R410A技术和无位置传感器三相矢量控制技术的应用

2013-11-06刘月华

机械设计与制造工程 2013年9期

卢澄，刘月华

(江苏春兰制冷设备有限公司，江苏泰州 225300)

高效节能技术是各门学科的综合，主要以热力学为基础，涉及到基础材料、工艺过程、电子技术等，研究探索高效节能技术，对人类贡献极大，而且高效节能的空间无限大，需要不断开发、追求、探索。

近年来，随着能源短缺问题和大气臭氧层保护问题日益严峻，作为家电中的耗能大户，国家针对空调行业逐步提高了准入门槛，每个空调企业都在为设计节能环保的空调不断努力。2007年以来，变频家用空调每年增长幅度在6%以上，作为变频空调的关键部件——永磁同步电动机具有结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高等优点，在压缩机中应用越来越广泛。而无位置传感器三相矢量控制技术作为直流无刷电机调速技术中较为优秀的技术，也越来越受到产品研发人员的重视。

江苏春兰制冷设备有限公司现已完成了R410A制冷剂在相关产品上的替代研究工作，特别是在直流变频挂壁式空调器上的应用开发成功，标志着江苏春兰制冷设备有限公司在高端环保节能产品上已占有先机。

本文主要以一款KFR－35GW/BPWa的产品为例，探讨应用节能环保制冷剂R410A的直流变频挂壁式空调器的特点和开发中的一些问题。

1 压缩机的选取

在国内市场，使用在家用空调上的直流变频压缩机以单转子和双转子滚动转子式压缩机为主。双转子压缩机具有筒体小、动平衡特性比较好的特点，但由于工艺复杂、制造成本高，一般使用在2匹以上的机型上。单转子机型由于本身动平衡特性较差，综合考虑压缩机配管使用的可靠性，一般实际使用中只能在30Hz以上频率运行。

由于本机组属于1.5匹空调，从现有压缩机型谱和可靠性等方面进行考虑，选择一款国产合资品牌的单转子R410A直流变频压缩机。

2 压缩机控制方案和电器系统控制的设计

2.1 压缩机控制方案的设计

所谓压缩机控制，其实就是对机体内的无刷直流电机的控制，即无刷驱动技术:通过对转子位置准确的确定，实现定子三相线圈适时的相序变换。转子位置通过转子转动时在定子三相绕组中所产生的反电动势信号进行分析判断。

目前家用空调压缩机无刷直流电机的驱动控制方案，一般采用2种控制方式:(1)120°通电控制技术，即矩形方波控制技术。该种方式相对简单，成本较低，基本能满足整机的正常使用条件。(2)180°通电控制技术，即采用矢量运算(Vector Processing)对电机进行驱动控制，也就是无位置传感器三相矢量控制技术。由于在压缩机高频运转时，必须具备高速的数据处理芯片(DSP)，因此成本较高，技术相对复杂。

由于2种控制方式的成本和技术的不同，后续制冷系统设计时应在充分考虑对整机性能影响程度的基础上进行取舍。

2.2 电器系统控制

在电机控制上，采用FUJITSU公司的反电势采样检测电路。为了提高功率因素，在整流后串入电感量为4mH的电抗器，并在电抗器两端并入一相匹配的无感电容，以改变直流侧电流脉动，适当提高功率因素。

室内外通讯采用弱电电流环通讯，通讯方式采用标准串行异步的方式，并采用了增加识别码、校验码等容错方式，有效地提高了通讯的可靠性[1]。模块驱动部分主要由三菱公司的20A功率模块PS21265、东芝公司低速光耦TLP421、无感水泥锰铜电阻0.012Ω及外围电路组成，为来自MCU的控制模块驱动信号提供通路，驱动压缩机运转，并反馈故障信号[1]。

3 制冷系统设计

3.1 制冷系统的设计

R410A直流变频空调器主要特点是环保、节能、高效、低噪声。R410A热力性能与HCFC－22最接近，在中小型房间空调器中应用较多。R410A是由HFC－32和HFC－125按质量百分比各占一半混合而成，其ODP=0，GWP ＜0.2，是一种共沸制冷剂。其循环工作压力比 HCFC－22约高57%，系统高压为采用HCFC－22制冷剂系统高压的1.6倍，单位容积制冷量比 HCFC－22约大43%，制冷系数比HCFC－22约小7.7%，其余参数与HCFC－22基本接近[2]。从以上热力性能比较来看，在理论上，采用R410A制冷剂可以减少换热器的使用量，减少对大气层的破坏。根据其理论特性，设计的制冷机构参数见表1，压缩机采用“DA108X1C－20FZ3”。

表1 制冷系统的结构参数

经过初步调试[3]，在电控部分采用“矩形方波控制技术”，通过调整毛细管流量和换热器的流程，得出初步的结果，见表2。

表2 标准制冷量和标准制热量测试结果

采用家电研究所的一套计算软件，对机组的季节能效比进行测算[4]。季节能效比计算结果APF为2.9856，SEER(制冷季节能源效率)为4.0120，CSTE(制冷季节耗电量)为821653，CSTL(制冷季节热负荷)为3296440，HSTL(制热季节热负荷)为9392924。相关参数见表3。

表3 季节能效比计算参数

通过对以上数据的分析，发现制约SEER提高的重要因素是额定中间制冷量的效能。按KFR－35GW/BPWa机组的额定制冷量计算，额定中间制冷量应为1750±100W，而该机组的测量值已超标，使得额定中间制冷测试时的压缩机输入功率过高、中间EER偏高，使得整机的SEER无法进一步提高。

造成机组额定中间制冷量值超标的主要原因是在压缩机控制方面采用矩形方波控制技术，该控制方案的主要缺点之一就是压缩机运行不平稳，特别是单转子压缩机在低频(本机组低于28Hz，其他机组可能在40Hz以下)运行时，压缩机本体振动大，造成吸气管和排气管振动大，即使在管道上增加质量不等的质量块，仍无法减弱或消除管道上的振动。因此，根据压缩机振动情况，将压缩机的最低运行频率定为30Hz，使得机组的额定最低冷量和中间冷量均较高，中间EER偏高。

针对该现象，压缩机控制方案决定采用无位置传感器三相矢量控制技术。由于采用电流闭环控制技术，当电流峰值较小、正弦波平滑、压缩机负荷运行时，对整个频谱噪声的改善效果明显，压缩机振动小，压缩机可以超幅宽频运行。采用新无位置传感器三相矢量控制技术得出的整机测量数据见表4。

表4 调试后的标准制冷量和标准制热量测试结果

同样采用上述的SEER计算软件[4]，计算得出调试后的季节能效比计算结果 APF为3.1075，SEER(制冷季节能源效率)为 4.7064，CSTE(制冷季节耗电量)为700456，CSTL(制冷季节热负荷)为3296631，HSTL(制热季节热负荷)为9392924。相关参数见表5。

表5 调试后的季节能效比计算参数

压缩机驱动采用无位置传感器三相矢量控制技术，与采用方波控制技术相比整机的SEER有较大的提高，由于可以采用更宽幅的频率运行，整机得到更佳的速冷、速热效果，并且使机组控温精度大大提高，机组低频运行的振动很小，机组运行更加可靠、平稳。

2种压缩机控制方式下机组性能的测试结果对比表明，为使压缩机能够更充分地发挥其潜力，并使机组性价比得到最大化，在压缩机驱动控制方面应采用无位置传感器三相矢量控制技术。

3.2 管系振动、噪声和可靠性确认

由于采用了无位置传感器三相矢量控制技术，在整机测试时，振动和噪声都得到有效的抑制。对压缩机的高频声，采用经过特殊处理的带毛毡的橡胶板进行包裹，使压缩机的声音更加柔和。

4 产品应用情况

江苏春兰制冷设备有限公司应用R410A技术和无位置传感器三相矢量控制技术，开发了包括XXX－25GW/AZ1BPdWa－E1、XXX－35GW/AZ1BPdWa－E1、XXX－25GW/AY1BPdWa－E2(E3)和XXX－35GW/AY1BPdWa－E2(E3)等在内的系列直流变频分体挂壁式房间空调器，为公司产生了较好的经济效益。AZ1BP系列部分产品测试数据见表6。

5 结束语

根据研究和试验结果，R410A制冷剂和无位置传感器三相矢量控制技术的应用，可以有效提高机组能效比，降低噪声。今后研究工作中，对换热器中的U形管的耐压度要给予重视，对管道系统的分析要加强。同时压缩机在高频运行或在国标最大运行制热工况下运行，应充分考虑峰值电流和压缩机电机温升对永磁体电机的影响，将造成退磁的可能降到最低。本文主要对节能空调设计中R410A制冷剂和矢量控制技术方向进行了探索和总结，可供研发人员参考，以为整个社会的节能减排作出贡献。