電子技術在冰箱壓縮機啟動控制系統(tǒng)中的應用

0   概述

冰箱定頻壓縮機（下稱壓縮機）運行必須要采用啟動器，同時為了保護壓縮機，需采用過熱過載保護器以保護壓縮機電流過大，殼溫過高的情況，確保保護壓縮機不會燒毀。目前普遍采用的PTC啟動器、電流式（重錘）啟動器、電壓式啟動器來啟動壓縮機，壓縮機啟動后把電機的啟動繞組脫離出來，壓縮機進入正常運行模式。

現(xiàn)有啟動器和保護器需要針對不同的壓縮機參數(shù)進行精準匹配，以選取不同的啟動器和保護器參數(shù)，匹配試驗項目多，工作繁重，效率低，同時匹配準確度不高，存在一定程度的啟動器保護器參數(shù)和壓縮機不配的情況，加上啟動器和保護器的離散性，會造成壓縮機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大量的時間、精力和費用。

介于目前壓縮機啟動器保護器存在的問題，提出一種新穎的解決方案，把電子技術運用在壓縮機的啟動控制和保護中，形成一種新的啟動和保護方式，可以達到提高壓縮機能效、啟動性能，實現(xiàn)壓縮機智能啟動和保護功能，甚至可實現(xiàn)冰箱的高精度溫控功能。

圖1 PTC啟動器接線圖

1　啟動控制系統(tǒng)控制架構

傳統(tǒng)壓縮機啟動方式主要分為PTC啟動、電流式（重錘）啟動器和電壓式啟動器，其中電壓式啟動器用在大功率的壓縮機啟動，對于冰箱壓縮機基本不會使用。

PTC啟動器接線原理圖：如圖1所示，PTC起動器與電機起動繞組串聯(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，處于導通狀態(tài)，因此起動繞組與運行繞組同時接入電路，定子中產(chǎn)生旋轉磁場，電機起動旋轉。經(jīng)過0.5-3s后，電流的熱效應使PTC元件溫度迅速升高。當溫度超過100℃后，PTC元件呈高阻狀態(tài)，使起動繞組似處于 開路 狀態(tài)。這時，流過PTC元件的電流恰好起到維持高阻溫度， 壓縮機 電機完成起動過程，長時間通電會有2.5W左右的功率消耗。在壓縮機停機后，PTC元件斷電，開始冷卻，當溫度降至70℃以下時，恢復低電阻狀態(tài)，從而為下一次起動作好準備。

PTC起動器在電機停轉后，不能馬上冷卻，再次起動的間隔，一般需要3～5分鐘。

電流式 (重錘）起動器接線原理圖：如圖2所示，起動器的磁力線圈和壓縮機電機主相繞組線圈串聯(lián)，在起動瞬間，壓縮機電機主相繞組線圈產(chǎn)生的起動電流能讓起動器磁力線圈產(chǎn)生一定的磁場，這個磁場又能輕易地吸住內部的銜鐵，讓起動器閉合（導通），導通后，給起動繞組提供了起動電流，如果繞組本身和負載無異常，這時壓縮機很輕易就能起動起來，起動起來后電流很快降到額定電流，這時起動器因為電流的減小，磁場變弱，內部銜鐵在重力作用下，很快斷開，電流式 (重錘）起動器這就完成一次起動。

圖2 電流式（重錘）啟動器接線圖

電子式啟動控制器接線圖：如圖3所示，把PTC啟動器或電流式（重錘）啟動器采用電子控制開關Ks（如繼電器、雙向可控硅等）模擬壓縮機的啟動過程，當壓縮機啟動后立即切斷啟動繞組，達到啟動的目的。過熱過載保護器采用電子控制開關Kr（如繼電器、雙向可控硅等）模擬熱保護器保護斷開與復位，實現(xiàn)保護壓縮機的目的。

圖3 電子式啟動控制器接線圖

電子式啟動控制器控制架構：如圖4所示，由1-開關電源，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?？刂萍軜嬐ㄟ^采樣壓縮機運行的電流、溫度等狀態(tài)來判斷壓縮機的啟動過程和運行過程的監(jiān)測與控制。

0-微處理器MCU

1-開關電源

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 電子式啟動控制器控制架構

2　啟動控制系統(tǒng)運行機理

啟動過程：如圖4，當電源接通時，MCU完成復位后，立即接通Kr開關和Ks開關，同時對壓縮機線路中的電流、電壓進行采樣，記錄電流的變化趨勢，根據(jù)電機啟動、運行的特性，當電流I下降到Imax的80%時，切斷Ks，完成壓縮機啟動過程，壓縮機進入正常運行模式，此時記錄電流Ir。完成壓縮機的啟動過程。

過載保護：隨著壓縮機工況、負荷增大，運行電流I也增大，當運行電流I≥1.5Ir時，表明壓縮機已經(jīng)過載了，超出壓縮機的輸出能力，此時切斷Kr開關，此時達到保護壓縮機的目的，同時LED報過載故障。當停機超過5分鐘或者排除壓縮機工況和負荷異常，控制器允許壓縮機再次啟動運行。

過溫保護：若在壓縮機正常運行過程中，如出現(xiàn)冰箱系統(tǒng)故障或環(huán)境散熱較差，此時采樣壓縮機殼體溫度超過設定值Tco（比如100℃），同時結合環(huán)境溫度判斷，確認為壓縮機過熱，切斷Kr，保護壓縮機，LED報殼溫過高故障。當壓縮機溫度降低到小于設定溫度值Tcc（比如60℃），閉合Kr開關，允許壓縮機再次啟動運行。

過欠電壓保護：當檢測到供壓縮機電源過高或過低，對于國內電源制式高壓一般設置為264V，低壓一般設置為120V，控制器將切斷Kr或Ks開關，保護壓縮機。

冰箱溫度控制：當檢測到冰箱溫度達到設定溫度Tgs后，Kr斷開，當冰箱控制溫度回升超過設置值后，重新啟動壓縮機，采樣此功能，冰箱廠可節(jié)約一個溫控器，達到降本目的。

3　啟動控制系統(tǒng)硬件設計

啟動控制系統(tǒng)硬件設計模塊框圖，如圖5所示，由1-開關電源電路、2-電流采樣電路、3-電壓采樣電路、4-溫度采樣電路、5-開關驅動電路以及LED驅動電路構成，下面重點介紹1-開關電源電路、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-開關驅動電路*2

6-LED驅動電路

圖5 電子式啟動控制器電路構成

1-開關電源電路：如圖6所示，由于本控制系統(tǒng)在確?？煽啃缘臈l件下，需要把成本控制最低，選用了固定開關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開關電源芯片。該芯片在同一片晶圓上集成有 500V 高壓 MOSFET 和開關式峰值電流模式控制的控制器。 在全電壓輸入的范圍內可以保證5V默認輸出。在芯片內部，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，芯片設計有輕/重載模式，可輕松獲得低于50mW 的待機功耗。 同時還具有VDD欠壓保護、逐周期電流限制、過熱保護、過載保護和短路保護等功能，性價比極高。

圖6開關電源電路

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帶正負的正弦波形，所以其后端一定要接一個運放電路，一方面是濾波，更重要的則是把采集到的信號縮放到AD能采集的電壓范圍，這個電路可以采用同相比例放大+偏移+鉗位。本電路采樣LM358運算放大器，內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器，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。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算放大器的場合。

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可在程序中補償起來；其中R14=1K?，C9=0.33uF。 第二部分由電壓比較器LM358構成，實現(xiàn)過零比較，電壓偏移，同時設計了一個滯回環(huán)來抑制干擾和信號的振蕩。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信號進入MCU進行計算。

圖8 電壓采樣電路

3　啟動控制系統(tǒng)控制算法設計

①啟動過程：

交流上電MCU復位后，Ks、Kr開關導通，電機啟動，當電流I降低到Imax的80%后切斷Ks開關，完成壓縮機啟動過程；

當上電后檢測到電流I不下降或下降緩慢，且一直上升時間超過5秒鐘，則切斷Ks、Kr開關，同時控制系統(tǒng)報堵轉停機，5分鐘后再次進入啟動過程。本功能模擬啟動器的啟動功能。

②電流保護：

在壓縮機正常運行過程中，當運行電流I≥Ih保護電流（電流保護算法自適應：當電機啟動后電流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，切斷Kr開關，控制系統(tǒng)報過流保護，5分鐘后，再進行正常啟動控制；本功能模擬熱保護器的過流保護功能。

③過欠壓保護：

當Vmin（78V）≤V≤Vmax（264V）時，壓縮機正常工作，否則，切斷Ks、Kr不允許壓縮機啟動和運行，控制系統(tǒng)報過、欠電壓故障；本功能可根據(jù)全球不同電源設置不同的保護電壓值。

④殼溫（Tc）保護：

當Tc≥105℃并維持10分鐘時，切斷Kr開關，控制系統(tǒng)報殼溫過高保護；當Tc＜70℃，且停機時間超過5分鐘后，再進行正常啟動控制；本功能模擬熱保護器的溫度保護功能。

⑤正常溫控開?？刂疲?/p>

冰箱耗電量控制，通過檢測冷凍溫度（Tg）控制壓縮機開停。

開?？刂七壿嬀唧w如下（Tgs：冷凍目標溫度，一般取-20℃）：

當Tg＜Tgs-2℃，則控制壓縮機停機；

當Tg＞Tgs+2℃，則控制壓縮機啟動工作。

當Tgs-2℃≤Tg≤Tgs+2℃，壓縮機維持原狀態(tài)不變；

本功能模擬機械溫控器的溫控功能。

⑥動作時序圖

圖9 啟動、正常溫控時序圖

圖10過流保護時序圖

圖11堵轉保護時序圖

⑦實物及啟動波形圖

圖12電子啟動控制器實物圖

圖13電子啟動控制器啟動電流波形圖

4   結束語

本文結合目前冰箱壓縮機行業(yè)的實際技術狀況，采用電子技術改造冰箱壓縮機的機械啟動器和保護器，設計出一種電子啟動控制系統(tǒng)，詳細的說明了電子啟動控制系統(tǒng)的優(yōu)勢、架構和硬件設計方案，同時詳細說明了壓縮機的啟動過程、保護過程及正常的啟停過程算法設計。不僅說明了電子啟動控制系統(tǒng)相比原理機械式的啟動和保護方式的優(yōu)勢和特點，特別是冰箱壓縮機行業(yè)里采用大量的PTC啟動方式，維持PTC的居里溫度點至少消耗2.5W的功率，從而降低壓縮機的能效，采用本電子啟動控制系統(tǒng)可提高能效3-4%，可大大提升冰箱壓縮機的能效水平。而且本方案的硬件電路簡潔、算法通用性強，可以完全替代采用PTC啟動、重錘啟動器和保護器，甚至可替代機械溫控器的功能。本控制系統(tǒng)的自適應算法可大大減輕機械式啟動器設計的匹配過程，減少大量的試驗項目，節(jié)約資源。

參考文獻

1、常用采樣電路設計方案比較

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

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

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

4、Q/HY 10-2020啟動器、保護器、電容器與壓縮機匹配規(guī)范，長虹華意壓縮機股份有限公司；

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

（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）