研究背景與發展現況

馬達是一種將電能轉換動能的工具，透過電動馬達可讓生活更加便利及舒 適，加上電能是一種乾淨的能源，更適合應用在一般居家生活用品之上，電動馬 達隨著電力電子技術發展而日漸普遍。

最早變頻器(inverter)登場時，感應馬達(induction motor)的壓縮機立刻成為主 流，因為其馬達結構簡單、製造成本低廉，適用於高速、大轉矩且毋須太複雜控 制之系統。然而隨著電力電子技術的進步，加上環保意識的抬頭，高效能、高節 能的要求日漸重要，直流無刷馬達(brushless dc motor, BLDCM)便逐漸地取代感 應馬達，成為主要的壓縮機驅動馬達。無刷直流馬達以永久磁石建立內轉子磁 場，其內部磁場的維持毋須消耗能量，因此與感應式馬達相較之下，效率較佳，

且在相同體積下具有較高的輸出功率。隨著無刷直流馬達應用日漸普遍，其馬達 驅動器的研究亦隨著眾人重視而快速發展，表1.1為各種馬達之比較圖表。

表 1.1 各種馬達比較 三相感應馬達 單相感應馬

達

直流馬達 伺服馬達 步進馬達 驅動訊號 交流 交流 直流 直流/交流 脈衝 控制方式 工業電子/變頻

器

工業電子/變 頻器

工業電子 閉迴路 /Encoder

開迴路/步級角 應答時間 0.15sec 0.2sec

優點 高速大轉矩 構造簡單 構造簡單 高速高應答 低價位高精度 缺點 體積龐大 需啟動器 出力較小 複雜、價高 速慢、噪音 運用場合 大動力提供 較小動力提

供

小動力提 供

高速高精度 低速高精度

壓縮機主要應用在冰箱、冷凍設備…等用途，其中傳統的電冰箱與冷凍系 統…等白色家電產品多採用單相感應馬達為主的壓縮機驅動系統，以ON-OFF方 式進行溫度控制。不過此種驅動方法不易達到恆溫之效果，且系統因為無法變

近年來因為馬達驅動技術的進步，冷凍系統的壓縮機驅動方式也有了重大的 改 變 ， 採 用 交 流 變 速 驅 動 方 式 進 行 壓 縮 機 之 控 制 已 成 為 市 場 發 展 的 主 流 [14]-[21]。交流馬達驅動器雖然有各種不同的形式，但驅動電路之電路架構則大 同小異，主要關鍵在於採用的脈寬調變(pulse width modulation, PWM)控制策略，

以及採用的開關切換技術(switching technology) [22]-[28]，此方面則仍有廣大的 研究空間得以改善馬達驅動器的效率與提高功率轉換器的功率密度。

冷凍壓縮機的發展歷經了四個階段。第一個階段是80年代的單轉子壓縮機時 代，那是變頻空調的初級階段，由於單轉子壓機的效率低，發展受到限制，隨著 技術的改良，進入90年代第二個階段，此為是雙轉子壓縮機時代。第三階段是無 刷直流變頻時代，結合雙轉子壓縮機與高效率無刷直流馬達的優點，利用現代的 數位控制技術進一步的提高變頻壓縮機的效能。第四個階段是PFC＋PAM(pulse amplitude modulation, PAM)DSP數位控制時代。利用先進的DSP控制技術，將功 率因數修正、變電壓調控、PAM、無感測(sensorless)技術整合應用，使冷凍壓縮 技術進入全數位變頻調控的最高境界，新一代的數位PAM變頻驅動技術不僅充 分發揮無刷直流變頻壓縮機的優越性能，更能利用數位技術的特點，達到提高效 能、節約能源、改善電源品質、與實現超靜音運轉等多重目的[29]-[33]。

圖1.2所示是目前採用PAM變頻壓縮機驅動技術的新型冰箱，採用PAM變頻 式壓縮機驅動方式的冷凍系統具有下列優點：

• 可提高 25-30%的壓縮機效率

• 可改善電源品質

• 更佳的溫度控制效果

• 可達成急速冷凍

• 低起動電流

• 可實現超靜音的運轉效果

圖 1.2 新型PAM變頻冰箱(a)東芝公司PLAZM冰箱(b)日立公司雙PAM冰箱(c) 夏普公司SJLC40E冰箱

在馬達驅動控制中所需要的一些控制功能，如PWM控制、電流控制、轉速 估計、控制迴路補償、功因控制，乃至於一些應用上的特殊需求，均需要複雜且 快速的計算，微電子技術的發展，使得馬達控制得以建立幾乎不受運算速度限制 的發展平台，所需考量者主要在於成本。馬達控制的數位化已是必然的發展趨 勢，為了實現高級的智慧型控制方法，一方面必須採用16位元的單晶片DSP，另 一方面也可以藉由CPLD(Complex programmable logic device)將簡單卻需要快速 執行的電壓與電流控制予以數位IC化。本論文之發展平台主要以單晶片DSP為基 礎進行PWM/PAM變頻控制技術。

功率因數通常是電源系統的考量項目，但由於法規與能源使用效率的要求，

具備功率因數修正(power factor correction, PFC)電路以提升其輸入端的功率因 數，將成為未來馬達驅動器的重要規格。應用於馬達驅動系統的功率因數修正電 路有別於一般應用於UPS的考量，這其中主要包括回生能力的考量以及PFC的輸 出是否需要變壓控制(variable output control)。具有輸出電壓變化功能的PFC轉換 器，簡稱VOPFC(variable output voltage PFC)，可與傳統的PWM變頻器結合，形 成一種具有可變磁滯控制的PAM/PWM雙級轉換器，同時達到功率因數修正與效 率提升的雙重目標。

由於變頻式冷凍機壓縮機具有廣大的市場潛力，考量從環保觀點出發的所謂

合馬達整體設計的密閉式壓縮機是未來發展的趨勢。其中轉子採用永久磁鐵，具 有高效率、高功率密度、高轉速控制範圍等優點，若能結合Sensorless控制)技術 [34]-[36]與PAM技術[37]-[40]，更可以低成本方式發揮無刷直流馬達的效能。由 此當可瞭解採用低單價高效能DSP控制器的變頻式壓縮機將成為新一代冷凍與 空調系統的發展關鍵。

一個冰箱冷凍壓縮機的系統方塊圖如圖1.3所示，壓縮機幫浦由馬達所驅 動，為了提高效率與縮小體積，兩者必須整合設計。壓縮機馬達的型式主要有三 種：感應馬達、磁阻馬達、與無刷直流馬達。這三種馬達均具有brushless的優點，

由上述之表1.1可知，感應馬達價格最為低廉，但效率也最差；磁阻馬達堅固、

效率高，但噪音大；無刷直流馬達效率高、噪音低，價格亦低，是壓縮機應用最 常被採用的馬達。本論文將針對高效率冰箱冷凍壓縮機的無刷直流馬達，設計並 發展新型的DSP為基礎之 PWM/PAM變頻驅動控制技術。

Sinusoidal Pulse Width

Modulation Inverter

4-20 mA U

V W

R S

Temp.

Controller Fan motor

Reciprocating Compressor 3 Ph Cap. Run

Magnetic

Contact HI SW

MED 10 R S TEV

220V/60Hz

Fan motor

Cap. Run

C A B

Thermocouple Type T

圖 1.3 變頻驅動冷凍壓縮機的系統方塊圖

圖1.4所示是一個變頻式壓縮機驅動器的系統架構圖，其中壓縮機幫浦與無 刷直流馬達包含在機殼之內，驅動器則置於壓縮機之外。驅動器由控制器與功率 級兩部分所構成，功率級的主要功能是將輸入的交流電源轉換為馬達所需要的電

源，控制器則負責產生功率開關的控制信號，達到控制馬達運轉的目的。高效能 冷凍壓縮機設計的關鍵可以從幾個不同的觀點來考量：

1. 高效率與超靜音變頻式壓縮機的設計 2. 天然冷媒壓縮機之設計

3. 壓縮機內置永久磁鐵式(IPM)無刷直流馬達之設計 4. 高效率高功因(power factor control)驅動器之設計 5. 無感測(sensorless)無刷直流馬達控制技術

6. 高效率壓縮機的智慧型Neuro-Fuzzy控制技術 7. 壓縮機高轉速震動控制(vibration control)技術 8. 壓縮機噪音消除(noise cancelleration)技術 9. 壓縮機DSP控制系統整合技術

Brushless DC motor Compressor

DSP Based Controller -變頻式 PAM/PWM 壓縮機驅動器

壓縮機

CL

L

V

+

dc

-Brushless DC motor Compressor

DSP Based Controller -DSP Based Controller DSP Based Controller 變頻式 PAM/PWM 壓縮機驅動器

壓縮機

CL

L

V

+

dc

-CL

L

V

+

dc

-圖 1.4 變頻式壓縮機驅動器的系統架構-圖

由上述說明，可以瞭解設計一個現代的高效能冷凍壓縮機，必須整合多方面 的工程技術。變頻式壓縮機驅動器的功率級在功率轉換過程中，會因為功率開關 的非理想特性造成功率損失，這其中包含開關導通損失與切換損失。輸入電流也 會因為高頻的諧波電流降低功率因數，同時也造成電源污染。

為了解決目前面臨的全球能源危機，發展技術改善壓縮機之效率及功率因數 以符合法規要求，本論文提出VOPFC變頻壓縮機之整合設計，利用可變輸出功 率因數修正器實現PWM/PAM雙級功能切換技術，並藉由整合控制策略有效提升 且改善變頻器之操作效率。

1.3 PFC諧波規範與重要性

1.3.1 功因修正器研究背景

近年來在半導體產業的長足進展下，耐壓耐流更高的功率半導體開關元件不 斷推陳出新，且電力電子切換技術高度投入下，能源轉換器類別及應用日新月 異，如馬達驅動器(Motor Driver)、不斷電系統(Uninterruptible Power Supply, UPS)、充電器(Charger)及各式電源供應器(Power Supply)等；各式電源產品均需 以市電作為輸入來源，將交流電轉換至直流電源，提供設備內部控制半導體驅動 及輸出功率需求，將是必然的需求。然而傳統上大都採用橋式二極體或相控閘流 體為主之交直流轉換器，使用橋整二極體做成之交直流轉換器，將交流市電轉換 成直流電源輸出端，再接一大電容來降低輸出電壓漣波，建立所需之穩定直流電 源以供應後級之負載。雖然此轉換器之電路簡單、成本低廉且不需額外之控制，

但橋式整流器的非線性特性將導致電源的輸入端含有大量之諧波電流，而造成諧 波電力損失，而相控閘流體整流器之延遲角控制，更將使輸入端電流諧波成分更 嚴重，為解決上述之缺點，進而有功率因數修正電路的出現[41]、[42]。因應各 類電機電子設備對電源品質之要求愈趨嚴苛，除對市電供應者提供用電品質及穩 定度要求外，積極降低用電設備對電網(Electric Grid)的污染，更是電機電子研發 者的責任。

1.3.2 功率因數修正器原理

在交流電路中，功率因數PF之定義為實功率(P)與視在功率(S)之比值

S

將(1-4)及(1-5)代入(1-1)則電路功率因數為

( ) ( )

1rmscos

rmsI V

P= (1-7)

因ⁱ

( )

^t 除基頻成分之外，其餘高階成分之實功率為零，故功率因數為 θ θ

cos cos

PF ^{1 1}

另定義cosθ為位移功率因數 DPF(Displacement Power Factor)，則功率因數即

DPF rms hrms

rms I I rms hrms rms

dis I I I

I (1-11)

則總諧波失真(total harmonic distortion, THD)為

則總諧波失真(total harmonic distortion, THD)為

在文檔中 具有可調輸出電壓功因修正器之無刷直流馬達驅動器的效率改善策略 (頁 20-0)