變頻空調壓縮機及變頻調速系統(tǒng)的技術現(xiàn)狀

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變頻空調壓縮機及變頻調速系統(tǒng)的技術現(xiàn)狀摘要 本文介紹了三種常見制冷用變頻壓縮機的發(fā)展和技術現(xiàn)狀，并從逆變器，微控制器，PWM 波的生成方法以及變頻壓縮機所用電機等 4 個方面對變頻調速系統(tǒng)進行了探討。 關鍵詞 變頻壓縮機 變頻調速系統(tǒng) 技術現(xiàn)狀 1 引言 由于傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)采用定速壓縮機，因此人們對制冷系統(tǒng)及壓縮機的研究重點一直是在名義工況和額定轉速下穩(wěn)態(tài)工作時的效率和其它工作特性上。傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)采用定轉速壓縮機，實行開關控制，利用壓縮機上附帶的鼠籠式電動機驅動壓縮機，從而調節(jié)蒸發(fā)溫度。這種控制方式使蒸發(fā)溫度波動較大，容易影響被冷卻環(huán)境的溫度。壓縮機電機在工作過程中要不斷克服轉子從靜止到額定轉速變化過程中所產(chǎn)生的巨大轉動慣量，尤其是帶著負荷啟動時，啟動力矩要高出運行力矩許多倍，其結果不僅要額外耗費電能，而且會加劇壓縮機運動部件的磨損。另外這種運行方式在啟動過程中還會產(chǎn)生較大的振動、噪聲以及沖擊電流，引起電源電壓的波動，因此應采用變頻壓縮機替代定轉速壓縮機，從而避免這種頻繁的起停過程。 而變頻調速技術主要由以下 4 個方面的關鍵技術組成：逆變器，微控制器，PWM 波的生成以及變頻壓縮機的電機選擇。 2 三種變頻壓縮機的研究狀況 針對變頻壓縮機的研究，是從往復活塞機開始的，但由于其往復運動的特點，影響到變頻特性的發(fā)揮；從而轉到滾動轉子式壓縮機、渦旋壓縮機等回轉式壓縮機上來，大大提高了壓縮機的性能?？傮w說來，實驗研究居多，而理論分析較少。 2.1 往復式活塞壓縮機 日本東芝公司在 1980 年開發(fā)了往復式變頻壓縮機，又在 1981年開發(fā)了轉子式變頻壓縮機，文獻[1]給出這兩種機器的制冷量和總效率隨頻率變化的實驗數(shù)據(jù)，從中可以看出往復式在頻率為25~75Hz 時，效率高；而轉子式在 30~90Hz 時，效率高。并且兩種機型均存在效率最高頻率。在大于此頻率時效率緩慢降低，小于此頻率時，效率則下降很快。另外，Scalabrin 測量一臺可變速的開啟式往復壓縮機在不同轉速下的制冷量和輸入功率，他指出這臺壓縮機的容積效率在轉速為 1000rpm 時最高，而等熵效率和制冷系數(shù)隨轉速的降低而增高[2]。Krueger 討論了 BPM 電機及變頻器的設計，對轉速在 2000~5000rpm 的冰箱和往復式壓縮機進行了實驗研究，得到壓縮機的轉速為 3000~5000rpm 時制冷系數(shù)最高；而文獻 [3]則給出了其對冰箱用往復式壓縮機的性能試驗和模擬計算結果，在其研究的轉速范圍內(nèi) 2000~4000rpm，制冷系數(shù)隨轉速的增加而降低。還有學者對往復式變頻壓縮機的熱力性能進行了仿真研究，計算了壓縮機內(nèi)各部位的換熱量和壓力損失。 2.2 滾動轉子式壓縮機 在 1984 年，日本東芝公司的 Sakurai 和美國普渡大學的Hamilton 建立了簡單的滾動轉子式壓縮機的摩擦損失模型[4]，并選取不同的邊界摩擦系數(shù)和制冷劑在油中的溶解度計算了不同的轉速下的摩擦功耗。其結果與實驗值相比較，偏差較大。文獻[5]敘述了日立公司 1983 年批量生產(chǎn)的變頻轉子壓縮機在結構和材料上的改進。文獻[6]研究了單缸和雙缸轉子壓縮機的轉速波動，討論了電流頻率減小時，壓縮機性能降低的原因。文獻[7]采用低密度和鋁合金制作的滑片和轉子以降低高轉速時滑睡瑟轉子間的接觸力和轉子軸承承載。文獻[8]簡單分析了適當降低滑片的質量和厚度可以提高變頻轉子壓縮機的效率，并給出了氣缸、轉子和滑處的溫度及應力分布的有限元分析結果。Liu 和 Soedel 分析了變頻轉子壓縮機的吸氣和排氣氣流脈動[9，10]和吸氣管氣缸間的傳熱及壓縮機的溫度分布[11]，討論了影響變頻轉子壓縮機容積效率和氣缸壓縮過程效率的因素，給出了他們用計算機模擬計算出的在不同轉速下的容積效率和壓縮過程效率，從實驗數(shù)據(jù)和文獻[1]的實驗可以看出，其計算的容積效率隨轉速的增大而很快的增大。 2.3 渦旋式壓縮機 渦旋式壓縮機的原理早在 1886 年意大利的專利文獻[12]論及到了，1905 年法國工程師 Creux 正式提出渦旋式壓縮機原理及結構，并申請美國專利[13]。渦旋式壓縮機是一種新型的容積式壓縮機，具有結構緊湊、效率高、可靠性強、噪聲低等特點，尤其是用于變頻控制運行。但由于沒有數(shù)控加工技術和缺乏對軸向力平衡問題的妥善解決方法，因而長期未能完成其實用化。進入 70 年代，美國A.D.L 公司完成富有成效的研究，首先解決了渦旋盤端部磨損補償?shù)拿芊饧夹g。并在此基礎上與瑞士合作開發(fā)了多種工質的渦旋式壓縮機樣機。渦旋式壓縮機的真正規(guī)模生產(chǎn)始于日本。1981 年日本三電（SANDEN）公司開始生產(chǎn)用于汽車空調的渦旋式壓縮機，1983 年日立公司開始生產(chǎn) 2~5Hp 用于房間空調的渦旋式壓縮機。此外，在美國，自 Copeland 公司 1987 年建立渦旋式壓縮機生產(chǎn)線推出其產(chǎn)品后，Carrier 、Trane、Tecumseh 等公司也分別設廠生產(chǎn)高質量的渦旋式壓縮機。而變頻渦旋壓縮機已應用于柜式空調器上，節(jié)能效果明顯，制冷系數(shù)提高 20%左右，成為目前渦旋壓縮機的一個研究熱點。3 變頻調速技術的發(fā)展及現(xiàn)狀 變頻調速技術適應于節(jié)能降耗和舒適性的要求，目前已應用于新一代的空調器上，在 90 年代初進入國內(nèi)空調市場，其核心是：逆變器、微控制器、PWM 波的生成和變頻壓縮機的電機。3.1 逆變器 變頻空調的核心部件是變頻器，其主要電路采用交-直- 交電壓型方式。交-直過程一般采用單相二級管不可控直接整流，直- 交過程一般采用 6 管三相逆變器，另有一個輔助電源，一個逆變器控制器和相應的驅動電路。 早期的變頻器采用分立元件構成，整流器采用單相倍壓整流電路，逆變器由 6 只分立的功率晶體管（ GTR）構成。這種電路復雜，可靠性差。目前大部分廠家采用的逆變橋由 6 個絕緣柵極晶體管（IGBT）組成，其綜合了 MOSFET 和 GTR 的優(yōu)點，開關頻率高、驅動功率小。隨著智能功率模塊（IPM）技術的發(fā)展應用，IPM 正在逐步取代普通 IGBT 模塊。由于 IPM 內(nèi)部既有 IGBT 的棚極驅動和保護邏輯，又有過流、過（欠）壓、短路和過熱探測以及保護電路，提高了變頻器的可靠性和可維護性。另外，IPM 的體積與普通 IGBT 模塊不相上下，價格也比較接近，因此目前應用較為廣泛。比較成功的產(chǎn)品如：日本三菱電機公司所生產(chǎn)的 PM20CSJ060 型以及日本新電元公司生產(chǎn)的 TM 系列 IPM 模塊等。 功率因素校正（PFC）環(huán)節(jié)和逆變橋集成是新一代的空調器逆變電源技術。PFC 技術的應用不但可以極大改善電網(wǎng)的工作環(huán)境，減少輸電線的損耗，而且在變頻工作時可以減小輸入端電感和輸出端電容器，減小模塊體積。因此 PFC 環(huán)節(jié)和 IPM 逆變橋集成一體化是家用空調器發(fā)展的必然。 3.2 微控制器 微電子技術的發(fā)展使變頻調速的實現(xiàn)手段發(fā)生了根本的變化，從早期的模擬控制技術發(fā)展數(shù)字控制技術。目前國外一些跨國公司的微控制器產(chǎn)品占據(jù)著主要的市場，如：Motorola 公司的MC68HC08MP16、Intel 公司的 80C196MC、三菱公司的 M37705 等。這些公司的產(chǎn)品性能價格比較高、功能強大，如帶有 A/D 轉換器、PWM 波形發(fā)生器、LED/LCD 驅動等，且一般都有 OTP 產(chǎn)品以及功耗低可長期穩(wěn)定的工作。微控制器目前主要由單片機向 DSP（信號處理器）過渡。以目前應用比較廣泛的 TI 公司的 TMS320C240 為例，其具有：50Ns 的指令周期， 544 字的 RAM，16K 的 EEPROM，12 個PWM 通道，三個 16 位計數(shù)器，兩個 10 位 A/D 轉換，WATCHDOG，串行通訊口，串行外圍接口等，采用 DSP，可使控制電路簡單，而且控制功能強大。 3.3 PWM 波的生成 在家用空調器中，目前國內(nèi)大部分廠家采用常規(guī)的 SPWM 方法，在國外，在部分廠家以采用磁通跟蹤型 SPWM 生成方法，該方法以不同的開關模式在電機中產(chǎn)生的實際磁通去逼近定子磁鏈的給定軌跡 —理想磁通圓，即用空間電壓矢量的方法決定逆變器的開關狀態(tài)，以形成 PWM 波形，該方法電壓利用率高，低頻諧波轉矩小，頻率變化范圍寬、運行穩(wěn)定，具有比較好的控制性能。近期出現(xiàn)的 PAM控制（Pulse Amplitude Modulation）不采用載波頻率進行整流，而直接改變電壓，減少了整流所需的能耗，提高了變頻器的工作效率，滿足了節(jié)電和降低高次諧波的要求，使供暖能力得到提高。 3.4 變頻壓縮機的電機 變頻壓縮機電機主要分為交流異步電動機和直流無刷電動機兩種。目前國內(nèi)一些大的壓縮機生產(chǎn)廠家如：萬寶、松下、上海日立、東芝萬家樂等已有能力生產(chǎn)變頻壓縮機（包括交流機和直流機） ，交流電動機成本低，制造工藝簡單，但其節(jié)能效果較差。直流無刷電機拖動由無刷電機本身，轉子位置傳感器和電子換向開關組成。轉子磁極為永磁體，電樞繞組采用自控式換流，定子旋轉磁場與轉子磁極同步旋轉，通常采用按轉子磁場定向的定子電流矢量變換控制，既有普通直流電機良好的調速性能和啟動性能，又從根本上消除了換向火花、無線電干擾的弊端，具有壽命長、可靠性高和噪聲低，控制方便等優(yōu)點。以 1998 年三菱電機公司開發(fā)的適用于空調壓縮機的節(jié)能高效直流無刷電機為例，其具有：轉子上安裝了 8 塊 V 字型永久磁體。磁體為埋入式，轉子不會在不銹鋼外殼中因渦流因而產(chǎn)生損耗；采用了新的壓縮機電機驅動方式，效率比普通的無刷電機高，但是這種壓縮機電機的價格較高。 開關磁阻電動機（SRM）是 80 年代新推出的變速傳動系統(tǒng)，由磁阻電動機和控制器組成，是新一代機電一體化產(chǎn)品。該電機結構十分簡單，但是比普通磁阻電動機多了轉子位置檢測器（一般為光電檢測） ，總體上比較流異步電動機簡單、堅固和便宜，又因為繞組電流是直流脈沖，只需整流，無需逆變，所以控制電路簡單。目前有關 SRM 的理論尚不夠完善，低速時，轉矩有些脈動，噪聲和震動較大，轉速的穩(wěn)態(tài)精度不夠高等，有待今后進一步研究解決。 值得注意的是，國外針對變頻空調器重新設計了壓縮機，把電機從傳統(tǒng)的單相電容電機改進為三相交流電機，以具有良好的調速性能。為了適應國內(nèi)目前大量生產(chǎn)和使用的傳統(tǒng)壓縮機的變頻調速。有必要開發(fā)出單相電容電機的變頻器。