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[導讀]隨著空調技術的不斷發(fā)展更新,電控技術已經(jīng)全面走向變頻時代,尤其是超低頻赫茲時代。頻率越低,意味著空調控制越精準,體感更舒適,也更能節(jié)約能源消耗。介于變頻技術的主流地位和相應電機控制技術的重要性,剛剛在

隨著空調技術的不斷發(fā)展更新,電控技術已經(jīng)全面走向變頻時代,尤其是超低頻赫茲時代。頻率越低,意味著空調控制越精準,體感更舒適,也更能節(jié)約能源消耗。
介于變頻技術的主流地位和相應電機控制技術的重要性,剛剛在珠海落下帷幕的2年一屆的行業(yè)技術盛會——2012國際制冷技術交流會首次設立“電控技術”專題研討會,并邀請TI公司(唯一的半導體芯片供應商)作為大會的支持單位和學術演講單位,與制冷和空調行業(yè)的專家、學者、研發(fā)人員,共同探討高效電機控制技術的最前沿課題和成果。
“作為全球最大的半導體公司之一,德州儀器(TI)創(chuàng)新的模擬、嵌入式處理和無線技術已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘I畹姆椒矫婷??;诖蛟旄悄堋⒏踩?、更環(huán)保、更健康以及更精彩的世界的理念,TI公司在2000年就開始進入中國節(jié)能空調電機控制領域,可以說一路伴隨和見證了中國變頻控制領域技術革新的突飛猛進。我們愿意同中國空調和制冷業(yè)者一道,繼續(xù)為節(jié)能減排做出貢獻,為營造更好的生態(tài)環(huán)境做出貢獻!”TI南中國區(qū)總經(jīng)理張海昆在電控專題研討會開場致辭中表示。

空調電控全面走向變頻時代 TI引領高效電機控制<strong>芯片技術</strong>
圖1:TI公司張海昆(左上)和譚徽博士(右下)在2012國際制冷技術交流會“電控技術”專題研討會現(xiàn)場做演講。

過去十二年來,TI在交流變頻到直流變頻再到低頻變頻控制的所有關鍵技術革新節(jié)點上,與中國空調企業(yè)緊密合作,攻克了一個個難關,得到了行業(yè)的認可。而作為這一歷程的重要參與人之一——TI半導體事業(yè)部MCU應用部門經(jīng)理譚徽博士也得到本屆電控專題研討會會議主席的隆重介紹。
譚博士擁有超過十年電機控制研發(fā)和技術支持經(jīng)驗,并且與國內(nèi)外眾多的電機控制學術和應用研究機構保持緊密聯(lián)系,所以他在技術演講中探討的主流和新興高效電機控制技術及TI參與的一些尚處于研究階段的尖端課題案例引發(fā)了與會者的強烈關注。
高效電機真正“高效”的關鍵要素
中國在電機控制領域具有非常重要的位置,全球每年80億只電機的產(chǎn)量中有70億就是中國制造的。對于高效電機這一塊,永磁同步電機目前是主流。“但由于永磁電機與價格波動很大的稀土材料密切相關,因此對行業(yè)帶來了一些影響和波動,令我們更加謹慎來看這種高效電機未來的發(fā)展,這是今天我也會提到另一新興的高效電機極其控制技術的原因之一。”譚博士在會上指出。
譚博士首先以應用最廣泛的感應電機為基礎,分析了影響高效電機特性的重要因素。感應電機在功率很大的情況下,比如幾十千瓦以上的電機,可達到接近95%的效率,但小功率電機則效率點非常低,如單相的風扇甚至大概只有30-40%。電機效率除了與功率相關(跟它的勵磁電流所占的比例有關系),還與電機所運行的環(huán)境有關系,如果一個電機設計本身是優(yōu)化的,但總是讓它運行在一個非常不利的情況,如滿負載的20%以下,則效率會非常低。另外,電機本身的功率因數(shù)是又一個影響效率非常關鍵的指標。
感應電機根據(jù)不同的電機功率等級會有不同的表現(xiàn),但是基本上都處于40-80%左右負載區(qū)間的話,系統(tǒng)對于電機本身的利用率是可以接受。所以在考慮控制系統(tǒng)的時候,系統(tǒng)到底應該在一個什么樣的區(qū)間運行,包括功率因數(shù)部分,這對效率的影響至關重要。
譚博士總結了感應電機之所以應用廣泛的一些優(yōu)勢之處:1.成本比較低,電網(wǎng)直接接上去就可以運行起來;2.沒是有控制器也可以(當然代價主要是在能效上面);3.再者它的轉矩系數(shù)低,單相電流情況下可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的磁場空間。另外,它沒有永磁體,沒有失磁性,不怕振動也不怕生銹,所以比較牢靠。在控制上它非常容易進入到高速的弱磁控制區(qū),在很大功率范圍里面有多種電機可用。
但也存在缺點:在輕載情況下面效率非常差,同樣工藝下尺寸比永磁電機大不少。從控制上來講,現(xiàn)在實現(xiàn)電機高效的同時都希望用矢量變換、矢量控制,因為轉子側電流大,溫度變化非常大,從而導致轉子側電阻的變化非常大,對感應電機矢量控制這一類基于參數(shù)的控制策略造成困難,是一個很大的技術挑戰(zhàn)。

以低成本實現(xiàn)永磁同步電機的本質安全性驅動

以感應電機為基礎,譚博士接著分析了永磁同步電機(包括表貼式和內(nèi)嵌式)的工作原理,并總結這類高效電機的優(yōu)點和對電控帶來的挑戰(zhàn)。永磁同步電機轉子上因有兩個永磁體,相比感應電機,直接帶來了效率的提升(不需要勵磁)。在控制方面(如圖2),也是正弦電機模式,在定子側產(chǎn)生一個旋轉磁場,單相電流可以到這個旋轉磁場,這個磁場與永磁場相互作用,這樣就可以產(chǎn)生相關的轉矩,其控制模式和策略與感應電機基本是一樣的。

空調電控全面走向變頻時代 TI引領高效電機<strong><strong><strong>控制芯片</strong></strong></strong>技術
圖2:永磁同步電機控制策略。

事實上,永磁同步電機與直流無刷電機(BLDC)在業(yè)界一度有點混淆。直流無刷電機理想是方波,但是實際上理想的方波情況非常少。而表貼式永磁同步電機(SPM)最開始希望是一個正弦感應電機,它的所有控制量是正弦電壓電流,但其實波形也不是那么理想。因此,在表貼式永磁同步電機方面,方波跟正弦電機應用到這個層面的時候開始模糊,有一段時間在業(yè)界產(chǎn)生了一些混淆。“這個結果對控制來講,其實你發(fā)現(xiàn)很多做正弦控制的算法可以用到永磁電機上,在實現(xiàn)上面不是那么難。也是因為這個原因,正弦電機的控制策略跟方波電機的控制策略開始混合起來。”譚博士說。

對于內(nèi)嵌式永磁同步電機(IPM),“據(jù)我所知,現(xiàn)在很多空調壓縮機其實采用內(nèi)嵌的結構形式,它其實覆蓋了磁阻效應。大家在講壓縮機要進入到弱磁控制區(qū),其實我更偏向于認為它進入到磁阻和永磁轉矩的優(yōu)化工作區(qū)。”譚博士認為。

他分析道,永磁同步電機在消費類領域的應用不能像工業(yè)一樣去進行電流采樣。以圖3 所示TI的解決方案為例,上面是功率系統(tǒng)部分,下面是控制系統(tǒng)。工業(yè)應用中把ABC三相電流列為常規(guī)采樣,但是在低成本的方案中要么在直流母線采樣重構三相電流信號,要么通過逆變器下橋臂的電流采樣重構三相電流信號。這兩種的低成本方案部分,不管通過母線的方式,還是通過逆變器下調的方式,其常規(guī)的驅動控制模式,以及電流的采樣,控制以及保護其實是不完整的。這個不完整是針對兩部分來講的,一部分是對逆變器來講,就是說沒有把逆變器所有電流的工作狀態(tài)采回來,沒有采回來的結果是對它的控制不是全控,另一部分是對電機的相電流,信息是不完整的,在某些點上面可能采不到。[!--empirenews.page--]

“結合電流采樣的低成本考慮,我們需要一些基本的控制模式,使得驅動系統(tǒng)和控制策略是本質安全性(Essential Reliable Drive),全部是可控的。這方面涉及到相應的拓撲結構、控制策略的變化,值得業(yè)界關注。 據(jù)我所知,一些研究機構已經(jīng)有非常好的突破成果出來,也許在不遠的將來大家可以看到,這些成果對我們產(chǎn)生相關的影響?!弊T博士指出。

空調電控全面走向變頻時代 TI引領高效電機<strong><strong><strong>控制芯片</strong></strong></strong>技術
圖3:TI的永磁電機控制方案以低成本實現(xiàn)本質安全性驅動(Essential Reliable Drive)。

圖3 的TI控制方案是基于Piccolo F2803x系列MCU,該系列MCU可實現(xiàn)設計升級、改善性能并簡化數(shù)字實時控制系統(tǒng)的開發(fā),從而為電機控制應用帶來全新的效率與創(chuàng)新。F2803x包含一個通過一款新型 C 編譯器實現(xiàn)的、可采用 C 語言進行編程的集成型控制律加速器 (CLA) 協(xié)處理器,旨在提升創(chuàng)新設計的水平。該 CLA 是一個 32 位浮點數(shù)學加速器,專為獨立于 TMS320C28x CPU 內(nèi)核工作而設計,以分擔復雜的高速控制算法。這種分擔將 CPU 解放出來去處理輸入/輸出和反饋環(huán)路測量,從而可使閉環(huán)應用的性能提升 5 倍之多。

此外,CLA自帶中斷控制器,并可直接訪問 ADC與EPWM等外設。電源與時鐘方面,Piccolo配備兩個工作頻率10MHz的片上振蕩器,不但可提供三倍冗余,還可將誤差精度可控制在±1%左右;此外,為了加強對諧波的控制以及避免信號下降沿丟失,TI還在Piccolo器件上運用了可支持150皮秒的頻率調制增強型脈寬調制器(EPWM),以及12位高速ADC。

F2803X可取代多個電子組件,從而在實現(xiàn)實時控制與系統(tǒng)管理的同時還可降低系統(tǒng)整體成本。例如,在變頻空調設備中,一個F2803x控制器就可精確控制兩部三相馬達,并可執(zhí)行功率因數(shù)校正(PFC)計算,具備掉電保護與上電復位功能。

SRM,前景看好的另一種高效電機形式

盡管因為轉矩損耗小帶來了高效率等優(yōu)點,但永磁體材料價格的波動使得成本控制成為一個難點,而且對運行環(huán)境要求也比較高,會受溫度、振動等相關因素的影響。于是無永磁體電機——開關磁阻電機(SRM)作為實現(xiàn)高效電機的一路思路成為一些尖端研究機構(特別是國外)積極跟進的方向。

譚博士指出:“開關磁阻電機在體積和功率密度、材料成本占優(yōu),設計結構靈活,對運行環(huán)境要求非常低,得益于控制器技術的發(fā)展,其功率因數(shù)也提升了很多,但因其非線性特性,故控制策略總體來說還是比較復雜。國內(nèi)不少大學和研究機構在研究開關磁阻電機并緊跟國際潮流,我有幸與這些機構有很多互動。相信隨著技術的創(chuàng)新和進步,未來開關磁阻電機的控制器成本下降空間會非常大!”

他在演講中展示了合作單位開發(fā)的最新SRM研究成果和突破(效率最高達96%,圖4),引發(fā)聽眾濃厚興趣,提問不斷。該新型開關磁阻電機有兩套轉子,用特殊的方式疊加起來形成一個電機,它的最高效率可到96%左右。

<strong><strong>空調</strong></strong>電控全面走向<strong><strong>變頻</strong></strong>時代 <strong>TI</strong>引領高效<strong><strong><strong>電機控制</strong></strong></strong><strong>芯片技術</strong>
圖4:一種新型開關磁阻電機的效率最高達96%。

據(jù)譚博士介紹,通過新型的結構設計,開關磁阻電機可以開始達到與永磁電機相當?shù)男剩貏e是高速的情況下,而其尺寸和體積也可以逐漸接近后者,但因不需要永磁體材料,成本會低廉很多,更具經(jīng)濟性。從它自身控制拓撲上來講,隨著控制器技術的發(fā)展,它有潛力比傳統(tǒng)的逆變器結構還要簡化,成本也有望快速下降,因此作為高效電機具有很大的發(fā)展空間。

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