窗機(jī)用軟起動器的應(yīng)用與優(yōu)化

毛躍輝

（珠海格力電器股份有限公司家用空調(diào)技術(shù)部 廣東珠海 519070）

1 引言

目前，家用空調(diào)器中使用的除變頻壓縮機(jī)外，其它空調(diào)壓縮機(jī)使用的電機(jī)均為單相交流異步電動機(jī)，普通電機(jī)在起動過程中將會產(chǎn)生過大的起動電流，一般為額定電流的6倍，該電流會對電網(wǎng)和其它用電設(shè)備造成沖擊，尤其是大功率3匹以上的立式分體空調(diào)，其對電網(wǎng)和其它用電設(shè)備的沖擊更為明顯，不符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17625.3《額定電流大于16A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓波動和閃爍的限制》及類似的國際標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，受電網(wǎng)容量限制和保護(hù)其它用電設(shè)備正常工作的需要，須在壓縮機(jī)起動過程中采取必要的措施限制其起動電流。

傳統(tǒng)的電動機(jī)有降壓起動，如串電阻起動、磁控式降壓起動、自耦變壓器起動等，要么起動電流和機(jī)械沖擊過大，要么體積龐大笨重，只適合在一些工業(yè)環(huán)境中使用，并不能應(yīng)用到家用電器行業(yè)上，尤其是空調(diào)上來，但是隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了用于電機(jī)起動的軟起動器器件，該器件不僅有效的解決了上述問題，還可以根據(jù)應(yīng)用的不同設(shè)置其工作狀態(tài)，有其很強(qiáng)的靈活性。

2 軟起動的工作原理

根據(jù)感應(yīng)電機(jī)的等效電路，在忽略激磁電流I m的條件下，可以得出異步電機(jī)的定子電流公式：

根據(jù)（1）式可知，如不采取任何措施而直接投入電網(wǎng)起動時，會產(chǎn)生起動電流過大的問題。這是由于起動時，n=0，s=1，旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)很大的電勢和電流，引起與之平衡的定子電流的負(fù)載分量也隨之急劇增大。從感應(yīng)電機(jī)等效電路來看，正常運行時由于轉(zhuǎn)差率S很小，所以轉(zhuǎn)子等效阻抗R，2/S很大，因此限制了定轉(zhuǎn)子電流。而起動時，轉(zhuǎn)差率較大，因此轉(zhuǎn)子等效阻抗很小，以至于起動電流很大，之后，隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子等效阻抗逐漸變大，相應(yīng)的定子電流也隨之減小。

圖1 可控硅軟起動器主回路

圖2 軟起動器原理圖

圖3 軟起動應(yīng)用于空調(diào)上的實際電氣接線圖

圖4 有、無軟起動器的對比實驗波形

圖5 帶有軟起動器的起動電流波形

針對以上分析，注意到感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子阻抗雖無法改變，但由（1）式可知定子電流與定子端電壓成正比，因此減小端電壓也可以相應(yīng)的減小定子電流。軟起動器就是通過可控硅對感應(yīng)電機(jī)的端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到要求的起動電流值。

針對壓縮機(jī)的單相異步電機(jī)，可控硅軟起動器的主回路如圖1所示。

圖6 壓縮機(jī)起動時的時序圖

圖7 典型應(yīng)用實際電氣接線圖

圖8 改進(jìn)前后的電氣原理圖

可控硅軟起動器實際上是應(yīng)用可控硅調(diào)壓的原理，利用可控硅的可控導(dǎo)通特性，通過改變可控硅導(dǎo)通角來改變加在壓縮機(jī)上的工作電壓。如圖1所示，交流電源經(jīng)可控硅SCR直接施加在壓縮機(jī)主副繞組兩端，首先以初始導(dǎo)通角施加一個較小電壓（轉(zhuǎn)矩）將壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)起來，此時，電流值應(yīng)該是可以起動的最低值，然后逐步調(diào)節(jié)導(dǎo)通角大小，使電壓值線性變化，最后達(dá)到額定電壓、額定電流和額定轉(zhuǎn)矩，同時，起動電流值會從較高的起動電流值（大約5—6倍額定值）大幅下降。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，電機(jī)已經(jīng)建立了足夠的反電動勢，此時將電壓提高到額定值也不會出現(xiàn)大的電流。

由于壓縮機(jī)工作方式是采用電容運轉(zhuǎn)方式，其運行電容C2是根據(jù)壓縮機(jī)正常運行時的最大功率因數(shù)和最大效率工作點選定，而在起動過程中，C2與壓縮機(jī)匹配后的起動力矩小，通過可控硅調(diào)壓后，使得起動力矩變得更小，在低壓情況下可能會造成壓縮機(jī)不能正常起動。為了達(dá)到既能降低起動電流又能使壓縮機(jī)以較大的起動力矩起動，因此，在起動瞬間，運行電容兩端并聯(lián)一個起動電容C1，完成起動后切斷起動電容。

3 軟起動器設(shè)計及在空調(diào)器中的應(yīng)用

3.1 硬件方案

根據(jù)以上所述的原理，在電源與壓縮機(jī)之間增加一軟起動器，該軟起動器實現(xiàn)可控硅調(diào)壓與切換起動電容的投入功能。如圖2示意，為軟起動器工作原理框圖。交流電源經(jīng)過整流電路后輸出+5V和+12V直流電壓，提供了整個模塊電路的工作電壓。晶體振蕩電路為主控IC提供必須的工作時鐘，初始上電，過零檢測電路檢測到電源的過零點后，將一高電平脈沖信號發(fā)送到主控IC，IC根據(jù)過零信號經(jīng)過延時后以較大的導(dǎo)通角起動可控硅調(diào)壓電路，可控硅調(diào)壓電路輸出較小的起動電壓至壓縮機(jī)，同時主控IC控制起動電容與運行電容的投入使用，讓壓縮機(jī)先行運轉(zhuǎn)起來，此后主控IC逐漸減小可控硅導(dǎo)通角，逐步提高壓縮機(jī)的起動電壓，在壓縮機(jī)起動過程中，再逐步減少壓縮機(jī)的起動電壓，實現(xiàn)壓縮機(jī)的平滑軟起動。壓縮機(jī)正常運行后，短路可控硅的調(diào)壓電路，直接將交流電源供給壓縮機(jī)，同時切斷起動電容，如此完成整個壓縮機(jī)的起動過程。圖3為軟起動器應(yīng)用于空調(diào)上的實際電氣接線圖。

3.2 軟起動器應(yīng)用

通過在1#壓縮機(jī)上模擬，實驗測得使用軟起動器與不使用軟起動器的波形圖如圖4。

表1 1#壓縮機(jī)電流測試表

圖9 改進(jìn)后的原理圖

圖10 一個周期內(nèi)零點示意圖

該軟起動器適用于240VAC，額定電流小于20A的壓縮機(jī)上，能將起動沖擊額定電流由78倍抑制到約2-3倍。

軟起動器在出口窗機(jī)GJHN24A3NK1KA機(jī)型上使用時，實際測試的波形采用示波器的瞬間觸發(fā)一個脈沖的方式捕捉，從而間接測得波形如圖5。加軟起動后的起動電流為20A，沒有加軟起動的時候，起動電流有60A，從而解決了出口窗機(jī)GJHN24A3NK1KA起動電流過大的問題。圖6為壓縮機(jī)起動時的一般時序圖。

從上面時序圖可以看出，在t1時間內(nèi)壓縮機(jī)已經(jīng)完成起動，為了能使壓縮機(jī)能平滑的過渡到額定電壓運行，在t1～t2時間內(nèi)逐漸調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運行電壓，使其上升到額定電壓，這樣就實現(xiàn)了壓縮機(jī)的軟起動。

4 軟起動器燒壓縮機(jī)的改進(jìn)和控制要點

圖7所示為典型應(yīng)用實際電氣接線圖，一般軟起動器從起動到全壓需要經(jīng)過400ms～600ms，造成壓縮機(jī)燒毀的一般原因有：

(1)起動后起動電容始終脫離不掉，導(dǎo)致電容兩端電壓高（充電），回路電流大，發(fā)熱量大；

(2)繼電器觸頭始終粘連。未改進(jìn)前軟起動一旦出現(xiàn)故障，也會燒毀壓縮機(jī)，改進(jìn)后具有保護(hù)功能。

改進(jìn)后的軟起動器工作原理：

開機(jī)前，繼電器RE1沒有得電，觸頭接合到常閉端NC位置，將可控硅短路；當(dāng)L和N上電后，單片機(jī)工作發(fā)送指令，使得繼電器RE1得電，觸頭接合到NO位置，將起動電容并聯(lián)，同時，單片機(jī)又發(fā)出指令控制主板上的繼電器吸合，期間，檢測起動電容是否已經(jīng)并入和檢測晶閘管是否全部導(dǎo)通，已經(jīng)到全壓運行，剛起動時導(dǎo)通角有100°，由單片機(jī)來控制導(dǎo)通角，當(dāng)檢測到已經(jīng)全壓運行后，單片機(jī)發(fā)出指令，起動完成后，繼電器RE1斷電，觸頭重新回到短路可控硅的NC位置，使得可控硅短路，此時，起動電容已經(jīng)脫離，失去作用。避免了起動電容長期并在負(fù)線包那,示意圖如圖8。

此改進(jìn)方案優(yōu)點在于使用軟起動器后，首先讓軟起動器上的繼電器吸合，然后再讓空調(diào)主板上的繼電器吸合。在程序上做了改動，增加了以下程序：檢測起動電容是否并入；檢測晶閘管是否導(dǎo)通；檢測壓縮機(jī)是否出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，發(fā)送命令給CPU，切斷主電路電流，實現(xiàn)保護(hù)。

晶閘管作用：一個晶閘管用來檢測和控制起動是否到達(dá)全壓，另一個用來檢測壓縮機(jī)是否出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)電流。

改進(jìn)前后兩者工作原理基本相同，但是，當(dāng)壓縮機(jī)停止運轉(zhuǎn)時，改進(jìn)前的軟起動器的繼電器觸頭恢復(fù)到初始位置，運行電容上有電儲存，起動電容與運行電容等組成一回路（紅色框示意），此時，起動電容放電，容易造成回路電流大，發(fā)熱量大，使得繼電器觸頭粘連而無法斷開，損壞觸頭。當(dāng)下次來電后，觸頭無法與COMP-R連通，導(dǎo)致壓縮機(jī)繞組副線圈的電流過大，燒毀壓縮機(jī)。

改進(jìn)后的軟起動器電路，可以有效的解決該問題，壓縮機(jī)停止運轉(zhuǎn)時起動電容不在回路中，不易造成繼電器觸頭損壞，示意圖如圖9。

值得注意的是，在增加的“START”電容需根據(jù)壓縮機(jī)形式等實際情況選擇容量，一般為1.5倍～3倍運行電容；典型值為1.8倍；如果運行電容為50UF，則“START”電容可選90UF。

在實際應(yīng)用過程中，主要的控制要點是可控硅導(dǎo)通角和時序的控制、起動電容參數(shù)的設(shè)置是否與壓縮機(jī)匹配。如果可控硅導(dǎo)通角和時序的控制不匹配，可能導(dǎo)致：（1）起動波形嚴(yán)重變形，起動振動和噪音大，導(dǎo)致管路斷裂，電流反而更大，失去增加用軟起動器的意義；（2）起動不了，導(dǎo)致壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)，可能出現(xiàn)燒壓縮機(jī)。如果起動電容的參數(shù)設(shè)置與壓縮機(jī)不匹配，起動電流的控制就不能達(dá)到要求，無法實現(xiàn)最優(yōu)控制。

5 消除click聲問題的技術(shù)改進(jìn)

傳導(dǎo)測試時，加入X電容，能夠順利通過測試,但是過斷續(xù)干擾時，不能很好的解決click問題。斷續(xù)干擾主要由繼電器吸合電火花產(chǎn)生，類似空調(diào)上的接觸器，繼電器的動作都會產(chǎn)生斷續(xù)干擾（click聲）。標(biāo)準(zhǔn)定義，在一個程序周期內(nèi)，不可有超過600ms的“click聲組合”。簡單的可以理解為幾個click聲簇總延續(xù)不超過600ms。經(jīng)過技術(shù)優(yōu)化設(shè)計，解決此問題，具體改進(jìn)如下：硬件不做改動，在軟件上增加了相應(yīng)濾波程序，并控制繼電器在過零點時吸合和切換，防止在有效時間內(nèi)出現(xiàn)click聲過多。交流市電每個周期內(nèi)過零點數(shù)如圖10，圖中的A、B、C表示一個周期中的3個過零點分布。

6 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹窗機(jī)用軟起動器的工作原理及應(yīng)用，并在實際實驗測試的基礎(chǔ)上，提出解決軟起動器燒壓縮機(jī)的方法和具體控制要點，同時較好地解決EMC傳導(dǎo)及click聲等問題。

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