变频空调中永磁同步电机高性能控制

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1、变频空调中永磁同步电机的高性能控制收藏此信息打印该信息添加：赵铁夫刘智超黄立培来源：未知1引言随着全世界范围能源危机的到来，各国政府都在为经济可持续发展的目的积极地推广节能降耗技术。作为家庭用电的主要设备之一，传统的定频空调器由于其运行效率低下正在逐渐退出市场。新一代的变频空调器因为具有节能效果明显、温度调节平稳、整个频率范围内运行噪声低等一系列优点，因而受到市场的关注[1]。　　　　由于变频器供电的特点以及压缩机运行的特殊性，普通异步电机往往会出现效率低，噪声大等问题，难以达到较好的运行性能。永磁式同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点。和异步电动机相比，它由于不需

2、要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速控制，因此永磁同步电机矢量控制系统在变频空调中的应用也引起了广泛关注。　　　　　　　　　　　对于空调中的压缩机负载，在电机转子每旋转一周的过程中，由于压缩机气缸内压力的变化，电机的负载转矩会周期性的波动。对于传统的矢量控制方式，这样就不可避免的产生了较大转速波动，影响了压缩机工作的性能。为解决上述问题，本文将无速度传感器永磁同步电机矢量控制系统应用到变频空调中，以快速准确的跟踪负载转矩，并提出了一种q轴指令电流复合控制

3、方法来减小转速的波动，实现永磁同步电机的高性能控制[2]。2永磁电机与无速度传感器矢量控制系统2.1永磁电机的分类和特点习惯上，根据永磁电动机转子磁钢几何形状的不同，可以分为永磁同步电动机(permanent-magnetsynchronousmotor，pmsm)和无刷直流电动机(brush-lessdcmotor，bldcm)两种。两者有很多相似之处，它们之间最大的区别是:当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形不同。永磁同步电机的反电势为正弦波，而无刷直流电机为梯形波。无刷直流电机定子电流为方波，每相开通120°电角度，然后关断60°电角度。每60°电角度有一个开关改变状态，所以无刷

4、直流电机转子位置检测器是每隔60°电角度输出一个脉冲。一般无刷直流机在每个60°的电角度内其转子位置角是未知的，因此输出的参考转矩的值只能以六阶梯的方式模拟负载转矩(如图1所示)，而不能精确的跟随负载转矩的变化。这样就造成了较大转速波动，影响了压缩机工作的性能。图1压缩机负载与无刷直流机转矩控制方法示意图永磁同步电机定子电流为正弦波，需要连续地检测转子位置。永磁同步电机的矢量控制系统可以实现高精度，高动态性能，大范围的速度和位置控制，从而达到变频空调中的高性能控制的效果。2.2无速度传感器矢量控制方法1971年,德国blaschke等人提出的交流电机的矢量控制方法，从理论上解决了交流电动机

5、转矩的高性能控制问题。矢量控制的基本思想源于对直流电机的严格模拟。直流电机本身具有良好的解耦性,它可以分别通过控制其电枢电流和励磁电流来达到控制电机转矩的目的。矢量控制的最终目的是改善电机的转矩控制性能,而实施仍然落实到对定子电流的控制上。矢量控制通过电机磁场定向将定子电流分为励磁分量和转矩分量，分别加以控制，从而获得良好的解耦特性。该控制方法首先应用在异步电机上,很快被移植到同步电机。事实上,在永磁同步电机上更容易实现矢量控制。因为该电机在矢量控制过程中没有感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。目前,矢量控制技术在永磁同步电机中得到了广泛地应用[3]。图2永

6、磁同步电机－压缩机矢量控制系统框图永磁同步电机－压缩机矢量控制系统框图如图2所示。矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。永磁同步电机的电磁转矩方程:上式中，id、iq分别为定子绕组d-q轴电流;ld、lq分别为d-q轴电感;ψd、ψq分别为d-q轴磁链;ψr为转子永磁磁链;pn为电机极对数。从上式中可以看出,当永磁体的磁链和直、交轴电感确定后,电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量is=id+jiq，也就是说控制id和iq即可控制电动机的转矩。永磁同步电机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电

7、机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。在传统的永磁同步电机的控制中，为了得到转子的精确位置和速度，最常用的方法是在转子轴上安装机械传感器，但是这些传感器增加了系统的成本，降低了系统的可靠性，而且其应用受到诸如温度、湿度和震动等条件的限制，使该系统不能广泛适用于各种场合。为了克服使用传感器给系统带来的缺憾，无速度传感器永磁同步电机控制系统逐渐成为了研究的重点。无机械传感器交流调速系统是指利用电机绕组中的有关电信号，通过