采用永磁同步电机的单转子压缩机的减振研究

喻思

（上海海立电器有限公司，上海 201206）

0 引言

永磁同步电机的单转子压缩机具有体积小、质量轻、效率高的特点，广泛应用于小型家用空调领域。但由于单转子压缩机自身的机械结构特点，永磁同步电机通过偏心曲轴带动压缩机内部制冷剂的旋转过程[1]，形成一个吸气-压缩-排气的过程。在此机械周期中，负载力矩的变化幅度较大，负载的变化与压缩机转子的位置有关[2]，负载的幅值与压缩机所处的工况环境有关，并且这种负载力矩的变化具有周期性。特别在低速情况下，转速降低，吸、排气的压差越大，这种负载力矩突变越大，转速波动越明显[3]。转速波动频繁引起低速振动和噪音，甚至导致压缩机停机。图1所示为某单转子压缩机在低速20 r/min下的负载转矩变化的波形，在一个机械周期内，负载转矩在0～5 N·m之间波动。因此在低速条件下，减小压缩机的振动，提高空调的舒适性至关重要[4]。

永磁同步电机安装在压缩机壳体内，考虑到压缩机内空间狭小密闭、温度较高、制冷剂充注量大、安装和维修难度高和空调整机成本的限制，因此压缩机驱动方法一般采用无位置传感器控制方法[5-11]。减小压缩机低速振动的方法主要有转矩补偿方法[12-13]、调节控制环方法[14-15]和缩短估算步长方法[16]。

图1 单转子压缩机的负载转矩波动

本文研究了低转速40 r/min以下单转子压缩机的振动情况，根据无位置传感器算法的特点和压缩机负载转矩周期性波动的特性，根据估算的电机转子位置，在电流环前加入一个电机转矩前馈补偿模块，用来补偿iq*的值；施加补偿电流值后，通过调整补偿角度来确定该款单转子压缩机在某一角度左右振动最小；在固定补偿角度下，调整补偿电流幅值，使该款压缩机既满足振动要求又不会造成功率超标。

1 转矩前馈补偿系统

由于压缩机的特殊结构无法安装传感器，一般采用无位置传感器矢量控制进行驱动[17]，在此基础上加入一个前馈补偿系统，其控制系统流程如图2所示。

图2 永磁同步电机转矩前馈补偿控制系统流程

1.1 转矩前馈补偿控制系统组成

转矩前馈补偿控制系统，主要由电流环 PI调节、速度环PI调节、转子位置观测器、转矩前馈补偿组成[18]。

1.2 转矩前馈补偿量的选取

速度环进行PI调节作用，输入量为实际转速ωr与给定转速 ωset的差值，输出量为定子电流 is，再正交分解成id*和iq*，β为转矩角。

给定一个前馈补偿值，目前家用变频空调一般使用正弦波补偿方案[19-21]：

式中，iq_Amp为转矩补偿幅值，与压缩机负载大小有关；θq_comp为转矩补偿角度，与电机转子位置有关。对于同型号的压缩机而言，由于定子与转子的装配角度固定，一般θq_comp固定，而iq_Amp根据实际的负载大小，即根据iq的值进行调整。

iq_Amp和θq_comp一般可采用手动输入和MCU自动计算这两种方式确定，基本的控制流程图如图3所示。变频压缩机转矩补偿覆盖的范围一般在40 r/min以下，当压缩机的转速在转矩补偿范围内，进入到转矩前馈补偿模式，取iq_Amp和θq_comp的初值，再通过固定一个变量调节另一个变量的方法来确定最佳的 iq_Amp和θq_comp。具体关于iq_Amp和θq_comp的取值影响将进行实验研究。

图3 转矩前馈补偿流程图

2 前馈补偿角度和补偿电流的影响

实验在一台一级能效的1.5匹变频空调上进行振动测试，单转子压缩机的电机参数见表1。压缩机设定转速ωset=20 r/min，环境温度为32℃，制冷工况，有无开关转矩补偿的振动区别如图4所示。

通过添加前馈转矩补偿，可以发现图4（b）中U相压缩机电流，峰值为11.130 A，要大于图4（a）中压缩机电流，峰值为7.413 A，输入到空调器的功率增加了10 W。因此通过添加转矩补偿，压缩机电流增加，空调器功率也增加。在添加前馈转矩补偿的基础上，对补偿角度和补偿电流进行调整，选取最优值，可以优化压缩机的减振效果。

表1 一款单转子压缩机的电机参数

图4 有无转矩补偿下压缩机U相电流波形

2.1 补偿角度的变更

由于压缩机内电机转子转动一周是2π rad，所以前馈转矩补偿角度范围也是0～2π rad，不同电机的定转子热套角度不同，因此转矩补偿角度也有偏差。

在上述空调系统中，环境温度 30℃，固定补偿电流8 A不变，压缩机给定转速20 r/min，观察变更补偿角度对振动的影响，通过在压缩机壳体上、下部和储液器中部取点测试振动。

图5所示为当补偿电流为8 A时，不同补偿角度对振动的影响。由图5可知，调整补偿角度从3.3 rad增至4.1 rad时，壳体上部、下部和储液器中部回转方向的加速度呈现先增大后减小再增大的趋势，补偿角度约在3.6～3.7 rad范围内振动最小。

图5 固定补偿电流，不同补偿角度对振动的影响

2.2 补偿电流的变更

在2.1小节得到合适的补偿角度的基础上，环境温度为 30℃时，选取固定补偿角度 3.60、3.65和3.70 rad，压缩机转速为20 r/min，观察变更补偿电流大小对振动的影响，通过在压缩机壳体上、下部和储液器中部取点测试振动。

表2所示为固定补偿角度，调整补偿电流下的振动数据。由表2可知，在不影响其他实验、功率限制的前提下，补偿角度不变时，补偿电流增大对振动有益。

表2 固定补偿角度，调整补偿电流下的振动数据

3 结论

本文针对采用永磁同步电机的单转子压缩机在低转速工况40 r/min以下振动较大的问题，增加前馈转矩补偿以减小压缩机振动，在调节补偿角度和补偿电流值的过程中，确定最优的补偿角度和恰当的补偿电流。实验验证了通过调节前馈转矩补偿的角度和电流对减小振动的效果，得到如下结论：

1）固定补偿电流，通过调整补偿角度，发现在最优角度处压缩机整体振动要比最差角度处的振动降低了18%；

2）固定补偿角度，通过调整补偿电流，发现增大补偿电流，压缩机整体振动会减小，约减小了25%；

3）不同型号的压缩机转矩补偿角度有差异，需要通过比较转速波动和振动情况来选取最佳的转矩补偿角度；增加补偿电流时，压缩机电流增加，空调器功率也增加；

4）在固定补偿角度前提下，增加补偿电流，压缩机的振动情况好转，但并不是补偿电流越大越好，同时受功率和其他条件的限制，需要综合考虑，选取适当的补偿电流值。