R410A技術(shù)和無位置傳感器三相矢量控制技術(shù)的應(yīng)用

盧 澄，劉月華

(江蘇春蘭制冷設(shè)備有限公司，江蘇 泰州 225300)

高效節(jié)能技術(shù)是各門學(xué)科的綜合，主要以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，涉及到基礎(chǔ)材料、工藝過程、電子技術(shù)等，研究探索高效節(jié)能技術(shù)，對人類貢獻(xiàn)極大，而且高效節(jié)能的空間無限大，需要不斷開發(fā)、追求、探索。

近年來，隨著能源短缺問題和大氣臭氧層保護(hù)問題日益嚴(yán)峻，作為家電中的耗能大戶，國家針對空調(diào)行業(yè)逐步提高了準(zhǔn)入門檻，每個空調(diào)企業(yè)都在為設(shè)計節(jié)能環(huán)保的空調(diào)不斷努力。2007年以來，變頻家用空調(diào)每年增長幅度在6%以上，作為變頻空調(diào)的關(guān)鍵部件——永磁同步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在壓縮機(jī)中應(yīng)用越來越廣泛。而無位置傳感器三相矢量控制技術(shù)作為直流無刷電機(jī)調(diào)速技術(shù)中較為優(yōu)秀的技術(shù)，也越來越受到產(chǎn)品研發(fā)人員的重視。

江蘇春蘭制冷設(shè)備有限公司現(xiàn)已完成了R410A制冷劑在相關(guān)產(chǎn)品上的替代研究工作，特別是在直流變頻掛壁式空調(diào)器上的應(yīng)用開發(fā)成功，標(biāo)志著江蘇春蘭制冷設(shè)備有限公司在高端環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品上已占有先機(jī)。

本文主要以一款KFR－35GW/BPWa的產(chǎn)品為例，探討應(yīng)用節(jié)能環(huán)保制冷劑R410A的直流變頻掛壁式空調(diào)器的特點(diǎn)和開發(fā)中的一些問題。

1 壓縮機(jī)的選取

在國內(nèi)市場，使用在家用空調(diào)上的直流變頻壓縮機(jī)以單轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)為主。雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)具有筒體小、動平衡特性比較好的特點(diǎn)，但由于工藝復(fù)雜、制造成本高，一般使用在2匹以上的機(jī)型上。單轉(zhuǎn)子機(jī)型由于本身動平衡特性較差，綜合考慮壓縮機(jī)配管使用的可靠性，一般實(shí)際使用中只能在30Hz以上頻率運(yùn)行。

由于本機(jī)組屬于1.5匹空調(diào)，從現(xiàn)有壓縮機(jī)型譜和可靠性等方面進(jìn)行考慮，選擇一款國產(chǎn)合資品牌的單轉(zhuǎn)子R410A直流變頻壓縮機(jī)。

2 壓縮機(jī)控制方案和電器系統(tǒng)控制的設(shè)計

2.1 壓縮機(jī)控制方案的設(shè)計

所謂壓縮機(jī)控制，其實(shí)就是對機(jī)體內(nèi)的無刷直流電機(jī)的控制，即無刷驅(qū)動技術(shù):通過對轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)確的確定，實(shí)現(xiàn)定子三相線圈適時的相序變換。轉(zhuǎn)子位置通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時在定子三相繞組中所產(chǎn)生的反電動勢信號進(jìn)行分析判斷。

目前家用空調(diào)壓縮機(jī)無刷直流電機(jī)的驅(qū)動控制方案，一般采用2種控制方式:(1)120°通電控制技術(shù)，即矩形方波控制技術(shù)。該種方式相對簡單，成本較低，基本能滿足整機(jī)的正常使用條件。(2)180°通電控制技術(shù)，即采用矢量運(yùn)算(Vector Processing)對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制，也就是無位置傳感器三相矢量控制技術(shù)。由于在壓縮機(jī)高頻運(yùn)轉(zhuǎn)時，必須具備高速的數(shù)據(jù)處理芯片(DSP)，因此成本較高，技術(shù)相對復(fù)雜。

由于2種控制方式的成本和技術(shù)的不同，后續(xù)制冷系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)在充分考慮對整機(jī)性能影響程度的基礎(chǔ)上進(jìn)行取舍。

2.2 電器系統(tǒng)控制

在電機(jī)控制上，采用FUJITSU公司的反電勢采樣檢測電路。為了提高功率因素，在整流后串入電感量為4mH的電抗器，并在電抗器兩端并入一相匹配的無感電容，以改變直流側(cè)電流脈動，適當(dāng)提高功率因素。

室內(nèi)外通訊采用弱電電流環(huán)通訊，通訊方式采用標(biāo)準(zhǔn)串行異步的方式，并采用了增加識別碼、校驗(yàn)碼等容錯方式，有效地提高了通訊的可靠性[1]。模塊驅(qū)動部分主要由三菱公司的20A功率模塊PS21265、東芝公司低速光耦TLP421、無感水泥錳銅電阻0.012Ω及外圍電路組成，為來自MCU的控制模塊驅(qū)動信號提供通路，驅(qū)動壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并反饋故障信號[1]。

3 制冷系統(tǒng)設(shè)計

3.1 制冷系統(tǒng)的設(shè)計

R410A直流變頻空調(diào)器主要特點(diǎn)是環(huán)保、節(jié)能、高效、低噪聲。R410A熱力性能與HCFC－22最接近，在中小型房間空調(diào)器中應(yīng)用較多。R410A是由HFC－32和HFC－125按質(zhì)量百分比各占一半混合而成，其ODP=0，GWP ＜0.2，是一種共沸制冷劑。其循環(huán)工作壓力比 HCFC－22約高57%，系統(tǒng)高壓為采用HCFC－22制冷劑系統(tǒng)高壓的1.6倍，單位容積制冷量比 HCFC－22約大43%，制冷系數(shù)比HCFC－22約小7.7%，其余參數(shù)與HCFC－22基本接近[2]。從以上熱力性能比較來看，在理論上，采用R410A制冷劑可以減少換熱器的使用量，減少對大氣層的破壞。根據(jù)其理論特性，設(shè)計的制冷機(jī)構(gòu)參數(shù)見表1，壓縮機(jī)采用“DA108X1C－20FZ3”。

表1 制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

經(jīng)過初步調(diào)試[3]，在電控部分采用“矩形方波控制技術(shù)”，通過調(diào)整毛細(xì)管流量和換熱器的流程，得出初步的結(jié)果，見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)制冷量和標(biāo)準(zhǔn)制熱量測試結(jié)果

采用家電研究所的一套計算軟件，對機(jī)組的季節(jié)能效比進(jìn)行測算[4]。季節(jié)能效比計算結(jié)果APF為2.9856，SEER(制冷季節(jié)能源效率)為4.0120，CSTE(制冷季節(jié)耗電量)為821653，CSTL(制冷季節(jié)熱負(fù)荷)為3296440，HSTL(制熱季節(jié)熱負(fù)荷)為9392924。相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 季節(jié)能效比計算參數(shù)

通過對以上數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)制約SEER提高的重要因素是額定中間制冷量的效能。按KFR－35GW/BPWa機(jī)組的額定制冷量計算，額定中間制冷量應(yīng)為1750±100W，而該機(jī)組的測量值已超標(biāo)，使得額定中間制冷測試時的壓縮機(jī)輸入功率過高、中間EER偏高，使得整機(jī)的SEER無法進(jìn)一步提高。

造成機(jī)組額定中間制冷量值超標(biāo)的主要原因是在壓縮機(jī)控制方面采用矩形方波控制技術(shù)，該控制方案的主要缺點(diǎn)之一就是壓縮機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，特別是單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在低頻(本機(jī)組低于28Hz，其他機(jī)組可能在40Hz以下)運(yùn)行時，壓縮機(jī)本體振動大，造成吸氣管和排氣管振動大，即使在管道上增加質(zhì)量不等的質(zhì)量塊，仍無法減弱或消除管道上的振動。因此，根據(jù)壓縮機(jī)振動情況，將壓縮機(jī)的最低運(yùn)行頻率定為30Hz，使得機(jī)組的額定最低冷量和中間冷量均較高，中間EER偏高。

針對該現(xiàn)象，壓縮機(jī)控制方案決定采用無位置傳感器三相矢量控制技術(shù)。由于采用電流閉環(huán)控制技術(shù)，當(dāng)電流峰值較小、正弦波平滑、壓縮機(jī)負(fù)荷運(yùn)行時，對整個頻譜噪聲的改善效果明顯，壓縮機(jī)振動小，壓縮機(jī)可以超幅寬頻運(yùn)行。采用新無位置傳感器三相矢量控制技術(shù)得出的整機(jī)測量數(shù)據(jù)見表4。

表4 調(diào)試后的標(biāo)準(zhǔn)制冷量和標(biāo)準(zhǔn)制熱量測試結(jié)果

同樣采用上述的SEER計算軟件[4]，計算得出調(diào)試后的季節(jié)能效比計算結(jié)果 APF為3.1075，SEER(制冷季節(jié)能源效率)為 4.7064，CSTE(制冷季節(jié)耗電量)為700456，CSTL(制冷季節(jié)熱負(fù)荷)為3296631，HSTL(制熱季節(jié)熱負(fù)荷)為9392924。相關(guān)參數(shù)見表5。

表5 調(diào)試后的季節(jié)能效比計算參數(shù)

壓縮機(jī)驅(qū)動采用無位置傳感器三相矢量控制技術(shù)，與采用方波控制技術(shù)相比整機(jī)的SEER有較大的提高，由于可以采用更寬幅的頻率運(yùn)行，整機(jī)得到更佳的速冷、速熱效果，并且使機(jī)組控溫精度大大提高，機(jī)組低頻運(yùn)行的振動很小，機(jī)組運(yùn)行更加可靠、平穩(wěn)。

2種壓縮機(jī)控制方式下機(jī)組性能的測試結(jié)果對比表明，為使壓縮機(jī)能夠更充分地發(fā)揮其潛力，并使機(jī)組性價比得到最大化，在壓縮機(jī)驅(qū)動控制方面應(yīng)采用無位置傳感器三相矢量控制技術(shù)。

3.2 管系振動、噪聲和可靠性確認(rèn)

由于采用了無位置傳感器三相矢量控制技術(shù)，在整機(jī)測試時，振動和噪聲都得到有效的抑制。對壓縮機(jī)的高頻聲，采用經(jīng)過特殊處理的帶毛氈的橡膠板進(jìn)行包裹，使壓縮機(jī)的聲音更加柔和。

4 產(chǎn)品應(yīng)用情況

江蘇春蘭制冷設(shè)備有限公司應(yīng)用R410A技術(shù)和無位置傳感器三相矢量控制技術(shù)，開發(fā)了包括XXX－25GW/AZ1BPdWa－E1、XXX－35GW/AZ1BPdWa－E1、XXX－25GW/AY1BPdWa－E2(E3)和XXX－35GW/AY1BPdWa－E2(E3)等在內(nèi)的系列直流變頻分體掛壁式房間空調(diào)器，為公司產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。AZ1BP系列部分產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)見表6。

5 結(jié)束語

根據(jù)研究和試驗(yàn)結(jié)果，R410A制冷劑和無位置傳感器三相矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高機(jī)組能效比，降低噪聲。今后研究工作中，對換熱器中的U形管的耐壓度要給予重視，對管道系統(tǒng)的分析要加強(qiáng)。同時壓縮機(jī)在高頻運(yùn)行或在國標(biāo)最大運(yùn)行制熱工況下運(yùn)行，應(yīng)充分考慮峰值電流和壓縮機(jī)電機(jī)溫升對永磁體電機(jī)的影響，將造成退磁的可能降到最低。本文主要對節(jié)能空調(diào)設(shè)計中R410A制冷劑和矢量控制技術(shù)方向進(jìn)行了探索和總結(jié)，可供研發(fā)人員參考，以為整個社會的節(jié)能減排作出貢獻(xiàn)。

表6 AZ1BP系列部分產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)

[1] 占劍峰.R410A制冷劑在家用空調(diào)上的運(yùn)用分析[J].高職論叢，2010(4):10－11.

[2] 徐海，施立春.變頻器原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2010.

[3] 楊世銘.傳熱學(xué)[M].2版.北京:高等教育出版社 .1980.

[4] 王志遠(yuǎn)，徐志亮.空調(diào)器性能測試技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2009.