一種用寬轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)的冰箱整機(jī)性能分析研究

1 引言

當(dāng)前，隨著家電行業(yè)新國(guó)標(biāo)的正式實(shí)施，一級(jí)能效指數(shù)的提高，使得滿足新國(guó)標(biāo)一級(jí)要求的冰箱載體整機(jī)成本增加較多，包括高效壓縮機(jī)[1]、風(fēng)道結(jié)構(gòu)更改、保溫性能提升等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)增加的成本。高成本的冰箱在競(jìng)爭(zhēng)如此激烈的家電市場(chǎng)不具備較好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，需要尋求性價(jià)比較優(yōu)的新國(guó)標(biāo)[2]一級(jí)能效水平的冰箱設(shè)計(jì)方法。

基于以上存在的問題，本文設(shè)計(jì)出一種冰箱用寬轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍為900～4500RPM，將1500～1800RPM對(duì)應(yīng)的COP值做到最高，同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制程序，確保冰箱整機(jī)性能與噪音振動(dòng)均滿足要求。

2 具體方案

以BCD-535W風(fēng)冷冰箱為研究載體，分析當(dāng)前壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的COP數(shù)值，從新國(guó)標(biāo)角度出發(fā)，制定壓縮機(jī)改進(jìn)優(yōu)化方案，壓縮機(jī)最低轉(zhuǎn)速為900RPM，從振動(dòng)噪音角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出滿足振動(dòng)與整機(jī)噪音要求的驅(qū)動(dòng)控制程序，確保滿足項(xiàng)目既定目標(biāo)要求。

2.1 寬轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為應(yīng)對(duì)新國(guó)標(biāo)的測(cè)試要求，載體冰箱達(dá)到新國(guó)標(biāo)一級(jí)能效指標(biāo)要求，一般采用的壓縮機(jī)均為高效機(jī)，在2400RPM的時(shí)候的COP對(duì)應(yīng)值在1.90以上。本次研究采用的載體為BCD-535W風(fēng)冷冰箱，所使用的壓縮機(jī)為VNB1113Y，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。從表1中可知，該款壓縮機(jī)最高效點(diǎn)在2400RPM，對(duì)應(yīng)的COP值為1.96，但實(shí)際冰箱性能測(cè)試過程中，32℃環(huán)溫所采用的轉(zhuǎn)速為1680RPM左右，此轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的COP值不是最高值，不能很好地發(fā)揮出壓縮機(jī)最佳性能點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，最低轉(zhuǎn)速為1200RPM，在實(shí)際測(cè)試過程中，比如16℃環(huán)溫，該最低轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的冰箱整機(jī)開機(jī)率約為45%，開停機(jī)能耗損失較大，對(duì)整機(jī)的耗電量降低沒有貢獻(xiàn)。

基于以上存在的問題，為更好應(yīng)對(duì)新國(guó)標(biāo)的測(cè)試要求，開發(fā)研究寬轉(zhuǎn)速變頻壓縮機(jī)，主要從以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

9CC寬轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)方案：電機(jī)本體諧波優(yōu)化和齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化，配合目前主流的SVPWM正弦波控制方案，進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)本體的磁場(chǎng)波形和反電勢(shì)波形，5次諧波比普通電機(jī)減小20%。

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

通過對(duì)二代曲軸長(zhǎng)度、上油油路進(jìn)行調(diào)整，可以保證壓縮機(jī)在990RPM可以充分上油，確保長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。圖1為壓縮機(jī)在600RPM的上油圖片。

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

2.2 驅(qū)動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 壓縮機(jī)600RPM時(shí)的油線

圖2壓縮機(jī)矢量控制框圖

圖3 低速力矩補(bǔ)償框圖

壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過程，一般包括定位狀態(tài)、異步拖動(dòng)狀態(tài)、異步拖動(dòng)到無(wú)位置傳感器速度閉環(huán)過渡切換狀態(tài)和無(wú)位置傳感器速度閉環(huán)控制狀態(tài)。在定位狀態(tài)，強(qiáng)制給壓縮機(jī)一個(gè)固定電流，使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子定位；再逐漸增加轉(zhuǎn)速，使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入異步拖動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，電流環(huán)ACR和速度環(huán)ASR閉環(huán)控制，進(jìn)入過渡切換狀態(tài)；當(dāng)過度切換狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行后，進(jìn)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(jī)組與冰箱載體

圖5 噪音測(cè)試室

圖6 16℃環(huán)溫下整機(jī)能耗測(cè)試曲線圖

在較低轉(zhuǎn)速的時(shí)候，為了減小壓縮機(jī)的震動(dòng)，通常需要加低速力矩補(bǔ)償[3]。具體方法是把檢測(cè)到的電流波形進(jìn)行高通濾波，濾除直流分量，得到引起波動(dòng)的交流分量，再用電流的指令值減去這個(gè)交流分量，最后得到低轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的電流命令值，見圖3流程圖。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

我司實(shí)驗(yàn)室為國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試冰箱性能所使用的測(cè)試室是按照國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)GB 12021.1-2015要求的設(shè)計(jì)。環(huán)境溫度為16℃與32℃，冰箱載體在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試狀態(tài)如圖4所示。耗電量測(cè)試時(shí)，各項(xiàng)測(cè)試條件按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求進(jìn)行，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。噪音實(shí)驗(yàn)室如圖5所示，噪音測(cè)試是新國(guó)標(biāo)的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性高。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 噪音結(jié)果對(duì)比分析

依托以上描述的冰箱載體，在噪音室完成整機(jī)噪音測(cè)試，根據(jù)實(shí)際使用的不同轉(zhuǎn)速段進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。從表3中可知，共測(cè)試2臺(tái)樣機(jī)，不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的實(shí)際測(cè)試噪音結(jié)果均滿國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求（43dB(A)），1200RPM以上轉(zhuǎn)速運(yùn)行結(jié)果與同行業(yè)類似冰箱相同。1200RPM以下的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，整機(jī)噪音更低。

4.2 性能測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)圖4所示的冰箱在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)擺放方式與實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試條件，測(cè)試16℃與32℃的冰箱整機(jī)耗電量，具體測(cè)試曲線見圖6、7。

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

圖7 32℃環(huán)溫下整機(jī)能耗測(cè)試曲線圖

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

32℃環(huán)溫下，壓縮機(jī)使用的轉(zhuǎn)速段與原來(lái)一致，但此款寬轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)的高效點(diǎn)在此轉(zhuǎn)速段內(nèi)，較原壓縮機(jī)效率相當(dāng)，冰箱整機(jī)耗電量為1.14kW?h/24h。依據(jù)新國(guó)標(biāo)能耗的計(jì)算方法，得出冰箱整機(jī)耗電量為0.84kW?h/24h，能效指數(shù)為24%，與新國(guó)標(biāo)一級(jí)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(jī)性能的可靠性。

通過以上噪音與整機(jī)耗電量測(cè)試結(jié)果來(lái)看，此款寬轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)的低轉(zhuǎn)速噪音比較低，噪音水平遠(yuǎn)超使用同排量壓縮機(jī)的冰箱產(chǎn)品的最低轉(zhuǎn)速噪音。在實(shí)際使用的過程中，尤其是在冬天使用時(shí)，可以確保冰箱噪音更低滿足用戶的要求，提升用戶實(shí)際使用時(shí)的體驗(yàn)。耗電量達(dá)到新國(guó)標(biāo)一級(jí)能效指數(shù)要求的同時(shí)，寬轉(zhuǎn)速電機(jī)的新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)成本的大幅降低，較現(xiàn)在使用的9CC排量的高效壓縮機(jī)，可以降低約25元/臺(tái)，故使用此款寬轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)以及新匹配的驅(qū)動(dòng)控制程序的大容積風(fēng)冷冰箱將具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

表1 VNB1113Y壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 VETB90L壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)

表3 兩款冰箱載體整機(jī)噪音實(shí)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

通過寬轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速段、對(duì)應(yīng)效率以及對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，完成寬轉(zhuǎn)速變頻壓縮機(jī)的性能與可靠性驗(yàn)證，在對(duì)應(yīng)冰箱載體上完成噪音與整機(jī)性能測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果合格。寬轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)較常規(guī)高效壓縮機(jī)具有更低成本優(yōu)勢(shì)，可以確保所用冰箱載體價(jià)格方面更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

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