖中為實際dq軸坐標系和估算dq軸坐標系之間的誤差角，為實際轉速。

在下一個新的采樣周期，按式（5）至式（7）對修正轉及位置進行實時修正：

式（5）～式（7）中，和分別是第n個周期和第n-1個周期的轉速積分;是第n個周期的誤差角;Ts為采樣周期;和分別是第n個周期和第n-1個周期的轉子位置;是第n個周期的實際轉速;kp、ki分別是比例系數和積分系數。

通過全周期誤差修正算法能夠消除控制系統在FOC和FVSC之間不停切換引起的誤差角，確保系統穩定。通過分時控制將制動時的母線回饋電壓抑制在保護值以下。

3 實驗驗證

為驗證該控制方法的有效性，搭建逆風啟動工裝模擬逆風工況，經驗證及測試，結果如下。

如圖6所示為在傳統FOC控制時對風機進行制動的實驗波形。從圖中看出，當風機進行制動時，母線電壓明顯升高，很快達到保護值從而保護停機，風機電流立刻減小到零。

如圖7所示為在本文所提母線回饋電壓抑制方法下進行制動時的實驗波形。從圖中看出，當風機進行制動時，母線電壓升高緩慢，明顯被抑制在保護值以下，當風機轉速減小到一定范圍后再正向加速，即可完成逆風啟動。

4 結論

針對風機在制動時產生的回饋能量會讓風機驅動母線電壓升高而觸發保護的問題，提出一種母線回饋電壓抑制方法，對系統進行分時控制，將一部分回饋能量消耗在電機繞組上，另一部分儲存在母線電容中，從而抑制母線電壓升高，最后提出一種全周期誤差修正算法，消除控制系統在FOC和FVSC之間不停切換引起的誤差角，確保系統穩定，使風機能夠正常啟動，進而節省成本和提高風機啟動可靠性。

參考文獻：

[1]張國柱.空調室外直流風機的無位置傳感器啟動方法[J].日用電器，2016，7：61-65.

[2]盧智鋒，李軍，周世瓊，康龍云.永磁同步電機制動能量回收系統的控制方法[J].電力自動化設備，2013，33（2）：131-135.

[3]郭奕杉，劉牮，馬旭.基于DSP的變頻器能量回饋單元的設計與實現[J].信息技術，2018，12：41-46.

[4]劉杰，張豫.永磁同步電機調速系統能耗制動分析[J].中小型電機，2003，30（1）：29-32.

作者簡介：賀小林，男，1983年10月出生，工程師，碩士研究生，主要研究方向：空調機組的變頻驅動及控制器技術研發