电网供电的AC-DC-AC电压源型逆变器因结构简单、效率高、成本低,被广泛应用于电机驱动系统。此类逆变器采用大容量电解电容作为系统功率解耦器件,具有稳定的直流母线电压。然而,电解电容固有的缺点导致驱动系统故障率居高不下。
采用小容量薄膜电容替代电解电容的无电解电容(Electrolytic Capacitor-Less, ECL)电机驱动系统可有效解决上述问题,受到业内专家和学者的广泛关注。但薄膜电容容量大幅度减小后,ECL驱动系统存在严重的直流母线电压波动,电机性能和电网电能质量极易受工况变化影响等问题。因此,为实现高性能控制,必须对ECL驱动系统的电路结构和控制策略展开深入研究。
目前,ECL驱动系统的研究主要分为两类:第一类是仍采用传统驱动系统结构,仅通过改进控制策略来抑制直流母线电压的脉动,进而提高电机运行性能。
第二类是在原有电机驱动系统上通过新增有源功率解耦电路(Active Power Decoupling Circuit, APDC)实现对电网脉动功率的控制,以期同时提高驱动系统电网侧电能质量和电机性能。
本文提出一种微升压有源功率解耦电路,并构建对应的无电解电容驱动系统。由于采用输入串联、输出并联的特殊结构,该有源功率解耦电路电压增益近似为1,克服了现有升压型解耦电路成本高、功率器件电压应力高的缺点。与传统Boost电路相比,较低电压增益下该有源功率解耦电路功率器件拥有更宽的占空比调制范围,进一步提高驱动系统输入侧电能质量。
同时,将母线电压交流分量的总谐波畸变(Total Harmonic Distortion, THD)引入至驱动系统控制中,将功率因数控制(Power Factor Correction, PFC)、母线电压控制合二为一,简化了控制器的设计,并有效克服了转速、负载变换情况下直流母线电压欠电压及过电压问题,在确保驱动系统安全工作的基础上,有效提升电机运行性能。分析了该功率解耦电路的工作原理,推导设计参数的理论计算。设计基于微升压功率解耦电路的控制器,构建电机实验平台,验证了ECL电机驱动系统的有效性。
图1 微升压有源功率解耦电路结构
图9 ECL电机驱动系统整体控制策略
图10 微升压有源功率解耦电路
图11 ECL电机实验平台
本文提出了一种微升压有源功率解耦电路,在此基础上构建了ELC电机驱动系统。与现有系统(变频器)相比,该系统功率器件电压应力大幅度降低,进一步提高了驱动系统的可靠性。此外,较低的直流母线电压有利于电机较低转速区域性能的提高。因此,本文所研究的ECL驱动系统可替代现有产品应用于低速、低成本、高性能领域。该系统突出特点有: