变频空调压缩机电机的参数辨识.docx
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变频空调压缩机电机的参数辨识
硕士学位论文
变频空调压缩机电机的参数辨识
PARAMETERIDENTIFIATIONOFVARIABLE-FREQUENCYAIRCONDITIONING
COMPRESSOR
张斯瑶
哈尔滨工业大学
2012年7月
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
随着空调的广泛普及以及消费者观念的更新,对空调的要求不再仅仅局限于制冷、制热。
在面临着全球范围能源危机的形势下,备受关注的节能问题也成为了各大空调厂商营销竞争的主要焦点。
而以节能、舒适等特点著称的变频空调正逐步占据整个空调市场。
在生产及使用变频空调的过程中,压缩机电机参数的不准确会影响控制性能,进而出现系统运行状况不佳、运行效率不高等现象,消费者的舒适度更是明显降低。
根据趋势所向,本文通过对变频空调压缩机的参数进行判断识别,以优化控制参数,保证电机维持较好的运行效果,这对提高空调整体的效率、节约能源、提高生活环境的舒适度具有重要意义。
本课题选用IR公司研发的IRMCF312做为主控芯片,以无传感器矢量控制方法对本变频空调压缩机系统进行控制。
在对永磁同步电机进行研究分析后,结合压缩机的特殊负载环境,根据二者的结构特性建立了相应的数学模型。
在MATLAB/Simulink环境下根据矢量控制的原理建立了压缩机电机矢量控制的仿真模型,并采用id=0速度电流双闭环矢量控制策略进行了仿真研究。
在依托于该稳定系统辨识的基础之上,本课题基于项目的实际情况选择了离线辨识技术对电机各参数提出相应的辨识方案,并在IMotion环境下设计相应辨识模块,进行了相关辨识试验。
本课题将PFC技术和无传感器矢量控制技术应用于所试验的变频空调压缩机控制系统的实现。
利用该控制系统,开发了具有离线辨识功能的实验系统,并将所制定的辨识方案在此上进行试验,所得结果与前期测取结果基本相符,误差在允许范围内,证明该系统能够较准确的对电机的电气参数进行辨识。
应用辨识后的参数对控制系统进行了初步的优化。
最后结合项目实际需求,应用辨识理论对美的公司所用10余种压缩机类型的区分提出了相应的方案。
关键词:
变频空调;压缩机;矢量控制;参数辨识;区分压缩机类型
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Withthewidespreaduseofairconditioning,aswellastheupdateofconsumers’ideas,demandforairconditioningisnolongermerelylimitedtorefrigerationorheat.Facedwiththeglobalenergycrisis,energyconservation,whichispubliclyconcernedon,hasbeenthemainfocusofmarketingcompetitioninthefieldofairconditioning.Therefore,variable-frequencyairconditionerswithsomeobviouscharacteristics(e.g.energyconservation,comfortwillgraduallyoccupytheentiremarketofairconditioning.Intheproductionandemploymentofvariable-frequencyairconditionings,theinaccuracyparametersofcompressormotorwillresultintheworsecontrolperformance,eventhepooreroperationconditionofthesystem,thelowerefficiencyandthecomfort.Accordingtothepresentsituation,thispaperemploystheparameteridentificationofthevariable-frequencyairconditioningcompressortooptimizecontrollingparameterandensurethemotorrunninginawelleffect.Itplaysanimportantroleinincreasingtheoverallefficiency,savingenergy,andimprovingthecomfortoftheenvironment.
Thevariable-frequencyairconditioningcompressorsystembuiltinthispaperchoosesIRMCF312developed(byIRasthemaincontrolchipandadoptsasensorlessvectorcontrolalgorithm.BasedontheanalysisofPMSM’sstructureandcompressor'sspecialloadenvironment,themathematicmodelisbuiltupbasedontheirrelativecharacteristics,alsothecompressor’svectorcontrolsimulationmodelisbuiltonthebasisofthevectorcontrol’sprincipleinMATLAB/Simulinkaswell.Thispaperdoessometheoreticalresearchesonthedouble-closedloopvectorcontrolsystemindepth.Basedonthissteadysystemandtheactualconditionsoftheproject,off-lineidentificationtechniqueischosentoputforwardtheeachcorrespondingparameters’recognitionproposalanddesigntherelevantcalculationmodelinIMotiontomaketheidentificationexperimentsinthispaper.
ThispaperadoptsadigitalPFCtechniqueandasensorlessvectorcontroltechniqueintheairconditioningcompressorcontrolsystem.Usingthissystem,atestingsystemwithoff-lineidentificationfunctionisdeveloped.Basedonthat,theidentificationproposalshavebeenpracticedonthetestplatform.Identificationresultsaremainlymatchedwiththeprior-periodmeasurementonesandtheerroriswithinthebounds.Itisprovedthatthissystemcouldaccuratelyidentifythemotorelectricparameters.Theapplicationoftheidentifiedparametershasbeencarriedouttopreliminaryoptimizationofthecontrolsystem.Finally,combinedwiththerealrequirements,aproposalonseperationover10compressorsusedinMeidiair
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conditioningsonthemarkethasbeenpresentonthebasisoftheoff-lineidentificationtheory.
Keywords:
variable-frequencyairconditioning,compressors,vectorcontrol,parameteridentification,compressorsseperation
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摘要.....................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................II
第1章绪论(1
1.1课题背景及研究的目的和意义(1
1.1.1课题背景(1
1.1.2研究的目的和意义(2
1.2变频空调的国内外发展状况(3
1.3空调压缩机的发展状况(4
1.3.1压缩机电机的发展状况(4
1.3.2压缩机电机控制策略的发展状况(6
1.4电机参数辨识的发展状况(9
1.4.1数值计算法(9
1.4.2离线试验测试法(10
1.4.3在线辨识技术(10
1.5本文主要研究内容(11
第2章压缩机电机控制系统的研究(13
2.1引言(13
2.2压缩机电机的分类及数学模型(13
2.2.1空调压缩机的分类(13
2.2.2永磁同步电机的分类及其结构特点(13
2.2.3坐标变换(15
2.2.4压缩机电机的数学模型(17
2.3压缩机的矢量控制(19
2.3.1矢量控制的基本原理(19
2.3.2矢量控制的系统组成(19
2.3.3空间矢量调制(SVPWM的实现(20
2.4压缩机电机矢量控制系统及其仿真(22
2.4.1永磁同步电机的磁场定向控制系统仿真(22
2.4.2压缩机电机的磁场定向控制系统仿真(25
2.5本章小结(27
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第3章压缩机电机参数辨识的研究(29
3.1引言(29
3.2压缩机电机转动惯量的辨识(29
3.2.1转动惯量的实验测取(29
3.2.2转动惯量的辨识方案与仿真(33
3.3压缩机转子磁链的辨识(35
3.3.1转子磁链的实验测取(36
3.3.2转子磁链的辨识方案与仿真(37
3.4压缩机转矩常数的辨识(42
3.4.1转矩常数的实验测取(42
3.4.2转矩常数的辨识方案与仿真(43
3.5本章小结(44
第4章变频空调压缩机控制系统实现(45
4.1引言(45
4.2压缩机控制系统硬件试验平台(45
4.3压缩机控制系统软件实现(46
4.3.1IMotion编程环境(46
4.3.2系统的软件控制流程(48
4.4压缩机控制系统平台测试及实验结果(49
4.4.1压缩机控制系统平台测试结果(49
4.4.2压缩机参数辨识的实验结果(50
4.5区分压缩机方案(54
4.6本章小结(58
结论(59
参考文献(60
攻读硕士学位期间发表的学术论文(66
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明(67
致谢(68
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第1章绪论
1.1课题背景及研究的目的和意义
1.1.1课题背景
中国可谓世界上的能源储备大国,同样也是用电大国,却因能源的短缺及其分布的不均衡,已出现连续多年的“电荒”现象。
在最严重的时期,曾有过包括中西部欠发达地区在内的多达25个省级电网采取了拉闸限电的应对方案。
针对“电荒”问题,政府通过一些法令的颁布欲达到提高能效的效果。
在中国,电机驱动是电能消耗的一个主要方式,每年可消耗高达50%以上的电能。
而在高耗能的家电领域中,若在节能电机的普及应用以及优化调速方面进行改善,将十分有益于解决中国乃至全球的能源消耗问题。
近年来,我国经济文化迅猛发展,人民生活水平也得到了相应的大幅提高,为满足生活需要,空调的使用也得到了越来越广泛的普及;随着消费者知识水平与消费观念的进步,温度上的舒适度已不再是人们对空调的唯一要求,节能、健康舒适等方面逐步成为了新的强有力卖点;近几年世界性能源危机的出现更使得节能、环保及舒适成了各大空调厂商的主要竞争点。
对工作在220V电网电压、50Hz频率条件下的空调降其称为“定频空调”,对室温的调整是通过“开、停”压缩机来实现,因此将直接导致较多的电能消耗。
而相比之下,“变频空调”摒弃了“定频空调”通过电容或电阻分相的方式,选择了通过与之所配备的变频器来改变压缩机的供电频率,进而调节转速来实现控温的目的,同时减小了室温的波动,并实现了最终节能和提高舒适度的目标。
目前,变频空调在加快调温控温速度的同时,亦实现了根据室温自动切换制热、制冷和除湿等运转方式的功能。
相对于“定频空调”的性能,“变频空调”在电机寿命、降低运转噪声、温度的稳定性以及能耗等方面均有所改良[1],其快速调温、节能、精确控温、电压适应范围宽、一拖二智能控温、室温恒定等优点也显现而出,因而,眼下得到越来越广泛的应用。
变频空调于1994年进入中国市场,在这近20年的时间中,初期发展较缓慢,直至2004年,题为《变频——中国空调行业的新动力》的新闻发布会成功发布,也宣告了革新换代的变频空调逐步取代“定频空调”时代的开始[2]。
压缩机是整个变频空调系统控制中的核心部分,也是最主要的耗能部分,其性能的优劣直接影响空调器主要性能的好坏。
变频空调在发展初期,压缩机多采用三相交流异步电动机,据上文所述可知压缩机的转速由空调负荷进行调
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节,其优点在于可长时间运转于低速状态,但其缺点在于控制复杂、效率低。
永磁同步电机与之相比,因其拥有体积小、重量轻、具有明显节能效果的永磁体转子,在家电场合有着广大的应用市场[3]。
本课题项目是与国内美的空调公司和美国国际整流公司合作,选用由IR公司研发生产的IMotion系列芯片中的IRMCF312作为压缩机的控制芯片。
该芯片在兼顾空调系统内压缩机与风机变频控制的同时还可以保证功率因数校正PFC环节的运行。
本课题研究系统由于受到压缩机腔内充斥着强腐蚀性制冷剂等环境限制,采用无位置传感器的矢量控制方法,经由芯片所应用的图形模块化的软件编程环境,通过所设计并应用的一系列基于闭环无位置传感器的运算法则,实现对变频空调器室外压缩机系统的矢量控制及应用在该系统上的参数辨识算法。
1.1.2研究的目的和意义
压缩机是变频空调的重要组成部分,对压缩机电机所用电机分类大致包括三相交流异步电动机、感应电动机和永磁同步电机三种,综合其效率以及结合最终的节能环保目标,制造中多采用永磁同步电机(PMSM驱动。
异于另两种电机之处在于以下三方面。
第一点,从功率因数上看,永磁同步电机内因通过其内置的永磁体提供磁场,故不存在电励磁损耗的问题,当定转子同步运行时转子绕组内没有感应电流,因此不产生铜耗,转子铁心中也同样不会产生损耗,所以,永磁同步电动机的效率要明显高于另两种电动机的效率;另外,由于未吸收电网中的励磁电流直接降低了无功功率也是提高功率因数的另一原因。
第二点,永磁同步电机由于其自身结构原因,不必增设电励磁装置,转子结构的简化增强了电机系统运行的稳定性及可靠性。
第三点,永磁同步电机的稀土永磁材料有着很高的磁能积,大量的电动机磁能积仅通过较少的永磁磁钢即可实现,因此是一种高效率高密度的电机[4]。
综上,永磁同步电机因上述原因而在空调压缩机电机的使用上显现出了明显的优势,在市场上得到了越来越广泛的应用。
在永磁同步电机矢量控制系统中,由于需要提取速度、位置等信息,往往需要借助位置传感器等装置。
在以往的电机调速系统中,旋转变压器、磁敏电阻效应传感器、光电编码器、霍尔效应传感器等传感器作为常用装置,通过将其置于电机轴上以获得所需的有关电机的信息,从而确定转子磁场间的空间角度进而进行矢量控制。
这一方法虽然直接、精确,但是也存在着一定的劣势。
不但传感器的体积大、成本高,而且其存在增设了连接电缆和传感电路,降低了系统的可靠性,又不适用于空调压缩机内高温、强腐蚀性制冷剂的环境,因
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而在此环境下,无位置传感器显示出了其优势,得以成为压缩机调速系统的主要发展方向[5]。
无传感器控制是一种在不借助任何传感器装置的条件下,仅通过提取电机绕组中相关的电信号信息,采用某些方法对电机转子的速度和位置进行估算,进而应用于实现电机的闭环控制。
总体来说,该方法是一种以永磁同步电机电磁关系为理论基础,通过观测器技术并对电机转子的角度和位置及速度估算方法[6]。
因此,有效利用无位置传感器控制方法对实际空调系统的控制有着重要的意义。
目前主要的无传感器控制方法都具有计算简单、动态响应快、几乎无延迟的特点,但电机参数需确保在运算过程中较高的准确性。
在电机经历一段时间运行后,电机参数会因内部或外部环境因素发生一定的变化,将导致对电机转速和位置的估算产生误差甚至是错误,并且该控制算法因补偿、校正环节的缺失会对控制效果产生不良影响。
因此,对电机参数的明确认知无论在电机使用前或是运行中都是十分必要的。
但存在很多种情况会导致出现电机参数的未知或者不精确的问题,如项目及产品的涉密问题、厂商提供资料不足以及长时间运行和老化所产生的影响等等。
上述问题都会对电机,尤其是空调压缩机的无传感器控制提出考验。
因此定期对压缩机的参数进行一次判断识别是很重要的,以确保数据及时更新,并将准确的数据用于后续的计算与控制,确保无论是参数未知或是已知量与真实值之间存在一定误差等何种情况下,电机均能保证良好的运行效果。
这也会在提高空调系统的效率、降低噪声、节约能耗以及提高舒适度等多方面产生积极影响。
在变频空调产品的使用体验中,为避免上述问题,本课题对空调系统室外机压缩机电机的本体电气参数进行辨识分析,进而对其控制参数进行优化,从而改善空调的运行状况,实现节能环保及舒适的目标。
除此之外,本课题项目是与美的空调公司和国际整流公司合作共同进行的。
结合IR公司的技术支持,以完成美的公司提出的技术要求,市场上的美的空调所采用的压缩机电机类型多达10余种,合作企业目前面临着所用试验样机电机呈老化趋势,且对不同型号电机所配置的控制参数不同的问题。
贵公司希望借助本课题实现在电机型号未知的情况下,通过电信号激励的运行模式,对待测电机通过参数辨识的方法实现对其进行鉴别,并迅速完成参数自整定的目标。
1.2变频空调的国内外发展状况
1978年,日本成为了最早将空调智能控制技术在商品上付诸实现的国家,其国内品牌松下电器首先采用微电脑控制空调器,自此开启了世界范围内的变频空调时代;东芝公司也在两年后又将首台变频往复式空调压缩机推向世
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界,次年又研制出了小型空调机用变频旋转式压缩机;至此之后,变频技术以及更多的控制技术逐渐应用在空调器的各个部分。
目前,日本的变频空调几乎占据了整个空调市场。
90年代初,我国空调市场上开始出现变频空调,海尔、格力、海信、美的等知名品牌相继进入变频空调领域,自此也开始了国内对于变频空调控制器的研究。
以借鉴国外技术为基础,高校、业内学者在此之上开始潜心钻研,许多国内家电厂商也积极研发更适于国内行情的变频空调。
一般而言,变频空调压缩机按所用的电动机类型是交、直流将其分为交流变频空调、直流变频空调两种。
交流变频空调采用的是交流变频压缩机,工作期间共经历两次电压转化的过程,经整流环节对220V交流电压进行调节转换,再经变频器内所含的逆变器,将先得的直流电转变成可调频调压的三相交流电,进而控制压缩机电机及其转速。
相对于定频压缩机,变频压缩机取消了启动电容,这一操作起到了减小电路损耗及省电的作用。
早期的交流变频空调压缩机多为感应电机,但其整体效率不高,控制器也比较复杂,可靠性低,一直不属于调速空调里的理想产品。
而对于直流变频这一技术,仅是为区分于交流变频而言,直流电因为没有频率,就更没有所谓的变频,而是在同样整流环节后将所得直流电在不同的控制信号作用下输出为可变电压的直流电源,将其应用在压缩机上用于控制电机转速。
直流变频空调之所以节能,具体体现在电机中去掉了其电路中的铜损,并选取永磁材料用于制备电机转子提高整机效率。
除此之外,直流变频空调运行中噪声与扰动相对较低,凭借上述优点在日本空调市场中成为最主流热销商品,进而成为国内发展方向。
直流变频空调以其相对较高的能效比和较低的噪声与振动幅度,成为了日本市场变频空调的主流,也成为了中国变频空调的发展方向,但直流调速空调的高成本也是不容小觑的,相对定频空调和交流变频空调高出一至两倍,因此我国对于直流变频空调的普及仍在进行中[7]。
除此之外,多数新型变频空调都已选取了同比之下效率较高的永磁电机,但在空调系统的其他部分,如风机、室内机等部分的控制方式与机械装置并未得到技术革新,相应地,整机效率也未得到大幅度地提高。
因此,对整机效率做出实质性改善以及对室内机等部分的更新可作为后期研究方向。
1.3空调压缩机的发展状况
1.3.1压缩机电机的发展状况
空调压缩机因其在空调系统中所起的重要作用可视为系统的心脏。
当系统的工作模式设置为制冷时,压缩腔内的制冷剂进行压缩,使其由低压升至高压,而在冷凝器中将制冷剂的状态由气态转为液态,制热状态与之相反;当持续在
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某一工作状态时,制冷剂不断的循环流动完成内外气体的交换。
由此可见,压缩机的可靠性与热力性能直接影响整个系统的性能[8],因此无论何种空调器,若想对整体系统进行改善,首先需对压缩机的外观、性能及可靠性等方面做以改进。
从上世纪80年代开始,我国为大力发展家用空调产业,从国外引入了多条生产线,但引进的生产线多为活塞式压缩机生产线,这主要是受限于当时的经济条件和市场需求,因而当时的空调压缩机生产发展较慢。
近年来,许多国外知名压缩机制造商受我国政策支持以及市场经济发展的吸引,纷纷以合资或独资的形式开始在国内开设新厂,例如海立公司(日立与海信合资和美芝公司(东芝与美的合资等,在不断的更新、改革其技术及工艺后空调压缩机得到了迅猛的发展。
近几年,为了进一步提高空调器压缩机的效率,开发者进行了很多改进与新的尝试。
如前文所述,当下的变频空调压缩机大多采用永磁同步电机,这是一种采用稀土永磁体代替励磁绕组的一种同步电机,拥有与直流电机相同的调速特性,同时兼具良好的起动性能、较小的温升、轻载情况下高效运行等优点。
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