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变频空调压缩机及变频调速系统技术现状



摘要介绍了三种常用的制冷变频压缩机的发展和技术现状,从变频器,微控制器,PWM波产生方式和变频压缩机用电机四个方面实现变频调速系统。探索。

关键词变频压缩机,变频调速系统,技术现状

1简介

由于传统制冷系统使用定速压缩机,因此制冷系统和压缩机的研究重点一直是在额定和额定速度下的稳态运行期间的效率和其他运行特性。传统的制冷系统使用定速压缩机进行切换控制,压缩机由连接在压缩机上的鼠笼式电动机驱动,以调节蒸发温度。这种类型的控制导致蒸发温度大幅波动并且容易影响冷却环境的温度。在工作过程中,压缩机电机必须不断克服转子从静态到额定速度产生的巨大惯性矩。特别是在负载启动时,启动转矩比运行转矩高许多倍,结果不仅是额外的成本。电能,可以增加压缩机运动部件的磨损。此外,这种操作模式将在启动过程中产生大的振动,噪声和浪涌电流,从而引起电源电压的波动。因此,应使用变频压缩机代替定速压缩机,以避免这种频繁的启动和停止过程。

变频调速技术主要由变频器,微控制器,PWM波发生和变频压缩机电机选择四大关键技术组成。

2三台变频压缩机的研究现状

变频压缩机的研究从往复式活塞机开始,但由于其往复运动的特性,影响了变频特性;因此,它被传送到旋转式压缩机,例如滚动转子压缩机和涡旋式压缩机。大大提高了压缩机的性能。一般来说,实验研究主要是,理论分析较少。

2.1往复式活塞式压缩机

日本东芝公司于1980年开发了往复式变频压缩机,并于1981年开发出转子式变频压缩机。文献[1]给出了这两台机器的冷却能力和总效率随频率变化的实验数据。可以看出,当频率为25至75Hz时往复效率高,而当转子类型为30至90Hz时效率高。两种型号都具有最高的效率。当它大于该频率时,效率会慢慢降低。当它小于该频率时,效率迅速下降。此外,Scalabrin以不同的速度测量变速开式往复式压缩机的冷却能力和输入功率。他指出,该压缩机的容积效率在1000转/分时最高,而等熵效率和冷却系数跟随速度。减少量增加[2]。 Krueger讨论了BPM电机和逆变器的设计。对2000~5000rpm速度的冰箱和往复式压缩机进行了实验研究,当压缩机转速为3000~5000rpm时,制冷系数最高。文献[3]给出了冰箱往复式压缩机的性能测试和模拟计算结果。在2000~4000转/分钟的试验速度范围内,制冷系数随转速的增加而减小。有学者对往复式逆变压缩机的热性能进行了仿真研究,计算了压缩机各部件的传热和压力损失。2.2滚动转子压缩机

1984年,日本东芝公司的Sakurai和美国普渡大学的汉密尔顿为滚动转子压缩机建立了一个简单的摩擦损失模型[4],并选择了不同的边界摩擦系数和制冷剂在油中的溶解度。不同速度下的摩擦功耗。结果大于实验值。文献[5]描述了日立于1983年生产的变频器转子压缩机结构和材料的改进。文献[6]研究了单缸和双缸转子压缩机的转速波动,并讨论了原因。当前频率降低时压缩机性能下降。文献[7]使用由低密度和铝合金制成的滑块和转子来降低转子和转子轴承之间的高速接触力。文献[8]简单分析了滑动叶片质量和厚度的适当减小,以提高变频转子压缩机的效率,并给出了气缸,转子和滑动的温度和应力分布的有限元分析结果。 。 Liu和Soedel分析了变频转子压缩机的吸气和排气流动脉动[9,10]以及吸气管的气缸与压缩机温度分布之间的传热[11],并讨论了容积效率。变频压缩机。并给出了不同速度下计算机模拟计算的气缸压缩过程效率,容积效率和压缩过程效率的因素。从实验数据和文献[1]中的实验,计算出的容积效率随着速度的增加,它迅速增加。

2.3涡旋压缩机

1886年意大利专利文献[12]讨论了涡旋压缩机的原理。1905年,法国工程师克鲁克斯正式提出了涡旋压缩机的原理和结构,并申请了美国专利[13]。涡旋式压缩机是一种新型的容积式压缩机,结构紧凑,效率高,可靠性高,噪音低,特别适用于变频控制运行。但是,由于缺乏数控加工技术,缺乏对轴力平衡问题的适当解决方案,长期以来还没有完成。在20世纪70年代,美国的A.D.L.完成了一项富有成效的研究,首先解决了卷轴末端磨损补偿的密封技术。基于此,我们与瑞士合作开发了一种带有各种工作流体的涡旋压缩机原型。涡旋压缩机的真正规模生产始于日本。 1981年,SANDEN公司开始生产用于汽车空调的涡旋压缩机。 1983年,日立开始为室内空调生产2~5马力的涡旋压缩机。此外,在美国,自从Copeland于1987年推出其涡旋压缩机生产线以来,Carrier,Trane,Tecumseh和其他公司也建立了工厂来生产高质量的涡旋压缩机。变频涡旋压缩机已应用于柜式空调,节能效果明显,制冷系数提高约20%,已成为涡旋式压缩机的研究热点。3变频调速技术的发展和现状

变频调速技术适用于节能,消耗和舒适性要求。它已应用于新一代空调。它在20世纪90年代初进入了国内空调市场。其核心是:逆变器,微控制器,PWM波。生成并转换压缩机的电机。

3.1逆变器

变频空调的核心部件是变频器,其主电路采用AC-DC-AC电压型。 AC-DC工艺通常使用单相二极管的不受控制的直接整流。直接交叉过程通常使用6管三相逆变器,辅助电源,逆变器控制器和相应的驱动电路。

早期的逆变器使用分立元件构建,整流器使用单相倍压整流电路,逆变器由六个分立功率晶体管(GTR)组成。该电路复杂,可靠性差。目前,大多数制造商使用的逆变桥由六个绝缘栅晶体管(IGBT)组成,它结合了MOSFET和GTR的优点,具有高开关频率和低驱动功率。随着智能功率模块(IPM)技术的发展和应用,IPM正在逐步取代普通的IGBT模块。由于IPM具有IGBT的栅极驱动和保护逻辑,以及过流,过压(欠压),短路和过热检测和保护电路,因此提高了逆变器的可靠性和可维护性。此外,IPM的尺寸与普通IGBT模块的尺寸相当,且价格相对接近,因此目前被广泛使用。更成功的产品,例如日本三菱电机公司生产的PM20CSJ060和日本新电气公司生产的TM系列IPM模块。

功率因数校正(PFC)链路和逆变桥集成是新一代空调逆变电源技术。 PFC技术的应用不仅可以大大改善电网的工作环境,减少传输线的损耗,还可以减少变频运行期间输入端子和输出端子电容的电感,减少模块的体积。因此,PFC链路与IPM逆变桥的集成是家用空调的必然发展。

3.2微控制器

微电子技术的发展使变频调速的实施和早期模拟控制技术的数字控制技术的发展发生了根本性的变化。目前,一些外国跨国公司的微控制器产品占据主要市场,如摩托罗拉的MC68HC08MP16,英特尔的80C196MC和三菱的M37705。这些公司具有高性能和高性能,如A/D转换器,PWM波形发生器,LED/LCD驱动器等,并且通常具有OTP产品和低功耗,可以长期稳定运行。微控制器目前主要从微控制器转换到DSP(信号处理器)。以广泛使用的TI公司TMS320C240为例,它具有:50Ns指令周期,544字RAM,16K EEPROM,12个PWM通道,3个16位计数器,2个10位A/D转换,WATCHDOG,串行通信端口,串行外设接口等,采用DSP,可使控制电路简单,控制功能强大。3.3 PWM波生成

在家用空调中,大多数国内制造商使用传统的SPWM方法。在国外,一些制造商采用磁通量跟踪SPWM生成方法。该方法近似于具有不同切换模式的电动机中产生的实际磁通量。定子磁链的给定轨迹 - 理想磁通圆,即空间电压矢量的方法决定了逆变器的开关状态以形成PWM波形。该方法具有高电压利用率,低频谐波转矩和频率变化范围。操作范围广,运行稳定,控制性能好。最近的PAM控制(Pulse Amplitude Modulation)不使用载波频率进行整流,而是直接改变电压,降低整流所需的能耗,提高逆变器的工作效率,并满足省电和低谐波的要求。要求提高加热能力。

3.4变频压缩机电机

变频压缩机电机主要分为两种:交流异步电动机和直流无刷电动机。目前,中国的一些大型压缩机制造商如:万宝,松下,上海日立,东芝万家乐等都有能力生产变频压缩机(包括交流和直流)。交流电动机成本低,制造工艺简单,但节能效果好。较差的。直流无刷电机拖动包括无刷电机本身,转子位置传感器和电子换向开关。转子磁铁是永磁体,电枢绕组采用自控换向,定子的旋转磁场与转子的磁极同步旋转。通常,使用根据转子磁场的定子电流矢量转换控制,其具有良好的调速性能和普通直流电动机的启动性能。它还从根本上消除了反转火花和无线电干扰的缺点,具有寿命长,可靠性高,噪音低,控制方便的优点。例如,由Mitsubishi Electric Corporation于1998年开发的用于空调压缩机的节能和高效DC无刷电动机具有安装在转子上的八个V形永磁体。磁铁嵌入,转子不会因不锈钢外壳内的涡流而损失;采用新型压缩机电机驱动方式,效率高于普通无刷电机,但压缩机电机价格高。开关磁阻电动机(SRM)是20世纪80年代的一种新型变速驱动系统。它由磁阻电动机和控制器组成。它是新一代机电一体化产品。电动机的结构非常简单,但转子位置检测器(一般是光电检测)比普通的磁阻电动机更多。通常,流动异步电动机简单,坚固且便宜,并且因为绕组电流是DC脉冲,所以仅需要整流。变频器,所以控制电路简单。目前,SRM理论还不完善。在低速时,扭矩有些脉动,噪声和振动大,转速的稳态精度不够高,需要进一步研究和解决。

值得注意的是,国外已经为变频空调重新设计了压缩机,并将电机从传统的单相电容电机改进为三相交流电机,具有良好的调速性能。为了适应目前在中国大规模生产和使用的传统压缩机的频率控制。有必要开发一种用于单相电容器电动机的变频器。

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