變頻節能技術在商用制冷產品上的研究與應用

張震德 丁山峰 劉宗岳 程貴亮

（澳柯瑪股份有限公司 山東青島 266510）

節能是家電產品最重要的發展方向之一，隨著國家政策的引導，商用制冷產品慢慢也對節能提出了要求。作為家電產品中最成熟、有效的節能途徑，變頻技術受到了社會各界的一致認可與推崇。近年來，各家電企業瞄準家用及商用電器市場節能發展方向不斷推出新的變頻產品，由此推動了變頻技術方案不斷更新。

制冷產品所采用的變頻技術主要是將市電整流得到直流電，再通過三相橋式逆變器產生頻率可變的交流電來驅動變頻壓縮機運轉。變頻控制主要是對三相橋式逆變器的6個開關管的控制(如圖1)。通過三相橋式逆變器，利用處理器提供的不同算法對輸出電壓與電流的幅值、相位及頻率進行控制，可以實現不同的效果。目前，應用于電器產品的變頻控制技術主要是空間矢量調制技術（也稱為磁場定向控制技術（FOC））。

空間矢量調制是將異步電動機在三相交流坐標系下的電流ia、ib和ic，分解到兩個相互垂直的虛擬坐標系上，一般稱為d-q軸。被分解到d-q軸后電機模型即轉換到單個向量空間，相應的電流和磁動勢具有恒定的幅值和同步的角速度。這樣便可以模擬直流電機的控制方法實現對三相交流電機的控制，然后再將各控制量從兩相坐標系轉換到三相坐標系，如此便實現了對變頻壓縮機的控制。

空間矢量控制算法主要通過如下步驟實現（如圖2）：

（1）測量3 相繞組電流。在逆變橋的3個下橋臂與直流母線的負極之間串接水泥電阻來取樣三相定子電流ia、ib和ic，該脈沖電流信號經放大濾波進入處理器的AD采樣通道。

（2）將3相電流變換至2軸坐標系。該變換將得到變量iα和iβ，它們是由測得的ia、ib和ic值變換而來。從定子角度來看，iα和iβ是相互正交的時變電流值。

（3）按照控制環上一次迭代計算出的變換角，來旋轉2軸坐標系使之與轉子磁通對齊。iα和iβ變量經過該變換可得到Id和Iq。Id和Iq為變換到旋轉坐標系下的正交電流。在穩態條件下，Id和Iq是常量。

（4）電流環誤差信號由Id、Iq的實際值和各自的參考值進行比較而獲得。Id的參考值控制轉子磁通；Iq的參考值控制電機的轉矩輸出；誤差信號是PI控制器的輸入；控制器的輸出為Vd和Vq，即要施加到電機上的電壓矢量。

（5）位置估算器估算出新的變換角，其中Vα、Vβ、iα和iβ是輸入參數。新的角度可告知矢量控制算法下一個電壓矢量在何處。

（6）通過使用新的角度，可將PI控制器的Vd和Vq輸出值逆變到靜止參考坐標系。該計算將產生下一個正交電壓值Vα和Vβ。

（7）Vα和Vβ值經過逆變換得到3相值va、vb和vc。該3相電壓值可用來計算新的PWM 占空比值，以生成所期望的電壓矢量，控制三相逆變器6個IGBT的通斷以控制壓縮機運行。

該過程包含兩個PI環路，電流環路用于調整壓縮機的轉矩，而速度環路用于精確控制壓縮機轉速。轉子位置和速度估算是整個算法的核心，位置可以通過電機的反電動勢進行估算，速度可以根據單位時間內電機位置的變化并且經過相位補償之后進行估算。

具體到硬件電路的實現無外乎幾個部分：電源濾波與整流電路、電源變換電路、相電流采樣放大電路、處理器單元、開關管驅動與保護電路以及三相橋式逆變器（如圖3）。

目前應用各種電器的變頻方案軟件算法大同小異，然而電路結構卻更新迅速。早期處理器發展水平相對較低，而且應用于家電的變頻技術剛剛起步，為保證方案的可靠性，早期的變頻方案處理器單元一般采用16位或者8位專用單片機，以及集成開關管驅動保護電路的智能功率模塊來搭建整個硬件電路。這種方案處理器數據處理能力相對較弱，而且成本較高。隨著處理器技術的發展，處理器單元逐漸由DSP更新為ARM。為了進一步降低成本，各廠家也一直在探索將智能功率模塊IPM替換為分立功率器件IGBT，目前主流的方案就是如圖2所示硬件電路相互獨立的模式，這種方案成本有大幅地降低，但是可靠性也相對下降。在保證產品質量的前提下不斷降低成本，變頻產品在家電市場才能有更廣泛的市場，這是各家電廠家所追求的。而將相電流采樣放大電路和開關管驅動保護電路集成到處理器內部，設計成變頻控制的專用芯片，將大大簡化硬件電路的設計并且提高產品可靠性。上游芯片廠家已經關注這一點，并有廠家已經推出此類芯片。而對于技術實力較強的企業，他們會選擇將變頻產品附屬的一些功能，比如風機控制、溫度采集、人機交互等功能盡量集成到變頻控制板中，以降低產品整體成本。

針對商用制冷產品應用環境惡劣的特點，壓縮機的啟動和儲藏溫度試驗是具體產品開發設計中難點。在高溫高濕環境下，商用制冷產品制冷系統內部壓力相對常溫條件下高出數倍，為保證壓縮機能夠成功啟動，逆變器需要給電機提供更大的啟動電流。為此，在硬件設計時功率開關管選取要留有足夠的余量，并在PCB布板設計時保證功率開關管的有效散熱面積；而在軟件調試時需要模擬高溫高濕環境，反復試驗確定電流保護點參數，保證壓縮機在惡劣環境下啟動的成功率，同時避免過大電流對元器件的沖擊。

在做低成本的變頻方案時，環境溫度傳感器甚至溫度控制傳感器都會被簡化掉，這樣變頻處理器無法獲知外界環境溫度的變化，當冷凍負載變化時控制器也無法迅速調整壓縮機轉速來維持負載溫度的恒定。這種情況下，必須在軟件設計中增加負載電流觀察器，通過捕捉負載電流的變化來調整壓縮機的轉速，以減小負載溫度的波動。

經過實驗室測試，同一產品采用變頻壓縮機比普通壓縮機節能可達到30%，節能效果非常明顯。然而變頻壓縮機和變頻控制器增加的成本卻制約著變頻產品的普及。作為家電企業所需要做的便是尋求更好的變頻方案，降低變頻產品成本，推動變頻產品市場向前發展，為社會節能減排和人類環境的綠色健康做出貢獻。

[1] R.Krishnan（美）著，柴鳳等譯，永磁無刷電機及其驅動技術，機械工業出版社，2013年1月出版

[2] 吳宇，析變頻調速技術原理及在家電中的應用，職大學報，2007年第四期