稀土永磁电机及控制器在压缩机中的应用

孙永泰

（沈阳市辽中通达机械厂，沈阳辽中 110200）

1 引 言

家用制冷电器用得最多的是单相异步电动机，靠电容或电阻分相，其压缩机电机常工作在短时重复状态 （通/断式），这样势必带来起动频繁、冲击电流大、电机及压缩机寿命短、制冷温度上下起伏大，即温度稳定性差等一系列弊端，同时系统效率低、噪声大、可控性能差。随着电力电子技术、微电子技术、交流调速技术以及计算机技术的迅速发展，采用变频调速（VVVF）驱动压缩机电机成为先进制冷系统的发展方向。它不但可使电机实现软起动、减小电流冲击、延长电机寿命，还可通过平滑速度调节实现可变制冷量，即高速制冷、低速维持，提高温度稳定性。作为用电大户的压缩机，在推广创造节能效益上十分显著。

国外，全球性能源短缺，使日本东芝公司1981年就将VVVF技术用于压缩机电机控制，推出了新一代逆变器空调。到目前为止，发达国家变频调速冰箱空调已获得了广泛的应用，并且向健康、舒适型发展，据日刊介绍，1990年在日本房间空调器的销售量中已有60%为变频空调，并且逐年增长[1]。我国起步较晚，上世纪90年代后期，部分厂商才开始散件引进组装，有关专家已看好其节能和良好的温度稳定性，国家也在 “八五”期间进行了专项攻关，出现了以电机和控制器两条主线的多元化发展格局。一方面压缩机电机从单相异步机发展到两相对称、三相异步机，甚至稀土永磁电机；另一方面变频调速器则从单进单出、单进双出发展到单进三出；控制形式从SPWM、PWM、PFM发展到速度闭环、电流闭环；控制策略也从气隙磁通控制发展到滑模变结构控制参数最优化控制、参数自适应控制；温度闭环从简单的比例反馈、PI控制发展到现代智能型模糊控制，呈现出一派繁荣景象。但要进入实用，使之实现产业化，面临的主要问题仍然是低成本、高可靠性和小型化，包括电路简化、效率高、可维护性强、智能化和自动化等。

2 压缩机电机的应用分析

由于交流变频调速给压缩机电机带来的优良特性和节能效益，从而打破了单相异步电动机一统家用电器压缩机电机的局面，许多适于调速的电机纷纷登台，出现了交流异步机与同步机互相争夺的现象。一般可作为压缩机驱动电机分为如下几类：

2.1 异步电机的应用分析

可变制冷量型家用制冷电器作为今后的发展方向，其主要特点是压缩机电机能平滑调速，因此在坚固耐用的异步机上配以调速器就成为可能。

（1）鉴于目前国内压缩机厂家不愿改动业已批量生产的生产线，避免一次性投资过大，而又希望通过无级调速改善电机运行性能，实现可变制冷量和节能，为此研制了0.2kW冰箱用和0.8kW空调用变频调速控制器，均为单进单出系统，可直接跨接于220V和压缩机电机之间，由电容或电阻分相，丝毫不改动现有压缩机及电机，减少了过大的投资。但由于磁场不是圆形 （非严格90°分相），且频率变化时电机容抗也随之变化，所以低频带载能力差，电机运行性能和节能效果并不十分理想。

（2）如果将电机改为两相对称绕组，控制器为单进双出，且严格90°分相，取掉了电容或电阻，电机只需重新绕线，这样电机成本大大降低，并且能保证圆形磁场，而且无容抗受频率的影响，低频特性也好，但该方法电压损失严重，铁心利用率低，效率也不高。

（3）重新改造电机，以三相异步机 （IM）为好，这种电机可由通用变频器将单相交流电分成三相，而且调速平滑，技术成熟，控制方法多样，电机运行特性好，效率相对较高。通过0.8kW三相异步机变频调速系统的研制，虽然成本比单双相略高，但运行可靠，低速节能显著，很适合冰柜和小型空调器，而且耐用、防爆、易维护。采用三进三出结构，在工业用压缩机异步电机中也很有发展前途。

2.2 同步电机的应用分析

上世纪80年代初，随着稀土永磁材料钕铁硼（NdFeB）的出现，以及近几年先进工艺结构的不断发展，性能/价格比高的稀土永磁材料不再为航空航天所专用，民用稀土永磁电机的应用和开发正在迅速发展。日本在汽车、摩托车、家用电器上使用的稀土永磁电机 （REPMEM）每年以10%的速度增长，这种电机具有体积小、重量轻、维护方便、性能优越、高效节能等优点，远远优于三相异步机，仅效率就高出异步机10%左右，加上稳定的变频调速驱动系统，其节能效果更加显著 （见图1），完成相同制冷量比传统单相异步机节能30%以上。图1表示相同流量下相同功率的三相异步机与稀土永磁同步机的节能曲线。

图1 稀土永磁电机节能效果

除了有刷直流电机外，稀土永磁电机本身为同步机，它不能自起动，且易于振荡和过载失步，因此出现了自控式调速驱动系统，也叫无换向器电机或无刷直流电机。它不会失步又具有直流机优良的调速性能，可采用转子磁极位置传感器 （如霍尔元件），也可采用无传感器的反电势换向，这种电机特性没有他控式稀土永磁同步电机 （REPMSM）硬，但适合平方型 （M∝n2）压缩机负载，而且调速范围宽，调速无级平滑性好，通过研制的0.2kW冰箱压缩机无刷直流电机调速试验，其节能明显，但由于位置传感器随电机装在压缩机里，所以外引线较多，维修困难。由于霍尔器件温度特性不好，导致系统可靠性差。目前美国GE公司在冰箱蒸发器风机中这类电机用得较多，所以稳定可靠的无传感器无刷直流电机可望在小型压缩机中获得应用。

他控式稀士永磁同步电机虽然可依靠VVVF装置实现软起动，减小电流冲击，但振荡和失步是稳定运行的先决条件。由于其机械特性平直，频率与转速严格同步，所以调速精度高，随着先进闭环控制技术的运用，振荡和失步已不再成为应用难点，其优越的调速性和高力能指标 （μcos φ）必将成为压缩机电机的佼佼者，宽范围平滑调速和较高的节能优势使人们不再为其成本担心，目前日本、美国已把稀士永磁同步机作为第二代压缩机电机首选机种。目前研制出的1.0、1.8kW空调压缩机用稀土永磁同步电机，经低成本专用变频器配套试验，结果令人满意。

至于近几年发展起来的开关磁阻电机 （SRM），又称反应式电动机，是一种无励磁的凸极式同步机，单机容量通常在1kW左右，适合家用电器中的压缩机电机，而且控制简单，电机坚固可靠、效率高，但功率因数低，对于耗电大户压缩机，随着先进控制技术的应用，可望在压缩机中有所发展，据悉，美国A.O.Smith公司已研制出空调器用SRM样机。

3 变频调速控制器的应用分析

压缩机电机采用变频调速是制冷电器设备的发展与进步，它随着压缩机采用不同的电机而发展和完善，目前使用最多的是电压型交—直—交主功率拓扑结构，整流器为不可控桥式结构，变压变频（VVVF）由逆变器一次完成，称为PWM逆变器，控制策略多基于气隙磁通轨迹法，也叫空间电压矢量控制，这种方法使开环也能工作 （见图2）。所以控制器与电机相互依赖、相互制约，只有协调发展才能获得高性能传动系统[2]。

图2 交—直—交PWM变频调速系统

对于单进单出异步电机变频调速系统，由于靠电容电阻分相，所以其输出PWM波形的正弦化是电机是否处于最佳运行特性的关键。在PWM波形设计时，采用谐波抑制方法，可做到13次以下奇次谐波被抑制到3%以下，即实现准优化PWM调速[3]，但磁场因电容及工艺误差不可能做到圆形，容抗的变化使最佳频率区无法完全覆盖调速范固，高频开关损耗使系统效率不高，但低成本和节能效果仍比不调速好。

单进双出异步机变频调速系统，虽可做到严格90°分相，且摒弃掉电容或电阻分相的弊端，但采用恒磁通调速 （U/f=C），电压损失大，铁心利用率不高，效率仍很低，其节电纯属于压缩机低速工作时所带来的能效比 （COP）的改善，电机成本降低和控制器成本升高，使总体成本仍与单进单出相当，但系统可靠性及运行性能要比单进单出好。

单进三出异步机变频调速系统，除采用开环恒U/f比控制外，还可采用矢量控制，直接转矩控制、转差控制形成速度或电流闭环。采用空间电压矢量下的磁通轨迹控制可实现圆形磁场，谐波含量和转矩脉动随逼近程度变化。如果考虑到开关损耗适当，以消除23次以下谐波为宜，这样电压基波分量大，电压利用率高，转矩脉动小。该方法可在较大的范围内实现恒功率平滑调速[4]，其效率明显高于前两种，在空调器中应用，其成本可以接受。若采用速度闭环获得高精度控制，则系统相对复杂，但将成为今后一段时间重要的发展方向。美国政府为了节约能源，其市场供应的空调器要求尽量采用这种传动系统。

稀土永磁无刷直流电动机调速系统无失步振荡造成的不稳定，控制规律相对简单，且开关损耗低，效率高，很适合于微处理器实现速度、电流双闭环控制，调速范围宽而平滑。1984年美国GE公司推出了单片机控制的无刷直流电动机，称为智能电机 （Smart Motor），调速范围20～10000r/min，噪声低。1992年初步用于冰箱压缩机电机控制，电机采用反电势换向。目前变频起动无刷运行的方法已有研究，要用滑模变结构控制求解控制规律在超平面上的切换，否则振荡仍可能发生，目前已采用半桥逆变结构在30W牙钻电机中实现了这一方案[5]，可望在冰箱压缩机中采用这一技术，实现可变制冷量控制。

他控式稀土永磁同步电动机变频调速系统，可采用变磁链轨迹结构改善高低频段运行特性，减小磁场和转矩的脉动[6]。从开关损耗上考虑，谐振式软开关逆变已有研究，从电机最优效率出发，稀土永磁同步电机不应用COS φ=1法，而应采用最小电流法，模糊闭环控制和参数自适应控制可克服振荡和失步，使电机功角锁定在要求的范围。为了适应稀土永磁同步电动机因充磁和设计加工所带来的分散性，其U/f曲线自学控制有所研究。这种方法可使变频器与电机实现良好的匹配。

由于其高效节能、调速准确、机械特性硬、动态性能好，所以稀土永磁同步电动机VVVF系统必将成为最有发展前途的压缩机传动系统，从研制的1.8kW稀土永磁压缩机同步电动机变频调速系统试验情况看，也充分证实了这一点。

4 稀土永磁电机变频调速系统展望

目前变频控制器与电机相比，价格高，体积大，所以控制电路的简化、成本的降低、可靠性的提高，以及小型化、高效化和智能化的实现就成为迎接变频调速压缩机产业化时代到来的关键。现代控制技术的应用使智能化、自动化的高可靠控制器成为可能；故障诊断、容错技术可使维修性大大提高；可靠的驱动及准确的保护技术使先进的电力电子器件GTR、IGBT、MOSFET、MCT、SITH等不再成为现代交流调速技术的应用难点；随着微处理器技术的日益开发，设计适于软件处理的实时控制系统不但是小型化发展的方向，而且也是现代控制理论得以应用的基础，其软件的灵活性给调试带来了诸多方便；微电子技术及集成制造业的发展，使控制器的低成本、高可靠性、走线简单、抗干扰性强及小体积成为现实。从6路电压型功率集成驱动电路IR2130到第四代电力电子功率集成模块 （PIM），已将功率开关器件、驱动、保护、电流检测及负载传感器融于一块芯片上，成为智能模块；从PWM波形生成电路HEF4752、SLE4520到波形任意设计的高速DSP数字信号处理器，使得先进的变频调速控制器小型化、实用化不再是梦，甚至嵌入式变频器可以像 “组件”一样装入电机中实现机电一体化。目前国外在豪华列车、高级轿车及高档家用电器中集成化变频器已有应用。

5 结语

三相异步机变频调速系统仍然是家用制冷设备实现可变制冷量的选用方案，但以稀土永磁电机及变频器为基础的压缩机必将成为21世纪高档次可变制冷量冰箱、空调的重要发展方向，作为稀土大国，大力开发稀土永磁无刷电机和他控式稀土永磁同步电机，研制低成本、软件化、实时控制的智能型嵌入式变频调速器具有更加美好的远大前景。对于缓解能源危机，为人类提供健康、舒适的生活环境也具有深远的经济意义和社会意义。

[1] 张永铨.日本房间空调器的最新发展 （上）[J].暖通空调，1993（2）：36-39

[2] 陈伯时.电力电子技术与电机调速（二）[J].中小型电机，1993，20（2）：44-47

[3] 马瑞卿.单相电容电机谐波抑制PWM调速[J].微电机，1995，28（4）：33-36

[4] Ma Ruiqing etc—A New Type Method of Flux Track Control and its Harmonic Analysis.ClCEM′95，Hangzhou.China.1995，9：75-78

[5] 郝小辉.无位置传感器无刷直流电机单片机控制系统[M].西北工业大学硕士论文，1995（3）

[6] 马瑞卿.电压空间矢量控制稀土永磁同步电动机变频调速研究[R].西北工业大学学报，1996，14（1）：67-72