戴良偉 張斌

杭州士騰科技有限公司 浙江杭州 310030

1 引言

近兩年，隨著冰箱品牌的大力推廣和國家新版能效標準的實施，變頻技術(shù)已經(jīng)從冰箱的一個賣點成為冰箱行業(yè)的主要趨勢，并開始在冰箱市場中占據(jù)主導地位。同時，在消費升級的大潮下，冰箱的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)為風冷無霜、大容量、變頻、高效節(jié)能產(chǎn)品持續(xù)快速的增長。

GB 12021.2-2015《家用電冰箱耗電量限定值及能效等級》強制性能效國家標準（以下簡稱2015版能效標準）已于2016年10月1日正式實施。相比于2008版能效標準，在2015版能效標準中，一臺無霜冰箱如需達到一級能效等級，產(chǎn)品耗電量需下降30%～40%左右。

實驗表明，目前在大容積的無霜冰箱上，采用COP值為1.8～1.9的定頻壓縮機只能實現(xiàn)整機的二級能耗。而采用變頻技術(shù)時，COP值為1.6～1.7的變頻壓縮機就能實現(xiàn)整機的二級能耗，COP值為1.8～1.9的變頻壓縮機即可以實現(xiàn)新標準下的一級能耗。因此，變頻控制技術(shù)是目前最直接、最有效的能耗提升方式。

變頻冰箱壓縮機一般采用直流無刷電機，減小了常規(guī)交流異步電機造成的勵磁損失，同時也有效降低了噪音。變頻冰箱壓縮機的轉(zhuǎn)速可以在1200RPM～4500RPM之間變化，轉(zhuǎn)速的可調(diào)性大大提高了冰箱的制冷效率。制冷量的協(xié)同調(diào)節(jié)，使得冰箱所產(chǎn)生的制冷量可以與冰箱所需的負載很好地進行匹配，避免多余的能量消耗。當冰箱內(nèi)溫度較高時，壓縮機可以運行于高速狀態(tài)，從而實現(xiàn)快速降溫。當冰箱內(nèi)的溫度接近設(shè)定溫度時，壓縮機可以運行于低速狀態(tài)，減小冰箱內(nèi)部的溫度波動，避免壓縮機的頻繁啟停。變頻技術(shù)不僅可以起到節(jié)能的作用，而且可以延長壓縮機的使用壽命。[1]

2 傳統(tǒng)變頻控制技術(shù)

目前在變頻冰箱領(lǐng)域普遍采用的變頻技術(shù)有正弦波FOC驅(qū)動和方波驅(qū)動。為了更好的應用兩種控制技術(shù)，需要結(jié)合實際系統(tǒng)應用的要求，從算法層面分析兩者的差異。

正弦波FOC驅(qū)動算法是在永磁同步電機的數(shù)學模型基礎(chǔ)上，通過采集流過電機線UVW的三相電流，并結(jié)合坐標變換、觀測器運算、PI調(diào)節(jié)以及SVPWM調(diào)制技術(shù)，產(chǎn)生電機運行所需的三相電壓信號。正弦波FOC驅(qū)動算法的關(guān)鍵在于估算出準確的轉(zhuǎn)子角度，將定子電流分解為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，達到系統(tǒng)最優(yōu)控制效率。[2]

方波驅(qū)動算法是通過專用硬件電路并結(jié)合軟件解析算法來實時采集電機三相繞組中的反電動勢。根據(jù)定子三相繞組的反電動勢過零點進行六步換相處理，產(chǎn)生電機運行所需的三相電壓信號。

從軟件的算法層面來看，正弦波驅(qū)動算法為了達到理想的控制性能，必須建立起準確的電機數(shù)學模型。在永磁同步電機數(shù)學模型的建立過程中，往往會假設(shè)轉(zhuǎn)子永磁磁場在氣隙空間為正弦分布、定子的電阻電感參數(shù)保持不變、不計鐵心渦流與磁滯等損耗。但是在目前的冰箱應用領(lǐng)域中，變頻電機的反電動勢波形一般介于正弦波與梯形波之間，這樣就會在基于反電勢為正弦波的算法模型中引入計算誤差，降低設(shè)計系統(tǒng)的控制精度和運行效率。眾所周知，每一款永磁同步電機都有其特定的電機參數(shù)。對于不同的永磁同步電機，其電機的相電阻Rs、D軸電感Ld、Q軸電感Lq、反電動勢系數(shù)Ke、極對數(shù)均會有所不同。正弦波FOC驅(qū)動算法正是利用上述電機參數(shù)計算出轉(zhuǎn)子永磁體的實際角度，控制過程對電機參數(shù)十分敏感。所以在采用正弦波FOC驅(qū)動時，任一一款壓縮機必須配合對應的軟件程序才能將效率做到最優(yōu)。正因為如此，在研發(fā)新款變頻電機以及多款變頻壓縮機量產(chǎn)過程中，正弦波FOC驅(qū)動存在匹配繁瑣，變頻板管理困難的問題。

傳統(tǒng)方波驅(qū)動算法由于采用硬件電路獲得電機三相繞組的反電動勢過零點，在計算過程中并未用到電機的各項參數(shù)。因此方波驅(qū)動算法針對不同的壓縮機具備較好的兼容性，也就是說當變頻壓縮機的電機極對數(shù)保持一致，電機的相電阻、相電感和反電勢系數(shù)發(fā)生變化時，方波控制算法能夠進行自動匹配，使得電機一直運行于最大效率點。雖然傳統(tǒng)方波算法的兼容性優(yōu)勢非常明顯，但是由于其采用的是三相六步換向方式，在每次換向時刻均會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。電機的電磁轉(zhuǎn)矩脈動會影響電機運行的平穩(wěn)性，降低電機的運行效率。目前變頻壓縮機基本都是往復式壓縮機，采用曲柄連桿作為運行機構(gòu)。在一個機械周期的運動過程中，壓縮機會經(jīng)歷吸氣、壓縮、排氣、膨脹的過程，系統(tǒng)負載處于不斷變化的過程。尤其是在低速1200RPM階段時，這種負載的不均衡現(xiàn)象更加明顯。傳統(tǒng)方波驅(qū)動算法應用于這種工況條件時，往往都會出現(xiàn)壓縮機振動過大的問題。[3]

3 Cool-TechTM變頻控制技術(shù)

變頻壓縮機為了實現(xiàn)越來越高的COP值，除了改進壓縮機結(jié)構(gòu)、采用高效電機外，還需要考慮變頻板本身的功耗。在硬件電路中，變頻板的功耗主要由電源電路功耗和開關(guān)電路功耗兩部分組成。壓縮機待機時功耗主要為電源電路功耗，而當壓縮機運行時則大部分的損耗都來自于開關(guān)電路。為了降低變頻板的損耗，可以通過降低開關(guān)管的PWM調(diào)制頻率以及每個PWM周內(nèi)產(chǎn)生動作的開關(guān)管數(shù)量。從硬件的驅(qū)動層面來看，正弦波FOC驅(qū)動算法為了實現(xiàn)定子電流的解耦，必須采用SVPWM調(diào)制技術(shù)。SVPMW調(diào)制是利用六個基本矢量來合成實際系統(tǒng)控制所需的電壓矢量。因此在每個PWM周期內(nèi)，六個功率管都會進行一次開通一次關(guān)斷。相比較而言，基于Cool-TechTM技術(shù)的變頻控制采用了改進型三相六步換向，在每個PWM周期內(nèi)只需要有一個開關(guān)管進行開關(guān)動作，從而大大降低變頻板的損耗。

對比內(nèi)容 正弦波FOC驅(qū)動 傳統(tǒng)方波驅(qū)動 Cool-TechTM技術(shù)壓縮機兼容性 差 好 好噪音振動 好 一般 好背壓啟動能力 好 差 好驅(qū)動效率 一般 好 好版本管理 難 容易 容易

基于Cool-TechTM技術(shù)的變頻控制，結(jié)合了冰箱系統(tǒng)的實際工況條件，綜合生產(chǎn)管理過程中的便利性，從芯片設(shè)計、變頻板算法、壓縮機及冰箱整機控制策略方面進行深度的優(yōu)化改進。

在芯片設(shè)計層面上，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩補償功能，MCU必須擁有高速的ADC模塊來完成對永磁電機轉(zhuǎn)子位置的實時監(jiān)測。SY8848是針對Cool-TechTM技術(shù)專門研發(fā)的高性能MCU，除具備上述高速的ADC功能外，其工作電流僅為7mA，大大降低了變頻板的待機功耗。在Cool-TechTM技術(shù)中，其電路中的開關(guān)管采用小環(huán)二代工藝，有效降低開關(guān)管的Rdson，降低米勒電容，增大軟度因子，配合驅(qū)動電阻的選擇達到系統(tǒng)最優(yōu)的效率。

Cool-TechTM技術(shù)在變頻板的軟件算法上保持了傳統(tǒng)方波驅(qū)動算法的兼容性好、損耗低的優(yōu)點，并采用新型斬波方式抑制換相轉(zhuǎn)矩的脈動。為了抑制壓縮機低速運行時的振動和高速運行時的噪音，Cool-TechTM技術(shù)增加了轉(zhuǎn)矩補償算法。轉(zhuǎn)矩補償算法是在獲取轉(zhuǎn)子實時角度的基礎(chǔ)上，通過電流前饋環(huán)節(jié)來彌補壓縮機負載不均衡的特征。

為了更好地發(fā)揮Cool-TechTM技術(shù)的高效優(yōu)勢，在進行壓縮機設(shè)計時，高COP值所對應的轉(zhuǎn)速點可以做一些適應性的優(yōu)化。同時冰箱整機對壓縮機的化霜、轉(zhuǎn)速控制策略也需做部分的調(diào)整改進。

4 Cool-TechTM技術(shù)實際應用效果

首先我們將基于Cool-TechTM技術(shù)的變頻板用于驅(qū)動兩款參數(shù)不同的永磁同步電機，測試其在各個轉(zhuǎn)速段下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。電機1參數(shù)：Ld=50mH、Lq=88mH、Rs=3.7Ω、Ke=27.5Vrms/Krpm/P。電機2參數(shù)：Ld=7.5mH、Lq=71mH、Rs=9.1Ω、Ke=21.5Vrms/Krpm/P。試驗證明Cool-TechTM技術(shù)在應用于不同參數(shù)的電機上時，1200RPM-4500RPM的轉(zhuǎn)速精度均在5RPM之內(nèi)。

然后我們在量熱儀上，針對同一臺變頻壓縮機，將采用Cool-TechTM技術(shù)的變頻板與原有的正弦波變頻板進行COP對比測試，試驗證明采用Cool-TechTM技術(shù)的變頻板擁有更高的COP值。

最后我們選取一臺580升智能冰箱，將采用Cool-TechTM技術(shù)的變頻板與原有的正弦波變頻板進行整機耗電量對比測試，試驗證明采用Cool-TechTM技術(shù)的變頻板對整機耗電量的降低有明顯的作用。

5 結(jié)論

本文結(jié)合家用風冷無霜普及和2015版新能耗標準實施的大背景下，提出一種Cool-TechTM變頻技術(shù)來改善整機的節(jié)能效果，并對壓縮機噪音及壽命有正面改善效果。

[1] 王維, 王瑞, 秦宗民. 采用變頻壓縮機的無霜冰箱系統(tǒng)性能研究[J]. 制冷學報, 2013(12):90-95.

[2] 謝寶昌, 任永德. 電機的DSP控制技術(shù)及其應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2005.

[3] 夏長亮. 無刷直流電機控制系統(tǒng)[M]. 北京:科學出版社, 2009.