變頻空調(diào)壓縮機及變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀

變頻空調(diào)壓縮機及變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)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(shù)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(diào)速系統(tǒng)進行了探討。 關(guān)鍵詞 變頻壓縮機 變頻調(diào)速系統(tǒng) 技術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速壓縮機，實行開關(guān)控制，利用壓縮機上附帶的鼠籠式電動機驅(qū)動壓縮機，從而調(diào)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(zhuǎn)子從靜止到額定轉(zhuǎn)速變化過程中所產(chǎn)生的巨大轉(zhuǎn)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(jié)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(yīng)采用變頻壓縮機替代定轉(zhuǎn)速壓縮機，從而避免這種頻繁的起停過程。 而變頻調(diào)速技術(shù)主要由以下 4 個方面的關(guān)鍵技術(shù)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(fù)活塞機開始的，但由于其往復(fù)運動的特點，影響到變頻特性的發(fā)揮；從而轉(zhuǎn)到滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機、渦旋壓縮機等回轉(zhuǎn)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(fù)式活塞壓縮機 日本東芝公司在 1980 年開發(fā)了往復(fù)式變頻壓縮機，又在 1981年開發(fā)了轉(zhuǎn)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(fù)式在頻率為2575Hz 時，效率高；而轉(zhuǎn)子式在 3090Hz 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(fù)壓縮機在不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為 1000rpm 時最高，而等熵效率和制冷系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的降低而增高2。Krueger 討論了 BPM 電機及變頻器的設(shè)計，對轉(zhuǎn)速在 20005000rpm 的冰箱和往復(fù)式壓縮機進行了實驗研究，得到壓縮機的轉(zhuǎn)速為 30005000rpm 時制冷系數(shù)最高；而文獻 3則給出了其對冰箱用往復(fù)式壓縮機的性能試驗和模擬計算結(jié)果，在其研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi) 20004000rpm，制冷系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加而降低。還有學(xué)者對往復(fù)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(zhuǎn)子式壓縮機 在 1984 年，日本東芝公司的 Sakurai 和美國普渡大學(xué)的Hamilton 建立了簡單的滾動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下的摩擦功耗。其結(jié)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(zhuǎn)子壓縮機在結(jié)構(gòu)和材料上的改進。文獻6研究了單缸和雙缸轉(zhuǎn)子壓縮機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子以降低高轉(zhuǎn)速時滑睡瑟轉(zhuǎn)子間的接觸力和轉(zhuǎn)子軸承承載。文獻8簡單分析了適當(dāng)降低滑片的質(zhì)量和厚度可以提高變頻轉(zhuǎn)子壓縮機的效率，并給出了氣缸、轉(zhuǎn)子和滑處的溫度及應(yīng)力分布的有限元分析結(jié)果。Liu 和 Soedel 分析了變頻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)。并在此基礎(chǔ)上與瑞士合作開發(fā)了多種工質(zhì)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(diào)的渦旋式壓縮機，1983 年日立公司開始生產(chǎn) 25Hp 用于房間空調(diào)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(shè)廠生產(chǎn)高質(zhì)量的渦旋式壓縮機。而變頻渦旋壓縮機已應(yīng)用于柜式空調(diào)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(diào)速技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 變頻調(diào)速技術(shù)適應(yīng)于節(jié)能降耗和舒適性的要求，目前已應(yīng)用于新一代的空調(diào)器上，在 90 年代初進入國內(nèi)空調(diào)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(diào)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(yīng)的驅(qū)動電路。 早期的變頻器采用分立元件構(gòu)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(gòu)成。這種電路復(fù)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(guān)頻率高、驅(qū)動功率小。隨著智能功率模塊（IPM）技術(shù)的發(fā)展應(yīng)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(qū)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(yīng)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(diào)器逆變電源技術(shù)。PFC 技術(shù)的應(yīng)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(diào)器發(fā)展的必然。 3.2 微控制器 微電子技術(shù)的發(fā)展使變頻調(diào)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(shù)發(fā)展數(shù)字控制技術(shù)。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(zhuǎn)換器、PWM 波形發(fā)生器、LED/LCD 驅(qū)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(yīng)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(zhuǎn)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(diào)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(guān)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(guān)狀態(tài)，以形成 PWM 波形，該方法電壓利用率高，低頻諧波轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向開關(guān)組成。轉(zhuǎn)子磁極為永磁體，電樞繞組采用自控式換流，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁極同步旋轉(zhuǎn)，通常采用按轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)壓縮機的節(jié)能高效直流無刷電機為例，其具有：轉(zhuǎn)子上安裝了 8 塊 V 字型永久磁體。磁體為埋入式，轉(zhuǎn)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(qū)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(guān)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(jié)構(gòu)十分簡單，但是比普通磁阻電動機多了轉(zhuǎn)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(guān) SRM 的理論尚不夠完善，低速時，轉(zhuǎn)矩有些脈動，噪聲和震動較大，轉(zhuǎn)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(diào)器重新設(shè)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(diào)速性能。為了適應(yīng)國內(nèi)目前大量生產(chǎn)和使用的傳統(tǒng)壓縮機的變頻調(diào)速。有必要開發(fā)出單相電容電機的變頻器。