變頻空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究

錢大明

摘要：隨著世界能源問(wèn)題的日益凸顯，節(jié)能環(huán)保成為越來(lái)越多人追求的生活方式。這其中，在家用電器中耗能較高的空調(diào)成為了研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。隨著研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)空調(diào)的變頻技術(shù)相比起傳統(tǒng)的定頻技術(shù)，具有能耗高、振動(dòng)噪聲低、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此需要進(jìn)一步完善空調(diào)的變頻技術(shù)，而壓縮機(jī)作為變頻空調(diào)的主要耗能部件，也理所當(dāng)然的成為研究人員的重要研究方向。本研究將針對(duì)變頻空調(diào)，首先介紹其發(fā)展概況、系統(tǒng)構(gòu)成及運(yùn)行特點(diǎn)，再主要介紹變頻空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：變頻空調(diào)；空調(diào)壓縮機(jī)；驅(qū)動(dòng)控制

自從空調(diào)開(kāi)始走進(jìn)千家萬(wàn)戶，有關(guān)改進(jìn)空調(diào)的研究就層出不窮，而隨著節(jié)能減排逐漸深入人心，針對(duì)空調(diào)又有了新的研究方向——節(jié)能。在生活中，空調(diào)確實(shí)是主要的耗能電器。隨著變頻空調(diào)的普及，由于變頻空調(diào)中的壓縮機(jī)能耗高達(dá)80%-90%，因此如何減低壓塑機(jī)的耗能就成為研究人員的首要目標(biāo)。而本研究中的壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境參數(shù)進(jìn)行適時(shí)地調(diào)整，這樣不僅避免了傳統(tǒng)空調(diào)調(diào)溫的盲目性，讓人們能夠更舒適的享受空調(diào)帶來(lái)的便利，更有利于降低壓縮機(jī)電能的損耗，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

1. 變頻空調(diào)的發(fā)展概況

雖然空調(diào)走進(jìn)我國(guó)千家萬(wàn)戶的時(shí)間不是很長(zhǎng)，但實(shí)際上早期的簡(jiǎn)單空調(diào)在20實(shí)際初就已經(jīng)問(wèn)世了。但直到20世紀(jì)80年代初，變頻空調(diào)才被研究出來(lái)，但那時(shí)的變頻空調(diào)采用交流技術(shù)，受此限制變頻空調(diào)并未得到很好的普及。直到1998年直流變頻空調(diào)問(wèn)世，變頻空調(diào)技術(shù)取得突破性進(jìn)展。這之后，由于變頻空調(diào)相對(duì)于定頻空調(diào)顯著的優(yōu)點(diǎn)，很快占領(lǐng)市場(chǎng)，成為現(xiàn)代空調(diào)的主流。時(shí)代不斷向前推進(jìn)，中國(guó)在海爾科技的領(lǐng)導(dǎo)下也于1998年生產(chǎn)了直流變頻空調(diào)，并在這數(shù)年間不斷取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展?，F(xiàn)如今，仍在為繼續(xù)研究更低耗能的空調(diào)而不懈奮斗。

2.變頻空調(diào)的系統(tǒng)構(gòu)成

作為家用空調(diào)，其構(gòu)成有十分常見(jiàn)的三部分：室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)及遙控器。室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)相連完整的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。這其中又可以細(xì)分為蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和四通閥這五個(gè)必不可少的部件。而每一部分各司其職，蒸發(fā)器能夠讓制冷劑與吸收的室內(nèi)熱量交換熱量，再通過(guò)室外機(jī)排除熱量；壓縮機(jī)就是將制冷劑所制造的低溫通過(guò)蒸發(fā)器后處理并輸送到室內(nèi)；冷凝器是將將氣態(tài)的制冷劑通過(guò)放熱的手段冷凝液化，相對(duì)于蒸發(fā)器與壓縮機(jī)而言是一個(gè)中介部件；節(jié)流裝置使液態(tài)的制冷劑在節(jié)流過(guò)程中少量汽化形成低溫蒸汽；最后的四通閥是將四部分溝通起來(lái)形成制熱循環(huán)，使空調(diào)能夠持續(xù)不斷的工作。而遙控器，顧名思義就是通過(guò)無(wú)線遙控調(diào)整空調(diào)運(yùn)作。

3.變頻空調(diào)的運(yùn)行特點(diǎn)

在直流變頻空調(diào)橫空出世前，交流變頻空調(diào)作為初代變頻空調(diào)，也為人們效力多年，直流變頻空調(diào)實(shí)際上基本已經(jīng)能夠體現(xiàn)變頻空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)了，但它耗能較高，而且噪聲大、易振動(dòng)，當(dāng)然，造成直流變頻空調(diào)最受限的缺點(diǎn)在于它的可控制的范圍較小，這是由于其直流變頻空調(diào)的壓縮機(jī)頻率變化較小所導(dǎo)致的。而交流變頻空調(diào)在此基礎(chǔ)上努力克服了諸多缺點(diǎn)，噪聲小、振動(dòng)幅度小、可控制范圍變大。不僅如此，在不斷的發(fā)展過(guò)程中，變頻空調(diào)在啟動(dòng)后能夠越來(lái)越快速的達(dá)到設(shè)定溫度，最大限度保證用戶的舒適度；在運(yùn)行過(guò)程中，多次的調(diào)整設(shè)定溫度也不會(huì)對(duì)電壓造成太大影響，最大限度保證用戶使用安全；即使如今的變頻空調(diào)以越來(lái)越低的頻率運(yùn)行，但其始終能夠保證其控制的范圍，而降低頻率，也能夠相應(yīng)的降低噪音，降低對(duì)電壓的影響?？傊?，我國(guó)變頻空調(diào)一直在向越來(lái)越好的方向發(fā)展，其特點(diǎn)也是不斷向全方位滿足用戶需求上靠攏。

4.變頻空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)

4.1驅(qū)動(dòng)控制方式

從目前研究方向上，變頻空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方式有兩種控制方式：其一是直接轉(zhuǎn)矩控制，這種方式在1985年被提出，是從原有的永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其目的是為了提高變頻空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方式的有效性。其原理是將定子磁鏈估算作為磁場(chǎng)定向的核心，在通過(guò)控制磁鏈完成對(duì)目標(biāo)的有效控制，并在原有基礎(chǔ)上估算出壓縮機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行速度，從而進(jìn)一步精確控制范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制在提高了變頻空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制的有效性的同時(shí)，卻并沒(méi)有很好的處理由此帶來(lái)的壓塑機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性下降的問(wèn)題，不僅如此還造成了逆變器頻率不穩(wěn)定的缺陷。其二是矢量控制，這種驅(qū)動(dòng)控制方式問(wèn)世時(shí)間更早，早在1968年其理論構(gòu)架已經(jīng)基本完善，1971年實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化，但近年來(lái)我國(guó)專家在這方面屢有突破。這種驅(qū)動(dòng)控制方式可以針對(duì)不同場(chǎng)合產(chǎn)生不同種形式，但本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都是在磁場(chǎng)的定向坐標(biāo)系中，促使勵(lì)磁電流層與矩陣電流層分別產(chǎn)生磁通與轉(zhuǎn)矩，在通過(guò)正交解耦等一系列操作后實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的獨(dú)立控制。近幾年興起的新技術(shù)之一——永磁同步電機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)正是在此矢量控制原理基礎(chǔ)上孕育而生。同時(shí)，我國(guó)兩所知名大學(xué)教師在此驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)上也是有重大突破。

4.2位置估算技術(shù)

這種技術(shù)在近十幾年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，尤其是在數(shù)字信號(hào)處理器問(wèn)世后，無(wú)位置傳感器技術(shù)也步步高升，這是由于在變頻空調(diào)壓縮機(jī)中，永磁電機(jī)由于需要一直處于密封狀態(tài)，其運(yùn)行時(shí)的溫度在此情形下能夠高達(dá)120攝氏度，再加上變頻空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)部其他復(fù)雜成分，就很難對(duì)定子電流與轉(zhuǎn)子磁極進(jìn)行準(zhǔn)確的位置估算，為解決這一問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上衍生出三種無(wú)位置傳感器控制算法。其一是基于磁鏈與反電動(dòng)勢(shì)的位置估計(jì)方法，這種方法計(jì)算是最為簡(jiǎn)單的，而且可以自行調(diào)節(jié)逆變器，但與此同時(shí)，缺點(diǎn)就是精度低且對(duì)電機(jī)參數(shù)過(guò)于敏感。其二是基于狀態(tài)觀測(cè)器方法，這種方法運(yùn)用到了諸多類型的觀測(cè)器，在分別對(duì)應(yīng)每種觀測(cè)器運(yùn)用特定的估算方法進(jìn)行位置估算。因此造成參數(shù)多，估算復(fù)雜的情況，容易間接造成誤差大的缺陷，不僅如此，這種方法的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性都很強(qiáng)，若給予的速度范圍不夠大，那么就很難滿足變頻空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的需求。當(dāng)然，換言之如果給予的速度范圍夠大，那么這種方法就十分適合應(yīng)付參數(shù)變化。其三是高頻信號(hào)注入法，這種方法操作簡(jiǎn)便，但需要特殊電路來(lái)注入固定頻率的高頻電壓信號(hào)，以此獲取轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速。這種較易操作的方法除了受制于特殊電路外還會(huì)帶來(lái)較大的噪音。

4.3轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償

變頻空調(diào)壓縮機(jī)分為單轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子與渦旋式三種類型結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)家用變頻空調(diào)的壓縮機(jī)普遍使用成本較低的單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而當(dāng)變頻空調(diào)壓縮機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，時(shí)常造成轉(zhuǎn)子速度在一個(gè)機(jī)械周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，這樣不但會(huì)形成噪音，對(duì)于變頻空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)本身的穩(wěn)定也有很大影響，因此在此情形下，研究得出可以通過(guò)矢量控制的方法，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。若要實(shí)現(xiàn)這種方法操作，應(yīng)當(dāng)先在沒(méi)有進(jìn)行任何轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)那闆r下計(jì)算出相對(duì)偏移相位角度，然后在參考轉(zhuǎn)矩電流前疊加所計(jì)算得出的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償分量，這個(gè)分量的大小應(yīng)當(dāng)參考轉(zhuǎn)矩電流的大小，具體還要結(jié)合多次實(shí)際運(yùn)行的振動(dòng)效果來(lái)進(jìn)行更加細(xì)致的調(diào)整，最后得出更加精確的數(shù)值。

5.結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本文研究分析，變頻空調(diào)具有更加低耗能的特點(diǎn)，符合我國(guó)綠色發(fā)展需求。再加上相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，勢(shì)必將更多電器企業(yè)的目光吸引到如何研究更低耗能的變頻空調(diào)上。國(guó)家應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加大對(duì)變頻空調(diào)研究的扶持力度，更多的分配研究人員資金、人力投入，爭(zhēng)取使變頻空調(diào)能夠早日向更低能耗、更低噪聲、更小振動(dòng)、更加智能方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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