變頻空調壓縮機及變頻調速系統(tǒng)的技術現(xiàn)狀

1、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

2、生 的巨大轉動慣量，尤其是帶著負荷啟動時，啟動力矩要高岀運行力矩許多倍，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

3、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給岀這兩種機器的制冷量和總效率隨頻率變化的實驗數據，從中可以看岀往復式在頻率為2575Hz時，效率高；而轉子式在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壓縮機在不同轉速下的制冷量和輸入功率，他指岀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隨轉速的降低而增高2。Krueger討論了 BPM電機及變頻器的設計

4、，對轉速在20005000rpm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30005000rpm時制冷系數最高；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 20004000rpm，制冷系數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

5、較，偏差較大。文獻5敘述了日立公司1983年批量生產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，并給岀了氣缸、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，給岀了他們用計算機模擬計算

6、岀的在不同轉速下的容積效率和壓縮過程效率，從實驗 數據和文獻1的實驗可以看岀，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的密封技術。并在此基礎上與瑞士合作開發(fā)了多種工質的渦

7、旋式 壓縮機樣機。渦旋式壓縮機的真正規(guī)模生產始于日本。1981年日本三電（SANDEN ）公司開始生產用于汽車空調的渦旋式壓縮機，1983年日立公司開始生產 25Hp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線推出其產品后，Carrier、Trane、Tecumseh等公司也分別設廠生產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年代初進入國內空調市

8、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IGB

9、T模塊。由于IPM內部既有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。比較成功的產品如：日本三菱電 機公司所生產的PM20CSJ060型以及日本新電元公司生產的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岀端電容器，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

10、.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)展數字控制技術。目前國外一些跨國公司的微控制器產品占據著主要的市場，女口： Motorola公司的MC68HC08MP16、Intel公司的80C196MC、三菱公司的 M37705等。這些公司的產品性能價格比較高、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