電子技術(shù)在冰箱壓縮機(jī)啟動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

0   概述

冰箱定頻壓縮機(jī)（下稱壓縮機(jī)）運(yùn)行必須要采用啟動(dòng)器，同時(shí)為了保護(hù)壓縮機(jī)，需采用過熱過載保護(hù)器以保護(hù)壓縮機(jī)電流過大，殼溫過高的情況，確保保護(hù)壓縮機(jī)不會(huì)燒毀。目前普遍采用的PTC啟動(dòng)器、電流式（重錘）啟動(dòng)器、電壓式啟動(dòng)器來啟動(dòng)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)啟動(dòng)后把電機(jī)的啟動(dòng)繞組脫離出來，壓縮機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行模式。

現(xiàn)有啟動(dòng)器和保護(hù)器需要針對(duì)不同的壓縮機(jī)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，以選取不同的啟動(dòng)器和保護(hù)器參數(shù)，匹配試驗(yàn)項(xiàng)目多，工作繁重，效率低，同時(shí)匹配準(zhǔn)確度不高，存在一定程度的啟動(dòng)器保護(hù)器參數(shù)和壓縮機(jī)不配的情況，加上啟動(dòng)器和保護(hù)器的離散性，會(huì)造成壓縮機(jī)一直起不起來的死循環(huán)幾率。為解決在客戶的該問題往往花費(fèi)大量的時(shí)間、精力和費(fèi)用。

介于目前壓縮機(jī)啟動(dòng)器保護(hù)器存在的問題，提出一種新穎的解決方案，把電子技術(shù)運(yùn)用在壓縮機(jī)的啟動(dòng)控制和保護(hù)中，形成一種新的啟動(dòng)和保護(hù)方式，可以達(dá)到提高壓縮機(jī)能效、啟動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)智能啟動(dòng)和保護(hù)功能，甚至可實(shí)現(xiàn)冰箱的高精度溫控功能。

圖1 PTC啟動(dòng)器接線圖

1　啟動(dòng)控制系統(tǒng)控制架構(gòu)

傳統(tǒng)壓縮機(jī)啟動(dòng)方式主要分為PTC啟動(dòng)、電流式（重錘）啟動(dòng)器和電壓式啟動(dòng)器，其中電壓式啟動(dòng)器用在大功率的壓縮機(jī)啟動(dòng)，對(duì)于冰箱壓縮機(jī)基本不會(huì)使用。

PTC啟動(dòng)器接線原理圖：如圖1所示，PTC起動(dòng)器與電機(jī)起動(dòng)繞組串聯(lián)接入 電路 ，在電源接通的一瞬間，由于PTC芯片元件剛剛通過 電流 ，產(chǎn)生的熱量很少，溫度較低，電阻很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此起動(dòng)繞組與運(yùn)行繞組同時(shí)接入電路，定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)起動(dòng)旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過0.5-3s后，電流的熱效應(yīng)使PTC元件溫度迅速升高。當(dāng)溫度超過100℃后，PTC元件呈高阻狀態(tài)，使起動(dòng)繞組似處于 開路 狀態(tài)。這時(shí)，流過PTC元件的電流恰好起到維持高阻溫度， 壓縮機(jī) 電機(jī)完成起動(dòng)過程，長(zhǎng)時(shí)間通電會(huì)有2.5W左右的功率消耗。在壓縮機(jī)停機(jī)后，PTC元件斷電，開始冷卻，當(dāng)溫度降至70℃以下時(shí)，恢復(fù)低電阻狀態(tài)，從而為下一次起動(dòng)作好準(zhǔn)備。

PTC起動(dòng)器在電機(jī)停轉(zhuǎn)后，不能馬上冷卻，再次起動(dòng)的間隔，一般需要3～5分鐘。

電流式 (重錘）起動(dòng)器接線原理圖：如圖2所示，起動(dòng)器的磁力線圈和壓縮機(jī)電機(jī)主相繞組線圈串聯(lián)，在起動(dòng)瞬間，壓縮機(jī)電機(jī)主相繞組線圈產(chǎn)生的起動(dòng)電流能讓起動(dòng)器磁力線圈產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)又能輕易地吸住內(nèi)部的銜鐵，讓起動(dòng)器閉合（導(dǎo)通），導(dǎo)通后，給起動(dòng)繞組提供了起動(dòng)電流，如果繞組本身和負(fù)載無異常，這時(shí)壓縮機(jī)很輕易就能起動(dòng)起來，起動(dòng)起來后電流很快降到額定電流，這時(shí)起動(dòng)器因?yàn)殡娏鞯臏p小，磁場(chǎng)變?nèi)?，?nèi)部銜鐵在重力作用下，很快斷開，電流式 (重錘）起動(dòng)器這就完成一次起動(dòng)。

圖2 電流式（重錘）啟動(dòng)器接線圖

電子式啟動(dòng)控制器接線圖：如圖3所示，把PTC啟動(dòng)器或電流式（重錘）啟動(dòng)器采用電子控制開關(guān)Ks（如繼電器、雙向可控硅等）模擬壓縮機(jī)的啟動(dòng)過程，當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng)后立即切斷啟動(dòng)繞組，達(dá)到啟動(dòng)的目的。過熱過載保護(hù)器采用電子控制開關(guān)Kr（如繼電器、雙向可控硅等）模擬熱保護(hù)器保護(hù)斷開與復(fù)位，實(shí)現(xiàn)保護(hù)壓縮機(jī)的目的。

圖3 電子式啟動(dòng)控制器接線圖

電子式啟動(dòng)控制器控制架構(gòu)：如圖4所示，由1-開關(guān)電源，2-電流采樣，3-電壓采樣，4-殼體溫度采樣，5-冷凍溫度傳感器，6-環(huán)境溫度采樣，7-Kr控制輸出，8-Ks控制輸出，9-LED控制輸出以及0-微處理器MCU組成?？刂萍軜?gòu)通過采樣壓縮機(jī)運(yùn)行的電流、溫度等狀態(tài)來判斷壓縮機(jī)的啟動(dòng)過程和運(yùn)行過程的監(jiān)測(cè)與控制。

0-微處理器MCU

1-開關(guān)電源

2-電流采樣

3-電壓采樣

7-Kr控制輸出

4-殼體溫度采樣

8-Ks控制輸出

5-冷凍溫度采樣

6-環(huán)境溫度采樣

9-LED控制輸出

圖4 電子式啟動(dòng)控制器控制架構(gòu)

2　啟動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理

啟動(dòng)過程：如圖4，當(dāng)電源接通時(shí)，MCU完成復(fù)位后，立即接通Kr開關(guān)和Ks開關(guān)，同時(shí)對(duì)壓縮機(jī)線路中的電流、電壓進(jìn)行采樣，記錄電流的變化趨勢(shì)，根據(jù)電機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行的特性，當(dāng)電流I下降到Imax的80%時(shí)，切斷Ks，完成壓縮機(jī)啟動(dòng)過程，壓縮機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行模式，此時(shí)記錄電流Ir。完成壓縮機(jī)的啟動(dòng)過程。

過載保護(hù)：隨著壓縮機(jī)工況、負(fù)荷增大，運(yùn)行電流I也增大，當(dāng)運(yùn)行電流I≥1.5Ir時(shí)，表明壓縮機(jī)已經(jīng)過載了，超出壓縮機(jī)的輸出能力，此時(shí)切斷Kr開關(guān)，此時(shí)達(dá)到保護(hù)壓縮機(jī)的目的，同時(shí)LED報(bào)過載故障。當(dāng)停機(jī)超過5分鐘或者排除壓縮機(jī)工況和負(fù)荷異常，控制器允許壓縮機(jī)再次啟動(dòng)運(yùn)行。

過溫保護(hù)：若在壓縮機(jī)正常運(yùn)行過程中，如出現(xiàn)冰箱系統(tǒng)故障或環(huán)境散熱較差，此時(shí)采樣壓縮機(jī)殼體溫度超過設(shè)定值Tco（比如100℃），同時(shí)結(jié)合環(huán)境溫度判斷，確認(rèn)為壓縮機(jī)過熱，切斷Kr，保護(hù)壓縮機(jī)，LED報(bào)殼溫過高故障。當(dāng)壓縮機(jī)溫度降低到小于設(shè)定溫度值Tcc（比如60℃），閉合Kr開關(guān)，允許壓縮機(jī)再次啟動(dòng)運(yùn)行。

過欠電壓保護(hù)：當(dāng)檢測(cè)到供壓縮機(jī)電源過高或過低，對(duì)于國內(nèi)電源制式高壓一般設(shè)置為264V，低壓一般設(shè)置為120V，控制器將切斷Kr或Ks開關(guān)，保護(hù)壓縮機(jī)。

冰箱溫度控制：當(dāng)檢測(cè)到冰箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度Tgs后，Kr斷開，當(dāng)冰箱控制溫度回升超過設(shè)置值后，重新啟動(dòng)壓縮機(jī)，采樣此功能，冰箱廠可節(jié)約一個(gè)溫控器，達(dá)到降本目的。

3　啟動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)模塊框圖，如圖5所示，由1-開關(guān)電源電路、2-電流采樣電路、3-電壓采樣電路、4-溫度采樣電路、5-開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路以及LED驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，下面重點(diǎn)介紹1-開關(guān)電源電路、2-電流采樣電路、3-電壓采樣電路。

0-微處理器MCU

1-開關(guān)電源電路

2-電流采樣電路

3-電壓采樣電路

4-溫度采樣電路*3

5-開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路*2

6-LED驅(qū)動(dòng)電路

圖5 電子式啟動(dòng)控制器電路構(gòu)成

1-開關(guān)電源電路：如圖6所示，由于本控制系統(tǒng)在確保可靠性的條件下，需要把成本控制最低，選用了固定開關(guān)頻率和固定電壓輸出的非隔離的buck-boost方案，采用美芯晟科技公司的MT8812開關(guān)電源芯片。該芯片在同一片晶圓上集成有 500V 高壓 MOSFET 和開關(guān)式峰值電流模式控制的控制器。 在全電壓輸入的范圍內(nèi)可以保證5V默認(rèn)輸出。在芯片內(nèi)部，振蕩器頻率固定為 31KHz 且?guī)в卸额l功能，在保證輸出功率的條件下優(yōu)化了 EMI 效果。同時(shí)，芯片設(shè)計(jì)有輕/重載模式，可輕松獲得低于50mW 的待機(jī)功耗。 同時(shí)還具有VDD欠壓保護(hù)、逐周期電流限制、過熱保護(hù)、過載保護(hù)和短路保護(hù)等功能，性價(jià)比極高。

圖6開關(guān)電源電路

2-電流采樣電路：如圖7所示，采樣電阻R4上端采集到的電壓是一個(gè)帶正負(fù)的正弦波形，所以其后端一定要接一個(gè)運(yùn)放電路，一方面是濾波，更重要的則是把采集到的信號(hào)縮放到AD能采集的電壓范圍，這個(gè)電路可以采用同相比例放大+偏移+鉗位。本電路采樣LM358運(yùn)算放大器，內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。

圖7 電流采樣電路

3-電壓采樣電路：圖8所示，電壓采樣電路由三部分組成，第一部分是由電阻、電容組成的RC濾波環(huán)節(jié)，為減小系統(tǒng)與電網(wǎng)的相位誤差，該濾波環(huán)節(jié)主要是濾除電網(wǎng)的諧波及毛刺干擾。濾波電路造成的延時(shí)可在程序中補(bǔ)償起來；其中R14=1K?，C9=0.33uF。 第二部分由電壓比較器LM358構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)過零比較，電壓偏移，同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)滯回環(huán)來抑制干擾和信號(hào)的振蕩。第三部分為上拉鉗位限幅電路VD5及電容濾波，保證電壓輸出在0-3.3V之間，AD信號(hào)進(jìn)入MCU進(jìn)行計(jì)算。

圖8 電壓采樣電路

3　啟動(dòng)控制系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

①啟動(dòng)過程：

交流上電MCU復(fù)位后，Ks、Kr開關(guān)導(dǎo)通，電機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)電流I降低到Imax的80%后切斷Ks開關(guān)，完成壓縮機(jī)啟動(dòng)過程；

當(dāng)上電后檢測(cè)到電流I不下降或下降緩慢，且一直上升時(shí)間超過5秒鐘，則切斷Ks、Kr開關(guān)，同時(shí)控制系統(tǒng)報(bào)堵轉(zhuǎn)停機(jī)，5分鐘后再次進(jìn)入啟動(dòng)過程。本功能模擬啟動(dòng)器的啟動(dòng)功能。

②電流保護(hù)：

在壓縮機(jī)正常運(yùn)行過程中，當(dāng)運(yùn)行電流I≥Ih保護(hù)電流（電流保護(hù)算法自適應(yīng)：當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后電流I穩(wěn)定后連續(xù)采集3分鐘，取平均值Ip，則取Ih=1.5Ip）并維持1分鐘時(shí)，切斷Kr開關(guān)，控制系統(tǒng)報(bào)過流保護(hù)，5分鐘后，再進(jìn)行正常啟動(dòng)控制；本功能模擬熱保護(hù)器的過流保護(hù)功能。

③過欠壓保護(hù)：

當(dāng)Vmin（78V）≤V≤Vmax（264V）時(shí)，壓縮機(jī)正常工作，否則，切斷Ks、Kr不允許壓縮機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行，控制系統(tǒng)報(bào)過、欠電壓故障；本功能可根據(jù)全球不同電源設(shè)置不同的保護(hù)電壓值。

④殼溫（Tc）保護(hù)：

當(dāng)Tc≥105℃并維持10分鐘時(shí)，切斷Kr開關(guān)，控制系統(tǒng)報(bào)殼溫過高保護(hù)；當(dāng)Tc＜70℃，且停機(jī)時(shí)間超過5分鐘后，再進(jìn)行正常啟動(dòng)控制；本功能模擬熱保護(hù)器的溫度保護(hù)功能。

⑤正常溫控開?？刂疲?/p>

冰箱耗電量控制，通過檢測(cè)冷凍溫度（Tg）控制壓縮機(jī)開停。

開停控制邏輯具體如下（Tgs：冷凍目標(biāo)溫度，一般取-20℃）：

當(dāng)Tg＜Tgs-2℃，則控制壓縮機(jī)停機(jī)；

當(dāng)Tg＞Tgs+2℃，則控制壓縮機(jī)啟動(dòng)工作。

當(dāng)Tgs-2℃≤Tg≤Tgs+2℃，壓縮機(jī)維持原狀態(tài)不變；

本功能模擬機(jī)械溫控器的溫控功能。

⑥動(dòng)作時(shí)序圖

圖9 啟動(dòng)、正常溫控時(shí)序圖

圖10過流保護(hù)時(shí)序圖

圖11堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)序圖

⑦實(shí)物及啟動(dòng)波形圖

圖12電子啟動(dòng)控制器實(shí)物圖

圖13電子啟動(dòng)控制器啟動(dòng)電流波形圖

4   結(jié)束語

本文結(jié)合目前冰箱壓縮機(jī)行業(yè)的實(shí)際技術(shù)狀況，采用電子技術(shù)改造冰箱壓縮機(jī)的機(jī)械啟動(dòng)器和保護(hù)器，設(shè)計(jì)出一種電子啟動(dòng)控制系統(tǒng)，詳細(xì)的說明了電子啟動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、架構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)方案，同時(shí)詳細(xì)說明了壓縮機(jī)的啟動(dòng)過程、保護(hù)過程及正常的啟停過程算法設(shè)計(jì)。不僅說明了電子啟動(dòng)控制系統(tǒng)相比原理機(jī)械式的啟動(dòng)和保護(hù)方式的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，特別是冰箱壓縮機(jī)行業(yè)里采用大量的PTC啟動(dòng)方式，維持PTC的居里溫度點(diǎn)至少消耗2.5W的功率，從而降低壓縮機(jī)的能效，采用本電子啟動(dòng)控制系統(tǒng)可提高能效3-4%，可大大提升冰箱壓縮機(jī)的能效水平。而且本方案的硬件電路簡(jiǎn)潔、算法通用性強(qiáng)，可以完全替代采用PTC啟動(dòng)、重錘啟動(dòng)器和保護(hù)器，甚至可替代機(jī)械溫控器的功能。本控制系統(tǒng)的自適應(yīng)算法可大大減輕機(jī)械式啟動(dòng)器設(shè)計(jì)的匹配過程，減少大量的試驗(yàn)項(xiàng)目，節(jié)約資源。

參考文獻(xiàn)

1、常用采樣電路設(shè)計(jì)方案比較

https://wenku.baidu.com/view/5a02b68886868762caaedd3383c4bb4cf7ecb72d.html 

2、非隔離超高性價(jià)比小功率恒壓電壓驅(qū)動(dòng)器規(guī)格書，MT8812; 美芯晟科技（北京）有限公司

3、XL32L003數(shù)據(jù)手冊(cè)，深圳市訊聯(lián)電子科技公司；

4、Q/HY 10-2020啟動(dòng)器、保護(hù)器、電容器與壓縮機(jī)匹配規(guī)范，長(zhǎng)虹華意壓縮機(jī)股份有限公司；

5、2018長(zhǎng)虹華意商用壓縮機(jī)系列產(chǎn)品介紹；長(zhǎng)虹華意壓縮機(jī)股份有限公司；

（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）