張貝貝,林明耀,譚廣穎,楊公德

(東南大學(xué),南京 210096)

0 引 言

近年來，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在中小功率家用電器中得到廣泛應(yīng)用，例如空調(diào)、冰箱、吸塵器等。在傳統(tǒng)的AC-DC-AC功率變換器中，為維持直流母線電壓恒定，直流母線常常并聯(lián)一個(gè)大容量電解電容。但大容量電解電容也存在以下缺陷和問題：壽命易受電流紋波和溫度影響，溫度每提高10 ℃，電解電容壽命減少一半，影響整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性；增加了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積與質(zhì)量；直流母線電壓恒定，二極管導(dǎo)通角減小，造成電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率大，輸入功率因數(shù)低；電網(wǎng)側(cè)輸入電流為滿足IEC 61000-3-2[21]標(biāo)準(zhǔn)，常常需要增加功率因數(shù)校正電路，增加了系統(tǒng)的成本。

針對大容量電解電容自身的缺點(diǎn)以及增加功率因數(shù)校正電路帶來的問題，有學(xué)者提出了采用小容量薄膜電容代替大容量電解電容，這種系統(tǒng)稱為小電容系統(tǒng)。按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，可將其分為三相和單相不控整流小電容電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)?。本文主要論述單相不控整流小電容電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)?以下簡稱為單相小電容系統(tǒng))。單相小電容系統(tǒng)利用直流母線電壓波動(dòng)，增大二極管導(dǎo)通角，降低電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率，提高電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)。采用小容量薄膜電容能夠降低整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積與質(zhì)量，延長交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的壽命。這種單相小電容系統(tǒng)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

本文對國內(nèi)外近年來單相小電容系統(tǒng)的控制技術(shù)進(jìn)行總結(jié)歸類。分析單相小電容系統(tǒng)的基本工作原理，詳細(xì)總結(jié)各種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，提出今后研究方向，為單相小電容系統(tǒng)的后續(xù)研究提供參考。

1 單相小電容系統(tǒng)基本工作原理

為了便于闡明單相小電容系統(tǒng)的工作原理，下面從單相小電容系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)與直流母線電壓關(guān)系、電網(wǎng)側(cè)輸入功率與逆變器輸出功率關(guān)系進(jìn)行分析。

1.1 單相小電容系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

圖1為單相小電容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)淇驁D，主要由單相交流電源、二極管不控整流電路、小容量薄膜電容、三相逆變器以及三相永磁同步電機(jī)構(gòu)成。與傳統(tǒng)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，單相小電容系統(tǒng)省卻了功率因數(shù)校正電路，采用小容量薄膜電容代替大容量電解電容，降低了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量與體積，大大提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

圖1 單相小電容系統(tǒng)拓?fù)淇驁D

永磁同步電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通常分為轉(zhuǎn)子表貼式永磁同步電機(jī)(SPMSM)和轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)(IPMSM)。相對于轉(zhuǎn)子表貼式永磁同步電機(jī)，內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)具有體積小、效率高、功率密度高以及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用于家用電器中，例如空調(diào)壓縮機(jī)。內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對稱，由于交、直軸磁阻不相等產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的過載能力，改善調(diào)速特性，有利于弱磁擴(kuò)速。因此單相小電容系統(tǒng)采用內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)。

1.2 網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)與直流母線電壓關(guān)系

圖2為單相小電容系統(tǒng)高功率因數(shù)控制的原理示意圖。當(dāng)用小容量薄膜電容代替大容量電解電容時(shí)，由于薄膜電容電容值不到電解電容容值的1%，直流母線電壓波動(dòng)變大，二極管導(dǎo)通角增大，電網(wǎng)輸入電流的正弦度提高，電網(wǎng)側(cè)輸入電流的畸變率降低，網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)提高。

圖2 網(wǎng)側(cè)輸入電流、電網(wǎng)電壓以及母線電壓關(guān)系圖

在圖2中，假設(shè)電網(wǎng)輸入電流為正弦波，二極管導(dǎo)通區(qū)間為((π-θ)/2，(π+θ)/2)，對應(yīng)的二極管導(dǎo)通角度為(π-θ)/2、關(guān)斷角度為(π+θ)/2，此時(shí)電網(wǎng)輸入電流等于0，電網(wǎng)電壓為Vm。二極管導(dǎo)通角θ滿足下列方程：

(1)

有功功率P可由下式得到：

(3)

電網(wǎng)輸入電流有效值由下式得到：

標(biāo)幺化，當(dāng)Is=1時(shí)，有：

(5)

電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)cosφ與二極管導(dǎo)通角θ之間的關(guān)系：

(6)

式中：S為視在功率。

將式(1)代入式(6)可得：

(7)

由式(7)知，網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)與Vm/Vs關(guān)系如圖3所示，Vm/Vs越小，電網(wǎng)側(cè)的輸入功率因數(shù)越高。從圖3中可以看出，當(dāng)Vm/Vs<0.5時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的輸入功率因數(shù)大于0.97。因此，通過控制直流母線電壓可以提高輸入功率因數(shù)。

圖3 功率因數(shù)與Vm/Vs關(guān)系圖

1.3 電網(wǎng)側(cè)輸入功率與逆變器輸出功率耦合關(guān)系

整流二極管屬于不可控器件，二極管的通斷由二極管兩端的電壓差決定，因此前級整流電路不能控制電網(wǎng)側(cè)輸入功率以及直流母線電容電壓。而逆變器的開關(guān)管屬于可控性器件，控制逆變器開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以控制逆變器輸出功率。因此有必要分析逆變器輸出功率與電網(wǎng)輸入功率之間的關(guān)系。

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)等于1時(shí)，電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)輸入電流同相位，網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)輸入功率：

Ps=vsis=VsIssin2θs(8)

式中：vs為電網(wǎng)側(cè)電壓；is為電網(wǎng)輸入電流；Vs為電網(wǎng)電壓幅值；Is為電網(wǎng)輸入電流幅值；θs為電網(wǎng)電壓相位。

忽略二極管的導(dǎo)通壓降，則電網(wǎng)電壓與直流母線電壓之間的關(guān)系：

(9)

式中：vdc為直流母線電壓；Rs為進(jìn)線電阻；Ls為進(jìn)線電感。因進(jìn)線電阻、電感值小，可忽略進(jìn)線電阻以及電感上的壓降，直流母線電壓與電網(wǎng)電壓關(guān)系等效：

vdc=|vs|=|Vssinθs| (10)

直流母線電容瞬時(shí)功率：

(11)

式中：Cdc為直流母線電容。

逆變器瞬時(shí)輸出功率：

式中：ω為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；Ld，Lq為定子電感直、交軸分量；id，iq為定子電流直、交軸分量；λ為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈。

根據(jù)功率守恒原則，逆變器輸出功率等于電網(wǎng)側(cè)輸入瞬時(shí)功率減去直流母線電容瞬時(shí)功率，即：

Pout=Ps-Pdc(13)

將式(8)、式(11)代入式(13)可得：

(14)

由式(13)知，控制逆變器的輸出功率可控制網(wǎng)側(cè)輸入功率。由式(12)和式(14)知，控制電機(jī)的交、直軸電流可控制電網(wǎng)側(cè)輸入功率，進(jìn)而控制電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率。

由以上分析可知，單相小電容系統(tǒng)采用小容量薄膜電容的根本思想包括：利用小容量薄膜電容降低系統(tǒng)質(zhì)量與體積，延長系統(tǒng)壽命；利用母線電壓波動(dòng)，增大二極管導(dǎo)通角，降低電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率；控制逆變器輸出功率，提高電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)。

基于上述單相小電容系統(tǒng)的根本思想，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了不同的控制技術(shù)研究，可歸為三類：提高電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)的控制技術(shù)[1-16]；提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的控制技術(shù)[17-19]；降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制技術(shù)[20]。

2 提高電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)控制技術(shù)

2.1 單相小電容系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略

單相小電容系統(tǒng)逆變器控制框圖如圖4所示，直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及磁鏈[1]。與傳統(tǒng)恒轉(zhuǎn)矩的直接轉(zhuǎn)矩控制不同，單相小電容系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩給定值以電網(wǎng)電壓頻率的兩倍脈動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)在低直流電壓狀況下仍能實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速性能，采用弱磁控制，以直流母線電壓除以當(dāng)前的轉(zhuǎn)速作為磁鏈給定值，并且對磁鏈給定值進(jìn)行限幅，避免電機(jī)氣隙磁場飽和。文獻(xiàn)[2-3]提出在單相小電容系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制基礎(chǔ)上引入“顫振效應(yīng)”，即將原有的轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器改為PID調(diào)節(jié)器。開關(guān)表中的電壓矢量選擇與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制也有所區(qū)別，當(dāng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于給定值時(shí)，選擇零矢量；為避免電機(jī)的反電動(dòng)勢高于直流母線電壓，只選擇使磁鏈正向旋轉(zhuǎn)的電壓矢量。該控制策略簡單，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，對于電機(jī)參數(shù)依賴程度低，在一定程度上增大了二極管的導(dǎo)通角度，但是電網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量較高，開關(guān)管通斷頻率不確定，電網(wǎng)側(cè)輸入電流可能進(jìn)一步惡化。

(a) 基于直接轉(zhuǎn)矩控制的逆變器控制框圖

(b) 轉(zhuǎn)矩給定框圖

(c) 磁鏈給定框圖

圖4逆變器控制框圖

2.2 單相小電容系統(tǒng)的磁場定向控制策略

如圖5所示，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)高輸入功率因數(shù),文獻(xiàn)[4]提出控制電機(jī)交軸電流為電網(wǎng)頻率兩倍。將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器輸出值乘以頻率等于電網(wǎng)頻率正弦函數(shù)的平方，作為電機(jī)交軸電流給定值。在直流母線電壓低時(shí)，電機(jī)交軸電流給定值為0。直軸參考電流由下式產(chǎn)生。

(15)

該方法在一定程度上提高了電網(wǎng)側(cè)的輸入功率因數(shù)，但忽略直流母線電容電流對交軸給定電流相位的影響，導(dǎo)致交軸電流給定值不精確，特別是在直流母線電壓較低情況下，電網(wǎng)側(cè)輸入電流易發(fā)生畸變，造成電網(wǎng)側(cè)諧波污染。直軸參考電流給定公式中含有電機(jī)交、直軸電感，交、直軸電感值的精度成為整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖5 傳統(tǒng)交軸參考電流發(fā)生框圖

2.2.1 逆變器輸出電流閉環(huán)控制策略

如圖6所示，為降低網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率，Haga H等人提出逆變器輸入電流的閉環(huán)控制策略[5]。電機(jī)交軸電流實(shí)現(xiàn)對逆變器輸出電流的控制，直軸電流實(shí)現(xiàn)對逆變器輸出電壓的控制。考慮直流母線電容電流的影響，逆變器的輸入電流等于電網(wǎng)輸入電流絕對值減去電容電流。直流母線電壓跟隨電網(wǎng)側(cè)電壓同步變化，當(dāng)直流母線電壓較低時(shí)，電流PI調(diào)節(jié)器易飽和，電壓給定值的幅值大于直流母線電壓，此時(shí)一方面對交、直軸給定電壓進(jìn)行過調(diào)制處理；另一方面在電流環(huán)中加入交、直軸給定電壓限制補(bǔ)償，提高交、直軸電流的響應(yīng)速度，使得交、直軸給定電壓滿足直流母線電壓限制條件。

(a) 級聯(lián)逆變器輸出電流的交軸電流產(chǎn)生框圖

(b) 飽和電壓補(bǔ)償框圖

在輕載工況下，電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)得到改善，額定負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)可達(dá)到96.8%，電網(wǎng)側(cè)的輸入電流畸變率達(dá)到12.4%。但直流母線電壓波動(dòng)，電容電流并不是理想的正弦波，導(dǎo)致逆變器輸出電流給定值并不精確，這給逆變器輸出電流控制帶來困難。

2.2.2 逆變器輸出功率閉環(huán)控制策略

如圖7所示，為實(shí)現(xiàn)對逆變器輸功率的精確控制，Inazuma K等人提出逆變器功率閉環(huán)控制的思想[6]。在傳統(tǒng)的速度控制器與交軸電流控制器中間級聯(lián)一個(gè)逆變器輸出功率控制器，功率控制器的輸出作為交軸電流給定，而永磁同步電機(jī)輸出功率的頻率等于電網(wǎng)電網(wǎng)頻率的兩倍，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)。

圖7逆變器輸出功率前饋控制框圖

PI調(diào)節(jié)器帶寬低，逆變器實(shí)際輸出功率不能無靜差跟隨功率給定值，不利于降低電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率。當(dāng)電網(wǎng)電壓較低時(shí)，電網(wǎng)側(cè)電流發(fā)生突變，增大電網(wǎng)側(cè)輸入電流的畸變率。且該控制策略中有4個(gè)PI參數(shù)需要進(jìn)行整定，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

針對傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器很難跟隨周期給定信號， Inazuma K提出對于逆變器輸出功率采用重復(fù)控制器的控制策略[7]，提高了逆變器輸出功率的跟蹤精度，提高了電流控制環(huán)的帶寬，電網(wǎng)側(cè)的輸入功率因數(shù)得到進(jìn)一步提高。為控制電機(jī)的反電動(dòng)勢低于直流母線電壓，采用弱磁控制策略。電機(jī)的直軸給定電流應(yīng)同步跟隨直流母線電壓，可由下式給出：

(16)

式中：idav，A，ωs，α分別為電機(jī)直軸給定電流的直流分量、二倍頻分量的幅值、電網(wǎng)電壓頻率、直軸電流滯后母線電壓相角，它們由大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得。

逆變器輸出功率的跟蹤精度得到提高，但當(dāng)給定功率值接近于零時(shí)，功率誤差值較大。仍未解決母線電壓較低情況下電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率高的問題，且重復(fù)控制算法需建立在精確的逆變器以及電機(jī)模型的基礎(chǔ)上，對模型的依賴程度高。直軸電流給定值需要不斷地依靠手工修正，尋找精確的直軸給定電流過程繁瑣，復(fù)雜的實(shí)際工況更是增加尋找精確直軸給定電流的難度。該控制策略不適合工況復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用。

2.2.3 交直軸給定電流協(xié)同控制策略

以往的交直軸給定電流分量并不精確[17]，直流母線電壓高于電網(wǎng)電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率高，輸入功率因數(shù)低。為此，一些學(xué)者針對單相無電解電容不控整流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，求解精確交直軸電流給定值，并提出相應(yīng)的控制策略。

Sul S K提出基于“平均電壓限制”概念生成直軸弱磁電流給定，如圖8所示，恒轉(zhuǎn)矩軌跡曲線與平均電壓限制軌跡曲線的交點(diǎn)作為電機(jī)交、直軸電流給定值。

圖8 平均電壓限制示意圖

2.2.4 逆變器輸出功率直接控制策略

文獻(xiàn)[4-15]中電網(wǎng)側(cè)電流畸變率大，總結(jié)原因主要有以下四個(gè)：①未能精確控制逆變器的輸出功率；②交、直軸給定電流分量不精確；③PI調(diào)節(jié)器延時(shí)特性，且?guī)挼?；④直流母線電壓波動(dòng)帶來的電機(jī)電流誤差，電機(jī)實(shí)際交、直軸電流不能無靜差跟隨電流給定值。Jung-Ik Ha提出利用快速傅里葉變換方法來求解交；直軸電流給定[16]，交、直軸電流給定如下式：

(17)

式中：Iq,k，Id,k，φq,k，φd,k分別為交、直軸給定電流k次諧波分量的幅值以及相位。求解合適的Id,0，Iq,0分量，滿足電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值，再賦值給交、直軸電流給定k次諧波分量的幅值以及相位，使得電機(jī)交、直軸給定電壓在滿足電壓約束條件前提下，電機(jī)的輸出功率等于給定的輸入功率。

圖9 基于逆變器輸出功率的電壓矢量修正示意圖

電機(jī)的實(shí)際輸出功率：

(18)

逆變器的輸出功率給定值：

(19)

逆變器輸出功率給定值與電機(jī)實(shí)際輸出功率的差值：

電機(jī)電流隨著電機(jī)交、直軸調(diào)整電壓向量vmod幅值增大而增大，vmod幅值應(yīng)越小越好，因此vmod與電機(jī)電流向量idq同向或者反向，在滿足電機(jī)實(shí)際輸出功率等于電機(jī)給定功率的前提下，此時(shí)vmod幅值最小。因此，電壓調(diào)整向量：

(21)

但該方法要求精確的電機(jī)參數(shù),針對不同的負(fù)載，需要重新計(jì)算交、直軸電流給定值，計(jì)算復(fù)雜度高，不適合在線實(shí)時(shí)控制；電機(jī)定子電流大，系統(tǒng)損耗增加，系統(tǒng)的效率降低。

3 提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率控制技術(shù)

單相小電容系統(tǒng)的直流母線電壓平均值是傳統(tǒng)單相電解電容系統(tǒng)的71%[17]。當(dāng)逆變器輸出功率相同時(shí)，單相小電容系統(tǒng)的電機(jī)電流有效值較高。當(dāng)母線電壓較低時(shí)，為保證電機(jī)高速運(yùn)行，此時(shí)采用弱磁控制，弱磁電流增大,電機(jī)定子電流增大。以上兩個(gè)因素都將增加電機(jī)銅耗，降低整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。

為提高整個(gè)控制系統(tǒng)效率，文獻(xiàn)[17]提出提高直流母線電壓利用率，文獻(xiàn)[18-19]提出提高直流母線電壓平均值，這兩種控制策略都以降低電機(jī)電流有效值為目的。

Chae Y-H[17]提出在二極管不導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)交、直軸電流給定為恒值，逆變器的輸出功率為恒值，直流母線電壓此時(shí)維持在某一限制值。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，交、直軸電流的微分項(xiàng)約等于1/4電網(wǎng)電壓周期內(nèi)采樣電流變化率。將電壓不等式約束條件變?yōu)殡妷旱仁郊s束條件，提高直流母線電壓利用率，其原理示意圖如圖10所示。在電機(jī)定子電流同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，電壓等式約束曲線和等功率曲線的交點(diǎn)為當(dāng)前電機(jī)交、直軸電流的給定值(如圖10中的B點(diǎn))。當(dāng)直流母線電壓有足夠的裕度時(shí)，可由最大轉(zhuǎn)矩比控制算法算出銅耗最小的交直軸電流給定值。該控制策略中，直流母線電壓利用率得到提高，電機(jī)電流有效值相比于傳統(tǒng)控制算法[5-16]低，電機(jī)銅耗得到降低，系統(tǒng)效率得到提高。且對于不同的負(fù)載情況，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)計(jì)算交、直軸電流給定值。

圖10 提高直流母線電壓利用率原理示意圖

但直流母線電壓平均值提高，一方面二極管導(dǎo)通角將減小，電網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量提高；另一方面，為滿足逆變器輸出功率要求，此時(shí)電網(wǎng)輸入電流幅值變大，系統(tǒng)線路損耗增加。而文獻(xiàn)[17]并未給出合適的直流母線電壓平均值，因此需得到合適的直流母線電壓平均值。

文獻(xiàn)[18-19]分析直流母線電壓平均值與電網(wǎng)側(cè)輸入電流有效值之間的關(guān)系。在電網(wǎng)側(cè)輸入電流在滿足IEC61000-3-2 Class A標(biāo)準(zhǔn)的情況下，得到當(dāng)系統(tǒng)效率達(dá)到最高時(shí)的直流母線電壓平均值。該控制策略的系統(tǒng)效率最高，但電網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量高，電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)低，且針對不同負(fù)載情況都需通過實(shí)驗(yàn)得到效率最高時(shí)的直流母線電壓平均值。

4 降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的控制技術(shù)

為降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，Lamsahel H[20]提出在電網(wǎng)半個(gè)周期內(nèi)控制電磁轉(zhuǎn)矩為梯形波，如圖11所示，相比于傳統(tǒng)正弦波形式的轉(zhuǎn)矩給定，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小。以往的控制技術(shù)中，往往追求電網(wǎng)側(cè)的高性能，而忽略電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。文獻(xiàn)[20]深入分析轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的原因，當(dāng)直流母線電壓較低時(shí)，交、直軸電流控制器飽和，此時(shí)調(diào)整交、直軸給定電壓限制在六邊形中，導(dǎo)致交直軸電流失控，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大。

圖11 轉(zhuǎn)矩給定對比圖

針對電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，Lamsahel H提出在直流母線電壓低情況下，修正交、直軸電流給定分量。當(dāng)直流母線電壓高時(shí)，交、直軸給定電流維持恒定；當(dāng)直流母線電壓低時(shí)，采用弱磁方式給定直軸電流，交軸給定電流為零。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩在電網(wǎng)半個(gè)周期內(nèi)為梯形波，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，但電機(jī)電流有效值增大，增加系統(tǒng)的損耗，控制系統(tǒng)的整體效率降低。

5 分析與討論

從以上關(guān)于單相小電容系統(tǒng)控制技術(shù)分析可知，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，電機(jī)電流有效值大，系統(tǒng)效率低；從電機(jī)性能角度考慮，當(dāng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高系統(tǒng)效率，此時(shí)電網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量高，輸入功率因數(shù)降低。因此，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、輸入電流畸變率低、電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率高的協(xié)同控制技術(shù)是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

從交直軸電流給定分量方式來看，交軸電流給定由速度環(huán)給出，直軸電流給定由母線電壓限制條件給出，這種方式不能精確控制逆變器輸出功率跟隨給定值，所以電網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量高，輸入功率因數(shù)低；求解滿足母線電壓限制條件、逆變器輸出功率滿足式(14)的交、直軸電流給定分量，有效降低電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率，但對電機(jī)參數(shù)要求很高，且計(jì)算量大，不能實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)的交直軸電流給定分量；在以上方法的基礎(chǔ)上，將式(12)中的微分量離散化，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算交直軸電流給定分量，抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，但對于控制系統(tǒng)的處理速度以及精度要求很高。

從逆變器輸出功率控制技術(shù)來看，直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈，轉(zhuǎn)矩給定值為正弦波，定子磁鏈采用弱磁控制，該控制技術(shù)簡便，但不能精確控制逆變器輸出功率；忽略電機(jī)的銅損以及氣隙磁場能量，根據(jù)式(12)，交軸電流與逆變器輸出功率成比例關(guān)系，因此交軸電流給定分量變化趨勢與逆變器輸出功率相同，但該控制方式忽略直軸電流分量的變化，逆變器的輸出功率發(fā)生畸變；增加電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)，直接控制逆變器輸出功率，電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率低，網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)高，但系統(tǒng)效率低。

從上述的討論與分析中可看出，現(xiàn)有技術(shù)方案雖然能夠單方面提高功率因數(shù)或者提高系統(tǒng)效率或者降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但并未綜合考慮電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)、系統(tǒng)效率、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、抗負(fù)載擾動(dòng)以及實(shí)時(shí)計(jì)算交、直軸給定電流等問題。在保證電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率滿足IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)效率高于傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低，抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，這將最大程度發(fā)揮單相小電容系統(tǒng)的優(yōu)勢。

6 結(jié) 語

本文對單相無電解電容不控整流系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行整理、總結(jié)，簡要介紹單相小電容系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，揭示單相小電容系統(tǒng)獲得高功率因數(shù)的基本原理，重點(diǎn)對該系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行分析?？梢缘玫剑?/p>

1) 相對于傳統(tǒng)單相大容量電解電容電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，單相小電容系統(tǒng)具有電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率低、輸入功率因數(shù)高、系統(tǒng)體積小、質(zhì)量小以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為家用電器電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢之一。

2) 在提高電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)控制策略中，直接轉(zhuǎn)矩控制策略簡單，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能好，但電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率高，容易造成電網(wǎng)側(cè)的諧波污染，且開關(guān)管頻率不固定，電網(wǎng)側(cè)輸入電流可能進(jìn)一步惡化。磁場定向控制策略相比于直接轉(zhuǎn)矩控制策略，大大降低了電網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變率，但控制算法復(fù)雜，對于電機(jī)參數(shù)依賴程度高，抗干擾能力差，需要提前計(jì)算不同工況對應(yīng)的交直軸電流分量，這就制約了該系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

3) 如何實(shí)時(shí)求解精確的交、直軸電流給定分量，如何精確控制逆變器的輸出功率，如何降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，如何提高系統(tǒng)效率將是未來的研究熱點(diǎn)。