變頻壓縮機控制方法研究

1 引言

隨著綠色環保、節能減排逐漸成為中國市場和社會的主題，政府監管力度逐年加大，對各類產品的低能耗要求也越來越嚴格。家用電器保有量巨大，總能耗也十分可觀，是國家關注的重點。尤其對家用電器中的能耗大戶——空調器的能效要求逐年提高，其中空調壓縮機的驅動技術是提升能效的關鍵技術。

2 RAMDA算法簡介

RAMDA算法具備兩大核心技術：用于調節電源功率因數的A-PAM功能和先進的壓縮機驅動技術。而這樣的算法，不增加硬件成本，相反，兩大核心技術同時提供了精簡的硬件方案。

2.1 A-PAM介紹

變頻家用空調的壓縮機廣泛采用永磁同步電動機作為熱能轉換的動力源。為了提高電動機的效率，隨著永磁同步材料技術的發展，永磁同步電動機永磁體的磁通量變得越來越大。但是，用于驅動這個電動機的變頻裝置的供電電壓并未因此而成比例的提高。如果仍然使用傳統的單相供電功率因數校正方法，由于直流母線電壓是固定值，這無法隨著電動機的工作狀況的變化而變化，結果導致實際變頻控制系統的綜合效率下降。A-PAM控制方法正是為了提高直流母線電壓的利用效率，進而提高變頻控制系統的綜合效率而發明的控制方法。在這樣的控制方法下，直流母線電壓隨著電動機的工作狀況靈活變動，始終讓變頻控制系統工作在效率最佳狀態，從而提高了變頻控制系統的綜合效率。

2.1.1 A-PAM技術主要特點

（1）直流母線電壓可變

基于A-PAM，用戶可以精確控制直流母線電壓的輸出值，在保證系統綜合效率的前提下，提供足夠的直流母線電壓。與傳統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。

因此通過限制直流母線電壓，客戶可以選擇更低耐壓等級的濾波電容器，實現更低的系統成本。例如在單相220V供電系統中，傳統PFC的輸出直流電壓一般在350V～390V，系統設計者會選擇450V耐壓的濾波電容器。采用了A-PAM技術后，可以實時的根據負載的變化把直流母線電壓限制在最高340V±1V，系統設計就可以選擇400V耐壓的濾波電容器，降低了系統的硬件成本。

（2）系統綜合效率可調節

相對于傳統PFC控制技術，A-PAM省去了交流電源電壓過零點或者幅值檢測部分。從而進一步降低系統成本。

綜合參考美國容量市場的需求曲線確定和備用服務競價，由調度機構制定需求曲線，提前幾個月對枯水期備用機組進行集中競價。依據可靠性需求，確定枯水期煤電機組備用容量需求。同時確定煤電機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調整兩個方面都優于傳統PFC控制技術。

2.1.2 A-PAM實現方法

當電機運行到高速域時，采用直流電壓最適當控制來控制直流電壓，其控制框圖如圖2所示。升壓控制是以勵磁電流指令和勵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，此時直流電壓上升；若直流電壓上升至其上限值時，啟動上限控制，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勵磁電流自動調整直流電壓，給系統提供最適當的電壓，讓控制系統始終工作在最佳效率狀態下，從而進一步提高系統的綜合效率。

圖1 直流母線電壓和PFC電路效率對比圖

2.2 力矩控制介紹

RAMDA算法特別加入了兩個獨創的力矩波動補償技術。家電中普遍采用的都是單轉子類型的電機，如空調壓縮機等。在普通算法的驅動下，單轉子結構的電機會引發系統振動，這種振動是有害的。以空調系統為例，在低轉速（低于30rps）的情況下，會形成系統共振，系統噪音提高，嚴重時還會造成空調系統應力集中點的損壞。在高速運轉中，電動機相電流的峰值高、諧波大、高頻的噪音高，并且限制了變頻器的輸出能力。針對這樣的市場要求，RAMDA算法包含了以下兩個力矩波動補償技術：

2.2.1 G-type 力矩控制

如圖3所示，在G-type力矩控制作用下，系統振動達到最低，從而保證系統在低速下平穩、正常運轉，擴大了系統實際運行的低頻范圍。通過圖3可以看出，G-type力矩控制可以在低于30rps時大幅降低系統振動。

G-Type轉矩控制的具體內容如圖4所示。在G-Type轉矩控制中，提取速度的交流成分進行積分補償，同時提取速度波動的相位來決定電機轉矩相位，從而綜合得到抑制振動的電流指令。

在M-type力矩控制作用下，變頻器輸出恒定的力矩，電動機相電流波形峰值下降，降低了諧波與功率損耗，降低了系統噪音。圖5為沒有力矩控制時的電動機相電流與M-type力矩控制時的電動機相電流波形的比較。

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

2.3 過調制技術

圖2 電機運行到高速域時的控制框圖

圖3 各種力矩在不同轉速情況下振動振幅比較

圖4 G-Type轉矩控制的具體內容

圖5 電動機相電流比較

與A-PAM技術相配合，提高直流母線電壓的利用率，過調制會帶來諧波失真。為了克服這一缺陷，RAMDA算法中限制諧波失真度低于10%，通過精準的計算調制度與輸出電壓和直流母線電壓比值之間的關系，RAMDA算法開發了獨創的過調制算法。

如圖7所示，如果不應用過調制技術，最大調制度只能到1.15。在保證諧波失真度低于10%的情況下，應用RAMDA算法的過調制技術，調制度最大可以達到2。

圖7 直流母線電壓利用率對比

圖8 差拍現象

圖9 差拍抑制具體內容

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。隨著轉速的不斷升高，繞組中的感應電壓幅值越來越高。當直流母線電壓一定時，繞組端電壓的幅值有限。這樣，如果仍然根據MTPA等算法發送電壓指令，繞組電壓甚至低于感應電動勢的電壓，這就會導致繞組中的電流不足，逆變器無法輸送足夠的功率給電動機。為了解決這一個問題，有意在d軸上增加負的電流，讓繞組電壓的相位超前感應電動勢，以保持輸出到電動機的功率。這就是弱磁控制。對于IPM電機來說，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，保持高轉速和恒定輸出功率的“深度弱磁”。

2.5 差拍抑制技術

2.5.1 差拍現象

差拍現象如圖8所示。

2.5.2 差拍抑制

如圖9所示，通過檢測電源電流波動以及壓縮機相電流波動情況，輸入到相電流波動補償器中，得到直流母線電壓補償值，從而抑制差拍現象。

3 小結

RAMDA算法在變頻壓縮機中的應用，降低了硬件成本，在控制性能上改善了單轉子壓縮機在各個速度域的運行性能，在低速域運行時采用高性能低振動型（G-Type）轉矩控制來抑制電機的振動，從而降低系統的噪音和降低了管路應力，并能使永磁同步電機在較低轉速下運轉；在中速域運行時采用電流幅值恒定型（M-Type）轉矩控制來降低電流波動，降低系統損耗，減小了電流波動；在高速域運行時采用直流電壓最適當控制（A-PFC）來根據電機運行狀態提供最適當直流電壓，進一步提高直流電壓的利用效率，使系統始終工作在最佳效率狀態下，從而提高控制系統的綜合效率。