变频空调压缩机驱动控制技术的研究

钱大明

摘要：随着世界能源问题的日益凸显，节能环保成为越来越多人追求的生活方式。这其中，在家用电器中耗能较高的空调成为了研究人员关注的重点。随着研究的逐渐深入，发现空调的变频技术相比起传统的定频技术，具有能耗高、振动噪声低、调速性能好、转速范围宽等优点，因此需要进一步完善空调的变频技术，而压缩机作为变频空调的主要耗能部件，也理所当然的成为研究人员的重要研究方向。本研究将针对变频空调，首先介绍其发展概况、系统构成及运行特点，再主要介绍变频空调压缩机的驱动技术。

关键词：变频空调；空调压缩机；驱动控制

自从空调开始走进千家万户，有关改进空调的研究就层出不穷，而随着节能减排逐渐深入人心，针对空调又有了新的研究方向——节能。在生活中，空调确实是主要的耗能电器。随着变频空调的普及，由于变频空调中的压缩机能耗高达80%-90%，因此如何减低压塑机的耗能就成为研究人员的首要目标。而本研究中的压缩机的驱动控制技术可以根据实际环境参数进行适时地调整，这样不仅避免了传统空调调温的盲目性，让人们能够更舒适的享受空调带来的便利，更有利于降低压缩机电能的损耗，达到节能减排的目标。

1. 变频空调的发展概况

虽然空调走进我国千家万户的时间不是很长，但实际上早期的简单空调在20实际初就已经问世了。但直到20世纪80年代初，变频空调才被研究出来，但那时的变频空调采用交流技术，受此限制变频空调并未得到很好的普及。直到1998年直流变频空调问世，变频空调技术取得突破性进展。这之后，由于变频空调相对于定频空调显著的优点，很快占领市场，成为现代空调的主流。时代不断向前推进，中国在海尔科技的领导下也于1998年生产了直流变频空调，并在这数年间不断取得突飞猛进的发展。现如今，仍在为继续研究更低耗能的空调而不懈奋斗。

2.变频空调的系统构成

作为家用空调，其构成有十分常见的三部分：室内机、室外机及遥控器。室内机与室外机相连完整的蒸汽压缩式制冷系统。这其中又可以细分为蒸发器、压缩机、冷凝器、节流装置和四通阀这五个必不可少的部件。而每一部分各司其职，蒸发器能够让制冷剂与吸收的室内热量交换热量，再通过室外机排除热量；压缩机就是将制冷剂所制造的低温通过蒸发器后处理并输送到室内；冷凝器是将将气态的制冷剂通过放热的手段冷凝液化，相对于蒸发器与压缩机而言是一个中介部件；节流装置使液态的制冷剂在节流过程中少量汽化形成低温蒸汽；最后的四通閥是将四部分沟通起来形成制热循环，使空调能够持续不断的工作。而遥控器，顾名思义就是通过无线遥控调整空调运作。

3.变频空调的运行特点

在直流变频空调横空出世前，交流变频空调作为初代变频空调，也为人们效力多年，直流变频空调实际上基本已经能够体现变频空调的优点了，但它耗能较高，而且噪声大、易振动，当然，造成直流变频空调最受限的缺点在于它的可控制的范围较小，这是由于其直流变频空调的压缩机频率变化较小所导致的。而交流变频空调在此基础上努力克服了诸多缺点，噪声小、振动幅度小、可控制范围变大。不仅如此，在不断的发展过程中，变频空调在启动后能够越来越快速的达到设定温度，最大限度保证用户的舒适度；在运行过程中，多次的调整设定温度也不会对电压造成太大影响，最大限度保证用户使用安全；即使如今的变频空调以越来越低的频率运行，但其始终能够保证其控制的范围，而降低频率，也能够相应的降低噪音，降低对电压的影响。总之，我国变频空调一直在向越来越好的方向发展，其特点也是不断向全方位满足用户需求上靠拢。

4.变频空调压缩机的驱动技术

4.1驱动控制方式

从目前研究方向上，变频空调压缩机的驱动控制方式有两种控制方式：其一是直接转矩控制，这种方式在1985年被提出，是从原有的永磁同步电机的基础上发展而来的，其目的是为了提高变频空调压缩机的驱动控制方式的有效性。其原理是将定子磁链估算作为磁场定向的核心，在通过控制磁链完成对目标的有效控制，并在原有基础上估算出压缩机系统内部的运行速度，从而进一步精确控制范围。直接转矩控制在提高了变频空调压缩机的驱动控制的有效性的同时，却并没有很好的处理由此带来的压塑机系统运行时稳定性下降的问题，不仅如此还造成了逆变器频率不稳定的缺陷。其二是矢量控制，这种驱动控制方式问世时间更早，早在1968年其理论构架已经基本完善，1971年实现系统化，但近年来我国专家在这方面屡有突破。这种驱动控制方式可以针对不同场合产生不同种形式，但本质上来说都是在磁场的定向坐标系中，促使励磁电流层与矩阵电流层分别产生磁通与转矩，在通过正交解耦等一系列操作后实现对磁场的独立控制。近几年兴起的新技术之一——永磁同步电机的正弦波驱动技术正是在此矢量控制原理基础上孕育而生。同时，我国两所知名大学教师在此驱动控制技术上也是有重大突破。

4.2位置估算技术

这种技术在近十几年来发展势头强劲，尤其是在数字信号处理器问世后，无位置传感器技术也步步高升，这是由于在变频空调压缩机中，永磁电机由于需要一直处于密封状态，其运行时的温度在此情形下能够高达120摄氏度，再加上变频空调压缩机内部其他复杂成分，就很难对定子电流与转子磁极进行准确的位置估算，为解决这一问题，在此基础上衍生出三种无位置传感器控制算法。其一是基于磁链与反电动势的位置估计方法，这种方法计算是最为简单的，而且可以自行调节逆变器，但与此同时，缺点就是精度低且对电机参数过于敏感。其二是基于状态观测器方法，这种方法运用到了诸多类型的观测器，在分别对应每种观测器运用特定的估算方法进行位置估算。因此造成参数多，估算复杂的情况，容易间接造成误差大的缺陷，不仅如此，这种方法的实时性、动态性都很强，若给予的速度范围不够大，那么就很难满足变频空调压缩机系统运行的需求。当然，换言之如果给予的速度范围够大，那么这种方法就十分适合应付参数变化。其三是高频信号注入法，这种方法操作简便，但需要特殊电路来注入固定频率的高频电压信号，以此获取转子位置与转速。这种较易操作的方法除了受制于特殊电路外还会带来较大的噪音。

4.3转矩补偿

变频空调压缩机分为单转子、双转子与涡旋式三种类型结构。目前我国家用变频空调的压缩机普遍使用成本较低的单转子结构，而当变频空调压缩机在低频运行时，时常造成转子速度在一个机械周期内转矩波动较大，这样不但会形成噪音，对于变频空调压缩机系统本身的稳定也有很大影响，因此在此情形下，研究得出可以通过矢量控制的方法，进行转矩补偿。若要实现这种方法操作，应当先在没有进行任何转矩补偿的情况下计算出相对偏移相位角度，然后在参考转矩电流前叠加所计算得出的转矩补偿分量，这个分量的大小应当参考转矩电流的大小，具体还要结合多次实际运行的振动效果来进行更加细致的调整，最后得出更加精确的数值。

5.结语

根据本文研究分析，变频空调具有更加低耗能的特点，符合我国绿色发展需求。再加上相关国家标准的出台，势必将更多电器企业的目光吸引到如何研究更低耗能的变频空调上。国家应当适当加大对变频空调研究的扶持力度，更多的分配研究人员资金、人力投入，争取使变频空调能够早日向更低能耗、更低噪声、更小振动、更加智能方向发展。

参考文献：

[1]徐晖，阙步军，黄华东.浅谈变频空调压缩机驱动控制技术[J].山东工业技术，2015（11）：96-97.

[2]李鹏.变频空调压缩机的驱动控制技术研究[J].经营管理者，2015（25）：396.endprint