变频压缩机控制方法研究

1 引言

随着绿色环保、节能减排逐渐成为中国市场和社会的主题，政府监管力度逐年加大，对各类产品的低能耗要求也越来越严格。家用电器保有量巨大，总能耗也十分可观，是国家关注的重点。尤其对家用电器中的能耗大户——空调器的能效要求逐年提高，其中空调压缩机的驱动技术是提升能效的关键技术。

2 RAMDA算法简介

RAMDA算法具备两大核心技术：用于调节电源功率因数的A-PAM功能和先进的压缩机驱动技术。而这样的算法，不增加硬件成本，相反，两大核心技术同时提供了精简的硬件方案。

2.1 A-PAM介绍

变频家用空调的压缩机广泛采用永磁同步电动机作为热能转换的动力源。为了提高电动机的效率，随着永磁同步材料技术的发展，永磁同步电动机永磁体的磁通量变得越来越大。但是，用于驱动这个电动机的变频装置的供电电压并未因此而成比例的提高。如果仍然使用传统的单相供电功率因数校正方法，由于直流母线电压是固定值，这无法随着电动机的工作状况的变化而变化，结果导致实际变频控制系统的综合效率下降。A-PAM控制方法正是为了提高直流母线电压的利用效率，进而提高变频控制系统的综合效率而发明的控制方法。在这样的控制方法下，直流母线电压随着电动机的工作状况灵活变动，始终让变频控制系统工作在效率最佳状态，从而提高了变频控制系统的综合效率。

2.1.1 A-PAM技术主要特点

（1）直流母线电压可变

基于A-PAM，用户可以精确控制直流母线电压的输出值，在保证系统综合效率的前提下，提供足够的直流母线电压。与传统PFC相比较，A-PAM可以限制直流母线电压的输出值，PFC电路效率也比较高。

因此通过限制直流母线电压，客户可以选择更低耐压等级的滤波电容器，实现更低的系统成本。例如在单相220V供电系统中，传统PFC的输出直流电压一般在350V～390V，系统设计者会选择450V耐压的滤波电容器。采用了A-PAM技术后，可以实时的根据负载的变化把直流母线电压限制在最高340V±1V，系统设计就可以选择400V耐压的滤波电容器，降低了系统的硬件成本。

（2）系统综合效率可调节

相对于传统PFC控制技术，A-PAM省去了交流电源电压过零点或者幅值检测部分。从而进一步降低系统成本。

综合参考美国容量市场的需求曲线确定和备用服务竞价，由调度机构制定需求曲线，提前几个月对枯水期备用机组进行集中竞价。依据可靠性需求，确定枯水期煤电机组备用容量需求。同时确定煤电机组的固定成本和单位容量维持成本。

如图1所示，A-PAM控制在提高直流母线电压和功率因数调整两个方面都优于传统PFC控制技术。

2.1.2 A-PAM实现方法

当电机运行到高速域时，采用直流电压最适当控制来控制直流电压，其控制框图如图2所示。升压控制是以励磁电流指令和励磁电流限制值之间的比较值作为输入，控制作用使升压比增加，此时直流电压上升；若直流电压上升至其上限值时，启动上限控制，使升压比降低，从而使直流电压控制在上限值之下。这种升压比可变控制可以根据励磁电流自动调整直流电压，给系统提供最适当的电压，让控制系统始终工作在最佳效率状态下，从而进一步提高系统的综合效率。

图1 直流母线电压和PFC电路效率对比图

2.2 力矩控制介绍

RAMDA算法特别加入了两个独创的力矩波动补偿技术。家电中普遍采用的都是单转子类型的电机，如空调压缩机等。在普通算法的驱动下，单转子结构的电机会引发系统振动，这种振动是有害的。以空调系统为例，在低转速（低于30rps）的情况下，会形成系统共振，系统噪音提高，严重时还会造成空调系统应力集中点的损坏。在高速运转中，电动机相电流的峰值高、谐波大、高频的噪音高，并且限制了变频器的输出能力。针对这样的市场要求，RAMDA算法包含了以下两个力矩波动补偿技术：

2.2.1 G-type 力矩控制

如图3所示，在G-type力矩控制作用下，系统振动达到最低，从而保证系统在低速下平稳、正常运转，扩大了系统实际运行的低频范围。通过图3可以看出，G-type力矩控制可以在低于30rps时大幅降低系统振动。

G-Type转矩控制的具体内容如图4所示。在G-Type转矩控制中，提取速度的交流成分进行积分补偿，同时提取速度波动的相位来决定电机转矩相位，从而综合得到抑制振动的电流指令。

在M-type力矩控制作用下，变频器输出恒定的力矩，电动机相电流波形峰值下降，降低了谐波与功率损耗，降低了系统噪音。图5为没有力矩控制时的电动机相电流与M-type力矩控制时的电动机相电流波形的比较。

M-Type转矩控制的具体内容如图6所示。其方法是分别从d轴/q轴电流中提取其交流成分，用积分补偿使交流成分为零，从而得到用于降低电流波动的电压指令。

2.3 过调制技术

图2 电机运行到高速域时的控制框图

图3 各种力矩在不同转速情况下振动振幅比较

图4 G-Type转矩控制的具体内容

图5 电动机相电流比较

与A-PAM技术相配合，提高直流母线电压的利用率，过调制会带来谐波失真。为了克服这一缺陷，RAMDA算法中限制谐波失真度低于10%，通过精准的计算调制度与输出电压和直流母线电压比值之间的关系，RAMDA算法开发了独创的过调制算法。

如图7所示，如果不应用过调制技术，最大调制度只能到1.15。在保证谐波失真度低于10%的情况下，应用RAMDA算法的过调制技术，调制度最大可以达到2。

图7 直流母线电压利用率对比

图8 差拍现象

图9 差拍抑制具体内容

2.4 弱磁控制

尽量避免输出电压饱和，保证在有限的直流母线电压的情况下，输出符合要求的力矩。随着转速的不断升高，绕组中的感应电压幅值越来越高。当直流母线电压一定时，绕组端电压的幅值有限。这样，如果仍然根据MTPA等算法发送电压指令，绕组电压甚至低于感应电动势的电压，这就会导致绕组中的电流不足，逆变器无法输送足够的功率给电动机。为了解决这一个问题，有意在d轴上增加负的电流，让绕组电压的相位超前感应电动势，以保持输出到电动机的功率。这就是弱磁控制。对于IPM电机来说，我们定义三种弱磁的“境界”：（1）充分利用永磁扭矩和磁阻扭矩的MTPA算法；（2）直流母线电压一定条件下，保持输出扭矩恒定的“浅弱磁”；（3）直流母线电压一定条件下，保持高转速和恒定输出功率的“深度弱磁”。

2.5 差拍抑制技术

2.5.1 差拍现象

差拍现象如图8所示。

2.5.2 差拍抑制

如图9所示，通过检测电源电流波动以及压缩机相电流波动情况，输入到相电流波动补偿器中，得到直流母线电压补偿值，从而抑制差拍现象。

3 小结

RAMDA算法在变频压缩机中的应用，降低了硬件成本，在控制性能上改善了单转子压缩机在各个速度域的运行性能，在低速域运行时采用高性能低振动型（G-Type）转矩控制来抑制电机的振动，从而降低系统的噪音和降低了管路应力，并能使永磁同步电机在较低转速下运转；在中速域运行时采用电流幅值恒定型（M-Type）转矩控制来降低电流波动，降低系统损耗，减小了电流波动；在高速域运行时采用直流电压最适当控制（A-PFC）来根据电机运行状态提供最适当直流电压，进一步提高直流电压的利用效率，使系统始终工作在最佳效率状态下，从而提高控制系统的综合效率。