變頻空調(diào)室外機(jī)啟動(dòng)異常噪音分析及改善

高智強(qiáng)，楊俊濤，陳志偉，夏增強(qiáng)

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

隨著房間空調(diào)器的普及使用，居民家電耗能也在不斷攀升，有數(shù)據(jù)表明，在我國(guó)建筑能耗約占社會(huì)總能耗的四分之一，而在民用建筑中，空調(diào)耗電量占整個(gè)建筑耗電量的比例約40%~60%[1]，因此空調(diào)節(jié)能非常必要。自2020年7月1日起正式啟用的GB 21455—2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》[2]，對(duì)空調(diào)的能效進(jìn)行顯著的提升，而且也會(huì)進(jìn)一步加大變頻空調(diào)的普及力度。

空調(diào)的核心之一就是轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，有資料表明，我國(guó)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的產(chǎn)能超過(guò)2億臺(tái)，并且朝著壓縮機(jī)小型化、電機(jī)高效化不斷發(fā)展[3-4]。由于變頻空調(diào)更具節(jié)能、舒適的效果，在空調(diào)市場(chǎng)的份額也越來(lái)越大。此外，新的能效評(píng)價(jià)方式、新型環(huán)保冷媒的引入（如R32）等[5-6]，也會(huì)進(jìn)一步提升空調(diào)系統(tǒng)的能效。

根據(jù)工作原理和使用環(huán)境的特點(diǎn)，變頻壓縮機(jī)當(dāng)前主要采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？紤]到家用空調(diào)使用的環(huán)境復(fù)雜多變，壓縮機(jī)的負(fù)載也會(huì)發(fā)生顯著變化，如果啟動(dòng)控制程序不合理、啟動(dòng)力矩不夠，就會(huì)存在壓縮機(jī)啟動(dòng)失敗的現(xiàn)象。李慶堅(jiān)等[7]分析不同樣機(jī)的啟動(dòng)波形，指出合理的啟動(dòng)方式一般包含轉(zhuǎn)子預(yù)定位、電流開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制，并且通過(guò)增大啟動(dòng)電流和啟動(dòng)次數(shù)，從而獲得更大啟動(dòng)力矩。楊啟超等[8]分析了壓縮機(jī)啟動(dòng)負(fù)載特性，介紹了不同種類(lèi)的啟動(dòng)方式。張耀中等[9-10]的研究表明采用改進(jìn)型磁鏈觀察器的啟動(dòng)方式可以使電機(jī)更順利的啟動(dòng)和平穩(wěn)切換。孫常權(quán)[10]指出，變頻壓縮機(jī)啟動(dòng)失敗的一個(gè)重要原因是系統(tǒng)壓差過(guò)大，導(dǎo)致壓縮機(jī)啟動(dòng)負(fù)載偏大，一般要求系統(tǒng)壓差控制在0.2 MPa以內(nèi)。黃輝等[14]和李曉陽(yáng)等[15]均提出了一種自動(dòng)估算當(dāng)前負(fù)載狀況的有效方法，根據(jù)當(dāng)前估算的負(fù)載自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩電流前饋補(bǔ)償，顯著降低了壓縮機(jī)低速時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

實(shí)際上，隨著變頻壓縮機(jī)的不斷小型化、高效化，其一些關(guān)鍵指標(biāo)也不斷發(fā)生變化，如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩常數(shù)等。如果維持原有的啟動(dòng)模式或參數(shù)，往往導(dǎo)致壓縮機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)響應(yīng)發(fā)生顯著變化，從而造成整機(jī)振動(dòng)和異響的情況加劇。

筆者將結(jié)合具體工程案例問(wèn)題，分析此類(lèi)問(wèn)題，并從中提煉出合理的解決方案。

1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩特性分析

1.1 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分析

根據(jù)變頻壓縮機(jī)永磁同步電機(jī)工作原理（圖1），其機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

圖1 壓縮機(jī)永磁同步電機(jī)工作原理

式中，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg?m2；Ω為角速度，rad/s；Te為電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N?m；T1為壓縮機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N?m；B為黏滯系數(shù)，(N?m?s)/rad。

驅(qū)動(dòng)力矩的方程：

式中，p為壓縮機(jī)極對(duì)數(shù)；?f為轉(zhuǎn)子磁鏈，Wb；Ld、Lq為d軸、q軸電感，mH；id、iq為d軸、q軸電流，A。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般可以將式(2)轉(zhuǎn)化為：

式中，i*為等效輸入電流，A；Kt為測(cè)量轉(zhuǎn)矩常數(shù)，(N?m)/A。

1.2 壓縮機(jī)負(fù)載（轉(zhuǎn)子）力矩分析

轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的工作原理是采用曲軸帶動(dòng)滾子在密閉腔內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮和排出（圖2）。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)受力特性，轉(zhuǎn)子負(fù)載力矩的方程為：

圖2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子力矩分析

式中，R為氣缸內(nèi)圓半徑，m；L為氣缸高度，m；τ=e/R為偏心率；po和ps分別為排氣壓力和吸氣壓力，Pa；θ為轉(zhuǎn)角，rad。

1.3 壓縮機(jī)啟動(dòng)關(guān)鍵因素分析

在常溫工況下，壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)制冷劑黏滯系數(shù)B很小，產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩也比較小，因此可以忽略。所以式(1)和式(3)可以簡(jiǎn)化為：

由式(5)可知，變頻壓縮機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，如果環(huán)境工況一致時(shí)（近似吸排氣壓力保持一致），轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低、輸入力矩電流增大和轉(zhuǎn)矩常數(shù)增加都會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的加速度增大，從而導(dǎo)致整個(gè)壓縮機(jī)的抖動(dòng)增大，進(jìn)而帶動(dòng)與之連動(dòng)的結(jié)構(gòu)件，發(fā)生碰撞和產(chǎn)生異響。

筆者進(jìn)一步匯總、分析同冷量機(jī)型的不同壓縮機(jī)，隨著電機(jī)、壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化改進(jìn)，整個(gè)壓縮機(jī)的關(guān)鍵信息也在不斷發(fā)生變化。如果還是采用原有的電機(jī)控制參數(shù)，勢(shì)必導(dǎo)致壓縮機(jī)產(chǎn)生不同的振動(dòng)效果。圖3所示為同壓縮機(jī)關(guān)鍵信息對(duì)比，由圖3可知，在同樣的驅(qū)動(dòng)參數(shù)下，A款壓縮機(jī)的啟動(dòng)振動(dòng)要比C款壓縮機(jī)的振動(dòng)增大1倍多。

圖3 不同壓縮機(jī)關(guān)鍵信息對(duì)比

2 壓縮機(jī)啟動(dòng)分析

由于壓縮機(jī)內(nèi)部無(wú)法安裝位置傳感器，當(dāng)前的變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)基本上采用無(wú)位置磁場(chǎng)定向控制算法。該算法的關(guān)鍵之處在于針對(duì)壓縮機(jī)啟動(dòng)控制。為了保證壓縮機(jī)能夠在各種負(fù)載工況下，都能夠可靠啟動(dòng)，典型的啟動(dòng)方案如圖4所示。

圖4 壓縮機(jī)啟動(dòng)波形

由圖4可知，壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，在開(kāi)環(huán)階段比較大，需要克服轉(zhuǎn)子慣性和阻力矩等因素，才能保證轉(zhuǎn)子順利旋轉(zhuǎn)起來(lái)。因此，在啟動(dòng)電流開(kāi)環(huán)控制階段中，因驅(qū)動(dòng)力矩較大，壓縮機(jī)的振動(dòng)也會(huì)變得較大，這也是容易產(chǎn)生異響的關(guān)鍵時(shí)間段。

3 工程案例分析

3.1 壓縮機(jī)隔振系統(tǒng)

根據(jù)壓縮機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，上部通過(guò)吸排氣口與管路系統(tǒng)相連，下部通過(guò)壓縮機(jī)基腳與隔振系統(tǒng)相連，其隔振系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示。

圖5 壓縮機(jī)隔振系統(tǒng)實(shí)物

圖6所示為壓縮機(jī)隔振系統(tǒng)。由圖6可知，壓縮機(jī)的基腳（運(yùn)動(dòng)）與底盤(pán)定位螺栓（非運(yùn)動(dòng)）之間設(shè)計(jì)一定的間隙（一般1 mm左右），用于防止壓縮機(jī)的振動(dòng)傳遞定位螺栓，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)或異響。

圖6 壓縮機(jī)隔振系統(tǒng)

3.2 壓縮機(jī)啟動(dòng)仿真分析

為了深入分析某款壓縮機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中通過(guò)壓縮機(jī)基腳振動(dòng)產(chǎn)生的異響，需要計(jì)算并確定壓縮機(jī)基腳啟動(dòng)過(guò)程的變形和沖擊，進(jìn)而設(shè)計(jì)合理的改進(jìn)方案。分析的對(duì)象如圖7所示，壓縮機(jī)的關(guān)鍵特性如表1所示。

表1 某款變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的特性相關(guān)參數(shù)

圖7 壓縮機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)分析有限元模型

在常溫工況下壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一般要求系統(tǒng)的壓差小于0.2 MPa，經(jīng)計(jì)算此時(shí)轉(zhuǎn)子負(fù)載力矩，相比驅(qū)動(dòng)力矩要小很多（大約是驅(qū)動(dòng)力矩的1/8）。因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算，瞬態(tài)分析時(shí)，壓縮機(jī)的激勵(lì)載荷，按式(3)計(jì)算，具體加載如表2所示。

表2 瞬態(tài)分析載荷加載

計(jì)算結(jié)果表明該款壓縮機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中，基腳的最大形變超過(guò)2 mm（圖8），原有的設(shè)計(jì)間隙是偏小的（1 mm）。

圖8 壓縮機(jī)啟動(dòng)基腳瞬態(tài)形變（單位：mm）

3.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，是基腳與定位螺栓設(shè)計(jì)間隙偏小導(dǎo)致的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)定位螺栓的振動(dòng)情況并結(jié)合主觀聽(tīng)感，確認(rèn)壓縮機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程的異音，具體如圖9所示。

圖9 壓縮機(jī)定位螺栓監(jiān)測(cè)

圖10所示為優(yōu)化前后定位螺栓振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比。由圖10可知，原機(jī)狀態(tài)下，定位螺栓的振動(dòng)超過(guò)2 g，并且可以顯著聽(tīng)到結(jié)構(gòu)撞擊的異響聲。結(jié)構(gòu)基腳啟動(dòng)位移變形量，增大基腳與定位螺栓的間隙，再次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，螺栓振動(dòng)顯著降低（小于0.3 g），沒(méi)有聽(tīng)到撞擊異響，整個(gè)壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程，平穩(wěn)且無(wú)異常噪音。

圖10 優(yōu)化前后定位螺栓振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)某款變頻壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的異常噪音，分析了變頻壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩與負(fù)載力矩的特性以及安裝結(jié)構(gòu)特性，得出如下結(jié)論：

1）變頻壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的開(kāi)環(huán)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)力矩最大，其與輸入電流和電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)都呈正相關(guān)；壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不斷降低，也會(huì)進(jìn)一步增大壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)；

2）通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)-管路系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，可以得出壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，壓縮機(jī)基腳最大位移2.1 mm，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)安裝間隙1.0 mm；

3）在無(wú)法降低啟動(dòng)電流時(shí)，可適當(dāng)增大安裝結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)基腳和定位螺栓的配合間隙，從而可以避免因壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，振動(dòng)增大導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)異響。