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

1、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

2、巨大轉(zhuǎn)動慣量，尤其是帶著負(fù)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

3、，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2

4、0005000rpm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3seh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

5、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

6、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、In

7、tel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。3.3PWM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SP

8、WM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（PulseAmplitudeModulation）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

9、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