喻思

（上海海立電器有限公司，上海 201206）

0 引言

永磁同步電機(jī)的單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、效率高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小型家用空調(diào)領(lǐng)域。但由于單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，永磁同步電機(jī)通過(guò)偏心曲軸帶動(dòng)壓縮機(jī)內(nèi)部制冷劑的旋轉(zhuǎn)過(guò)程[1]，形成一個(gè)吸氣-壓縮-排氣的過(guò)程。在此機(jī)械周期中，負(fù)載力矩的變化幅度較大，負(fù)載的變化與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)[2]，負(fù)載的幅值與壓縮機(jī)所處的工況環(huán)境有關(guān)，并且這種負(fù)載力矩的變化具有周期性。特別在低速情況下，轉(zhuǎn)速降低，吸、排氣的壓差越大，這種負(fù)載力矩突變?cè)酱?，轉(zhuǎn)速波動(dòng)越明顯[3]。轉(zhuǎn)速波動(dòng)頻繁引起低速振動(dòng)和噪音，甚至導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī)。圖1所示為某單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在低速20 r/min下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的波形，在一個(gè)機(jī)械周期內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0～5 N·m之間波動(dòng)。因此在低速條件下，減小壓縮機(jī)的振動(dòng)，提高空調(diào)的舒適性至關(guān)重要[4]。

永磁同步電機(jī)安裝在壓縮機(jī)殼體內(nèi)，考慮到壓縮機(jī)內(nèi)空間狹小密閉、溫度較高、制冷劑充注量大、安裝和維修難度高和空調(diào)整機(jī)成本的限制，因此壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方法一般采用無(wú)位置傳感器控制方法[5-11]。減小壓縮機(jī)低速振動(dòng)的方法主要有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償方法[12-13]、調(diào)節(jié)控制環(huán)方法[14-15]和縮短估算步長(zhǎng)方法[16]。

圖1 單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

本文研究了低轉(zhuǎn)速40 r/min以下單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的振動(dòng)情況，根據(jù)無(wú)位置傳感器算法的特點(diǎn)和壓縮機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩周期性波動(dòng)的特性，根據(jù)估算的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，在電流環(huán)前加入一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償模塊，用來(lái)補(bǔ)償iq*的值；施加補(bǔ)償電流值后，通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償角度來(lái)確定該款單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在某一角度左右振動(dòng)最?。辉诠潭ㄑa(bǔ)償角度下，調(diào)整補(bǔ)償電流幅值，使該款壓縮機(jī)既滿足振動(dòng)要求又不會(huì)造成功率超標(biāo)。

1 轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償系統(tǒng)

由于壓縮機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)無(wú)法安裝傳感器，一般采用無(wú)位置傳感器矢量控制進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[17]，在此基礎(chǔ)上加入一個(gè)前饋補(bǔ)償系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)流程

1.1 轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)，主要由電流環(huán) PI調(diào)節(jié)、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器、轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償組成[18]。

1.2 轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償量的選取

速度環(huán)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)作用，輸入量為實(shí)際轉(zhuǎn)速ωr與給定轉(zhuǎn)速 ωset的差值，輸出量為定子電流 is，再正交分解成id*和iq*，β為轉(zhuǎn)矩角。

給定一個(gè)前饋補(bǔ)償值，目前家用變頻空調(diào)一般使用正弦波補(bǔ)償方案[19-21]：

式中，iq_Amp為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償幅值，與壓縮機(jī)負(fù)載大小有關(guān)；θq_comp為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償角度，與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。對(duì)于同型號(hào)的壓縮機(jī)而言，由于定子與轉(zhuǎn)子的裝配角度固定，一般θq_comp固定，而iq_Amp根據(jù)實(shí)際的負(fù)載大小，即根據(jù)iq的值進(jìn)行調(diào)整。

iq_Amp和θq_comp一般可采用手動(dòng)輸入和MCU自動(dòng)計(jì)算這兩種方式確定，基本的控制流程圖如圖3所示。變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償覆蓋的范圍一般在40 r/min以下，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償范圍內(nèi)，進(jìn)入到轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償模式，取iq_Amp和θq_comp的初值，再通過(guò)固定一個(gè)變量調(diào)節(jié)另一個(gè)變量的方法來(lái)確定最佳的 iq_Amp和θq_comp。具體關(guān)于iq_Amp和θq_comp的取值影響將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償流程圖

2 前饋補(bǔ)償角度和補(bǔ)償電流的影響

實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)一級(jí)能效的1.5匹變頻空調(diào)上進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。壓縮機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速ωset=20 r/min，環(huán)境溫度為32℃，制冷工況，有無(wú)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)恼駝?dòng)區(qū)別如圖4所示。

通過(guò)添加前饋轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，可以發(fā)現(xiàn)圖4（b）中U相壓縮機(jī)電流，峰值為11.130 A，要大于圖4（a）中壓縮機(jī)電流，峰值為7.413 A，輸入到空調(diào)器的功率增加了10 W。因此通過(guò)添加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，壓縮機(jī)電流增加，空調(diào)器功率也增加。在添加前饋轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，對(duì)補(bǔ)償角度和補(bǔ)償電流進(jìn)行調(diào)整，選取最優(yōu)值，可以優(yōu)化壓縮機(jī)的減振效果。

表1 一款單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的電機(jī)參數(shù)

圖4 有無(wú)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償下壓縮機(jī)U相電流波形

2.1 補(bǔ)償角度的變更

由于壓縮機(jī)內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周是2π rad，所以前饋轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償角度范圍也是0～2π rad，不同電機(jī)的定轉(zhuǎn)子熱套角度不同，因此轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償角度也有偏差。

在上述空調(diào)系統(tǒng)中，環(huán)境溫度 30℃，固定補(bǔ)償電流8 A不變，壓縮機(jī)給定轉(zhuǎn)速20 r/min，觀察變更補(bǔ)償角度對(duì)振動(dòng)的影響，通過(guò)在壓縮機(jī)殼體上、下部和儲(chǔ)液器中部取點(diǎn)測(cè)試振動(dòng)。

圖5所示為當(dāng)補(bǔ)償電流為8 A時(shí)，不同補(bǔ)償角度對(duì)振動(dòng)的影響。由圖5可知，調(diào)整補(bǔ)償角度從3.3 rad增至4.1 rad時(shí)，殼體上部、下部和儲(chǔ)液器中部回轉(zhuǎn)方向的加速度呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，補(bǔ)償角度約在3.6～3.7 rad范圍內(nèi)振動(dòng)最小。

圖5 固定補(bǔ)償電流，不同補(bǔ)償角度對(duì)振動(dòng)的影響

2.2 補(bǔ)償電流的變更

在2.1小節(jié)得到合適的補(bǔ)償角度的基礎(chǔ)上，環(huán)境溫度為 30℃時(shí)，選取固定補(bǔ)償角度 3.60、3.65和3.70 rad，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為20 r/min，觀察變更補(bǔ)償電流大小對(duì)振動(dòng)的影響，通過(guò)在壓縮機(jī)殼體上、下部和儲(chǔ)液器中部取點(diǎn)測(cè)試振動(dòng)。

表2所示為固定補(bǔ)償角度，調(diào)整補(bǔ)償電流下的振動(dòng)數(shù)據(jù)。由表2可知，在不影響其他實(shí)驗(yàn)、功率限制的前提下，補(bǔ)償角度不變時(shí)，補(bǔ)償電流增大對(duì)振動(dòng)有益。

表2 固定補(bǔ)償角度，調(diào)整補(bǔ)償電流下的振動(dòng)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文針對(duì)采用永磁同步電機(jī)的單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況40 r/min以下振動(dòng)較大的問(wèn)題，增加前饋轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償以減小壓縮機(jī)振動(dòng)，在調(diào)節(jié)補(bǔ)償角度和補(bǔ)償電流值的過(guò)程中，確定最優(yōu)的補(bǔ)償角度和恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電流。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)調(diào)節(jié)前饋轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)慕嵌群碗娏鲗?duì)減小振動(dòng)的效果，得到如下結(jié)論：

1）固定補(bǔ)償電流，通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償角度，發(fā)現(xiàn)在最優(yōu)角度處壓縮機(jī)整體振動(dòng)要比最差角度處的振動(dòng)降低了18%；

2）固定補(bǔ)償角度，通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償電流，發(fā)現(xiàn)增大補(bǔ)償電流，壓縮機(jī)整體振動(dòng)會(huì)減小，約減小了25%；

3）不同型號(hào)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償角度有差異，需要通過(guò)比較轉(zhuǎn)速波動(dòng)和振動(dòng)情況來(lái)選取最佳的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償角度；增加補(bǔ)償電流時(shí)，壓縮機(jī)電流增加，空調(diào)器功率也增加；

4）在固定補(bǔ)償角度前提下，增加補(bǔ)償電流，壓縮機(jī)的振動(dòng)情況好轉(zhuǎn)，但并不是補(bǔ)償電流越大越好，同時(shí)受功率和其他條件的限制，需要綜合考慮，選取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電流值。