變頻空調壓縮機驅動控制技術的研究

錢大明

摘要：隨著世界能源問題的日益凸顯，節(jié)能環(huán)保成為越來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成為了研究人員關注的重點。隨著研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)空調的變頻技術相比起傳統(tǒng)的定頻技術，具有能耗高、振動噪聲低、調速性能好、轉速范圍寬等優(yōu)點，因此需要進一步完善空調的變頻技術，而壓縮機作為變頻空調的主要耗能部件，也理所當然的成為研究人員的重要研究方向。本研究將針對變頻空調，首先介紹其發(fā)展概況、系統(tǒng)構成及運行特點，再主要介紹變頻空調壓縮機的驅動技術。

關鍵詞：變頻空調；空調壓縮機；驅動控制

自從空調開始走進千家萬戶，有關改進空調的研究就層出不窮，而隨著節(jié)能減排逐漸深入人心，針對空調又有了新的研究方向——節(jié)能。在生活中，空調確實是主要的耗能電器。隨著變頻空調的普及，由于變頻空調中的壓縮機能耗高達80%-90%，因此如何減低壓塑機的耗能就成為研究人員的首要目標。而本研究中的壓縮機的驅動控制技術可以根據(jù)實際環(huán)境參數(shù)進行適時地調整，這樣不僅避免了傳統(tǒng)空調調溫的盲目性，讓人們能夠更舒適的享受空調帶來的便利，更有利于降低壓縮機電能的損耗，達到節(jié)能減排的目標。

1. 變頻空調的發(fā)展概況

雖然空調走進我國千家萬戶的時間不是很長，但實際上早期的簡單空調在20實際初就已經(jīng)問世了。但直到20世紀80年代初，變頻空調才被研究出來，但那時的變頻空調采用交流技術，受此限制變頻空調并未得到很好的普及。直到1998年直流變頻空調問世，變頻空調技術取得突破性進展。這之后，由于變頻空調相對于定頻空調顯著的優(yōu)點，很快占領市場，成為現(xiàn)代空調的主流。時代不斷向前推進，中國在海爾科技的領導下也于1998年生產了直流變頻空調，并在這數(shù)年間不斷取得突飛猛進的發(fā)展。現(xiàn)如今，仍在為繼續(xù)研究更低耗能的空調而不懈奮斗。

2.變頻空調的系統(tǒng)構成

作為家用空調，其構成有十分常見的三部分：室內機、室外機及遙控器。室內機與室外機相連完整的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。這其中又可以細分為蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置和四通閥這五個必不可少的部件。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熱量交換熱量，再通過室外機排除熱量；壓縮機就是將制冷劑所制造的低溫通過蒸發(fā)器后處理并輸送到室內；冷凝器是將將氣態(tài)的制冷劑通過放熱的手段冷凝液化，相對于蒸發(fā)器與壓縮機而言是一個中介部件；節(jié)流裝置使液態(tài)的制冷劑在節(jié)流過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形成制熱循環(huán)，使空調能夠持續(xù)不斷的工作。而遙控器，顧名思義就是通過無線遙控調整空調運作。

3.變頻空調的運行特點

在直流變頻空調橫空出世前，交流變頻空調作為初代變頻空調，也為人們效力多年，直流變頻空調實際上基本已經(jīng)能夠體現(xiàn)變頻空調的優(yōu)點了，但它耗能較高，而且噪聲大、易振動，當然，造成直流變頻空調最受限的缺點在于它的可控制的范圍較小，這是由于其直流變頻空調的壓縮機頻率變化較小所導致的。而交流變頻空調在此基礎上努力克服了諸多缺點，噪聲小、振動幅度小、可控制范圍變大。不僅如此，在不斷的發(fā)展過程中，變頻空調在啟動后能夠越來越快速的達到設定溫度，最大限度保證用戶的舒適度；在運行過程中，多次的調整設定溫度也不會對電壓造成太大影響，最大限度保證用戶使用安全；即使如今的變頻空調以越來越低的頻率運行，但其始終能夠保證其控制的范圍，而降低頻率，也能夠相應的降低噪音，降低對電壓的影響。總之，我國變頻空調一直在向越來越好的方向發(fā)展，其特點也是不斷向全方位滿足用戶需求上靠攏。

4.變頻空調壓縮機的驅動技術

4.1驅動控制方式

從目前研究方向上，變頻空調壓縮機的驅動控制方式有兩種控制方式：其一是直接轉矩控制，這種方式在1985年被提出，是從原有的永磁同步電機的基礎上發(fā)展而來的，其目的是為了提高變頻空調壓縮機的驅動控制方式的有效性。其原理是將定子磁鏈估算作為磁場定向的核心，在通過控制磁鏈完成對目標的有效控制，并在原有基礎上估算出壓縮機系統(tǒng)內部的運行速度，從而進一步精確控制范圍。直接轉矩控制在提高了變頻空調壓縮機的驅動控制的有效性的同時，卻并沒有很好的處理由此帶來的壓塑機系統(tǒng)運行時穩(wěn)定性下降的問題，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，這種驅動控制方式問世時間更早，早在1968年其理論構架已經(jīng)基本完善，1971年實現(xiàn)系統(tǒng)化，但近年來我國專家在這方面屢有突破。這種驅動控制方式可以針對不同場合產生不同種形式，但本質上來說都是在磁場的定向坐標系中，促使勵磁電流層與矩陣電流層分別產生磁通與轉矩，在通過正交解耦等一系列操作后實現(xiàn)對磁場的獨立控制。近幾年興起的新技術之一——永磁同步電機的正弦波驅動技術正是在此矢量控制原理基礎上孕育而生。同時，我國兩所知名大學教師在此驅動控制技術上也是有重大突破。

4.2位置估算技術

這種技術在近十幾年來發(fā)展勢頭強勁，尤其是在數(shù)字信號處理器問世后，無位置傳感器技術也步步高升，這是由于在變頻空調壓縮機中，永磁電機由于需要一直處于密封狀態(tài)，其運行時的溫度在此情形下能夠高達120攝氏度，再加上變頻空調壓縮機內部其他復雜成分，就很難對定子電流與轉子磁極進行準確的位置估算，為解決這一問題，在此基礎上衍生出三種無位置傳感器控制算法。其一是基于磁鏈與反電動勢的位置估計方法，這種方法計算是最為簡單的，而且可以自行調節(jié)逆變器，但與此同時，缺點就是精度低且對電機參數(shù)過于敏感。其二是基于狀態(tài)觀測器方法，這種方法運用到了諸多類型的觀測器，在分別對應每種觀測器運用特定的估算方法進行位置估算。因此造成參數(shù)多，估算復雜的情況，容易間接造成誤差大的缺陷，不僅如此，這種方法的實時性、動態(tài)性都很強，若給予的速度范圍不夠大，那么就很難滿足變頻空調壓縮機系統(tǒng)運行的需求。當然，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付參數(shù)變化。其三是高頻信號注入法，這種方法操作簡便，但需要特殊電路來注入固定頻率的高頻電壓信號，以此獲取轉子位置與轉速。這種較易操作的方法除了受制于特殊電路外還會帶來較大的噪音。

4.3轉矩補償

變頻空調壓縮機分為單轉子、雙轉子與渦旋式三種類型結構。目前我國家用變頻空調的壓縮機普遍使用成本較低的單轉子結構，而當變頻空調壓縮機在低頻運行時，時常造成轉子速度在一個機械周期內轉矩波動較大，這樣不但會形成噪音，對于變頻空調壓縮機系統(tǒng)本身的穩(wěn)定也有很大影響，因此在此情形下，研究得出可以通過矢量控制的方法，進行轉矩補償。若要實現(xiàn)這種方法操作，應當先在沒有進行任何轉矩補償?shù)那闆r下計算出相對偏移相位角度，然后在參考轉矩電流前疊加所計算得出的轉矩補償分量，這個分量的大小應當參考轉矩電流的大小，具體還要結合多次實際運行的振動效果來進行更加細致的調整，最后得出更加精確的數(shù)值。

5.結語

根據(jù)本文研究分析，變頻空調具有更加低耗能的特點，符合我國綠色發(fā)展需求。再加上相關國家標準的出臺，勢必將更多電器企業(yè)的目光吸引到如何研究更低耗能的變頻空調上。國家應當適當加大對變頻空調研究的扶持力度，更多的分配研究人員資金、人力投入，爭取使變頻空調能夠早日向更低能耗、更低噪聲、更小振動、更加智能方向發(fā)展。

參考文獻：

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