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，定子中產生旋轉磁場，電機起動旋轉。經過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生的起動電流能讓起動器磁力線圈產生一定的磁場，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)與電網的相位誤差，該濾波環(huán)節(jié)主要是濾除電網的諧波及毛刺干擾。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《電子產品世界》雜志2020年11期）