變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器項目可行性分析

陳城彬

（寧波康韓瑞電器有限公司，浙江 慈溪 315314）

在空調(diào)行業(yè)的發(fā)展過程中，變頻技術(shù)作為行業(yè)中較為核心的技術(shù)之一，通過運(yùn)用該技術(shù)，可以改變以往空調(diào)使用中存在的問題，也可以實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。雖然我國是變頻空調(diào)的生產(chǎn)大國，但是在變頻技術(shù)使用的過程中，仍然存在使用率低的問題，這種現(xiàn)象對變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器項目可行性研究造成了影響。因此，在行業(yè)持續(xù)發(fā)展的背景下，為了達(dá)到變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器使用的目的，應(yīng)該將行業(yè)的運(yùn)行作為重點，通過項目可行性的分析，對處理方案進(jìn)行細(xì)化，穩(wěn)步提升變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器項目的研究價值，為行業(yè)的發(fā)展提供保障。

1 變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器

1.1 變頻壓縮機(jī)

變頻壓縮機(jī)主要是轉(zhuǎn)速固定的壓縮機(jī)通過控制方式的改變，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制在一定范圍內(nèi)，并通過連續(xù)性地調(diào)節(jié)改變輸出能量的壓縮機(jī)。在系統(tǒng)運(yùn)行及工作的過程中，壓縮機(jī)按照結(jié)構(gòu)分為2個部分。1）變頻控制器。2）壓縮機(jī)。在變頻控制器使用過程中，需要將交流電轉(zhuǎn)換為脈沖輸入，然后通過調(diào)節(jié)方波脈沖的方式調(diào)節(jié)角頻率，在頻率轉(zhuǎn)速增高的情況下轉(zhuǎn)速也會逐漸增加[1]。

1.2 變頻空調(diào)控制器

變頻空調(diào)控制器主要分為室外控制器、室內(nèi)控制器2種。在使用室外控制器時，控制器會根據(jù)室內(nèi)指令以及室外機(jī)的傳感器傳輸?shù)淖兞窟M(jìn)行整合和控制，在各個設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)用的情況下，從而實現(xiàn)室內(nèi)及室外數(shù)據(jù)傳輸；而在室內(nèi)機(jī)控制器使用的過程中，控制器可以實現(xiàn)遙控器設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)模式，并對總空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過該控制方案的設(shè)定，控制器通過判斷系統(tǒng)內(nèi)的荷載大小來決定壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，以完成對溫度的控制；最后，遙控器在完成空調(diào)各個模式、溫度計風(fēng)速的設(shè)定之后，系統(tǒng)會顯示運(yùn)行狀態(tài)。變頻空調(diào)控制器主要是在溫度控制器中使用溫感探頭及變頻器，通過電阻信號、電壓信號的綜合處理，提高系統(tǒng)變速使用的效果，而且也可以結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的進(jìn)氣及排氣量，保證變頻空調(diào)控制器的正常使用[2]。

2 目前國內(nèi)市場變頻器市場分析

變頻器針對不同的使用環(huán)境，大致可以分為高壓和中低壓2 種，在這2 種變頻器的技術(shù)市場也存在較大的差異，高壓變頻器主要用于電力行業(yè)，技術(shù)要求高，由于這個技術(shù)壁壘，因此其市場主要被ABB、西門子、艾默生、Vacon以及羅賓康等幾家公司所壟斷，我國的一些公司雖然也在生產(chǎn)，但是其市場份額微乎其微。在中低壓變頻器市場中，由于變頻器使用得非常廣泛，特別是最近這幾年，中低壓變頻器市場規(guī)模逐年增大，2020年中低壓變頻器市場規(guī)模達(dá)到226億元，雖然2020年初受到了新冠疫情的影響，但是在6月以后市場逐步恢復(fù)，比2019年增長了3.6%。在我國的中低壓變頻器應(yīng)用市場中，起步機(jī)占9%，電梯占9%，紡織機(jī)械占9%，冶金行業(yè)占8%，電力設(shè)備占8%，石油石化行業(yè)占7%，市政行業(yè)占6%，建筑建材行業(yè)占9%，其他行業(yè)占35%。在中低壓變頻器的技術(shù)市場中，主要有以ABB、西門子為代表的歐系，以安川、三菱為代表的日系和以匯川、臺達(dá)為代表的國產(chǎn)系。由于技術(shù)過硬、研發(fā)力度大，因此歐系中低壓變頻器在技術(shù)和品牌的認(rèn)可度明顯超越了日系和國產(chǎn)，約占整個市場的56.7%。

3 開發(fā)新低壓變頻器技術(shù)狀況

原有低壓變頻器開發(fā)成立于2003年，主要以替代進(jìn)口變頻器為出發(fā)點，變頻器經(jīng)歷了無源PFC正裝方案，有源PFC雙板正裝方案、外接電感變頻器大板方案、外接電感變頻器（圖1）小板方案及現(xiàn)在主流的板載高頻PFC（圖2）小板方案。

圖1 外接電感變頻器小板方案

圖2 現(xiàn)在主流的板載高頻 PFC小板方案

2020年7月前，新版的空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》（GB 21455—2019）實施前，變頻器采用外接電感變頻器（圖1）小板方案，產(chǎn)品滿足舊標(biāo)準(zhǔn)GB 21455—2013《轉(zhuǎn)速可控房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》，變頻控制器采用外接電感方案仍是主流，舊標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品以一級、三級變頻為主銷機(jī)型，是企業(yè)營收的主要內(nèi)容。

2020年隨著新能效標(biāo)準(zhǔn)的出臺，對能效的要求提高了，新標(biāo)準(zhǔn)的出臺使定頻產(chǎn)品在未來幾年會慢慢淡出歷史舞臺，變頻產(chǎn)品占比會急劇加大。這要求變頻產(chǎn)品的成本控制及品質(zhì)要求會更高。市場競爭越發(fā)激烈，變頻產(chǎn)品的競爭比過去定頻產(chǎn)品的競爭更加激烈。除了產(chǎn)品平臺的優(yōu)化，對變頻器本身也提出了更高的要求。

2020年新國標(biāo)實施以后，空調(diào)在能效方面的標(biāo)準(zhǔn)更高，舊的變頻方案已經(jīng)滿足不了市場要求。為了滿足市場及企業(yè)盈虧平衡，企業(yè)集中研發(fā)力量開發(fā)新國標(biāo)三級1.5匹變頻（行業(yè)主銷）產(chǎn)品，新國標(biāo)變頻產(chǎn)品采用最新環(huán)保冷媒，具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點，新方案體積相對于原方案縮小了17%，同時實現(xiàn)板載高頻PFC（圖2），其效率高，發(fā)熱量小，較原老方式散熱，散熱風(fēng)先經(jīng)過冷凝器，再對控制器散熱，散熱風(fēng)溫度較高，散熱效率較低，在運(yùn)行時不能達(dá)到較高的頻率。而新方案使用新風(fēng)散熱，散熱風(fēng)未經(jīng)過冷凝器，散熱風(fēng)溫度較低，散熱效率較高。在新方案中對器件進(jìn)行選型優(yōu)化，使用小尺寸PCB，并在新方案中重新設(shè)計冷凝器，選配高效變頻壓縮機(jī)39W26REN&FJMD，優(yōu)化分流，增強(qiáng)低溫條件下?lián)Q熱效率，使整機(jī)最大制熱量由原4 100 W增加至4 800 W，優(yōu)化驅(qū)動參數(shù)、重新設(shè)計運(yùn)行參數(shù)，整體能效提升明顯，同時由于體積減小，電控盒整體用料減少，因此在成本方面相對于老式變頻器的優(yōu)勢較大，每套成本優(yōu)化約47元，見表1。

4 新項目研究中的風(fēng)險性分析

4.1 項目盈虧平衡

結(jié)合變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器的使用特點，在技術(shù)運(yùn)用的過程中，項目盈虧平衡是十分常見的。公司在原變頻器實際發(fā)展的過程中，為了更好地實現(xiàn)損益平衡，應(yīng)該結(jié)合項目的基本特點，首先在PFC上投入大量的研究，在傳統(tǒng)的PFC控制上采用外接電感的設(shè)計，新的變頻器的PFC設(shè)計改用40 kHz 開關(guān)頻率，以及一個集成自舉電路的 SOI 柵極驅(qū)動 IC 和用于溫度監(jiān)測的熱敏電阻。變頻器的總成本的主要影響因素包括 IPM、散熱片和 PCB等。由于新的PFC控制器、高集成度的全新 IPM采用Mini 封裝，是集成在電路板上的，為了提高散熱效率，新設(shè)計采用了具有良好導(dǎo)熱性的 DCB （直接鍵合銅）基板，用于實現(xiàn)良好的熱性能。為了充分利用該封裝的傳熱能力，所有的主要熱源 （如 IGBT 和二極管等）都安裝在 DCB 上，為的是充分利用該封裝的傳熱能力。不僅提高了散熱效率，而且將封裝尺寸變小，此外，將分立式功率半導(dǎo)體和驅(qū)動器集成于一個封裝可簡化裝配流程[2]，這樣原有變頻器技術(shù)大大降低了保本點，新設(shè)計將空調(diào)機(jī)整體毛利潤率控制在5.2%左右，整體毛利潤率能夠提高0.8%左右，同時加強(qiáng)對企業(yè)的銷售管理及成本控制，使企業(yè)中的各項業(yè)務(wù)形式時刻保持保本狀態(tài)，可以極大地提高企業(yè)的整體效益。

4.2 項目敏感性

在變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器項目可行性分析中，應(yīng)該對項目敏感性內(nèi)容進(jìn)行研究，變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器項目技術(shù)關(guān)鍵點就是散熱，所以新變頻器設(shè)計方案必須在散熱方面有所突破，通過反復(fù)試驗，最終通過在控制電路增加過溫保護(hù)元器件來解決，在IPM 集成了一個熱敏電阻。在25 ℃時其阻抗典型值為 85 kΩ，在 100 ℃時為 5.4 kΩ，因為熱敏電阻與具有漏極開路配置的VFO 引腳直接連接到 ADC 和微控制器故障檢測端。這樣，由于電路中電阻的大幅減低，最大程度地降低了變頻器控制器產(chǎn)熱。新變頻方案可達(dá)到新國標(biāo)要求這樣就可以進(jìn)入新領(lǐng)域，同時新方案中整機(jī)最大制熱量由原4 100 W增加至4 800 W，這樣面對空調(diào)壓縮機(jī)功率越做越大的趨勢，新方案很好的適應(yīng)了這種趨勢，增強(qiáng)技術(shù)研究的保障性，為空調(diào)系統(tǒng)的研發(fā)以及變頻技術(shù)的運(yùn)用提供支持[3]。

5 風(fēng)險防范策略及項目應(yīng)用

5.1 風(fēng)險防范策略

通過對變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器項目可行性研究，如果變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器投入生產(chǎn)，可以在較短的時間內(nèi)獲得效益。針對變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器研究項目中的風(fēng)險，應(yīng)該設(shè)置以下風(fēng)險控制策略：1）擴(kuò)大新產(chǎn)品的研發(fā)，近些年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)+的不斷興起與發(fā)展，大數(shù)據(jù)也開始受到廣泛關(guān)注，未來云計算、5G技術(shù)和IA人工智能將成為技術(shù)嵌入的主流。根據(jù)這一趨勢，公司應(yīng)該及早研發(fā)推出基于云平臺或融合5G通信和人工智能化服務(wù)產(chǎn)品，構(gòu)建基于遠(yuǎn)程云平臺的變頻管家。變頻空調(diào)控制設(shè)備依托云平臺，提供遠(yuǎn)程在線支持，結(jié)合現(xiàn)場服務(wù)的功能，為變頻器提供全生命周期的管理服務(wù)。實現(xiàn)PC 端+手機(jī)App 端在線監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)；如果變頻器突發(fā)異常，在平臺上顯示預(yù)警和維護(hù)狀態(tài)，減少非正常停機(jī)時間，同時也可以通過這個平臺使設(shè)備使用人員與公司專業(yè)的技術(shù)人員在線聯(lián)絡(luò)，構(gòu)建遠(yuǎn)程設(shè)備診斷系統(tǒng)，并通過在變頻器上安裝的傳感器，實時將運(yùn)行數(shù)據(jù)利用云平臺的計算功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，做到及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)行隱患，提前防范，并通過云存儲建立設(shè)備健康報告及數(shù)字化檔案，在后續(xù)服務(wù)方面該客戶可以獲得優(yōu)先改造或置換的機(jī)會。變頻器管家可以真正做到悉心呵護(hù)客戶的設(shè)備。除了基本的功能外，還可以增加具有特定功能的服務(wù)包供客戶選擇。研究發(fā)現(xiàn)高壓變頻器 80%的故障都是可以避免的，通過及時預(yù)警和預(yù)防性維護(hù)，可以做到防患于未然。以此作為營銷的看點擴(kuò)大銷售提高市場占有率[4]。2）嚴(yán)格控制新產(chǎn)品的成本，攤薄各項費用。在新產(chǎn)品的開發(fā)和推廣過程中，研發(fā)成本和銷售費用在新產(chǎn)品的成本中占有較大的比例，因此在新產(chǎn)品進(jìn)入大規(guī)模批量生產(chǎn)后，企業(yè)的原料采購部門要發(fā)揮集中采購的價格優(yōu)勢，降低原材料的采購價，同時在銷售環(huán)節(jié)要與新變頻器的合作單位通過產(chǎn)品配套方式，在保持配套價格不變的情況下，增加配套產(chǎn)品供應(yīng)的數(shù)量，通過該方法提高單個產(chǎn)品利潤率。同時，為了提高市場推廣和市場占有率，企業(yè)要制定詳細(xì)的銷售策略和廣告內(nèi)容，并針對老變頻器銷售過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)分析，將其中的優(yōu)點應(yīng)用于新銷售策略中，同時剔除和避免老產(chǎn)品在該過程中的缺陷和不足。在變頻器的生產(chǎn)過程中，需要大量的電子元器件，一些元器件市場波動率較大，在這種背景下，企業(yè)可以通過購買一些元器件的期貨，以對沖元器件巨幅波動對生產(chǎn)經(jīng)營帶來的不利影響，同時也可以穩(wěn)定產(chǎn)品的利潤率。3）制定優(yōu)質(zhì)化策略，爭取國家的優(yōu)惠政策。由于新變頻器的研發(fā)定位也是作為壓縮機(jī)的配套，因此在研發(fā)過程中要做到高起點，力爭成為質(zhì)量高的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，在研發(fā)初期就要根據(jù)配套的壓縮機(jī)進(jìn)行研究，根據(jù)壓縮機(jī)使用的產(chǎn)品、使用的場合和使用環(huán)境，同時研究壓縮機(jī)的發(fā)展方向，從這些方面考慮新變頻器的技術(shù)方向、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、元器件選配以及新舊產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的延續(xù)等方面挖掘產(chǎn)品的市場優(yōu)勢。同時針對市場做好配套服務(wù)，特別是一些特殊需求的壓縮機(jī)，變頻器的研發(fā)部門主動與壓縮機(jī)研究部門接洽，做好技術(shù)上的銜接。同時國內(nèi)中低壓變頻器市場一直被歐系產(chǎn)品所把持，企業(yè)可以積極與國家級科研單位合作，在提高國產(chǎn)替代率方面下些功夫。推動公司研發(fā)部與科研單位的合作，申請成為攻關(guān)課題，從而在研發(fā)經(jīng)費上獲得政府的支持[5]，在產(chǎn)品研發(fā)的過程中，項目單位要穩(wěn)步提高產(chǎn)品的品質(zhì)及功能，結(jié)合家用空調(diào)產(chǎn)業(yè)的運(yùn)行特點，細(xì)化可行性的項目研究方案，保證產(chǎn)品銷售價格穩(wěn)步提升，滿足企業(yè)的高質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)化發(fā)展需求。

5.2 變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器的技術(shù)運(yùn)用

在變頻器的功能設(shè)置中，確定工程設(shè)置方案，可以結(jié)合系統(tǒng)項目的運(yùn)行特點，對電動機(jī)的輸出功率進(jìn)行判斷，在轉(zhuǎn)速較低的情況下，壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)趨于穩(wěn)定，而且性能也會逐漸降低。在轉(zhuǎn)速發(fā)生急劇變化時，空氣壓縮機(jī)不需要特意啟動，而是需要根據(jù)轉(zhuǎn)速升降幅度由變頻器控制壓縮機(jī)的工作速度，這種情況可以在一定程度上避免過壓、過流等問題的出現(xiàn)。通過變頻器控制系統(tǒng)的啟動及運(yùn)用，用以實現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速值的控制效果，從而穩(wěn)步提升變頻器功能設(shè)置及使用需求[6]。

5.3 變頻器的安裝

在變頻器安裝過程中，要做好前期勘察，并根據(jù)項目的特點，設(shè)計變頻器系統(tǒng)的安裝方案，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定地運(yùn)行，同時也可以改善變頻器、電動機(jī)接地設(shè)備的使用效果，增強(qiáng)各個設(shè)備可操作性。而且在空調(diào)系統(tǒng)的變頻器安裝中，為了避免設(shè)備噪聲問題，通過配線方案的調(diào)整、變頻系統(tǒng)的合理控制等，確定具體的布線管理方案，需要注意的是，在布線協(xié)調(diào)中，變頻器與電動機(jī)的接線長度一定不能過長，在低頻率輸出模式中，接線過長會使電路電壓減小，在一定程度上降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的效率，同時在電線接線處理中，應(yīng)該考慮信號之間干擾的問題，通過設(shè)定變頻頻率的方式改善該問題，實現(xiàn)變頻空調(diào)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[7]。

6 結(jié)語

總的來說，在變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器項目可行性研究中，為了提高設(shè)備使用的整體效果，優(yōu)化項目研究的可行性價值，設(shè)備維護(hù)人員需要結(jié)合以往經(jīng)驗，分析變頻器控制的應(yīng)用領(lǐng)域的變化[7]，有針對性的將項目的研究方向向這種變化靠攏，增強(qiáng)技術(shù)研究的保障性，行業(yè)運(yùn)行中雖然存在著一些限制問題，但是，在變頻壓縮機(jī)及變頻空調(diào)控制器項目的可行性分析中，設(shè)置完善性的產(chǎn)品選擇方案，規(guī)范產(chǎn)品定價及研究方案，保證項目的預(yù)期銷量，為行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供參考。