變頻壓縮機(jī)停機(jī)減振核心技術(shù)研究

張海鵬 潘毅廣 孫敬龍 丁龍輝 李秀軍

海信（山東）冰箱有限公司 山東青島 266000

1 引言

冰箱作為家用產(chǎn)品，其噪音直接影響用戶的舒適感，是冰箱品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前制冷行業(yè)內(nèi)都是根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)冰箱等家用電器進(jìn)行噪音標(biāo)稱，雖然可以保證噪音測(cè)試的穩(wěn)定性，但忽略了用戶真實(shí)的噪音感知，聲音信號(hào)的突變和毛刺才是用戶對(duì)噪音的真正感知，而這恰恰是我們未關(guān)注的。往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，被廣泛應(yīng)用于冰箱等制冷領(lǐng)域[1]，往復(fù)式壓縮機(jī)曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，即通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，連桿擺動(dòng)帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛钊闹本€運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)必然會(huì)使壓縮機(jī)曲軸的運(yùn)轉(zhuǎn)處于非平衡狀態(tài)，產(chǎn)生很大的振動(dòng)噪音，為解決此問題都會(huì)在曲軸上安裝平衡塊，平衡壓縮機(jī)芯的動(dòng)平衡，而壓縮機(jī)停機(jī)瞬間機(jī)芯則處于非平衡狀態(tài)，會(huì)使壓縮機(jī)機(jī)芯產(chǎn)生很大的抖動(dòng)，甚至導(dǎo)致機(jī)芯與外殼撞擊，帶來較大的噪音[2]。通過研究壓縮機(jī)停機(jī)噪音產(chǎn)生機(jī)理，提出停機(jī)噪音控制策略，減小壓縮機(jī)停機(jī)瞬間噪音的抖動(dòng)度，提升壓縮機(jī)運(yùn)行聲音信號(hào)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升人耳對(duì)冰箱聲音感知的愉悅度。

2 現(xiàn)有技術(shù)分析

目前冰箱行業(yè)內(nèi)多采用往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，壓縮機(jī)的啟、停都是根據(jù)間室溫度進(jìn)行控制。當(dāng)冰箱間室溫度（冰箱間室內(nèi)安裝有溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)間室內(nèi)的溫度）小于或等于冰箱間室設(shè)置溫度（觸控顯示屏上）時(shí)，主控板發(fā)出停機(jī)信號(hào)，壓縮機(jī)立即停機(jī)。壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速往往通過環(huán)境溫度進(jìn)行確定，一般情況下環(huán)境溫度越高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越大。這就意味著，炎熱的夏季壓縮機(jī)多數(shù)會(huì)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速，如果達(dá)到停機(jī)條件，壓縮機(jī)會(huì)以高轉(zhuǎn)速停機(jī)，由于機(jī)芯停機(jī)瞬間的非平衡狀態(tài)，就會(huì)帶來異常的噪音波動(dòng)，影響用戶體驗(yàn)[3]。

3 減振技術(shù)研究

3.1 降噪原理

壓縮機(jī)接到停機(jī)信號(hào)，壓縮機(jī)在失去驅(qū)動(dòng)力的情況下，工作轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)降為零，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的存在，機(jī)芯具有一定的沖擊能量。

假設(shè)壓縮機(jī)機(jī)芯為沿中軸轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)量連續(xù)分布的剛體，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（即轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的量度）：

其中，dm為質(zhì)量元，對(duì)質(zhì)量線性分布的剛體：dm=λdL，λ為質(zhì)量線密度；對(duì)質(zhì)量面分布的剛體：dm=σdS，σ為質(zhì)量面密度；對(duì)質(zhì)量體分布的剛體：dm=ρdV，ρ為質(zhì)量體密度；所以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小取決于剛體的質(zhì)量形狀和轉(zhuǎn)軸的位置。

剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量（其中 為剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度）：

剛體的角動(dòng)量定理：

微分形式：

由角動(dòng)量定理可知，角動(dòng)量增量越大，力矩沖量也越大，即壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速停機(jī)比低轉(zhuǎn)速停機(jī)機(jī)芯力矩沖量大，為減小停機(jī)瞬間機(jī)芯的力矩沖量可以控制壓縮機(jī)降低轉(zhuǎn)速停機(jī)，從而達(dá)到減小停機(jī)瞬間噪音波動(dòng)的效果[5]。

3.2 降噪方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)壓縮機(jī)停機(jī)瞬間力矩沖量的分析，可以采用停機(jī)前降低轉(zhuǎn)速，來降低機(jī)芯的力矩沖量。冰箱工作周期壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖1所示，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理如圖2所示。冰箱間室溫度達(dá)到開機(jī)點(diǎn)，壓縮機(jī)啟動(dòng)，根據(jù)環(huán)境溫度判斷壓縮機(jī)“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”，壓縮機(jī)以“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”運(yùn)行預(yù)設(shè)時(shí)間t0或通過設(shè)定間室溫度與設(shè)定溫度差值小于設(shè)定閾值ΔT1，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降至“二級(jí)轉(zhuǎn)速N2”，壓縮機(jī)以“二級(jí)轉(zhuǎn)速N2”運(yùn)行預(yù)設(shè)時(shí)間t0或通過設(shè)定間室溫度與設(shè)定溫度差值小于設(shè)定閾值ΔT2，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降至“三級(jí)轉(zhuǎn)速N3”，壓縮機(jī)以“三級(jí)轉(zhuǎn)速N3”運(yùn)行，當(dāng)間室溫度到達(dá)停機(jī)溫度時(shí)，壓縮機(jī)以現(xiàn)運(yùn)行轉(zhuǎn)速（三級(jí)轉(zhuǎn)速N3）停機(jī)；其中N1＞N2＞N3。

圖1 冰箱工作周期壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制規(guī)則

以上控制雖然保證壓縮機(jī)停機(jī)瞬間處于較低轉(zhuǎn)速，可以有效減小停機(jī)瞬間機(jī)芯的沖量，從而減小壓縮機(jī)停機(jī)瞬間的振動(dòng)噪音，但整個(gè)工作過程中轉(zhuǎn)速變化頻繁，容易引起用戶對(duì)聲音的感知；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在工作過程中不斷減小，間室溫度需要更長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到停機(jī)溫度，增加了制冷時(shí)間，同時(shí)降溫速度也相對(duì)減慢，不利于食材的保鮮[6]。

3.3 降噪方案優(yōu)化

圖3 優(yōu)化方案壓縮機(jī)控制規(guī)則

圖4 低噪停機(jī)模式控制流程

表1 實(shí)驗(yàn)組對(duì)應(yīng)控制方式

表2 壓縮機(jī)不同低噪停機(jī)模式測(cè)試振動(dòng)值

為了保證用戶體驗(yàn)及快速制冷的要求，對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示，冰箱間室溫度達(dá)到開機(jī)點(diǎn)，壓縮機(jī)啟動(dòng)，根據(jù)環(huán)境溫度判斷壓縮機(jī)“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”，壓縮機(jī)以“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”運(yùn)行直至間室溫度達(dá)到停機(jī)溫度，壓縮機(jī)接收停機(jī)信號(hào)，進(jìn)入低噪停機(jī)模式。

壓縮機(jī)低噪停機(jī)模式制控流程如圖4所示，壓縮機(jī)由“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”快速降至“緩沖轉(zhuǎn)速Nc”，在“緩沖轉(zhuǎn)速Nc”維持預(yù)設(shè)時(shí)間t后用相對(duì)較慢的速度降至壓縮機(jī)允許的最低轉(zhuǎn)速N0（壓縮機(jī)能達(dá)到并且不產(chǎn)生共振的最低轉(zhuǎn)速），維持預(yù)設(shè)時(shí)間t后停機(jī)。

以海信某一對(duì)開門冰箱低噪停機(jī)模式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行說明。通過對(duì)變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律分析可知，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速快速通過共振帶有利于噪音的控制，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)發(fā)出后壓縮機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速滯后于控制信號(hào)（控制信號(hào)發(fā)出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需一定的反應(yīng)時(shí)間），所以如表1所示，設(shè)計(jì)不同的低噪停機(jī)模式方案進(jìn)行測(cè)試分析，停機(jī)瞬間振動(dòng)值如表2所示。

如圖5所示通過對(duì)壓縮機(jī)停機(jī)瞬間的振動(dòng)值對(duì)比可以看出，3-2#的控制方法最優(yōu)，如圖6所示為最優(yōu)控制方法壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化曲線，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”以240r/s的速度降至2400r，在該轉(zhuǎn)速維持3s，以120r/s降至1600r，維持3s后停機(jī)，此種方案引起的停機(jī)瞬間振動(dòng)更小。

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在1200r～1500r停機(jī)振動(dòng)較大，如圖7所示，通過如圖8的掃頻數(shù)據(jù)可以看出1200r～1500r有多處共振帶，1600r為壓縮機(jī)允許的最低轉(zhuǎn)速；

（2）壓縮機(jī)由目標(biāo)轉(zhuǎn)速快速降至緩沖轉(zhuǎn)速（2400r），轉(zhuǎn)速快速通過共振帶，避免產(chǎn)生共振；

（3）壓縮機(jī)在緩沖轉(zhuǎn)速（2400r）維持預(yù)設(shè)時(shí)間（3s），以相對(duì)較慢的速度（120r/s）降至壓縮機(jī)允許的最低轉(zhuǎn)速（1600r），維持預(yù)設(shè)時(shí)間（3s）后停機(jī)，可以有效減小機(jī)械部件遲滯于控制信號(hào)，使停機(jī)前轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在允許的最低轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

通過在對(duì)開門產(chǎn)品上進(jìn)行驗(yàn)證，可以看出壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)進(jìn)入低噪停機(jī)模式，壓縮機(jī)由“目標(biāo)轉(zhuǎn)速”快速降至“緩沖轉(zhuǎn)速”，在“緩沖轉(zhuǎn)速”維持預(yù)設(shè)時(shí)間后用相對(duì)較慢的速度降至壓縮機(jī)允許的最低轉(zhuǎn)速，維持預(yù)設(shè)時(shí)間后停機(jī)；可以有效降低振動(dòng)噪音值，減小噪音波動(dòng)，如圖9。本次驗(yàn)證緩沖轉(zhuǎn)速僅有一級(jí)，針對(duì)機(jī)芯較重、壓縮機(jī)曲軸平衡性較差、機(jī)芯與壓縮機(jī)殼體間隙較小以及制冷系統(tǒng)壓力過大的情況，緩沖轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)多級(jí)，以便壓縮機(jī)可以穩(wěn)定在允許的最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行停機(jī)。

圖5 不同停機(jī)方案的停機(jī)瞬間的振動(dòng)分布

圖7 低噪停機(jī)模式colormap

圖6 低噪停機(jī)模式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖8 壓縮機(jī)掃頻曲線

圖9 壓縮機(jī)停機(jī)瞬間振動(dòng)對(duì)比