變壓變頻控制在洗衣機中的應用

何志明，辜小兵，徐柳春

(1．無錫艾科威科技有限公司，江蘇無錫214072;2．重慶工商學校，重慶400067)

0 引 言

隨著人們對洗衣機性能(噪聲、能耗、洗凈比)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的非變頻電機(主要是串激電機)市場份額開始被專用變頻電機吞噬，變頻電機指變頻器+ 三相交流電機(感應電機或永磁同步電機)。變頻電機逐漸取代串激電機的主要原因如下:(1)串激電機由于電刷的原因存在噪聲大的不足;(2)變頻電機的效率比串激電機稍高;(3)變頻電機具有較好的稱重(慣量)和不平衡檢測性能。

洗衣機專用變頻電機的主要應用需求如下:(1)低成本，專用變頻電機要想完全取代傳統(tǒng)的串激電機，則專用變頻電機要有與串激電機差不多的成本，因此變頻器的成本壓力較大;(2)高效率，變頻器需要盡量讓電機工作在最佳效率點，尤其是洗滌區(qū)，該特點不但降低了洗衣機的能耗，也降低電機成本;(3)低運行噪聲，整機和電機噪聲除了與機械結(jié)構相關外，也與電機的控制相關，因此盡量降低電機的運行噪聲也是變頻器的一個主要任務;(4)衣物重量(慣量)檢測，洗衣機整機根據(jù)重量檢測結(jié)果控制進水量，實現(xiàn)自動進水;(5)衣物分布不均勻檢測，即不平衡檢測，整機將根據(jù)衣物的不平衡分布情況控制最高脫水速度，防止洗衣機高速脫水時出現(xiàn)走路和噪聲大等問題;(6)較大的起動力矩，不管是感應電機還是永磁同步電機，變頻電機均能實現(xiàn)大力矩重載起動。

矢量控制［7－8］和直接轉(zhuǎn)矩技術［9－10］已日趨成熟，它們的動靜態(tài)性能已得到業(yè)界的認可，但算法復雜，而且依賴電機參數(shù)，尤其是矢量控制，而V/F 控制具有算法簡單(易于在8 位單片機中實現(xiàn))和不依賴電機參數(shù)的優(yōu)點。傳統(tǒng)的V/F 控制算法(恒壓頻比控制算法)不能實現(xiàn)電機工作效率最優(yōu)跟蹤，本文介紹一種基于轉(zhuǎn)差頻率控制的效率最優(yōu)控制算法。該算法通過控制電機轉(zhuǎn)差頻率，實現(xiàn)全運行速度范圍內(nèi)電機工作效率的最優(yōu)跟蹤，通過控制輸出電壓幅值，實現(xiàn)輸出力矩跟蹤(即速度跟蹤控制)。效率測試數(shù)據(jù)及其稱重和不平衡檢測結(jié)果表明了本文的控制算法在洗衣機領域應用的有效性。另外，本文介紹的低成本變頻控制算法和效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率的獲取方法的有效性也已經(jīng)被某國際大公司的大批量產(chǎn)品驗證(年產(chǎn)量超過100 萬臺)。

1 基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法

1.1 基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法框圖

基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法框圖如圖1所示。

圖1 基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法框圖

控制算法主要包括四個部分:(1)SVPWM 和功率器件(IPM 或IGBT)，把輸入的電壓角度和幅值轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成對應的三相交流電壓輸出給電機;(2)速度計算，把霍爾信號輸出的脈沖信號轉(zhuǎn)換成對應的電機轉(zhuǎn)速;(3)速度PI 控制環(huán)，它包括速度誤差計算、PI 控制器和電壓限幅，實現(xiàn)速度閉環(huán)控制;(4)電壓角度計算，它包括轉(zhuǎn)差頻率表、同步頻率計算和積分器，通過電壓角度實現(xiàn)電機工作效率最優(yōu)跟蹤，實際上是通過控制轉(zhuǎn)差頻率實現(xiàn)電機效率最優(yōu)跟蹤。

下文將給出算法框圖中的轉(zhuǎn)差頻率表的獲取依據(jù)和方法，它是效率最優(yōu)控制的關鍵。

1.2 電機運行效率與轉(zhuǎn)差頻率的關系

文獻［6］利用感應電機動態(tài)方程推導出了感應電機效率與電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差角速度(轉(zhuǎn)差頻率)和電機參數(shù)之間的關系，其關系如下:

式中:ωs、ωr分別為電機轉(zhuǎn)差角速度和電機轉(zhuǎn)子速度;p 為電機極對數(shù);Lm為互感;Ls為定子電感;L′r為折算到定子側(cè)的等效轉(zhuǎn)子電感;Rs為定子電阻;R′r為折算到定子側(cè)的等效轉(zhuǎn)子電阻。

式(1)表明在忽略電機參數(shù)變化影響情況下，電機的工作效率是電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差頻率的函數(shù)。本文還證明了電機在某轉(zhuǎn)速下存在效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率(轉(zhuǎn)差角速度)，并給出了其效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差速度(轉(zhuǎn)差頻率)的計算方法。

文獻［2］利用感應電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，同樣推導出了電機在某一轉(zhuǎn)速下存在唯一的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率的結(jié)論，并且也給出了效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率的計算方法。電機在同一轉(zhuǎn)速下，不管負載大小如何變化，其效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率基本上是恒定的，不同的轉(zhuǎn)速其效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率會有一定的差異。

1.3 效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率的獲取方法

盡管文獻［2］、文獻［6］均給出了電機效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率的計算方法，但計算方法都比較復雜，并且對電機參數(shù)依賴大，而電機參數(shù)的準確獲取也是一個較大的問題。因此采用一種較為簡單的工程方法來獲得效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率是比較現(xiàn)實的，下面將介紹一種簡單有效的轉(zhuǎn)差頻率的獲取方法，該方法通過測功機對比測試電機在相同輸出功率(或輸出力矩)和不同轉(zhuǎn)差頻率下的效率得到。

效率最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率測試過程如下:

(1)按變頻電機的運行速度范圍進行速度分段，分段的精細程度與效率準確跟蹤精度要求有關，分段越細，效率跟蹤精度越高;

(2)把電機固定在測功機上;

(3)通過變頻電源給電機提供幾組相對合適的三相電壓和頻率;

(4)通過測功機分別測試各組三相電壓和頻率下的TN曲線;

(5)對比分析上面的各組測試數(shù)據(jù)，根據(jù)輸出力矩、效率與轉(zhuǎn)差頻率的相對關系，初步找出效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率;

(6)采用基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制的控制器控制該電機，電機轉(zhuǎn)速控制在該段轉(zhuǎn)速的中心點上，用測功機固定電機輸出力矩，該力矩應接近該速度下的最大輸出力矩;

(7)微調(diào)該速度下的轉(zhuǎn)差頻率，對比測試不同轉(zhuǎn)差頻率下的效率，找出效率最高的轉(zhuǎn)差頻率;

(8)(7)得到的轉(zhuǎn)差頻率即為該速度下的效率最優(yōu)的轉(zhuǎn)差頻率;

(9)重復(2)～(8)得到其它速度段的最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率。

把前面得到的轉(zhuǎn)差頻率及其對應的電機轉(zhuǎn)速做成表格即得到了前面算法框圖中的轉(zhuǎn)差頻率表，如果速度分段是均勻的，可做成1 維表，如果速度分段是非均勻的，則做成2 維表。

1.4 基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制與恒壓比變頻控制性能比較

為了說明本文介紹的基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法的優(yōu)點，下面把它與恒壓頻比控制進行對比分析。

(1)基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制，實現(xiàn)了電機全速范圍內(nèi)的效率最優(yōu)跟蹤;而恒壓頻比的轉(zhuǎn)差頻率會隨著負載的變化而變化，無法實現(xiàn)效率最優(yōu)跟蹤;

(2)基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，由于在固定電機轉(zhuǎn)速下保持了恒定的轉(zhuǎn)差頻率，因此它的控制電壓隨著負載的增大而增大，輸出力矩也隨著控制電壓的增加而增加，輸出力矩與控制電壓幅值是單調(diào)增加的;而恒壓頻比控制在轉(zhuǎn)差頻率較小時輸出力矩隨著轉(zhuǎn)差頻率的增大而增大，但當轉(zhuǎn)差頻率大于臨界轉(zhuǎn)差頻率后會隨著轉(zhuǎn)差頻率的增加而減小;

(3)基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制更容易實現(xiàn)重負載起動，而且不需要對低速區(qū)進行特殊處理，即不需要進行定子電阻壓降補償;而恒壓頻比控制在低速運行時需要對定子電阻壓降進行補償，以保證其最大輸出力矩;

(4)兩者的算法實現(xiàn)難度基本相當。

正是由于上述優(yōu)點，國外的V/F 控制基本采用基于轉(zhuǎn)差頻率的效率優(yōu)化控制，而不采用恒壓頻比控制。

2 實驗結(jié)果

2.1 電機工作效率測試結(jié)果

為了驗證基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)跟蹤控制算法的有效性，本文采用了基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制器和一臺輸出功率為480 W 的2 極感應電機，并按文中介紹的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率測試方法，獲得各轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率，其測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 基于轉(zhuǎn)差頻率的效率最優(yōu)控制算法實驗數(shù)據(jù)

整機效率與電機裸機最佳效率在低速區(qū)差5 個點左右，這5 個點是控制器功率器件的損耗(15 W左右)所致，該損耗與功率器件的損耗計算結(jié)果基本一致。該實驗結(jié)果表明本文介紹的控制算法和轉(zhuǎn)差頻率獲取方法的有效性。

2.2 稱重和OOB 測試精度測試結(jié)果

稱重和OOB 測試功能是洗衣機用變頻器所必需的，而且他們的檢測精度對客戶是否選用該變頻電機影響很大，因此也對基于該控制算法的稱重和OOB 檢測性能進行了測試，由于限于篇幅，這里不再給基于該算法的稱重和OOB 測試結(jié)果。［11－12］

3 結(jié) 語

本文介紹了一種基于轉(zhuǎn)差頻率的最優(yōu)效率控制算法及其轉(zhuǎn)差頻率的獲取方法，并通過實驗結(jié)果驗證了該算法的檢測精度。該算法具有如下優(yōu)點:

(1)實現(xiàn)電機工作效率最優(yōu)跟蹤;

(2)整個控制算法簡單，易于在8 位單片機中實現(xiàn);

(3)本文介紹的最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率的獲得方法能夠較準確獲得電機各轉(zhuǎn)速下的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率，滿足工程應用要求，而且實現(xiàn)方法相對簡單。

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