Cool-TechTM變頻技術(shù)在無(wú)霜冰箱上的應(yīng)用（一）

戴良偉 張斌

杭州士騰科技有限公司 浙江杭州 310030

1 引言

近兩年，隨著冰箱品牌的大力推廣和國(guó)家新版能效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，變頻技術(shù)已經(jīng)從冰箱的一個(gè)賣(mài)點(diǎn)成為冰箱行業(yè)的主要趨勢(shì)，并開(kāi)始在冰箱市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。同時(shí)，在消費(fèi)升級(jí)的大潮下，冰箱的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)為風(fēng)冷無(wú)霜、大容量、變頻、高效節(jié)能產(chǎn)品持續(xù)快速的增長(zhǎng)。

GB 12021.2-2015《家用電冰箱耗電量限定值及能效等級(jí)》強(qiáng)制性能效國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)2015版能效標(biāo)準(zhǔn)）已于2016年10月1日正式實(shí)施。相比于2008版能效標(biāo)準(zhǔn)，在2015版能效標(biāo)準(zhǔn)中，一臺(tái)無(wú)霜冰箱如需達(dá)到一級(jí)能效等級(jí)，產(chǎn)品耗電量需下降30%～40%左右。

實(shí)驗(yàn)表明，目前在大容積的無(wú)霜冰箱上，采用COP值為1.8～1.9的定頻壓縮機(jī)只能實(shí)現(xiàn)整機(jī)的二級(jí)能耗。而采用變頻技術(shù)時(shí)，COP值為1.6～1.7的變頻壓縮機(jī)就能實(shí)現(xiàn)整機(jī)的二級(jí)能耗，COP值為1.8～1.9的變頻壓縮機(jī)即可以實(shí)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)下的一級(jí)能耗。因此，變頻控制技術(shù)是目前最直接、最有效的能耗提升方式。

變頻冰箱壓縮機(jī)一般采用直流無(wú)刷電機(jī)，減小了常規(guī)交流異步電機(jī)造成的勵(lì)磁損失，同時(shí)也有效降低了噪音。變頻冰箱壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可以在1200RPM～4500RPM之間變化，轉(zhuǎn)速的可調(diào)性大大提高了冰箱的制冷效率。制冷量的協(xié)同調(diào)節(jié)，使得冰箱所產(chǎn)生的制冷量可以與冰箱所需的負(fù)載很好地進(jìn)行匹配，避免多余的能量消耗。當(dāng)冰箱內(nèi)溫度較高時(shí)，壓縮機(jī)可以運(yùn)行于高速狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)快速降溫。當(dāng)冰箱內(nèi)的溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，壓縮機(jī)可以運(yùn)行于低速狀態(tài)，減小冰箱內(nèi)部的溫度波動(dòng)，避免壓縮機(jī)的頻繁啟停。變頻技術(shù)不僅可以起到節(jié)能的作用，而且可以延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。[1]

2 傳統(tǒng)變頻控制技術(shù)

目前在變頻冰箱領(lǐng)域普遍采用的變頻技術(shù)有正弦波FOC驅(qū)動(dòng)和方波驅(qū)動(dòng)。為了更好的應(yīng)用兩種控制技術(shù)，需要結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用的要求，從算法層面分析兩者的差異。

正弦波FOC驅(qū)動(dòng)算法是在永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)采集流過(guò)電機(jī)線UVW的三相電流，并結(jié)合坐標(biāo)變換、觀測(cè)器運(yùn)算、PI調(diào)節(jié)以及SVPWM調(diào)制技術(shù)，產(chǎn)生電機(jī)運(yùn)行所需的三相電壓信號(hào)。正弦波FOC驅(qū)動(dòng)算法的關(guān)鍵在于估算出準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子角度，將定子電流分解為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)控制效率。[2]

方波驅(qū)動(dòng)算法是通過(guò)專(zhuān)用硬件電路并結(jié)合軟件解析算法來(lái)實(shí)時(shí)采集電機(jī)三相繞組中的反電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)定子三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行六步換相處理，產(chǎn)生電機(jī)運(yùn)行所需的三相電壓信號(hào)。

從軟件的算法層面來(lái)看，正弦波驅(qū)動(dòng)算法為了達(dá)到理想的控制性能，必須建立起準(zhǔn)確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型。在永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程中，往往會(huì)假設(shè)轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在氣隙空間為正弦分布、定子的電阻電感參數(shù)保持不變、不計(jì)鐵心渦流與磁滯等損耗。但是在目前的冰箱應(yīng)用領(lǐng)域中，變頻電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形一般介于正弦波與梯形波之間，這樣就會(huì)在基于反電勢(shì)為正弦波的算法模型中引入計(jì)算誤差，降低設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制精度和運(yùn)行效率。眾所周知，每一款永磁同步電機(jī)都有其特定的電機(jī)參數(shù)。對(duì)于不同的永磁同步電機(jī)，其電機(jī)的相電阻Rs、D軸電感Ld、Q軸電感Lq、反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke、極對(duì)數(shù)均會(huì)有所不同。正弦波FOC驅(qū)動(dòng)算法正是利用上述電機(jī)參數(shù)計(jì)算出轉(zhuǎn)子永磁體的實(shí)際角度，控制過(guò)程對(duì)電機(jī)參數(shù)十分敏感。所以在采用正弦波FOC驅(qū)動(dòng)時(shí)，任一一款壓縮機(jī)必須配合對(duì)應(yīng)的軟件程序才能將效率做到最優(yōu)。正因?yàn)槿绱耍谘邪l(fā)新款變頻電機(jī)以及多款變頻壓縮機(jī)量產(chǎn)過(guò)程中，正弦波FOC驅(qū)動(dòng)存在匹配繁瑣，變頻板管理困難的問(wèn)題。

傳統(tǒng)方波驅(qū)動(dòng)算法由于采用硬件電路獲得電機(jī)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，在計(jì)算過(guò)程中并未用到電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。因此方波驅(qū)動(dòng)算法針對(duì)不同的壓縮機(jī)具備較好的兼容性，也就是說(shuō)當(dāng)變頻壓縮機(jī)的電機(jī)極對(duì)數(shù)保持一致，電機(jī)的相電阻、相電感和反電勢(shì)系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，方波控制算法能夠進(jìn)行自動(dòng)匹配，使得電機(jī)一直運(yùn)行于最大效率點(diǎn)。雖然傳統(tǒng)方波算法的兼容性?xún)?yōu)勢(shì)非常明顯，但是由于其采用的是三相六步換向方式，在每次換向時(shí)刻均會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，降低電機(jī)的運(yùn)行效率。目前變頻壓縮機(jī)基本都是往復(fù)式壓縮機(jī)，采用曲柄連桿作為運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在一個(gè)機(jī)械周期的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，壓縮機(jī)會(huì)經(jīng)歷吸氣、壓縮、排氣、膨脹的過(guò)程，系統(tǒng)負(fù)載處于不斷變化的過(guò)程。尤其是在低速1200RPM階段時(shí)，這種負(fù)載的不均衡現(xiàn)象更加明顯。傳統(tǒng)方波驅(qū)動(dòng)算法應(yīng)用于這種工況條件時(shí)，往往都會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題。[3]

3 Cool-TechTM變頻控制技術(shù)

變頻壓縮機(jī)為了實(shí)現(xiàn)越來(lái)越高的COP值，除了改進(jìn)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、采用高效電機(jī)外，還需要考慮變頻板本身的功耗。在硬件電路中，變頻板的功耗主要由電源電路功耗和開(kāi)關(guān)電路功耗兩部分組成。壓縮機(jī)待機(jī)時(shí)功耗主要為電源電路功耗，而當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)則大部分的損耗都來(lái)自于開(kāi)關(guān)電路。為了降低變頻板的損耗，可以通過(guò)降低開(kāi)關(guān)管的PWM調(diào)制頻率以及每個(gè)PWM周內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)作的開(kāi)關(guān)管數(shù)量。從硬件的驅(qū)動(dòng)層面來(lái)看，正弦波FOC驅(qū)動(dòng)算法為了實(shí)現(xiàn)定子電流的解耦，必須采用SVPWM調(diào)制技術(shù)。SVPMW調(diào)制是利用六個(gè)基本矢量來(lái)合成實(shí)際系統(tǒng)控制所需的電壓矢量。因此在每個(gè)PWM周期內(nèi)，六個(gè)功率管都會(huì)進(jìn)行一次開(kāi)通一次關(guān)斷。相比較而言，基于Cool-TechTM技術(shù)的變頻控制采用了改進(jìn)型三相六步換向，在每個(gè)PWM周期內(nèi)只需要有一個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而大大降低變頻板的損耗。

對(duì)比內(nèi)容 正弦波FOC驅(qū)動(dòng) 傳統(tǒng)方波驅(qū)動(dòng) Cool-TechTM技術(shù)壓縮機(jī)兼容性 差 好 好噪音振動(dòng) 好 一般 好背壓?jiǎn)?dòng)能力 好 差 好驅(qū)動(dòng)效率 一般 好 好版本管理 難 容易 容易

基于Cool-TechTM技術(shù)的變頻控制，結(jié)合了冰箱系統(tǒng)的實(shí)際工況條件，綜合生產(chǎn)管理過(guò)程中的便利性，從芯片設(shè)計(jì)、變頻板算法、壓縮機(jī)及冰箱整機(jī)控制策略方面進(jìn)行深度的優(yōu)化改進(jìn)。

在芯片設(shè)計(jì)層面上，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能，MCU必須擁有高速的ADC模塊來(lái)完成對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。SY8848是針對(duì)Cool-TechTM技術(shù)專(zhuān)門(mén)研發(fā)的高性能MCU，除具備上述高速的ADC功能外，其工作電流僅為7mA，大大降低了變頻板的待機(jī)功耗。在Cool-TechTM技術(shù)中，其電路中的開(kāi)關(guān)管采用小環(huán)二代工藝，有效降低開(kāi)關(guān)管的Rdson，降低米勒電容，增大軟度因子，配合驅(qū)動(dòng)電阻的選擇達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)的效率。

Cool-TechTM技術(shù)在變頻板的軟件算法上保持了傳統(tǒng)方波驅(qū)動(dòng)算法的兼容性好、損耗低的優(yōu)點(diǎn)，并采用新型斬波方式抑制換相轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。為了抑制壓縮機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和高速運(yùn)行時(shí)的噪音，Cool-TechTM技術(shù)增加了轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償算法是在獲取轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)角度的基礎(chǔ)上，通過(guò)電流前饋環(huán)節(jié)來(lái)彌補(bǔ)壓縮機(jī)負(fù)載不均衡的特征。

為了更好地發(fā)揮Cool-TechTM技術(shù)的高效優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，高COP值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速點(diǎn)可以做一些適應(yīng)性的優(yōu)化。同時(shí)冰箱整機(jī)對(duì)壓縮機(jī)的化霜、轉(zhuǎn)速控制策略也需做部分的調(diào)整改進(jìn)。

4 Cool-TechTM技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果

首先我們將基于Cool-TechTM技術(shù)的變頻板用于驅(qū)動(dòng)兩款參數(shù)不同的永磁同步電機(jī)，測(cè)試其在各個(gè)轉(zhuǎn)速段下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。電機(jī)1參數(shù)：Ld=50mH、Lq=88mH、Rs=3.7Ω、Ke=27.5Vrms/Krpm/P。電機(jī)2參數(shù)：Ld=7.5mH、Lq=71mH、Rs=9.1Ω、Ke=21.5Vrms/Krpm/P。試驗(yàn)證明Cool-TechTM技術(shù)在應(yīng)用于不同參數(shù)的電機(jī)上時(shí)，1200RPM-4500RPM的轉(zhuǎn)速精度均在5RPM之內(nèi)。

然后我們?cè)诹繜醿x上，針對(duì)同一臺(tái)變頻壓縮機(jī)，將采用Cool-TechTM技術(shù)的變頻板與原有的正弦波變頻板進(jìn)行COP對(duì)比測(cè)試，試驗(yàn)證明采用Cool-TechTM技術(shù)的變頻板擁有更高的COP值。

最后我們選取一臺(tái)580升智能冰箱，將采用Cool-TechTM技術(shù)的變頻板與原有的正弦波變頻板進(jìn)行整機(jī)耗電量對(duì)比測(cè)試，試驗(yàn)證明采用Cool-TechTM技術(shù)的變頻板對(duì)整機(jī)耗電量的降低有明顯的作用。

5 結(jié)論

本文結(jié)合家用風(fēng)冷無(wú)霜普及和2015版新能耗標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的大背景下，提出一種Cool-TechTM變頻技術(shù)來(lái)改善整機(jī)的節(jié)能效果，并對(duì)壓縮機(jī)噪音及壽命有正面改善效果。

[1] 王維, 王瑞, 秦宗民. 采用變頻壓縮機(jī)的無(wú)霜冰箱系統(tǒng)性能研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2013(12):90-95.

[2] 謝寶昌, 任永德. 電機(jī)的DSP控制技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.

[3] 夏長(zhǎng)亮. 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2009.