Cool-TechTM變頻技術(shù)在無霜冰箱上的應用（三）

2018-04-10 07:23戴良偉李坤浩

家電科技 2018年3期

戴良偉　李坤浩

杭州士騰科技有限公司　浙江杭州　310030

1　引言

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(zhuǎn)速可以在1200RPM～4500RPM之間變化，轉(zhuǎn)速的可調(diào)性大大地提高了冰箱的制冷效率。制冷量的協(xié)同調(diào)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。減小冰箱內(nèi)部的溫度波動，避免壓縮機的頻繁啟停。變頻技術(shù)不但起到節(jié)能的作用，更延長了壓縮機的使用壽命。

2　Cool-TechTM變頻器硬件框圖

Cool-TechTM變頻器的硬件電路框圖示意圖見圖1。其原理是，輸入的單相交流電通過EMI濾波器后，經(jīng)過整流電路形成直流母線電壓。母線電壓通過電源管理電路中AC-DC芯片轉(zhuǎn)換成12V直流電源，用于六個功率器件的柵極驅(qū)動。直流12V再經(jīng)過DC-DC降壓芯片轉(zhuǎn)換至5V，作為士蘭微高性能單片機SY8848的工作電源；另外，母線電壓通過由6顆超結(jié)功率MOSFET（SVS6NF60DTR）組成的三相逆變電路實現(xiàn)永磁電機的變頻控制；在電機輸出端，通過高速ADC模塊采集電機的反電勢波形，用于電機轉(zhuǎn)子位置信號的檢查。同時，變頻器設(shè)計了母線電壓采樣電路、母線電流采樣電路和溫度保護采樣電路，實現(xiàn)對變頻板和壓縮機的過壓、過流、過溫保護。

Cool-TechTM變頻器的單片機采用了士蘭微專為電機控制開發(fā)的高性能單片機SY8848。其最大運行頻率為24MHz，內(nèi)嵌16K字節(jié)Flash存儲器，集成了高精度的振蕩器、比較器、一個UART、一個SPI、兩個16為標準定時器、一個16位增強型定時器及一個專為電機控制開發(fā)的PWM模塊。另外，SY8848具有15路12位高速ADC通道，為Cool-TechTM變頻器實現(xiàn)對電機的反電動勢和電流快速采樣創(chuàng)造條件。且SY8848工作電流僅為7mA，大大降低了Cool-TechTM變頻器的待機功耗。

Cool-TechTM變頻器的功率開關(guān)管選用了士蘭微專門針對冰箱應用研發(fā)的一款超結(jié)功率MOSFET（SVS6NF60DTR），其Rds(on)=0.65Ω（ID=0.5A），即VDS=0.325V（ID=0.5A）；VF=0.725V（ID=0.5A）。超結(jié)功率MOSFET是在傳統(tǒng)功率MOSFET結(jié)構(gòu)中引入超結(jié)而形成的，相比同規(guī)格的IGBT大大降低了器件工作的通態(tài)損耗，且芯片面積小，成本低。大大降低了Cool-TechTM變頻器的功耗，從而提高系統(tǒng)COP值。

3　Cool-TechTM變頻器軟件框圖與轉(zhuǎn)矩補償算法

Cool-TechTM變頻器的軟件框圖示意圖見圖2，系統(tǒng)軟件分功能模塊層與基礎(chǔ)環(huán)路層。系統(tǒng)軟件功能模塊層為1Hz的慢環(huán)處理。主要處理系統(tǒng)速度環(huán)、壓縮機的啟動算法、反電動勢位置檢查、系統(tǒng)功能與保護；而系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)環(huán)路層為5KHz的快環(huán)處理。主要進行系統(tǒng)的ADC測量、電機換相處理、轉(zhuǎn)矩補償處理和一些系統(tǒng)的關(guān)鍵保護。

基于高速ADC的反電動勢位置檢查。在無刷直流電機的無傳感器的控制中，一般都從電機的反電動勢中提取出電機轉(zhuǎn)子的位置信號。本系統(tǒng)軟件通過SY8848的高速ADC模塊在5kHz的壓縮機基礎(chǔ)環(huán)路層中對3路反電動勢進行采樣，從而計算轉(zhuǎn)子的實時位置。

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(gòu)。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。尤其是在低速大負載階段時，這種負載的不均衡現(xiàn)象更加明顯,會導致壓縮機的震動增大。為了解決傳統(tǒng)方波在冰箱壓縮機震動大的問題，Cool-TechTM技術(shù)的變頻板在傳統(tǒng)的方波技術(shù)的基礎(chǔ)上加入了轉(zhuǎn)矩補償算法[1]。

Cool-TechTM技術(shù)轉(zhuǎn)矩補償算法原理是基于傳統(tǒng)的方波控制[2]上，加入電流前饋控制。首先通過SY8848單片機的高速ADC采樣模塊對電機的電流與反電動勢進行采樣。從而得到轉(zhuǎn)子的位置信號和實時電流情況。求取一個機械周期的平均電流值作為下一個機械周期電流前饋控制的前饋量。在下一機械周期的每個載波根據(jù)這個前饋量做電流補償，使得在一個機械周期的電流根據(jù)機械的周期特性得到補償，平穩(wěn)機械周期的負載波動。

4　Cool-TechTM技術(shù)的變頻板在變頻冰箱中的實際應用效果

為了驗證轉(zhuǎn)矩補償算法在變頻冰箱中應用的效果，分別用原配的正弦變頻器與Cool-TechTM技術(shù)的變頻器對原配的壓縮機做以下實驗：

（1）在額定負載0.26N?m下，在測功機上做系統(tǒng)轉(zhuǎn)速波動對比實驗，實驗結(jié)果如表1；

（2）在額定負載0.26N?m下，在測功機上做變頻器效率對比實驗，實驗結(jié)果如表2；

（3）針對原配壓縮機，用Cool-TechTM技術(shù)的變頻器與壓縮機原配的正弦變頻器做COP對比，實驗結(jié)果如表3。

從試驗結(jié)果表1轉(zhuǎn)速波動對比中可以看到，Cool-TechTM技術(shù)在硬件與軟件優(yōu)化后轉(zhuǎn)速波動范圍在6r/min范圍以內(nèi)，遠優(yōu)于原配的正弦變頻。

從試驗結(jié)果表2中可以看到，Cool-TechTM技術(shù)運用了轉(zhuǎn)矩補償后在變頻器效率方面比原配的正弦變頻器要平均高出1%。

從試驗結(jié)果3中可以看到，Cool-TechTM技術(shù)在硬件與軟件優(yōu)化后比原配的正弦變頻器與在COP值上均有所提升，特別在3000r/min平均高出0.35。

5　結(jié)論

本文針對變頻冰箱壓縮機，Cool-TechTM變頻技術(shù)在硬件選用導通電阻極低的超結(jié)功率MOSFET作為逆變器的功率器件和高性能低功耗單片機；軟件上運用了轉(zhuǎn)矩補償算法。Cool-TechTM變頻技術(shù)系統(tǒng)地減低了變頻板的功耗，減少了壓縮機的噪音振動，降低了變頻冰箱的整機損耗。