基于零电压矢量脉冲法的空调风机飞车启动策略研究.pdf
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1、Articles论文58 家电科技 Vol.4 2023 Issue 423基于零电压矢量脉冲法的空调风机飞车启动策略研究Zero-voltage vector based flying-starting strategy for air conditioning fan任兆亭 李希志 周金伟 姜学想REN Zhaoting LI Xizhi ZHOU Jinwei JIANG Xuexiang青岛海信日立空调系统有限公司 山东青岛 266555Qingdao Hisense Hitachi Air-conditioning Systems Co.,Ltd.Qingdao 266555摘 要:
2、空调风机启动时,由于外界风力作用,风机已经处于旋转状态,即飞车启动。准确的初始位置和转速检测是飞车启动的基础。首先分析零电压矢量脉冲法基本原理,求解零电压矢量脉冲作用下的永磁同步电机电流表达式,获得基于零电压矢量脉冲法的永磁同步电机初始位置和转速检测方法。在此基础上,设计脉冲宽度和脉冲间隔的确定方法,并进行实验验证。实验结果表明,所分析的零电压矢量脉冲法能够较好地实现空调风机旋转状态下的初始位置和转速检测,并能实现飞车启动。关键词:空调风机;飞车启动;零电压矢量脉冲法Abstract:When the air conditioner fan starts,it may be in a rota
3、ting state due to the external wind,which is called flying start.Accurate initial position and speed detection are the basis for flying start.Firstly,the principle of zero-voltage vector pulse method is analyzed,and then the current of PMSM under the action of zero-voltage vector pulse is solved,and
4、 then the initial position and speed detection method of PMSM based on zero-voltage vector pulse method is given.On this basis,the determination method of pulse width and interval is designed,and finally experimental verification is carried out.The experimental results show that the zero-voltage vec
5、tor pulse method can effectively observe the initial position and speed of the air conditioning fan under rotating state,and realize the start of the vehicle.Keywords:Air conditioning fan;Flying start;Zero-voltage vector pulse method 中图分类号:TB657.2 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.04.0090 引言永磁同步电机因
6、为效率高、功率因数高、易于调速等优势而被广泛应用于空调风机中。断电状态的风机可能受外界风力推动作用而处于旋转状态,因此,需要研究风机的飞车启动技术。为了使启动时给定的电压矢量与反电势相配合,首先需进行转子初始位置和转速的检测1。长期以来,国内外学者对永磁同步电机初始位置检测及飞车启动技术进行了较多的研究。风机高转速自由旋转时,电机转子会在定子中感应出较大的反电动势,可以直接通过测量绕组端电压的方式跟踪转子位置2,但是电压传感器由于成本较高而应用较少,因此反电势法有较大的局限性。文献3采用零电流矢量闭环法进行转子位作者简介:任兆亭,硕士学位,正高级工程师。研究方向:变频空调的软件研发,永磁同步电
7、机变频控制研究方向。地址:青岛经济技术开发区前湾港路218海信日立二期。E-mail:。通讯作者:周金伟,E-mail:。项目基金:青岛海信日立空调系统有限公司项目“三相电无电解变频器”(KF/YY2201003)。置的估计。该方法中,通过将电流给定设置为零,利用电流闭环将定子电流调节为零,此时定子绕组中的电压输出与电机反电势相对应,可以通过读取电压给定数据来得到电机的反电势信息,但该方法在电流闭环调节过程中,容易引起电流冲击。文献4采用高频注入法,利用电机的凸极特性进行初始位置和转速的检测,但是高频注入法会产生刺耳的噪声,且在转速较高时信噪比较低。文献5使用独立开关脉冲法进行初始位置的检测,
8、该方法对H桥上管施加相互独立的脉冲,然后从独立开关脉冲激发的相电流中提取转子位置信号,然而这种方法需要预先确定脉冲施加的时间,需要针对电机的具体参数及运行工况调整,通用性较差。文献6采用零电压矢量脉冲法进行初始位置的检测,通过控制逆变器上桥或下桥导通来施加零电压矢Articles论文 59家电科技 Vol.4 2023 Issue 423量脉冲,从电流中提取转子位置信号。与其他方法相比,零电压矢量脉冲法无需复杂的运算,且检测速度快,准确性高,因此,相比于其他方法,零电压矢量脉冲法更适用于空调风机顺逆风启动中的初始位置检测。针对初始位置检测,目前,根据转子初始位置/转速观测所需的零电压矢量脉冲数
9、目,可分为零电压矢量单脉冲法7-8、零电压矢量双脉冲法9和零电压矢量多脉冲法10-11等。其中,零电压矢量双脉冲法观测速度快,且能实现转子转向的识别,具有明显的优势12。本文以永磁同步电机数学模型为基础,首先分析基于零电压矢量双脉冲法的转子初始位置和转速观测原理,然后研究脉冲宽度和脉冲间隔的调整方案,实现永磁同步电机高转速下初始位置和转速的检测,并在永磁同步电机实验平台上进行飞车启动实验。1 基于零电压矢量脉冲法的初始位置检测1.1 初始位置检测常规的空调风机采用矢量控制,并结合SVPWM调制方式,输出门极驱动信号至三相逆变桥。风机驱动系统如图1所示,左侧为不控整流模块,右侧为6个IGBT可控
10、元件组成的逆变模块。电机以一定转速旋转时,在某时刻同时打开上侧或下侧三个桥臂的IGBT,电机定子电流流过不控整流器件或反向并联二极管形成通路,施加零矢量脉冲。施加零电压矢量脉冲时,定子三相等效为短路,可以在短路电流中提取转子位置和转速信息。图1 施加零电压矢量脉冲时的电流流通路径图要从零电压矢量脉冲法所激发电流中提取转子位置及转速信息,需对相电流iA、iB、iC进行Clarke变换:(1)电流矢量I=i,iT,它与轴夹角记为I,与q轴夹角为dI,如图2所示。永磁电机电压方程为:(2)式中:Rs为定子电阻;为转子电角速度;f为转子励磁磁链;Ld、Lq为d轴和q轴电感;id、iq为d轴和q轴电流。
11、施加零电压矢量脉冲时定子侧短路,因此其端电压为零。又因为电机定子电阻较小,计算过程中可以忽略电子电阻上的压降6。因此,施加零电压矢量脉冲时对应的定子电压方程为:(3)求解后,可得零电压矢量脉冲所激发的电流为:(4)可将式(4)中的正余弦函数通过二阶泰勒级数展开,并近似为:(5)计算合成电流矢量幅值,可得:(6)转速估算结果可表示为:(7)由式(7)可知,零电压矢量单脉冲法测量转速时,输出结果恒为正,因此无法通过单脉冲法识别电机转向。另外,转速估计结果与电图2 零电压矢量脉冲法向量图Articles论文60 家电科技 Vol.4 2023 Issue 423机q轴电感、磁链等参数直接相关。因此,
12、使用零电压矢量单脉冲法进行初始速度检测存在较大的局限性。根据式(4)可知,dq坐标系中的转子的位置角可估算为:(8)进一步变换为:(9)当T1和T1足够小时,可近似为:(10)进一步近似为:(11)另外,在坐标系中电流矢量位置角(电角度)为:(12)因此,转子角度的估算值为:(13)1.2 初始速度检测零电压矢量单脉冲法估算速度快,但是在估算转速时,估算结果受电机参数影响比较大,且无法判断电机旋转方向。为此,引入零电压矢量双脉冲法转速估算方法,其原理为:分别先后施加两个零矢量脉冲,持续时间分别为T1,T2。第1个零矢量脉冲施加完毕后,间隔时间12,然后施加第2个零矢量脉冲。零电压矢量双脉冲法向
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