一種變頻冰箱壓縮機在重載時的啟動方法

四川長虹電器股份有限公司 王聲綱

一種變頻冰箱壓縮機在重載時的啟動方法

四川長虹電器股份有限公司 王聲綱

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

永磁同步壓縮機；重載啟動；電流控制

1 引言

現階段變頻冰箱的壓機采用的電機一般是永磁同步電機。從驅動方式看，采用永磁同步電機的變頻壓縮機可用方波驅動或者正弦波驅動。但是，正弦波驅動的冰箱壓縮機的噪聲和振動小，效率更高，更加具有競爭力。

本文在直流變頻冰箱壓縮機模型的基礎上，通過對傳統(tǒng)的三段式啟動方法的改進，在切換后直接用電流方式控制壓縮機，使得壓縮機渡過負載最大的時候，再使得速度環(huán)閉環(huán)，從而使壓縮機平穩(wěn)運行。

2 永磁同步電機的模型及其控制原理

2.1 電機模型

圖1 電機定子三相電流

圖2 電機定子三相電流產生的磁動勢

圖3 永磁同步電機模型

由圖1可知三相繞組軸線ABC構成的空間三相軸系；圖2為三相繞組基波合成磁動勢；圖3為永磁同步電機模型。定子三相繞組通正向電流iA、iB、iC。則相應的三相磁動勢為：

式中，Pn為極對數；Ns為繞組匝數；kws為繞組因數。當相電流的瞬時值為正值時，磁動勢矢量方向和該相繞組軸線一致，反之則相反。

則合成磁動勢為：

式中，Fs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為每相繞組的有效匝數的倍。則由(2-2)得到：

對于圖3，永磁同步電機的模型而言。則定子電壓矢量方程為：

式中，φf為勵磁空間矢量，是永磁體轉子產生的，即KE。

根據上式，及其雙軸理論。把ABC坐標系下的永磁同步電機模型改變成dq軸下的表現形式，如下：

2.2 控制原理

在變頻冰箱的控制中，壓縮機根據溫度傳感器信號，通過相關規(guī)則，轉化為相應的壓縮機的轉速調節(jié)信號，使得壓縮機在不同工況下運行。

由壓縮機數學模型可知，永磁同步電機本身具有非線性和強耦合性，常規(guī)的控制很難滿足其控制需求。在長期的研究中，一般采用矢量控制和無位置傳感器控制來實現其控制。

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：當給定的速度命令不為零時，檢測定子相電流，然后對電流進行Clarke變化和Park變換，得到兩相旋轉坐標的電流和相關電壓，根據檢測速度的相關算法得到電機的實際轉速；實際轉速和命令轉速之差，經過PI調節(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，再與實際的電流命令值做比較，通過PID調節(jié)，得到調節(jié)后的旋轉坐標下的電壓，在經過Park變化和角度，應用SVPWM計算，得到相關的三相電壓，最終通過三相逆變器（3 phase inverter），驅動壓縮機(PMSM Motor)工作，實現電機無傳感器矢量控制。

圖4 壓縮機無傳感器矢量控制框圖

3 電流控制方式下的電機啟動

由上述可知壓縮機一般的控制方式。但在啟動壓縮機的時候，需要特殊的步驟，才能啟動，而后才能使壓縮機平穩(wěn)運行。

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

3.1 轉子位置的確定

無傳感器技術無法在壓縮機靜止的時候從電氣參數中得到轉子的位置。故對于轉子位置的獲取，現階段的一般做法是用高頻信號注入或者磁場定向。高頻注入法只能應用于凸極電機，故一般采用磁場定向。具體方法是，通過坐標變化，使得iq等于0，id線性增加到固定值。使得轉子的磁極固定在U相上。

3.2 異步拖動階段

在轉子位置確定的基礎上，通過一定的速率增加轉子的轉速，使得轉速達到規(guī)定的轉速，才能通過無位置傳感器算法計算得到轉子的位置。在拖動階段，保持id和iq的值不變，根據轉速指令使得壓縮機的轉速達到設定值。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)

當壓縮機達到開環(huán)規(guī)定轉速后，此時可以通過無位置傳感器估算轉子的位置，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。該過程的時間一般很短。在變換完成后，使得速度閉環(huán)，轉子的實際轉速通過無位置傳感器估算，跟蹤速度的命令值。最終達到穩(wěn)定運行的目的。改啟動過程和相關的控制參數有關?？刂茀蹈鶕涷?，選取合適的值，使得壓縮機在啟動的過程中，平穩(wěn)快速。

該方法在壓縮機的負載不重的情況下，能夠啟動成功。但是負載如果加重，會導致壓縮機啟動失敗。為了解決這個問題。下面提出電流控制的方法啟動壓縮機。

3.4 用電流控制的方法啟動電機

在異步拖動結束后，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。過渡階段結束，進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)。

在進入無位置傳感器速度閉環(huán)控制狀態(tài)的初始時間內，速度相關的故障（失步）暫不報，給定電流，其中，為上一周期給定的q軸電流為當前周期給定的q軸電流iq，ε為增加量，按照的方式非線性增加（這樣能夠避免重負載導致啟動失敗）；的初值為0，不大于設定值Iqmax。當該時間結束后，再按照速度環(huán)給定的運行。相關的所有保護程序正常運行。

在進入無位置傳感器速度閉環(huán)控制狀態(tài)的時刻，速度的命令值f = 0，后續(xù)根據，其中為增加量，可根據具體情況調整；f 的最大值為設定的 fhmax。當T4結束后，電機根據整體的控制策略改變速度。相關的所有保護程序正常運行。

4 實驗結果及分析

根據上述描述的方法，在匹配的硬件和想軟件修改的基礎上，采用工質為R290的新型制冷劑作為冰箱的制冷劑，在吸排氣為2Mpa壓差的基礎上，進行相關的實驗。相關的啟動波形如下：

圖5 仿真工具觀測的相關波形

圖6 測試壓縮機的相電流波形

5 結論

本文提出的通過直接電流控制方法使得壓縮機在閉環(huán)的初期階段，通過負載重的階段，達到壓縮機順利啟動，穩(wěn)定運行的目的。該方法在永磁同步電機模型的基礎上，通過對傳統(tǒng)電機啟動的分析，給出了用電流控制的啟動方法，并詳細說明了該方法的具體操作步驟。通過具體實驗驗證，該方法能夠使壓縮機在重負載的情況下，順利啟動壓縮機，實現穩(wěn)定運行的目的。

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