CN101110543A - 压缩机以及压缩机的控制方法 - Google Patents
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Abstract
为了在与直流无刷电机相同效率的情况下实现对压缩机用电机的简单控制，提供了一种压缩机及其控制方法。使电机通电启动，转子上的鼠笼绕组切割定子产生的旋转磁场而感应出电动势，从而在鼠笼绕阻中产生电流并由此产生电磁力，转子借助于电磁力随定子的旋转磁场转动。在转子上的永磁体的磁场与定子的旋转磁场达到同步转速时，转子上的鼠笼绕组由于不切割旋转磁场而不再产生电磁力，使得所述电机作为同步电机而进行同步运转，电机运转进入稳定状态。通过改变电机的结构和驱动方式的组合，既达到无刷直流电机的高效率和永磁同步调速电机的低噪音水平，同时又可以实现对电机进行简单的开环控制。
Description
压缩才几以及压缩才几的控制方法
技术领域
本发明主要涉及空调及冰箱等设备中所使用的压缩机以及该压 缩机的控制方法，尤其涉及该压缩机中的电才几结构以及对该电4/L进行 调速的控制方法，特别涉及具备异步启动功能的三相或单相同步电机 转子结构及其调速控制方法。
背景技术
现有压缩机使用的无刷直流电机在控制上需要通过反电势检测 或者电流检测，然后通过一定算法来实现对转子位置的确定以实现对 电机的闭环控制，该方法电机效率高但由于位置检测和推算存在误差， 会发生失步情况。
现有压缩机用的交流变频电机通过电压/频率关系曲线的方式进
行控制，由于采用的是感应电机的结构，可以以开环的方式对该电机 进行控制，这种电机控制简单但是由于存在鼠笼绕阻电阻损耗而效率较低。
发明专利ZL 02127025.2V^开了一种无感无刷直流电动马达的控 制方法，在控制器中包括了比较器以及相关电路进行反电动势过零信 号检测，计算60度的延迟时间，进行换流切换，完成电机驱动。此专 利驱动电机需要对转子位置进行检测，处理复杂，容易失步，而且增 加了位置检测所需的电子器件，增加了成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的上述问题，在与直流无刷 电机相同效率的情况下，通过电机结构和控制方式之间的配合来实现 对压缩机用电机的简单控制。为了实现上述目的，本发明提供了一种压缩机，包括由定子和转
子构成的电机和驱动该电机的变频控制器，所述转子包括：圓形铁芯； 沿所述圆形铁芯的外周边配置的鼠笼绕组；沿圆形铁芯周边在所述鼠 笼绕组内侧设置的M对极永磁体，由M个N磁极永磁体和M个S 磁极永磁体彼此面对构成，其中，M为大于等于l的整数；以及分别
置的多个辅助隔磁槽。
其中，所迷变频控制器最好还包括串联连接于直流母线上的采样 电阻，所述电机为所述变频控制器的三相输出分别与所述电机的三相 输入相连的三相电机或者是所述变频控制器的三相输出分别与所述电 机的主绕组、副绕组和公共端相连的单相电机。
此外，本发明还提供了一种压缩机的控制方法，用于控制上述压 缩机，该控制方法包括以下步骤：使所述电机通电启动，所述转子上 的鼠笼绕组通过切割所述定子产生的旋转磁场的作用而感应出电动 势，该电动势在所述鼠笼绕阻中产生电流并且在所述定子的旋转磁场 的作用下产生电磁力，所述转子借助于所述电磁力随着所述定子的旋 转磁场而转动；以及在所述转子上的永磁体的磁场与所述定子的旋转 磁场达到同步转速时，所述转子上的鼠笼绕组由于不会切割所述旋转 磁场而不再产生电磁力，从而使得所述电机作为同步电机而进行同步 运转，电机运转进入稳定状态。
其中，在所述电机同步运转期间，在所述电机的负荷发生变动的 情况下，所述转子上的鼠笼绕组可以通过切割旋转磁场而产生的电磁 力带动所述电机重新进入同步运转的稳定状态。
其中，可以采用电流闭环控制，在所述采样电阻检测到的采样电 流超过负荷的情况下，所述变频控制器降低所述电机的运转频率以减 小负荷，然后利用鼠笼绕組使所述电机重新进入同步运转状态。
其中，在电机运转过程中，如果需要改变转速，则可以通过变频 控制器改变输出频率和与之对应的电压，在所述转子的鼠笼绕组中产 生电流，从而提供定位扭矩以便使所述电机过渡到新频率下进行同步
运转，
其中，在所述电机通电启动到作为同步电机进入稳定运转期间，
所述变频控制器可以通过下述方式对所述电机进行开环控制：根据需 要对所述电机给出转速指令；根据不同的转速阶段，设置不同的并降 速率；根据所述电机的V/F曲线计算出与所述转速对应的电压；根据 计算出的电压生成PWM调制宽度并产生驱动信号；以及在所述驱动 信号的作用下，所述变频控制器中的逆变电路完成直流到交流的变换， 从而得到同步运转所需要的正弦电流波形。
本发明通过改变电机的结构和驱动方式的组合，既达到无刷直流 电机的高效率和永磁同步调速电机的低噪音水平，同时又可以实现对 电机进行简单的开环控制的目的。
附图说明
图l是本发明中所使用的转子结构的一例。 图2是本发明的单相电机控制主电路结构的一例。 图3是本发明的三相电机控制主电路结构的一例。 图4是本发明所使用的开环控制方式的一例。 图5是本发明的电机V/F曲线的一例。
具体实施方式
图l是本发明实施方式的异步启动永磁同步电机中所使用的转子 结构的一例。如图1所示，本发明的电机转子结构可以是具有由2M 枚永磁体构成的M对极的电动机转子。其中，所使用的永磁体的数量 为2M个。上述图1所示的例子是6个磁极即3对极的电动机转子结 构，其中M=3。在M对极的永磁同步电机磁极外设置例如铝制的鼠 笼绕组l，并且在转子铁芯6上开若千辅助隔磁槽2和3。
在同步电机外周设置鼠笼绕组的作用在于诱导同步电动机的启 动并且能够在将电动机牵入同步的过程中发挥作用。具体作用如下。
电动机的线圏通电后，产生定子旋转磁场，电动机转子的鼠笼绕
组切割旋转磁场，感应出电动势，该电动势在闭路的转子绕阻中产生 电流，流有电流的转子绕组在定子旋转磁场的作用下产生电磁力，使 电机转子随着定子旋转磁场转动。当带到某一定转速时，转子上永磁 体的磁场和定子的旋转磁场都以同步转速旋转，即牵入同步，于是电 动机进入同步运转。同步运转时，由于转子和定子旋转磁场没有相对 运动，电机转子的鼠笼绕组切割不了磁场。所以转子鼠笼绕组的作用 就在于促进电动机的异步启动，使电动机最终被牵入同步。
辅助隔磁槽2和3的作用在于降低漏磁，从而获得均匀的磁力线， 减小转矩的大小偏差。辅助隔磁槽2和3内一般为空气或者设置导磁 率较低的铝，因此加大了隔磁辅助槽2和3位置处的磁阻，减少了漏 》兹，从而也有利于减少转矩脉动。
在图1中举出了两极电机的例子进行说明，其中三块位于外径侧 的磁铁4构成转子的N磁极和三块位于外径侧的磁铁5构成转子的S 磁极。两组磁铁共同构成一个两极电机的转子结构。本发明电机的定 子结构采用分布绕线或者在定子齿上集中绕线的方法构成，既可以是 单相电机也可以是三相电机。
本发明采用脉宽调制（PWM)或空间矢量脉宽调制（SVPWM) 驱动方式并且利用电压/频率关系（V/f曲线）模式对电机进行控制。 在电机运转过程中，如果需要改变转速，则通过变频控制器改变输出 频率和与之对应的电压，由于存在转差率，则在鼠笼绕组中产生电流，
从而提供定位扭矩以便过渡到新频率下进行同步运转。该驱动方式不 需要转子位置检测和位置信号反馈，以开环方式运转。
当电机在通电启动时，通过对应不同负荷惯性矩来调节驱动器输 出频率升高的速率和相应的输出电压，保持驱动电源频率和电机运转 电频率之差在某一特定范围内，在开环状态下实现软启动。在该启动 过程中由于转差率存在而产生了相应的扭矩，所以不需要象无刷直流 电机启动时需要测定转速和转子位置反馈。通过控制整个启动过程中 转差率不过大，也避免了由此而产生的启动电流大和扭矩在启动过程 中某些转速点出现较大降低的现象。
当固定在某一频率下运转时，由于没有转差率，电机处于同步运 转状态，定子磁场与转子磁场同步运转。这时，鼠笼绕组仅因为谐波 的作用产生微小的感应电流，因此对电机效率基本无影响，电机处于 与永磁同步变速电机相似的运转状态。同时，由于该驱动方式每一相 电流都是连续的，而无刷直流电机在运转过程中有电流突然切换的情 况，所以该类电机由于电流突然切换引起的转矩波动较小，从而由该 转矩波动引起的噪音较低。
如果在电机的能力范围内发生负荷的变动，由于鼠笼绕组的存在 可以产生定位扭矩而使电机迅速达到新的平衡状态。
如果负荷超过电机的能力范围，则由于鼠笼绕组的关系，电流将 大幅增加，此时通过启动驱动器的简单保护功能来降低负荷，能够使 电机重新达到同步运转状态。
本发明的控制系统原理可参见图2和图3所示。其中，图2表示 本发明的单相电机的控制主电路结构，图3表示本发明的三相电机的 控制主电路结构，也就是变频控制器的主电路。无论是单相电机还是 三相电机，两者都采用"交流-直流-交流"的主电路结构。其中，整 流电路把交流电变换成直流电，逆变电路再把直流电转换成交流电。
图2和图3所示的本发明的控制电路存在以下的优点：主控制板 即逆变器的主电路可以通用，主控制板的三相输出线电压Va、 Vb、 Vc可以连接到任意单相和三相电机的输入端。单相控制时Va连接到 主绕组、Vb连接到副绕组、Vc连接到公共端。可以通过软件设定PWM 驱动信号的波形来驱动两种电机。单相电机的PWM驱动信号是相位 差为90度的正弦调制信号，三相电机的驱动信号是相位互差120度的 正弦调制信号。
图4示出了本发明电机的开环驱动方式的例子。图5示出了对电 机进行控制的V/F曲线的例子。
参照附图4和5，对本发明的电机进行控制的方式可概括如下： 首先，控制芯片根据空调的运转工况、设定温度、房间温度的大小， 给出转速指令。之后，按照图5所示的电机的V/F曲线，根据不同的
转速阶段设置不同的升降速率，并且计算出与转速对应的电压。然后，
控制芯片根据电压值计算占空比，产生PWM调制宽度，产生A、 B、 C、 A，、 B，、 C，六路驱动信号。在六路驱动信号的作用下，通过主电 路的功率模块Q1〜Q6完成直流到交流的逆变功能，最后得到永磁同 步压缩机运转所需要的正弦电流波形，从而完成压缩机的驱动控制。
例如，在空调制冷的情况下，假设房间温度为30度，所设定的 温度为24度。此时的温差为"房间温度-设定温度=30 - 24 = 6度"。 假设控制规格设定为"转速f-温差xl0 + 20" (30~120HZ),则可计 算出转速f = 6x10 + 20 = 80Hz。
4十对三相电才几V/F曲线为V = 2f (V:压缩才几线电压，f:电才几转 速），在运行80Hz的情况下，压缩机线电压V = 2x80 = 160V。因此， 电机的线电压就需要160V。如果100%占空比情况下的输出电压是 200V，此时控制芯片根据电压计算的占空比就是160/200=80%。
控制芯片通过专用的PWM输出口产生与占空比80%对应的A、 B、 C、 A，、 B，、 C，六路驱动信号，经过功率模块Q1〜Q6逆变，得到 3相160V交流电压，实现压缩机驱动。
本发明的控制方式采用开环控制，不需要位置检测反馈，类似于 异步电机的开环控制方式，不需要反电势检测，控制器成本低，设计简便。
另外，本发明还可以实现对于过负荷的保护机能。利用图2和图 3中示出的采样电阻Rl，控制芯片能够对直流母线中流动的电流信号 进行采样，然后根据采样电流I一dc的大小，判定是否达到了过负荷的 条件。如果发现电流过大，可适当降低运转频率，减小负荷。
一般的异步电机驱动是转速开环控制，本发明的调速控制方式结 合了电机的具体参数，设定最佳的V/F曲线，电流控制是闭环，可实 现更高的驱动效率。通过选择最佳的升/降速率，驱动的动态性能得到 提高，电机运转平稳。
例如，通过根据电机在不同转速的转矩要求提供不同的电流，使 主控制电路输出不同的电压。如图5所示，在30Hz时输出电压VI，
在50Hz时输出电压V2。在低速阶段的30 - 50Hz时设置较高的升/降 速率，例如2Hz/s。在高速阶段的50 - 70Hz和70 - 100Hz时，设置较 低的升/降速率，例如lHz/s。
本发明通过采用上述电机结构和控制方法，可以实现与无刷直流 电机接近的电机效率，同时由于不需要进行位置检测而简化了控制方 式。由于在本发明的驱动方式中每一相电流都是连续的，所以可以降 低由于永磁同步电机采用120度导通变频控制方式（无刷直流方式） 电流不连续而产生的转矩波动，从而提高了效率，降低了噪声。
Claims (7)
1、一种压缩机，包括由定子和转子构成的电机和驱动该电机的变频控制器，所述转子包括： 圆形铁芯； 沿所述圆形铁芯的外周边配置的鼠笼绕组； 沿圆形铁芯周边在所述鼠笼绕组内侧设置的M对极永磁体，由M个N磁极永磁体和M个S磁极永磁体彼此面对构成，其中，M为大于等于1的整数；以及 分别在所述N磁极永磁体之间和两端以及所述S磁极永磁体之间和两端设置的多个辅助隔磁槽。
2、 权利要求l所述的压缩机，其特征在于： 所述变频控制器还包括串联连接于直流母线上的采样电阻，所述电机为所述变频控制器的三相输出分别与所述电机的三相输入相连的 三相电机或者是所述变频控制器的三相输出分别与所述电机的主绕 组、副绕组和公共端相连的单相电机。
3、 一种权利要求1或2所述的压缩机的控制方法，包括以下步骤：使所述电机通电启动，所述转子上的鼠笼绕组通过切割所述定子 产生的旋转磁场的作用而感应出电动势，该电动势在所述鼠笼绕阻中 产生电流并且在所述定子的旋转磁场的作用下产生电磁力，所述转子借助于所述电磁力随着所述定子的旋转磁场而转动；以及在所述转子上的永磁体的磁场与所述定子的旋转磁场达到同步 转速时，所述转子上的鼠笼绕组由于不会切割所述旋转磁场而不再产 生电磁力，从而使得所述电机作为同步电机而进行同步运转，电机运 转进入稳定状态。
4、 权利要求3所述的压缩机的控制方法，其特征在于： 在所述电机同步运转期间，在所述电机的负荷发生变动的情况下，所述转子上的鼠笼绕组通过切割旋转磁场而产生的电磁力带动所 述电才几重新进入同步运转的稳定状态。
5、 权利要求3所述的压缩机的控制方法，其特征在于：采用电流闭环控制，在所述采样电阻检测到的采样电流超过负荷 的情况下，所述变频控制器降低所述电机的运转频率以减小负荷，然 后利用鼠笼绕组使所述电机重新进入同步运转状态。
6、 权利要求3所述的压缩机的控制方法，其特征在于： 在电机运转过程中，如果需要改变转速，则通过变频控制器改变输出频率和与之对应的电压，在所述转子的鼠笼绕组中产生电流，从而提供定位扭矩以便使所述电机过渡到新频率下进行同步运转，
7、 权利要求3所述的压缩机的控制方法，其特征在于：在所述电机通电启动到作为同步电机进入稳定运转期间，所述变频控制器通过下述方式对所述电机进行开环控制： 根据需要对所述电机给出转速指令； 根据不同的转速阶段，设置不同的升降速率； 根据所述电机的V/F曲线计算出与所述转速对应的电压； 根据计算出的电压生成PWM调制宽度并产生驱动信号；以及 在所述驱动信号的作用下，所述变频控制器中的逆变电路完成直流到交流的变换，从而得到同步运转所需要的正弦电流波形。
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