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基于空调压缩机变速控制问题分析和

收藏本文 2024-03-25 点赞:16088 浏览:69728 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:压缩机是空调的心脏,其转速直接影响到空调的使用效率,本文首先分析了滚动转子压缩机的工作特性,然后深入研究了无刷直流电动机调速系统的工作原理,为满足滚动转子压缩机的负载特性,提出了转矩优化控制和电流优化控制法,本文是个人的一些观点,可与同行共同探讨。
关键词:全封闭滚动转子压缩机; 无刷直流电机; 转矩控制;
前言
空气调节设备是在热负荷经常变化的环境中运行。例如: 冬季时, 空调器按热泵运行, 若环境温度很低, 室外热交换器与环境的换热量减少, 室内热交换器放出的热量也减少, 房间温度达不到设定值。此时若提高压缩机的转速,使工质循环量增加, 则可保证供热量。设定名义工况下, 机组制冷量与输入功率之比称为能效比EER ( Energy EfficiencyEatio) , 随着系统负荷减小, EER 会大幅度下降, 系统负荷与机组制冷量完全匹配的状况, 实际中几乎不存在, 而应当考虑机组在各种负荷工况下的综合能耗, 为此人们提出了季节能效比 SEER( Seasonal Energy Efficiency Ratio) 的概念, SEER 更准确的反映了机组的能耗。对制冷压缩机组进行变转速调节, 使制冷量和系统热负荷同步变化, 得到各种工况下较大的 EER 值, 从而使 SEER 取最大值, 因此可以大幅度节能。

一、滚动转子压缩机的工作特性分析研究

滚动转子压缩机( Rolling - Piston RataryCompressor) 是回转压缩机的一种。全封闭滚动转子压缩机的主要零件有电动机的转子和定子、圆柱形的滚动转子、气缸、滑片、曲轴; 电机和压缩机两者的主轴同轴。滚动转子靠曲轴偏心配置在气缸内, 当它绕主轴中心旋转时,其外表面与气缸内表面, 以及直线运动的滑片所形成的基元容积, 由小到大, 再由大变小完成吸气、压缩、排气过程, 因而它也属容积压缩机。这种全封闭压缩机的电机输入功率为 700~ 2000W。
图1
全封闭压缩机的转矩变化如图 1 所示, TL随主轴转角 而变化, TL 的最大值一般出现在排气过程开始。设电动机转子上的驱动力矩为 Te, 压缩机滚动转子上的阻力矩为- TL; 作用在定子上的反力矩为- Te, 作用在气缸上的反力矩为 TL。压缩气体的力矩 TL随转角而变化, 而电机力矩Te为常数。当 Te< TL时, 转子系统减速; Te> TL时, 转子系统加速, 引起压缩机振动, 特别是低速时接近其自然频率。因此要控制电机转矩, 使每一时刻T e= T L , 消除振动。

二、无刷直流电机调速系统工作原理分析研究

无刷直流电机转子采用永磁体产生旋转磁场, 定子三相绕组经电子开关控制轮换通电, 具有无刷、工作可靠、体积小、效率高等显著优点。此外, 根据“瞬时功率法”提出的电流优化控制方式, 使无刷直流电机定子三相电流与电机输出转矩直接联系起来, 可以通过控制三相电流很准确地控制电机输出转矩, 这对于转矩控制有严格要求的滚动转子压缩机有特别的意义。
本文以家用空调器的无刷直流电机调速系统的工作原理为例。单相交流 220V 电源经单相桥式整流器后提供电子开关直流恒压源。无刷直流电机的电子开关采用智能化 IGBT 模块, 该模块内含 6 个 IGBT 功率器件构成的电子开关,正好控制定子三相正、负半波电流。模块本身含有驱动电路和保护电路, 可以大大简化调速系统硬件电路, 降低成本, 提高系统工作可靠性。无刷直流电机转子位置检测采用反电势位置检测器, 省略了机械位置检测装置,使系统工作更可靠。位置检测信号 经速度变换器, 获得相应的转子旋转速度信号, 该信号与速度给定信号 g, 同时经速度调节器后输出转矩给定信号 Teg, Teg经电流控制器变换成电流指令值后, 再与电机实际电流 i 比较后, 输出脉冲到控制电子开关的通断。控制环节均可用单片微机实现, 因此硬件电路十分简单。速度调节器和电流控制器是两个关键环节, 它们分别决定无刷直流电机应输出什么样的转矩和用什么样的电流来获得所需的输出转矩, 下面分别分析它们的工作原理。

三、转矩优化控制问题分析研究

常用的调速系统( 如异步电机的变频调速或调压调速等) , 在较短的周期中输出恒转矩,但滚动转子压缩机是一个转矩呈周期性变化的负载。用恒转矩驱动变转矩负载, 会造成转速脉动, 加大空调器的振动与噪声。为了输出滚动转子压缩机所需的相同转矩, 最好能实测出压缩机的负载转矩, 但瞬时转矩一般不易直接测量, 转速调节器即根据转速指令值与瞬时速度反馈值之差, 间接求出电机应输出的转矩。例如, 当瞬时速度反馈值小于转速指令值, 则说明电机输出转矩小于压缩机负载转矩, 应该增大电机输出转矩, 反之则应减小电机输出转矩。但是, 压缩机负载变化很快, 采用微机计算出的电机输出转矩, 总是会滞后负载需要的转矩, 这种滞后也会影响压缩机运行的平稳性。如果利用压缩机每转负载转矩周期性变化规律, 则可用第 k 转获得的转矩信息, 去控制第( k+ 1) 转时电机的输出转矩, 其效果也是十分满意的。速度调节器所需的电机转子瞬时速度, 可用反电势位置检测信号微分后获得, 利用反电势获得转子位置信号的原理, 例如 uA、uB、uC取自于电子开关输出三相电压, 这些电压波形是脉宽调制波, 必须用阻容滤波器滤去高频调制波, 剩下的是与电机转子位置、速度相关的低频交流信号 ua、ub、uc, 再经三个比较器即可得到每隔 30°机械角度一个阶跃变化的方波信号( 四极电机) 。这些方波信号既可以作为电流控制器中的位置信号, 又可经数字微分后得电机转速信号。

四、电流优化控制问题分析研究

与交流电机一样, 无刷直流电机定子三相电流与电机转矩有复杂的关

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系, 能否找到并简化其关系是能否准确控制电机转矩的关键。

五、仿真研究

采用恒转矩输出和变转矩输出时,仿真研究表明: 变转矩输出的转速波动明显减小, 因此空调器的振动和噪声也会显著下降
六、结语
当前市场上销售的空调器, 绝大多数仍采用 on/ off( 开) 停) 控制, 若改为变转速控制, 则有以下优点:一是压缩机转速可以按环境热负荷的变化来调整, 使得制冷量( 供热量) 与房间热负荷平衡, 因此房间温度波动很小, 比 on/ off 控制的温度精度高得多, 满足房间舒适性要求。二是改善热泵运行时的低温特性, 缩短热泵运行时的除霜时间; 压缩机电机软起动, 减小了on/ off 运行时的损失 , 总之, 节能效果显著。三是与异步电动机变频调速系统相比, 无刷直流电机调速系统效率更高, 采用转矩优化控制和电流优化控制法后, 无刷直流电机调速系统可以满足滚动转子压缩机负载特性的要求,使家用空调的效率、噪声、调制精度等指标上升到一个新高度, 为高质量空调奠定良好的驱动基础。
参考文献
K . Nagasaw a et al. Low - N oise Invert er- Driven Torque- Cont roll ed R oom A ir Conditioners. Hitachi Review . V ol. 38( 1989) , N o. 4
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