空調電控全面走向變頻時代 TI引領高效電機控制芯片技術

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。

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。

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。

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)。