Cool-TechTM變頻技術在無霜冰箱上的應用（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家新版能效標準的實施，變頻技術已經(jīng)從冰箱的一個賣點成為冰箱行業(yè)的主要趨勢，并開始在冰箱市場中占據(jù)主導地位。同時，在消費升級的大潮下，冰箱的產(chǎn)品結構發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)為風冷無霜、大容量、變頻、高效節(jié)能產(chǎn)品持續(xù)快速的增長。

GB 12021.2-2015《家用電冰箱耗電量限定值及能效等級》強制性能效國家標準（以下簡稱2015版能效標準）已于2016年10月1日正式實施。相比于2008版能效標準，在2015版能效標準中，一臺無霜冰箱如需達到一級能效等級，產(chǎn)品耗電量需下降30%～40%左右。

實驗表明，目前在大容積的無霜冰箱上，采用COP值為1.8～1.9的定頻壓縮機只能實現(xiàn)整機的二級能耗。而采用變頻技術時，COP值為1.6～1.7的變頻壓縮機就能實現(xiàn)整機的二級能耗，COP值為1.8～1.9的變頻壓縮機即可以實現(xiàn)新標準下的一級能耗。因此，變頻控制技術是目前最直接、最有效的能耗提升方式。

變頻冰箱壓縮機一般采用直流無刷電機，減小了常規(guī)交流異步電機造成的勵磁損失，同時也有效降低了噪音。變頻冰箱壓縮機的轉速可以在1200RPM～4500RPM之間變化，轉速的可調性大大提高了冰箱的制冷效率。制冷量的協(xié)同調節(jié)，使得冰箱所產(chǎn)生的制冷量可以與冰箱所需的負載很好地進行匹配，避免多余的能量消耗。當冰箱內溫度較高時，壓縮機可以運行于高速狀態(tài)，從而實現(xiàn)快速降溫。當冰箱內的溫度接近設定溫度時，壓縮機可以運行于低速狀態(tài)，減小冰箱內部的溫度波動，避免壓縮機的頻繁啟停。變頻技術不僅可以起到節(jié)能的作用，而且可以延長壓縮機的使用壽命。[1]

2 傳統(tǒng)變頻控制技術

目前在變頻冰箱領域普遍采用的變頻技術有正弦波FOC驅動和方波驅動。為了更好的應用兩種控制技術，需要結合實際系統(tǒng)應用的要求，從算法層面分析兩者的差異。

正弦波FOC驅動算法是在永磁同步電機的數(shù)學模型基礎上，通過采集流過電機線UVW的三相電流，并結合坐標變換、觀測器運算、PI調節(jié)以及SVPWM調制技術，產(chǎn)生電機運行所需的三相電壓信號。正弦波FOC驅動算法的關鍵在于估算出準確的轉子角度，將定子電流分解為勵磁電流和轉矩電流，達到系統(tǒng)最優(yōu)控制效率。[2]

方波驅動算法是通過專用硬件電路并結合軟件解析算法來實時采集電機三相繞組中的反電動勢。根據(jù)定子三相繞組的反電動勢過零點進行六步換相處理，產(chǎn)生電機運行所需的三相電壓信號。

從軟件的算法層面來看，正弦波驅動算法為了達到理想的控制性能，必須建立起準確的電機數(shù)學模型。在永磁同步電機數(shù)學模型的建立過程中，往往會假設轉子永磁磁場在氣隙空間為正弦分布、定子的電阻電感參數(shù)保持不變、不計鐵心渦流與磁滯等損耗。但是在目前的冰箱應用領域中，變頻電機的反電動勢波形一般介于正弦波與梯形波之間，這樣就會在基于反電勢為正弦波的算法模型中引入計算誤差，降低設計系統(tǒng)的控制精度和運行效率。眾所周知，每一款永磁同步電機都有其特定的電機參數(shù)。對于不同的永磁同步電機，其電機的相電阻Rs、D軸電感Ld、Q軸電感Lq、反電動勢系數(shù)Ke、極對數(shù)均會有所不同。正弦波FOC驅動算法正是利用上述電機參數(shù)計算出轉子永磁體的實際角度，控制過程對電機參數(shù)十分敏感。所以在采用正弦波FOC驅動時，任一一款壓縮機必須配合對應的軟件程序才能將效率做到最優(yōu)。正因為如此，在研發(fā)新款變頻電機以及多款變頻壓縮機量產(chǎn)過程中，正弦波FOC驅動存在匹配繁瑣，變頻板管理困難的問題。

傳統(tǒng)方波驅動算法由于采用硬件電路獲得電機三相繞組的反電動勢過零點，在計算過程中并未用到電機的各項參數(shù)。因此方波驅動算法針對不同的壓縮機具備較好的兼容性，也就是說當變頻壓縮機的電機極對數(shù)保持一致，電機的相電阻、相電感和反電勢系數(shù)發(fā)生變化時，方波控制算法能夠進行自動匹配，使得電機一直運行于最大效率點。雖然傳統(tǒng)方波算法的兼容性優(yōu)勢非常明顯，但是由于其采用的是三相六步換向方式，在每次換向時刻均會產(chǎn)生轉矩脈動。電機的電磁轉矩脈動會影響電機運行的平穩(wěn)性，降低電機的運行效率。目前變頻壓縮機基本都是往復式壓縮機，采用曲柄連桿作為運行機構。在一個機械周期的運動過程中，壓縮機會經(jīng)歷吸氣、壓縮、排氣、膨脹的過程，系統(tǒng)負載處于不斷變化的過程。尤其是在低速1200RPM階段時，這種負載的不均衡現(xiàn)象更加明顯。傳統(tǒng)方波驅動算法應用于這種工況條件時，往往都會出現(xiàn)壓縮機振動過大的問題。[3]

3 Cool-TechTM變頻控制技術

變頻壓縮機為了實現(xiàn)越來越高的COP值，除了改進壓縮機結構、采用高效電機外，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關電路功耗兩部分組成。壓縮機待機時功耗主要為電源電路功耗，而當壓縮機運行時則大部分的損耗都來自于開關電路。為了降低變頻板的損耗，可以通過降低開關管的PWM調制頻率以及每個PWM周內產(chǎn)生動作的開關管數(shù)量。從硬件的驅動層面來看，正弦波FOC驅動算法為了實現(xiàn)定子電流的解耦，必須采用SVPWM調制技術。SVPMW調制是利用六個基本矢量來合成實際系統(tǒng)控制所需的電壓矢量。因此在每個PWM周期內，六個功率管都會進行一次開通一次關斷。相比較而言，基于Cool-TechTM技術的變頻控制采用了改進型三相六步換向，在每個PWM周期內只需要有一個開關管進行開關動作，從而大大降低變頻板的損耗。

對比內容 正弦波FOC驅動 傳統(tǒng)方波驅動 Cool-TechTM技術壓縮機兼容性 差 好 好噪音振動 好 一般 好背壓啟動能力 好 差 好驅動效率 一般 好 好版本管理 難 容易 容易

基于Cool-TechTM技術的變頻控制，結合了冰箱系統(tǒng)的實際工況條件，綜合生產(chǎn)管理過程中的便利性，從芯片設計、變頻板算法、壓縮機及冰箱整機控制策略方面進行深度的優(yōu)化改進。

在芯片設計層面上，為了實現(xiàn)轉矩補償功能，MCU必須擁有高速的ADC模塊來完成對永磁電機轉子位置的實時監(jiān)測。SY8848是針對Cool-TechTM技術專門研發(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功耗。在Cool-TechTM技術中，其電路中的開關管采用小環(huán)二代工藝，有效降低開關管的Rdson，降低米勒電容，增大軟度因子，配合驅動電阻的選擇達到系統(tǒng)最優(yōu)的效率。

Cool-TechTM技術在變頻板的軟件算法上保持了傳統(tǒng)方波驅動算法的兼容性好、損耗低的優(yōu)點，并采用新型斬波方式抑制換相轉矩的脈動。為了抑制壓縮機低速運行時的振動和高速運行時的噪音，Cool-TechTM技術增加了轉矩補償算法。轉矩補償算法是在獲取轉子實時角度的基礎上，通過電流前饋環(huán)節(jié)來彌補壓縮機負載不均衡的特征。

為了更好地發(fā)揮Cool-TechTM技術的高效優(yōu)勢，在進行壓縮機設計時，高COP值所對應的轉速點可以做一些適應性的優(yōu)化。同時冰箱整機對壓縮機的化霜、轉速控制策略也需做部分的調整改進。

4 Cool-TechTM技術實際應用效果

首先我們將基于Cool-TechTM技術的變頻板用于驅動兩款參數(shù)不同的永磁同步電機，測試其在各個轉速段下的轉速穩(wěn)定性。電機1參數(shù)：Ld=50mH、Lq=88mH、Rs=3.7Ω、Ke=27.5Vrms/Krpm/P。電機2參數(shù)：Ld=7.5mH、Lq=71mH、Rs=9.1Ω、Ke=21.5Vrms/Krpm/P。試驗證明Cool-TechTM技術在應用于不同參數(shù)的電機上時，1200RPM-4500RPM的轉速精度均在5RPM之內。

然后我們在量熱儀上，針對同一臺變頻壓縮機，將采用Cool-TechTM技術的變頻板與原有的正弦波變頻板進行COP對比測試，試驗證明采用Cool-TechTM技術的變頻板擁有更高的COP值。

最后我們選取一臺580升智能冰箱，將采用Cool-TechTM技術的變頻板與原有的正弦波變頻板進行整機耗電量對比測試，試驗證明采用Cool-TechTM技術的變頻板對整機耗電量的降低有明顯的作用。

5 結論

本文結合家用風冷無霜普及和2015版新能耗標準實施的大背景下，提出一種Cool-TechTM變頻技術來改善整機的節(jié)能效果，并對壓縮機噪音及壽命有正面改善效果。

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

[2] 謝寶昌, 任永德. 電機的DSP控制技術及其應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2005.

[3] 夏長亮. 無刷直流電機控制系統(tǒng)[M]. 北京:科學出版社, 2009.