对变频空调压缩机驱动技术的探索

对变频空调压缩机驱动技术的探索

徐伟堂

关键词：变频空调；压缩机；驱动技术

1.变频压缩机概述

变频压缩机是指相对转速恒定的压缩机而言，通过一种控制方式或手段使其转速在一定范围内连续调节，能连续改变输出能量的压缩机。变频压缩机可以分为两部分，一部分是变频控制器，就是我们常说的变频器；另一部分是压缩机。变频控制器的原理是将电网中的交流电转换成方波脉冲输出。通过调节方波脉冲的频率（即调节占空比），就可以控制驱动压缩机的电动机转速。频率越高，转速也越高。变频控制器还有一个优点是，驱动电动机起动电流小，不会对电网造成大的冲击。

2.变频空调压缩机的优越性

变频空调通过提高空调压缩机工作频率的方式，增大了在低温时的制热能力，最大制热量可达到同类空调器的1.5倍，低温下仍能保持良好的制热效果。此外，一般的空调分体机只有四档风速可供调节，而变频空调器的室内风机自动运行时，转速会随空调压缩机的工作频率在12档风速范围内变化，由于空调风机的转速与空调器的能力配合较为合理、细腻，实现了低噪音的宁静运行，最低噪音只有30分贝左右。变频空调在每次开始启动时，先以最大功率、最大风量进行制热或制冷，迅速接近所设定的温度后，空调压缩机便在低转速、低能耗状态下运转，仅以所需的功率维持设定的温度，这样不但温度稳定，还避免了空调压缩机频繁地开开停停所造成的对寿命的衰减，而且耗电量大大下降，实现了高效节能。基于上述原因，变频空调，也受到了大型宾馆、商厦的青睐。由于以往大型建筑中所用的中央空调因不能随气温和客流量的变化而自动调节负荷，所以耗能多、电力浪费大。据调查统计，目前以中央空调为代表的暖通空调的耗能几乎占了国内建筑总耗能的85%。而采用了变频技术的智能变频集中式空调则集中了家用空调和中央空调的优点，在节能方面较前两者有很大的突破，可使中央空调的耗能降低30%以上，将成为以后新落成的商用建筑的首选。

3.变频空调压缩机驱动技术分析

3.1位置估算

变频空调里的位置估算是指确保其定子的电流和转子磁极的垂直关系。一般而言，在变频空调的压缩机当中，永磁电动机是由始至终都处于一个密封的状态当中，并且在运行的时候压缩机的温度也会变得非常高，并且在内部又有腐蚀性的高压制冷剂，因此在需要进行位置估算的时候非常困难。随着科学技术的进步，出现了几种比较可观的位置估算的方法，比如永磁电动机的磁链与反电动势方式、高频信号注入等方式都可以达到准确位置估算的效果。在众多的估算方法中，有一种方法最为让众多科学研究团队所认可，那就是拓展卡尔曼滤波法，这种位置估算的方法可以在最小均方差的基础上进行对控制系统的状态估算。而经过种种研究试验证明该方法在使用的时候具有比较强的实用性以及动态性等等。另外，这种位置估算方法非常适合比较宽大的位置调速范围。可是这一种方法一样具有一定的缺点和不足，那就是它有时候在进行控制计算的时候数据误差比较大，难以满足较大的系统运行要求，并且它会使变频空调在运行的时候发出较大的声响，并且有时候工作人员对相关数据参数的分析也是比较的困难。因此，仍需要各大科学团队进行相关的研究试验，争取早日研究出最为优化、最为合理精确的位置估算的方案。

3.2驱动控制

3.2.1矢量控制

矢量控制是在磁场定向坐标系下，电流矢量分解为励磁电流和转矩电流两个相互垂直的分量，两者分别用来产生磁通及转矩，经坐标变换后，通过正交或解耦操作可相应对磁场及转矩进行独立、连续控制。在不同的应用场合，永磁同步电机矢量控制策略可分为3种形式：id=0控制、最大电磁转矩/电流比控制、弱磁控制。

①在id=0控制中，直轴分量恒等于0。此时等效直轴绕组开路不起作用。如不考虑定子直轴分量，仅从交轴电压方程来看，永磁同步电机则可等效为一台直流电机。id=0的控制策略简单，但存在2个缺点：永磁同步电机本身气隙磁阻不均匀，忽略了磁阻转矩的作用，使得单位电流下电磁转矩不是最大；电机只能在额定转速以下工作。

②最大电磁转矩/电流比控制策略（MaximumTorqueper，简称MTPA）也称单位电流电磁转矩最大控制策略。当定子电流一定时，使电机输出转矩最大或当输出转矩一定时，定子电流最小。对于Ld=Lq的隐极式永磁同步电机而言，MTPA与id=0控制策略完全一样。而对于Ld≠Lq的凸极同步电机来说，如果Ld<Lq，直轴电枢电流分量小于0，电枢反应起去磁作用，这种单位电流电磁转矩最大控制策略是以削弱转子励磁磁场，提高电机功率因素方法来提高单位电流电磁转矩的，即弱磁控制方式，可以扩大调速范围。如果Ld>Lq，直轴电枢电流分量大于0，电枢反应起助磁作用，这种单位电流电磁转矩最大的控制策略是以增强励磁磁场，提高电机功率因素来提高电流电磁转矩的。

③弱磁控制常应用于内置式永磁同步电机控制。对转子而言，定子电枢磁场一方面削弱电机的励磁磁场，一方面其空间转速需相对电枢绕组不断加快。电压达到极限时，为确保电机高速运行，需通过减小气隙磁通得以实现。

3.2.2直接转矩控制

直接转矩控制以对定子磁链的估算作为磁场定向，最终实现对定子磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制的优点表现在：除定子电阻外的其余电机参数在某些扰动作用下仍能保持基本不变的性能，通过加入磁链观测器对同步速度信息的估算较方便，更利于实现无速度传感器控制。直接转矩控制缺点在于逆变器开关频率不固定，转矩及电流波动较大，另外需要较高的采用频率实现数字化控制。

3.3转矩补偿

如今的变频空调的压缩机有三种样式，它们主要是单转子压缩机、双转子压缩机以及涡轮式的压缩机。当变频空调在运行的时候，有时候可能会出现低频率运行状态，而这状况的出现主要是受到了压缩机转子不平衡的影响。当变频空调出现了这种状况之后极易出现大幅度的震动现象，严重影响了变频空调的正常运行状态。为解决这些状况，我们可以采用矢量控制的方法，其可以对运行频率进行精密地控制，让变频空调始终保持在一个稳定的频率下工作，让空调可以高效地进行运作。

结束语

总之，随着家用空调能效等级新国标《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》出台及实施，国内越来越多的空调器生产厂家将重点转移至变频空调。近年来，微电子技术、模糊控制技术、神经网络技术和电力电子技术迅猛进步，未来变频空调产品及压缩机驱动技术一定会朝着高度集成化、智能化和模块化方向发展，使空调产品的功能得到最大化发挥。

参考文献

[1]孙承波.空调永磁同步压缩机控制系统研究[D].上海大学.2008.

[2]刘铁丁.变频空调压缩机驱动技术研究[D].广东工业大学.2011.

[3]刘军，马名贵.变频空调压缩机驱动技术探究[J].科技视界.2017.