1 引言
目前中國的能源供需嚴重不平衡。由于工業(yè)的快速發(fā)展，汽車和家用電器數(shù)量的日益增加，能源需求量也在日益增長，使得電力供應越來越緊張。解決能源供需不平衡問題的關鍵在于在工業(yè)和民用部門中推廣使用節(jié)能產(chǎn)品。調速電動機控制能夠成為節(jié)約電能的主要方法。但是，在過去的10年內，由于市場原因，基于逆變器的電動機驅動系統(tǒng)的推廣受到了阻礙，尤其是在家電應用領域。其深層原因在于，中國市場要求家用電器具有較低的市場價格，而日本和歐洲等發(fā)達地區(qū)的市場并非如此。國內電器制造商采用新型逆變器技術的能力比預期的要低。最近中國政府發(fā)布了能源效率指導準則，使得國內電器制造商采用最新逆變器技術開發(fā)節(jié)能產(chǎn)品的能力有所改進，加速了逆變器驅動產(chǎn)品的推廣應用。制造商對電動機類型的選擇帶來的經(jīng)濟影響發(fā)生了巨大變化。到目前為止，工業(yè)電器和家用電器主要使用感應電動機（im）。但是鋼材價格的上升和磁性材料價格的下降(許多工業(yè)觀察家預測該趨勢將繼續(xù)下去),使得永磁電動機更加經(jīng)濟。因此，接下來的10年內，永磁電動機的比重將會增加，尤其是在小功率的電器應用中，例如家用空調和洗衣機。
在價格和性能競爭激烈的基于逆變器的家用電器控制系統(tǒng)中應用先進的永磁電動機，同時簡化結構提高能量轉換效率以降低成本，這具有挑戰(zhàn)性。成功應對該挑戰(zhàn),要求電器設計師和電力電子器件供應商對系統(tǒng)設計進行更加深入的研究。為了達到上述兩個目標，國際整流器公司的集成設計平臺綜合了電動機控制子系統(tǒng)的結構體系、芯片集和控制算法。該芯片組采用嵌入式永磁電動機以提高效率。對空調類產(chǎn)品來說，嵌入式永磁電動機比感應電動機或表面式永磁電動機效率要高。imotion™芯片組還包含一個基于專用運動控制引擎的控制器和一個新型高電壓模擬集成電路，該集成電路專為解決空調應用中的問題而設計。本文首先介紹目前能源節(jié)約狀況，然后深入討論了一個空調外機的設計問題，分析了基于imotion™芯片組設計的優(yōu)點,并給出了相應的測試結果。

2 日益增長的能源需求和中國新的能源方針
過去的10年內，中國工業(yè)取得了長足發(fā)展。例如:1994年以來，國內鋼鐵消耗量以每年兩位數(shù)的速度增長。中國對鋼材的年消耗量已經(jīng)從2001年的3000萬噸增加到2005年的33500萬噸，超過了美國和日本鋼材消耗的總和，始終處于第一位。國際鋼鐵聯(lián)盟預計2005年中國將消耗掉世界鋼材總產(chǎn)量的31%。
中國鋼材消耗的增加不僅在于大量工廠和新建筑物的建造,還與工業(yè)、商業(yè)、民用領域電氣設備的快速增加有關。電氣設備的增長趨勢還促進了能源需求的快速增加[1]。
圖1給出了過去和將來預計的中國能源供需數(shù)據(jù)。據(jù)預測，如果按現(xiàn)在的趨勢發(fā)展下去，幾年之后中國將面臨嚴重的能源短缺[1]?，F(xiàn)在，周期性的拉閘限電現(xiàn)象在較發(fā)達的中國南部和東部地區(qū)已經(jīng)很普遍。預計今年中國的總用電量將超過2.4萬億千瓦時，比上年增加2770億千瓦時。

圖1 中國能源的供應量和需求量

近些年來，中國已經(jīng)采取了多種改善效率的方法。其中之一就是制定了類似于歐洲標準的能源效率指導法規(guī)，對家用電器進行分類。2005年中國規(guī)定了家用電器的能效比（eer），將從今年3月開始實行，并要求所有新生產(chǎn)的家用電器必須貼上如圖2所示的能源標簽。

圖2 中國的能效標簽

表1給出了空調的eer要求。eer低于2.6的空調現(xiàn)在不允許出售。

表1 中國能效比（eer）要求

3 基于逆變器的家用電器對中國的影響
2000年，中國生產(chǎn)了1400萬臺空調和1400萬臺洗衣機。今年中國生產(chǎn)了4800萬臺空調和2300萬臺洗衣機，超過了日本和韓國的使用量。目前在民用電器中，空調的增長速度最快。
式（1）給出了表征空調效率的性能系數(shù)（cop）:
cop=制熱或制冷功率/輸入功率 （1）
例如:在日本2.2kw制冷功率的空調系統(tǒng)的性能系數(shù)大于5。換句話說，400w的交流輸入功率可以產(chǎn)生2.2kw的制冷功率。而在中國2.2kw空調的性能系數(shù)一般為1.3左右（見圖3和圖4）。

圖3 中國空調的性能系數(shù)（cop）

圖4 中國空調性能系數(shù)（cop）的發(fā)展過程

如此低的性能系數(shù)主要由于大多數(shù)空調的壓縮機使用開關控制感應電動機。當使用pwm控制逆變器驅動感應電動機時，性能系數(shù)將提高到3.5。采用永磁電動機，尤其是嵌入式永磁電動機的壓縮機能量傳送效率最高，其性能系數(shù)接近于5.5。
根據(jù)這些觀察結果，能夠計算出每臺2kw的家用空調系統(tǒng)的電能節(jié)省量。假設空調的使用期為4個月，從6月到9月，與開關控制相比較，采用感應電動機可以節(jié)約0.97kw電能，而采用永磁電動機可以節(jié)約1.18kw電能。如果4800萬臺空調都采用逆變器驅動，每年將節(jié)約5530億千瓦時（kwh）電量。采用感應電動機，每個用戶每年將節(jié)約622元人民幣，如采用永磁電動機，這一數(shù)字將增加到757元。

4 家電用調速電動機
在全球范圍內，感應電動機和永磁電動機廣泛應用于家電領域。而中國的家電領域歷來是感應電動機一統(tǒng)天下。但是，最近鋼材價格的增長使得永磁電動機比感應電動機更加具有吸引力，因為前者耗用的鋼材較少。與永磁電動機相比較，感應電動機能量損耗較大，因此要傳輸相同功率，感應電動機的容量要大。但是較高的磁材料成本限制了永磁電動機在低成本家電中的應用。
表2給出了用于洗衣機的各種750w電動機成本的比較結果。由于磁材料成本低于鋼鐵成本的節(jié)省量，使得永磁電動機的總成本較低。

表2 750w電動機成本比較

永磁電動機比感應電動機在單位電流轉矩和損耗方面有明顯的優(yōu)勢。感應電動機將電流輸入轉子繞組而產(chǎn)生轉矩，這會產(chǎn)生額外的電路損耗，而永磁電動機不存在這種情況。嵌入式永磁電動機能夠產(chǎn)生比其他類型永磁電動機更大的單位電流轉矩(見圖5)，尤其是可以控制磁阻轉矩的嵌入式永磁電動機，它在所有類型電動機中效率是最高的。式(2)中的第二個式子是磁阻轉矩表達式。當β=0°時主轉矩達到最大值，當β=45°時磁阻轉矩達到最大值。當β=0°～45°的某個值時，他們的和達到最大值，β的具體值依賴于{lq－ld}的值。lq與ld差值越大，得到的轉矩也就越大。
t=pn[φ0iq＋( lq－ id) iq id]
或t=pn｛φaiacosβ＋[(lq－id)ia2sin(2β)]/2｝（2）

圖5 嵌入式永磁電動機(ipm)的磁阻轉矩和轉矩角

圖6 給出了各種類型的750w電動機的損耗分析，其中im代表感應電動機，syncrm代表同步磁阻電機，spm代表表面貼式永磁電動機，ipm代表嵌入式永磁電動機。從圖6中可以看到，嵌入式永磁電動機的損耗不到感應電動機的一半。

圖6 各種電動機的損耗比較

5 空調外機的高能效解決方案
近年來獲取傳統(tǒng)的基于逆變器的空調外機有兩種途徑。一種是從日本制造商進口最終成品（圖7），另一種是由國內制造商開發(fā)生產(chǎn)。由于日本優(yōu)先考慮低振動和安靜運行性能指標，所以從日本進口的空調外機主要采用渦旋式或雙轉子壓縮機，這些壓縮機比單轉子壓縮機多消耗40%的電量，但是后者運行時容易產(chǎn)生較大振動和噪聲?？照{逆變器控制結構包括一個先進的32位risc微控制器、獨立的風扇逆變器和pfc，其中微控制器用來控制空調壓縮機。

圖7 傳統(tǒng)的日本空調外機

在中國經(jīng)歷10來年的進口歷史之后，由于昂貴的壓縮機和復雜的逆變器控制，基于逆變器空調設計的結構成本太高，因而這種設計沒有得到很好的普及。后一種方法使用了帶有開環(huán)壓頻控制、開關風扇控制和獨立pfc的im壓縮機(見圖8)。雖然這種設計的成本與前者相當，但能效方面改進不大，節(jié)約電能有限，因此，這種方法的推廣也受到限制。

圖8 傳統(tǒng)的基于im的空調外機

最近，國際整流器公司推出了imotion™ 集成設計平臺，期望能夠解決效率問題。imotion™芯片組允許空調采用單轉子壓縮機，同時具有安靜、低振動運行性能。專用型芯片組包括irmcf312空調控制器和irs2630d高壓模擬集成電路。
5.1 新型mce控制器——irmcf312
irmcf312是一種新型空調控制器，采用了一種新型mce結構——專用硬件控制引擎,該引擎為應用于ipm和風扇的數(shù)字式pfc控制和無傳感器正弦位置控制提供了快速算法。利用芯片，設計者可以省去單獨的風扇控制器和模擬的pfc控制功能。為了實現(xiàn)無傳感器的磁場定向控制 （foc），該芯片只需要在直流環(huán)節(jié)中加一個檢測電流的分流電阻，并結合一個精密快速模擬電路和一個用于重建電動機相電流的12位模/數(shù)轉換器。因此，irmvcf312控制器不需要外部有源器件，它可以與每個分流電阻直接相連。為了達到較高的pfc性能，irmvcf312芯片集成了高精度運算放大器，這些放大器可以通過外部電阻與交流線電壓和直流母線電壓相連接。在典型的電路結構中，與先前的32位risc微控制器相比，利用irmvcf312芯片可以減少5個外部運算放大器和相應的取樣/保持電路。irmvcf312芯片有一個64mhz的內部時鐘，它可以在12μs內完成全部無傳感器正弦foc運算。irmvcf312芯片還包含一個8位的微控制器，大大簡化了非驅動任務的計算和控制，如排序、與uart、i2c/spi、計時器/計數(shù)器、數(shù)字i/o外部設備等進行通信。圖9給出了irmvcf312芯片內部結構框圖。運動控制引擎（mce）無需像傳統(tǒng)的基于微控制器或dsp的控制器那樣編寫代碼。編程工作主要利用matlab/simubbbb提供的圖形化控制塊來完成（見圖10）。

圖9 irmvcf312芯片內部結構框圖

圖10 運動控制引擎(mce)

5.2 空調專用高壓集成電路芯片——irs2630d
新型irs2630d高壓集成電路芯片是一種支持高效節(jié)能空調外機設計的輔助器件。這種新型芯片具有逆變器igbt門極驅動和過流保護功能，另外還包含一個pfc驅動器和接地錯誤檢測電路。接地錯誤檢測電路可以與高壓側分流電阻直接相連，無需額外的電路或電源。irs2630d芯片還包含診斷查詢邏輯，便于進行錯誤識別，而不需要額外的引腳。國際整流器公司還開發(fā)出一種新型智能功率模塊，該模塊包含一個irs2630d芯片和最新的“溝槽柵”型igbt。
圖11給出了基于imotion™芯片組空調外機的完整設計。利用該芯片組可以減少十多個有源器件，其中包括一個pfc控制器和一個用于高壓側接地錯誤檢測的霍爾電流傳感器，從而簡化了設計過程。與傳統(tǒng)的設計方法相比較，利用imotion™芯片組和低成本單轉子壓縮機極少量的外部器件就能夠設計出高效率空調。

圖11 基于imotiontm的空調外機設計

5.3 測試結果
圖12給出了一張示波器波形圖，顯示了額定負載下壓縮機電動機電流、風扇電動機電流、pfc電流和輸入電壓的波形。pfc和壓縮機電流波形的刻度是10a每分度，風扇電流波形的刻度是1a每分度。pfc控制采用的是無橋結構（圖9），受mce數(shù)字pfc算法控制。壓縮機和風扇pwm的頻率分別為6khz和18khz。380v的直流電壓由220v交流輸入得到。三種控制功能在一個4kw空調應用中并行作用。壓縮機使用四極ipm電動機，ld/lq等于3.5，運行轉速為5200r/min。風扇采用spm電動機，運行轉速為1000r/min。irmcf312芯片控制著這2個電動機，沒有位置傳感器，只要求在直流側接入分流電阻。

圖12 pfc、壓縮機和風扇電流

圖13顯示了逆變器與pfc的效率數(shù)據(jù)，采用的是交流輸入功率和逆變輸出功率測量方法。pfc工作在連續(xù)電流模式，具有20khz的數(shù)字刷新速率和40khz 的pwm載波頻率。pfc和逆變器的聯(lián)合總效率大于95%，與目前市場中效率最高的空調相比，提高了5%。
圖13 效率測試結果（pfc和壓縮機逆變器的聯(lián)合效率）

圖13 效率測試結果（pfc和壓縮機逆變器的聯(lián)合效率）

6 結束語
本文討論了中國嚴峻的能源供需問題，論述了高效節(jié)能的電器在緩解能源危機、帶給家庭經(jīng)濟實惠中扮演的重要角色。本文還討論了如何利用imotiontm芯片組來提高效率降低成本，展示了該芯片組在未來如何通過集成簡化空調設計，獲得高效率。