无电解电容驱动方案网侧高功率因数控制方法研究

无电解电容驱动方案网侧高功率因数控制方法研究

周斌

长虹美菱股份有限公司

摘要：本文针对冰箱压缩机驱动系统中电解电容存在的问题，提出了一种无电解电容驱动方案，并深入研究了该方案在冰箱压缩机系统中的应用及网侧高功率因数控制方法。通过采用小容值薄膜电容替代传统大容值电解电容，并结合先进的控制策略，实现了系统体积和成本的降低，同时提高了系统的寿命和可靠性。此外，本文还探讨了如何通过逆变器功率控制环路和母线电压控制模块实现网侧高功率因数控制，以提高系统的电能质量和运行效率。实验结果表明，该无电解电容驱动方案在冰箱压缩机系统中表现出色，具有广阔的应用前景。

关键词：无电解电容；驱动；功率因数

第一章引言

冰箱压缩机驱动系统一般由整流电路、电抗器、功率因数校正(PFC)电路、电解电容和逆变电路组成。冰箱压缩机驱动系统是冰箱制冷系统的核心部分，其性能直接影响到冰箱的制冷效果和能耗。传统冰箱压缩机驱动系统普遍采用电解电容作为关键元件，用于贮存网侧输入的能量和稳定直流母线电压。然而，电解电容在体积、成本、寿命及可靠性等方面存在诸多问题，特别是在高温和高纹波电流环境下，其寿命会显著缩短，从而影响系统的整体性能。因此，研究无电解电容驱动方案具有重要的现实意义。

一、电解电容在冰箱压缩机驱动系统中的作用

在冰箱压缩机驱动系统中，电解电容作为关键元件之一，主要负责贮存网侧输入的能量和稳定直流母线电压。其工作原理是通过电场在导体板之间储存电能，并在需要时释放，以支持系统的稳定运行。

二、电解电容寿命的影响因素

电解电容的寿命与其工作环境温度密切相关。一般来说，电解电容在较高的温度下工作会加速其老化过程，缩短使用寿命。环境温度每升高10度，电解电容的正常工作时间可能会折半。纹波电流是流过电解电容的交流分量电流，它受环境温度和交流频率的影响。在允许的范围内，纹波电流越大，电解电容的使用寿命越短。电解电容的工作电压也是影响其寿命的重要因素。工作电压过高或波动过大都可能对电解电容造成损害。

三、电解电容故障对冰箱压缩机驱动系统的影响

由于电解电容在压缩机驱动系统中起着至关重要的作用，其故障往往会导致整个系统的性能下降甚至瘫痪。这些故障可能表现为：

系统启动困难或无法启动；

压缩机运行不稳定或停机；

系统能效降低，能耗增加；

严重的甚至可能引发火灾等安全事故。

第二章无电解电容驱动方案介绍

无电解电容驱动方案核心在于采用小容值薄膜电容或其他非电解电容元件替代传统驱动器中的大容值电解电容，以解决电解电容在体积、成本、寿命及可靠性等方面的问题。无电解电容驱动方案的主要特点与优势：

（1）采用小容值薄膜电容替代大容值电解电容，显著减小了驱动系统的体积和成本。

（2）电解电容容易老化、漏液，影响系统可靠性；而无电解电容驱动系统则避免了这些问题，提高了系统的整体寿命。

（3）通过先进的控制策略和技术手段，如虚拟阻尼谐振抑制策略、拍频抑制策略等，可以有效抑制直流母线电压波动，提高系统的稳定性和电能质量。

无电解电容驱动方案实现方式，选用具有高储能密度和稳定性的薄膜电容或其他非电解电容元件；采用先进的控制算法和技术手段，如稳定运行控制方法、网侧电能质量提升控制技术等，确保系统的稳定运行和高效能输出。

直流母线采用大容值母线电容，可以存储足够的能量作为输入和输出功率的缓冲，以维持恒定的直流母线电压。由于母线电容容值足够大，整个驱动系统可以视为理想的AC-DC-AC系统。目前传统家用电冰箱压缩机驱动系统拓扑结构如下图1所示：

图1 传统家用电冰箱压缩机驱动系统拓扑结构

本文讨论的无电解电容家用电冰箱压缩机驱动系统拓扑结构如下图2所示：

图2 无电解电容家用电冰箱压缩机驱动系统拓扑结构

采用小容值薄膜电容替代大容值电解电容，同时省略了 PFC 电路。在省略 PFC 电路的情况下，需要研究合适的电机控制策略来实现网侧高功率因数、低电流谐波，采用逆变器网侧功率、母线电压闭环控制方法实现网侧高功率因数控制效果。

第三章网侧高功率因数控制方法

1. 逆变器功率控制环路

a. 功率控制模块

功率控制模块位于转速控制器和交轴电流控制器之间，其作用是调整交轴电流指令，以控制电机的平均输出功率（Pavg）。通过接收转速控制器的输出和电机实际转速的乘积来计算Pavg，并利用电网电压相位信息对Pavg进行调制，生成逆变器功率的参考信号（Pinv）。

b. 电网电压相位同步

用于实时跟踪电网电压的相位信息，确保逆变器功率与电网电压相位同步，这是实现高功率因数的关键。利用PLL获取的相位信息对Pavg进行调制，生成正弦波形的逆变器功率参考信号Pinv，该信号与电网电压相位一致，有助于减少谐波并提高功率因数。

c. 逆变器功率反馈

通过测量逆变器输出电流和电压，可以计算出实际的逆变器功率（Pdc），这通常涉及到对三相电流的采样和计算。将Pinv与Pdc进行比较，其差值作为误差信号，通过PI（比例-积分）控制器等调节算法，调整交轴电流指令，以减小误差，实现逆变器功率的精确控制。

2. 母线电压控制模块

母线电压控制模块的主要任务是维持直流母线电压的稳定，防止因负载变化或电网波动导致的电压波动。该模块的输出作为电机电压给定信号的补偿量，通过调整电机电压的幅值和相位，来稳定母线电压。母线电压的闭环控制通常也采用PI控制器，通过比较实际母线电压与设定值，生成补偿信号，该信号与电机电压给定信号叠加后，作为最终的电机电压指令。

根据驱动系统的功率特性，逆变器输入功率：

………………………………………（公式1）

母线电压为：

……………………………………（公式2）

其中：为逆变器输入电流；

为母线电压平均值；

为母线电压k次谐波赋值；

为母线电压k次谐波相角；

驱动系统网侧高功率因数控制框图如图3所示。

图3 驱动系统网侧高功率因数控制框图

第四章结论

本文提出了一种无电解电容驱动方案并研究了其在冰箱压缩机系统中的应用及网侧高功率因数控制方法。未来工作将进一步优化控制策略和技术手段以提高系统的能效和可靠性。

参考文献

[1]王琨. 用于永磁同步电机的新型无电解电容功率变换器研究与设计[D]. 江苏大学, 2017．