孫永泰

（沈陽市遼中通達(dá)機(jī)械廠，沈陽遼中 110200）

1 引 言

家用制冷電器用得最多的是單相異步電動機(jī)，靠電容或電阻分相，其壓縮機(jī)電機(jī)常工作在短時重復(fù)狀態(tài) （通/斷式），這樣勢必帶來起動頻繁、沖擊電流大、電機(jī)及壓縮機(jī)壽命短、制冷溫度上下起伏大，即溫度穩(wěn)定性差等一系列弊端，同時系統(tǒng)效率低、噪聲大、可控性能差。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，采用變頻調(diào)速（VVVF）驅(qū)動壓縮機(jī)電機(jī)成為先進(jìn)制冷系統(tǒng)的發(fā)展方向。它不但可使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動、減小電流沖擊、延長電機(jī)壽命，還可通過平滑速度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)可變制冷量，即高速制冷、低速維持，提高溫度穩(wěn)定性。作為用電大戶的壓縮機(jī)，在推廣創(chuàng)造節(jié)能效益上十分顯著。

國外，全球性能源短缺，使日本東芝公司1981年就將VVVF技術(shù)用于壓縮機(jī)電機(jī)控制，推出了新一代逆變器空調(diào)。到目前為止，發(fā)達(dá)國家變頻調(diào)速冰箱空調(diào)已獲得了廣泛的應(yīng)用，并且向健康、舒適型發(fā)展，據(jù)日刊介紹，1990年在日本房間空調(diào)器的銷售量中已有60%為變頻空調(diào)，并且逐年增長[1]。我國起步較晚，上世紀(jì)90年代后期，部分廠商才開始散件引進(jìn)組裝，有關(guān)專家已看好其節(jié)能和良好的溫度穩(wěn)定性，國家也在 “八五”期間進(jìn)行了專項(xiàng)攻關(guān)，出現(xiàn)了以電機(jī)和控制器兩條主線的多元化發(fā)展格局。一方面壓縮機(jī)電機(jī)從單相異步機(jī)發(fā)展到兩相對稱、三相異步機(jī)，甚至稀土永磁電機(jī)；另一方面變頻調(diào)速器則從單進(jìn)單出、單進(jìn)雙出發(fā)展到單進(jìn)三出；控制形式從SPWM、PWM、PFM發(fā)展到速度閉環(huán)、電流閉環(huán)；控制策略也從氣隙磁通控制發(fā)展到滑模變結(jié)構(gòu)控制參數(shù)最優(yōu)化控制、參數(shù)自適應(yīng)控制；溫度閉環(huán)從簡單的比例反饋、PI控制發(fā)展到現(xiàn)代智能型模糊控制，呈現(xiàn)出一派繁榮景象。但要進(jìn)入實(shí)用，使之實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，面臨的主要問題仍然是低成本、高可靠性和小型化，包括電路簡化、效率高、可維護(hù)性強(qiáng)、智能化和自動化等。

2 壓縮機(jī)電機(jī)的應(yīng)用分析

由于交流變頻調(diào)速給壓縮機(jī)電機(jī)帶來的優(yōu)良特性和節(jié)能效益，從而打破了單相異步電動機(jī)一統(tǒng)家用電器壓縮機(jī)電機(jī)的局面，許多適于調(diào)速的電機(jī)紛紛登臺，出現(xiàn)了交流異步機(jī)與同步機(jī)互相爭奪的現(xiàn)象。一般可作為壓縮機(jī)驅(qū)動電機(jī)分為如下幾類：

2.1 異步電機(jī)的應(yīng)用分析

可變制冷量型家用制冷電器作為今后的發(fā)展方向，其主要特點(diǎn)是壓縮機(jī)電機(jī)能平滑調(diào)速，因此在堅(jiān)固耐用的異步機(jī)上配以調(diào)速器就成為可能。

（1）鑒于目前國內(nèi)壓縮機(jī)廠家不愿改動業(yè)已批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線，避免一次性投資過大，而又希望通過無級調(diào)速改善電機(jī)運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)可變制冷量和節(jié)能，為此研制了0.2kW冰箱用和0.8kW空調(diào)用變頻調(diào)速控制器，均為單進(jìn)單出系統(tǒng)，可直接跨接于220V和壓縮機(jī)電機(jī)之間，由電容或電阻分相，絲毫不改動現(xiàn)有壓縮機(jī)及電機(jī)，減少了過大的投資。但由于磁場不是圓形 （非嚴(yán)格90°分相），且頻率變化時電機(jī)容抗也隨之變化，所以低頻帶載能力差，電機(jī)運(yùn)行性能和節(jié)能效果并不十分理想。

（2）如果將電機(jī)改為兩相對稱繞組，控制器為單進(jìn)雙出，且嚴(yán)格90°分相，取掉了電容或電阻，電機(jī)只需重新繞線，這樣電機(jī)成本大大降低，并且能保證圓形磁場，而且無容抗受頻率的影響，低頻特性也好，但該方法電壓損失嚴(yán)重，鐵心利用率低，效率也不高。

（3）重新改造電機(jī)，以三相異步機(jī) （IM）為好，這種電機(jī)可由通用變頻器將單相交流電分成三相，而且調(diào)速平滑，技術(shù)成熟，控制方法多樣，電機(jī)運(yùn)行特性好，效率相對較高。通過0.8kW三相異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研制，雖然成本比單雙相略高，但運(yùn)行可靠，低速節(jié)能顯著，很適合冰柜和小型空調(diào)器，而且耐用、防爆、易維護(hù)。采用三進(jìn)三出結(jié)構(gòu)，在工業(yè)用壓縮機(jī)異步電機(jī)中也很有發(fā)展前途。

2.2 同步電機(jī)的應(yīng)用分析

上世紀(jì)80年代初，隨著稀土永磁材料釹鐵硼（NdFeB）的出現(xiàn)，以及近幾年先進(jìn)工藝結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，性能/價格比高的稀土永磁材料不再為航空航天所專用，民用稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)正在迅速發(fā)展。日本在汽車、摩托車、家用電器上使用的稀土永磁電機(jī) （REPMEM）每年以10%的速度增長，這種電機(jī)具有體積小、重量輕、維護(hù)方便、性能優(yōu)越、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于三相異步機(jī)，僅效率就高出異步機(jī)10%左右，加上穩(wěn)定的變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，其節(jié)能效果更加顯著 （見圖1），完成相同制冷量比傳統(tǒng)單相異步機(jī)節(jié)能30%以上。圖1表示相同流量下相同功率的三相異步機(jī)與稀土永磁同步機(jī)的節(jié)能曲線。

圖1 稀土永磁電機(jī)節(jié)能效果

除了有刷直流電機(jī)外，稀土永磁電機(jī)本身為同步機(jī)，它不能自起動，且易于振蕩和過載失步，因此出現(xiàn)了自控式調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，也叫無換向器電機(jī)或無刷直流電機(jī)。它不會失步又具有直流機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，可采用轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器 （如霍爾元件），也可采用無傳感器的反電勢換向，這種電機(jī)特性沒有他控式稀土永磁同步電機(jī) （REPMSM）硬，但適合平方型 （M∝n2）壓縮機(jī)負(fù)載，而且調(diào)速范圍寬，調(diào)速無級平滑性好，通過研制的0.2kW冰箱壓縮機(jī)無刷直流電機(jī)調(diào)速試驗(yàn)，其節(jié)能明顯，但由于位置傳感器隨電機(jī)裝在壓縮機(jī)里，所以外引線較多，維修困難。由于霍爾器件溫度特性不好，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性差。目前美國GE公司在冰箱蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)中這類電機(jī)用得較多，所以穩(wěn)定可靠的無傳感器無刷直流電機(jī)可望在小型壓縮機(jī)中獲得應(yīng)用。

他控式稀士永磁同步電機(jī)雖然可依靠VVVF裝置實(shí)現(xiàn)軟起動，減小電流沖擊，但振蕩和失步是穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件。由于其機(jī)械特性平直，頻率與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步，所以調(diào)速精度高，隨著先進(jìn)閉環(huán)控制技術(shù)的運(yùn)用，振蕩和失步已不再成為應(yīng)用難點(diǎn)，其優(yōu)越的調(diào)速性和高力能指標(biāo) （μcos φ）必將成為壓縮機(jī)電機(jī)的佼佼者，寬范圍平滑調(diào)速和較高的節(jié)能優(yōu)勢使人們不再為其成本擔(dān)心，目前日本、美國已把稀士永磁同步機(jī)作為第二代壓縮機(jī)電機(jī)首選機(jī)種。目前研制出的1.0、1.8kW空調(diào)壓縮機(jī)用稀土永磁同步電機(jī)，經(jīng)低成本專用變頻器配套試驗(yàn)，結(jié)果令人滿意。

至于近幾年發(fā)展起來的開關(guān)磁阻電機(jī) （SRM），又稱反應(yīng)式電動機(jī)，是一種無勵磁的凸極式同步機(jī)，單機(jī)容量通常在1kW左右，適合家用電器中的壓縮機(jī)電機(jī)，而且控制簡單，電機(jī)堅(jiān)固可靠、效率高，但功率因數(shù)低，對于耗電大戶壓縮機(jī)，隨著先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用，可望在壓縮機(jī)中有所發(fā)展，據(jù)悉，美國A.O.Smith公司已研制出空調(diào)器用SRM樣機(jī)。

3 變頻調(diào)速控制器的應(yīng)用分析

壓縮機(jī)電機(jī)采用變頻調(diào)速是制冷電器設(shè)備的發(fā)展與進(jìn)步，它隨著壓縮機(jī)采用不同的電機(jī)而發(fā)展和完善，目前使用最多的是電壓型交—直—交主功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整流器為不可控橋式結(jié)構(gòu)，變壓變頻（VVVF）由逆變器一次完成，稱為PWM逆變器，控制策略多基于氣隙磁通軌跡法，也叫空間電壓矢量控制，這種方法使開環(huán)也能工作 （見圖2）。所以控制器與電機(jī)相互依賴、相互制約，只有協(xié)調(diào)發(fā)展才能獲得高性能傳動系統(tǒng)[2]。

圖2 交—直—交PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)

對于單進(jìn)單出異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于靠電容電阻分相，所以其輸出PWM波形的正弦化是電機(jī)是否處于最佳運(yùn)行特性的關(guān)鍵。在PWM波形設(shè)計(jì)時，采用諧波抑制方法，可做到13次以下奇次諧波被抑制到3%以下，即實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)優(yōu)化PWM調(diào)速[3]，但磁場因電容及工藝誤差不可能做到圓形，容抗的變化使最佳頻率區(qū)無法完全覆蓋調(diào)速范固，高頻開關(guān)損耗使系統(tǒng)效率不高，但低成本和節(jié)能效果仍比不調(diào)速好。

單進(jìn)雙出異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，雖可做到嚴(yán)格90°分相，且摒棄掉電容或電阻分相的弊端，但采用恒磁通調(diào)速 （U/f=C），電壓損失大，鐵心利用率不高，效率仍很低，其節(jié)電純屬于壓縮機(jī)低速工作時所帶來的能效比 （COP）的改善，電機(jī)成本降低和控制器成本升高，使總體成本仍與單進(jìn)單出相當(dāng)，但系統(tǒng)可靠性及運(yùn)行性能要比單進(jìn)單出好。

單進(jìn)三出異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，除采用開環(huán)恒U/f比控制外，還可采用矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)差控制形成速度或電流閉環(huán)。采用空間電壓矢量下的磁通軌跡控制可實(shí)現(xiàn)圓形磁場，諧波含量和轉(zhuǎn)矩脈動隨逼近程度變化。如果考慮到開關(guān)損耗適當(dāng)，以消除23次以下諧波為宜，這樣電壓基波分量大，電壓利用率高，轉(zhuǎn)矩脈動小。該方法可在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒功率平滑調(diào)速[4]，其效率明顯高于前兩種，在空調(diào)器中應(yīng)用，其成本可以接受。若采用速度閉環(huán)獲得高精度控制，則系統(tǒng)相對復(fù)雜，但將成為今后一段時間重要的發(fā)展方向。美國政府為了節(jié)約能源，其市場供應(yīng)的空調(diào)器要求盡量采用這種傳動系統(tǒng)。

稀土永磁無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)無失步振蕩造成的不穩(wěn)定，控制規(guī)律相對簡單，且開關(guān)損耗低，效率高，很適合于微處理器實(shí)現(xiàn)速度、電流雙閉環(huán)控制，調(diào)速范圍寬而平滑。1984年美國GE公司推出了單片機(jī)控制的無刷直流電動機(jī)，稱為智能電機(jī) （Smart Motor），調(diào)速范圍20～10000r/min，噪聲低。1992年初步用于冰箱壓縮機(jī)電機(jī)控制，電機(jī)采用反電勢換向。目前變頻起動無刷運(yùn)行的方法已有研究，要用滑模變結(jié)構(gòu)控制求解控制規(guī)律在超平面上的切換，否則振蕩仍可能發(fā)生，目前已采用半橋逆變結(jié)構(gòu)在30W牙鉆電機(jī)中實(shí)現(xiàn)了這一方案[5]，可望在冰箱壓縮機(jī)中采用這一技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可變制冷量控制。

他控式稀土永磁同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，可采用變磁鏈軌跡結(jié)構(gòu)改善高低頻段運(yùn)行特性，減小磁場和轉(zhuǎn)矩的脈動[6]。從開關(guān)損耗上考慮，諧振式軟開關(guān)逆變已有研究，從電機(jī)最優(yōu)效率出發(fā)，稀土永磁同步電機(jī)不應(yīng)用COS φ=1法，而應(yīng)采用最小電流法，模糊閉環(huán)控制和參數(shù)自適應(yīng)控制可克服振蕩和失步，使電機(jī)功角鎖定在要求的范圍。為了適應(yīng)稀土永磁同步電動機(jī)因充磁和設(shè)計(jì)加工所帶來的分散性，其U/f曲線自學(xué)控制有所研究。這種方法可使變頻器與電機(jī)實(shí)現(xiàn)良好的匹配。

由于其高效節(jié)能、調(diào)速準(zhǔn)確、機(jī)械特性硬、動態(tài)性能好，所以稀土永磁同步電動機(jī)VVVF系統(tǒng)必將成為最有發(fā)展前途的壓縮機(jī)傳動系統(tǒng)，從研制的1.8kW稀土永磁壓縮機(jī)同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)情況看，也充分證實(shí)了這一點(diǎn)。

4 稀土永磁電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)展望

目前變頻控制器與電機(jī)相比，價格高，體積大，所以控制電路的簡化、成本的降低、可靠性的提高，以及小型化、高效化和智能化的實(shí)現(xiàn)就成為迎接變頻調(diào)速壓縮機(jī)產(chǎn)業(yè)化時代到來的關(guān)鍵?，F(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用使智能化、自動化的高可靠控制器成為可能；故障診斷、容錯技術(shù)可使維修性大大提高；可靠的驅(qū)動及準(zhǔn)確的保護(hù)技術(shù)使先進(jìn)的電力電子器件GTR、IGBT、MOSFET、MCT、SITH等不再成為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)；隨著微處理器技術(shù)的日益開發(fā)，設(shè)計(jì)適于軟件處理的實(shí)時控制系統(tǒng)不但是小型化發(fā)展的方向，而且也是現(xiàn)代控制理論得以應(yīng)用的基礎(chǔ)，其軟件的靈活性給調(diào)試帶來了諸多方便；微電子技術(shù)及集成制造業(yè)的發(fā)展，使控制器的低成本、高可靠性、走線簡單、抗干擾性強(qiáng)及小體積成為現(xiàn)實(shí)。從6路電壓型功率集成驅(qū)動電路IR2130到第四代電力電子功率集成模塊 （PIM），已將功率開關(guān)器件、驅(qū)動、保護(hù)、電流檢測及負(fù)載傳感器融于一塊芯片上，成為智能模塊；從PWM波形生成電路HEF4752、SLE4520到波形任意設(shè)計(jì)的高速DSP數(shù)字信號處理器，使得先進(jìn)的變頻調(diào)速控制器小型化、實(shí)用化不再是夢，甚至嵌入式變頻器可以像 “組件”一樣裝入電機(jī)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。目前國外在豪華列車、高級轎車及高檔家用電器中集成化變頻器已有應(yīng)用。

5 結(jié)語

三相異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)仍然是家用制冷設(shè)備實(shí)現(xiàn)可變制冷量的選用方案，但以稀土永磁電機(jī)及變頻器為基礎(chǔ)的壓縮機(jī)必將成為21世紀(jì)高檔次可變制冷量冰箱、空調(diào)的重要發(fā)展方向，作為稀土大國，大力開發(fā)稀土永磁無刷電機(jī)和他控式稀土永磁同步電機(jī)，研制低成本、軟件化、實(shí)時控制的智能型嵌入式變頻調(diào)速器具有更加美好的遠(yuǎn)大前景。對于緩解能源危機(jī)，為人類提供健康、舒適的生活環(huán)境也具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。

[1] 張永銓.日本房間空調(diào)器的最新發(fā)展 （上）[J].暖通空調(diào)，1993（2）：36-39

[2] 陳伯時.電力電子技術(shù)與電機(jī)調(diào)速（二）[J].中小型電機(jī)，1993，20（2）：44-47

[3] 馬瑞卿.單相電容電機(jī)諧波抑制PWM調(diào)速[J].微電機(jī)，1995，28（4）：33-36

[4] Ma Ruiqing etc—A New Type Method of Flux Track Control and its Harmonic Analysis.ClCEM′95，Hangzhou.China.1995，9：75-78

[5] 郝小輝.無位置傳感器無刷直流電機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)[M].西北工業(yè)大學(xué)碩士論文，1995（3）

[6] 馬瑞卿.電壓空間矢量控制稀土永磁同步電動機(jī)變頻調(diào)速研究[R].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，14（1）：67-72