窗机用软起动器的应用与优化

2013-04-01毛跃辉

家电科技 2013年7期

毛跃辉

（珠海格力电器股份有限公司家用空调技术部广东珠海 519070）

1 引言

目前，家用空调器中使用的除变频压缩机外，其它空调压缩机使用的电机均为单相交流异步电动机，普通电机在起动过程中将会产生过大的起动电流，一般为额定电流的6倍，该电流会对电网和其它用电设备造成冲击，尤其是大功率3匹以上的立式分体空调，其对电网和其它用电设备的冲击更为明显，不符合国家标准GB 17625.3《额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制》及类似的国际标准要求。因此，受电网容量限制和保护其它用电设备正常工作的需要，须在压缩机起动过程中采取必要的措施限制其起动电流。

传统的电动机有降压起动，如串电阻起动、磁控式降压起动、自耦变压器起动等，要么起动电流和机械冲击过大，要么体积庞大笨重，只适合在一些工业环境中使用，并不能应用到家用电器行业上，尤其是空调上来，但是随着电力电子技术和微机控制技术的发展，出现了用于电机起动的软起动器器件，该器件不仅有效的解决了上述问题，还可以根据应用的不同设置其工作状态，有其很强的灵活性。

2 软起动的工作原理

根据感应电机的等效电路，在忽略激磁电流I m的条件下，可以得出异步电机的定子电流公式：

根据（1）式可知，如不采取任何措施而直接投入电网起动时，会产生起动电流过大的问题。这是由于起动时，n=0，s=1，旋转磁场以同步转速切割转子，在转子绕组中感应很大的电势和电流，引起与之平衡的定子电流的负载分量也随之急剧增大。从感应电机等效电路来看，正常运行时由于转差率S很小，所以转子等效阻抗R，2/S很大，因此限制了定转子电流。而起动时，转差率较大，因此转子等效阻抗很小，以至于起动电流很大，之后，随着转速的提高，转子等效阻抗逐渐变大，相应的定子电流也随之减小。

图1 可控硅软起动器主回路

图2 软起动器原理图

图3 软起动应用于空调上的实际电气接线图

图4 有、无软起动器的对比实验波形

图5 带有软起动器的起动电流波形

针对以上分析，注意到感应电机的转子阻抗虽无法改变，但由（1）式可知定子电流与定子端电压成正比，因此减小端电压也可以相应的减小定子电流。软起动器就是通过可控硅对感应电机的端电压进行调节，从而得到要求的起动电流值。

针对压缩机的单相异步电机，可控硅软起动器的主回路如图1所示。

图6 压缩机起动时的时序图

图7 典型应用实际电气接线图

图8 改进前后的电气原理图

可控硅软起动器实际上是应用可控硅调压的原理，利用可控硅的可控导通特性，通过改变可控硅导通角来改变加在压缩机上的工作电压。如图1所示，交流电源经可控硅SCR直接施加在压缩机主副绕组两端，首先以初始导通角施加一个较小电压（转矩）将压缩机运转起来，此时，电流值应该是可以起动的最低值，然后逐步调节导通角大小，使电压值线性变化，最后达到额定电压、额定电流和额定转矩，同时，起动电流值会从较高的起动电流值（大约5—6倍额定值）大幅下降。当电机转速接近额定转速时，电机已经建立了足够的反电动势，此时将电压提高到额定值也不会出现大的电流。

由于压缩机工作方式是采用电容运转方式，其运行电容C2是根据压缩机正常运行时的最大功率因数和最大效率工作点选定，而在起动过程中，C2与压缩机匹配后的起动力矩小，通过可控硅调压后，使得起动力矩变得更小，在低压情况下可能会造成压缩机不能正常起动。为了达到既能降低起动电流又能使压缩机以较大的起动力矩起动，因此，在起动瞬间，运行电容两端并联一个起动电容C1，完成起动后切断起动电容。

3 软起动器设计及在空调器中的应用

3.1 硬件方案

根据以上所述的原理，在电源与压缩机之间增加一软起动器，该软起动器实现可控硅调压与切换起动电容的投入功能。如图2示意，为软起动器工作原理框图。交流电源经过整流电路后输出+5V和+12V直流电压，提供了整个模块电路的工作电压。晶体振荡电路为主控IC提供必须的工作时钟，初始上电，过零检测电路检测到电源的过零点后，将一高电平脉冲信号发送到主控IC，IC根据过零信号经过延时后以较大的导通角起动可控硅调压电路，可控硅调压电路输出较小的起动电压至压缩机，同时主控IC控制起动电容与运行电容的投入使用，让压缩机先行运转起来，此后主控IC逐渐减小可控硅导通角，逐步提高压缩机的起动电压，在压缩机起动过程中，再逐步减少压缩机的起动电压，实现压缩机的平滑软起动。压缩机正常运行后，短路可控硅的调压电路，直接将交流电源供给压缩机，同时切断起动电容，如此完成整个压缩机的起动过程。图3为软起动器应用于空调上的实际电气接线图。

3.2 软起动器应用

通过在1#压缩机上模拟，实验测得使用软起动器与不使用软起动器的波形图如图4。

表1 1#压缩机电流测试表

图9 改进后的原理图

图10 一个周期内零点示意图

该软起动器适用于240VAC，额定电流小于20A的压缩机上，能将起动冲击额定电流由78倍抑制到约2-3倍。

软起动器在出口窗机GJHN24A3NK1KA机型上使用时，实际测试的波形采用示波器的瞬间触发一个脉冲的方式捕捉，从而间接测得波形如图5。加软起动后的起动电流为20A，没有加软起动的时候，起动电流有60A，从而解决了出口窗机GJHN24A3NK1KA起动电流过大的问题。图6为压缩机起动时的一般时序图。

从上面时序图可以看出，在t1时间内压缩机已经完成起动，为了能使压缩机能平滑的过渡到额定电压运行，在t1～t2时间内逐渐调节压缩机的运行电压，使其上升到额定电压，这样就实现了压缩机的软起动。

4 软起动器烧压缩机的改进和控制要点

图7所示为典型应用实际电气接线图，一般软起动器从起动到全压需要经过400ms～600ms，造成压缩机烧毁的一般原因有：

(1)起动后起动电容始终脱离不掉，导致电容两端电压高（充电），回路电流大，发热量大；

(2)继电器触头始终粘连。未改进前软起动一旦出现故障，也会烧毁压缩机，改进后具有保护功能。

改进后的软起动器工作原理：

开机前，继电器RE1没有得电，触头接合到常闭端NC位置，将可控硅短路；当L和N上电后，单片机工作发送指令，使得继电器RE1得电，触头接合到NO位置，将起动电容并联，同时，单片机又发出指令控制主板上的继电器吸合，期间，检测起动电容是否已经并入和检测晶闸管是否全部导通，已经到全压运行，刚起动时导通角有100°，由单片机来控制导通角，当检测到已经全压运行后，单片机发出指令，起动完成后，继电器RE1断电，触头重新回到短路可控硅的NC位置，使得可控硅短路，此时，起动电容已经脱离，失去作用。避免了起动电容长期并在负线包那,示意图如图8。

此改进方案优点在于使用软起动器后，首先让软起动器上的继电器吸合，然后再让空调主板上的继电器吸合。在程序上做了改动，增加了以下程序：检测起动电容是否并入；检测晶闸管是否导通；检测压缩机是否出现堵转，发送命令给CPU，切断主电路电流，实现保护。

晶闸管作用：一个晶闸管用来检测和控制起动是否到达全压，另一个用来检测压缩机是否出现堵转电流。

改进前后两者工作原理基本相同，但是，当压缩机停止运转时，改进前的软起动器的继电器触头恢复到初始位置，运行电容上有电储存，起动电容与运行电容等组成一回路（红色框示意），此时，起动电容放电，容易造成回路电流大，发热量大，使得继电器触头粘连而无法断开，损坏触头。当下次来电后，触头无法与COMP-R连通，导致压缩机绕组副线圈的电流过大，烧毁压缩机。

改进后的软起动器电路，可以有效的解决该问题，压缩机停止运转时起动电容不在回路中，不易造成继电器触头损坏，示意图如图9。

值得注意的是，在增加的“START”电容需根据压缩机形式等实际情况选择容量，一般为1.5倍～3倍运行电容；典型值为1.8倍；如果运行电容为50UF，则“START”电容可选90UF。

在实际应用过程中，主要的控制要点是可控硅导通角和时序的控制、起动电容参数的设置是否与压缩机匹配。如果可控硅导通角和时序的控制不匹配，可能导致：（1）起动波形严重变形，起动振动和噪音大，导致管路断裂，电流反而更大，失去增加用软起动器的意义；（2）起动不了，导致压缩机堵转，可能出现烧压缩机。如果起动电容的参数设置与压缩机不匹配，起动电流的控制就不能达到要求，无法实现最优控制。

5 消除click声问题的技术改进

传导测试时，加入X电容，能够顺利通过测试,但是过断续干扰时，不能很好的解决click问题。断续干扰主要由继电器吸合电火花产生，类似空调上的接触器，继电器的动作都会产生断续干扰（click声）。标准定义，在一个程序周期内，不可有超过600ms的“click声组合”。简单的可以理解为几个click声簇总延续不超过600ms。经过技术优化设计，解决此问题，具体改进如下：硬件不做改动，在软件上增加了相应滤波程序，并控制继电器在过零点时吸合和切换，防止在有效时间内出现click声过多。交流市电每个周期内过零点数如图10，图中的A、B、C表示一个周期中的3个过零点分布。