四川長(zhǎng)虹電器股份有限公司 王聲綱

一種變頻冰箱壓縮機(jī)在重載時(shí)的啟動(dòng)方法

四川長(zhǎng)虹電器股份有限公司 王聲綱

本文提供一種永磁同步電機(jī)重載啟動(dòng)的方法，可以很好的解決冰箱壓縮機(jī)在重載下的啟動(dòng)問題。該方法在傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的啟動(dòng)基礎(chǔ)上，采用在速度開環(huán)的基礎(chǔ)上，電流直接控制電機(jī)運(yùn)行，使得電機(jī)安全度過重載階段，而后再使得速度環(huán)閉環(huán)，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。即使在重載的情況下，也能完成壓縮機(jī)的啟動(dòng)。

永磁同步壓縮機(jī)；重載啟動(dòng)；電流控制

1 引言

現(xiàn)階段變頻冰箱的壓機(jī)采用的電機(jī)一般是永磁同步電機(jī)。從驅(qū)動(dòng)方式看，采用永磁同步電機(jī)的變頻壓縮機(jī)可用方波驅(qū)動(dòng)或者正弦波驅(qū)動(dòng)。但是，正弦波驅(qū)動(dòng)的冰箱壓縮機(jī)的噪聲和振動(dòng)小，效率更高，更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。

本文在直流變頻冰箱壓縮機(jī)模型的基礎(chǔ)上，通過對(duì)傳統(tǒng)的三段式啟動(dòng)方法的改進(jìn)，在切換后直接用電流方式控制壓縮機(jī)，使得壓縮機(jī)渡過負(fù)載最大的時(shí)候，再使得速度環(huán)閉環(huán)，從而使壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

2 永磁同步電機(jī)的模型及其控制原理

2.1 電機(jī)模型

圖1 電機(jī)定子三相電流

圖2 電機(jī)定子三相電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)

圖3 永磁同步電機(jī)模型

由圖1可知三相繞組軸線ABC構(gòu)成的空間三相軸系；圖2為三相繞組基波合成磁動(dòng)勢(shì)；圖3為永磁同步電機(jī)模型。定子三相繞組通正向電流iA、iB、iC。則相應(yīng)的三相磁動(dòng)勢(shì)為：

式中，Pn為極對(duì)數(shù)；Ns為繞組匝數(shù)；kws為繞組因數(shù)。當(dāng)相電流的瞬時(shí)值為正值時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)矢量方向和該相繞組軸線一致，反之則相反。

則合成磁動(dòng)勢(shì)為：

式中，F(xiàn)s為 fs的幅值。

考慮到功率不變的約束，確定單軸線圈有效匝數(shù)為每相繞組的有效匝數(shù)的倍。則由(2-2)得到：

對(duì)于圖3，永磁同步電機(jī)的模型而言。則定子電壓矢量方程為：

式中，φf為勵(lì)磁空間矢量，是永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的，即KE。

根據(jù)上式，及其雙軸理論。把ABC坐標(biāo)系下的永磁同步電機(jī)模型改變成dq軸下的表現(xiàn)形式，如下：

2.2 控制原理

在變頻冰箱的控制中，壓縮機(jī)根據(jù)溫度傳感器信號(hào)，通過相關(guān)規(guī)則，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)，使得壓縮機(jī)在不同工況下運(yùn)行。

由壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型可知，永磁同步電機(jī)本身具有非線性和強(qiáng)耦合性，常規(guī)的控制很難滿足其控制需求。在長(zhǎng)期的研究中，一般采用矢量控制和無位置傳感器控制來實(shí)現(xiàn)其控制。

控制系統(tǒng)原理圖如圖四。該圖由電流環(huán)和速度環(huán)組成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其控制原理為：當(dāng)給定的速度命令不為零時(shí)，檢測(cè)定子相電流，然后對(duì)電流進(jìn)行Clarke變化和Park變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的電流和相關(guān)電壓，根據(jù)檢測(cè)速度的相關(guān)算法得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；實(shí)際轉(zhuǎn)速和命令轉(zhuǎn)速之差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)（此鏈控制器）得到電流的命令值，通過最大力矩電流比控制，再與實(shí)際的電流命令值做比較，通過PID調(diào)節(jié)，得到調(diào)節(jié)后的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電壓，在經(jīng)過Park變化和角度，應(yīng)用SVPWM計(jì)算，得到相關(guān)的三相電壓，最終通過三相逆變器（3 phase inverter），驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)(PMSM Motor)工作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)無傳感器矢量控制。

圖4 壓縮機(jī)無傳感器矢量控制框圖

3 電流控制方式下的電機(jī)啟動(dòng)

由上述可知壓縮機(jī)一般的控制方式。但在啟動(dòng)壓縮機(jī)的時(shí)候，需要特殊的步驟，才能啟動(dòng)，而后才能使壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

一般的壓縮機(jī)啟動(dòng)步驟分為轉(zhuǎn)子位置的確定、異步拖動(dòng)和從開環(huán)狀態(tài)切換到閉環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行三部分：

3.1 轉(zhuǎn)子位置的確定

無傳感器技術(shù)無法在壓縮機(jī)靜止的時(shí)候從電氣參數(shù)中得到轉(zhuǎn)子的位置。故對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的獲取，現(xiàn)階段的一般做法是用高頻信號(hào)注入或者磁場(chǎng)定向。高頻注入法只能應(yīng)用于凸極電機(jī)，故一般采用磁場(chǎng)定向。具體方法是，通過坐標(biāo)變化，使得iq等于0，id線性增加到固定值。使得轉(zhuǎn)子的磁極固定在U相上。

3.2 異步拖動(dòng)階段

在轉(zhuǎn)子位置確定的基礎(chǔ)上，通過一定的速率增加轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，使得轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，才能通過無位置傳感器算法計(jì)算得到轉(zhuǎn)子的位置。在拖動(dòng)階段，保持id和iq的值不變，根據(jù)轉(zhuǎn)速指令使得壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值。此階段速度是開環(huán)的。

3.3 從開環(huán)狀態(tài)切換到閉環(huán)狀態(tài)

當(dāng)壓縮機(jī)達(dá)到開環(huán)規(guī)定轉(zhuǎn)速后，此時(shí)可以通過無位置傳感器估算轉(zhuǎn)子的位置，使得id的電流按照正弦的方式逐漸變?yōu)?，iq的值按照正弦的方式增加到指定電流值。該過程的時(shí)間一般很短。在變換完成后，使得速度閉環(huán)，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速通過無位置傳感器估算，跟蹤速度的命令值。最終達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。改啟動(dòng)過程和相關(guān)的控制參數(shù)有關(guān)?？刂茀?shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取合適的值，使得壓縮機(jī)在啟動(dòng)的過程中，平穩(wěn)快速。

該方法在壓縮機(jī)的負(fù)載不重的情況下，能夠啟動(dòng)成功。但是負(fù)載如果加重，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)啟動(dòng)失敗。為了解決這個(gè)問題。下面提出電流控制的方法啟動(dòng)壓縮機(jī)。

3.4 用電流控制的方法啟動(dòng)電機(jī)

在異步拖動(dòng)結(jié)束后，直軸電流id通過正弦波的方式減小到0，交軸電流iq通過正弦波的方式增加到指定值。過渡階段結(jié)束，進(jìn)入無位置傳感器速度閉環(huán)控制狀態(tài)。速度環(huán)繼續(xù)開環(huán)。

在進(jìn)入無位置傳感器速度閉環(huán)控制狀態(tài)的初始時(shí)間內(nèi)，速度相關(guān)的故障（失步）暫不報(bào)，給定電流，其中，為上一周期給定的q軸電流為當(dāng)前周期給定的q軸電流iq，ε為增加量，按照的方式非線性增加（這樣能夠避免重負(fù)載導(dǎo)致啟動(dòng)失?。?；的初值為0，不大于設(shè)定值Iqmax。當(dāng)該時(shí)間結(jié)束后，再按照速度環(huán)給定的運(yùn)行。相關(guān)的所有保護(hù)程序正常運(yùn)行。

在進(jìn)入無位置傳感器速度閉環(huán)控制狀態(tài)的時(shí)刻，速度的命令值f = 0，后續(xù)根據(jù)，其中為增加量，可根據(jù)具體情況調(diào)整；f 的最大值為設(shè)定的 fhmax。當(dāng)T4結(jié)束后，電機(jī)根據(jù)整體的控制策略改變速度。相關(guān)的所有保護(hù)程序正常運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述描述的方法，在匹配的硬件和想軟件修改的基礎(chǔ)上，采用工質(zhì)為R290的新型制冷劑作為冰箱的制冷劑，在吸排氣為2Mpa壓差的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。相關(guān)的啟動(dòng)波形如下：

圖5 仿真工具觀測(cè)的相關(guān)波形

圖6 測(cè)試壓縮機(jī)的相電流波形

5 結(jié)論

本文提出的通過直接電流控制方法使得壓縮機(jī)在閉環(huán)的初期階段，通過負(fù)載重的階段，達(dá)到壓縮機(jī)順利啟動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行的目的。該方法在永磁同步電機(jī)模型的基礎(chǔ)上，通過對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)的分析，給出了用電流控制的啟動(dòng)方法，并詳細(xì)說明了該方法的具體操作步驟。通過具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能夠使壓縮機(jī)在重負(fù)載的情況下，順利啟動(dòng)壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

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