空調(diào)用風(fēng)機(jī)控制技術(shù)
一．前言
現(xiàn)在全球世界都在加緊電動(dòng)機(jī)節(jié)能化的研究，據(jù)報(bào)道日本國(guó)內(nèi)電能的一半以上是由電動(dòng)機(jī)所消耗的（見圖1所示）。假如電動(dòng)機(jī)的耗能減少百分之1的話，就可以減少一座原子能發(fā)電站；所以為了降低全球環(huán)境負(fù)荷，電動(dòng)機(jī)必須節(jié)能。現(xiàn)在空調(diào)用的電動(dòng)機(jī)，不僅是壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)也包括風(fēng)機(jī)，正在從以往用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)改用高效率無刷直流電動(dòng)機(jī)(brushless dc motei：
以下簡(jiǎn)稱為無刷電動(dòng)機(jī))。
但是，無刷電動(dòng)機(jī)雖然高效，卻需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子駒磁極位置的來驅(qū)動(dòng)（如圖2所示），僅僅用一般的換流器電路是不行的，必須要專用的無利電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。就像fa用的ac的服電動(dòng)機(jī)那樣用編碼器或者電流傳感器等才能達(dá)到高性能控制。從成本上考慮民用產(chǎn)品大部分采用霍爾元件作磁極位置傳感器，進(jìn)行矩形波驅(qū)動(dòng)。這種矩形波驅(qū)動(dòng)不僅振動(dòng)噪音大，如下面所述驅(qū)動(dòng)電壓的超前角度如控制不合適就難以維持高效率。由于使用不方便，目前市場(chǎng)上無法普及。
對(duì)于空調(diào)風(fēng)機(jī)，人們普遍都希望能采用低振動(dòng)、低噪音、低成本的正弦波驅(qū)動(dòng)方式，無須進(jìn)行超前角度控制，始終維持高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。
本文就這種低成本的正弦波驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)進(jìn)行超前角度控制的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)低振動(dòng)、低噪音，在無須調(diào)整的條件下達(dá)到高效率運(yùn)轉(zhuǎn)等技術(shù)問題作一介紹。
二．用正弦波驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)低振動(dòng)、低噪音化
至今民用產(chǎn)品從成本上考慮，所用無刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)仍用霍爾元件檢出三相磁極位置信號(hào)（cs信號(hào)）如圖3所示，主流方式仍是120度矩形波同步驅(qū)動(dòng)。這種矩形波驅(qū)動(dòng)，切換時(shí)由于會(huì)發(fā)生振動(dòng)、噪音，所以空調(diào)用風(fēng)機(jī)必須采取防振措施。
為了降低振動(dòng)，單純地把通電電氣角度從120度擴(kuò)大為150度，如圖4所示，相電壓初看上去很接近正弦波形，但是與理想波形聞的偏差部分反而造成了轉(zhuǎn)矩紋波的增大。因此如圖4右圖所示，如果采用廣角正弦波驅(qū)動(dòng)，相電壓和理想正弦波形的偏差減小，就能夠大大減少力矩的紋波。這種廣角正弦波驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓波形和-相p正弦波驅(qū)動(dòng)的思路一樣，與一般的三相pwm正弦波驅(qū)動(dòng)相比，由于在極性不變區(qū)間設(shè)置了1／3轉(zhuǎn)換，這樣不僅能降低開關(guān)損耗，還能使電壓的利用率提高約百分之十五。
在這里，我們來看一看包含了高頻成分的驅(qū)動(dòng)波形對(duì)力矩產(chǎn)生的影響；電動(dòng)機(jī)的平均輸出力矩只取決于正弦波狀磁通分布的基本波成分；面在矩形波驅(qū)動(dòng)時(shí)造成波形失真有百分之24.6是由于5次和7次高頻諧波成分產(chǎn)生的力矩紋波，這對(duì)平均輸出力矩的影響不大。
由于這種廣角正弦驅(qū)動(dòng)不含有5次和7次高頻成分，所以從原理上講可以大幅減少力矩的紋波。另外，這種臺(tái)形波驅(qū)動(dòng)的失真率是百分之4. 4，所以從理論上臺(tái)形波驅(qū)動(dòng)更為有利。
為了確認(rèn)這種廣角正弦波驅(qū)動(dòng)的效果可以對(duì)比一下以下兩種波形，圖5是以往的120度矩形波驅(qū)動(dòng)空調(diào)風(fēng)機(jī)的電流波形，圖6是廣角正弦波驅(qū)動(dòng)的電流波形。
如圖所示，采用廣角正弦波驅(qū)動(dòng)可以用低成本實(shí)現(xiàn)正弦波驅(qū)動(dòng)電流，與以往的矩形波驅(qū)動(dòng)相比可降低噪音5-l0db，同時(shí)降低振動(dòng)，所以電動(dòng)機(jī)裝配部分的的防振構(gòu)造可以省去。
三。用自動(dòng)超前角控制實(shí)現(xiàn)高效率化
如前所述，無刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，必須要同回轉(zhuǎn)子的磁極位置同步，原理上講只有當(dāng)電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電壓和線圈電流的相位一致時(shí)，才能產(chǎn)生****力矩、達(dá)到****效率。特別是正弦波驅(qū)動(dòng)的情況下，由于不存在一個(gè)像矩形波驅(qū)動(dòng)那樣的不通電區(qū)間，感應(yīng)電壓和線圈電流的相位偏差會(huì)引起效率的嚴(yán)重低下。
但是，實(shí)際上控制輸入的驅(qū)動(dòng)電壓和線圈電流的關(guān)系受線圈感抗的影響，如圖7所示相位是不一致的，特別是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高這種相位差越大。所以，即使用霍爾元件等檢測(cè)出感應(yīng)電壓和驅(qū)動(dòng)電壓的相位一致，如與線圈電流的相位不一致，不僅僅會(huì)使效率低下，由于在高速區(qū)不能產(chǎn)生足夠的力矩，所以電動(dòng)機(jī)在高速區(qū)域不能旋轉(zhuǎn)。由此要設(shè)法檢測(cè)出線圈電流的信息，使線圈電流和感應(yīng)電壓的相位一致。即必須控制圖7中的驅(qū)動(dòng)電壓相位，使相位差ψ為0。通常為了檢測(cè)出線圈電流必須使用高成本的電流傳感器 |
