变频节能技术在商用制冷产品上的研究与应用

张震德 丁山峰 刘宗岳 程贵亮

（澳柯玛股份有限公司 山东青岛 266510）

节能是家电产品最重要的发展方向之一，随着国家政策的引导，商用制冷产品慢慢也对节能提出了要求。作为家电产品中最成熟、有效的节能途径，变频技术受到了社会各界的一致认可与推崇。近年来，各家电企业瞄准家用及商用电器市场节能发展方向不断推出新的变频产品，由此推动了变频技术方案不断更新。

制冷产品所采用的变频技术主要是将市电整流得到直流电，再通过三相桥式逆变器产生频率可变的交流电来驱动变频压缩机运转。变频控制主要是对三相桥式逆变器的6个开关管的控制(如图1)。通过三相桥式逆变器，利用处理器提供的不同算法对输出电压与电流的幅值、相位及频率进行控制，可以实现不同的效果。目前，应用于电器产品的变频控制技术主要是空间矢量调制技术（也称为磁场定向控制技术（FOC））。

空间矢量调制是将异步电动机在三相交流坐标系下的电流ia、ib和ic，分解到两个相互垂直的虚拟坐标系上，一般称为d-q轴。被分解到d-q轴后电机模型即转换到单个向量空间，相应的电流和磁动势具有恒定的幅值和同步的角速度。这样便可以模拟直流电机的控制方法实现对三相交流电机的控制，然后再将各控制量从两相坐标系转换到三相坐标系，如此便实现了对变频压缩机的控制。

空间矢量控制算法主要通过如下步骤实现（如图2）：

（1）测量3 相绕组电流。在逆变桥的3个下桥臂与直流母线的负极之间串接水泥电阻来取样三相定子电流ia、ib和ic，该脉冲电流信号经放大滤波进入处理器的AD采样通道。

（2）将3相电流变换至2轴坐标系。该变换将得到变量iα和iβ，它们是由测得的ia、ib和ic值变换而来。从定子角度来看，iα和iβ是相互正交的时变电流值。

（3）按照控制环上一次迭代计算出的变换角，来旋转2轴坐标系使之与转子磁通对齐。iα和iβ变量经过该变换可得到Id和Iq。Id和Iq为变换到旋转坐标系下的正交电流。在稳态条件下，Id和Iq是常量。

（4）电流环误差信号由Id、Iq的实际值和各自的参考值进行比较而获得。Id的参考值控制转子磁通；Iq的参考值控制电机的转矩输出；误差信号是PI控制器的输入；控制器的输出为Vd和Vq，即要施加到电机上的电压矢量。

（5）位置估算器估算出新的变换角，其中Vα、Vβ、iα和iβ是输入参数。新的角度可告知矢量控制算法下一个电压矢量在何处。

（6）通过使用新的角度，可将PI控制器的Vd和Vq输出值逆变到静止参考坐标系。该计算将产生下一个正交电压值Vα和Vβ。

（7）Vα和Vβ值经过逆变换得到3相值va、vb和vc。该3相电压值可用来计算新的PWM 占空比值，以生成所期望的电压矢量，控制三相逆变器6个IGBT的通断以控制压缩机运行。

该过程包含两个PI环路，电流环路用于调整压缩机的转矩，而速度环路用于精确控制压缩机转速。转子位置和速度估算是整个算法的核心，位置可以通过电机的反电动势进行估算，速度可以根据单位时间内电机位置的变化并且经过相位补偿之后进行估算。

具体到硬件电路的实现无外乎几个部分：电源滤波与整流电路、电源变换电路、相电流采样放大电路、处理器单元、开关管驱动与保护电路以及三相桥式逆变器（如图3）。

目前应用各种电器的变频方案软件算法大同小异，然而电路结构却更新迅速。早期处理器发展水平相对较低，而且应用于家电的变频技术刚刚起步，为保证方案的可靠性，早期的变频方案处理器单元一般采用16位或者8位专用单片机，以及集成开关管驱动保护电路的智能功率模块来搭建整个硬件电路。这种方案处理器数据处理能力相对较弱，而且成本较高。随着处理器技术的发展，处理器单元逐渐由DSP更新为ARM。为了进一步降低成本，各厂家也一直在探索将智能功率模块IPM替换为分立功率器件IGBT，目前主流的方案就是如图2所示硬件电路相互独立的模式，这种方案成本有大幅地降低，但是可靠性也相对下降。在保证产品质量的前提下不断降低成本，变频产品在家电市场才能有更广泛的市场，这是各家电厂家所追求的。而将相电流采样放大电路和开关管驱动保护电路集成到处理器内部，设计成变频控制的专用芯片，将大大简化硬件电路的设计并且提高产品可靠性。上游芯片厂家已经关注这一点，并有厂家已经推出此类芯片。而对于技术实力较强的企业，他们会选择将变频产品附属的一些功能，比如风机控制、温度采集、人机交互等功能尽量集成到变频控制板中，以降低产品整体成本。

针对商用制冷产品应用环境恶劣的特点，压缩机的启动和储藏温度试验是具体产品开发设计中难点。在高温高湿环境下，商用制冷产品制冷系统内部压力相对常温条件下高出数倍，为保证压缩机能够成功启动，逆变器需要给电机提供更大的启动电流。为此，在硬件设计时功率开关管选取要留有足够的余量，并在PCB布板设计时保证功率开关管的有效散热面积；而在软件调试时需要模拟高温高湿环境，反复试验确定电流保护点参数，保证压缩机在恶劣环境下启动的成功率，同时避免过大电流对元器件的冲击。

在做低成本的变频方案时，环境温度传感器甚至温度控制传感器都会被简化掉，这样变频处理器无法获知外界环境温度的变化，当冷冻负载变化时控制器也无法迅速调整压缩机转速来维持负载温度的恒定。这种情况下，必须在软件设计中增加负载电流观察器，通过捕捉负载电流的变化来调整压缩机的转速，以减小负载温度的波动。

经过实验室测试，同一产品采用变频压缩机比普通压缩机节能可达到30%，节能效果非常明显。然而变频压缩机和变频控制器增加的成本却制约着变频产品的普及。作为家电企业所需要做的便是寻求更好的变频方案，降低变频产品成本，推动变频产品市场向前发展，为社会节能减排和人类环境的绿色健康做出贡献。

[1] R.Krishnan（美）著，柴凤等译，永磁无刷电机及其驱动技术，机械工业出版社，2013年1月出版

[2] 吴宇，析变频调速技术原理及在家电中的应用，职大学报，2007年第四期