變頻壓縮機(jī)控制方法研究

1 引言

隨著綠色環(huán)保、節(jié)能減排逐漸成為中國(guó)市場(chǎng)和社會(huì)的主題，政府監(jiān)管力度逐年加大，對(duì)各類(lèi)產(chǎn)品的低能耗要求也越來(lái)越嚴(yán)格。家用電器保有量巨大，總能耗也十分可觀，是國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)。尤其對(duì)家用電器中的能耗大戶(hù)——空調(diào)器的能效要求逐年提高，其中空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)是提升能效的關(guān)鍵技術(shù)。

2 RAMDA算法簡(jiǎn)介

RAMDA算法具備兩大核心技術(shù)：用于調(diào)節(jié)電源功率因數(shù)的A-PAM功能和先進(jìn)的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。而這樣的算法，不增加硬件成本，相反，兩大核心技術(shù)同時(shí)提供了精簡(jiǎn)的硬件方案。

2.1 A-PAM介紹

變頻家用空調(diào)的壓縮機(jī)廣泛采用永磁同步電動(dòng)機(jī)作為熱能轉(zhuǎn)換的動(dòng)力源。為了提高電動(dòng)機(jī)的效率，隨著永磁同步材料技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁體的磁通量變得越來(lái)越大。但是，用于驅(qū)動(dòng)這個(gè)電動(dòng)機(jī)的變頻裝置的供電電壓并未因此而成比例的提高。如果仍然使用傳統(tǒng)的單相供電功率因數(shù)校正方法，由于直流母線電壓是固定值，這無(wú)法隨著電動(dòng)機(jī)的工作狀況的變化而變化，結(jié)果導(dǎo)致實(shí)際變頻控制系統(tǒng)的綜合效率下降。A-PAM控制方法正是為了提高直流母線電壓的利用效率，進(jìn)而提高變頻控制系統(tǒng)的綜合效率而發(fā)明的控制方法。在這樣的控制方法下，直流母線電壓隨著電動(dòng)機(jī)的工作狀況靈活變動(dòng)，始終讓變頻控制系統(tǒng)工作在效率最佳狀態(tài)，從而提高了變頻控制系統(tǒng)的綜合效率。

2.1.1 A-PAM技術(shù)主要特點(diǎn)

（1）直流母線電壓可變

基于A-PAM，用戶(hù)可以精確控制直流母線電壓的輸出值，在保證系統(tǒng)綜合效率的前提下，提供足夠的直流母線電壓。與傳統(tǒng)PFC相比較，A-PAM可以限制直流母線電壓的輸出值，PFC電路效率也比較高。

因此通過(guò)限制直流母線電壓，客戶(hù)可以選擇更低耐壓等級(jí)的濾波電容器，實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本。例如在單相220V供電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)PFC的輸出直流電壓一般在350V～390V，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者會(huì)選擇450V耐壓的濾波電容器。采用了A-PAM技術(shù)后，可以實(shí)時(shí)的根據(jù)負(fù)載的變化把直流母線電壓限制在最高340V±1V，系統(tǒng)設(shè)計(jì)就可以選擇400V耐壓的濾波電容器，降低了系統(tǒng)的硬件成本。

（2）系統(tǒng)綜合效率可調(diào)節(jié)

相對(duì)于傳統(tǒng)PFC控制技術(shù)，A-PAM省去了交流電源電壓過(guò)零點(diǎn)或者幅值檢測(cè)部分。從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

綜合參考美國(guó)容量市場(chǎng)的需求曲線確定和備用服務(wù)競(jìng)價(jià)，由調(diào)度機(jī)構(gòu)制定需求曲線，提前幾個(gè)月對(duì)枯水期備用機(jī)組進(jìn)行集中競(jìng)價(jià)。依據(jù)可靠性需求，確定枯水期煤電機(jī)組備用容量需求。同時(shí)確定煤電機(jī)組的固定成本和單位容量維持成本。

如圖1所示，A-PAM控制在提高直流母線電壓和功率因數(shù)調(diào)整兩個(gè)方面都優(yōu)于傳統(tǒng)PFC控制技術(shù)。

2.1.2 A-PAM實(shí)現(xiàn)方法

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到高速域時(shí)，采用直流電壓最適當(dāng)控制來(lái)控制直流電壓，其控制框圖如圖2所示。升壓控制是以勵(lì)磁電流指令和勵(lì)磁電流限制值之間的比較值作為輸入，控制作用使升壓比增加，此時(shí)直流電壓上升；若直流電壓上升至其上限值時(shí)，啟動(dòng)上限控制，使升壓比降低，從而使直流電壓控制在上限值之下。這種升壓比可變控制可以根據(jù)勵(lì)磁電流自動(dòng)調(diào)整直流電壓，給系統(tǒng)提供最適當(dāng)?shù)碾妷?，讓控制系統(tǒng)始終工作在最佳效率狀態(tài)下，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的綜合效率。

圖1 直流母線電壓和PFC電路效率對(duì)比圖

2.2 力矩控制介紹

RAMDA算法特別加入了兩個(gè)獨(dú)創(chuàng)的力矩波動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。家電中普遍采用的都是單轉(zhuǎn)子類(lèi)型的電機(jī)，如空調(diào)壓縮機(jī)等。在普通算法的驅(qū)動(dòng)下，單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)會(huì)引發(fā)系統(tǒng)振動(dòng)，這種振動(dòng)是有害的。以空調(diào)系統(tǒng)為例，在低轉(zhuǎn)速（低于30rps）的情況下，會(huì)形成系統(tǒng)共振，系統(tǒng)噪音提高，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)力集中點(diǎn)的損壞。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，電動(dòng)機(jī)相電流的峰值高、諧波大、高頻的噪音高，并且限制了變頻器的輸出能力。針對(duì)這樣的市場(chǎng)要求，RAMDA算法包含了以下兩個(gè)力矩波動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)：

2.2.1 G-type 力矩控制

如圖3所示，在G-type力矩控制作用下，系統(tǒng)振動(dòng)達(dá)到最低，從而保證系統(tǒng)在低速下平穩(wěn)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)，擴(kuò)大了系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的低頻范圍。通過(guò)圖3可以看出，G-type力矩控制可以在低于30rps時(shí)大幅降低系統(tǒng)振動(dòng)。

G-Type轉(zhuǎn)矩控制的具體內(nèi)容如圖4所示。在G-Type轉(zhuǎn)矩控制中，提取速度的交流成分進(jìn)行積分補(bǔ)償，同時(shí)提取速度波動(dòng)的相位來(lái)決定電機(jī)轉(zhuǎn)矩相位，從而綜合得到抑制振動(dòng)的電流指令。

在M-type力矩控制作用下，變頻器輸出恒定的力矩，電動(dòng)機(jī)相電流波形峰值下降，降低了諧波與功率損耗，降低了系統(tǒng)噪音。圖5為沒(méi)有力矩控制時(shí)的電動(dòng)機(jī)相電流與M-type力矩控制時(shí)的電動(dòng)機(jī)相電流波形的比較。

M-Type轉(zhuǎn)矩控制的具體內(nèi)容如圖6所示。其方法是分別從d軸/q軸電流中提取其交流成分，用積分補(bǔ)償使交流成分為零，從而得到用于降低電流波動(dòng)的電壓指令。

2.3 過(guò)調(diào)制技術(shù)

圖2 電機(jī)運(yùn)行到高速域時(shí)的控制框圖

圖3 各種力矩在不同轉(zhuǎn)速情況下振動(dòng)振幅比較

圖4 G-Type轉(zhuǎn)矩控制的具體內(nèi)容

圖5 電動(dòng)機(jī)相電流比較

與A-PAM技術(shù)相配合，提高直流母線電壓的利用率，過(guò)調(diào)制會(huì)帶來(lái)諧波失真。為了克服這一缺陷，RAMDA算法中限制諧波失真度低于10%，通過(guò)精準(zhǔn)的計(jì)算調(diào)制度與輸出電壓和直流母線電壓比值之間的關(guān)系，RAMDA算法開(kāi)發(fā)了獨(dú)創(chuàng)的過(guò)調(diào)制算法。

如圖7所示，如果不應(yīng)用過(guò)調(diào)制技術(shù)，最大調(diào)制度只能到1.15。在保證諧波失真度低于10%的情況下，應(yīng)用RAMDA算法的過(guò)調(diào)制技術(shù)，調(diào)制度最大可以達(dá)到2。

圖7 直流母線電壓利用率對(duì)比

圖8 差拍現(xiàn)象

圖9 差拍抑制具體內(nèi)容

2.4 弱磁控制

盡量避免輸出電壓飽和，保證在有限的直流母線電壓的情況下，輸出符合要求的力矩。隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，繞組中的感應(yīng)電壓幅值越來(lái)越高。當(dāng)直流母線電壓一定時(shí)，繞組端電壓的幅值有限。這樣，如果仍然根據(jù)MTPA等算法發(fā)送電壓指令，繞組電壓甚至低于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電壓，這就會(huì)導(dǎo)致繞組中的電流不足，逆變器無(wú)法輸送足夠的功率給電動(dòng)機(jī)。為了解決這一個(gè)問(wèn)題，有意在d軸上增加負(fù)的電流，讓繞組電壓的相位超前感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以保持輸出到電動(dòng)機(jī)的功率。這就是弱磁控制。對(duì)于IPM電機(jī)來(lái)說(shuō)，我們定義三種弱磁的“境界”：（1）充分利用永磁扭矩和磁阻扭矩的MTPA算法；（2）直流母線電壓一定條件下，保持輸出扭矩恒定的“淺弱磁”；（3）直流母線電壓一定條件下，保持高轉(zhuǎn)速和恒定輸出功率的“深度弱磁”。

2.5 差拍抑制技術(shù)

2.5.1 差拍現(xiàn)象

差拍現(xiàn)象如圖8所示。

2.5.2 差拍抑制

如圖9所示，通過(guò)檢測(cè)電源電流波動(dòng)以及壓縮機(jī)相電流波動(dòng)情況，輸入到相電流波動(dòng)補(bǔ)償器中，得到直流母線電壓補(bǔ)償值，從而抑制差拍現(xiàn)象。

3 小結(jié)

RAMDA算法在變頻壓縮機(jī)中的應(yīng)用，降低了硬件成本，在控制性能上改善了單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在各個(gè)速度域的運(yùn)行性能，在低速域運(yùn)行時(shí)采用高性能低振動(dòng)型（G-Type）轉(zhuǎn)矩控制來(lái)抑制電機(jī)的振動(dòng)，從而降低系統(tǒng)的噪音和降低了管路應(yīng)力，并能使永磁同步電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)；在中速域運(yùn)行時(shí)采用電流幅值恒定型（M-Type）轉(zhuǎn)矩控制來(lái)降低電流波動(dòng)，降低系統(tǒng)損耗，減小了電流波動(dòng)；在高速域運(yùn)行時(shí)采用直流電壓最適當(dāng)控制（A-PFC）來(lái)根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)提供最適當(dāng)直流電壓，進(jìn)一步提高直流電壓的利用效率，使系統(tǒng)始終工作在最佳效率狀態(tài)下，從而提高控制系統(tǒng)的綜合效率。