一种变频空调风机母线回馈电压抑制方法

贺小林 张煜文 方许丹

摘  要：空调外风机在逆风启动过程中需要进行制动，针对在制动时产生的回馈能量导致母线电压升高从而引起机组保护的问题，提出一种变频空调风机母线回馈电压抑制方法，在风机从进行制动时通过对系统进行分时控制，将一部分回馈能量消耗在电机绕组上，另一部分储存在母线电容中，仅通过软件算法就能抑制母线电压升高。最后提出一种全周期误差修正算法，消除控制系统中由于分时控制而引起的误差角，使风机能够正常逆风启动，提高风机启动可靠性。

关键词：风机;逆风启动;回馈电压抑制

引言

长期以来，在高层建筑或者沿海一帶，空调外风机在互联管道、季风的影响下往往需要在逆风工况下完成启动。然而很多时候空调在4级大风时已经无法启动，给用户造成了困扰[1]。在空调风机高速反转时想要开机，必须将风机制动到零速后再正向启动运行。然而，风机在制动时产生的回馈能量会让风机驱动母线电压升高。若按常规磁场定向控制（Field Oriented Control，FOC）方案进行制动，母线电压很容易达到保护值，导致停机。许多专家学者针对此问题进行了研究，文献[2]提出了一种永磁同步电机制动能量回收系统的控制方法，将永磁同步电机在制动时产生的交流电流整流为直流电流，对铅酸蓄电池进行充电，实现制动能量的回收。蓄电池价格贵、体积大，用这种方法消耗电机制动产生的能量不适用于空调。文献[3]提出了一种基于DSP的变频器能量回馈单元，通过设计一种基于固定开关频率SPWM算法，能够较好的抑制电机在制动过程中的再生电能回馈，但是会增加一个缓冲电路，不仅增加了成本，也增加了控制难度。文献[4]对永磁同步电机调速系统能耗制动进行了分析，通过在直流母线两端加入制动电阻进行能耗制动。很多厂商也都采用这种方法，通过增加刹车电路来消耗空调外风机在制动时产生的能量，然而此方案成本高，制动时间长。

因此，针对空调外风机在逆风启动过程中制动产生的回馈能量导致母线电压升高的问题，提出一种变频空调风机母线回馈电压抑制方法（Feedback Voltage Suppression Control，FVSC），对系统进行分时控制，将一部分回馈能量消耗在电机绕组上，另一部分储存在母线电容中，从而抑制母线电压升高。最后提出一种全周期误差修正算法，消除控制系统在FOC和FVSC之间不停切换引起的误差角，从而保证系统稳定，使风机能够正常启动，进而节省成本，提高风机启动可靠性。

1 风机制动过程分析

由于变频空调外风机主要采用永磁同步电机，在dq旋转坐标系中其定子磁链方程为：

根据式（2）可知，当风机从高速反转进行制动时，电机d、q轴电感压降与反电动势之和会增大，即、会增加。当电感压降与反电动势之和大于逆变器端电压时，为保证方程等式成立，、也会随之增大，电流将改变方向，能量从电机向直流母线侧流动，该状态下电机相当于一个发电机，使母线电压持续升高。

如图1所示为风机驱动示意图，在传统的变频调速控制系统中， 由于受前级二极管整流桥的隔断， 电机制动产生的回馈能量不能向电网侧传递， 因此全部存储在直流侧母线电容上， 导致母线电压持续上升，最终导致保护停机。因此，需要采取一定的措施抑制母线电压升高。

2 母线回馈电压抑制方法

传统的FOC控制如图2所示。当风机在制动时，若使用传统的FOC控制，制动产生的回馈能量将全部存储在直流侧母线电容上，从而导致母线电压升高从而导致保护停机。

2.1分时控制

为了抑制风机在制动时产生的回馈能量使母线电压升高，提出一种回馈电压抑制方法，如图3所示。在顺风情况下，风机处于电动状态，没有能量反馈至直流母线，因此母线电压不会升高，此时只需将开关K吸合到1，实现的FOC控制方法，通过q轴转速、电流双闭环控制调节风机频率。

在逆风条件下，风机反转为发电状态，在制动时能量会反馈至直流母线，导致母线电压升高。此时，将开关K吸合到2，进入FVSC控制，通过d轴电压电流双闭环控制，使母线电压跟随其预设参考值Vdc0，同时将能量消耗在风机三相绕组上，同时将部分能量储存在母线电容内。

通过在传统FOC的基础上构建电压外环，并采用分时控制模式，令开关K=1时作用t1秒后切换到2，在K=2时作用t2秒后又切换到K=1，以此控制直到母线电压始终低于预设值。分时控制流程图如图4所示。

2.2 全周期误差角修正

在进行分时控制时，由于控制系统在FOC和FVSC之间不停切换，使得风机反电动势一直处于波动状态，导致风机位置估算不准。因此针对此问题设计一种全周期误差修正算法，对此误差角进行实时修正，从而将误差角减小到0，达到实时跟随风机转子转速、空间角度及反电动势的目的。如图5所示为误差角修正示意图，图中为实际dq轴坐标系和估算dq轴坐标系之间的误差角，为实际转速。

在下一个新的采样周期，按式（5）至式（7）对修正转及位置进行实时修正：

式（5）～式（7）中，和分别是第n个周期和第n-1个周期的转速积分;是第n个周期的误差角;Ts为采样周期;和分别是第n个周期和第n-1个周期的转子位置;是第n个周期的实际转速;kp、ki分别是比例系数和积分系数。

通过全周期误差修正算法能够消除控制系统在FOC和FVSC之间不停切换引起的误差角，确保系统稳定。通过分时控制将制动时的母线回馈电压抑制在保护值以下。

3 实验验证

为验证该控制方法的有效性，搭建逆风启动工装模拟逆风工况，经验证及测试，结果如下。

如图6所示为在传统FOC控制时对风机进行制动的实验波形。从图中看出，当风机进行制动时，母线电压明显升高，很快达到保护值从而保护停机，风机电流立刻减小到零。

如图7所示为在本文所提母线回馈电压抑制方法下进行制动时的实验波形。从图中看出，当风机进行制动时，母线电压升高缓慢，明显被抑制在保护值以下，当风机转速减小到一定范围后再正向加速，即可完成逆风启动。

4 结论

针对风机在制动时产生的回馈能量会让风机驱动母线电压升高而触发保护的问题，提出一种母线回馈电压抑制方法，对系统进行分时控制，将一部分回馈能量消耗在电机绕组上，另一部分储存在母线电容中，从而抑制母线电压升高，最后提出一种全周期误差修正算法，消除控制系统在FOC和FVSC之间不停切换引起的误差角，确保系统稳定，使风机能够正常启动，进而节省成本和提高风机启动可靠性。

参考文献：

[1]张国柱.空调室外直流风机的无位置传感器启动方法[J].日用电器，2016，7：61-65.

[2]卢智锋，李军，周世琼，康龙云.永磁同步电机制动能量回收系统的控制方法[J].电力自动化设备，2013，33（2）：131-135.

[3]郭奕杉，刘牮，马旭.基于DSP的变频器能量回馈单元的设计与实现[J].信息技术，2018，12：41-46.

[4]刘杰，张豫.永磁同步电机调速系统能耗制动分析[J].中小型电机，2003，30（1）：29-32.

作者简介：贺小林，男，1983年10月出生，工程师，硕士研究生，主要研究方向：空调机组的变频驱动及控制器技术研发