变频空调压缩机及变频调速系统的技术现状

变频空调压缩机及变频调速系统的技术现状摘要 本文介绍了三种常见制冷用变频压缩机的发展和技术现状，并从逆变器，微控制器，PWM 波的生成方法以及变频压缩机所用电机等 4 个方面对变频调速系统进行了探讨。 关键词 变频压缩机 变频调速系统 技术现状 1 引言 由于传统的制冷系统采用定速压缩机，因此人们对制冷系统及压缩机的研究重点一直是在名义工况和额定转速下稳态工作时的效率和其它工作特性上。传统的制冷系统采用定转速压缩机，实行开关控制，利用压缩机上附带的鼠笼式电动机驱动压缩机，从而调节蒸发温度。这种控制方式使蒸发温度波动较大，容易影响被冷却环境的温度。压缩机电机在工作过程中要不断克服转子从静止到额定转速变化过程中所产生的巨大转动惯量，尤其是带着负荷启动时，启动力矩要高出运行力矩许多倍，其结果不仅要额外耗费电能，而且会加剧压缩机运动部件的磨损。另外这种运行方式在启动过程中还会产生较大的振动、噪声以及冲击电流，引起电源电压的波动，因此应采用变频压缩机替代定转速压缩机，从而避免这种频繁的起停过程。 而变频调速技术主要由以下 4 个方面的关键技术组成：逆变器，微控制器，PWM 波的生成以及变频压缩机的电机选择。 2 三种变频压缩机的研究状况 针对变频压缩机的研究，是从往复活塞机开始的，但由于其往复运动的特点，影响到变频特性的发挥；从而转到滚动转子式压缩机、涡旋压缩机等回转式压缩机上来，大大提高了压缩机的性能。总体说来，实验研究居多，而理论分析较少。 2.1 往复式活塞压缩机 日本东芝公司在 1980 年开发了往复式变频压缩机，又在 1981年开发了转子式变频压缩机，文献1给出这两种机器的制冷量和总效率随频率变化的实验数据，从中可以看出往复式在频率为2575Hz 时，效率高；而转子式在 3090Hz 时，效率高。并且两种机型均存在效率最高频率。在大于此频率时效率缓慢降低，小于此频率时，效率则下降很快。另外，Scalabrin 测量一台可变速的开启式往复压缩机在不同转速下的制冷量和输入功率，他指出这台压缩机的容积效率在转速为 1000rpm 时最高，而等熵效率和制冷系数随转速的降低而增高2。Krueger 讨论了 BPM 电机及变频器的设计，对转速在 20005000rpm 的冰箱和往复式压缩机进行了实验研究，得到压缩机的转速为 30005000rpm 时制冷系数最高；而文献 3则给出了其对冰箱用往复式压缩机的性能试验和模拟计算结果，在其研究的转速范围内 20004000rpm，制冷系数随转速的增加而降低。还有学者对往复式变频压缩机的热力性能进行了仿真研究，计算了压缩机内各部位的换热量和压力损失。 2.2 滚动转子式压缩机 在 1984 年，日本东芝公司的 Sakurai 和美国普渡大学的Hamilton 建立了简单的滚动转子式压缩机的摩擦损失模型4，并选取不同的边界摩擦系数和制冷剂在油中的溶解度计算了不同的转速下的摩擦功耗。其结果与实验值相比较，偏差较大。文献5叙述了日立公司 1983 年批量生产的变频转子压缩机在结构和材料上的改进。文献6研究了单缸和双缸转子压缩机的转速波动，讨论了电流频率减小时，压缩机性能降低的原因。文献7采用低密度和铝合金制作的滑片和转子以降低高转速时滑睡瑟转子间的接触力和转子轴承承载。文献8简单分析了适当降低滑片的质量和厚度可以提高变频转子压缩机的效率，并给出了气缸、转子和滑处的温度及应力分布的有限元分析结果。Liu 和 Soedel 分析了变频转子压缩机的吸气和排气气流脉动9，10和吸气管气缸间的传热及压缩机的温度分布11，讨论了影响变频转子压缩机容积效率和气缸压缩过程效率的因素，给出了他们用计算机模拟计算出的在不同转速下的容积效率和压缩过程效率，从实验数据和文献1的实验可以看出，其计算的容积效率随转速的增大而很快的增大。 2.3 涡旋式压缩机 涡旋式压缩机的原理早在 1886 年意大利的专利文献12论及到了，1905 年法国工程师 Creux 正式提出涡旋式压缩机原理及结构，并申请美国专利13。涡旋式压缩机是一种新型的容积式压缩机，具有结构紧凑、效率高、可靠性强、噪声低等特点，尤其是用于变频控制运行。但由于没有数控加工技术和缺乏对轴向力平衡问题的妥善解决方法，因而长期未能完成其实用化。进入 70 年代，美国A.D.L 公司完成富有成效的研究，首先解决了涡旋盘端部磨损补偿的密封技术。并在此基础上与瑞士合作开发了多种工质的涡旋式压缩机样机。涡旋式压缩机的真正规模生产始于日本。1981 年日本三电（SANDEN）公司开始生产用于汽车空调的涡旋式压缩机，1983 年日立公司开始生产 25Hp 用于房间空调的涡旋式压缩机。此外，在美国，自 Copeland 公司 1987 年建立涡旋式压缩机生产线推出其产品后，Carrier 、Trane、Tecumseh 等公司也分别设厂生产高质量的涡旋式压缩机。而变频涡旋压缩机已应用于柜式空调器上，节能效果明显，制冷系数提高 20%左右，成为目前涡旋压缩机的一个研究热点。3 变频调速技术的发展及现状 变频调速技术适应于节能降耗和舒适性的要求，目前已应用于新一代的空调器上，在 90 年代初进入国内空调市场，其核心是：逆变器、微控制器、PWM 波的生成和变频压缩机的电机。3.1 逆变器 变频空调的核心部件是变频器，其主要电路采用交-直- 交电压型方式。交-直过程一般采用单相二级管不可控直接整流，直- 交过程一般采用 6 管三相逆变器，另有一个辅助电源，一个逆变器控制器和相应的驱动电路。 早期的变频器采用分立元件构成，整流器采用单相倍压整流电路，逆变器由 6 只分立的功率晶体管（ GTR）构成。这种电路复杂，可靠性差。目前大部分厂家采用的逆变桥由 6 个绝缘栅极晶体管（IGBT）组成，其综合了 MOSFET 和 GTR 的优点，开关频率高、驱动功率小。随着智能功率模块（IPM）技术的发展应用，IPM 正在逐步取代普通 IGBT 模块。由于 IPM 内部既有 IGBT 的棚极驱动和保护逻辑，又有过流、过（欠）压、短路和过热探测以及保护电路，提高了变频器的可靠性和可维护性。另外，IPM 的体积与普通 IGBT 模块不相上下，价格也比较接近，因此目前应用较为广泛。比较成功的产品如：日本三菱电机公司所生产的 PM20CSJ060 型以及日本新电元公司生产的 TM 系列 IPM 模块等。 功率因素校正（PFC）环节和逆变桥集成是新一代的空调器逆变电源技术。PFC 技术的应用不但可以极大改善电网的工作环境，减少输电线的损耗，而且在变频工作时可以减小输入端电感和输出端电容器，减小模块体积。因此 PFC 环节和 IPM 逆变桥集成一体化是家用空调器发展的必然。 3.2 微控制器 微电子技术的发展使变频调速的实现手段发生了根本的变化，从早期的模拟控制技术发展数字控制技术。目前国外一些跨国公司的微控制器产品占据着主要的市场，如：Motorola 公司的MC68HC08MP16、Intel 公司的 80C196MC、三菱公司的 M37705 等。这些公司的产品性能价格比较高、功能强大，如带有 A/D 转换器、PWM 波形发生器、LED/LCD 驱动等，且一般都有 OTP 产品以及功耗低可长期稳定的工作。微控制器目前主要由单片机向 DSP（信号处理器）过渡。以目前应用比较广泛的 TI 公司的 TMS320C240 为例，其具有：50Ns 的指令周期， 544 字的 RAM，16K 的 EEPROM，12 个PWM 通道，三个 16 位计数器，两个 10 位 A/D 转换，WATCHDOG，串行通讯口，串行外围接口等，采用 DSP，可使控制电路简单，而且控制功能强大。 3.3 PWM 波的生成 在家用空调器中，目前国内大部分厂家采用常规的 SPWM 方法，在国外，在部分厂家以采用磁通跟踪型 SPWM 生成方法，该方法以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹 理想磁通圆，即用空间电压矢量的方法决定逆变器的开关状态，以形成 PWM 波形，该方法电压利用率高，低频谐波转矩小，频率变化范围宽、运行稳定，具有比较好的控制性能。近期出现的 PAM控制（Pulse Amplitude Modulation）不采用载波频率进行整流，而直接改变电压，减少了整流所需的能耗，提高了变频器的工作效率，满足了节电和降低高次谐波的要求，使供暖能力得到提高。 3.4 变频压缩机的电机 变频压缩机电机主要分为交流异步电动机和直流无刷电动机两种。目前国内一些大的压缩机生产厂家如：万宝、松下、上海日立、东芝万家乐等已有能力生产变频压缩机（包括交流机和直流机） ，交流电动机成本低，制造工艺简单，但其节能效果较差。直流无刷电机拖动由无刷电机本身，转子位置传感器和电子换向开关组成。转子磁极为永磁体，电枢绕组采用自控式换流，定子旋转磁场与转子磁极同步旋转，通常采用按转子磁场定向的定子电流矢量变换控制，既有普通直流电机良好的调速性能和启动性能，又从根本上消除了换向火花、无线电干扰的弊端，具有寿命长、可靠性高和噪声低，控制方便等优点。以 1998 年三菱电机公司开发的适用于空调压缩机的节能高效直流无刷电机为例，其具有：转子上安装了 8 块 V 字型永久磁体。磁体为埋入式，转子不会在不锈钢外壳中因涡流因而产生损耗；采用了新的压缩机电机驱动方式，效率比普通的无刷电机高，但是这种压缩机电机的价格较高。 开关磁阻电动机（SRM）是 80 年代新推出的变速传动系统，由磁阻电动机和控制器组成，是新一代机电一体化产品。该电机结构十分简单，但是比普通磁阻电动机多了转子位置检测器（一般为光电检测） ，总体上比较流异步电动机简单、坚固和便宜，又因为绕组电流是直流脉冲，只需整流，无需逆变，所以控制电路简单。目前有关 SRM 的理论尚不够完善，低速时，转矩有些脉动，噪声和震动较大，转速的稳态精度不够高等，有待今后进一步研究解决。 值得注意的是，国外针对变频空调器重新设计了压缩机，把电机从传统的单相电容电机改进为三相交流电机，以具有良好的调速性能。为了适应国内目前大量生产和使用的传统压缩机的变频调速。有必要开发出单相电容电机的变频器。