一種用寬轉速壓縮機的冰箱整機性能分析研究

1 引言

當前，隨著家電行業(yè)新國標的正式實施，一級能效指數(shù)的提高，使得滿足新國標一級要求的冰箱載體整機成本增加較多，包括高效壓縮機[1]、風道結構更改、保溫性能提升等方面優(yōu)化設計增加的成本。高成本的冰箱在競爭如此激烈的家電市場不具備較好的市場競爭力，需要尋求性價比較優(yōu)的新國標[2]一級能效水平的冰箱設計方法。

基于以上存在的問題，本文設計出一種冰箱用寬轉速壓縮機，轉速范圍為900～4500RPM，將1500～1800RPM對應的COP值做到最高，同時優(yōu)化設計驅動控制程序，確保冰箱整機性能與噪音振動均滿足要求。

2 具體方案

以BCD-535W風冷冰箱為研究載體，分析當前壓縮機不同轉速對應的COP數(shù)值，從新國標角度出發(fā)，制定壓縮機改進優(yōu)化方案，壓縮機最低轉速為900RPM，從振動噪音角度出發(fā)，設計出滿足振動與整機噪音要求的驅動控制程序，確保滿足項目既定目標要求。

2.1 寬轉速壓縮機優(yōu)化設計

為應對新國標的測試要求，載體冰箱達到新國標一級能效指標要求，一般采用的壓縮機均為高效機，在2400RPM的時候的COP對應值在1.90以上。本次研究采用的載體為BCD-535W風冷冰箱，所使用的壓縮機為VNB1113Y，具體技術參數(shù)如表1所示。從表1中可知，該款壓縮機最高效點在2400RPM，對應的COP值為1.96，但實際冰箱性能測試過程中，32℃環(huán)溫所采用的轉速為1680RPM左右，此轉速對應的COP值不是最高值，不能很好地發(fā)揮出壓縮機最佳性能點的優(yōu)勢。同時，最低轉速為1200RPM，在實際測試過程中，比如16℃環(huán)溫，該最低轉速對應的冰箱整機開機率約為45%，開停機能耗損失較大，對整機的耗電量降低沒有貢獻。

基于以上存在的問題，為更好應對新國標的測試要求，開發(fā)研究寬轉速變頻壓縮機，主要從以下幾方面進行優(yōu)化設計研究。

9CC寬轉速壓縮機電機設計方案：電機本體諧波優(yōu)化和齒槽轉矩優(yōu)化，配合目前主流的SVPWM正弦波控制方案，進一步優(yōu)化電機本體的磁場波形和反電勢波形，5次諧波比普通電機減小20%。

齒槽轉矩的進一步降低，是現(xiàn)在內(nèi)置式變頻電機的一大突破，使得電機整體的轉矩脈動也大幅度降低，齒槽脈動降低約43%，充分保障了低速狀態(tài)下力矩脈動及振動的減小，從而使壓縮機低速具有較好的振動性能，保證了壓縮機的可靠性。

通過對二代曲軸長度、上油油路進行調(diào)整，可以保證壓縮機在990RPM可以充分上油，確保長期運行的可靠性。圖1為壓縮機在600RPM的上油圖片。

最后，得出VETB90L寬轉速壓縮機的可靠轉速范圍為900～4500RPM，具體技術參數(shù)如表2所示。從表2中可知，在該款壓縮機的技術參數(shù)中，最高效點在1500～1800RPM之間，可以更好地滿足新國標條件下冰箱32℃環(huán)溫的性能測試要求。最低轉速可以達到900RPM，16℃環(huán)溫下的性能測試使用990RPM，確保振動滿足噪音與可靠性要求，整機性能有2%的提升。

2.2 驅動控制優(yōu)化設計

圖1 壓縮機600RPM時的油線

圖2壓縮機矢量控制框圖

圖3 低速力矩補償框圖

壓縮機穩(wěn)定運行過程，一般包括定位狀態(tài)、異步拖動狀態(tài)、異步拖動到無位置傳感器速度閉環(huán)過渡切換狀態(tài)和無位置傳感器速度閉環(huán)控制狀態(tài)。在定位狀態(tài)，強制給壓縮機一個固定電流，使壓縮機轉子定位；再逐漸增加轉速，使壓縮機轉動，進入異步拖動狀態(tài)；當轉速達到一定值后，電流環(huán)ACR和速度環(huán)ASR閉環(huán)控制，進入過渡切換狀態(tài)；當過度切換狀態(tài)穩(wěn)定運行后，進入最終的閉環(huán)控制穩(wěn)定狀態(tài)，見圖2所示。

圖4 壓縮機組與冰箱載體

圖5 噪音測試室

圖6 16℃環(huán)溫下整機能耗測試曲線圖

在較低轉速的時候，為了減小壓縮機的震動，通常需要加低速力矩補償[3]。具體方法是把檢測到的電流波形進行高通濾波，濾除直流分量，得到引起波動的交流分量，再用電流的指令值減去這個交流分量，最后得到低轉速所對應的電流命令值，見圖3流程圖。

3 實驗測試

我司實驗室為國家級實驗室，測試冰箱性能所使用的測試室是按照國標標準GB 12021.1-2015要求的設計。環(huán)境溫度為16℃與32℃，冰箱載體在實驗室的測試狀態(tài)如圖4所示。耗電量測試時，各項測試條件按照標準測試要求進行，確保測試結果的準確性與可靠性。噪音實驗室如圖5所示，噪音測試是新國標的測試方法進行測試，測試結果準確性高。

4 試驗結果分析

4.1 噪音結果對比分析

依托以上描述的冰箱載體，在噪音室完成整機噪音測試，根據(jù)實際使用的不同轉速段進行測試，測試結果見表3。從表3中可知，共測試2臺樣機，不同轉速對應的實際測試噪音結果均滿國家標準要求（43dB(A)），1200RPM以上轉速運行結果與同行業(yè)類似冰箱相同。1200RPM以下的轉速運行，整機噪音更低。

4.2 性能測試結果分析

根據(jù)圖4所示的冰箱在實驗室內(nèi)擺放方式與實驗室的測試條件，測試16℃與32℃的冰箱整機耗電量，具體測試曲線見圖6、7。

從測試曲線可以看出，在16℃與32℃環(huán)溫下的冰箱整機性能曲線中，冷藏室與冷凍室的溫度均滿足測試要求。

圖7 32℃環(huán)溫下整機能耗測試曲線圖

16℃環(huán)溫下，壓縮機使用的轉速為990RPM，較常規(guī)冰箱壓縮機用1200RPM而言，開機率變大，整機開停機損失降低，節(jié)能效果進一步提升，冰箱整機耗電量為0.46kW?h/24h。

32℃環(huán)溫下，壓縮機使用的轉速段與原來一致，但此款寬轉速壓縮機的高效點在此轉速段內(nèi)，較原壓縮機效率相當，冰箱整機耗電量為1.14kW?h/24h。依據(jù)新國標能耗的計算方法，得出冰箱整機耗電量為0.84kW?h/24h，能效指數(shù)為24%，與新國標一級能效指數(shù)25%相比，存在一定的余量，可以更好地確保冰箱整機性能的可靠性。

通過以上噪音與整機耗電量測試結果來看，此款寬轉速壓縮機的低轉速噪音比較低，噪音水平遠超使用同排量壓縮機的冰箱產(chǎn)品的最低轉速噪音。在實際使用的過程中，尤其是在冬天使用時，可以確保冰箱噪音更低滿足用戶的要求，提升用戶實際使用時的體驗。耗電量達到新國標一級能效指數(shù)要求的同時，寬轉速電機的新設計，實現(xiàn)了壓縮機成本的大幅降低，較現(xiàn)在使用的9CC排量的高效壓縮機，可以降低約25元/臺，故使用此款寬轉速壓縮機以及新匹配的驅動控制程序的大容積風冷冰箱將具有更強的市場競爭力。

表1 VNB1113Y壓縮機技術參數(shù)

表2 VETB90L壓縮機技術參數(shù)

表3 兩款冰箱載體整機噪音實測結果

5 結論

通過寬轉速壓縮機轉速段、對應效率以及對應壓縮機驅動控制程序的創(chuàng)新設計，完成寬轉速變頻壓縮機的性能與可靠性驗證，在對應冰箱載體上完成噪音與整機性能測試驗證，結果合格。寬轉速壓縮機較常規(guī)高效壓縮機具有更低成本優(yōu)勢，可以確保所用冰箱載體價格方面更具市場競爭力。

參考文獻

[1] 嚴天宏，梁嘉麟，李青. 壓縮機的現(xiàn)狀、發(fā)展及新型技術展望. 壓縮機技術.2011年第01期.

[2] 魏邦福.冰箱新能效標準應對方案綜述.日用電器. 2016年8期.

[3] 夏加寬，盛麗君，劉純江. 直接驅動環(huán)形永磁力矩電機低速齒槽轉矩脈動補償研究. 電氣技術.2009年第03期.