臺灣博碩士論文加值系統

在本文中，主要著眼於空調機中直流無刷壓縮機馬達之無感測技術之研究。在壓縮機的選擇中，採用R-410A冷媒及直流無刷單缸與雙缸壓縮機來作為研究的對象。
針對方波控制而言，我們分析發現，單缸壓縮機運轉電流波形會因為高低壓不同，會有上下不同振幅且週期對稱的現象，而雙缸壓縮機電流波形則有上下振幅週期對稱。此分析結果可提供一種檢驗來自變頻器換相變化正確性的一種工具，因而它是研究無感測驅動換相技術的重要依據。經由動態測試，可以得到反電動勢，並將施加於無感測平衡電路，以期找到一個正確的零交越點。
經由量測結果可知，當壓縮機在不同頻率工作時，脈衝沿前角與換相間的穩定性，是無感測直流無刷馬達重要指標，它強烈地依賴不同馬達會有不同特性。此研究中所得到的結果，可提供給工業界應用。

This research mainly focuses on air-conditioner brushless DC(BLDC) comppressors motor sensorless technology. In the choices of the compressors, we adopt R-410A refrigerant single and twin brushless DC(BLDC) rotory compressors for this particular research.
For the control of wave square, our analysis shows that single compressor current wave changes along with high-low pressure. The high and low amplitude and its cycle are unsymmetrical, but as for twin compressor, the amplitude cycle is symmetrical.
This analysis provides can provide a tool for checking the accuracy of phase change from the inverter so that it is very important to study the technique of sensorless drive for phase change.
By using dynamic testing, back emf can be obtained and applied it to the sensorless balance circuit to fine the correct zero-crossing.
From the result of the measurement, we found that the stability between the leading angle of the pulse and the timing of phase change is an important index of sensorless BLDC and it strongly depends on the function of different motor. The results obtained in this study are very useful for industry application.

目 錄

書名頁…………………………………………………………… i
中文摘要………………………………………………………… ii
英文摘要………………………………………………………… iii
誌謝……………………………………………………………… iv
目錄……………………………………………………………… v
圖錄……………………………………………………………… viii
表錄……………………………………………………………… xii
第一章 緒 論……………………………………………… 1
1.1 前言………………………………………………… 1
1.2 研究背景與目的…………………………………… 2
1.3 內容大綱…………………………………………… 3
第二章 空調系統與變頻空調介紹………………………… 4
2.1 空調壓縮機………………………………………… 4
2.1.1 壓縮機的種類與特性……………………………… 5
2.2 冷媒的發展與趨勢………………………………… 9
2.2.1 冷氣工程術語……………………………………… 10
2.2.2 空調系統中常用的冷媒…………………………… 11
2.2.3 空調機用的新冷媒………………………………… 13
2.2.4 冷媒命名與同分子異構物………………………… 14
2.3 凝結器、膨脹閥與蒸發器………………………… 15
2.4 空調系統基本運作………………………………… 18
2.4.1 莫利爾線圖………………………………………… 19
2.4.2 變頻冷暖氣的莫利爾線圖………………………… 20
2.5 變頻空調系統基本運作…………………………… 22
2.5.1 變頻空調的優點…………………………………… 22
2.5.2 變頻空調理論分析………………………………… 24
第三章 直流無刷馬達結構原理與控制…………………… 27
3.1 簡介………………………………………………… 27
3.2 永磁式同步馬達之分類…………………………… 28
3.2.1 SPM與IPM馬達之比較…………………………… 29
3.2.2 永磁式同步馬達之構造…………………………… 31
3.2.3 永久磁石的材料…………………………………… 33
3.2.4 永久磁石的製程與特性…………………………… 33
3.2.5 塑膠磁鐵…………………………………………… 34
3.2.6 射出塑膠磁鐵優點與製程………………………… 35
3.3 直流無刷馬達及操作原理………………………… 36
3.3.1 直流有刷馬達與直流無刷馬達的比較…………… 37
3.3.2 直流無刷馬達運轉原理…………………………… 38
3.3.3 霍爾感測器………………………………………… 41
3.3.4 六步方波驅動……………………………………… 43
3.3.5 直流無刷馬達換相方式…………………………… 45
3.4 直流無刷壓縮機變頻控制………………………… 46
3.4.1 變頻壓縮機驅動電路架構………………………… 46
3.4.2 AC/DC變頻之差異………………………………… 47
3.4.3 變頻驅動之控制原理……………………………… 47
3.4.4 V/F曲線…………………………………………… 48
3.5 驅動方式…………………………………………… 48
3.5.1 PAM與PWM方式………………………………… 49
3.5.2 幾種PWM調制模式……………………………… 50
3.5.3 PWM載波產生原理 ……………………………… 52
3.5.4 無感測位置檢知法………………………………… 52
3.5.5 零交越點…………………………………………… 57
第四章 實驗步驟與量測儀器……………………………… 58
4.1 分析實機實驗……………………………………… 58
4.1.1 量測儀器…………………………………………… 58
4.1.2 運轉波形量測程序………………………………… 58
4.1.3 運轉波形量測……………………………………… 59
4.1.4 去磁的原因與影響………………………………… 66
4.2 量測結論…………………………………………… 67
4.3 設計一個無感測電路……………………………… 68
4.3.1 無感測電路內容…………………………………… 68
4.3.2 功率晶體模組的選用……………………………… 69
4.3.3 馬達運轉換相之流程……………………………… 70
4.3.4 馬達運轉換相之沿前角…………………………… 71
4.3.5 運轉電流與反電動勢量測………………………… 72
第五章 實驗結果與討論…………………………………… 74
5.1 強制換相起動程序………………………………… 74
5.1.1 強制換相起動程序的小結………………………… 75
5.2 頻率的量測………………………………………… 76
5.3 零交越訊號擷取(一)………………………………… 77
5.3.1 零交越訊號擷取小結(一)…………………………… 80
5.3.2 零交越訊號擷取(二)………………………………… 82
5.3.3 零交越訊號擷取小結(二)…………………………… 83
5.4 直流漣波(DC BUS)…………………………………… 84
5.4.1 直流漣波訊號擷取………………………………… 85
5.4.2 直流漣波訊號擷取小結…………………………… 86
5.5 其它壓縮機測試(單缸)……………………………… 87
5.6 其它壓縮機測試(雙缸)……………………………… 88
5.7 實際裝機測試……………………………………… 90
第六章 結論………………………………………………… 93
6.1 驅動電流…………………………………………… 94
6.1.1 壓縮機驅動電流之分析結論……………………… 94
6.2 起動電流…………………………………………… 95
6.2.1 直流無刷壓縮機起動電流之分析結論…………… 95
6.3 反電動勢量測……………………………………… 95
6.3.1 直流無刷壓縮機反電動勢量測分析結論………… 95
6.4 直流漣波量測……………………………………… 97
6.4.1 直流無刷壓縮機直流漣波量測分析結論………… 97
6.5 總結………………………………………………… 97
6.6 未來方向…………………………………………… 98
參考文獻………………………………………………………… 99









圖 錄

圖2-1 往復式壓縮機之運作圖 ………………………………… 5
圖2-2 迴轉式壓縮機運作之上視圖 …………………………… 6
圖2-3 迴轉式單缸壓縮機之構 ………………………………… 7
圖2-4 迴轉式雙缸壓縮機之結構 ……………………………… 7
圖2-5 渦卷式壓縮機運作圖 …………………………………… 8
圖2-6 螺旋式壓縮機運作圖 …………………………………… 9
圖2-7 冷媒命名法則一 ………………………………………… 14
圖2-8 冷媒命名法則二 ………………………………………… 14
圖2-9 凝結器散熱過程 ………………………………………… 15
圖2-10 實際凝結器實物 ………………………………………… 15
圖2-11 毛細管實物 ……………………………………………… 17
圖2-12 電子膨脹閥 ……………………………………………… 17
圖2-13 冷媒蒸發過程 …………………………………………… 17
圖2-14 室內蒸發器實物 ………………………………………… 17
圖2-15 冷媒循環系統 …………………………………………… 18
圖2-16 壓縮、冷凝、膨脹、蒸發與莫利爾線圖之關係 ……… 19
圖2-17 冷暖型變頻冷氣的冷凍系統圖 ………………………… 21
圖2-18 冷氣與暖氣時的莫氏線圖 ……………………………… 22
圖2-19 變頻式冷氣特性曲線 …………………………………… 23
圖2-20 室內室外熱平衡圖 ……………………………………… 24
圖2-21 牆壁之熱傳 ……………………………………………… 25
圖3-1 表面黏著磁極交軸與直軸 ……………………………… 29
圖3-2 永磁式直流馬達的結構 ………………………………… 31
圖3-3 分散繞馬達與集中繞馬達結構 ………………………… 32
圖3-4 直流無刷壓縮機馬達 …………………………………… 32
圖3-5 射出塑膠磁鐵之優點與製程 …………………………… 35
圖3-6 方波驅動BDCM驅動系統 ……………………………… 36
圖3-7 旋轉磁場與轉子之永久磁鐵磁場垂直 ………………… 37
圖3-8 直流有刷馬達與無刷馬達構造比較 …………………… 38
圖3-9 直流無刷馬達霍爾感測器與線圈之結構 ……………… 39
圖3-10 逆時鐘轉動電流方向 …………………………………… 40
圖3-11 逆時鐘轉動所需的電流輸入順序 ……………………… 40
圖3-12 直流無刷馬達中三相輸入電流的時間變化關係 ……… 41
圖3-13 霍爾感測器電流與磁場方向 …………………………… 42
圖3-14 U,V,W三相霍爾感測器量測之波形……………………… 43
圖3-15 六步方波循環圖 ………………………………………… 44
圖3-16 六步方波通電相序與霍爾感測器之關係 ……………… 44
圖3-17 換相之時序圖 …………………………………………… 45
圖3-18 AC與DC變頻壓縮機之驅動電路 ……………………… 46
圖3-19 V/F曲線圖………………………………………………… 48
圖3-20 脈衝寬度之調制 ………………………………………… 49
圖3-21 調變模式(先ON再PWM)………………………………… 50
圖3-22 調變模式(先PWM再ON)………………………………… 50
圖3-23 調變模式(上臂PWM-下臂ON)…………………………… 51
圖3-24 調變模式(上臂ON-下臂PWM)…………………………… 51
圖3-25 調變模式(上臂-下臂PWM)……………………………… 51
圖3-26 載波產生原理 …………………………………………… 52
圖3-27 實際轉子與假設轉子位置 ……………………………… 53
圖3-28 狀態觀測器軌跡法 ……………………………………… 54
圖3-29 反電動勢估測法 ………………………………………… 55
圖3-30 反電動勢偵測法 ………………………………………… 57
圖3-31 理想的零交越點 ………………………………………… 57
圖4-1 東芝模擬壓縮機負載 …………………………………… 58
圖4-2a 相電流量測方法 ………………………………………… 59
圖4-2b 相電流測棒 ……………………………………………… 59
圖4-2c 相電流量測示波器 ……………………………………… 59
圖4-3a 三洋直流變頻方波驅動低頻電流波形 ………………… 60
圖4-3b 理想的換相點 …………………………………………… 60
圖4-3c 三洋直流變頻方波驅動中頻電流波形 ………………… 60
圖4-4a 日立直流變頻方波驅動低頻電流波形 ………………… 61
圖4-4b 日立直流變頻方波驅動中頻電流波形 ………………… 61
圖4-4c 日立直流變頻方波驅動高頻電流波形 ………………… 61
圖4-5a 東芝直流變頻方波驅動低頻電流波形 ………………… 62
圖4-5b 東芝直流變頻方波驅動高頻電流波形 ………………… 62
圖4-5c 東芝直流變頻PWM duty比較 ………………………… 63
圖4-6a 東芝直流變頻弦波U相起動電流波形 ………………… 64
圖4-6b 東芝直流變頻弦波V相起動電流波形 ………………… 64
圖4-6c 東芝直流變頻弦波W相起動電流波形 ………………… 64
圖4-7a 國產直流變頻方波驅動換相不對稱 …………………… 65
圖4-7b 國產直流變頻方波驅動未通電相波形異常 …………… 65
圖4-7c 國產直流變頻方波驅動換相波形常 …………………… 65
圖4-8 永久磁鐵損壞情形……………………………………… 67
圖4-9 簡易的無感測示意圖…………………………………… 68
圖4-10a 功率晶體模組 TM-33(20Amp) ………………………… 69
圖4-10b 功率晶體模組 TM-36(15Amp) ………………………… 69
圖4-11 馬達運轉換相之流程圖………………………………… 70
圖4-12 零交越點與換相時間關係……………………………… 71
圖4-13 沿前角度概念圖………………………………………… 72
圖4-14a 實際反電動勢量測……………………………………… 73
圖4-14b 實際運轉電流量測……………………………………… 73
圖5-1a 動瞬時電流異常狀態…………………………………… 75
圖5-1b 動瞬時電流狀態一……………………………………… 76
圖5-1c 動瞬時電流狀態二……………………………………… 76
圖5-2 頻率的計算法則………………………………………… 77
圖5-3a 零交越訊號擷取運轉頻率30Hz………………………… 78
圖5-3b 零交越訊號擷取運轉頻率40Hz………………………… 78
圖5-3c 零交越訊號擷取運轉頻率50Hz………………………… 78
圖5-3d 零交越訊號擷取運轉頻率60Hz………………………… 79
圖5-3e 零交越訊號擷取運轉頻率70Hz………………………… 79
圖5-3f 零交越訊號擷取運轉頻率80Hz………………………… 79
圖5-3g 零交越訊號擷取運轉頻率90Hz………………………… 80
圖5-3h 零交越訊號擷取運轉頻率93Hz………………………… 80
圖5-4 反電動勢異常與異常電流的關係……………………… 81
圖5-5 理想反電動勢波形……………………………………… 82
圖5-6a 零交越訊號擷取逆向電壓寬度30Hz…………………… 83
圖5-6b 零交越訊號擷取逆向電壓寬度93Hz…………………… 83
圖5-7 未洩放完畢的電流與零交越偵測點之關係…………… 84
圖5-8a 橋式整流輸出至功率晶體模組之迴路………………… 85
圖5-8b 直流漣波量測方式……………………………………… 85
圖5-9 實際量測到高轉速時的直流漣波……………………… 86
圖5-10a 三星單缸壓縮機實際量測(低頻轉速) ………………… 87
圖5-10b 三星單缸壓縮機實際量測(中頻轉速) ………………… 87
圖5-10c 三星單缸壓縮機實際量測(高頻轉速) ………………… 87
圖5-10d 三星單缸壓縮機實際量測(起動瞬時電流) …………… 88
圖5-11a 三星雙缸壓縮機實際量測(低頻轉速) ………………… 89
圖5-11b 三星雙缸壓縮機實際量測(中頻轉速) ………………… 89
圖5-11c 三星雙缸壓縮機實際量測(高頻轉速) ………………… 89
圖5-11d 三星雙缸壓縮機實際量測(起動瞬時電流) …………… 90
圖5-12 固定熱源負載測試……………………………………… 91





















表 錄

表2-1 各種冷媒比較圖 ………………………………………… 12
表2-2 冷媒管制時程 …………………………………………… 12
表2-3 替代冷媒的種類與特性 ………………………………… 13
表3-1 IPM馬達與SPM馬達的結構…………………………… 29
表3-2 磁石結構特性 …………………………………………… 34
表3-3 磁石電氣特性 …………………………………………… 34
表3-4 AC/DC變頻之差異 ……………………………………… 47
表5-1 2500 Kcal實際量測溫度曲線……………………………… 91
表5-2 3600 Kcal實際量測溫度曲線……………………………… 92

參考文獻
1.長竹和夫『家電用motor inverter技術』，日刊工業新聞社，pp.30~43
pp.57~60 (2000)。
2.陳明忠，『新型電力電子變換技術』，中國電力出版社(2004)。
3.廖聰明，『直流無刷馬達之比較驅動特性』，國立清華大學電機系(2004)。
4.93變頻冰箱技術研會講義，經濟部.工業技術研究院.能資所(2004)。
5.94變頻冰箱技術研會講義，經濟部.工業技術研究院.能資所(2005)。
6.92變省能家電驅動EMC技術研討會講義，經濟部.工業技術研究院.能資所(2003)。
7.93省能家電直流無刷馬達與驅動控制技術研討會講義，經濟部.能委會(2004)。
8. Consoli, A., Scarcella G., Testa, A, “A new Zero-frequency flux-position detection approach fordirect-field-oriented-control drives,” IEEE transactions on Industry Applications, V36, P797-804 (2000).
9. Jung-Soo Choi, Sang-Uk Kim, Eul-Jea Lee, Young-Seok Kim, “A sensorless vector control of the saturated induction motor usingthird harmonic voltages,” IEEE Conference of Industrial Electronics Society, V2 , P978-980(1998).
10. Wei Kun Lou, Zhenli Zhang, Zhong Chao, “Estimate of rotor position of BDCM based on the third harmonic component,” Power Electronics and Motion Control Conference,P1306-1310(2004).
11. Leila Parsa, Hamid A. Toliyat, “Five-phase permanent-magnet motor drives,” IEEE transactions on Industry Applications, V41, P30-37(2005).
12.Shen, J.X., Iwasaki S., “Improvement of ASIC-based sensorless control ultrahigh-speed brushless DC motor driver,” Electric Machines and Drives Conference Applications, V2, P1049-1054(2003).
13. Moreira J.C., “Indirect sensing for rotor flux position of permanent magnet AC motors operating over a wide speed range,” IEEE Conference of Industrial Electronics Society, V32, P1394-1401(1996).
14. Leila Parsa, Hamid A. Toliyat, ” Multi-phase permanent magnet motor drives” 38th IAS Annual Meeting. Conference of Industry Applications, V1, P401-408(2003).
15.潘炎宗『用於空調系統永磁同步馬達控制器開發』，中原大學電機
工程學系碩士論文，93年7月。
16.陳弈宏『高功率變頻器之效能控制與分析』，國立清華大學機械工 程學系碩士論文，89年7月。
17.曾偉智『高效率變頻空調壓縮機驅動器之研製』，國立中山大學電機工程學系碩士論文，91年6月。
18.吳南億『以數位信號為基礎之電動機車無刷馬達驅動器』，國立中山大學電機工程學系碩士論文，90年7月。
19.羅永昌，張憲評『電工機械與實習』，成龍圖書公司(1990)。
20.王文博，胡興邦『冷凍空調原理』上下冊，承美科技圖書公司(1994)。
21.楊志明『變頻冷氣控制器之試製研究』大同大學機械工程學系碩
士論文，91年7月。
22.空調壓機簡介 SAMSUNG Electronics Co.,LTD.,SBR,pp3,TBR,pp2. August, (2005).
23. PMD變頻馬達單晶片講義Toshiba LSI System Support Co.Ltd . March, (2003).
24.三菱重工空調壓縮機,達富貿易2005年新產品介紹，技術研討會講
義。