空調用風機控制技術
一．前言
現在全球世界都在加緊電動機節能化的研究，據報道日本國內電能的一半以上是由電動機所消耗的（見圖1所示）。假如電動機的耗能減少百分之1的話，就可以減少一座原子能發電站；所以為了降低全球環境負荷，電動機必須節能。現在空調用的電動機，不僅是壓縮機電動機也包括風機，正在從以往用感應電動機改用高效率無刷直流電動機(brushless dc motei：
以下簡稱為無刷電動機)。
但是，無刷電動機雖然高效，卻需要根據電動機轉子駒磁極位置的來驅動（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機驅動電路。就像fa用的ac的服電動機那樣用編碼器或者電流傳感器等才能達到高性能控制。從成本上考慮民用產品大部分采用霍爾元件作磁極位置傳感器，進行矩形波驅動。這種矩形波驅動不僅振動噪音大，如下面所述驅動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，目前市場上無法普及。
對于空調風機，人們普遍都希望能采用低振動、低噪音、低成本的正弦波驅動方式，無須進行超前角度控制，始終維持高效率運轉。
本文就這種低成本的正弦波驅動和自動進行超前角度控制的開發，實現低振動、低噪音，在無須調整的條件下達到高效率運轉等技術問題作一介紹。
二．用正弦波驅動實現低振動、低噪音化
至今民用產品從成本上考慮，所用無刷電動機的驅動仍用霍爾元件檢出三相磁極位置信號（cs信號）如圖3所示，主流方式仍是120度矩形波同步驅動。這種矩形波驅動，切換時由于會發生振動、噪音，所以空調用風機必須采取防振措施。
為了降低振動，單純地把通電電氣角度從120度擴大為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動，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。這種廣角正弦波驅動的驅動電壓波形和-相p正弦波驅動的思路一樣，與一般的三相pwm正弦波驅動相比，由于在極性不變區間設置了1／3轉換，這樣不僅能降低開關損耗，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動波形對力矩產生的影響；電動機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；面在矩形波驅動時造成波形失真有百分之24.6是由于5次和7次高頻諧波成分產生的力矩紋波，這對平均輸出力矩的影響不大。
由于這種廣角正弦驅動不含有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，這種臺形波驅動的失真率是百分之4. 4，所以從理論上臺形波驅動更為有利。
為了確認這種廣角正弦波驅動的效果可以對比一下以下兩種波形，圖5是以往的120度矩形波驅動空調風機的電流波形，圖6是廣角正弦波驅動的電流波形。
如圖所示，采用廣角正弦波驅動可以用低成本實現正弦波驅動電流，與以往的矩形波驅動相比可降低噪音5-l0db，同時降低振動，所以電動機裝配部分的的防振構造可以省去。
三。用自動超前角控制實現高效率化
如前所述，無刷電動機的驅動，必須要同回轉子的磁極位置同步，原理上講只有當電動機的感應電壓和線圈電流的相位一致時，才能產生****力矩、達到****效率。特別是正弦波驅動的情況下，由于不存在一個像矩形波驅動那樣的不通電區間，感應電壓和線圈電流的相位偏差會引起效率的嚴重低下。
但是，實際上控制輸入的驅動電壓和線圈電流的關系受線圈感抗的影響，如圖7所示相位是不一致的，特別是電動機轉速越高這種相位差越大。所以，即使用霍爾元件等檢測出感應電壓和驅動電壓的相位一致，如與線圈電流的相位不一致，不僅僅會使效率低下，由于在高速區不能產生足夠的力矩，所以電動機在高速區域不能旋轉。由此要設法檢測出線圈電流的信息，使線圈電流和感應電壓的相位一致。即必須控制圖7中的驅動電壓相位，使相位差ψ為0。通常為了檢測出線圈電流必須使用高成本的電流傳感器 |
